基于嵌入式技术的数据采集系统网络接入方法

吴宁

摘要：在将数据采集系统接入到网络的过程当中，使用传统的接入方法有着接入效率低下、数据采集误码率高的弊端，为了解决此类问题，使用嵌入式技术对网络接入方法进行设计。首先选择RTL8020芯片对网络硬件接口进行设计，以嵌入式的方式将芯片安装到网络电路中，借助接口引脚实现系统与网络之间的电平转换和逻辑控制，选择相应的嵌入式网络传输协议，并利用汇编语言使得采集系统采集的数据可以直接被网络接收，最终实现网络对数据采集系统的直接调用。为了保证嵌入式接入方法的接入效率，进行实验分析，在搭建好实验环境的基础上，设立传统无线接入方法为实验的对照组，经过实验得出结论：嵌入式网络接入方法的平均误码率比传统方法低0.3%，且传输速度快12Mbit/s。

关键词：嵌入式;数据采集;网络系统;网络接入;接入方法

中图分类号：TP302文献标志码：A 文章编号：2095-5383（2019）03-0046-04

随着计算机技术和网络技术的不断提高，动态信号分析系统逐渐向网络化、智能化方向发展。数据采集是动态信号分析的基本步骤之一，数据采集系统主要以软硬件协同工作为工作机制，由此可以记录和显示目标信号。传统的数据测量采集方式通常是一边测量、一边手工记录，然后输入到PC端借助中央处理器对测量记录的数据进行处理和分析。这种方式不仅工作繁重，且存在人为误差，无法保证采集数据的准确性。使用数据采集系统进行数据采集，不仅可以提高数据采集的准确性，还可以将采集数据存储到数据库中，方便日后的使用和调用。但数据采集系统无法独立工作，在实际使用中，大多需要将该系统接入到不同的网络中，例如针对企业工厂的数据采集系统就需要将系统接入企业网络中。网络接入包括光纤接入、同轴接人、铜线接人和无线接人4种方式，其中光纤接入、同轴接入和铜线接入都属于有线接入。使用不同的通信介质，将网络服务器与系统主机连接在一起，通过系统配置实现网络对数据采集系统的调用。而无线接人方法是通过网络服务器发布无线连接信号，利用微波和卫星将系统接入到网络中。经研究与反馈，发现传统的接入方法存在系统运行时间长、数据采集误传率高的问题，因此本文提出新的数据采集系统网络接入方法，引入嵌入式技术将数据采集系统接入到网络中，由单个程序来实现整个控制逻辑。

1数据采集系统网络接入方法设计

以太网的传输速率能够满足数据采集系统的运行要求，因此以数据采集系统接人以太网为例，设计相应的接人方法。使用嵌入式的系统接人结构，将数据采集的系统功能集成在单板上，网络接入方法的结构框架以及执行流程分别如图1、图2所示。

数据采集系统当中的数据接口直接与网络接口相连，使得数据采集结果可以直接写入到网络服务器的缓存单元当中，或者交由中央控制单元写入缓存。中央控制单元协调各个系统接口的工作，将数据交由以太网接口发送。

1.1网络硬件接口设计

网络硬件接口选择RTL8020芯片.该芯片的内部结果包括多个数据线接口和若干个地址线接口，接口芯片的内部结构如图3所示。

按照图3的芯片分布，对网络接入接口进行设计，使其可以应用在IOM的ISA接口网络适配器当中，方便数据采集系统的接入。从图3的结构可以看出，接口芯片主要由接收逻辑控制器、接收/发送CRC校验、FIFO逻辑对列等零件组成，每一个零件都有相应的寄存器加以控制，保证系统可以通过硬件顺利安装到网络上。

网络的硬件接口除了芯片外.还需要设立I/O引脚，且I/O引脚的电压需维持在3.3v左右，接口的内核电压为1.8v。除了I/O引脚之外，在数据采集系统接入网络的过程中，会产生时钟发生现象，该部分需要借助时钟输入引脚和预设时钟模式引脚两个硬件设备。无论是I/O引脚还是时钟引脚，内部都不设计片内振荡电路，使用50MHz的晶体振荡器来代替片内电路。

1.2系统网络电路嵌入式连接

将设计完成的网络硬件接口与数据采集系统中的硬件设备，通过网络电路进行连接。由于系统需要采集大量的数据，因此在电路当中除了接口设备以外，还需要接人数据处理器、存储器等设备，按照图4所示的电路进行连接。

在网络接口电路当中内嵌一个控制器，支持独立接口和缓冲接口。这种电路连接方式可以在系统半双工以及全双工模式下，提供网络接人，且网络与系统的正常工作不受影响。

1.3系统的接口转换及逻辑控制

由于数据采集系统的接口与网络接口的结构不同，因此当硬件接口设备连接完成之后，需要通过软件程序对系统的接口进行转换。在此次接人方法中的接口转换主要针对系统接口与网络接口之間的高低电压转换，涉及到双向网络数据总线和单向系统地址总线。当系统接口的硬件设备接人到网络当中时，由I/0引脚引出空闲的地址线，将引出的引脚与双向总线缓冲器相连。缓冲器当中的DIR控件用来控制数据流的走向，当输入的系统接口为低电平时，数据缓冲器有输出，且输出增强电平;若输入的为高电平，则缓冲器输出端为高阻态状态，那么输出的电平即为低电平。另外还需要进行地址译码方便数据采集系统在工作时的混合编程，并进行读写逻辑控制。

1.4嵌入式系统TCP/IP协议选择

对于数据采集系统而言，数据传输和处理的实时性是比较重要的，因此当系统在网络当中进行数据采集和分析时，需要遵循嵌入式系统的数据传输协议，提供网络传输的服务质量，进而保证系统在网络环境下进行数据采集的实时性和准确性。其中选择的传输协议首部需要包含：报文序号、确认序号、报文类型以及头校验码等多个字段，且嵌入式的TCP/IP协议栈需要实现ARP、IP、ICMP、TCP等多个网络协议，实现嵌入式Web服务器。

1.5汇编语言混合编程

利用DSP汇编语言与C语言进行混合编码，保证数据采集系统采集到的数据信息可以直接被网络识别与存储，使用4种编程结构原理，提高编译代码的效率，具体的编程结构原理如图5所示。

从图5可以看出.在硬件接口连接完成的基础上，网络接人编码步骤分为：选取信息位、生成矩阵和极码化编码。通过式（1）选取数据采集系统中需要传输的信息位。

1.6网络调用数据采集系统

将数据采集系统通过编程与调整顺利地接入网络中，网络通过向采集系统发送采集指令调用系统功能，并通过数据采集系统将采集到的信息传送到网络服务器中，实现數据的发送与接收，进而完成网络对数据采集系统的调用，使得数据采集系统从硬件和软件两个方面接入到网络中。网络服务器端向数据采集系统发出采集指令，该系统运行得到数据采集结果，混合语言对采集的结果进行编译，并通过网络接口传送到网络中，即完成了网络对数据采集系统的调用过程，也就完成了数据采集系统与网络之间的嵌入式连接。

2实验分析

在以太网网络环境上搭建数据采集系统的测试网络平台，并对系统接入网络的方法进行测试，检验设计方法的性能。

2.1布设实验环境

为了避免实验的偶然性，设置2种实验环境，具体的网络环境模块配置情况如表1所示。

按照表1的数据对实验网络环境进行配置.从表1可以看出，2个实验环境处理输出模块和输出点数不同外，其他模块均相同。按照网络接入方法对接口芯片进行设计，并将其安装到网络电路当中，并进行网络接入外线安装。在外线布设与安装的过程中，需要保证整个传输信道的稳定性，另外需要注意的是电源线和电话线路对网络数据的传输以及数据采集系统的运行有着极强的干扰作用，因此不要将干扰线路放在一起平行布线。

2.2实验过程

在实验当中设立传统的无线接人方法作为实验的对比方法，此次实验的实验对象选择经过性能和功能测试且通过的数据采集系统，分别使用传统接入方法和嵌入式接入方法，将相同的数据采集系统分别接人到实验环境网络当中。让测试人员同时发出数据采集指令，将采集到的数据结果分别存储在系统和网络服务器当中，其中系统数据库当中存储的采集结果为检验数据准确性的唯一标准。通过式（5）对数据结果的误码率进行计算。

2.3实验结果与分析

经过实验得到了数据采集系统接入网络中的接入认证界面如图6所示。

在确定系统接入的情况下，得出2种接入方法的对比实验数据，如表2所示。

从表2可以看出，使用不同的网络接人方法将同一系统接人到相同的实验环境当中，得到不同的实验结果。经过比对发现，传统接入方法得到的数据平均误码率为0.68%，而嵌入式网络接入方法的平均误码率仅为0.38%。且嵌入式接入方法比传统接入方法的传输速度快12Mbit/s。由此可以得出结论：使用嵌入式技术下的数据采集系统网络接入方法，对数据采集系统的影响更小，接入效果更佳。

3结束语

综上所述，数据采集系统在网络中使用嵌入式的接入方式进行传输，实现其远程传输的功能，并且误码率小、传输速度快，在今后的使用过程当中可以实现无人操作测量。设计出的嵌入式网络接入方法，依然存在一定的误码率，因此在今后的研究中，需要针对该问题进行进一步优化。