文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.166610
中文引用格式： 付良瑞，陳耀宏，胡祥超，等. 基于嵌入式以太網(wǎng)的分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2017，43(8)：58-61.
英文引用格式： Fu Liangrui，Chen Yaohong，Hu Xiangchao，et al. A distributed data acquisition system based on embedded Ethernet[J].Application of Electronic Technique，2017，43(8)：58-61.
0 引言
地震勘探是目前探測(cè)石油、天然氣和煤炭等地下資源的最主要方法[1]。常規(guī)的地震勘探原理是以人工方法激發(fā)地震波，在地表用檢波器檢測(cè)相應(yīng)的地震波形，并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)通過(guò)后級(jí)電路采集、處理和存儲(chǔ)。再進(jìn)一步分析人工地震波的波形數(shù)據(jù)，推斷地下巖層的形態(tài)和性質(zhì)，確定是否儲(chǔ)有需要的資源。所依賴的最關(guān)鍵的設(shè)備是地震勘探儀或地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等物探設(shè)備。
分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于各類物探設(shè)備中，主要由地面采集站（基站）、遙測(cè)數(shù)傳電纜和中央控制站（主站）組成。基站包含地震檢波器和數(shù)據(jù)采集電路，位置由預(yù)采集點(diǎn)的具體分布決定。主站的主要任務(wù)是下發(fā)各類命令，完成對(duì)采集數(shù)據(jù)的記錄和質(zhì)量監(jiān)控并實(shí)時(shí)分析數(shù)據(jù)。
整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)[2]集中在以下幾個(gè)方面：高精度的數(shù)據(jù)采集；站點(diǎn)之間的組網(wǎng)和數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)；穩(wěn)定可靠的遠(yuǎn)距離高速數(shù)據(jù)通信解決方案；系統(tǒng)各站點(diǎn)的精確同步。
1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
系統(tǒng)總體框架如圖1所示，相鄰間距為220 m并均勻分布在一條直線上的12個(gè)基站實(shí)施精確同步的數(shù)據(jù)采集。每個(gè)基站有4個(gè)通道，分辨率為24 bit，最高采樣率為4 kS/s，各站點(diǎn)之間的同步性誤差控制在50 μs以內(nèi)。各個(gè)基站實(shí)時(shí)采集波形數(shù)據(jù)并匯聚到主站，主站為工控機(jī)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)和顯示功能。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
本文所述的分布式采集系統(tǒng)硬件主要分為主控盒和基站兩部分。主控盒充當(dāng)主站與各基站命令交互、信號(hào)同步的媒介，基站通過(guò)接收主控盒命令，在規(guī)定時(shí)間段完成采集任務(wù)，并上傳和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。
2.1 主控盒硬件設(shè)計(jì)
根據(jù)分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案，數(shù)據(jù)通道與命令通道（包括同步信號(hào)）是完全獨(dú)立的，主控盒是命令通道的核心。其功能框圖如圖2所示。主控盒要接收上位機(jī)命令，連同GPS模塊的校準(zhǔn)秒脈沖通過(guò)同步模塊的電流環(huán)電路下發(fā)到各個(gè)基站。電路簡(jiǎn)單，對(duì)單片機(jī)性能的要求不高，故使用TI公司的MSP430F149作為主控芯片。
2.1.1 USB轉(zhuǎn)串口模塊
主站上位機(jī)系統(tǒng)通過(guò)USB接口向基站下發(fā)啟動(dòng)命令和配置信息，對(duì)于通信速率要求不高，考慮開(kāi)發(fā)的便利性，選擇USB轉(zhuǎn)串口再與單片機(jī)通信的方式。使用CH340T作為USB總線的轉(zhuǎn)接芯片，支持全速USB2.0接口，外圍只需要晶振和幾個(gè)電容，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠。CH340T內(nèi)置了獨(dú)立的收發(fā)緩沖區(qū)，支持單工、半雙工和全雙工異步串行通信，自動(dòng)支持USB設(shè)備掛起，以節(jié)約功耗。
2.1.2 GPS模塊
本設(shè)計(jì)采用天寶（Trimble）系列的成品GPS接收機(jī)，可以穩(wěn)定輸出具有CMOS電平、與國(guó)際協(xié)調(diào)時(shí)（UTC）時(shí)間同步的高精度秒脈沖。GPS模塊在啟動(dòng)后搜集衛(wèi)星信號(hào)并獲取經(jīng)緯度、年歷和星歷等信息之后可以提供高精度的秒脈沖，該秒脈沖上升沿與國(guó)際協(xié)調(diào)時(shí)時(shí)間精確同步，具有1 ms高電平脈寬，剩余的999 ms為低電平。GPS授時(shí)系統(tǒng)沒(méi)有累積誤差，因此使用GPS秒脈沖控制分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上各基站壓控晶振，可以有效地解決長(zhǎng)穩(wěn)時(shí)鐘在長(zhǎng)時(shí)間工作后累積誤差嚴(yán)重影響系統(tǒng)同步性的問(wèn)題。
2.1.3 基站時(shí)間同步模塊
現(xiàn)代的分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般都加入GPS時(shí)鐘模塊實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步[3]，但是給每個(gè)基站都配備GPS模塊成本太高。本文使用電流環(huán)傳輸同步信號(hào)，以較低的成本實(shí)現(xiàn)較高精確的同步性。在主站加入GPS時(shí)鐘接收模塊，通過(guò)以跨導(dǎo)放大器為核心的電流環(huán)電路向基站發(fā)送啟動(dòng)命令和秒脈沖校準(zhǔn)信號(hào)。電流環(huán)原理圖[4]如圖3所示。
主站的啟動(dòng)命令和GPS秒脈沖校準(zhǔn)信號(hào)都是單端信號(hào)，通過(guò)VIN接入晶體管的基極，控制集電極的輸出電流(輸出電流大于15 mA)。在接收端通過(guò)取樣電阻把電流環(huán)上的電流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)椴罘蛛妷盒盘?hào)，再利用晶體管電路實(shí)現(xiàn)差分電壓信號(hào)到單端電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換。電流環(huán)電路的核心是晶體管(三極管)，本文用跨導(dǎo)放大器OPA861代圖3中晶體管。
圖4是以跨導(dǎo)放大器為核心、通過(guò)電流環(huán)實(shí)現(xiàn)基站同步功能的原理圖。轉(zhuǎn)換后的單端電壓信號(hào)，通過(guò)高速比較器向數(shù)字電路部分輸出高質(zhì)量的脈沖信號(hào)，便于接入后級(jí)的數(shù)字電路。
2.2 基站硬件設(shè)計(jì)
基站硬件電路主要完成3個(gè)任務(wù)：第一是接收主站用電流環(huán)下發(fā)的啟動(dòng)命令，配置信息和GPS秒脈沖校準(zhǔn)信號(hào)；第二是控制2片ADS1282采集地震波形數(shù)據(jù)并讀數(shù)；第三是通過(guò)一個(gè)W5300讀取后級(jí)基站上傳的數(shù)據(jù)，再把本站采樣數(shù)據(jù)和后級(jí)基站的采樣數(shù)據(jù)再用另一個(gè)W5300向前一級(jí)基站上傳。硬件的組成框圖如圖5所示。
2.2.1 數(shù)據(jù)采集模塊
數(shù)據(jù)采集模塊有多個(gè)采集通道，接收地震檢波器輸出的信號(hào)，完成信號(hào)調(diào)理、模/數(shù)轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)（通信）等一系列工作。數(shù)據(jù)采集模塊的框圖如圖6所示。
信號(hào)經(jīng)過(guò)地震檢波器接入大線濾波器，大線濾波器由一個(gè)差模濾波器級(jí)聯(lián)一個(gè)共模濾波器構(gòu)成來(lái)濾除信號(hào)在傳輸過(guò)程中引入的干擾。全差動(dòng)音頻放大器OPA1632構(gòu)成模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1282的前置驅(qū)動(dòng)電路，共模電壓通過(guò)Vocm引腳外接穩(wěn)壓源控制, 配合ADS1282采樣。通過(guò)調(diào)節(jié)ADC驅(qū)動(dòng)電路的反饋電阻和ADS1282內(nèi)置的程控放大器，可以調(diào)節(jié)進(jìn)入Δ-Σ調(diào)制器的信號(hào)的幅值。ADS1282的輸入時(shí)鐘頻率為4.096 MHz，與MCU通過(guò)SPI總線實(shí)現(xiàn)命令和數(shù)據(jù)通信。MCU控制ADS1282的同步(SYNC)、復(fù)位(/RESET)和低功耗模式選擇(/PWDN)等。ADS1282通過(guò)/DRDY引腳觸發(fā)外部中斷，通知MCU讀取剛采集到的數(shù)據(jù)。
2.2.2 網(wǎng)絡(luò)通信模塊
網(wǎng)絡(luò)通信模塊選擇WIZnet公司的高性能的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議芯片W5300，把以太網(wǎng)接口和協(xié)議引入基站系統(tǒng)。W5300芯片內(nèi)置10M/100M以太網(wǎng)控制器及TCP協(xié)議棧，可以快捷、穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,不需要MCU（STM-32F207）干預(yù)，同時(shí)結(jié)合網(wǎng)絡(luò)協(xié)議芯片W5300和網(wǎng)絡(luò)延長(zhǎng)器來(lái)實(shí)現(xiàn)分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信。基站網(wǎng)絡(luò)通信電路既要接收后級(jí)數(shù)據(jù)，又要向前級(jí)上傳數(shù)據(jù)，基本框圖如7所示。
W5300與STM32F207的接口方式采用16 bit總線的直接尋址模式，2片W5300共享10 bit地址總線，通過(guò)低有效片選信號(hào)（/CS）來(lái)選擇；其他所有接口是獨(dú)立的，不會(huì)相互影響。W5300有128 KB的存儲(chǔ)空間，以8 KB為單位供所有的端口收/發(fā)存儲(chǔ)器自由分配。所有的采樣數(shù)據(jù)都是單向傳輸?shù)模梢越Y(jié)合實(shí)際靈活分配空間，從而達(dá)到較高的通信性能。此外13F-60系列芯片集成了RJ-45端口和10/100MBase-T網(wǎng)絡(luò)變壓器，可以方便地實(shí)現(xiàn)RJ-45水晶頭和以太網(wǎng)PHY的連接。
2.2.3 長(zhǎng)穩(wěn)時(shí)鐘模塊
長(zhǎng)穩(wěn)時(shí)鐘模塊主要用于給ADS1282提供高精度的時(shí)鐘，是分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中同步性方案設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。現(xiàn)有的高質(zhì)量時(shí)鐘源在短時(shí)間內(nèi)工作，具有很高的穩(wěn)定性，但是系統(tǒng)在長(zhǎng)時(shí)間工作后，累積誤差將導(dǎo)致系統(tǒng)的時(shí)間基準(zhǔn)出現(xiàn)明顯的偏差。用閉環(huán)控制[5]的高精度時(shí)鐘源可以從根本上解決普通時(shí)鐘源長(zhǎng)時(shí)間工作的累積誤差問(wèn)題。長(zhǎng)穩(wěn)時(shí)鐘模塊的功能框圖如圖8所示。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
軟件設(shè)計(jì)分為下位機(jī)程序設(shè)計(jì)和上位機(jī)程序設(shè)計(jì)。下位機(jī)程序設(shè)計(jì)主要包括主控盒程序設(shè)計(jì)和基站程序設(shè)計(jì)；上位機(jī)程序設(shè)計(jì)主要是PC終端程序的設(shè)計(jì)。
3.1 主控盒程序設(shè)計(jì)
主控盒是分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)命令通道的核心，通過(guò)USB轉(zhuǎn)串口電路接收上位機(jī)發(fā)出的啟動(dòng)命令和配置信息，再通過(guò)電流環(huán)下發(fā)到各個(gè)基站。在采集工作開(kāi)始后，每秒向各基站發(fā)送一次GPS秒脈沖校準(zhǔn)信號(hào)。主控盒程序流程圖如圖9所示。
3.2 基站程序設(shè)計(jì)
基站主控制器STM32F207在基站系統(tǒng)中的任務(wù)是：(1)接收主控盒的采集啟動(dòng)命令(通過(guò)同步模塊接收并解析，其中包括采樣率和時(shí)長(zhǎng)配置信息)；(2)初始化ADS1282，配置各項(xiàng)參數(shù)。在開(kāi)始采集數(shù)據(jù)后接收ADS1282觸發(fā)的外部中斷，讀取數(shù)據(jù)并存入相關(guān)緩沖區(qū)；(3)初始化2片W5300，一個(gè)設(shè)置為服務(wù)器，用于接收后級(jí)基站上傳的數(shù)據(jù)；另一個(gè)設(shè)置為客戶端，連接前一級(jí)基站的W5300，上傳所有的數(shù)據(jù)。
W5300在TCP模式下每包數(shù)據(jù)有效字節(jié)數(shù)最多可達(dá)1 460 B，若是每次采集完成都發(fā)送一次數(shù)據(jù)，會(huì)嚴(yán)重降低網(wǎng)絡(luò)通信的效率，同時(shí)不便于主站的數(shù)據(jù)管理。本文設(shè)計(jì)包數(shù)據(jù)大小為1 206 B，其中1 200 B是有效的樣點(diǎn)數(shù)據(jù)（單基站兩個(gè)通道150次采樣結(jié)果），再加上6 B的包頭識(shí)別信息，用于標(biāo)記基站和數(shù)據(jù)包編號(hào)。每個(gè)基站都設(shè)立相應(yīng)的緩沖區(qū)，本站的采樣數(shù)據(jù)和接收到后級(jí)基站采樣數(shù)據(jù)先暫存到緩沖區(qū)，單片機(jī)在每次讀取ADS1282采集結(jié)果后會(huì)依次查詢各個(gè)緩沖區(qū)的存儲(chǔ)狀態(tài)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)緩沖區(qū)內(nèi)有整包的數(shù)據(jù)，則利用ADS1282外部中斷間隔向負(fù)責(zé)發(fā)送數(shù)據(jù)的W5300的TX_FIFO寫(xiě)入數(shù)據(jù)，最后發(fā)送到前一級(jí)基站。基站單片機(jī)程序流程圖如圖10所示。
4 評(píng)測(cè)
根據(jù)本文組網(wǎng)方案，對(duì)設(shè)計(jì)的分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，信源采用振幅2 V、頻率為10 Hz的正弦波，系統(tǒng)配置采樣率為4 kS/s，ADS1282內(nèi)部PGA增益為1，采集時(shí)間為20 min。
實(shí)驗(yàn)期間隨意切換任意基站顯示4個(gè)通道的波形圖都準(zhǔn)確無(wú)誤，最后得到6個(gè)基站數(shù)據(jù)，并且按樣點(diǎn)依次存儲(chǔ)成6個(gè)文件。查看文件大小，6個(gè)文件都是115 200 000 B(ADS1282轉(zhuǎn)換結(jié)果由LabVIEW程序解析后按樣點(diǎn)重組，每個(gè)樣點(diǎn)數(shù)據(jù)占用6 B空間，包括4 B內(nèi)容和2 B的符號(hào)和換行信息)，與理論計(jì)算的數(shù)值一致。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣數(shù)據(jù)傳輸是穩(wěn)定可靠的。
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作者信息：
付良瑞1，陳耀宏2，胡祥超1，朱寶良1
（1.西北核技術(shù)研究所，陜西 西安710024；2.中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所，陜西 西安710119）