（通信与信息系统专业论文）大型实验仪器共享平台中数据采集与处理终端研究.pdf

中文摘要 摘要 在社会发展过程中，信息资源的共享、资源的合理配置越来越受到人们的关 注。资源信息的共享甚至直接影响到人们物质生活和精神生活水平的提高。但是 目前在一些企业、高等院校和科研机构中，由于管理体制与设备使用机制的局限 性，大型实验仪器的使用率极为有限，因而造成了大量的资源浪费的现象。因此， 构建大型实验仪器共享平台是符合社会发展要求的。在构建大型实验仪器共享平 台中，如何完成平台中的各种不同设备数据信息的采集与处理是实现远程数据交 流与共享的关键，因此本课题研究的内容有着重要的研究价值和实用意义。 论文针对大型实验仪器共享平台中收集各种实验仪器与设备的数据信息的需 要，研发了一套专用的高速数据采集系统。论文首先对课题的学术研究价值和使 用意义以及国内外的研究现状进行了分析，并对大型实验共享平台总体进行了简 要介绍；接着针对大型实验共享平台中数据采集的特殊性和功能要求，在进行详 细需求分析的基础上，进行了数据采集系统整体方案的设计；然后详细介绍了数 据采集系统的硬件、f p g a 控制逻辑和系统软件设计。系统主要以c 8 0 5 1 f 0 2 0 嵌 入式单片机为核心，辅以高性能a d 转换器、f p g a 、u s b 接口芯片等功能模块， 完成了系统硬件电路设计；系统中利用f p g a 完成高速数据采集中所需要的各个 控制逻辑时序信号；在系统软件设计中，分别完成了主程序、通信接口软件、服 务器软件的设计：并对系统软硬件的抗干扰能力进行了设计；最后对安装调试过 程进行了介绍，给出了调试的结果。 本课题研究的系统接口及数据格式符合大型实验仪器共享平台的规范和要 求，可对多种大型仪器设备进行高速的数据采集。经过实际测试，各项技术指标 均达到设计要求，基本满足现阶段大型实验仪器共享平台数据采集的需求。 关键字：共享平台，数据采集，嵌入式单片机，现场可编程门阵列 英文摘要 一一一 a b s t r a c t w i t ht h es o c i a l d e v e l o p m e n t ，i tp a y sm o r ea n dm o r ea t t e n t i o nt o s h a n go f i n f o r m a t i o nr e s o u r c e s ，r a t i o n a ld i s t r i b u t i o ni n t o d a y sw o r l d s h a r i n g1 1 1 f o 册a t i o n r e s o u r c e se v e nh a sad i r e c ti m p a c to np e o p l e sl i v i n gs t a n d a r di m p r o v e m e n t f o rm a t e r i a l a n ds p i r i t u a ll i f e h o w e v e r , u t i l i z a t i o no fl a r g e s c a l et e s te q u i p m e n t i se x n e m e l vl i m i t e d o w et oi n f o r m a t i o ne x c h a n g eo c c l u s i o ni nm a j o r c o m p a n i e s ，i n s t i t u t i o n sa n di e s e a r c h i n s t i t u t e s ，a sar e s u l t ，al a r g en u m b e ro fi n f o r m a t i o nr e s o u r c e sw a s t e i t 彻sc o u n t e r t o t h es o c i a ld e v e l o p m e n t s ob u i l d i n gas h a r e dp l a t f o r mf o r l a r g e s c a l ee x p e r i m e n t a l a p p a r a t u si si nl i n ew i t ht h er e q u i r e m e n t so fs o c i a ld e v e l o p m e n t h o wt oc o m p l e t et h e d a t aa c q u i s i t i o na n d p r o c e s s i n go f r e m o t ed a t as h a r i n g p l a t f o r mf o rav a r i e t yo fd i f f e r e n t d e v i c e si so n eo ft h ek e y s ，s ot h ec o n t e n to ft h i sr e s e a r c hh a si m p o r t a n tr e s e a r c hv a l u e a n d p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e p a p e rd e v e l o p e dad e d i c a t e dh i g h s p e e dd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mf o rt h en e e do f c o l l e c t i n gd a t ai nv a r i e t ye q u i p m e n ti n l a r g e s c a l ee x p e r i m e n t a la p p a r a t u ss h a r i n g p l a t f o r m t h e s i sf i r s tp u tf o r w a r dt h ed e s i g na n du s eo fa c a d e m i cr e s e a r c ha sw e l la st h e s t a t u sq u oa th o m ea n da b r o a di nt h i sp a p e r , a n dt h e ns h a r i n gp l a t f o r mf o rl a r g e s c a l e e x p e r i m e n ti sd e s c r i b e di n c l u d i n gs y s t e mb l o c kd i a g r a m ，w o r k f l o wa n db u s i n e s s m a n a g e m e n t ，e t ci ng e n e r a l f o rd a t ac o l l e c t i o nr e q u i r e m e n t si n s h a r i n gp l a t f o r mf o r l a r g e s c a l ee x p e r i m e n t a l ，a f t e rb a s e do nad e t a i l e dn e e d sa n a l y s i sa n di n t r o d u c et h e p r i n c i p l eo ft h es a m p l i n g ，i tl e a d e dt ot h ep l a t f o r md a t aa c q u i s i t i o ns y s t e md e s i 龋o ft h e o v e r a l lp r o g r a m a n dt h e ni td e t a i l e dt h eh a r d w a r ed e s i g n ，f p g al o g i cd e s i g na n d s y s t e mc o n t r o ls o f t w a r ed e s i g n t h em a i np a r to ft h eh a r d w a r ed e s i g nw a st oe m b e d d e d c 8 0 51f 0 2 0s i n g l e c h i pa st h ec o r e ，s u p p l e m e n t e db ys u c ha sh i g h - p e r f o r m a n c ea d c o n v e r t e r s ，f p g a ，u s bi n t e r f a c ec h i pf u n c t i o n a lm o d u l e s ，a n dg i v e nas p e c i f i c h a r d w a r ed e s i g na n dc i r c u i tm e a n w h i l e i np a r to ft h ef p g ad e s i g n ，p a p e r f i r s t i n t r o d u c e dt h ec o n c e p ta n dd e s i g nf l o wo ff p g a ，s u b s e q u e n td e t a i l e dd e s i g no fe a c h m o d u l e i np a r to ft h ea p p l i c a t i o nd e s i g n ，a f t e rt h ei n t r o d u c t i o no ft h ed e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n t ，i ti n t r o d u c e dt h em a i np r o g r a mw h i c hw a sd i v i d e di n t ot h r e ep a r t s ， 1 n c l u d i n gm a i ns o f t w a r ep r o c e s s ，c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c es o f t w a r ep r o c e s s s e n ，e r s o f t w a r ep r o c e s sr e s p e c t i v e l yi np a r to ft h ed e b u g g i n g ，a l lp a r t sw e r eg i v e nt h er e s u l t s o fs i m u l a t i o na n dd e b u g g i n g , a n dg i v e nc o m p a r i s o n o ft h er e s u l t so ff i g u r ei nt h ee n d t h es y s t e mi n t e r f a c ea n dd a t af o r m a to ft h i sr e s e a r c hp a p e rc o n s i s t e n tw i t ht h e i i i 重庆人学硕十学位论文 l a r g e - s c a l ee x p e r i m e n t a la p p a r a t u ss h a r i n gp l a t f o r ms p e c i f i c a t i o n sa n dr e q u i r e m e n t s ， a n dc a nb eh i g h - s p e e dc o l l e c t i n gd a t ai naw i d er a n g eo f e q u i p m e n t a f t e rt h ea c t u a lt e s t ， v a r i o u st e c h n i c a li n d i c a t o r sh a v er e a c h e dt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s i tm e e t st h en e e d so f d a t ac o l l e c t i o ni nl a r g e - s c a l ee x p e r i m e n t a la p p a r a t u ss h a r i n gp l a t f o r m k e y w o r d ：s h a r i n gp l a t f o r m ，d a t ac o l l e c t i o n ，e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o r , f p g a i v 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的倒坠 士 学位论文 继磐险磋兰熏粒箍鲍蚴琶磷竭黟是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 导师签名： 、欺l 。 u f 【 签字日期：捌群石月旧 签字日期：夕伊甲f 学位论文使用授权书 本人完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意中 国博士学位论文全文数据库、 下简称“章程”) ，愿意将本人 交中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社( c n ) 在中国博士学位论文全文数据 库、中国优秀硕士学位论文全文数据库以及重庆大学博硕学位论文全文数 据库中全文发表。中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文 全文数据库可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版，并同意编入c n 中国知识资源总库，在中国博硕士学位论文评价数据库中使用和在互联 网上传播，同意按“章程”规定享受相关权益和承担相应义务。本人授权重庆大学 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公开论文的全部或部分内容。 作者签名：二哗箬l 导师签名： 垂 备注：审核通过的涉密论文不得签署“授权书”，须填写以下内容： 该论文属于涉密论文，其密级是，涉密期限至 年一月一日。 说明：本声明及授权书! 噬装订在提交的学位论文最后一页。 馋辫确 1 绪论 1 绪论 1 1 课题学术意义及使用意义 随着数字化、网络化、全球一体化信息时代的来临，信息获取、资源共享与 合理配置成为了当前世界越来越关注的主题。其中最为重要的是如何获取现实生 活中的各种有用的信息，而在获取信息的过程中，数据采集( 1 ( d a t aa c q u i s i t i o n ) 是 获取信息的基本手段，数据采集技术作为信息科学的一个重要分支，是与传感器、 信号测量与处理、微型计算机等技术为基础而形成的一门综合应用技术，它研究信 息数据的采集、存储、处理及控制等方法与技术，而用在大型实验仪器共享平台 中，它的主要任务就是根据远程用户的需要，采集相应的测控点的数据并通过远 程传输设备或接口传送到平台控制与管理中心进行处理，或将采集到的数据信息 在现场进行处理、分析、记录，再将结果通过远程传输设备或接口传送到平台控 制与管理中心。比如，用户若需要某实验室的一台仪器做某种实验，用户不必到 现场或是专门购置这一台仪器，通过共享平台，在该实验室做这一实验，通过数 据采集装置或设备自带的数据获取装置采集相应的数据信息，然后把这些采集到 的数据直接传输给用户即可。 一般来讲大型仪器设备价格比较昂贵，对于使用的环境上要求也非常苛刻， 所以整个数据采集装置不能对仪器设备造成任何干扰以至于影响设备的运行状 况，造成实验结果误差增大等问题。 因此我们所设计的数据采集装置属于大型实验平台中的辅助设备之一，目的 在于将某些无法直接获得数据信息的特殊设备或待测对象实现数字化，以利于通 过大型实验仪器共享平台实现数据的传输、实验结果的共享以及实时监测与监控； 同时，此采集装置对大型实验仪器设备本身来说必须是物理隔离，对设备不能产 生任何干扰，通过研究分析，可用以下方式解决此问题：对于本身具有数据输出 端口的设备，可利用此数据采集装置的数字传输方式获取端口或使用多功能数据 传输接口收集设备的数据信息；对于某些没有数据输出端口的设备，可直接利用 本数据采集装置采集被测对象的数据，在设备所设计的被测信号输入端进行信号 分流，再加装此套采集装黄即可进行对照采样数据。由于设备的输入端口是仪器 设备固有的，所以对在整个远程实验的运行过程中所造成的影响是可预先估计的， 在后期处理中可加以修正，从而保证采集数据的可靠性和真实性。 在大型实验仪器设备中的数据采集装置共分为两种，主动采集装置和被动采 集装置。主动采集装置用于那些没有设计直接数据输出的仪器设备，对于这种设 备需要了解它们的工作状况，并且在一定程度控制它们的行为。采集装置对大型 重庆人学硕十学位论文 仪器设备进行数据采集后，将数据上传到服务器当中。而被动式采集装置则有所 不同，它们的根本目的只是将大型仪器设备所输出的数据按照我们规定好的协议 格式封装完成后将数据上传到后台服务器当中。之所以分为这两种，是由于现在 各种大型仪器设备的标准不统一，所获取的信息千差万别，又特别是接口标准不 统一，造成了不能对这些设备按统一的模式进行完整的数据采集和监控操作。 基于大型实验仪器共享平台自身应用的特殊性，设计一套便携、轻巧、多功 能数据采集终端与处理系统是十分必要的：通过数据采集与处理终端，既可实现 现场直接在t f t 液晶屏上实时显示结果，也可以和计算机的通信接口相连，还可以 利用远程数据传送接口设备，实现远程数据传输，然后在服务器端实时显示采集 与处理结果，构成大型实验仪器资源共享平台、远程数据采集与实时监控、实验 室实验仪器综合管理、产品质量检测中心等多种领域的数据采集、信息处理与分 析系统。因此本课题具有较大的学术研究价值和实用价值。 1 2 国内外研究现状及目的 数据采集与处理一直是生产实践研究与应用领域的一个热点和难点。随着微 电子技术及其制造工艺水平的飞速发展，以及数据处理与分析理论的进一步完善 与成熟，目前国内外对数据采集系统的高性能方面的研究取得了很大的突破。仅 对a d 转换的精度、速度和通道数来说，采样通道由单通道发展到双通道、多通 道，采样频率、分辨率、精度逐步提高，为后续的处理与分析功能的加强提供了 前提条件。 在承担数据处理与分析任务的核心部件微处理器方面，最初的数据采集 系统主要以8 位单片机为主，随着微电子技术的不断发展，各种高性能的单片机 不断问世，十六位、三十二位单片机以及6 4 位的嵌入式处理器也被数据采集系统 研制厂家所采用，近来采用具有微处理器加d s p 功能的数据采集系统也己投入市 场。同时，随着台式机c p u 处理能力的不断提升，通用p c 机的c p u 用于数据处 理也较为常见。总之，伴随着高性能微处理器的采用和用户技术要求的不断提高， 数据采集系统的功能也越来越完善，性能愈来愈好。 数据采集系统的发展趋势主要体现在以下几个方面： 首先，在专业测控方面，基于p c 计算机的数据采集系统越来越成熟和智能化。 在过去的二十年中，开放式架构p c 机的处理能力平均每十八个月就增强一倍。为 了充分利用高速处理器的速度优势，现代开放式测量平台结合高速总线及相应接 口，如p c i 和p x i c o m p a c tp c i ，以便获得性能的进一步提升。计算机的性能提升 和由此引起的基于计算机的测量技术的创新，尤其是以计算机技术为基础平台的 虚拟仪器的快速发展，正在持续不断地模糊着传统仪器和基于计算机的测量仪器 2 1 绪论 之间的界线。 其次，在通用测控方面，采用嵌入式微处理器的方案也由早期的采用a d 器 件和标准单片机组成应用系统发展到在单芯片上实现完整的数据采集与分析，即 目前极为热门的s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 。通常在一块芯片上集成了一个可以采样多 路模拟信号的a d 转换子系统和一个硬c p u 核( 比如增强型8 0 5 2 内核) ，而且其 c p u 的运算处理速度和性能也较早期的标准c p u 内核提高了数倍，且有着极低的 功耗。这种单芯片解决方案降低了系统的成本和设计的复杂性【2 】。 目前，数据采集技术在国外己处于高速发展阶段。尤其是在高速数据传输、 高实时性、高同步性等方面有雄厚的技术实力。从事数据采集开发的企业公司也 很多，目前，全球比较著名的提供高性能数据采集产品的公司有以下几个： 美国国家仪器公司【3 ) ( n a t i o n a li n s t r u m e n t s ) n i 作为基于p c 的数据采集产品领导者，为用户提供了最为广泛的数据采集 设备选择：从台式、便携式到联网的应用；p c i 、p c ie x p r e s s 、p x i 、p c m c i a 、u s b 、 c o m p a c t f l a s h 、e t h e m e t 以及火线等各种总线选择；还有w i n d o w s ，l i n u x ，m a c o s x ， p o c k e t p c w i n d o w sc e 与r t x 等各种操作系统选择，可谓种类齐全，应有尽有。 n i 的产品分类十分丰富，公司生产的数据采集卡的接口类型包含p c i 、u s b 、 p x i 等，用户可依据需要来选择。 美国d a t at r a n s l a t i o n 公司1 4 】 d a t at r a n s l a t i o n ，i n c 。公司是世界上著名的数据采集、图像分析和机器视觉供应 商。其产品非常丰富，包含u s b 数据采集、同步u s b 数据采集、数字i o 振动和 噪音测试解决方案、d s p 控制和数据采集、p c i i s a 卡数据采集等。 台湾研华科技股份有限公司【5 】 拥有超过2 0 年的p l u g i ni o 设计和制造经验，研华已经成为全球性的领导厂 商，提供着全方位的工业d a & c 产品。在提供丰富的终端模块和软件支持的基础 上，研华为工业需求提供了高速度，高质量，低成本的产品。研华的p l u g i ni o 解决方案可以满足通用机械自动化应用方面的所有需求，它同时支持定位控制和 速度控制。 p c i 总线数据采集与控制卡包含：p c i 总线多功能卡，p c i 总线模拟量输入卡， p c i 总线模拟量输出卡，p c i 总线非隔离数字量i o 卡，p c i 总线隔离数字量i o 卡等。 近两年，数据采集开发在国内也开始起步，水平也在不断提高。市场上国内 的主要产品有北京优采公司的u a 3 0 0 系列、四川拓普公司的u d a q 、u b o x ，、 u c a r d 等系列。虽然与国外同类产品相比，国内数据采集系统性能有一定差距， 如数据采集频率低，精度和分辨率低，数据处理能力较弱，存储容量小等等，但 重庆火学硕+ 学位论文 是国内各企业、科研机构j 下积极跟踪国外最新技术，不断提高数据采集的研究开 发，力争保持国内产品低价位的同时达到国外产品的高品质【6 1 。 对大型实验共享平台而言，由于构建的是一种新型的实验仪器资源共享平台， 希望能从各种不同设备中获取其各自的实验数据或结果，以平台通用的格式来传 输与存储数据，便于进入平台的各个用户共享这些实验数据或结果，而这些实验 仪器由于功能的不同、生产厂商的不同，获取数据的方式、数据的存储格式等均 不相同，基本上采用的都是自己专用的数据采集装置，不能满足大型实验共享平 台的要求，其一，不具有对大型实验平台的数据采集的通用性，满足不了在这种 特定场合对信息进行收集的要求；其二，不易携带，通常实验仪器的采集器与仪 器本身捆绑在一起，体积较大，携带不方便，难于适应移动性实时测试的需要； 其三，价格昂贵，性能较好的实验仪器价格昂贵，使用环境要求又较高。 本课题针对大型实验仪器共享平台的特点和自身的特殊情况，充分利用现有 的各种技术手段设计出能满足大型仪器共享平台需要的多功能数据采集与处理装 置，如充分利用u s b 总线所具有的即插即用、自供电、自动检测等优点实现u s b 接口的数据传输，并且设计出可兼容多种设备的接口，实现接口功能多样化。该 系统具有低成本、高可靠性、多点数据采集等优点，且易于携带，可以将数据采 集装置轻松地带到现场完成数据采集工作，提供了一种更有效、更经济、更方便 的现场实时数据采集方式。 1 3 大型实验仪器共享平台介绍 1 3 1 大型实验仪器共享平台 随着社会经济的快速发展，以及国家对高等院校、科研院所的科研投入，我 国企业、高等院校、科研院所购置了大量的大型仪器设备。这些设备为国家的经 济发展、科学技术发展以及人才培养起到了重要的作用，但存在单位之间信息相 互闭塞，设备重复购置的情况。为提高大型仪器资源的利用率，各级政府、高等 院校都在着力建设共享平台。 共享平台早期建设的重点均放在共享信息的交流，而对仪器的使用只能到仪 器所在地进行。为更好的提高仪器的利用率，提出远程实验的要求。实行远程实 验有很多的优点，如： 节约实验经费。传统的仪器使用必须是用户到仪器设备所在地进行，为此 用户需要付出差旅等费用。 实时获取数据。在远端的科研人员可以实时获取实验数据，为科研、生产 提供实时的支撑。 远程实验是在i n t e m e t ( 或者i n t r a n e t ) 上采用远程数据及图像( 声音) 采集、远程 4 1 绪论 控制技术、计算机仿真技术、虚拟现实等技术，使实验者从异地计算机设备上可 以进行实验操作和观察，所得到的结果与本地得到的数据结果完全等价，如同真 实操作实验设备一样。 根据本地实验设备的真实与否，远程实验系统可以分为两类：即远程实际实 验和远程仿真实验。 远程仿真实验的设备是虚拟设备，它通过建立某些设备的数学模型或者数据 库模型，把整个模型连同程序系统置于仿真实验的服务器平台上，远程用户的操 作会引起仿真模型的运行及计算，从而得出相应的结果。以虚拟实验室为代表的 这一类远程实验目前研究也不断有新的成果。 虚拟实验室是一种特别的、分布式的解决问题的环境，是提供给用户的一个 基于网络的实验教学、技术交流、共同研究、协同工作的平台，是一种基于计算 机虚拟原型系统的全新的科学研究与工程设计方法，是除理论与实物实验之外的 第三种研究设计手段和形式。 虚拟实验室主要具有的功能为：教育功能、辅助设计功能、协同实验和研究 功能。 所谓远程实际实验就是实验设备在本地，而实验用户在异地，异地用户从远 程对设备进行数据采样、图像观察、实时控制、交互运行。 目前远程实际实验的典型构成主要分为三个部分：客户端、服务器( 或专用控 制器) 、控制对象。有的系统再加上一个视频音频监控部分。服务器和控制对象之 间通过串口、数据采集卡或者专用总线进行通信。客户机和服务器之间通过基于 t c p 协议或者h t t p 协议的应用程序进行通信，往往构成分布式系统，分别承担远 程控制的部分任务。 远程实际实验的优点有以下几点： 不受时间和地点的约束。使用远程控制实验，可以使用户在任何时间，任 何地点通过网络进行实验，因此更有利于学生合理地安排自己的学习计划。 获得真实的实验感受。远程控制实验是对真实的实验设备的操作控制，因 此用户能充分地体验真实的实验感受。尤其是当使用视频会议技术或网上摄像机 进行多媒体的信息反馈时，这种实验感觉更加清晰直观。 可以充分利用实验室资源。远程控制实验使用的实验设备往往价格昂贵， 当有大量学生需要进行实验时，购置大量的实验设备往往是不可行的。而由于远 程控制实验允许学生灵活地安排学习计划，因此可以充分发挥已有的实验设备的 效用，并且可以实现在不同的实验室、学校之间的设备共享。同时，由于减少了 实验设备的购置，实验室的维护费用和工作量也大大降低。 目前远程实际实验的构建可以分为基于广域网和基于局域网两类，前者的客 5 重庆人学硕+ 学位论文 户端可以位于 m c m c t 网上的任何位置，客户端可以通过不同形式的网络平台( 基 于t c p i p 协议) 登录到服务器上进行远程监控，另一类是基于局域网的远程控 制，主要是为校园内的师生提供远程控制服务。 远程仿真实验没有使用到大型仪器设备，其结果是通过模型仿真出来的，与 仪器真实的结果还是有很大的差异，因此远程仿真实验只适合对结果要求不高的 应用场合，如教学、科研前期工作。但对于需要真实的仪器结果的场合，只能采 用远程实际实验方式。也只有这种方式，才能真j 下的对用户有实际意义。因此使 用远程实际实验科研提高大型仪器设备的利用率，解决仪器设备重复购置的问题， 为国家、企业节约经费，同时还为仪器所有单位盘活资产，增加经济效益起到一 定的作用【7 j 。 在大型实验仪器共享平台中，数据的传输方式有两种，有线和无线。有线的 方式主要是网络，无线的方式主要是g p r s 、w c d m a 、z i g b e e 等等，有线的方 式数据采集系统直接把大型实验设备采集后通过网络发送出去，无线的方式把采 集的数据直接通过无线接口发送，这样，就实现了数据的远程共享。图1 1 所示即 为大型实验仪器平台的体系架构。 图1 1 大型实验仪器共享平台体系架构 f i g 1 1t h es t r u c t u r eo fl a r g e - s c a l ee x p e r i m e n t a la p p a r a t u sf o rs h a r i n gp l a t f o r m 6 1 绪论 整个体系结构分为几个部分，包括实验仪器数据采集终端部分、网络部分、 后台数据维护部分以及用户终端部分。 在一个实验室内部，或者校园、机关等具有校园网络或内部局域网络的单位 可以采用有线方式将各个实验设备组织起来；而对于些布线不便，或者设备移 动性较强的设备，我们可以使用无线连接的方式将其接入网络当中；而一些比较 偏远的实验室、实验基地也需要数据共享，那么通过比较成熟的无线移动网络来 进行数据的传输工作；对于一些特殊情况，如完全不允许网络活动的单位或地区， 可以采用使用s d 卡作为记录媒介的采集装黄，定期得由管理人员将数据上传到指 定的服务器当中。 对于学校内部或者是机关单位内部中的大型仪器设备，这些单位中的网络状 况一般来说是比较完善的。一般在学校内部都有校园网络，而机关单位内部也有 自己的内部网络，进行办公等日常工作。 以某大学为例，其内部使用校园网络，在各个院系内，有大型仪器设备的实 验室中都配置有网络接口，在大多数情况下，我们都是直接使用近距离有线的方 式将各台仪器设备进行连接起来。在这种情况下，充分利用了已有资源，如果使 用无线方式的话，由于电信运营商每月都会收取一定费用，为后期维护等都带来 了难度。 在学校内部，包含大型仪器设备的实验室，大多安装有我们的采集装置，用 于采集大型仪器设备的使用情况，将数据上传到校内设备处的服务器处，进行统 计分析，从而对各个设备每月、每年的使用情况进行统计，为今后大型仪器设备 使用情况进行评估提供了合理的依据。 1 3 2 大型实验仪器设备基本要求和功能 经过分析，对大型实验仪器共享平台的基本要求主要如下：第一，充分利用 仪器设备资源。当设备昂贵、用户众多时，购置大量的仪器设备并不现实。通过 远程控制实验，实现在不同的实验室、单位之间的仪器设备共享，并允许用户根 据当前仪器设备使用状态合理安排个人实验计划，这样可以充分发挥已有的实验 设备的效能，使有限的资源得到最大化利用。第二，不受时问和地点的约束。通 过远程控制仪器设备，可以使拥有权限的用户在任何时间、任何地点通过共享平 台调动相应的设备仪器进行科研、实验。第三，获得真实的实验感受。远程控制 实验是对真实的实验设备的操作控制，因此用户能充分地体验真实的实验感受。 同时，使用视频会议技术或网上摄像机进行多媒体的信息反馈，使这种实验感觉 更加清晰直观。 基于以上对大型实验仪器基本要求的分析，提出了大型实验仪器共享的功能： 一是对远程实际实验自动获取仪器数据的方法进行研究，其研究目标是给出通用 7 重庆大学硕十学位论文 的仪器数据自动获取解决方案。二是针对某个具体仪器，实现其具体的自动数据 获取方法，其研究目标是给出可用的自动数据获取软件。三是对远程实际实验与 共享平台之间进行连接的体系结构进行研究，其研究目标是提出解决方案。四是 对由于网络带宽限制引起的大量数据进行远程传输问题进行研究，其研究目标是 提出解决方案。 在本设计中，重点解决的是第三点，即中间连接体系，采用数据采集系统进 行前端数据采集处理，使大型实验设备的数据能够准确的在远程端接收。 1 4 课题主要研究内容和主要工作 本课题主要内容包括，采集终端的设计方案、信号的处理方法、结果的输出 方式等。另外，还要研究采集数据的远程传输接口方法及数据存储技术。研究具 体实现的技术手段等。 本课题主要工作是：在研究嵌入式单片机，f p g a 逻辑控制等知识的基础上， 提出一套专用的高速数据采集系统，设计并实现了此系统的硬件，f p g a 逻辑，主 机软件，实现了对所采集的数据的图形化显示。 各章节的安排如下： 第一章介绍本论文的学术意义和使用意义、研究现状和目的和课题的主要 内容，介绍了大型实验仪器共享平台的背景、发展状况和功能框架， 第二章介绍了本论文的需求分析、采样原理，引出本系统的硬件和软件总 体设计方案。 第三章给出了具体的硬件电路设计，包括信号调理电路、a d 转换、时钟设 计、单片机接口、液晶屏接口以及u s b 、r s 2 3 2 设备端接口和单片机、f p g a 等 电路模块介绍。 第四章详细地介绍了f p g a 逻辑设计，包括f g p a 开发流程、应用，以及 f p g a 设计中的各个子模块设计，并给出详细的逻辑设计图以及说明。 第五章介绍了数据采集系统中主机软件的编写。主要包括主程序软件、通 信接口软件、服务器软件程序。 第六章介绍了采集系统的抗干扰设计，从硬件设计和软件编写两方面加以 讨论。 第七章介绍采集系统的调试过程以及调试结果。 第八章是对本文的总结及对后续工作展望。 1 5 本章总结 本章介绍了论文设计的选题意义和国内外研究背景，并简单介绍了论文项目的 1 绪论 来源大型实验仪器共享平台基本情况和大型实验仪器平台的基本框图，最后给出了本论 文研究内容、主要工作和章节安排。 9 2 数据采集系统总体方案设计 2 数据采集系统总体方案设计 2 1 系统的功能及需求分析 首先，分析采集系统在大型实验仪器共享平台中的作用。如图2 1 所示：为大 型实验仪器共享平台中采集系统所处的地位。 服务器 图2 1 采集系统在人型实验平台的位置 f i g 。2 1c o l l e c t i o ns y s t e mi nt h el o c a t i o no fl a r g e - s c a l ee x p e r i m e n t a lp l a t f o r m 实验平台通过采集装置进行数据采集，本采集数据的途径有以下两个：一是 利用采集装置直接采集所需要的模拟或状态信息；另一个是利用现代数值化设备 自身的结果，通过其已有的接口与采集装置的接口直接进行数据传输，然后将采 集到的或是客户终端需要采集的数据上传到服务器端，由服务器统一进行数据处 理和分析并将结果保存到数据库中，用户通过访问系统的门户网站，通过w e b 页 面对资源进行请求，服务器根据客户权限及需求来决定对用户开放何等程度的信 息内容，从而实现资源共享。 通过前面的介绍与分析以及图2 1 可知，采集装置的主要任务是采集仪器设 备的实验数据或结果、工作状态、工作参数等信息，将采集的信息通过有线网络 或无线方式传输给远程服务器端，供其他用户来访问和查询以实现信息共享。 数据采集器的另外一个目的就是可实现实时数据的采集、实时检测与分析。 对于某些大型试验仪器由于其不具备可移动性，需要到现场采集样本然后带回实 验室进行测量分析，导致实时性差而延误j 下确判断现场情况的时机，而本采集装 置具有实时处理与显示信息的功能，可适当弥补这一不足，可以将传感器接部分 带到现场进行测试，将传感器的输出直接送入本采集系统，不失真地获得实时数 信息，例如对现场的温度、湿度、空气质量、江河的水质、污染程度等的实时监 测，既可将获得的信息进行现场处理分析，又可以通过有线网络或是无线的方式 将采集到的未经过任何处理的数据信息不失真地传送到远端的大型试验仪器上进 重庆人学硕十学位论文 行详细地分析处理，从而实现远程实时监测的任务。而在市面上一般的采集卡， 只能插在电脑上或是其他设备仪器上，难以实现现场实时数据采集的需要。由于 采集卡或其它数据采集装置主要用于通用的数据采集，难以适用于本平台的实际 需要，相同指标的采集装置价格比较贵，而且不能现场显示波形，一般也不是手 持式的，基于此，本课题诣在设计一套与大型试验仪器共享平台配套的数据采集 系统。 因此，概括起来讲，采集系统与大型实验仪器的关系是：采集系统将数据采 集，采集的方式主要以各种设备的输入输出端口决定，将数据采集后按协议规定 进行合理的保存，并通过各种可行的方式将数据进行上传。上传的目的地是区域 服务器，作用是负责将各个设备的数据进行分类整理，将数据存储到数据库系统 之中。 所有用户均可通过本平台对其所感兴趣的实验结果进行访问操作。在引入实时 视频及远程控制后，用户还可以进行实验设备的远程实时操作，平台可实时监控 设备的运行情况以及对设备使用进行预约等功能，以此提高大型仪器设备利用率。 数据采集系统性能好坏，主要取决于它的采样速度、精度和可靠性。针对采 集系统的性能要求和设计目的，需考虑以下三个问题： 分辨率和精度 它决定了对数据采集系统核心元件a d 转换器的位数要求，由于采集的信号 是j 下负5 v 范围，八位a d 的分辨率为1 0 2 5 6 ，分辨率在恢复系统数据波形的时候 不会产生影响，兼顾高速采样的要求，本设计采用高速8 位a d 转换器进行设计。 通道数 采样通道的多少决定了系统结构的复杂程度。只采集单一信号，则采用单通 道结构，对于多个模拟量或数字量数据采集的场合，需采用多通道结构。多通道采 集系统又分为多个转换器独立转换的通道结构系统和采用多路开关对多个模拟量 或数字量进行切换而共用一个转换器的两种方案。前者速度快，通道问串扰小， 通道数据采集同时性好，但由于使用的a d 转换器多，电路较复杂，后者由于对 多通道轮流采集，多路开关转换需要时间，再加上转换器的转换时间，所以采样 速率相对前者低，而且开关间存在串扰，因此必须考虑相应的抗干扰措施，但价 格便宜。基于以上的原因以及大型实验平台的特殊性，本设计采用两个独立工作 的转换器构成两通道的模式。 采样频率的确定 为了保证采集装置从传感器输出所获得的数据信息能满足大型实验设备的处 理要求，达到试验仪器直接进行数据获取的效果，就必须尽可能不失真地获取传 感器原有信号的所有信息，尤其是某些有用的瞬态信息，甚至包括传感器输出的 1 2 2 数据采集系统总体方案设计 本底信息，这就要求装置的采样速率要尽可能高，考虑到这一因素及实现的可能 性，本设计中设计的采样频率为2 0 0 m ，以达到高速采集的目的。 分析了以上三个问题以后，下面将从大型实验仪器共享平台的特定情况出发， 考虑设计此采集系统的各项指标。 在大型实验仪器共享平台中，最重要的是共享两个字。共享，主要有两个方面 的共享，一是数据的传输的有效性，二是数据传输的实时性。在数据的有效性方 面，由于是远程传输，数据从大型实验设备中传输到用户当中，中途要经过一系 列的处理才能正确无误的到达用户端，中途的处理尤为重要，它直接影响了用户 得到数据的准确性，以致直接影响实验结果的成败，因此，不仅对中间数据的采 集与处理过程提出了较高的要求，还对传输接口提出了较高的要求，传输接1 3 的 灵活性提高了用户对得到数据途径，下面将从采集要求和接口技术两方面讨论数 据传输的有效性。 数据共享中最重要的当然是数据的采集和传输，因此，一套专用的采集数据 的装置是必需的。大型实验设备的种类繁多，输出的数据模式和范围也是多种多 样，因此采集系统应该具有较宽的模拟带宽；且大型实验设备价格昂贵，对环境 的要求很高，因此采集系统的应该具有较小的误差，对输出的结果不会产生影响； 由于设备的多样性各种数据导致的数据传输要求不同，因此对采集系统的采集速 率也提出了相当高的要求；若一个采集系统可以同时让多个仪器设备同时使用， 既快捷方便又降低了成本， 所以又必要使用多通道模式，但是通道数增多会降低 系统的性能和连接导线的长度，对产生的误差是不可忽略的，而且实验仪器体积 庞大，因此通道数也不宜过多。 数据有效性的另外一个方面就是接口技术，因为它直接影响远程用户端接收 到数据的方式。现在常用的采集方式是通过数据采集板卡，它们一般通过i s a 或 是p c i 等内置式接口实现p c 机与外围系统之间的通信。但内置式插卡容易受到 p c 机箱内高频信号的干扰影响，从而降低系统的采样精度和稳定性。现在的u a r t 串行口虽然支持外插，但其速度缓慢，远不能适用现今高速设备的发展需求。而 通用串行总线( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ，简称u s b ) 使高传输速度、易扩展性、方便的 即插即用有机的结合在一起，很好地解决了以上这些冲突，很容易就能实现低成 本、高可靠性、多点的数据采集。因此利用u s b 接口传输数据是理想的选择。 但是，由于设备的多样性和设备本身的不同使u s b 的使用又受到一定的限制， 例如p c 机，虽然现今大多数的p c 机都有u s b 接口，但是毕竟u s b 技术是最近 几年才发展起来的，对于一些信息和更换能力比较落后的地方，p c 机不是那么普 及，u s b 接口就更不普及，这时，就需要使用更通用的接口r s 2 3 2 ：r s 2 3 2 标准接口是串行异步通信物理接1 3 标准。通信设备厂商都生产与r s 2 3 2 兼容的通 重庆人学硕士学位论文 信设备，它作为一种标准，在各种通信接