基于嵌入式技術(shù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)接入方法

吳寧

摘要：在將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接入到網(wǎng)絡(luò)的過程當(dāng)中，使用傳統(tǒng)的接入方法有著接入效率低下、數(shù)據(jù)采集誤碼率高的弊端，為了解決此類問題，使用嵌入式技術(shù)對網(wǎng)絡(luò)接入方法進(jìn)行設(shè)計。首先選擇RTL8020芯片對網(wǎng)絡(luò)硬件接口進(jìn)行設(shè)計，以嵌入式的方式將芯片安裝到網(wǎng)絡(luò)電路中，借助接口引腳實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)之間的電平轉(zhuǎn)換和邏輯控制，選擇相應(yīng)的嵌入式網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，并利用匯編語言使得采集系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)可以直接被網(wǎng)絡(luò)接收，最終實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的直接調(diào)用。為了保證嵌入式接入方法的接入效率，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，在搭建好實(shí)驗(yàn)環(huán)境的基礎(chǔ)上，設(shè)立傳統(tǒng)無線接入方法為實(shí)驗(yàn)的對照組，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論：嵌入式網(wǎng)絡(luò)接入方法的平均誤碼率比傳統(tǒng)方法低0.3%，且傳輸速度快12Mbit/s。

關(guān)鍵詞：嵌入式;數(shù)據(jù)采集;網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng);網(wǎng)絡(luò)接入;接入方法

中圖分類號：TP302文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-5383（2019）03-0046-04

隨著計算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷提高，動態(tài)信號分析系統(tǒng)逐漸向網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向發(fā)展。數(shù)據(jù)采集是動態(tài)信號分析的基本步驟之一，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要以軟硬件協(xié)同工作為工作機(jī)制，由此可以記錄和顯示目標(biāo)信號。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)測量采集方式通常是一邊測量、一邊手工記錄，然后輸入到PC端借助中央處理器對測量記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。這種方式不僅工作繁重，且存在人為誤差，無法保證采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。使用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，不僅可以提高數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性，還可以將采集數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中，方便日后的使用和調(diào)用。但數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)無法獨(dú)立工作，在實(shí)際使用中，大多需要將該系統(tǒng)接入到不同的網(wǎng)絡(luò)中，例如針對企業(yè)工廠的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)就需要將系統(tǒng)接入企業(yè)網(wǎng)絡(luò)中。網(wǎng)絡(luò)接入包括光纖接入、同軸接人、銅線接人和無線接人4種方式，其中光纖接入、同軸接入和銅線接入都屬于有線接入。使用不同的通信介質(zhì)，將網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器與系統(tǒng)主機(jī)連接在一起，通過系統(tǒng)配置實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的調(diào)用。而無線接人方法是通過網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器發(fā)布無線連接信號，利用微波和衛(wèi)星將系統(tǒng)接入到網(wǎng)絡(luò)中。經(jīng)研究與反饋，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的接入方法存在系統(tǒng)運(yùn)行時間長、數(shù)據(jù)采集誤傳率高的問題，因此本文提出新的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)接入方法，引入嵌入式技術(shù)將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接入到網(wǎng)絡(luò)中，由單個程序來實(shí)現(xiàn)整個控制邏輯。

1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)接入方法設(shè)計

以太網(wǎng)的傳輸速率能夠滿足數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的運(yùn)行要求，因此以數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接人以太網(wǎng)為例，設(shè)計相應(yīng)的接人方法。使用嵌入式的系統(tǒng)接人結(jié)構(gòu)，將數(shù)據(jù)采集的系統(tǒng)功能集成在單板上，網(wǎng)絡(luò)接入方法的結(jié)構(gòu)框架以及執(zhí)行流程分別如圖1、圖2所示。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)當(dāng)中的數(shù)據(jù)接口直接與網(wǎng)絡(luò)接口相連，使得數(shù)據(jù)采集結(jié)果可以直接寫入到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的緩存單元當(dāng)中，或者交由中央控制單元寫入緩存。中央控制單元協(xié)調(diào)各個系統(tǒng)接口的工作，將數(shù)據(jù)交由以太網(wǎng)接口發(fā)送。

1.1網(wǎng)絡(luò)硬件接口設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)硬件接口選擇RTL8020芯片.該芯片的內(nèi)部結(jié)果包括多個數(shù)據(jù)線接口和若干個地址線接口，接口芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

按照圖3的芯片分布，對網(wǎng)絡(luò)接入接口進(jìn)行設(shè)計，使其可以應(yīng)用在IOM的ISA接口網(wǎng)絡(luò)適配器當(dāng)中，方便數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的接入。從圖3的結(jié)構(gòu)可以看出，接口芯片主要由接收邏輯控制器、接收/發(fā)送CRC校驗(yàn)、FIFO邏輯對列等零件組成，每一個零件都有相應(yīng)的寄存器加以控制，保證系統(tǒng)可以通過硬件順利安裝到網(wǎng)絡(luò)上。

網(wǎng)絡(luò)的硬件接口除了芯片外.還需要設(shè)立I/O引腳，且I/O引腳的電壓需維持在3.3v左右，接口的內(nèi)核電壓為1.8v。除了I/O引腳之外，在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接入網(wǎng)絡(luò)的過程中，會產(chǎn)生時鐘發(fā)生現(xiàn)象，該部分需要借助時鐘輸入引腳和預(yù)設(shè)時鐘模式引腳兩個硬件設(shè)備。無論是I/O引腳還是時鐘引腳，內(nèi)部都不設(shè)計片內(nèi)振蕩電路，使用50MHz的晶體振蕩器來代替片內(nèi)電路。

1.2系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)電路嵌入式連接

將設(shè)計完成的網(wǎng)絡(luò)硬件接口與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的硬件設(shè)備，通過網(wǎng)絡(luò)電路進(jìn)行連接。由于系統(tǒng)需要采集大量的數(shù)據(jù)，因此在電路當(dāng)中除了接口設(shè)備以外，還需要接人數(shù)據(jù)處理器、存儲器等設(shè)備，按照圖4所示的電路進(jìn)行連接。

在網(wǎng)絡(luò)接口電路當(dāng)中內(nèi)嵌一個控制器，支持獨(dú)立接口和緩沖接口。這種電路連接方式可以在系統(tǒng)半雙工以及全雙工模式下，提供網(wǎng)絡(luò)接人，且網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)的正常工作不受影響。

1.3系統(tǒng)的接口轉(zhuǎn)換及邏輯控制

由于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的接口與網(wǎng)絡(luò)接口的結(jié)構(gòu)不同，因此當(dāng)硬件接口設(shè)備連接完成之后，需要通過軟件程序?qū)ο到y(tǒng)的接口進(jìn)行轉(zhuǎn)換。在此次接人方法中的接口轉(zhuǎn)換主要針對系統(tǒng)接口與網(wǎng)絡(luò)接口之間的高低電壓轉(zhuǎn)換，涉及到雙向網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)總線和單向系統(tǒng)地址總線。當(dāng)系統(tǒng)接口的硬件設(shè)備接人到網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中時，由I/0引腳引出空閑的地址線，將引出的引腳與雙向總線緩沖器相連。緩沖器當(dāng)中的DIR控件用來控制數(shù)據(jù)流的走向，當(dāng)輸入的系統(tǒng)接口為低電平時，數(shù)據(jù)緩沖器有輸出，且輸出增強(qiáng)電平;若輸入的為高電平，則緩沖器輸出端為高阻態(tài)狀態(tài)，那么輸出的電平即為低電平。另外還需要進(jìn)行地址譯碼方便數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在工作時的混合編程，并進(jìn)行讀寫邏輯控制。

1.4嵌入式系統(tǒng)TCP/IP協(xié)議選擇

對于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)而言，數(shù)據(jù)傳輸和處理的實(shí)時性是比較重要的，因此當(dāng)系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析時，需要遵循嵌入式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，提供網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆?wù)質(zhì)量，進(jìn)而保證系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的實(shí)時性和準(zhǔn)確性。其中選擇的傳輸協(xié)議首部需要包含：報文序號、確認(rèn)序號、報文類型以及頭校驗(yàn)碼等多個字段，且嵌入式的TCP/IP協(xié)議棧需要實(shí)現(xiàn)ARP、IP、ICMP、TCP等多個網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，實(shí)現(xiàn)嵌入式Web服務(wù)器。

1.5匯編語言混合編程

利用DSP匯編語言與C語言進(jìn)行混合編碼，保證數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)信息可以直接被網(wǎng)絡(luò)識別與存儲，使用4種編程結(jié)構(gòu)原理，提高編譯代碼的效率，具體的編程結(jié)構(gòu)原理如圖5所示。

從圖5可以看出.在硬件接口連接完成的基礎(chǔ)上，網(wǎng)絡(luò)接人編碼步驟分為：選取信息位、生成矩陣和極碼化編碼。通過式（1）選取數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中需要傳輸?shù)男畔⑽弧?/p>

1.6網(wǎng)絡(luò)調(diào)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過編程與調(diào)整順利地接入網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)通過向采集系統(tǒng)發(fā)送采集指令調(diào)用系統(tǒng)功能，并通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將采集到的信息傳送到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收，進(jìn)而完成網(wǎng)絡(luò)對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的調(diào)用，使得數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)從硬件和軟件兩個方面接入到網(wǎng)絡(luò)中。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器端向數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)出采集指令，該系統(tǒng)運(yùn)行得到數(shù)據(jù)采集結(jié)果，混合語言對采集的結(jié)果進(jìn)行編譯，并通過網(wǎng)絡(luò)接口傳送到網(wǎng)絡(luò)中，即完成了網(wǎng)絡(luò)對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的調(diào)用過程，也就完成了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)之間的嵌入式連接。

2實(shí)驗(yàn)分析

在以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境上搭建數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的測試網(wǎng)絡(luò)平臺，并對系統(tǒng)接入網(wǎng)絡(luò)的方法進(jìn)行測試，檢驗(yàn)設(shè)計方法的性能。

2.1布設(shè)實(shí)驗(yàn)環(huán)境

為了避免實(shí)驗(yàn)的偶然性，設(shè)置2種實(shí)驗(yàn)環(huán)境，具體的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境模塊配置情況如表1所示。

按照表1的數(shù)據(jù)對實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境進(jìn)行配置.從表1可以看出，2個實(shí)驗(yàn)環(huán)境處理輸出模塊和輸出點(diǎn)數(shù)不同外，其他模塊均相同。按照網(wǎng)絡(luò)接入方法對接口芯片進(jìn)行設(shè)計，并將其安裝到網(wǎng)絡(luò)電路當(dāng)中，并進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)接入外線安裝。在外線布設(shè)與安裝的過程中，需要保證整個傳輸信道的穩(wěn)定性，另外需要注意的是電源線和電話線路對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的運(yùn)行有著極強(qiáng)的干擾作用，因此不要將干擾線路放在一起平行布線。

2.2實(shí)驗(yàn)過程

在實(shí)驗(yàn)當(dāng)中設(shè)立傳統(tǒng)的無線接人方法作為實(shí)驗(yàn)的對比方法，此次實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)對象選擇經(jīng)過性能和功能測試且通過的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，分別使用傳統(tǒng)接入方法和嵌入式接入方法，將相同的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分別接人到實(shí)驗(yàn)環(huán)境網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中。讓測試人員同時發(fā)出數(shù)據(jù)采集指令，將采集到的數(shù)據(jù)結(jié)果分別存儲在系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器當(dāng)中，其中系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫當(dāng)中存儲的采集結(jié)果為檢驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的唯一標(biāo)準(zhǔn)。通過式（5）對數(shù)據(jù)結(jié)果的誤碼率進(jìn)行計算。

2.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)得到了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接入網(wǎng)絡(luò)中的接入認(rèn)證界面如圖6所示。

在確定系統(tǒng)接入的情況下，得出2種接入方法的對比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如表2所示。

從表2可以看出，使用不同的網(wǎng)絡(luò)接人方法將同一系統(tǒng)接人到相同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境當(dāng)中，得到不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。經(jīng)過比對發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)接入方法得到的數(shù)據(jù)平均誤碼率為0.68%，而嵌入式網(wǎng)絡(luò)接入方法的平均誤碼率僅為0.38%。且嵌入式接入方法比傳統(tǒng)接入方法的傳輸速度快12Mbit/s。由此可以得出結(jié)論：使用嵌入式技術(shù)下的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)接入方法，對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的影響更小，接入效果更佳。

3結(jié)束語

綜上所述，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)中使用嵌入式的接入方式進(jìn)行傳輸，實(shí)現(xiàn)其遠(yuǎn)程傳輸?shù)墓δ?，并且誤碼率小、傳輸速度快，在今后的使用過程當(dāng)中可以實(shí)現(xiàn)無人操作測量。設(shè)計出的嵌入式網(wǎng)絡(luò)接入方法，依然存在一定的誤碼率，因此在今后的研究中，需要針對該問題進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。