嵌入式以太網數據采集與控制系統設計

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(1.銅川職業技術學院 基礎部，陜西 銅川 727031；2.中國石油 川慶鉆探長慶井控培訓中心,西安 710000)

嵌入式以太網數據采集與控制系統設計

戴麗萍1，李卓立2

(1.銅川職業技術學院基礎部，陜西銅川727031；2.中國石油川慶鉆探長慶井控培訓中心,西安710000)

為了提高嵌入式以太網數據的操作精度，減少數據運行時間，增加數據運行靈活性以及穩定性，方便對嵌入式以太網數據進行的有效管理，需要對嵌入式以太網數據采集與控制系統進行設計;當前的嵌入式以太網數據采集與控制系統設計方法對以太網數據進行采集與控制系統設計時，因為無法對其進行靈活、高效、全面地采集和控制，存在數據運行盲區較多，成本較大的問題，所以提出一種基于LonWorks的嵌入式以太網采集和控制系統設計方法，即采用局部網格方式進行數據采集，使嵌入式以太網進行自維護、自組織、自控制的操作;該方法先利用μC/OSⅡ平臺完成對嵌入式以太網數據采集與控制系統的硬件設計，然后依據互式數據遷移技術對嵌入式以太網進行數據采集，以采集的數據為基礎，采用模糊關聯空間理論對采集得到的以太網數據進行過濾，最后以上述過程為依據，利用OPC服務器程序對過濾后的嵌入式以太網數據進行控制，由此完成了嵌入式以太網數據采集與控制系統設計;實驗結果證明，所提方法可以全面精確地對嵌入式以太網數據進行采集和控制，提高以太網運行速度，增強網絡使用壽命，為該領域研究發展提供了強有力的依據。

嵌入式以太網；數據采集與控制；系統設計

0 引言

當前，隨著計算機水平和科學技術的不斷發展，嵌入式以太網數據的采集與控制受到了人們的廣泛關注和高度重視[1]。數據采集與控制系統在溫度變化數據的采集與控制、水位高低數據的采集與控制、風速大小數據的采集與控制、電路壓力數據的采集與控制等各個領域都有著不可或缺的作用[2]。由于嵌入式以太網數據具有不安全性、不穩定性、錯綜復雜性等特點[3]，需要對其進行高精度穩定的采集與控制，但大多數數據采集與控制系統設計方法無法對其進行高效全面地采集與控制[4]，導致嵌入式以太網操作時無法得到精準的結果、運行速度慢、運行過程復雜。在這種情況下，如何對嵌入式以太網數據進行全面準確的采集與控制成為了亟待解決的問題[5]。而嵌入式以太網數據采集與控制系統設計方法，可以對以太網數據進行高精度的采集與控制，是解決上述問題的有效途徑[6]，成為了數據采集與控制系統設計研究者的主要研究課題，同時也受到了該領域專家學者的廣泛關注，獲得了很多優秀方法[7]。

文獻[8]提出了基于GPRS的嵌入式以太網數據采集與控制系統設計方法。該方法首先采用STM32F103RBT6芯片作為嵌入式以太網數據采集與控制系統的主芯片，然后通過RS485接口設置嵌入式以太網端口以及數據采集與數據控制間隔參數，最后以此參數為依據實現基于GPRS的嵌入式以太網數據采集與控制系統設計方法。該方法設計的采集與控制系統性能穩定可靠，但實現過程相對繁瑣，消耗時間較長。文獻[9]提出了一種基于ARM9的嵌入式以太網數據采集與控制系統設計方法。該方法先利用AT91RM9200以及嵌入式Linux新型數據采集與控制系統平臺，對嵌入式以太網數據采集系統與控制系統分別進行硬件設計，然后依據SPI串行接口的設計實現以太網數據采集系統與控制系統的融合，構建嵌入式以太網數據采集與控制系統優化函數，完成對嵌入式以太網數據采集與控制系統的設計。該方法下的嵌入式以太網數據采集與控制系統設計具有強大的數據處理能力，但存在采集數據較慢的問題。文獻[10]提出了一種基于FPGA的嵌入式以太網數據采集與控制系統設計方法。該方法先將系統分為采集控制終端和控制終端兩部分，兩者采用SPI技術交互通信，然后依據多路數據采集和控制接口，對其模擬信號的數據采集模塊和數據控制模塊進行連接，最后利用連接結果實現基于FPGA的嵌入式以太網數據采集與控制系統設計。該方法數據采集與控制系統設計精度高，但存在數據采集不安全的問題。

針對上述產生的問題，提出一種基于LonWorks的嵌入式以太網數據采集與控制系統設計方法。該方法首先對嵌入式以太網數據采集與控制系統進行了硬件設計，以硬件設計為依據，對以太網數據進行采集和過濾的操作，最后以過濾結果為基礎，完成了嵌入式以太網數據采集與控制系統設計。仿真實驗證明，所提方法可以安全準確地對嵌入式以太網數據進行采集與控制，也證明了該方法是切實可行的。

1 基于LonWorks的以太網數據采集與控制系統設計方法

1.1 嵌入式以太網數據采集與控制系統結構及原理

1.1.1 嵌入式以太網數據采集與控制系統結構

實現嵌入式以太網數據采集與控制系統的設計，首先利用μC/OSⅡ平臺完成對其的硬件設計，然后以硬件設計為基礎，對以太網數據進行采集與控制[11]。嵌入式以太網數據采集與控制系統構造如圖1所示。

圖1 嵌入式以太網數據采集與控制系統構造

圖1中嵌入式以太網數據采集與控制系統構造主要由數據過濾模塊、數據采集模塊、數據控制模塊組成。在該構造中各模塊可以輔助總系統的高精度數據采集與控制。圖2是對嵌入式以太網數據采集模塊的細化。

圖2 嵌入式以太網數據采集模塊構造

圖2中對嵌入式以太網數據采集模塊進行了細化，在細化中將其分為：數據遷移模塊、數據清理模塊、在采集數據后對采集的以太網數據進行過濾的數據過濾模塊。利用這三部分構建了數據采集模塊關系網，該關系網可以高效安全地對嵌入式以太網數據進行采集。

1.1.2 嵌入式以太網數據采集與控制系統原理

嵌入式以太網數據采集與控制系統是指將溫度、壓力、磁場、位移、流量等模擬量采集、轉換成數字量后,再由計算機進行存儲、處理、顯示或打印的過程。

常用的嵌入式以太網數據采集與控制系統有兩種：

1)以為核心的數據采集系統,即刀形式。它的主要構成通常包括傳感器、模擬多路開關、程控放大器、采樣保持器、刀轉換器、及特殊外設等組成部分。圖1就是一個典型的采用進行控制的小型數據采集系統。這類系統具有價格低廉、體積小、結構簡單、功能強大、應用靈活、穩定可靠等許多優點,因而得到了人們充分的關注并發展成熟起來,現已廣泛應用于工業控制、儀器儀表以及簡單的通訊設備中而且,由于功能的添加和技術的改進,它們在這些領域還占有相當的數量。這種嵌入式以太網數據采集與控制系統注重的是數據采集和控制的實時性,除了進行一些簡單的數字處理之外,一般不進行大規模的數據存儲,這是由單片機本身的架構所決定的。對于一些比較復雜的應用場合,比如通訊和控制領域,這種基于的數據采集系統的應用就受到限制。

2)以計算機為控制核心的嵌入式以太網數據采集與控制系統。自從計算機問世以來,及其兼容機的應用范圍越來越廣泛。它不再僅僅局限于科學計算和事務管理,而是與基于的各種內總線的接口卡結合,逐漸被應用到實時數據采集等測控領域中。用于工業控制的采用了標準總線,包括工控標準總線、傳輸位總線一、總線、總線等總線系統閻。目前的數據采集板卡一般都采用總線,可以插入主機內形成內插式工作方式。這些總線技術利用機強大的數據處理能力、豐富的軟硬件資源,為數據的應用提供了非常有利的條件用戶環境好,系統投運時對操作人員的培訓期短軟件開發便利,有許多成熟的支持程序和應用程序可利用和借鑒維護支持環境好。

1.2 嵌入式以太網數據采集模塊和過濾模塊

以2.1各項信息為依據，采用交互式數據遷移技術對嵌入式以太網進行數據采集，需注意下列問題。

1)嵌入式以太網數據分析。對被審計的嵌入式以太網數據進行分析，其中也包括將數據讀懂，因為嵌入式以太網數據有很多標識，但標識的含義并不明確，所以要對嵌入式以太網數據的標識進行分解。

2)嵌入式以太網數據采集。按照嵌入式以太網數據的依賴關系，分步執行數據采集，在這一階段，正確的數據遷移和垃圾數據清理方法可以提高整個以太網數據采集質量。則有嵌入式以太網數據遷移函數Ej：

(1)

其中：Ej代表嵌入式以太網數據遷移函數計算時第j次的值，i代表嵌入式以太網采集數據個數，m代表嵌入式以太網數據標識數，Er代表嵌入式以太網數據標識分解值，N代表嵌入式以太網數據遷移次數。

根據上式所得嵌入式以太網數據遷移函數值，對以太網垃圾數據清理函數進行計算：

(2)

其中：Ev代表嵌入式以太網垃圾數據清理函數計算時第v次的值，n代表嵌入式以太網垃圾數據數量總數。

以嵌入式以太網遷移數據函數和嵌入式以太網垃圾數據清理函數的計算為基礎，給出嵌入式以太網數據采集公式：

(3)

其中：Ei代表嵌入式以太網數據采集函數值。

以上述內容為依據，完成了對嵌入式以太網數據的采集，將采集數據進行過濾，有利于對其進行控制。本文采用模糊關聯空間理論對嵌入式以太網數據進行過濾。為了使過濾的水平和過濾的精度更高，將對嵌入式以太網數據過濾水平值β進行計算。

在進行嵌入式以太網數據過濾水平值計算時，并非所有的以太網數據屬性對以太網數據過濾實體關聯度貢獻都有一樣大的權重，因此需要對模糊關聯空間理論值進行計算。

D=fiw(u)*m(θ)

(4)

其中：D代表模糊關聯空間理論值，f代表嵌入式以太網數據過濾實體關聯度貢獻值，w代表嵌入式以太網數據屬性值，u代表嵌入式以太網數據采集系數，θ嵌入式以太網數據采集參數，為一常數，當此參數控制在1.4～1.5區間內嵌入式以太網數據的采集效率最高。

為了對嵌入式以太網數據進行高質量過濾，以模糊關聯空間理論值為依據，需要對模糊關聯空間理論廣義積分進行計算。

(5)

其中：d代表模糊關聯空間理論廣義積分，X代表嵌入式以太網數據采集質量監測值。根據模糊關聯空間理論廣義積分，對嵌入式以太網數據過濾水平值β進行計算。

輸入嵌入式以太網數據過濾水平值β：

β=(U,K,V,Fq)q∈K

(6)

其中：K=C∪D≠φ，C和D分別代表嵌入式以太網條件屬性值和決策屬性值，β代表嵌入式以太網數據過濾水平值，U代表嵌入式以太網數據過濾誤差值，K代表嵌入式以太網條件屬性值和決策屬性值的總交集值，V代表嵌入式以太網數據過濾效率值，F代表嵌入式以太網數據過濾節點，q代表在嵌入式以太網數據過濾節點處，以太網條件屬性值和決策屬性值的交集值。

輸出嵌入式以太網數據過濾水平值β：

(7)

其中：R代表嵌入式以太網數據過濾中一常量單位。

綜上所述，完成了對嵌入式以太網數據的過濾水平值β的計算，由此實現了其高質量過濾操作，為嵌入式以太網數據的控制打下了堅實的基礎。

1.3 嵌入式以太網數據控制模塊

以2.2各項數據為依據，采用OPC服務器程序對嵌入式以太網數據進行控制。對數據進行控制時需要考慮被控制的嵌入式以太網數據對象為：

x=Cx+Du

(8)

其中：x代表嵌入式以太網被控制數據對象。

對上述嵌入式以太網被控制數據進行離散化，并將最優的控制指標設定為：

(9)

其中：ξ代表嵌入式以太網被控制數據進行離散化時的最優控制指標。

為了保證嵌入式以太網數據控制的時間間隔保持定常，假設離散化的以太網數據控制狀態方程如下所示。

x(k+1)=φx(k)+u(k)

(10)

其中：φ代表嵌入式以太網數據控制的時間間隔定常值。

上述對嵌入式以太網數據控制狀態方程的計算，將帶有隨機變延的嵌入式以太網數據控制系統轉換為智能定常的數據控制系統，使數據控制系統變得簡單且高效。

以上述信息為依據，對嵌入式以太網數據控制系數模型進行計算，完成對以太網數據控制系統的設計。文中將嵌入式以太網數據控制系數記作ε。將嵌入式以太網線性隨機系統模型融入至其數據控制系數ε模型中，用來描述以太網數據控制系統，兩者的結合獲得了7個嵌入式以太網數據控制函數，數據控制函數具體描述如下:

ε1=x1+ξ1

(11)

ε2=(x1+ξ1)*(x2+ξ2)

(12)

ε3=(x1+ξ1)*(x2+ξ2)*(x3+ξ3)

(13)

ε4=(x1+ξ1)*(x2+ξ2)*(x3+ξ3)*(x4+ξ4)

(14)

ε5=(x1+ξ1)*(x2+ξ2)*(x3+ξ3)*(x4+ξ4)

*(x5+ξ5)

(15)

ε6=(x1+ξ1)*(x2+ξ2)*(x3+ξ3)*(x4+ξ4)

*(x5+ξ5)*(x6+ξ6)

(16)

ε7=(x1+ξ1)*(x2+ξ2)*(x3+ξ3)*(x4+ξ4)

*(x5+ξ5)*(x6+ξ6)*ε(x7+ξ7)

(17)

其中:ε代表嵌入式以太網數據控制系數。

通過上式的計算完成了對嵌入式以太網數據控制系統的描述。最后利用嵌入式以太網數據控制最優性能指標完成對其控制系統的設計。其最優性能指標計算公式為：

(18)

其中:J代表嵌入式以太網數據控制系統最優性能指標，為一常數單位，此指標控制在0.3～0.4區間內以太網數據控制效率最高。

綜上所述，依據嵌入式以太網數據控制最優性能指標，完成了對嵌入式以太網數據控制系統的設計。

2 仿真實驗結果與分析

為了證明基于LonWorks的嵌入式以太網數據采集與控制系統設計方法的整體有效性，需要進行一次仿真實驗。實驗步驟如下：

1)在RTL8019AS的環境下搭建嵌入式以太網數據采集與控制實驗仿真平臺。實驗數據取自于清華大學微機室100臺含有嵌入式以太網的計算機，利用基于LonWorks的嵌入式以太網數據采集與控制系統設計方法對實驗數據進行采集和控制，觀察系統設計方法有效性和可實現性。表1是不同方法下嵌入式以太網數據采集與控制效率(%)的對比。

表1 不同方法下嵌入式以太網數據采集與控制效率對比

分析表1可知，文獻[8-10]所提方法設計的嵌入式以太網數據采集與控制系統，與本文所提方法設計的數據采集與控制系統的效率相差較大，本文所提基于LonWorks的嵌入式以太網數據采集與控制系統設計方法的數據采集與控制效率較高，明顯優于文獻所提方法，證明了本文方法的可行性。表2是嵌入式以太網數據采集參數θ對數據采集效率(%)的影響，當此參數控制在1.4～1.5區間時嵌入式以太網數據的采集效率(%)最高。

表2 采集參數θ對嵌入式以太網數據采集效率影響

通過表2可知，嵌入式以太網數據采集參數θ對數據采集效率有著深度影響，當參數在1.4～1.5區間外時嵌入式以太網數據采集效率，明顯低于參數在1.4～1.5區間內，當參數在1.4～1.5區間內采集效率基本在96.7%～98.5%之間，進一步證明了本文所提基于LonWorks的嵌入式以太網數據采集與控制系統設計方法的可實現性。圖3是文獻[9]所提方法與本文所提方法數據過濾誤差率(%)的對比描述。

圖3 不同方法下嵌入式以太網數據過濾誤差率對比

2)采用了模糊關聯空間理論對嵌入式以太網數據進行過濾。分析圖3可知，文獻[9]所提嵌入式以太網數據采集與控制系統設計方法的誤差率，明顯高于本文所提方法的誤差率，這主要是因為本文方法進行嵌入式以太網數據采集與控制系統設計時，采用了模糊關聯空間理論對嵌入式以太網數據進行過濾，為了使數據過濾的精度更高，對嵌入式以太網數據過濾水平值β進行計算，從而完成對其的過濾。圖4是嵌入式以太網數據控制系統最優性能指標，對以太網數據控制精度(%)的影響。

圖4 數據控制系統最優性能指標對數據控制精度影響

由圖4可知，數據控制系統最優性能指標，對嵌入式以太網數據控制精度有很大地影響，當數據控制系統最優性能指標在0.3～0.4區間時，隨著控制數據量的增加，數據控制精度也在不斷波動，但在數據控制系統最優性能指標的影響下，數據控制精度基本在87%以上，此數據證明了本文所提方法可高精度地對嵌入式以太網數據進行控制，也證明了本文方法的整體有效性，同時也為該領域的研究發展提供了可靠依據。

仿真實驗證明，所提方法可以高精度地對嵌入式以太網數據采集與控制系統進行設計，提高數據采集與控制的準確率，減少嵌入式以太網數據運行時間，增加該網絡的使用壽命。

3 結束語

采用當前方法對嵌入式以太網數據進行采集與控制時，無法對其進行高精度、靈活、全面地數據采集與控制，存在嵌入式以太網數據操作復雜無序、時間長、數據采集偏差大、數據控制不得當等問題。提出一種基于LonWorks的嵌入式以太網數據采集與控制系統設計方法。并通過仿真實驗證明，所提方法可以高精度地對嵌入式以太網數據進行高效安全地采集與控制，是切實可行的，并且具有良好的借鑒價值。

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EmbeddedEthernetDataAcquisitionandControlSystemDesign

Dai Liping1，Li Zhuoli2

(1.Foundation Department,Tongchuan Vocational and Technical College,Tongchuan 727031,China;2.China Petroleum Changqing well training center,Xi′an 710000,China)

In order to improve the operation of the embedded Ethernet data accuracy, reduces the running time data, increasing data operation flexibility and stability, convenient and effective management of embedded Ethernet data, put forward a design method of Embedded Ethernet data acquisition and control system based on LonWorks, which uses local mesh to carry on the data acquisition, the embedded Ethernet self maintenance, self organization and control operation. The method to use μC/OS Ⅱ platform of embedded Ethernet data acquisition and control system hardware design, and then on the basis of mutual on the embedded Ethernet technology for data migration data collection, based on the acquisition of data, using the theory of fuzzy correlation space of Ethernet data filtering, finally based on the above process, use of OPC server program to control the filtered embedded Ethernet data, thus completing the embedded Ethernet data acquisition and control system design. The experimental results show that the proposed method can comprehensively accurately complete the embedded Ethernet data acquisition and control, improve the speed of Ethernet, enhance the service life of the network, the research in the field development provides a strong basis.

embedded Ethernet; data acquisition and control; system design;

2017-04-07；

2017-04-26。

戴麗萍(1981-)，女，陜西富平人，碩士，講師，主要從事計算機技術應用方向的研究。

1671-4598(2017)10-0085-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.10.023

TP274.2

A