遠程數據采集與交互系統設計

摘要：為了提高大型實(shí)驗設備的利用率，在此提出利用Matlab、數據庫、FPGA和服務(wù)器等軟硬件設施，實(shí)現遠程實(shí)驗系統數據采集的方案。該方案中設計了基于FPGA的數據采集箱，利用數據采集箱將大型實(shí)驗設備和基于J2EE平臺的服務(wù)器相連接。服務(wù)器將采集到的實(shí)驗數據存儲到數據庫軟件中，當用戶(hù)需要時(shí)，可通過(guò)網(wǎng)絡(luò )訪(fǎng)問(wèn)服務(wù)器獲取數據。在客戶(hù)機端，用戶(hù)還可以采用Matlab還原實(shí)驗數據，畫(huà)出實(shí)驗數據曲線(xiàn)。
關(guān)鍵詞：遠程數據采集；FPGA；J2EE；Matlab

在科學(xué)技術(shù)發(fā)展過(guò)程中，資源信息的共享對科學(xué)研究水平的提高具有重要的意義。目前，在一些企業(yè)、高等院校和科研機構中，由于管理體制與設備使用機制的局限性，大型實(shí)驗儀器的使用率極為有限，造成了大量的資源浪費現象。如果針對大型實(shí)驗儀器使用遠程控制實(shí)驗，一方面用戶(hù)可以在任何時(shí)間，任何地點(diǎn)通過(guò)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行實(shí)驗，有利于用戶(hù)合理地安排自己的學(xué)習、工作計劃，而不再受時(shí)間和地點(diǎn)的約束；另一方面則可以提高實(shí)驗室資源的利用率。因此，構建大型實(shí)驗儀器共享平臺是符合科學(xué)技術(shù)發(fā)展要求的。

1 遠程實(shí)驗系統總體方案設計
1．1 系統的功能及需求分析
對大型實(shí)驗共享平臺而言，由于構建的是一種新型的實(shí)驗儀器資源共享平臺，希望能從各種不同設備中獲取其各自的實(shí)驗數據或結果，以平臺通用的格式來(lái)傳輸和存儲數據，便于進(jìn)入平臺的各個(gè)用戶(hù)共享這些實(shí)驗數據或結果。
通常實(shí)驗儀器由于功能的不同、生產(chǎn)廠(chǎng)商的不同，使得獲取數據的方式、數據的存儲格式等均不相同，各種實(shí)驗儀器基本上采用的都是自己專(zhuān)用的數據采集裝置，不能滿(mǎn)足大型實(shí)驗共享平臺的要求。因此，在構建大型實(shí)驗儀器共享平臺中，如何完成平臺中各種不同設備數據信息的采集及處理是實(shí)現遠程數據交流與共享的關(guān)鍵。
1．2 系統總體結構
根據需求分析，遠程實(shí)驗系統結構如圖1所示。

在實(shí)驗室本地，利用FPGA體積小，速度快，內部延時(shí)小，可自由編程，靈活性高等優(yōu)點(diǎn)，以FPGA為核心輔以A／D轉換器等設備，設計出可提供多種接口的數據采集箱。數據采集箱接口多樣化，便于同各種不同型號的實(shí)驗儀器相聯(lián)，并且數據采集箱可以轉發(fā)簡(jiǎn)單的控制指令(如：?jiǎn)?dòng)、停止)。數據采集箱采集到的數據，在FPGA中完成數據格式化過(guò)程(將數據按照約定編碼成統一的格式)后，暫存到緩存中，然后經(jīng)傳輸線(xiàn)路將格式化的數據發(fā)送到服務(wù)器端存儲到數據庫中永久保存。數據庫中數據主要按時(shí)間段存儲，時(shí)間段的劃分由實(shí)驗用戶(hù)設置決定，可以用一次完整實(shí)驗過(guò)程來(lái)劃分時(shí)間段，也可以用同一個(gè)實(shí)驗分割成幾個(gè)時(shí)間片段來(lái)存儲數據，這樣有利于日后數據比較分析。
在異地，用戶(hù)可以使用PC機通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)登錄到服務(wù)器，發(fā)出控制指令或將數據庫中的實(shí)驗數據下載到客戶(hù)端。用戶(hù)即可以用表格的形式顯示數據，也可以將數據導入到Matlab中，利用Matlab強大的繪圖和分析功能，對實(shí)驗數據進(jìn)行更為高效的分析。

2 基于FPGA的數據采集箱設計
數據采集箱主要完成對實(shí)驗數據進(jìn)行采集和初步處理的功能。數據采集箱可采集的數據種類(lèi)包括溫度、電壓、電流、轉速等。為了達到“萬(wàn)能”數據采集效果，數據采集箱還提供了多種接口，不僅提供了高效、方便的USB接口，也提供了工業(yè)通用的RS 232接口、IDE接口。數據采集箱有溫度傳感器、電流傳感器、旋轉編碼器、霍爾傳感器、A／D等外部器件，如果由普通的單片機實(shí)現，需要很多的擴展芯片，而且單片機的時(shí)序性強，它很難同時(shí)實(shí)現這些功能，或者以降低系統精度作為代價(jià)。所以，在數據采集箱中采用FPGA芯片來(lái)并發(fā)處理系統的各位部分信號，這樣不僅可減少PCB板的面積，增加抗干擾能力，同時(shí)也減少了成本。數據采集箱結構如圖2所示。