基于ARM和LabVIEW的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)采集測試系統(tǒng)設計

徐立艷

摘 要： 網(wǎng)絡化虛擬儀器是繼虛擬儀器之后儀器儀表領域出現(xiàn)的新的發(fā)展方向，提出了將嵌入式系統(tǒng)、網(wǎng)絡與虛擬儀器結合的技術路線，將信號的采集、處理、存儲分布于不同的網(wǎng)絡位置的實施方案。利用ARM嵌入式在現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡通信將信號處理和存儲工作交給上位機負責，采用S3C44B0X為核心的開發(fā)環(huán)境，然后進行軟件系統(tǒng)的搭建，包括移植μC/OS?Ⅱ嵌入式操作系統(tǒng)，嵌入式圖形界面系統(tǒng)μC/GUI，ADC及網(wǎng)卡的驅動程序編寫以及移植LwIP實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議等。測試結果表明，該系統(tǒng)的功能完善、操作十分方便，完全滿足實際應用的需要，可以有效地組織和管理數(shù)據(jù)以及構架網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫。

關鍵詞： 虛擬儀器； ARM； LabVIEW； S3C44B0X； μC/OS?Ⅱ； LwIP

中圖分類號： TN919?34； TP274 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）05?0024?04

0 引 言

虛擬儀器（Virtual Instrument）是基于計算機的儀器。計算機和儀器的密切結合是目前儀器發(fā)展的一個重要方向[1]。這種結合有兩種方式：一種是將計算機裝入儀器，其典型的例子就是所謂智能化的儀器。隨著計算機功能的日益強大以及其體積的日趨縮小，這類儀器功能也越來越強大，目前已經(jīng)出現(xiàn)含嵌入式系統(tǒng)的儀器；另一種方式是將儀器裝入計算機。以通用的計算機硬件及操作系統(tǒng)為依托，實現(xiàn)各種儀器功能。虛擬儀器主要是指這種方式[2]。

使用網(wǎng)絡化虛擬儀器技術，可以不受地點、時間的約束，獲取準確的測量信息或數(shù)據(jù)，與傳統(tǒng)的儀器、測量、測試相比，帶來了諸多便利[3]。在網(wǎng)絡化虛擬儀器中，被測對象可通過測試現(xiàn)場的普通儀器設備，將測得的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡傳輸給異地的精密測量設備或高檔次的微機化儀器去分析、處理，能實現(xiàn)測量信息的共享，可掌握網(wǎng)絡節(jié)點處信息實時變化的趨勢；此外，也可通過具有網(wǎng)絡傳輸功能的儀器將數(shù)據(jù)傳至原端即現(xiàn)場。采用自動抄表系統(tǒng)，可提高抄表的準確性，能減少因估計或謄寫而可能出現(xiàn)的帳單錯誤（供用電、水、燃氣、熱能等）。管理部門因此能及時獲得準確的數(shù)據(jù)信息，用戶也不再需要與抄表員預約上門抄表時間，迅速查詢帳單。使用網(wǎng)絡化虛擬儀器，采用網(wǎng)絡測量技術，可以大幅度提高測量效率，降低監(jiān)測成本以及減少計量測試工作的周期[4]。

1 硬件設計

本文的目的是充分發(fā)揮分布式虛擬儀器的概念，將嵌入式系統(tǒng)，網(wǎng)絡，虛擬儀器聯(lián)系起來，將信號的采集、處理、存儲分布于不同的網(wǎng)絡位置。結合嵌入式系統(tǒng)的靈活性，避免其計算能力不強的缺點，將信號處理工作交給上位機負責。系統(tǒng)結構如圖1所示。

下位機的虛擬儀器負責信號的采集，通過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C，利用上位機強大的計算能力和海量存儲空間完成對原始數(shù)據(jù)的后期處理。

1.1 以太網(wǎng)設備

本系統(tǒng)采用的網(wǎng)絡RTL8019AS是一種高度集成的以太網(wǎng)控制芯片，能簡單地實現(xiàn)Plug and Play并兼容NE2000。

RTL8019AS芯片內部集成了DMA控制器，ISA總線控制器和集成16KSRAM、網(wǎng)絡PHY收發(fā)器。用戶可以通過DMA方式把需要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入片內SRAM中，讓芯片自動將數(shù)據(jù)發(fā)送出去，而芯片在接收到數(shù)據(jù)后，用戶也可以通過DMA 方式將其讀出。RTL8019AS的詳細介紹請見RTL8019AS數(shù)據(jù)手冊。了解了RTL8019AS所提供的資源與硬件接口，便可以設計RTL8019AS與S3C44B0X的硬件電路。

在網(wǎng)絡通信模塊電路中，RTL8019AS與處理器S3C44B0X之間的信號連接關系如圖2所示。

1.2 電源、時鐘及復位電路

在本系統(tǒng)中，采用的是5 V和3.4 V的直流穩(wěn)壓電源，其中，S3C44B0X核心使用2.5 V電源，外圍器件需3.4 V電源，另外部分器件需5 V電源，5 V電路加了工作指示燈，并且加了二極管對電路加以保護。晶振電路用于向CPU及其他電路提供工作時鐘。在該系統(tǒng)中，S3C44BOX使用常用的無源晶振，電路如圖3所示。

根據(jù)S3C44B0X的最高工作頻率以及PLL電路的工作方式，系統(tǒng)選擇了10 MHz的有源晶振，10 MHz的晶振頻率經(jīng)過S3C44B0X片內的PLL 電路倍頻后，最高可以達66 MHz。片內的PLL電路兼有頻率放大和信號提純的功能，因此，系統(tǒng)可以以較低的外部時鐘信號獲得較高的工作頻率，以降低因高速開關時鐘所造成的高頻噪聲。

同時在系統(tǒng)中還有頻率為32.768 kHz的實時時鐘晶振源，在USB接口芯片處也有一個48 MHz的晶振。在系統(tǒng)中，復位電路主要完成系統(tǒng)的上電復位和系統(tǒng)在運行時用戶的按鍵復位功能。復位電路可由IMP811芯片完成，復位電路如圖4所示。

該復位電路的工作原理如下：IMP811是一個可靠性很高的復位芯片，當用戶按下按鈕S1時或者RST_IN送過來一個低電平時，Reset端輸出為低電平，系統(tǒng)進入復位狀態(tài)，松開S1時，系統(tǒng)即可進入正常工作狀態(tài)。

2 實時操作系統(tǒng)

實時操作系統(tǒng)，簡稱RTOS，具體指系統(tǒng)能及時響應來自外部事件的請求，在確定的時間處理該事件，統(tǒng)一控制實時任務一致運行。RTOS的開發(fā)工具允許用戶針對不同的應用對象對RTOS的內核進行裁剪、壓縮，以適應各類應用，并提供應用程序的調試環(huán)境。

2.1 μC/OS?Ⅱ的系統(tǒng)結構

μC/OS?Ⅱ嵌入式實時操作系統(tǒng)是Jean J.Labrosse開發(fā)的一個完整的、可移植、固化、裁剪的占先式實時多任務內核，目前已經(jīng)在超過40種不同架構的微處理器上運行，圖5是本系統(tǒng)的軟硬件體系結構。

初始化程序是針對S3C44B0X使用匯編語言編寫的。在將控制權交給操作系統(tǒng)前，初始化最基本的硬件設備。主要工作是配置SDRAM并將操作系統(tǒng)代碼從FLASH拷貝到SDRAM中。

2.2 小鍵盤驅動編寫

系統(tǒng)采用智能顯示驅動芯片HD7279連接一個4×4鍵盤和S3C44B0X通信。HD7279A是一片具有串行可同時驅動8位共陰式數(shù)碼管（或64只獨立LED）的智能顯示驅動芯片，該芯片同時還可連接多達64鍵的鍵盤矩陣，單片即可完成LED顯示﹑鍵盤接口的全部功能。HD7279A內部含有譯碼器，可直接接收BCD碼或16進制碼，并同時具有2 種譯碼方式。此外，還具有多種控制指令，如消隱、閃爍、左移、右移、段尋址等。HD7279A具有片選信號可方便地實現(xiàn)多于8 位的顯示或多于64鍵的鍵盤接口。

3 硬件設計

3.1 模塊總體設計

整個系統(tǒng)的信號流程如圖6所示，信號通過ADC后以DMA方式進入兩個8 MB的SDRAM，二者構成一對乒乓存儲系統(tǒng)，一側負責采集信號的緩存，同時另一側負責向上位機發(fā)送，二者交替工作，保證信號流采集和發(fā)送的連續(xù)。對于網(wǎng)絡通信模塊，由于μC/OS?Ⅱ只是一個實時的任務調度及通信內核，缺少對網(wǎng)絡協(xié)議的支持，所以需要將LwIP（Light Weight IP protocol）移植到μC/OS?Ⅱ上，使其支持網(wǎng)絡功能。本章后面部分將重點介紹NE2000兼容網(wǎng)卡RTL8019AS驅動程序在嵌入式系統(tǒng)中的編寫。

3.2 信號調理模塊

S3C44B0X 內部具有一個逐次逼近型8 路模擬信號輸入的10位ADC，但是不具有保持采樣保持（S/H）電路，不能用于快速變化的信號采集，因此需要在前級信號調理電路中加入采樣保持功能。

在此系統(tǒng)中，采用了Microchip Technology公司的模擬增益可編程運放（PGA）MCP6S28芯片，傳感器采集的信號接入MCP6S28的通道輸入端，輸出VOUT接入處理器內部的A/D轉換器的信號輸入端AIN管腳。MCP6S28的增益可設置為1～32 V/V，它具有多路選擇輸入（MUX）模塊，共有8路輸入。MCP6S28具有SPI接口，故將其與S3C44B0X對應的SPI管腳連接即可，用于選擇增益水平和輸入通道。對MCP6S28進行操作的控制字節(jié)和數(shù)據(jù)字節(jié)均從SI引腳輸入，并在寫入數(shù)據(jù)的串行時鐘（SCK）上升沿被鎖存。

3.3 A/D采樣器程序設計

A/D轉換由S3C44B0X內部模/數(shù)轉換器（ADC）完成，它是一個10位、逐次逼近型的ADC，有8路模擬信號輸入，其內部結構中包括模擬輸入多路復用器， 自動調零比較器，時鐘產(chǎn)生器，10位逐次逼近寄存器（SAR），輸出寄存器。這個ADC還提供可編程選擇的睡眠模式， 以節(jié)省功耗。S3C44B0X 內部有3個與A/D 轉換有關的寄存器：控制寄存器ADCCON、預分頻寄存器ADCPSR、數(shù)據(jù)寄存器ADCDAT。

ADCPSR中存儲預置比例因子，取值范圍是0～255，完成一次A/D轉換至少需要16個A/D時鐘周期，有：

A/D轉換總時鐘數(shù)=2×（預置比例因子+1）×16

A/D的最高采樣速率是100 KS/s，即每個采樣周期為10 μs。ARM7運行在66 MHz主頻下，每個周期為15.152 ns。這樣每個采樣周期包括660個主頻周期。ARM7具有0.97 MIPS/MHz的指令效率，660個主頻周期可以運行約640條指令。在計數(shù)器觸發(fā)A/D采樣的情況下，處理器的工作是每采樣周期從A/D讀取一次數(shù)據(jù)并保存到RAM中，代碼如下：

LDR R0，[R1]：寄存器R1中保存了A/D數(shù)據(jù)寄存器的地址，需要3周期。

STR R0，[R2，#4]：寄存器R2中保存了RAM中數(shù)據(jù)存儲空間的起始地址；需要2周期。

這個操作需要5個主頻周期。利用剩余的轉換時間，ARM7可以完成數(shù)據(jù)的打包發(fā)送，以及其他的任務。在進行A/D轉換時，ARM要禁止一切可屏蔽中斷。

4 LabVIEW上位機模塊設計

上位機的功能有兩方面：一是負責數(shù)據(jù)的實時顯示，參數(shù)測量和存儲；二是對下位機的遠程控制。監(jiān)測人員能夠直觀地獲得測試結果，很方便地對遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行控制。

本系統(tǒng)的上位機系統(tǒng)利用虛擬儀器技術和LabVIEW 圖形化軟件開發(fā)集成環(huán)境，設計了該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析、存儲和遠程控制模塊。測試結果表明，該數(shù)據(jù)分析處理模塊的功能比較完善，操作十分方便，完全滿足實際應用的需要。

4.1 網(wǎng)絡數(shù)據(jù)通信接口程序設計

上位機和下位機通信的傳輸內容可以分為測控命令和數(shù)據(jù)兩種。其中下位機向PC 機發(fā)送的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量大、對傳輸速度要求較高、對可靠性的要求不很嚴格。

UDP 是面向非連接的方式， 提供的是不可靠的數(shù)據(jù)傳輸，但實現(xiàn)起來比較簡單，速度快、實時性好，并且支持廣播和組播，同時在單一、封閉局域網(wǎng)中可靠性也很高。因此用一般的UDP通信就可以達到很好的可靠性以滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆?/p>

一個簡單的UDP數(shù)據(jù)接收、顯示程序如圖7所示。程序分為UDP打開，UDP讀取和UDP關閉三個環(huán)節(jié)。首先指定本地端口號，本文為61557，這個端口必須與下位機設置的目標遠程端口一致。在運行此程序前，必須先運行下位機程序。UDP Read節(jié)點設置UDP數(shù)據(jù)報最大字節(jié)數(shù)，最大值為548，此處設置為100，若超過本值，Windows將提示出錯信息。

4.2 控制程序設計

程序界面如圖8所示，觀測人員可以通過示波器的波形顯示及時調整遠端采集設備的相應參數(shù)。這樣可以充分利用A/D轉換器的最大輸入量程（2.5 V），盡可能提高測量精度。另一個可以控制的參數(shù)是采樣速率，當被測信號的頻率較低時可以使用低速率采樣，在保證失真度的情況下降低數(shù)據(jù)流，避免因網(wǎng)絡擁擠產(chǎn)生數(shù)據(jù)丟失。設備重啟控制用于使下位機的系統(tǒng)軟件及硬件寄存器完全恢復到初始狀態(tài)。

控制信號的數(shù)據(jù)量較小，對傳輸?shù)目煽啃砸髧栏?，故采用TCP協(xié)議。對于LabVIEW程序的設計采用事件驅動模式，當增益水平和采樣速率的List控件值改變時，驅動主程序向下位機發(fā)送控制信號。向下位機發(fā)送的是增益水平或者采樣速率的數(shù)值。因為網(wǎng)絡以及系統(tǒng)的延時，效果通常要經(jīng)過一段時間才能反映出來。

4.3 下位機響應程序編寫

下位機的TCP/IP協(xié)議棧是通過LwIP實現(xiàn)的，LwIP提供一系列函數(shù)實現(xiàn)IP，TCP，UDP等的操作。其中tcp_input（），tcp_process（），tcp_receive（）與TCP輸入處理有關。函數(shù)netconn listen（）讓系統(tǒng)進入TCP監(jiān)聽狀態(tài)。當TCP連接建立后，tcp_receive（）把接收到的數(shù)據(jù)tcp_data傳給上級應用程序。再判斷tcp_data數(shù)值的大小，分為以下三種情況：

若為0X11111111，使程序跳轉到系統(tǒng)初始位置，重新設置各種設備。

若為1～32，調用SPI控制程序，給數(shù)據(jù)寄存器SPDR賦值，再通過MOSI發(fā)送給MCP6S28的增益寄存器。

若tcp_data≤1 000，則為采樣速率控制量，需修改A/D轉換預置比例因子寄存器ADCPSR，修改的值根據(jù)芯片手冊推導。

4.4 數(shù)據(jù)文件儲存程序設計

由于二進制文件存儲速度快，冗余數(shù)據(jù)少，格式也最為緊湊，因此在進行大量數(shù)據(jù)采集時，往往采用這種文件格式。圖9中是用底層函數(shù)實現(xiàn)的二進制文件的輸入VI，可以實時存儲通過UDP接收的數(shù)據(jù)，首先用Open/Creat/Replace File VI新建一個文件，然后在WhileLoop中用Write File函數(shù)將網(wǎng)絡通信數(shù)據(jù)寫入文件，最后用Close File函數(shù)關閉文件。

5 結 論

本文基于分布式虛擬儀器概念，設計了網(wǎng)絡化數(shù)據(jù)采集和測試系統(tǒng)，基于ARM的下位機和基于LabVIEW的上位機通過網(wǎng)絡協(xié)同工作，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實時采集、處理和存儲。首先針對基于ARM微處理器S3C44B0X的嵌入式采集系統(tǒng)進行整體開發(fā)，將嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS?II移植到本系統(tǒng)中，開發(fā)了網(wǎng)卡，數(shù)據(jù)采集模塊的底層驅動程序。同時，移植μC/GUI圖形用戶接口，編寫了鍵盤驅動，使嵌入式系統(tǒng)具有更友好的人機界面，本系統(tǒng)將虛擬儀器技術和數(shù)據(jù)庫相結合，引入LabVIEW SQL及相關模型，為有效地組織和管理數(shù)據(jù)以及構架網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫，打下了良好的基礎。

參考文獻

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