基于Linux 以太網(wǎng)的遠程數據采集系統

摘要：本文所研究的數據采集系統結合了以太網(wǎng)Socket 技術(shù)，USB 技術(shù)、嵌入式技術(shù)(ARM+Linux )等，開(kāi)發(fā)了一套數據采集系統。采集的信號，經(jīng)過(guò)CPU 處理后通過(guò)USB 總線(xiàn)傳輸到Arm-Linux 平臺或者本地PC 機，實(shí)現本地監測。又可以通過(guò)以太網(wǎng)傳輸采集的數據量到遠程PC 機，實(shí)現遠端用戶(hù)通過(guò)Internet 對數據采集卡進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)與監測。

引言

我們生活在一個(gè)五彩繽紛的模擬世界，而在數字化高速發(fā)展的今天，如何將模擬的信號 轉化到數字領(lǐng)域顯得尤其重要，這就需要數據采集技術(shù)。隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的發(fā)展，以太網(wǎng)越來(lái) 越能夠滿(mǎn)足工業(yè)應用的需要?，F場(chǎng)總線(xiàn)的通信功能完全可由以太網(wǎng)較好地完成。最近幾年， 交換式以太網(wǎng)技術(shù)的出現大大地提高了以太網(wǎng)的確定性，這同時(shí)也使以太網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域 的使用更加廣泛。

1. 遠程數據采集系統的總體設計

本文以太網(wǎng)的數據采集系統的設計目標是系統能夠采集 0~2.5V 的電壓信號量，然后通 過(guò)USB 接口將處理了的采樣信號傳輸到嵌入式平臺，并且可以通過(guò)以太網(wǎng)傳輸到用戶(hù)。 一個(gè)良好的高速數據采集系統受很多方面的制約，例如采樣的頻率、AD 的精度、傳輸 的速度和平臺通用性等等，本系統主要依靠采用高性能AD 和改變采集卡CPU 對采樣的控 制方式和采樣信號的處理方式來(lái)解決。設計中使用了CYPRESS 公司的EZ-USB FX2 系列芯 片CY7C68013。這款芯片有GPIF(General ProgrammableInterface)模式，可以提供高速的數 字邏輯信號給外圍設備(這里給AD)，該模式不受CPU 控制，是獨立于CPU 存在的。這就 克服了CPU 對于高速采樣的瓶頸約束，提高了對采樣頻率的控制能力。對于高性能AD， 文中采用了Analog devices 公司的AD7492，該芯片采樣可以達到1MSPS，是12 位并行的 持續逼近型高速模數轉換芯片，系統總體框圖如圖1。

圖1 總體框圖

2. 數據采集卡設計

該數據采集卡完成的不僅僅是一個(gè)數據采集的功能，而在于為以后的設計提供詳細的設 計基礎和平臺,這些功能都可以方便的移植到以后的儀表設計中。數據采集卡的總體框圖如 圖2 所示，輸入信號是0~2.5V 的電壓信號量，需要經(jīng)過(guò)限壓、濾波等處理，然后直接輸入 到ADC 的IN 引腳(板上的IN 引腳端子)。AD 轉換的啟停等控制由CPU 完成，轉換時(shí)序由 GPIF 控制器控制。CPU 的GPIF 方式以查詢(xún)的形式檢測ADC 的BUSY 引腳，向GPIF 控制 器報告信號采集的狀態(tài)。為了達到改變采樣頻率的目的，利用定時(shí)器按照采樣頻率要求控制 CPU 的IO 端口，進(jìn)而控制GPIF 流程的啟停。一次采集流程結束后會(huì )自動(dòng)保存采集上來(lái)的 數據到寄存器中，然后CPU 處理寄存器中的數據并送到USB 輸出緩沖區便可輸出至USB 端口。

圖 2 數據采集卡的總體框圖

2.1AD 轉換部分硬件設計

該設計中使用了 AD7492 作為主采樣器件，AD7492 很容易與微處理器或DSP 接口。輸 入信號從CONVST 的下降沿開(kāi)始被采樣，轉換也從此點(diǎn)啟動(dòng)。AD 的輸入為0-2.5V 單極性 電壓。REFOUT 引腳接有最小100nF 的電容，REFOUT 引腳接有最小100nF 的電容，以穩 定內部參考電壓值。CPU 負責控制AD 的啟動(dòng)、停止和讀取采集數據等工作。設計中使用 了GPIF 模式，由AD 的連接圖可以看出，68013 的CTL 引腳、RDY 引腳和AD 直接連接， 對AD 的時(shí)序進(jìn)行控制。CONVST 腳接到PA7 ( 68013 的IOA^7 )用于控制采樣的啟停，從 而可以控制采樣頻率,CTL, RDY 引腳的行為由GPIF 控制,其電路圖如圖3 所示。

圖 3 ADC 外圍接線(xiàn)圖

2.2CPU 與EEPROM 的接口電路

CY7C68013 芯片本身不帶ROM，所以擴展一片64Kbit 的I2C 串行E2PROM 存儲程序 代碼。該芯片為低功耗應用而開(kāi)發(fā)，可以充分利用FX2 的I2C 接口而不用占用其它IO 接口。 E2PROM 的連接決定了采集卡作為USB 設備上電枚舉的過(guò)程。如果上電沒(méi)有檢測到 E2PROM 的存在，則會(huì )采用默認PID, VID。枚舉;上電如果檢測到連接有E2PROM 時(shí)，loader: 讀E2PROM 的第一個(gè)字節來(lái)決定如何枚舉，電路圖如圖4 所示。

圖 4 EEPROM 外圍接線(xiàn)圖

2.3CPU 與鍵盤(pán)、顯示的接口電路

由于 56 引腳的68013 只有PA, PB, PD 三組IO，對于12 位的AD，使用了PB, PD 的第 二功能，配置為FD(Fifo Data)。這樣就只剩下PA 口8 個(gè)引腳可用，不足以完成鍵盤(pán)、顯示、 測試預留等功能。所以采用了PCF8574 I2C 轉I0 口的方式進(jìn)行擴展。這樣也可以留出足夠 的IO 口用于擴展和測試，連接如圖5。

圖 5 CPU I/O 擴展

3.系統應用軟件設計

軟件設計主要涉及到三個(gè)方面:一是對用CY7C68013 做CPU 的數據采集卡的固件設計 和應用程序設計。CYPRESS 公司為其旗下的產(chǎn)品做了很好的技術(shù)支持，例如對該款芯片提 供了完善的固件架構。用戶(hù)的應用只要在此固件基礎上開(kāi)發(fā)即可。二是針對數據采集卡設計 基于ARM-LINUX 的USB 設備驅動(dòng)程序。三是基于ARM-LINUX 平臺，為提供給用戶(hù)可視 化界面設計應用程序及遠程PC 上通過(guò)以太網(wǎng)采集的應用程序的設計。

3.1 USB 數據采集卡驅動(dòng)程序

編寫(xiě)一個(gè) USB 設備的驅動(dòng)程序，首先需要把驅動(dòng)程序的對象注冊到USB 子系統中，然后再使用廠(chǎng)商標識和設備標識來(lái)判斷是否已經(jīng)安裝了硬件。注冊是在USB 驅動(dòng)程序模塊初

始化代碼中完成。例如在初始化代碼中有這樣的語(yǔ)句：

usb register(sample_driver);