（水声工程专业论文）振动测量网络数据采集技术研究.pdf

a b s t r a c t i nr e c e n td e c a d e s ，t h en o i s ea n dv i b r a t i o nr e d u c t i o no fu n d e r w a t e rs t m c t u r e s h a sb e e nt h ef o c u so f h y d r o a c o u s t i ce n g i n e e r i n gs t u d ya n dv a r i o u sm e a n so fn o i s e a n dv i b r a t i o nr e d u c t i o nh a v eb e e ne m e r g i n go n e a f t e ra n o t h e r t h e r e f o r e h o wt o d e v e l o pa d v a n c e dm e a s u r e m e n td e v i c e st om e a s u r et h ev i b r a t i o na l l dr a d i a t i o n n o i s eo ft h eu n d e r w a t e rs t r u c t u r e sa n df u r t h e re v a l u a t et h ee f f e c t so f t h o s em e a n s o fn o i s ea n dv i b r a t i o nr e d u c t i o nf o rt h ep u r p o s eo f g u i d i n gt h ef o l l o w - u pd e s i g n i m p r o v e m e n th a sb e c o m eac e n t r a li s s u eo f s t u d yo fa l lm a j o rn a v i e si nt h ew o r l d n e t w o r kd a t ac o l l e c t i o nt e c h n o l o g yi sa b r a n c ho fs e n s o rn e t w o r k t e c h n 0 1 0 9 y a n di sc h a r a c t e r i z e db ys u c ho u t s t a n d i n ga d v a n t a g e sa s1 1 i 曲t r a n s m i s s i o n r a t e ， e a s eo f r o u t i n ga n dg o o de x p a n s i b i l i t y , s oi ti ss u i t a b l ef o r e s t a b l i s h i n g m u i l t i - p o i n tn o i s em o n i t o r i n gp l a t f o r m t h ep a p e rs t u d i e st h ep r i n c i p l eo fn e t w o r kd a t ac o l l e c t i o na n da n a l y z e st h e p r e r e q u i s i t e sf o re s t a b l i s h i n gm u i l t i p o i n tn o i s em e a s u r e m e n tp l a t f o r m a 纰 c o l l e c t i o nh a r d w a r ep l a t f o r mi sd e s i g n e dw i t he m b e d d e d p r o c e s s o r so fl o wp o w e r c o n s u m p t i o n ，e t h e m e ti n t e r f a c e ，l a r g e c a p a c i t yd a t am e m o r ya n dr e a l t i m ee l o c k a st h ek e yp a r t s t h ed e b u g g i n go f t h ep l a t f o r mh a sa l r e a d yb e e nc o m p l e t e d o nt h ea b o v eb a s i s ，a s s o c i a t e ds o f t w a r e f o r m u l t i - p o i n td a t at o l l e c t i o n s y s t e mh a sb e e nd e v e l o p e dt oa c h i e v et h ef u n c t i o n so fr e a l t i m ed a t ac o l l e c t i o i l n e t w o r kd a t at r a n s m i s s i o na n dl o c a ls t o r a g e t e s tr e s u l to ft h es y s t e ms h o w st h en e t w o r kd a t ac o l l e c t i o n s y s t e mc a n e f f e c t i v e l ya c c o m p l i s ht h et a s ko f m u i l t i - p o i n tn o i s em e a s u r e m e n t k e yw o r d s ：d a t ac o l l e c t i o n ；e t h e r n e t ；d a t at r a n s m i s s i o n 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献等的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中 已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：玉一盥l 日 期：办印驴年) 月r 日 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 m l i t i i i ；i i i ；暑i i i i i i i 置i ；i 葺蛊羞i i 置 1 1 论文的研究背景 第1 章绪论 二战后，世界各海军强国均大力投资，进行水下结构减振降噪技术的研 究。其目的是在提高战略武器载体的生存能力，最大限度的提升威慑力，保 证国家安全，同时也提高水下结构的隐身性能，在局部冲突中取得优势。 近几十年来，水下结构减振降噪技术不断提高，故水下结构的辐射噪声 水平在不断的降低。在短短的几十年中，其辐射噪声水平已经接近甚至低于 海洋环境背景噪声。因此，如何研制先进的测量装置，评价先进水下结构辐 射噪声，测量减振降噪手段的实施效果，进而指导后续的改进设计，成为世 界上各海军强国重点研究的问题。 目前的辐射噪声测量系统大致可以归纳为3 种，即单点测量系统；阵列 测量系统；传感器网络监测系统。其中前两种属于外测系统，第三种属于内 测系统。 早期的辐射噪声测量设备均采用单个声压水昕器进行，由于其无指向性、 无增益，只适合对高辐射噪声水平的目标进行测量。对于采取了先进减振降 噪措施的水下结构则不能满足测量要求。阵列测量系统利用大量水听器组成 声纳测量阵列，提高空间增益，对低辐射噪声目标进行近场测量。其突出的 优点是基阵孔径大、系统增益高，不足之处在于需要合适的测量场地，且自 身体积庞大，布放回收不易。传感器网络监测系统是运用网络数据采集技术 组成监视测量网络，在水下结构内部各关键点布设传感器，经过采集传输后 送入计算机分析得到测量结果。具有布设容易、自适应组织、使用方便等特 点，得到越来越多的应用。 事实证明，多个传感器的联合使用成为一个趋势，因而研制一种具有多 点布设，高速数据采集和自适应组网的数据采集设备成为目前研究的重点1 a 作为现代信号与信息处理的基础，高速实时数据采集系统随着新的器件和设 计方法的不断推出，得n t 较大的发展。摒弃了传统的采用人工进行数据记 录登记的方法，用微控制器或高速信号处理器实现数据记录的自动化和无人 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i _ji薯 值守的功能；在满足微功耗、微型化的总体设计原则基础上，实现较长时间 的现场数据实时采集。 1 2 国内外研究现状 水下传感器网络在海洋数据收集、污染监测、海洋开发、灾难预报、辅 助导航和战术监视等涉海领域具有广泛的应用前景口1 。其最初来源于美国先 进国防研究项目局的一个研究项目，当时处于冷战时期，为了监测敌方潜艇 的活动情况，需要在海洋中布置大量的传感器，使用这些传感器所监测的信 息来实时监测海水中潜艇的行动。但是由于当时技术条件的限制，使得传感 器网络的应用只能局限于军方的一些项目中，难以得到推广和发展。近年来 随着无线通信、微处理器等技术的发展，使得传感器网络的理想蓝图能够得 以实现。 水下传感器网络发展的一个重要分支是美国海军在发展其新型攻击型潜 艇n s s a 时采用的传感器网络，通过这一传感器网络的对n s s a 的测试，大 大降低新型潜艇的自噪声p 心。这一传感器网络采用光纤传输技术，用于内部 噪声监测和主动控制，被称为o d a s ( o p e nd a t aa c q u i r es y s t e m ) 。该系统共 使用5 0 0 多只传感器，主要使用加速度计和水听器对重点部位振动和噪声情 况进行监视，必要时可以把传感器数量增加到4 3 0 0 只。通过这种主动系统的 监测，可以随时观察记录各个部位的噪声情况。其组成框图如图1 1 所示。 图1 1 网络传感器噪声内测系统 网络化数据采集是传感器网络的主要应用之一，它的发展经历了以下阶 段。第一代传感器网络使用具有简单信息获取能力的传统传感器，采用点对 点传输、连接传感控制器构成传感器网络；第二代采用串并接口与传感控制 2 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 器相联，如r s - 2 3 2 、r s 。4 8 5 等，构成能综合多种信息的传感器网络；第三 代采用现场总线连接传感控制器，构成局域网络，成为智能化传感器网络。 伴随水声传感器技术的发展，单一传感器已经被多阵元的传感器网络所取代， 在数据的采集传输方面，对系统的采样速度、数据存储模块的读写速度、存 储容量都提出了更高的要求。以单片机实现的便携式数据采集系统，以微功 耗、微型化、实时性、自动化和无人值守的特点脱颖而出。 1 3 本文主要研究内容 本课题基于前述振动网络测量系统思想，采用网络数据采集原理，设计 应用于水下结构振动和辐射噪声测量的网络数据采集传输记录系统。系统的 总体设计思路由图1 2 所示。 图1 2 水下结构振动和辐射噪声网络测量记录系统 从图中可以看出，该系统可分为3 大部分，第一部分为振动数据采集存 储系统。该系统与上方的传感器组相连接，接收调理后的测量信号，完成振 动数据的采集、存储与传输，协调数据格式。第二部分为数据交换设备，用 于柔性的与上方采集存储系统相连，分发接收的数据给数据处理机。第三部 分为数据处理机，用于完成对采集数据的处理。本文主要讨论网络化系统的 关键部分，振动数据采集存储系统的构建。 哈尔滨t 程大学硕士学1 = 7 = 论文 1 4 论文内容的安排 论文的内容安排如下：通过分析不同传输手段的性能指标，设计适合要 求的数据传输环节。以微功耗控制器为核心，设计网络数据采集节点平台， 实现对测量数据的实时采集、存储和传输。设计硬件平台上的控制软件，尝 试软件数据压缩处理，减轻数据传输压力。 第一章首先介绍了本文的课题背景，阐述了国内外的研究现状，并介绍 了本论文的研究内容。 第二章先比较计算了各种不同的传输介质的容量，在此基础上介绍以太 网的基础理论知识，包括t c 踟p 协议和以太网传输协议。 第三章是系统的硬件设计部分，详细描述了测量系统的两个组成，分别 是以微处理器为核心的控制部分和由以太网控制芯片为核心的以太网数据传 输部分。 第四章从软件调试的角度介绍控制芯片内外设、a d 采样部分、压缩算 法和以太网传输部分的相关程序。 论文最后进行了全文的总结。 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章网络传输技术简介 传感器是人类探知自然界信息的触角，它可将人们需要探知的各种非电 量信息转化成可测的电量信息，是信息系统的第一道门槛，为人们认识和控 制相应的对象提供条件和依据。 传感器网络是通过传感器节点之间的协调合作，采集、感知和监测网络 分布区域内的各种环境或监测对象的信号。该项技术是信息感知和采集的一 场革命，在军事上和民用上可以有许多应用，例如战场监视、武器装备、危 险环境的处理、环境监控、目标跟踪和远程感知等。 在水声领域，传感器网络更是有很大的发展空间，多个传感器的联合使 用成为一个趋势。配合传感器网络的发展，对传输方面的要求也越来越高了。 为了满足对系统的采样速度、数据存储模块的读写速度和存储容量的更高的 要求，合理选择传输介质成为系统设计的重要一环。 2 1 以太网技术基础 2 1 1 以太网的分类 以太网是一类满足一套标准规范的计算机局域网( 技术) 。它的雏形是美 国夏威夷大学开发的a l o h a 的9 6 k b p s 无线电发射系统。1 9 7 2 年，施乐公 司帕洛阿尔托研究中心根据a l o h a 系统，研制了x e r o xa l t o 个人工作站。 这个工作站主要在办公自动化中实现工作站、服务器和激光打印机之间的互 连，其数据传输率达到了2 9 4 m b p s 。 1 9 7 3 年，该网络正式命名为e t h e m e t ，即以太网。它作为一种基带局域 网，在同轴电缆网上采用载波侦听多路访问冲突检测机制进行传输。1 9 7 9 年，d e c 、i n t e l 英特尔和x e r o x 三家公司联合研制了1 0 m b p s 以太网的规范 e t h e r n e ti i 方案。1 9 8 1 年，i e e e ( 美国电气电子工程协会) p r o j e e t 8 0 2 小组委员 会成立，使1 0 m b p s 以太网成为一种国际标准。1 9 8 5 年，8 0 2 3 工作组出版了 官方标准a n s 们e e es t d s 0 2 3 1 9 8 5 ，即i e e e 8 0 2 3 标准。1 9 9 5 年，i e e e 正 式批准了1 0 0 m b p s 的以太网。之后该标准被不断更新，以支持更多的传输介 质和更高的传输速率。 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 以太网是最早的局域网，也是目前最常见、最具有代表性的局域网。目 前常用的以太网，包括标准以太网和快速以太网二种。下文将对这二种以太 网分别进行介绍。 最开始以太网只有1 0 m b p s 的吞吐量，它所使用的是c s m a c d ( 带有冲 突检测的载波侦听多路访问) 的访问控制方法，通常把这种最早期的1 0 m b p s 以太网称之为标准以太网。以太网主要有两种传输介质，那就是双绞线和同 轴电缆。所有的以太网都遵循i e e e8 0 2 - 3 标准，下面列出是i e e e8 0 2 3 的一 些以太网络标准，在这些标准中前面的数字表示传输速度，单位是“m b p s ， 最后的一个数字表示单段网线长度( 基准单位是1 0 0 m ) ，b a s e 表示“基带 的 意思，b r o a d 代表“带宽 。 1 1 0 b a s e 5 ：使用粗同轴电缆，最大网段长度为5 0 0 m ，基带传输方法； 2 1 0 b a s e 2 ：使用细同轴电缆，最大网段长度为1 8 5 m ，基带传输方法； 3 1 0 b a s e t ：使用双绞线电缆，最大网段长度为1 0 0 m ： 4 1 b a s e 5 ：使用双绞线电缆，最大网段长度为5 0 0 m ，传输速度为 1 m b p s ； 5 1 0 b r o a d 3 6 ：使用同轴电缆( r g 5 9 u c a t v ) ，最大网段长度为3 6 0 0 m ， 是一种宽带传输方式； 6 1 0 b a s e f ：使用光纤传输介质，传输速率为l o m b p s ； 随着网络的发展，传统标准的以太网技术已难以满足日益增长的网络数 据流量速度需求。在1 9 9 3 年1 0 月以前，对于要求1 0 m b p s 以上数据流量的 l a n 应用，只有光纤分布式数据接h ( f d d i ) 可供选择，但它是一种价格非常 昂贵的、基于l o o m p b s 光缆的l a n 。1 9 9 3 年1 0 月，g r a n dj u n c t i o n 公司推 出了世界上第一台快速以太网集线器f a s t c h l 0 1 0 0 和网络接口卡 f a s t n i c l 0 0 ，快速以太网技术正式得以应用。随后i n t e l 、s y n o p t i c 、3 c o m 、 b a y n e t w o r k s 等公司亦相继推出自己的快速以太网装置。与此同时，i e e e 8 0 2 工程组亦对1 0 0 m b p s 以太网的各种标准，如1 0 0 b a s e t x 、1 0 0 b a s e t 4 、 m i i 、中继器、全双工等标准进行了研究。1 9 9 5 年3 月i e e e 宣布了i e e e 8 0 2 3 u 1 0 0 b a s e t 快速以太网标准( f a s te t h e m e t ) ，就这样开始了快速以太网的时 代。 6 哈尔滨工程大学硕士学何论文 快速以太网与原来在1 0 0 m b p s 带宽下工作的f d d i 相比它具有许多的优 点，最主要体现在快速以太网技术可以有效的保障用户在布线基础实施上的 投资，它支持3 、4 、5 类双绞线以及光纤的连接，能有效的利用现有的设施。 快速以太网的不足其实也是以太网技术的不足，那就是快速以太网仍是 基于载波侦听多路访问和冲突检；1 9 1 , , t j ( c s m m c d ) 技术，当网络负载较重时，会 造成效率的降低，当然这可以使用交换技术来弥补。 1 0 0 m b p s 快速以太网标准又分为：1 0 0 b a s e t x 、1 0 0 b a s e f x 、 10 0 b a s e t 4 三个子类。 1 1 0 0 b a s e - - t x ：是一种使用5 类数据级无屏蔽双绞线或屏蔽双绞线 的快速以太网技术。它使用两对双绞线，一对用于发送，一对用于接收数据。 在传输中使用4 b 5 b 编码方式，信号频率为1 2 5 m h z 。符合e i a 5 8 6 的5 类 布线标准和i b m 的s p t1 类布线标准。使用同1 0 b a s e t 相同的r j 4 5 连接 器。它的最大网段长度为1 0 0 米。它支持全双工的数据传输。 2 1 0 0 b a s e f x ：是一种使用光缆的快速以太网技术，可使用单模和多 模光纤( 6 2 5 和1 2 5 u m ) 。多模光纤连接的最大距离为5 5 0 米。单模光纤连接 的最大距离为3 0 0 0 米。在传输中使用4 b 5 b 编码方式，信号频率为1 2 5 m h z 。 它使用m i c f d d i 连接器、s t 连接器或s c 连接器。它的最大网段长度为 1 5 0 m 、4 1 2 m 、2 0 0 0 m 或更长至1 0 公里，这与所使用的光纤类型和工作模式 有关，它支持全双工的数据传输。1 0 0 b a s e f x 特别适合于有电气干扰的环 境、较大距离连接、或高保密环境等情况下的适用。 3 1 0 0 b a s e t 4 ：是一种可使用3 、4 、5 类无屏蔽双绞线或屏蔽双绞线 的快速以太网技术。它使用4 对双绞线，3 对用于传送数据，1 对用于检测冲 突信号。在传输中使用8 b 6 t 编码方式，信号频率为2 5 m h z ，符合e i a 5 8 6 结构化布线标准。它使用与1 0 b a s e t 相同的r j 4 5 连接器，最大网段长度 为1 0 0 米。 使用双绞线和光纤介质、结构化布线和星型拓扑不仅使得以太网组网更 灵活、简单，而且更易于排除故障和网络管理。在功能方面，以太网交换技 术的出现使以太网由共享走向交换，显著提高了以太网的性能。 利用以太网进行通信和控制其主要优势有： 1 以太网技术是安装最为广泛的局域网技术。以太网已被使用多年，具 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 有大量的软、硬件资源和开发设计经验。与大多数网络产品和计算机操作系 统兼容，可靠性好。 2 以太网发展迅速，从1 0 m b p s 、1 0 0 m b p s 己经发展到万兆以太网。并 且高速以太网的帧格式不变，可向下兼容，升级成本低，所以以太网是理想 的高性能网络载体。 3 使控制系统网络化。相关设备通过以太网互联，使用t c p i p 协议， 其本身的开放性可以使测控网和信息网统一起来，实现网络控制系统真正意 义上的开放性和互操作性。 2 1 2 以太网传输协议 以太网的传输协议所遵循的是i e e e8 0 2 3 标准，i e e e8 0 2 3 标准是1 9 8 0 年在最初的以太网技术基础上开发成功的，最初的数据传输速率为1 0 m b p s 。 为提高以太网的工作速率，推出了8 0 2 3 u 1 0 0 b a s e t 标准规范，从而将以太 网速率提升到1 0 0 m b p s ，并且维持原来c s 2 m a c d 以太网传输协议p 酊。之 后又与光纤通道技术相结合的千兆以太网协议草案和1 0 0 0 0 b a s e x 以太网协 议草案。技术的更新，千兆以太网的实用化以及与光纤技术的有机结合，使 以太网更好的实现长距离传输( 达10 0 k m ) 。 以太网采用i e e e8 0 2 3 标准，所用的媒体访问方法采用带有碰撞检测的 载波侦听多路访i n - ( c s m a c d ) 技术。在这种方式中，一个工作站在发送前， 首先使用载波侦听协议侦听媒体上是否有收发活动，也就是载波是否存在。 当侦听到媒体空闲时，立即开始进行传输。如果侦听到有载波存在，工作站 便推迟自己的传输，退避一段时间后再试。以太网共享总线，每一个工作站 的地位都是同等的，若两个或者更多的站在同一时间发送数据就会产生冲突， 造成彼此间的干扰，这种现象称为碰撞。因此，所有的站都必须连续“监听 媒体，以检测是否发生了冲突。当发生冲突时，所有的站都要忽略己收到的 数据，然后发送站都要产生一个随机数来决定它的重新发送时必须等待多长 时间。这是一种正常现象，因为媒体上连接的所有工作站的发送都基于媒体 上是否有载波，所以称为载波侦听多路访i 口- j ( c s m a ) 。为保证这种操作机制能 够运行，还需要具备检测有无碰撞的机制，这便是碰撞检测( c d ) 。也就是说， 工作站在发送过程中仍要不断检测是否出现碰撞。如果在发送过程中有碰撞 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 发生，工作站发送一个短的干扰信号，以保证所有的站点都知道出现了碰撞， 发送完干扰信号后，等待一段随机时间，然后再重新尝试发送。 当主机或路由器有数据报文要发送给另一个主机或路由器时，它必须有 接收站的逻辑地址口。但是i p 数据报文必须封装成帧才能通过物理网络，这 就表示发送站必须有接收站的物理地址，因此需要一个从逻辑地址到物理地 址的映射。当主机或路由器需要找到另一个主机或路由器在此网络上的物理 地址时，它就发送一个a r p 查询分组。这个分组包括发送站的物理地址m a c 和i p 地址。m a c 媒体进入控制地址，即每一个网络接点都有自己唯一的物 理地址。查询采取在网络上广播的方式，因为发送站不知道接收站的物理地 址。这样在局域网络上的每一个主机或路由器都接受和处理这个a p p 查询分 组，只有与i p 地址相符的接收者才会响应a r p 分组，并发送回在此网络上 的物理地址，这样两站点就建立了通讯关系。 2 1 3t c p i p 协议基础 t c p i p 协议是目前以太网最常用的网络通信协议，它不仅应用于局域 网，同时也是i n t e m e t 的基础协议嗍。t c p i p 网络通信协议具有很强的灵活性， 可以支持规模任意的网络。以该协议为基础构建的i n t e m e t 成为在世界范围 内进行信息交流和资源共享的信息高速公路。 t c p i p 模型按照功能将通信规程分成若干层，层与层之间通过接口来互 相联系，每一层( 最高层除外) 都向上一层提供一定的服务。每一层( 除最低层) 都利用下一层提供的服务来实现它的功能，而不必考虑下一层的功能怎样实 现。该模型核心包括4 层，如图2 1 所示。 1 应用层( a p p l i c a t i o n ) 应用层定义了许多协议，不同的应用方式对应不同的协议，负责提供相 应的服务，包括电子邮件、浏览器、f t p 、t e l n e t 客户以及其他的i n t e m e t 应 用。 2 传输层( t r a n s p o r t ) 主要为两台主机上的应用程序提供端到端的通信，使得端到端的通讯成 为可能。它提供建立、维护和拆除传送连接的功能，选择网络层提供的最合 适的服务，在系统之间提供可靠透明的数据传送。如两个互不相同的传输协 9 哈尔滨丁程大学硕士学何论文 议：t c p ( 传输控制协议) 和u d p ( 用户数据报文协议) 。t c p 协议为两台主机提 供高可靠性的数据通信。它所做的工作包括把应用程序交给它的数据分成合 适的小块交给下面的网络层，确认接收到的分组，设置发送最后确认分组的 超时时钟等。由于运输层提供了高可靠性的端到端的通信，因此应用层可以 忽略所有这些细节。而另一方面，u d p 协议则为应用层提供一种非常简单的 服务。它只是把称作数据报文的分组从一台主机发送到另一台主机，但并不 保证该数据报文能到达另一端。任何必需的可靠性由应用层来提供。 成杆j 麒 传输臌 图2 1t c p i p 四层结构 3 网络层( n e t w o r k ) 网络层在两个因特网结点之间进行数据报文分组和路由管理。这一层根 据接收报文的信息决定报文的去向。在t c p i p 协议族中，网络层协议包括 i p 协议( 网际协议) ，i c m p 协议( i n t e m e t 互联网控制报文协议) ，以及i g m p 协议( i n t e m e t 组管理协议) 。 4 链路层( l i n k ) 有时也称作数据链路层或网络接口层，链路层管理网络的连接并提供网 络上的报文输入输出，但是这一层不工作于应用级。 t c p i p 协议的分层是建立在这样的一种思想上的，可靠性是一个端到端 的问题，只需要组建一个互联网络来处理预期的通信负载，允许某些链路或 节点在数据传输过程出现丢失或出错的情况下，无需进行重复多次的恢复工 作，取而代之的是由传输层来处理大部分的差错检测及回复问题。 1 0 哈尔滨下程大学硕士学位论文 2 2 传输方式的比较与选择 2 2 1 常用传输介质与传输方式 传输介质，在网络中是数据传输的通道。传输介质决定了网络的数据传 输速率、网络段的最大长度、传输的可靠性及网卡的复杂性等重要因素。对 数据传输系统来说，最关心的是数据传输的速率和距离。 数据传输系统可以采用模拟方式或者数字方式进行数据的传递。也可以 通过无线系统进行数据的传输。目前通信速率较高的无线方式是采用扩频技 术的宽带通信方式，其通信速率般在几十m b p s 以下。为了获得最大化的 通信带宽，无线通信方式一般都是半双工方式进行，因此其实际通信速率和 实时性能与其它指标突出的数据传输方式相比并不理想。 有线传输中的模拟传输方式般用于传输距离不大，数据率较低的场合。 原因是当模拟电缆长度超过一定数值后，其直流电阻和交流阻抗已经相当大， 会影响传输信号的准确性。尤其是传感器通过长的模拟电缆与后续电路相连 的场合，不仅信号由于电缆的电阻和阻抗会衰减和畸变，而且受到干扰的可 能性也大大增加。典型的解决模拟电缆长距离传输问题的方法是采用长线驱 动器。经过精确计算之后配合长线驱动器可以减小电缆带来的影响。模拟电 缆通常以线速的形式进行封装，芯线的特性不仅受自身材料和尺寸的影响， 还会有芯线间互相影响的问题。 数字传输方式是目前经常采用的数据传输方式。由传感器感知的外界信 号经过模数转换器后变为数字信号，通过数字系统经过电缆可长距离传输。 数字传输方式的信号畸变和缆问影响问题已经得至i 。a 。畏好的解决，技术成熟， 得到广泛的采用。 数字信号传输手段一般可以分为以下几种： 1 r s 2 3 2 c 是美国电子工业协会e i a ( e l e c t r o n i ci n d u s t r ya s s o c i a t i o n ) $ 0 定的一种串行物理接口标准。r s 2 3 2 传输距离短，属单端信号传送，存在共 地噪声和不能抑制共模干扰等问题，一般用于2 0 m 以内的通信。r s - 4 2 2 和 r s 4 8 5 接口标准都是由r s 2 3 2 发展而来，也都采用平衡双绞线传输，其传 输速率与双绞线的长度成反比。r s 一4 2 2 在很短的距离下能达到最高传输速率 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 0 m b p s ，在1 0 0 k b p s 速率及以下，可以达到最大传输距离；不适合远距离传 输。与r s 4 2 2 总线一样，r s 4 8 5 串行总线最大传输速率为1 0 m b p s 。当波特 率为1 2 0 0 b p s 时，理论的最大传输距离可以达到1 5 0 0 m 。传输速率在1 0 0 k b p s 以下，才能使用最长的电缆长度。 2 s p i 总线，s e r i a lp e r i p h e r a li n t e r f a c e ，是由m o t o r o l a 公司开发的高速 同步串行口，是一个同步协议接口，收发独立、可同步数据传输。这类总线 合适的工作距离很小，通常在线路板间连接。 3 i i c 总线是一种串行数据传输结构总线。该总线的通信速率受主机控 制，最高速率是有限制的。i i c 总线上数据的传输速率在标准模式下为 1 0 0 k b p s ，在快速模式下为4 0 0 k b p s 。按照后来修订的版本，位速率最高可达 3 4 m b p s 。 4 c a n 总线，c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ，即控制器局域网，是国际上应 用最广泛的现场总线之一。c a n 总线的基本设计规范要求有高的位速率，高 抗电磁干扰性，而且能够检测产生的任何错误。当信号传输距离达到1 0 k m 时，c a n 仍可提供高达5 0 k b p s 的数据传输速率。 5 光纤又称光导纤维，相对于其他传输介质，具有低损耗、高带宽和高 抗干扰性的优点。光纤传输距离长，传输率高，可达每秒数千兆位。光纤还 具有体积小，重量轻，使用金属少，抗电磁干扰、抗辐射性强，保密性好等 优点，但在实际应用中发现，光纤怕折、怕压，不适合现场复杂环境的使用。 6 以太网协议是现有局域网采用的最通用的通信协议标准。该标准定义 了在局域网l a n 中采用的电缆类型和信号处理方法。以太网在互联设备之间 以1 0 1 0 0 m b p s 的速率传送信息包，低成本、高可靠性、开放性好。其中快 速以太网f a s te t h e m e t ，即百兆以太网，它在保持帧格式、介质存取控制机制 和最大传送单元质量的前提下，其速率比传统以太网增加了l o 倍。 2 2 2 以太网的传输能力 从上述论述中可以得出这样的结论，以太网数据传输方式是目前能够进 行高速数据传输的较好解决方案。假设在声纳系统中采用以太网方式进行数 据传输，不失一般性的设阵元数为： n = 】0 1 2 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 假定声纳系统工作在低频段，最高工作频率： f = l k h z 数据采集系统使用1 6 b i t 精度采样，则根据乃奎斯特采样定律有工= 2 f ， 然而工程实践当中通常取z = 4 f ，因此 fs = 4 k h z 。 此时的数据量为 d = l o x l 6 b i t x 4 0 0 0 h z = 0 6 4 m b p s ( 2 - 1 ) 当工作频率为f = 5 k h z 时，设采样频率工= 2 0 k h z ，相应得到数据量为： d = 1 0 x 1 6 b i t x 2 0 0 0 0 h z = 3 2 m b p s ( 2 - 2 ) 当频率f = l o k h z 时，设采样频率为z = 4 0 k h z ，相应得到数据量为： d = l o x l 6 b i t x 4 0 0 0 0 h z = 6 4 m b p s( 2 3 ) 从式( 2 一1 ) 、( 2 - 2 ) 和( 2 3 ) 可以看出，1 0 个阵元的小型声纳系统，若采用数 字传输方式，其数据率基本上在1 0 m b p s 以内。可以采用以太网方式进行数据 的传输。 由于接入机制等原因的影响，标称速率为l o m b p s 和1 0 0 m b p s 的以太网的 吞吐量不可能达到1 0 0 ，l o m b p s 的网络实际上能达到的极限传输速率基本 上为l o x 8 0 = 8 m b p s 左右。当数据传输量较大时，由于网络数据包碰撞的产 生，可能还要更低。因此 当z = 4 k h z 时，l o m b p s 的以太网在此采样频率下能够支持的传感器个 数为： 刀：1 0 m b p s x8 0 ：1 2 5 但z - 4 ) 刀= 一= i 4 k h z x l 6 b i t 、 7 当工= 4 0 k h z 时，l o m b p s 的以太网实际能容纳的传感器资源： ：10mbpsx80：12n 5( 2 5 ) = 一= )i z 一) i 4 0 k h z 1 6 b i t 、7 若考虑测量点数量很大的系统，可以使用千兆以太网或者光纤网络传输 系统。 以传输速率为6 2 2 m b p s 的光纤网络为例，计算典型情况下光纤网络实 哈尔滨工稃大学硕士学位论文 际能容纳的传感器资源。由于采用的协议机制等原因的影响，光纤网络的吞 吐量一般按照标称的3 0 计算： 则f = 4 k h z 时，6 2 2 m b p s 的光纤实际能容纳的传感器资源为： 刀：6 2 2 m b p s x 3 0 ：2 9 1 5 6 ( 2 6 )刀= = i z - o l 4 k h z 1 6 b i t 。 当f = 4 0 k h z 时，6 2 2 m b p s 的光纤实际能容纳的传感器资源为： 刀：6 2 2 m b p s x 3 0 ：2 9 1 6( 2 7 ) 刀= 一= 1 z 一，l 4 0 k h z 1 6 b i t 、。 由上述计算可见，采用以太网数据传输技术完全可以支撑传感器数目庞 大的数据采集系统。 2 2 3 以太网数据传输技术的关键 振动测量数据在时间上应该是严格对齐的。因而需要采集网络具有时间 统一性。而以太网采用的是介质访问控制协议( m a c ) 的通信协议，也即 c s m a c d ，采用载波监听多路访问冲突检测协议机制。它使用二进制指数 后退算法操作网络，在网络负载轻时几乎没有延迟。但以太网不支持任何报 文的优先权，在网络负载重的时候，报文冲突将会影响数据的吞吐和延迟， 在最坏的情况下延迟没有边界。由报文冲突引起的数据传输时间的随机性的。 也正是因为这个原因，以太网被界定为一种非确定性网络，在数据采集系统 中直接应用是不可靠的。 解决此问题的方法很多，大致可以分为提高网络性能和提高数据一致性 两类措施。 最简单的方法是提高网络传输速度，配合短帧结构，可以满足绝大多数 测量的要求。例如，在一个时间片为4 1 8 8 胭的l o o m 以太网中，在负载较轻 时，冲突次数不超过5 次，这样冲突产生的延迟时间最多为4 1 8 8 2 5 = 1 5 6 p s 。 因此可以认为，在负载较轻的情况下运行，以太网是可以满足实时性要求的， 不确定性的冲突造成的冲突回退并不会产生过大的延迟时间。如果采用短帧， 这个延迟还能够缩短。此外，光纤网络的令牌协议在数据同步上有较好的表 现。 另外，可以采用“差值传输 与“超界传输”的方式提高系统实时性能。 如在实时测试与控制过程中，对于高速瞬态测试，一般并不直接传输测试的 1 4 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 原始数据。一般相邻的两个测试数据相差不会太大，如对于1 2b i t 或1 6b i t 采 样分辨力，可能相邻数据的高8 位或高1 2 位是相同的。因此，为减小实时数据 传输量，可采取“差值传输”，或对数据压缩后传输，或者抽样数据点传输。 对于静态或稳态检测与控制，测试数据呈现出平稳性，因此，可以在测试前 设定数据传输的界限，即不关心该界限内的数据，当超过该界限时则传输， 并且传输时取差值。 。 最为彻底的解决技术是“系统时钟同步技术”。网络数据采集系统的实 时性是相对于时间坐标而言的，由于整个系统的复杂性，各节点的传输时延 一般难于较准确的确定，也就是说，接收方接收数据的时刻总是迟于发送方 发送数据的时刻，因此，整个系统必须有统一的“系统时钟同步”。在系统 时钟同步下，发送方发送数据时，通过附带的“时间戳”，接收方就能准确 知道所接收数据的发出时刻。 实现系统时钟同步的方法有硬件同步、软件同步、分层式混合同步等3 种。可以通过高精度硬件时钟进行同步，也可以软件方式进行同步，或者软 件硬件混合使用。本课题则采用专用时钟芯片给出统一的“时间戳”，解决 网络数据的同步问题。 本课题考虑的是多点振动测量系统的设计构建，而振动测量网络采集系 统对数据和命令传输的确定性、可靠性和同步性要求严格，同时对数据传输 速度也有要求。参考计算结果可以得出，使用光纤或者以太网是组建振动测 量网络采集系统的二种选择，综合考虑现场环境、成本因素，加之光纤网络 布设存在较大难题等因素，本系统将选用非光纤以太网方式进行数据传输。 2 3 本章小结 本章首先对各种不同的数据传输方式进行比较计算，选择最适合传感器 网络的以太网进行传输；简要介绍以太网特点并重点介绍了其基本理论，包 括以太网的分类和以太网传输协议，并重点介绍了t c p i p 协议的基础。以此 为数据采集系统的设计、研究打下理论基础。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章系统硬件设计与实现 3 1 系统的硬件结构 振动测量网络数据采集系统要完成的是采集经过调理的传感器信号，按 照传感器数量对数据进行打包，在打包中排列不同通道数据，加入同步时间 标签。为了保证系统可靠性，将采集来的数据同时备份到本地大容量数据存 储卡中。通过与交换设备的连接，将采集来的数据送入交换设备( 交换机) ， 进而由数据处理机进行处理。 系统采用低功耗处理器实现系统的采集、控制部分，通过片内的模数转 换通道与外部的采集传感器相连接。采用以太网控制芯片实现系统的网络传 输部分。对于高速数据采集和处理系统，数据的传输速度、数据的存储容量 等都是关键技术，核心芯片的低功耗、高速模数转换模块和较高的运算处理 能力能很好的保证系统的实现。而传输部分以太网的选择也更好的保障了系 统的实现。整个采集系统的硬件框图如图3 1 所示。 图3 1 数据采集系统框图 3 2 数据采集控制系统的硬件设计 3 2 1 主控制器的设计 一个系统的主控制器的选择很重要，关系到系统设计的成功与否。选择 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 合适的系统主控制器要考虑诸多方面的因素，如开发难易度、外围资源是否 丰富以及外围资源能否充分利用、功耗是否符合需求以及价格问题等等，这 些因素在设计一个系统之前都应该充分论证评估，以得到最佳的设计方案。 在诸多可供选择的处理器芯片中，d s p 芯片一般用于数字信号处理算法， 运算能力较强，主频较高，但控制能力一般较弱；f p g a ( 现场可编程门阵列) 芯片是一种可编程的逻辑芯片，其外围控制器可根据系统的需要来进行定制， 可以使用现成的口核或自己编制，运用比较灵活，但开发难度大、开发周期 一般较长。微控制器具有较多外围控制器，但主频较低，计算能力弱，一般 应用于一些对运算和控制功能要求相对不复杂，而对体积、成本、功耗等要 求苛刻的应用领域中。 m s p 4 3 0 微控制器的特点： 本课题所选用的主控制器是美国t i 公司的m s p 4 3 0 f 1 4 x 系列微控制器。 该系列是一种f l a s h 型1 6 位r i s c 指令集微控制器。 该款微控制器具有运算速度快、低功耗、片上资源丰富和开发手段先进 等特点。适合于低功耗嵌入式设备。当采用8 m h z 晶体振荡器时，其运算速 度可以达到8 m i p s ，远远超过普通微控制器。该系统将大量的外围模块整合 到片内，也特别适合于设计单片系统。利用微控制器和片外的数据存储芯片， 就可以构成具有现场数据采集和存储功能的数据采集模块，省去了专用的 a d 转换电路，降低了系统硬件成本，提升了系统的先进性和整体性能。它 是一个1 6 位的精简指令构架，有大量的工作寄存器和数据存储器，其r a m 单元也可以实现运算。 m s p 4 3 0 微控制器的片上资源： 其内部集成有多通道、高速a d 转换模块a d c l 2 ，能提供8 通道1 2 位 精度的a d 转换一1 0 1 。对于大多数的信号采集应用而言，f 1 4 x 内部集成的 a d c l 2 模块都能很好地满足数据采集的要求。f 1 4 x