【正文】 采集技術(shù)已經(jīng)在軍事、航空電子設(shè)備及宇航技術(shù)、 工業(yè)等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。由于集成電路制造技術(shù)的不斷提高， 出現(xiàn)了高性能、 高可靠性的單片數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) （ DAS） 。目前有的 DAS產(chǎn)品精度已達(dá) 16 位，采集速度每秒達(dá)到幾 十萬(wàn)次以上。數(shù)據(jù)采集技術(shù)已經(jīng)成為一種專門的技術(shù)，在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 該階段數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用更先進(jìn)的模塊式結(jié)構(gòu)， 根據(jù)不同的應(yīng)用要求， 通過(guò)簡(jiǎn)單的增加和更改模塊， 并結(jié)合系統(tǒng)編程， 就可擴(kuò)展或修改系統(tǒng)， 迅速地組成一個(gè)新的系統(tǒng)。該階段并行總線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)向高速、 模塊化和即插即用方向發(fā)展，典型系統(tǒng)有 VXI 總線系統(tǒng)， PCI、 PXI 總線系統(tǒng)等，數(shù)據(jù)位已達(dá)到 32 位總線寬度， 采樣頻率可以達(dá)到 100MSps。由于采用了高密度， 屏蔽型， 針孔式的連接器和卡式模塊， 可以充分保證其穩(wěn)定性及可靠性， 但其昂貴的 價(jià)格是阻礙它在自動(dòng)化領(lǐng)域普及的一個(gè)重要因素。但是， 并行總線系統(tǒng)在軍事等領(lǐng)域取得了成功的應(yīng)用。 串行總線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)向分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和智能化方向發(fā)展， 可靠性不斷提 7 高。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)物理層通信， 由于采用 RS48雙絞線、電力載波、無(wú)線和光纖， 所以其技術(shù)得到了不斷發(fā)展和完善。其在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集和控制等眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。由于目前局域網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展， 一個(gè)工廠管理層局域網(wǎng)， 車間層的局域網(wǎng)和底層的設(shè)備網(wǎng)已經(jīng)可以有效地連接在一起， 可以有效地把多臺(tái)數(shù)據(jù)采集設(shè)備聯(lián)在一起， 以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的在線實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集 與監(jiān)控。 工業(yè)以太網(wǎng)的簡(jiǎn)介 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展。越來(lái)越多的大型工業(yè)生產(chǎn)建立了工業(yè)監(jiān)控以太網(wǎng)。從而形成了統(tǒng)一的傳輸平臺(tái)，為很多生產(chǎn)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咚俟?，是?duì)原有系統(tǒng)很好的改造。 現(xiàn)場(chǎng)總線的出現(xiàn)，對(duì)于實(shí)現(xiàn)面向設(shè)備的自動(dòng)化系統(tǒng)起到了巨大的推動(dòng)作用，但現(xiàn)場(chǎng)總線這類專用實(shí)時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)具有成本高，速度低和支持應(yīng)用有限等缺陷，再加上總線通信協(xié)議的多樣性，使得不同總線產(chǎn)品不能互相互連，互用和互操作等，因而現(xiàn)場(chǎng)總線工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)一步發(fā)展受到了極大的限制。隨著以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，特別是高速以太網(wǎng)的出現(xiàn)使得以太網(wǎng)能夠 克服了自己本身的缺陷，進(jìn)入工業(yè)領(lǐng)域成為工業(yè)以太網(wǎng) ,因而使得人們可以用以太網(wǎng)設(shè)備去代替昂貴的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備 [4]。 隨著以太網(wǎng)技術(shù)的高速發(fā)展及它的 80%的市場(chǎng)占有率和現(xiàn)場(chǎng)總線的明顯缺陷，促使工控領(lǐng)域的各大廠商紛紛研發(fā)出適合自己工控產(chǎn)品且兼容性強(qiáng)的工業(yè)以太網(wǎng)。其中應(yīng)用最為廣泛的工業(yè)以太網(wǎng)之一是德國(guó)西門子公司研發(fā)的 SIMATIC NET工業(yè)以太網(wǎng)。 SIMATIC NET 工業(yè)以太網(wǎng)主要體系結(jié)構(gòu)是由網(wǎng)絡(luò)硬件，網(wǎng)絡(luò)部件，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通行處理器和 SIMATIC NET 軟件等部分組成。工業(yè)以太網(wǎng)以其特有的低成本，高實(shí)效，高擴(kuò)展 性及高智能的魅力，吸引著越來(lái)越多的制造業(yè)的廠商。一方面如此眾多的廠商研制和開發(fā)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，如果不加以統(tǒng)一分規(guī)范，象現(xiàn)場(chǎng)總線的情況一樣，標(biāo)準(zhǔn)眾多，兼容性差，繼而影響到工業(yè)以太網(wǎng)的發(fā)展。正是如此，國(guó)際社會(huì)已經(jīng)開始著手制定一個(gè)工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。 基于以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)簡(jiǎn)介 生產(chǎn)和科研領(lǐng)域?qū)y(cè)試的要求越來(lái)越高，所需測(cè)試和處理的數(shù)據(jù)量也越來(lái)越巨大，有時(shí)需要多個(gè)測(cè)試儀器同時(shí)進(jìn)行測(cè)試，各測(cè)試儀器之間又需要進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；而且測(cè)試領(lǐng)域也越來(lái)越廣泛，有些現(xiàn)場(chǎng)不適合工作人員親臨，這時(shí)就需要通過(guò)網(wǎng)絡(luò) 8 進(jìn)行控制。以太網(wǎng)技 術(shù)在數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)中的應(yīng)用如圖 5 所示。 圖 5 以太網(wǎng)技術(shù)在數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)中的應(yīng)用 與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用比較多的現(xiàn)場(chǎng)總線比較，以太網(wǎng)最大的特點(diǎn)是開發(fā)性好、成本低。通過(guò)把復(fù)雜的 TCP/IP 協(xié)議封裝而提供各種網(wǎng)絡(luò)測(cè)試技術(shù)，使網(wǎng)絡(luò)測(cè)試的開發(fā)變得不再?gòu)?fù)雜 [5]。同時(shí)，由于網(wǎng)絡(luò)測(cè)試帶來(lái)巨大效益，使網(wǎng)絡(luò)測(cè)試在測(cè)試自動(dòng)化領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。以太網(wǎng)作為分布式測(cè)試的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)方案，其潛力無(wú)疑是巨大的。 硬件組成 系統(tǒng)硬件組成在第四章 至 有詳細(xì)介紹，這里不再多做介紹。 系統(tǒng)軟件 上位機(jī)采用 MCGS 組態(tài)軟件，該組態(tài)軟件是一套基于 Windows 平臺(tái)的，用于快速構(gòu)造和生成上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)，可運(yùn)行于 Microsoft Windows 98/NT/2020/XP等操作系統(tǒng)。 MCGS 采用了多線程、 COM+組件等新技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)多任務(wù)，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。所有實(shí)驗(yàn)均包括組態(tài)王實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)組態(tài)、圖形動(dòng)畫、報(bào)表、曲線、報(bào)警組態(tài)、設(shè)備通訊組態(tài)等實(shí)驗(yàn)。 系統(tǒng)特點(diǎn) ADAM6000 系列是一款以太網(wǎng)數(shù)據(jù)采集模塊，它能夠?qū)崿F(xiàn)所有的 I/O、數(shù)據(jù)采集和網(wǎng)絡(luò)功能。 ADAM6000 模塊除支持 TCP/IP（用于數(shù)據(jù)連通性的協(xié)議）中的通用工業(yè) Modbus/TCP協(xié)議外，還支持以太網(wǎng) UDP協(xié)議。通過(guò)使用 UDP/IP協(xié)議， ADAM6000 I/O 模塊能夠同時(shí)將一個(gè) I/O數(shù)據(jù)流發(fā)送到 8 個(gè)以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)。另外研華還提供用于Modebus/TCP 的 OPC Server，用于連接 ADAM6000 I/O 數(shù)據(jù)和 OPC HMI/SCADA軟件。 …… . 模擬信號(hào) 工 業(yè) 以 太 網(wǎng) 9 根據(jù) 數(shù)據(jù)采集 系統(tǒng)的發(fā)展歷史和在實(shí)際應(yīng)用 ， 數(shù)據(jù)采集 系統(tǒng) 一般可分為基于常規(guī)儀表的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、基于計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、 基于 Lab view 的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 、 基于 單片機(jī) 的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 、基于以太網(wǎng)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集等，下面重點(diǎn)介紹后面三種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。 基于 Lab view 的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) Lab view是虛擬儀器領(lǐng)域中最具有代表性的圖形化編程開發(fā)平臺(tái)，是目前國(guó)際上首推并應(yīng)用最廣的數(shù)據(jù)采集和控制開發(fā)環(huán)境之一，主要應(yīng)用于儀器控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示等領(lǐng)域，并適用于多種不同的操作系統(tǒng)平臺(tái)。與傳統(tǒng)程序語(yǔ)言不同，Labview 采用強(qiáng)大的圖形化語(yǔ)言 (G 語(yǔ)言 )編程，面向測(cè)試工程師而非專業(yè)程序員，編程非常方便，人機(jī)交互 界面直觀友好，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)可視化分析和儀器控制能力等特點(diǎn)。使用 Labview 開發(fā)環(huán)境，用戶可以創(chuàng)建 32 位的編譯程序，從而為常規(guī)的數(shù)據(jù)采集、測(cè)試、測(cè)量等任務(wù)提供了更快的運(yùn)行速度 [6]。 Labview 是真正的編譯器，用戶可以創(chuàng)建獨(dú)立的可執(zhí)行文件，能夠脫離開發(fā)環(huán)境而單獨(dú)運(yùn)行。本設(shè)計(jì)基于第三方數(shù)據(jù)采集 LabJack U12 卡及儀器開發(fā)軟件 LabVIEW開發(fā)出了一套性價(jià)比較高的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。對(duì)外圍接口電路進(jìn)行了簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)，平臺(tái)可用于實(shí)驗(yàn)室的研究開發(fā)用。 系統(tǒng)的原理框圖如圖 6 所示。 圖 6 系統(tǒng)的原理框圖 基于 單片機(jī) 的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 系統(tǒng)以 AT89C51單片機(jī)為 CPU控制單元的核心 [7]，同時(shí)還包括了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)通信、斷電保護(hù)時(shí)鐘、 LCD 顯示和鍵盤操作等多種功能單元如圖 7 所示 。 10 圖 7 AT89C51 單片機(jī)數(shù)據(jù)系統(tǒng)示意圖 基于以太網(wǎng)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 該方案采用研華公司的 ADAM6000 系列模塊，通過(guò)以太網(wǎng)與 MCGS組態(tài)軟件通訊，在 MCGS 里面正確組態(tài)即可采集實(shí)驗(yàn)對(duì)象的各項(xiàng)參數(shù)，所需設(shè)置全在 MCGS 軟件里面完成。上位機(jī)裝有 MCGS組態(tài)軟件，各模塊 通過(guò)思科 16 口交換機(jī)將信號(hào)輸入上位機(jī)如圖 8 所示 。 圖 8 基于以太網(wǎng)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)圖 在以上三個(gè)方案中，最后我們選擇的是基于以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，因?yàn)檫@套系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室有現(xiàn)成模塊，而且對(duì)于 MCGS組態(tài)軟件我們小組的成員都有一些了解。另外，通過(guò)以太網(wǎng)通訊也是現(xiàn)在的大方向，在這里面我們可以學(xué)到很多東西。 ………… . ………… . 流 場(chǎng) 串行通信 11 第四章 以太網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 我們?cè)O(shè)計(jì)的基于以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖 9所示，在實(shí)驗(yàn)裝置上安裝熱電偶熱電阻測(cè)溫或者測(cè)壓儀器，通過(guò)三個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊輸入交換機(jī)中，最 后交換機(jī)通過(guò)雙絞線將數(shù)據(jù)送到 PC機(jī)中， PC 中裝有我們需要的 MCGS工業(yè)控制軟件，通過(guò) PC 機(jī)的組態(tài)軟件我們就可以數(shù)據(jù)的采集了。 圖 9 基于以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu) 而完成這套系統(tǒng)所需要的主要硬件配置具體如表 1所示 。 . 研華 ADAM6000I/O 模塊 研華 ADAM6000系列是一款以太網(wǎng)數(shù)據(jù)采集模塊，它能夠?qū)崿F(xiàn)所有的 I/O、數(shù)據(jù)采集和