嵌入式网络化现场数据采集分析系统研究与实现杨 健， 张慧慧（北京工业大学 机电学院， 北京 １０００２２）摘要：根据现场数据采集分析需求特点，设计了基于ＡＲＭ和ＤＳＰ的一种网络化现场实时动态信号采集分析系统的软硬件，给出了系统实现方案。
简述了系统的硬件组成及各部分功能，给出了相应的主程序框图，对系统工作的实时性进行了研究。
关键词： ＤＳＰ； 网络；数据处理； 嵌入式ＬＩＮＵＸ系统；ＨＰＩ中图分类号：ＴＨ１６； ＴＰ３９１文献标识码：Ａ 文章编号：１００９－０１３４（２００５）１０－００２９－０４Design on dynamic data collection and signal analysis system based onInternet/Intranet using embedded systemＹＡＮＧ－ｊｉａｎ， ＺＨＡＮＧ Ｈｕｉ－ｈｕｉ（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ＆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００２２，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｄｅｍａｎｄｉｎｇ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｒｅａｌ－ ｔｉｍｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｄａｔａ ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ ａｎｄｓｉｇｎａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ， Ａ ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｄａｔａ ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｉｇｎａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄ ｏｎ Ｉｎｔｅｒｎｅｔ／Ｉｎｔｒａｎｅｔ ｂｏｔｈ ｉｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ ａｎｄ ｈａｒｄｗａｒｅ ｕｓｉｎｇ ＡＲＭ ａｎｄ ＤＳＰ ｗａｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄ． Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ’ｓ ｈａｒｄｗａｒｅ ａｎｄ ｉｔｓ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｗｅｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｒａｍｅｗｏｒｋ ｏｆｔｈｅ ｍａｉｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｗｅｒｅ ａｌｓｏ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ． Ｍｏｒｅｏｖｅｒ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ ｒｅａｌ － ｔｉｍｅｃａｐａｂｉｌｉｔｙ ｗａｓ ａｎａｌｙｓｅｄ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ＤＳＰ； Ｉｎｔｅｒｎｅｔ／Ｉｎｔｒａｎｅｔ； ｄａｔａ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ； ｕＣｌｉｎｕｘ； ＨＰＩ收稿日期：２００５－０４－０５基金项目：北京市自然科学基金重点项目（４０３１００１－１）； 北京市先进制造技术重点实验室项目资助（Ｔ０１０００１０１）作者简介：杨健（１９６５－），男，北京工业大学博士研究生，高级工程师，主要从事网络监控、嵌入式技术、计算机应用与研究。
０ 引言随着信息和网络技术的发展，传统制造业面临巨大的挑战和机遇，产品和客户要求的多样化，交易范围扩大化，信息的交流在生产，管理，销售中都扮演着重要角色，网络化和信息化的制造技术是制造技术发展主要方向。
网络监控主要任务是为制造设备供应商提供一个基于Ｉｎｔｒａｎｅｔ／Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的产品信息查询及设备运行状况监控服务体系，以实现对制造设备全生命周期的质量服务。
监控系统完成的主要功能有：对远距离设备运行状态进行实时监测、工况信息采集、数据网络传输；对异常工况进行分析，识别异常工况和故障预兆；加工设备特性建模，制定控制策略和通过网络对设备实施远程控制以避免异常工况发生；根据实际加工要求和条件对制造系统运行参数进行优化，保证系统高效、高质的运行。
要完成这些功能，离不开硬件采集上网模块的支持，要有相应的设备来获取加工信息，需要数控机床有上网功能。
当前我国制造业现状是：旧数控设备生产较早，不具备网络接口，只有简单控制和显示能力，车间设备很少能连到局域网，更不能连接到Ｉｎｔｅｒｎｅｔ，成为企业信息化中的信息孤岛。
然而ＣＮＣ系统虽较陈旧，但还具备很强的生产能力，在精度和加工方面还能继续服役，多数企业为此不会更新设备。
因此解决的途径是对这些设备进行网络化改造，使之能连入网络。
这里有两条路可选：更新数控设备的ＣＮＣ系统，代价昂贵，且不能提高设备精度和加工能力；二是在数控设备上加入网络通讯模块，该方法经济实用，符合国情。
通讯模块一方面与数控设备连接，收集加工信息；另一方面与企业网相连，作为数控设备的代理。
这样在不改变数控设备ＣＮＣ系统的情况下，也能通过网络来监控，充分扩展了数控设备的网络能力，且成本较低。
因此开发具有网络传输功能的现场数据采集分析设备尤为必要。
１ 总体分析与设计１．１ 总体分析与设计从监控系统的功能，可以看出，数据采集分析仪要满足对远距离设备状态实时监测的要求，才能及时的识别故障，进行处理。
满足实时性要求需解决的首要问题是数据网络传输的速度问题，为此，须对大量实时数据在进行网络传输之前进行处理和取舍。
如何保证在远程监控系统中传输必要和充分的设备状态信息是关键，解决方法是通过大量实验和数据分析确定有用的传感信号，然后提取能够表征特征异常工况的特征量，尽量减少网络实时传输的数据量。
另外，要使开发的产品具有较强的实用性，用到不同的工程实际中，系统还应具有较好的通用性，满足现场可编程的要求。
１．２ 框架设计基于网络的信号分析系统由上下位机构成（如图１所示）。
下位机即数据采集分析仪完成数据采集与大部分实时信号处理的任务，内置１０／１００Ｍ Ｅｔｈｅｒｎｅｔ控制器，支持ＴＣＰ／ＩＰ协议，可以直接和网络集线器（Ｈｕｂ）相连；上位ＰＣ机通过Ｉｎｔｅｒｎｅｔ与下位机数据采集分析仪协同工作，实现实时分析。
根据实际需要提供基于Ｗｉｎｄｏｗｓ９８／ＮＴ／２０００的动态测试与信号处理的应用程序，如信号分析与诊断、模态分析、远程监控与诊断、环境测试等功能。
本下位机系统采用了ＡＲＭ＋ＤＳＰ主从结构。
ＡＲＭ作为主处理器，完成系统管理及网络通讯；ＤＳＰ作为协处理器，完成信号处理、分析。
这种结构中ＤＳＰ的快速数据处理能力和ＡＲＭ卓越的以太网通讯能力保证了动态信号采集分析系统的实时性要求。
２ 网络采集系统硬件平台２．１ 硬件结构根据上述分析，网络采集系统应包括以下部分：数据采集控制、数据传输控制、主从系统及其外围器件设计、网络传输、主处理器ＡＲＭ和ＤＳＰ接口等。
结构如图２所示。
数据采集控制由ＤＳＰ通过ＦＰＧＡ完成现场传感数据信号的Ａ／Ｄ转换及信号提取。
ＤＳＰ运行速度高，而且还要完成数据处理、与主机ＡＲＭ通信等任务，为减少ＤＳＰ的等待时间，Ａ／Ｄ转换芯片与ＤＳＰ之间需要加数据缓冲器，使相对低速的数据采集和高速器件ＤＳＰ匹配。
图２ 硬件结构功能示意图本嵌入式系统所采用的硬件平台如图２所示。
其中，数据处理模块通过数据接口ＦＰＧＡ控制前端的Ａ／Ｄ变换，根据设定的采集周期将Ａ／Ｄ变换后的数据保存在其内部的ＲＡＭ中；同时发出一个中断信号。
Ｓ３Ｃ４５１０Ｂ是Ｓａｍｓｕｎｇ公司开发的一款性价比很高的嵌入式３２位ＡＲＭ处理器，它含ＡＲＭ７ＴＤＭＩ内核［１］，并内置１０／１００Ｍ Ｅｔｈｅｒｎｅｔ控制器，特别适合网络应用。
主系统是基于Ｓ３Ｃ４５１０Ｂ高性能中央处理单元自行开发的嵌人式模块。
其硬件配置包括５０ＭＨｚ３２位处理器Ｓ３Ｃ４５１０Ｂ；１６Ｍ ＳＤＲＡＭ；２Ｍ Ｆｌａｓｈ ＲＯＭ；１００Ｍｂｐｓ以太网接口；两个ＵＡＲＴ串口； 以太网接口和一个ＵＡＲＴ串口用来分别与上位机和当地功能通讯以实现对网络化采集系统的控制及对采集数据实现分析处理。
另一个串口作现场维护之用。
该以太网上还配有其它设备。
ｕＣｌｉｎｕｘ所要实现的功能是实时地将数据处理模块上采集的数据通过网口传到以太网上，同时接收来自远端ＰＣ机系统的命令以对数据处理模块进行控制。
２．２ 主处理器控制管理设计选择ＡＲＭ系列芯片［１］作为网络管理器核心，采用ＲＩＳＣ体系构架，体积小，性价比高，支持Ｔｈｕｍｂ（１６ｂｉｔ）／ＡＲＭ（３２ｂｉｔ）双指令集；大量使用寄存器，指令执行速度更快；ＡＲＭ各系列芯片的命令子集同属一个母集，这样十分方便监控产品的设计升级。
为降低硬件成本及功耗，ＡＲＭ７ＴＤＭＩ在设计中取消了ＭＭＵ（内存管理单元）功能模块。
而ｕＣｌｉｎｕｘ是专为无ＭＭＵ的微处理器打造的嵌入式Ｌｉｎｕｘ操作系统。
它由内核发展而来。
因大多数内核Ｌｉｎｕｘ２．０的二进制代码和源代码都被重写，缩减了ｕＣｌｉｎｕｘ内核（小于５１２ ｋｂ，加工具小于９００ｋｂ），但保留了Ｌｉｎｕｘ系统优点：稳定性、优异的网络能力及优秀的文件系统支持，所以选ｕＣｌｉｎｕｘ作为操作系统。
图２中示出一个由Ｓ３Ｃ４５１０Ｂ构成的基本系统：操作系统存放在Ｆｌａｓｈ中，程序运行在ＳＤＲＡＭ中，主控制器向外提供１个１０Ｍ／１００Ｍ以太网口，通过宽带可接入Ｉｎｔｅｒｎｅｔ或局域网。
Ｓ３Ｃ４５１０Ｂ内部虽已包含以太网ＭＡＣ控制，但并未提供物理层接口，故须外接一物理层芯片以提供以太网的接口通道。
本设计采用ＤＭ９１６１为物理层接口［３］。
ＤＭ９１６１支持１０Ｍ／１００Ｍ以太网传输，其与Ｓ３Ｃ４５１０Ｂ的连接框图如图３所示。
信号的发和收通过网络隔离变压器ＳＴ４５－１０３０和ＲＪ４５接口接入传输媒体。
图３ ＤＭ９１６１与Ｓ３Ｃ４５１０Ｂ的连接框图２．３ 处理核心芯片ＤＳＰ处理系统的核心部分为ＴＭ３２０Ｃ５４１６ＤＳＰ芯片。
Ｃ５４ｘ系列芯片是低功耗高性能的１６位定点ＤＳＰ处理器。
ＣＰＵ采用改进的哈佛结构，具有高度的并行性。
采用ＤＳＰ作为核心控制器件能够很好的满足采集及分析判断的实时性要求［２］。
２．４ 逻辑控制器件ＦＰＧＡ用Ａｌｔｅｒａ公司的ＦＰＧＡ芯片ＥＰ１Ｃ６作为系统的逻辑控制单元及主从系统配置电路，具有设计灵活、硬件密度高等优点。
ＴＭ３２０Ｃ５４１６结合构成了处理系统的核心。
本系统中ＦＰＧＡ的编程用Ａｌｔｅｒａ公司的软件开发包ＱｕａｒｔｕｓＩＩ４．１，通过ＶＨＤＬ硬件描述语言，完成逻辑译码，实现ＤＳＰ与ＡＲＭ接口的ＦＩＦＯ数据缓冲通信功能。
本系统中的片选信号及其他逻辑控制信号，以及Ａ／Ｄ与ＤＳＰ之间的缓冲功能、ＬＣＤ显示，ＨＰＩ功能和部分电平转换功能都在ＦＰＧＡ上完成。
２．５ Ａ／Ｄ部分Ａ／Ｄ转换器选用ＬＴ公司的１２位高速并行Ａ／Ｄ转换器ＬＴ１８５３。
该芯片用３．３Ｖ 的单电源工作，以最大为１．２５Ｍｂｉｔ／ｓ的速度使输入电压数字化。
２．６ 存储器部分考虑到系统功能升级扩展需要，外部数据存储器选用了一片ＳＲＡＭ芯片，型号为ＩＳ６１ＬＶ６４１６。
系统还选用一Ｆｌａｓｈ 芯片作外部程序存储器，型号为ＡＴ２９ＬＶ１０２４Ｊ。
以便上电后进行程序自举加载。
由于模块的抗干扰性能要求较高，电路板做成四层板，上下两层为信号层，中间两层分别为地层和电源层。
