一種組網(wǎng)式工業(yè)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)

王明玥，曲曉偉，劉同磊，張青，于志強(qiáng)

（天津電氣科學(xué)研究院有限公司，天津 300180）

在工業(yè)領(lǐng)域，用戶需要掌握現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)設(shè)備的運(yùn)行狀況，以便進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障分析、預(yù)測(cè)優(yōu)化等。數(shù)據(jù)采集是工業(yè)系統(tǒng)檢測(cè)、管理和控制過(guò)程中取得原始數(shù)據(jù)的主要手段。數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)能夠?qū)F(xiàn)場(chǎng)采集的溫度、壓力、風(fēng)速、流量、水位、頻率等非電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)、處理、分析和顯示[1]。

現(xiàn)在常見(jiàn)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備大部分需要配合外設(shè)組件互連（peripheral component interconnect，PCI）接口卡或外設(shè)組件互連專用（peripheral com?ponent interconnect express，PCIE）接口卡[2-3]，與筆記本、臺(tái)式機(jī)連接不方便。主控架構(gòu)基本上采用“微控制單元（microcontroller unit，MCU）+ 現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（field-programmable gate array，F(xiàn)P?GA）”的模式[4-5]，受到片上存儲(chǔ)空間限制，當(dāng)采集通道較多時(shí)數(shù)據(jù)采樣周期往往較大，當(dāng)監(jiān)測(cè)多路信號(hào)時(shí)會(huì)導(dǎo)致某些高頻信號(hào)無(wú)法監(jiān)測(cè)；且多臺(tái)設(shè)備并行時(shí)，不能保證數(shù)據(jù)采集時(shí)間點(diǎn)的同步且精準(zhǔn)。

工業(yè)設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用環(huán)境通常十分惡劣，采樣信號(hào)容易受到干擾，且各設(shè)備之間通常存在一定距離。目前，缺乏一種組網(wǎng)式數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)，它能夠采集并處理大量數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)具有較高的實(shí)時(shí)性、同步性；系統(tǒng)設(shè)備能夠方便快捷地與筆記本或臺(tái)式機(jī)相連，支持設(shè)備間長(zhǎng)距離運(yùn)行，且具備較強(qiáng)的抗干擾能力。

1 數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

組網(wǎng)式工業(yè)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)包括上位機(jī)軟件和采集設(shè)備[6]。上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置、網(wǎng)卡設(shè)置，以及采集數(shù)據(jù)的接收、存儲(chǔ)、解析及顯示等功能，采集設(shè)備實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、高速光纖通訊、數(shù)據(jù)處理和傳輸?shù)裙δ堋?/p>

圖1所示為一種組網(wǎng)式工業(yè)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。數(shù)據(jù)采集設(shè)備包括多路隔離模擬量采集、多路隔離數(shù)字量采集、地址選擇、高速光纖通訊、以太網(wǎng)通訊等電路結(jié)構(gòu)，主控芯片采用FPGA。各設(shè)備之間通過(guò)高速光纖通訊級(jí)聯(lián)組網(wǎng)，組網(wǎng)主站與上位機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)相連。

圖1 一種組網(wǎng)式工業(yè)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of the networking industrial data acquisition and analysis system

組網(wǎng)式數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)既可以單臺(tái)運(yùn)行，也可以組網(wǎng)運(yùn)行。如果只有一臺(tái)設(shè)備運(yùn)行，那么該設(shè)備即為主站；如果多臺(tái)設(shè)備進(jìn)行組網(wǎng)運(yùn)行，那么系統(tǒng)中有且僅有一個(gè)主站。

本系統(tǒng)無(wú)需特殊主站設(shè)備，采集設(shè)備兼容主從站功能。用戶通過(guò)地址選擇器對(duì)設(shè)備的主從屬性進(jìn)行選擇，指定組網(wǎng)系統(tǒng)的主站設(shè)備。主站同時(shí)具備主站數(shù)據(jù)采集、從站數(shù)據(jù)匯總的功能。

本系統(tǒng)設(shè)備體積小，采樣數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性高、準(zhǔn)確度高、精度高，支持設(shè)備間長(zhǎng)距離運(yùn)行，抗干擾能力強(qiáng)。通過(guò)上位機(jī)軟件多線程技術(shù)和FPGA高速光纖通訊技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)大量數(shù)據(jù)的接收、存儲(chǔ)、解析以及顯示。數(shù)據(jù)采樣周期可調(diào)，且不受通道總數(shù)限制。

2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件采用微軟基礎(chǔ)類庫(kù)（microsoft foundation classes，MFC）開(kāi)發(fā)[7]，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置、網(wǎng)卡設(shè)置，以及采集數(shù)據(jù)的接收、存儲(chǔ)、解析及顯示等功能。上位機(jī)軟件可以安裝在任意帶有網(wǎng)卡和網(wǎng)口的電腦設(shè)備上，該電腦作為數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)的上位機(jī)，通過(guò)普通網(wǎng)線與數(shù)據(jù)采集設(shè)備連接。

上位機(jī)軟件啟動(dòng)后，用戶可以根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)需求設(shè)置參數(shù)，包括：配置網(wǎng)卡、設(shè)置組網(wǎng)站點(diǎn)數(shù)目、激活或屏蔽站點(diǎn)及通道、設(shè)置采樣周期、選擇采樣公式等。由于數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)的重點(diǎn)是處理大量數(shù)據(jù)，因此上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)重點(diǎn)在數(shù)據(jù)處理部分。

數(shù)據(jù)處理采用多線程技術(shù)[8]，實(shí)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的接收、存儲(chǔ)、解析以及顯示等功能，可以支持用戶對(duì)數(shù)據(jù)的在線監(jiān)測(cè)和離線分析。多線程包括：數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)線程、數(shù)據(jù)解析線程、數(shù)據(jù)顯示線程。其中，數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)線程為主線程；數(shù)據(jù)顯示線程、數(shù)據(jù)解析線程屬于工作線程，無(wú)窗口操作，以避免數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)線程發(fā)生堵塞。圖2所示為上位機(jī)軟件數(shù)據(jù)處理的多線程結(jié)構(gòu)圖。

圖2 上位機(jī)軟件數(shù)據(jù)處理的多線程結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Multi-threading structure diagram of data processing of host computer software

數(shù)據(jù)處理部分的實(shí)現(xiàn)具體方法為：

1）數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)線程。內(nèi)部又分為數(shù)據(jù)接收功能、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能。其中，數(shù)據(jù)接收功能為：上位機(jī)軟件接收到數(shù)據(jù)后，將接收數(shù)據(jù)存到接收緩存區(qū)域內(nèi)，并根據(jù)數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度進(jìn)行處理。當(dāng)接收數(shù)據(jù)有效時(shí)，將接收緩存中的數(shù)據(jù)復(fù)制到線程間緩存，并開(kāi)啟解析線程。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能為：上位機(jī)軟件首先將接收到的原始數(shù)據(jù)處理成為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議包形式的數(shù)據(jù)，并根據(jù)用戶設(shè)置的采樣周期將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到臨時(shí)數(shù)組；當(dāng)上述臨時(shí)數(shù)組達(dá)到指定長(zhǎng)度后，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能進(jìn)行一次寫(xiě)存儲(chǔ)文件操作。

2）數(shù)據(jù)解析線程。當(dāng)用戶讀取在線數(shù)據(jù)時(shí)，上位機(jī)軟件直接從內(nèi)存區(qū)域取數(shù)；當(dāng)用戶讀取離線數(shù)據(jù)時(shí)，上位機(jī)軟件從存儲(chǔ)文件中取數(shù)，且讀取數(shù)據(jù)后按照網(wǎng)絡(luò)協(xié)議對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析。

3）數(shù)據(jù)顯示線程。當(dāng)用戶打開(kāi)視圖，則開(kāi)啟數(shù)據(jù)顯示線程。利用雙緩沖技術(shù)，將解析后的數(shù)據(jù)利用雙緩沖技術(shù)繪制波形圖，動(dòng)態(tài)顯示數(shù)據(jù)變化情況。

3 FPGA功能設(shè)計(jì)

FPGA功能結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。地址選擇為外置硬件器件，可選擇如撥碼開(kāi)關(guān)等器件實(shí)現(xiàn)地址選擇。主控芯片F(xiàn)PGA主要實(shí)現(xiàn)時(shí)序控制、數(shù)據(jù)采集、高速光纖通訊、數(shù)據(jù)處理及以太網(wǎng)通訊等功能。

圖3 FPGA功能結(jié)構(gòu)圖Fig.3 FPGA functional structure diagram

其中，時(shí)序控制主要控制數(shù)據(jù)采集、高速光纖通訊、以太網(wǎng)通訊的周期；數(shù)據(jù)采集實(shí)現(xiàn)多路模擬量芯片驅(qū)動(dòng)及數(shù)據(jù)采集、多路數(shù)字量數(shù)據(jù)采集，并將數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)處理模塊；高速光纖通訊實(shí)現(xiàn)主從站的數(shù)據(jù)傳輸，也將數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)處理模塊；數(shù)據(jù)處理匯集數(shù)據(jù)后，實(shí)現(xiàn)通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換以及數(shù)據(jù)緩存等功能；經(jīng)過(guò)處理后的數(shù)據(jù)，通過(guò)以太網(wǎng)通訊完成FPGA與上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程。

組網(wǎng)式工業(yè)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)中有且僅有一個(gè)主站。當(dāng)?shù)刂愤x擇器設(shè)置為“0”時(shí)，設(shè)備設(shè)置為主站；當(dāng)?shù)刂愤x擇器設(shè)置為非“0”時(shí)，設(shè)備設(shè)置為從站；從站應(yīng)按照1，2，…，N的順序進(jìn)行設(shè)置，各設(shè)備根據(jù)地址選擇器自動(dòng)識(shí)別主、從站，并實(shí)現(xiàn)主從站功能。其中，主站FPGA功能包括：時(shí)序控制、數(shù)據(jù)采集、高速光纖通訊主站、數(shù)據(jù)處理及以太網(wǎng)通訊；從站FPGA功能包括：數(shù)據(jù)采集和高速光纖通訊從站。

3.1 時(shí)序控制

FPGA根據(jù)系統(tǒng)方案控制數(shù)據(jù)采集周期、高速光纖通訊周期和以太網(wǎng)通訊周期。

3.2 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集包括多路模擬量采集和多路數(shù)字量采集，采集后的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)濾波，得到優(yōu)化信號(hào)數(shù)據(jù)。

3.2.1 模擬量采集

實(shí)現(xiàn)多通道同步隔離模擬量采集。上位機(jī)軟件設(shè)定模擬量數(shù)據(jù)采集的相關(guān)參數(shù)，并傳輸給FPGA。FPGA根據(jù)設(shè)定參數(shù)進(jìn)行芯片配置及數(shù)據(jù)采集。其中，芯片配置可以根據(jù)用戶配置實(shí)現(xiàn)不同范圍和精度的數(shù)據(jù)采集。設(shè)備支持兩種采集設(shè)置：輸入范圍為-10～10 V，精度2 mV；輸入范圍為0～10 V，精度1 mV。

3.2.2 數(shù)字量采集

實(shí)現(xiàn)多通道同步隔離數(shù)字量采集。設(shè)備能夠采集多路0～24 V數(shù)字量。

3.3 高速光纖通訊

高速光纖通訊采用具有設(shè)置靈活、速率快、準(zhǔn)確度高等特點(diǎn)的自主協(xié)議進(jìn)行通訊，通訊誤碼率小于10E-10。光纖通訊能夠支持設(shè)備間長(zhǎng)距離運(yùn)行，且具有較強(qiáng)的抗干擾能力。通訊分為主站功能和從站功能，狀態(tài)可通過(guò)狀態(tài)字和故障字進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

高速光纖通訊具備精準(zhǔn)時(shí)鐘控制功能，所有站點(diǎn)的時(shí)鐘偏差小于200 ns，保證所有站點(diǎn)采集數(shù)據(jù)時(shí)間點(diǎn)的統(tǒng)一。通過(guò)該功能，用戶能夠用上位機(jī)軟件準(zhǔn)確對(duì)比同一時(shí)刻的不同站點(diǎn)不同通道的采集數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)組網(wǎng)的站點(diǎn)數(shù)目可根據(jù)實(shí)際需求自由設(shè)置，從站將采集數(shù)據(jù)發(fā)送給主站，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)的組網(wǎng)功能。FPGA具有主從切換的功能，包括：主從功能切換和主從數(shù)據(jù)切換。主從功能切換是根據(jù)用戶設(shè)置的硬件地址，執(zhí)行對(duì)應(yīng)功能，并選擇正確的通訊端口；主從數(shù)據(jù)切換是從站數(shù)據(jù)通過(guò)高速光纖通訊傳輸給主站，而主站的采集數(shù)據(jù)直接寫(xiě)入FPGA內(nèi)部隨機(jī)存儲(chǔ)器（ran?dom access memory，RAM）。高速光纖通訊充分考慮主、從站功能融合以及數(shù)據(jù)和站點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

除數(shù)據(jù)傳輸外，從站還具備自動(dòng)路由功能。從站根據(jù)通訊內(nèi)容和地址選擇器，判斷自身是否是尾站。當(dāng)不是尾站時(shí)，F(xiàn)PGA通過(guò)圖1所示的光纖2將通訊幀傳向后面的站點(diǎn)；當(dāng)是尾站時(shí)，F(xiàn)P?GA從光纖1將通訊幀回傳，同時(shí)光纖2不再工作。

3.4 數(shù)據(jù)處理

主站FPGA匯總所有站點(diǎn)數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)按照協(xié)議處理并存入RAM中。主站FPGA每個(gè)發(fā)送周期讀取本周期內(nèi)所有數(shù)據(jù)，并發(fā)送至上位機(jī)軟件。各從站設(shè)備雖然都具備以太網(wǎng)通訊功能，但只有當(dāng)設(shè)備被設(shè)置成主站時(shí)，F(xiàn)PGA才會(huì)通過(guò)以太網(wǎng)通訊電路向上位機(jī)軟件傳輸數(shù)據(jù)。

3.4.1 數(shù)據(jù)協(xié)議轉(zhuǎn)換

在主站FPGA匯總數(shù)據(jù)的過(guò)程中，需要實(shí)現(xiàn)由“按照時(shí)間采集”向“按照站點(diǎn)傳輸”的轉(zhuǎn)換。FPGA采用“乒乓操作”傳輸與緩存，以減少邏輯資源的使用情況。

3.4.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

由于數(shù)據(jù)采集和高速光纖通訊的速率很快，主站FPGA匯總很多采樣時(shí)間點(diǎn)的數(shù)據(jù)后，才會(huì)向上位機(jī)軟件發(fā)送一次數(shù)據(jù)。受以太網(wǎng)帶寬和上位機(jī)讀寫(xiě)數(shù)據(jù)速率的限制，本周期數(shù)據(jù)沒(méi)有傳輸完成時(shí)，下一周期的部分?jǐn)?shù)據(jù)就會(huì)覆蓋之前數(shù)據(jù)，造成數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。因此，F(xiàn)PGA內(nèi)部采用兩個(gè)RAM區(qū)域存儲(chǔ)。

圖4為FPGA讀寫(xiě)內(nèi)部RAM區(qū)域的邏輯切換圖。寫(xiě)入和讀取數(shù)據(jù)的RAM區(qū)域由FPGA內(nèi)部控制，確保發(fā)送數(shù)據(jù)的正確性和完整性。

圖4 FPGA讀寫(xiě)內(nèi)部RAM區(qū)域的邏輯切換圖Fig.4 Logic switching diagram of FPGA reading and writing internal RAM area

圖4中，Tc為FPGA與上位機(jī)通訊周期；WREN為主站FPGA寫(xiě)內(nèi)部RAM的使能信號(hào)，配合高速光纖通訊周期，在Tc周期內(nèi)95%時(shí)間有效、5%時(shí)間無(wú)效；WR_RAM為寫(xiě)RAM標(biāo)志位，RD_RAM為讀RAM標(biāo)志位，二者根據(jù)WREN信號(hào)進(jìn)行高低電平切換。當(dāng)WR_RAM和RD_RAM為0或1時(shí)，F(xiàn)PGA分別寫(xiě)入或讀取對(duì)應(yīng)RAM區(qū)域的數(shù)據(jù)。

3.5 以太網(wǎng)通訊

主站FPGA匯總所有站點(diǎn)數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)按照協(xié)議處理并存入RAM中。主站FPGA每個(gè)發(fā)送周期讀取本周期內(nèi)所有數(shù)據(jù)，并發(fā)送至上位機(jī)軟件。各從站設(shè)備雖然都具備以太網(wǎng)通訊功能，但只有當(dāng)設(shè)備被設(shè)置成主站時(shí)，F(xiàn)PGA才會(huì)通過(guò)以太網(wǎng)通訊電路向上位機(jī)軟件傳輸數(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)應(yīng)用效果

圖5為系統(tǒng)顯示示例圖。上位機(jī)軟件能夠?qū)Σ蓸訑?shù)據(jù)進(jìn)行合并或單獨(dú)顯示。其中，M代表設(shè)備，A代表模擬量，D代表數(shù)字量。圖5中示例性地顯示了設(shè)備1第8路模擬量、設(shè)備2第1路模擬量、設(shè)備5第2路模擬量以及設(shè)備4第8路數(shù)字量的采集和顯示效果。

圖5 組網(wǎng)式工業(yè)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)顯示示例圖Fig.5 Display example of networking industrial data acquisition and analysis system

本系統(tǒng)已實(shí)際應(yīng)用，可用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的變頻器（如電壓型逆變器、大功率中壓變頻等）系統(tǒng)，能夠?qū)\(yùn)行過(guò)程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和分析。本系統(tǒng)解決了工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集受限制較多的問(wèn)題，所采集的數(shù)據(jù)具備較高準(zhǔn)確率、實(shí)時(shí)性和采樣率，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果良好。

5 結(jié)論

本文提出了一種組網(wǎng)式數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)及效果如下：

1）系統(tǒng)采用上位機(jī)軟件多線程技術(shù)和FPGA高速光纖通訊技術(shù)，共同實(shí)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的接收、存儲(chǔ)、解析以及顯示。數(shù)據(jù)采樣周期可調(diào)，且不受通道總數(shù)限制。

2）數(shù)據(jù)采集設(shè)備之間采用光纖連接的方式進(jìn)行組網(wǎng)，傳輸實(shí)時(shí)性高、準(zhǔn)確率高；各站點(diǎn)之間能夠?qū)崿F(xiàn)時(shí)鐘同步，保證組網(wǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)采樣時(shí)間統(tǒng)一；系統(tǒng)支持設(shè)備間長(zhǎng)距離運(yùn)行，抗干擾能力強(qiáng)。

3）數(shù)據(jù)采集設(shè)備采用多通道同步隔離采集方式，支持多組模擬量、多組數(shù)字量的高精度、高采樣率的數(shù)據(jù)采集，而且數(shù)據(jù)采集參數(shù)可靈活配置。

4）系統(tǒng)無(wú)需特殊主站設(shè)備，用戶通過(guò)地址選擇器即可選擇采集設(shè)備的主從屬性，操作靈活簡(jiǎn)單。