基于以太网的20路采编传输系统的设计

于春华 ，石云波 ，赵 赟

（1.中北大学 电子测试技术国家重点实验室 仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原 030051；2.苏州中盛纳米科技有限公司，苏州 215123）

在传统的传感器标定实验中，大量的数据需要采集、传输、处理与存储，经常采用RS232串行通讯来交换数据和信息的模式，不仅速度较慢，而且硬件连接模式单一。随着工业自动化设备的快速发展，对数据采集可靠性和实时性以及控制精度的要求也不断提高，如何提高数据采集及传输的性能，成为研究的热点。

相对于受到传输距离和速度限制的RS232、RS485等传输方式，以太网具有兼容性好、通信速率高、传输距离远、易于与上位机交互等优势。

文中提出了一种基于以太网的20路数据采集系统设计方案，采用FPGA为核心完成模拟开关切换、模数转换以及数据编帧与传输。选用AD7667作为高速数据转化芯片。基于W5300设计的以太网传输模块，可方便地将数据引入以太网，实现上位机软件的接收与分析。从而简化了外围接口电路设计，减少了软件编程的工作量，提高了系统的可靠性。

1 系统硬件设计

1.1 硬件总体结构

采编传输系统的硬件总体结构如图1所示。主要分为20路运放跟随、模拟开关、AD控制模块、FPGA主控模块、以太网数据传输模块。FPGA通过对AD的CS、RD、RESET等信号的控制，控制AD将模拟量转为数字量，转换的数字量以一定的帧格式通过以太网传给上位机。以太网数据传输模块芯片采用W5300，通过网线连接硬件电路与上位机，完成上位机发出的命令与配置信息，接收硬件上传的采样数据。W5300内部集成了TCP/IP内核、微控制器、以太网物理层，使其具有更优良的性能，可以进行高速数据通信[1]。

图1 硬件总体结构Fig.1 Overall structure of the hardware

1.2 AD转换电路设计

选用AD7667作为AD控制模块的主控芯片。AD7667包含一个高速16位采样ADC，一个内部转换时钟，内部参考，纠错电路，以及串行和并行系统接口端口。同时AD7667提供了一个片上采样/保持，逐次逼近的ADC，从而不会出现任何流水线延迟，非常适合多复用通道。

AD转换的时序图如图2所示，CONVST信号一旦开始转换就无法终止或重新开始。当BUSY信号为低电平，信号也为低电平时，AD7667处于数据采集阶段，保持低电平的时间内，AD7667自动转换。模拟信号在BUSY信号为低电平时输入，上电时，信号被置为低电平，此时启动AD转换[2]。

图2 AD7667转换时序Fig.2 AD7667 conversion timing diagram

AD转换电路如图3所示，图中的C18和R30构成一阶低通滤波器，主要作用：保证运放稳定驱动ADC的容性输入负载，R30将跟随器与开关电容C18隔离，输入端与接地之间的电容提供或吸收开关电容充电所需的电荷；R30减少了C18引起的相移，将运放和负载电容隔离开来；限制运放的噪声带宽，减少信号带内的噪声。

图3 AD转换电路设计Fig.3 AD converting circuit design

1.3 以太网传输接口设计

以太网传输接口模块用来将AD转换的数字量上传至上位机。接口设计电路如图4所示。并行谐振晶体，提供给内部振荡器25 MHz的时钟信号，用于 W5300内核的工作时钟[3]。TXOP（ON）、RXIP（IN）的介质接口RJ45的网口连接，形成以太网传输接收数据的模块。 电阻 R31、R32、R247、R248以及电容C29、C153能够阻抗匹配。两个独立分开的PRO作为PHY与RJ45之间的隔离变压器，能够进行波形的修复、增强信号，使得计算机可以与实验设备之间的传输距离更远，芯片与外部隔离，抗干扰能力增强。

图4 以太网接口设计模块电路图Fig.4 Ethernet interface module diagram

2 系统软件设计

VC++操作系统界面简洁，占用资源少，操作方便，本身提供基于传输层TCP和UDP协议的网络通信接口，所以本课题采用VC++进行上位机软件设计。

2.1 数据通信协议

在以太网通信过程中，为了满足通信的成功率与准确率，软件设计中采用 TCP/IP通信协议完成以太网数据通信。在标定传感器的试验中，数据包传输的速度非常快，系统可能无法及时处理数据包，因此，必须在应用层确保数据传输的可靠性[4]。制定了应用层内数据段的具体通信协议。

其中应用层通信数据包格式主要由数据包的帧头、帧计数、20路传输数据3个部分构成，通信协议格式如表1所示。

2.2 网络配置初始化

经过初始化后，上位机与硬件方可通过以太网正常连接进行数据传输。初始化是对于网络配置的基本设置，包括设置本地MAC、IP、子网掩码、网关和端口号、设置目标IP地址、端口号、接收和发送缓冲区大小、分配各Socket的工作模式[5]。

表1 通信协议格式Tab.1 Communication protocol format

2.3 数据采集通信流程

根据IP地址和端口号与W5300建立 Socket套接字连接，Socket套接字是完成 TCP/IP通信的基本组成模块[6]。完成网络配置初始化后，在服务器模式下，通过tcp_connect（）函数发送一个SYS数据包提出连接请求，TCP服务器通过tcp_listen（）函数进入监听模式，等待客户端的连接请求。当服务器端收到连接请求时通过tcp_accept（）函数接受其连接请求，建立Socket套接字连接[7]。双方连接成功之后，进行数据传输。通信流程图如图5所示。

图5 通信流程图Fig.5 Communication flow chart

3 试验与结果

试验中使用了电动振动台、示波器以及标准传感器和20个待标定的传感器等设备。在加速度为10 g，振动频率1 kHz的条件下进行正弦定频振动试验。经过系统的分析与处理，其中一路数据实时显示波形如图6所示。

图6 数据采集波形图Fig.6 Data acquisition waveforms

从波形图看出输出电压信号是0～+5 V的正弦波，信号经过采集上传至上位机，实际信号采集容易受到外界的干扰，每次测量值采集10次，取平均值，再与振动校验仪所发出的标准振动信号进行比较，系统采样误差为

式中：设Vt为标准电压；Vo为实际测得的电压；ε为相对误差。计算结果如表2所示。

表2 测试数据表Tab.2 Test data sheet

经过分析，本系统对多通道数据采集信号误差很小，多次的统计测试数据表明，误差均在0.8%之内，系统性能良好。

4 结语

W5300具有成本低、使用方便、稳定可靠、传输速度快等优点，内部集成了10/100 M以太网控制器，TCP/IP协议，能简化硬件设计，同时避免采用软件来实现繁琐的以太网协议。FPGA器件的选择，使得系统具有良好的通用性和扩展性。便捷的以太网接入方式，固定帧格式数据传输方式，实现了以太网通信的高效和稳定。试验中可达到10 k的多通道同步采样率，10 Mb/s的数据传输速率，具有较高的数据采集传输性能，对于传感器批量测试标定系统的制造有着很高的实用价值。

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