一種高集成度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的快速實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

劉東明，羅明璋

(長(zhǎng)江大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北 荊州 434023)

一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一般包括調(diào)理電路、以處理器為核心的A/D轉(zhuǎn)換模塊和數(shù)據(jù)傳輸接口[1]。以一個(gè)簡(jiǎn)單的以單片機(jī)為核心的溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)為例，其系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖[2]如圖1所示。

圖1 以單片機(jī)為核心的溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

在設(shè)計(jì)該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時(shí)，要充分考慮各部分的細(xì)節(jié)，如單片機(jī)與各部分電路的硬件接口和驅(qū)動(dòng)軟件[3]。設(shè)計(jì)流程包括原理圖設(shè)計(jì)、印刷電路板的設(shè)計(jì)與加工、元器件焊接、硬軟件調(diào)試等[4]，開(kāi)發(fā)周期往往較長(zhǎng)，無(wú)法適應(yīng)一些時(shí)效性要求高的工程需求。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，各類集成度高的模塊化產(chǎn)品層出不窮，如Intel公司的電腦棒(M1s)和MPS系列的采集卡，為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)提供了新思路。下面，筆者利用市場(chǎng)上成熟的功能模塊，以Intel公司的電腦棒(M1s)和MPS系列的采集卡為硬件平臺(tái)，在Qt集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下設(shè)計(jì)運(yùn)行于電腦棒內(nèi)的采集卡控制和數(shù)據(jù)處理程序，實(shí)現(xiàn)了一種高集成度、高效的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并通過(guò)實(shí)際應(yīng)用檢驗(yàn)其設(shè)計(jì)的先進(jìn)性與可靠性。

1 硬件架構(gòu)

1.1 電腦棒

電腦棒(型號(hào)為M1s)是一種微型電腦，與傳統(tǒng)全尺寸電腦一樣支持同樣的操作系統(tǒng)和相同的高質(zhì)量配置：64位的四核處理器、4G的運(yùn)行內(nèi)存、64GB的硬盤(pán)、支持最大容量為128G的TF卡擴(kuò)展、2.4G/5G雙頻WiFi、Win10系統(tǒng)、2個(gè)USB接口(USB3.0一個(gè)，USB2.0一個(gè))，而搭載尺寸卻只有手機(jī)大小。

1.2 采集卡

采集系統(tǒng)針對(duì)工程物探中的地震波信號(hào)采集而設(shè)計(jì)。對(duì)大量現(xiàn)場(chǎng)地震波資料分析整理得出以下結(jié)論：地震波在一般軟巖中傳播的通帶頻率為200～400Hz,在硬巖中的通帶頻率為400～1000Hz，在新鮮的堅(jiān)硬巖中的通帶頻率為1000～1500Hz[5]。根據(jù)采樣定理及實(shí)際工程需要，系統(tǒng)的采樣頻率在10kHz以上即可。

系統(tǒng)選用的采集卡為MPS系列的采集卡，其型號(hào)為MPS-140801。該采集卡內(nèi)置24位模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、8通道，支持外部觸發(fā)，采樣率最高可達(dá)128kHz，單次數(shù)據(jù)采集深度可在1024～8192點(diǎn)動(dòng)態(tài)可調(diào)，并具有完備的數(shù)據(jù)傳輸接口，能較好地滿足8路地震波高精度采集的需求。

1.3 硬件連接

整個(gè)硬件系統(tǒng)的核心為電腦棒和采集卡，電腦棒和采集卡均為市場(chǎng)化的成熟模塊，通過(guò)USB接口進(jìn)行通信，其實(shí)物連接如圖2所示。

圖2 電腦棒與采集卡實(shí)物連接圖

圖3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件系統(tǒng)原理框圖

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件系統(tǒng)原理框圖如圖3所示。系統(tǒng)采用鋰電池供電，通過(guò)2個(gè)DC-DC(5～12V)模塊分別給電腦棒(M1s)和采集卡(MPS-140801)供電。檢波器拾取的地震波信號(hào)經(jīng)調(diào)理電路進(jìn)行濾波、放大等處理后，在采集卡的A/D轉(zhuǎn)化模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，經(jīng)USB總線傳輸?shù)诫娔X棒，電腦棒通過(guò)擴(kuò)展的WiFi接口將數(shù)據(jù)傳至終端，終端軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存并繪制曲線。整個(gè)系統(tǒng)的工作流程由終端軟件和電腦棒里軟件共同控制完成。因此，該系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)核心為終端和電腦棒里軟件的開(kāi)發(fā)。終端軟件負(fù)責(zé)與電腦棒的WiFi通信和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)顯示；電腦棒里的軟件主要負(fù)責(zé)采集卡的控制和與終端的WiFi通信。軟件均在Qt開(kāi)發(fā)環(huán)境下開(kāi)發(fā)，利用Qt的跨平臺(tái)特性，可以將軟件移植到Windows和Android系統(tǒng)，因此終端可以是Windows系統(tǒng)的電腦和Android系統(tǒng)的平板電腦，可視工作環(huán)境由用戶選擇終端。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件結(jié)構(gòu)

圖4 軟件結(jié)構(gòu)圖

軟件分為2部分，均在Qt集成環(huán)境下開(kāi)發(fā)：一部分為運(yùn)行在電腦棒里的程序，其主要功能包括采集卡的驅(qū)動(dòng)和與終端的網(wǎng)絡(luò)通信；另一部分為運(yùn)行在終端里的程序，主要功能模塊為與電腦棒的網(wǎng)絡(luò)通信接口和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、顯示(圖4)。電腦棒和終端的網(wǎng)絡(luò)通信采用C/S架構(gòu)，其中電腦棒為服務(wù)器端，終端為客戶端。軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)充分利用Qt的跨平臺(tái)特性，客戶端程序可以安裝在Windows系統(tǒng)或Android系統(tǒng)下，終端選擇就可以有2種：Windows系統(tǒng)的電腦、Android系統(tǒng)的平板電腦或手機(jī)，可以由用戶自行選擇。

2.2 服務(wù)器

服務(wù)器端程序包括采集卡驅(qū)動(dòng)和網(wǎng)絡(luò)通信2個(gè)模塊。

2.2.1 采集卡驅(qū)動(dòng)

MPS-140801 采用 DLL(Dynamic Linkable Library，動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù))的方式來(lái)進(jìn)行編程驅(qū)動(dòng)。DLL的編制與具體的編程語(yǔ)言及編譯器無(wú)關(guān)，只要遵循約定的DLL接口規(guī)范和調(diào)用方式，用各種語(yǔ)言編寫(xiě)的DLL都可以相互調(diào)用。MPS-140801提供的驅(qū)動(dòng)DLL文件名為MPS-140801.dll，內(nèi)部的驅(qū)動(dòng)函數(shù)分別為打開(kāi)設(shè)備、關(guān)閉設(shè)備、配置參數(shù)、開(kāi)始采集、關(guān)閉采集、讀取數(shù)據(jù)等操作函數(shù)。該系統(tǒng)使用C++語(yǔ)言在Qt環(huán)境下調(diào)用DLL：

1)定義一個(gè)函數(shù)指針typedef void (* FUNC )(void)；

2)定義一個(gè)函數(shù)指針變量FUNC Func；

3)加載DLL：QLibrary mylib(“MPS-140801.DLL”)；mylib.load()；

4)找到DLL中的函數(shù)Func=(FUNC) mylib.resolve (“FuncInDLL”)；

5)調(diào)用函數(shù)Func()。

2.2.2 網(wǎng)絡(luò)通信

服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)通信分為2部分：

1)使用UDP協(xié)議。UDP協(xié)議作為一種無(wú)連接的協(xié)議，可面向網(wǎng)絡(luò)中的所有主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)包而不需要與其中的主機(jī)連接[6，7]，所有主機(jī)接收數(shù)據(jù)包后，根據(jù)自身需要決定是否處理。在該系統(tǒng)中電腦棒連接WiFi后的IP地址會(huì)變化，使用TCP/IP時(shí)，客戶端與服務(wù)器端的連接的前提是要知道服務(wù)器端的IP，變化后的IP需要告知客戶端，系統(tǒng)使用UDP協(xié)議在每次服務(wù)器程序啟動(dòng)后將連接WiFi后的IP地址以數(shù)據(jù)包的形式發(fā)送出來(lái)，由于客戶端連接同一WiFi,客戶端可以收到數(shù)據(jù)包并解析出IP地址，進(jìn)而客戶端就可以與服務(wù)器連接，服務(wù)器使用UDP套接字QUDPSocket(Qt下的UDP套接字)發(fā)送數(shù)據(jù)包。

2)使用TCP/IP協(xié)議與客戶端通信。服務(wù)器監(jiān)聽(tīng)I(yíng)P地址和8080端口，等待客戶端的連接請(qǐng)求，一旦客戶端有連接請(qǐng)求，服務(wù)器便獲取套接字，用該套接字便可與客戶端通信。

2.3 客戶端

客戶端程序包括軟件界面、文件系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)通信3個(gè)模塊。

2.3.1 軟件界面

圖5 客戶端軟件界面圖

軟件界面分為采集操作區(qū)、文件選擇區(qū)(選擇保存好的文件查看波形)、參數(shù)區(qū)、波形顯示區(qū)。采集操作區(qū)實(shí)現(xiàn)采集和關(guān)閉采集操作，采集有2種選擇：由軟件觸發(fā)采集，采集按鈕按下后觸發(fā)采集；外部觸發(fā)采集，對(duì)應(yīng)的按鈕按下后，采集卡等待外部觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)采集。文件選擇區(qū)供用戶選擇相應(yīng)文件，參數(shù)設(shè)置供用戶設(shè)置采樣率和采樣長(zhǎng)度，在采集完成后，將采集的數(shù)據(jù)的波形繪制在波形顯示區(qū)。圖5為實(shí)現(xiàn)的軟件界面。

2.3.2 文件系統(tǒng)

采集的數(shù)據(jù)以二進(jìn)制文件保存，二進(jìn)制文件分通道進(jìn)行保存，一個(gè)通道保存按照“頭結(jié)構(gòu)-通道數(shù)據(jù)-尾結(jié)構(gòu)”保存，頭尾結(jié)構(gòu)為2個(gè)字節(jié)的16進(jìn)制數(shù)據(jù)，通道數(shù)據(jù)按低字節(jié)在前、高字節(jié)在后的順序存儲(chǔ)。

2.3.3 網(wǎng)絡(luò)通信

客戶端的網(wǎng)絡(luò)通信部分與服務(wù)器一樣，有2個(gè)部分：

1)使用UDP協(xié)議套接字接收服務(wù)器發(fā)來(lái)的IP地址數(shù)據(jù)包，解析出IP地址；

2)使用TCP/IP協(xié)議套接字以IP地址和8080端口為參數(shù)，使用connect()函數(shù)請(qǐng)求連接服務(wù)器，連接成功后，便可用套接字與服務(wù)器通信。

2.4 網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議

客戶端與服務(wù)器連接成功后，客戶端可以向服務(wù)器發(fā)送命令以控制采集，發(fā)送的命令長(zhǎng)度為8字節(jié)，格式定義如下：

【G 命令類型 命令長(zhǎng)度 命令參數(shù) g 校驗(yàn)和】

1 2 3 4～6 7 8

G:幀頭

命令類型： 0x33——關(guān)閉采集系統(tǒng)

0x55——采集

0xcc——停止采集

0x77——請(qǐng)求服務(wù)器傳送采集數(shù)據(jù)

命令長(zhǎng)度：一個(gè)命令的大小

命令參數(shù)：當(dāng)命令類型為0x55時(shí)，4：采樣率/1000 5：采樣長(zhǎng)度/1024，其余情況各位均為為0。

g:幀尾

校驗(yàn)和：前面各位的異或和

服務(wù)器接收客戶端的采集命令后，驅(qū)動(dòng)采集卡工作，采集完畢后，服務(wù)器將數(shù)據(jù)上傳客戶端。數(shù)據(jù)以幀為單位傳送，一幀長(zhǎng)度為71字節(jié)，格式定義如下：

1B1B1B1B64B1B1B1BABCDEFGH

其中，A和B為幀頭，均為1字節(jié)； C和D為幀序號(hào)，C為低字節(jié)，D為高字節(jié)，均為1字節(jié)； E為有效數(shù)據(jù)，64字節(jié)； F和G為幀尾，各占1字節(jié)； H為異或校驗(yàn)位，1字節(jié)。

3 測(cè)試與應(yīng)用

3.1 測(cè)試平臺(tái)及步驟

圖6 系統(tǒng)測(cè)試工作原理圖

采集系統(tǒng)在測(cè)試時(shí)采集卡接三分量檢波器，采集電火花震源激勵(lì)的地震信號(hào)。電火花震源是一種新型的綠色震源，利用電容器充電放電的基本原理，進(jìn)行蓄能和釋放能量，產(chǎn)生地震波。筆者使用的電火花震源由長(zhǎng)江大學(xué)物探科技公司研制，該電火花震源采用光纖信號(hào)轉(zhuǎn)化的下降沿信號(hào)作為采集卡的外部觸發(fā)信號(hào)，與采集卡實(shí)現(xiàn)同步?？蛻舳塑浖惭b在Windows 10系統(tǒng)的筆記本電腦。

系統(tǒng)測(cè)試工作原理圖如圖6所示。采集系統(tǒng)由電腦客戶端軟件設(shè)置采樣參數(shù)并將采集卡設(shè)置為外部觸發(fā)采集方式。電火花震源作為產(chǎn)生地震波的裝置，由操作人員通過(guò)控制器使其充電到合適電壓(一般為5kV左右)后放電。電火花電容器中的高電壓通過(guò)插在水中的電極釋放，使周?chē)婋x并汽化，電能轉(zhuǎn)化為地震波能、部分熱能和光能，與此同時(shí)電火花震源的光纖同步盒產(chǎn)生下降沿信號(hào)并輸送到采集系統(tǒng)的采集卡，觸發(fā)采集卡開(kāi)始采集。三分量檢波器拾取地震波信號(hào)，并作為輸入信號(hào)傳給采集系統(tǒng)的采集卡，采集卡將信號(hào)數(shù)字化并傳給電腦棒，電腦棒的服務(wù)器軟件將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳到客戶端軟件處理。

系統(tǒng)測(cè)試步驟如下：

1)連接好電火花震源各個(gè)模塊，將放電電極插入裝有水的井中；

2)將光纖同步盒信號(hào)線連接到采集系統(tǒng)的采集卡的外部觸發(fā)輸入端，將三分量檢波器連接到采集卡；

3)分別打開(kāi)電火花震源和采集系統(tǒng)(包括硬件系統(tǒng)和終端電腦)，打開(kāi)電腦客戶端軟件(電腦棒中的服務(wù)器軟件設(shè)為開(kāi)機(jī)自啟動(dòng)，故不需要手動(dòng)打開(kāi))，使終端電腦連接采集系統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)；

4)使電火花震源充電并放電，此為電火花震源預(yù)熱過(guò)程(由于沒(méi)有將采集卡置為外部觸發(fā)狀態(tài)，故采集系統(tǒng)不會(huì)進(jìn)行采集)，多次進(jìn)行，充電電壓從0.5kV到4kV逐級(jí)升高，充電到4kV放電后結(jié)束預(yù)熱；

5)設(shè)置采樣參數(shù)和將采集卡置為外部觸發(fā)采集方式；

6)電火花震源充電并放電，充電電壓為4～6kV；

7)分析客戶端軟件顯示的數(shù)據(jù)曲線，如需要再次測(cè)試，返回5)；

圖7 采集數(shù)據(jù)波形顯示圖

8)結(jié)束測(cè)試。

3.2 測(cè)試結(jié)果

采集系統(tǒng)成功采集到數(shù)據(jù)，采集數(shù)據(jù)波形顯示如圖7所示。綠色曲線為三分量檢波器的X軸數(shù)據(jù)曲線，紅色曲線為Y軸數(shù)據(jù)曲線，藍(lán)色為Z軸數(shù)據(jù)曲線。曲線橫坐標(biāo)為采集時(shí)間，單位為ms，縱坐標(biāo)為檢波器采集的信號(hào)在采集卡中轉(zhuǎn)換后的電壓值，單位為mV。

通過(guò)測(cè)試可知，該系統(tǒng)能有效通過(guò)外部觸發(fā)采集電火花激勵(lì)的地震信號(hào)，采集的數(shù)據(jù)可靠，采用C/S架構(gòu)的軟件，讓實(shí)際操作變得簡(jiǎn)單，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，服務(wù)器能夠很好地驅(qū)動(dòng)采集卡工作，及時(shí)地傳輸采集數(shù)據(jù)，客戶端接收數(shù)據(jù)并繪制數(shù)據(jù)的曲線，數(shù)據(jù)曲線符合三分量檢波器采集的數(shù)據(jù)的規(guī)律。

4 結(jié)語(yǔ)

筆者研究的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在成熟的硬件平臺(tái)上進(jìn)行集成開(kāi)發(fā)，縮短了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)周期。通過(guò)Qt開(kāi)發(fā)C/S架構(gòu)的軟件，服務(wù)器程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)采集卡的控制，并將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送至客戶端?？蛻舳塑浖浞掷肣t的跨平臺(tái)特性，可以在Windows和Android系統(tǒng)下運(yùn)行，終端電腦可以是Windows系統(tǒng)的電腦、Android系統(tǒng)的平板電腦或手機(jī)，增加了系統(tǒng)的靈活性。系統(tǒng)在應(yīng)用中與電火花震源配套使用，能有效的觸發(fā)并順利采集數(shù)據(jù)，具有較好的穩(wěn)定性。

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