一種組網(wǎng)式工業(yè)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)

王明玥，曲曉偉，劉同磊，張青，于志強

（天津電氣科學(xué)研究院有限公司，天津 300180）

在工業(yè)領(lǐng)域，用戶需要掌握現(xiàn)場工業(yè)設(shè)備的運行狀況，以便進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測、故障分析、預(yù)測優(yōu)化等。數(shù)據(jù)采集是工業(yè)系統(tǒng)檢測、管理和控制過程中取得原始數(shù)據(jù)的主要手段。數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)能夠?qū)F(xiàn)場采集的溫度、壓力、風(fēng)速、流量、水位、頻率等非電信號轉(zhuǎn)換成電信號，再傳輸?shù)缴衔粰C進(jìn)行存儲、處理、分析和顯示[1]。

現(xiàn)在常見的數(shù)據(jù)采集設(shè)備大部分需要配合外設(shè)組件互連（peripheral component interconnect，PCI）接口卡或外設(shè)組件互連專用（peripheral com?ponent interconnect express，PCIE）接口卡[2-3]，與筆記本、臺式機連接不方便。主控架構(gòu)基本上采用“微控制單元（microcontroller unit，MCU）+ 現(xiàn)場可編程門陣列（field-programmable gate array，F(xiàn)P?GA）”的模式[4-5]，受到片上存儲空間限制，當(dāng)采集通道較多時數(shù)據(jù)采樣周期往往較大，當(dāng)監(jiān)測多路信號時會導(dǎo)致某些高頻信號無法監(jiān)測；且多臺設(shè)備并行時，不能保證數(shù)據(jù)采集時間點的同步且精準(zhǔn)。

工業(yè)設(shè)備的現(xiàn)場應(yīng)用環(huán)境通常十分惡劣，采樣信號容易受到干擾，且各設(shè)備之間通常存在一定距離。目前，缺乏一種組網(wǎng)式數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)，它能夠采集并處理大量數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)具有較高的實時性、同步性；系統(tǒng)設(shè)備能夠方便快捷地與筆記本或臺式機相連，支持設(shè)備間長距離運行，且具備較強的抗干擾能力。

1 數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

組網(wǎng)式工業(yè)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)包括上位機軟件和采集設(shè)備[6]。上位機軟件實現(xiàn)系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置、網(wǎng)卡設(shè)置，以及采集數(shù)據(jù)的接收、存儲、解析及顯示等功能，采集設(shè)備實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、高速光纖通訊、數(shù)據(jù)處理和傳輸?shù)裙δ堋?/p>

圖1所示為一種組網(wǎng)式工業(yè)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。數(shù)據(jù)采集設(shè)備包括多路隔離模擬量采集、多路隔離數(shù)字量采集、地址選擇、高速光纖通訊、以太網(wǎng)通訊等電路結(jié)構(gòu)，主控芯片采用FPGA。各設(shè)備之間通過高速光纖通訊級聯(lián)組網(wǎng)，組網(wǎng)主站與上位機通過以太網(wǎng)相連。

圖1 一種組網(wǎng)式工業(yè)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of the networking industrial data acquisition and analysis system

組網(wǎng)式數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)既可以單臺運行，也可以組網(wǎng)運行。如果只有一臺設(shè)備運行，那么該設(shè)備即為主站；如果多臺設(shè)備進(jìn)行組網(wǎng)運行，那么系統(tǒng)中有且僅有一個主站。

本系統(tǒng)無需特殊主站設(shè)備，采集設(shè)備兼容主從站功能。用戶通過地址選擇器對設(shè)備的主從屬性進(jìn)行選擇，指定組網(wǎng)系統(tǒng)的主站設(shè)備。主站同時具備主站數(shù)據(jù)采集、從站數(shù)據(jù)匯總的功能。

本系統(tǒng)設(shè)備體積小，采樣數(shù)據(jù)實時性高、準(zhǔn)確度高、精度高，支持設(shè)備間長距離運行，抗干擾能力強。通過上位機軟件多線程技術(shù)和FPGA高速光纖通訊技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)大量數(shù)據(jù)的接收、存儲、解析以及顯示。數(shù)據(jù)采樣周期可調(diào)，且不受通道總數(shù)限制。

2 上位機軟件設(shè)計

上位機軟件采用微軟基礎(chǔ)類庫（microsoft foundation classes，MFC）開發(fā)[7]，實現(xiàn)系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置、網(wǎng)卡設(shè)置，以及采集數(shù)據(jù)的接收、存儲、解析及顯示等功能。上位機軟件可以安裝在任意帶有網(wǎng)卡和網(wǎng)口的電腦設(shè)備上，該電腦作為數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)的上位機，通過普通網(wǎng)線與數(shù)據(jù)采集設(shè)備連接。

上位機軟件啟動后，用戶可以根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場需求設(shè)置參數(shù)，包括：配置網(wǎng)卡、設(shè)置組網(wǎng)站點數(shù)目、激活或屏蔽站點及通道、設(shè)置采樣周期、選擇采樣公式等。由于數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)的重點是處理大量數(shù)據(jù)，因此上位機軟件的設(shè)計重點在數(shù)據(jù)處理部分。

數(shù)據(jù)處理采用多線程技術(shù)[8]，實現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的接收、存儲、解析以及顯示等功能，可以支持用戶對數(shù)據(jù)的在線監(jiān)測和離線分析。多線程包括：數(shù)據(jù)采集與存儲線程、數(shù)據(jù)解析線程、數(shù)據(jù)顯示線程。其中，數(shù)據(jù)采集與存儲線程為主線程；數(shù)據(jù)顯示線程、數(shù)據(jù)解析線程屬于工作線程，無窗口操作，以避免數(shù)據(jù)采集與存儲線程發(fā)生堵塞。圖2所示為上位機軟件數(shù)據(jù)處理的多線程結(jié)構(gòu)圖。

圖2 上位機軟件數(shù)據(jù)處理的多線程結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Multi-threading structure diagram of data processing of host computer software

數(shù)據(jù)處理部分的實現(xiàn)具體方法為：

1）數(shù)據(jù)采集與存儲線程。內(nèi)部又分為數(shù)據(jù)接收功能、數(shù)據(jù)存儲功能。其中，數(shù)據(jù)接收功能為：上位機軟件接收到數(shù)據(jù)后，將接收數(shù)據(jù)存到接收緩存區(qū)域內(nèi)，并根據(jù)數(shù)據(jù)包長度進(jìn)行處理。當(dāng)接收數(shù)據(jù)有效時，將接收緩存中的數(shù)據(jù)復(fù)制到線程間緩存，并開啟解析線程。數(shù)據(jù)存儲功能為：上位機軟件首先將接收到的原始數(shù)據(jù)處理成為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議包形式的數(shù)據(jù)，并根據(jù)用戶設(shè)置的采樣周期將數(shù)據(jù)存儲到臨時數(shù)組；當(dāng)上述臨時數(shù)組達(dá)到指定長度后，數(shù)據(jù)存儲功能進(jìn)行一次寫存儲文件操作。

2）數(shù)據(jù)解析線程。當(dāng)用戶讀取在線數(shù)據(jù)時，上位機軟件直接從內(nèi)存區(qū)域取數(shù)；當(dāng)用戶讀取離線數(shù)據(jù)時，上位機軟件從存儲文件中取數(shù)，且讀取數(shù)據(jù)后按照網(wǎng)絡(luò)協(xié)議對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析。

3）數(shù)據(jù)顯示線程。當(dāng)用戶打開視圖，則開啟數(shù)據(jù)顯示線程。利用雙緩沖技術(shù)，將解析后的數(shù)據(jù)利用雙緩沖技術(shù)繪制波形圖，動態(tài)顯示數(shù)據(jù)變化情況。

3 FPGA功能設(shè)計

FPGA功能結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。地址選擇為外置硬件器件，可選擇如撥碼開關(guān)等器件實現(xiàn)地址選擇。主控芯片F(xiàn)PGA主要實現(xiàn)時序控制、數(shù)據(jù)采集、高速光纖通訊、數(shù)據(jù)處理及以太網(wǎng)通訊等功能。

圖3 FPGA功能結(jié)構(gòu)圖Fig.3 FPGA functional structure diagram

其中，時序控制主要控制數(shù)據(jù)采集、高速光纖通訊、以太網(wǎng)通訊的周期；數(shù)據(jù)采集實現(xiàn)多路模擬量芯片驅(qū)動及數(shù)據(jù)采集、多路數(shù)字量數(shù)據(jù)采集，并將數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)處理模塊；高速光纖通訊實現(xiàn)主從站的數(shù)據(jù)傳輸，也將數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)處理模塊；數(shù)據(jù)處理匯集數(shù)據(jù)后，實現(xiàn)通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換以及數(shù)據(jù)緩存等功能；經(jīng)過處理后的數(shù)據(jù)，通過以太網(wǎng)通訊完成FPGA與上位機的數(shù)據(jù)傳輸過程。

組網(wǎng)式工業(yè)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)中有且僅有一個主站。當(dāng)?shù)刂愤x擇器設(shè)置為“0”時，設(shè)備設(shè)置為主站；當(dāng)?shù)刂愤x擇器設(shè)置為非“0”時，設(shè)備設(shè)置為從站；從站應(yīng)按照1，2，…，N的順序進(jìn)行設(shè)置，各設(shè)備根據(jù)地址選擇器自動識別主、從站，并實現(xiàn)主從站功能。其中，主站FPGA功能包括：時序控制、數(shù)據(jù)采集、高速光纖通訊主站、數(shù)據(jù)處理及以太網(wǎng)通訊；從站FPGA功能包括：數(shù)據(jù)采集和高速光纖通訊從站。

3.1 時序控制

FPGA根據(jù)系統(tǒng)方案控制數(shù)據(jù)采集周期、高速光纖通訊周期和以太網(wǎng)通訊周期。

3.2 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集包括多路模擬量采集和多路數(shù)字量采集，采集后的數(shù)據(jù)經(jīng)過濾波，得到優(yōu)化信號數(shù)據(jù)。

3.2.1 模擬量采集

實現(xiàn)多通道同步隔離模擬量采集。上位機軟件設(shè)定模擬量數(shù)據(jù)采集的相關(guān)參數(shù)，并傳輸給FPGA。FPGA根據(jù)設(shè)定參數(shù)進(jìn)行芯片配置及數(shù)據(jù)采集。其中，芯片配置可以根據(jù)用戶配置實現(xiàn)不同范圍和精度的數(shù)據(jù)采集。設(shè)備支持兩種采集設(shè)置：輸入范圍為-10～10 V，精度2 mV；輸入范圍為0～10 V，精度1 mV。

3.2.2 數(shù)字量采集

實現(xiàn)多通道同步隔離數(shù)字量采集。設(shè)備能夠采集多路0～24 V數(shù)字量。

3.3 高速光纖通訊

高速光纖通訊采用具有設(shè)置靈活、速率快、準(zhǔn)確度高等特點的自主協(xié)議進(jìn)行通訊，通訊誤碼率小于10E-10。光纖通訊能夠支持設(shè)備間長距離運行，且具有較強的抗干擾能力。通訊分為主站功能和從站功能，狀態(tài)可通過狀態(tài)字和故障字進(jìn)行監(jiān)測。

高速光纖通訊具備精準(zhǔn)時鐘控制功能，所有站點的時鐘偏差小于200 ns，保證所有站點采集數(shù)據(jù)時間點的統(tǒng)一。通過該功能，用戶能夠用上位機軟件準(zhǔn)確對比同一時刻的不同站點不同通道的采集數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)組網(wǎng)的站點數(shù)目可根據(jù)實際需求自由設(shè)置，從站將采集數(shù)據(jù)發(fā)送給主站，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)的組網(wǎng)功能。FPGA具有主從切換的功能，包括：主從功能切換和主從數(shù)據(jù)切換。主從功能切換是根據(jù)用戶設(shè)置的硬件地址，執(zhí)行對應(yīng)功能，并選擇正確的通訊端口；主從數(shù)據(jù)切換是從站數(shù)據(jù)通過高速光纖通訊傳輸給主站，而主站的采集數(shù)據(jù)直接寫入FPGA內(nèi)部隨機存儲器（ran?dom access memory，RAM）。高速光纖通訊充分考慮主、從站功能融合以及數(shù)據(jù)和站點的對應(yīng)關(guān)系。

除數(shù)據(jù)傳輸外，從站還具備自動路由功能。從站根據(jù)通訊內(nèi)容和地址選擇器，判斷自身是否是尾站。當(dāng)不是尾站時，F(xiàn)PGA通過圖1所示的光纖2將通訊幀傳向后面的站點；當(dāng)是尾站時，F(xiàn)P?GA從光纖1將通訊幀回傳，同時光纖2不再工作。

3.4 數(shù)據(jù)處理

主站FPGA匯總所有站點數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)按照協(xié)議處理并存入RAM中。主站FPGA每個發(fā)送周期讀取本周期內(nèi)所有數(shù)據(jù)，并發(fā)送至上位機軟件。各從站設(shè)備雖然都具備以太網(wǎng)通訊功能，但只有當(dāng)設(shè)備被設(shè)置成主站時，F(xiàn)PGA才會通過以太網(wǎng)通訊電路向上位機軟件傳輸數(shù)據(jù)。

3.4.1 數(shù)據(jù)協(xié)議轉(zhuǎn)換

在主站FPGA匯總數(shù)據(jù)的過程中，需要實現(xiàn)由“按照時間采集”向“按照站點傳輸”的轉(zhuǎn)換。FPGA采用“乒乓操作”傳輸與緩存，以減少邏輯資源的使用情況。

3.4.2 數(shù)據(jù)存儲

由于數(shù)據(jù)采集和高速光纖通訊的速率很快，主站FPGA匯總很多采樣時間點的數(shù)據(jù)后，才會向上位機軟件發(fā)送一次數(shù)據(jù)。受以太網(wǎng)帶寬和上位機讀寫數(shù)據(jù)速率的限制，本周期數(shù)據(jù)沒有傳輸完成時，下一周期的部分?jǐn)?shù)據(jù)就會覆蓋之前數(shù)據(jù)，造成數(shù)據(jù)錯誤。因此，F(xiàn)PGA內(nèi)部采用兩個RAM區(qū)域存儲。

圖4為FPGA讀寫內(nèi)部RAM區(qū)域的邏輯切換圖。寫入和讀取數(shù)據(jù)的RAM區(qū)域由FPGA內(nèi)部控制，確保發(fā)送數(shù)據(jù)的正確性和完整性。

圖4 FPGA讀寫內(nèi)部RAM區(qū)域的邏輯切換圖Fig.4 Logic switching diagram of FPGA reading and writing internal RAM area

圖4中，Tc為FPGA與上位機通訊周期；WREN為主站FPGA寫內(nèi)部RAM的使能信號，配合高速光纖通訊周期，在Tc周期內(nèi)95%時間有效、5%時間無效；WR_RAM為寫RAM標(biāo)志位，RD_RAM為讀RAM標(biāo)志位，二者根據(jù)WREN信號進(jìn)行高低電平切換。當(dāng)WR_RAM和RD_RAM為0或1時，F(xiàn)PGA分別寫入或讀取對應(yīng)RAM區(qū)域的數(shù)據(jù)。

3.5 以太網(wǎng)通訊

主站FPGA匯總所有站點數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)按照協(xié)議處理并存入RAM中。主站FPGA每個發(fā)送周期讀取本周期內(nèi)所有數(shù)據(jù)，并發(fā)送至上位機軟件。各從站設(shè)備雖然都具備以太網(wǎng)通訊功能，但只有當(dāng)設(shè)備被設(shè)置成主站時，F(xiàn)PGA才會通過以太網(wǎng)通訊電路向上位機軟件傳輸數(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)應(yīng)用效果

圖5為系統(tǒng)顯示示例圖。上位機軟件能夠?qū)Σ蓸訑?shù)據(jù)進(jìn)行合并或單獨顯示。其中，M代表設(shè)備，A代表模擬量，D代表數(shù)字量。圖5中示例性地顯示了設(shè)備1第8路模擬量、設(shè)備2第1路模擬量、設(shè)備5第2路模擬量以及設(shè)備4第8路數(shù)字量的采集和顯示效果。

圖5 組網(wǎng)式工業(yè)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)顯示示例圖Fig.5 Display example of networking industrial data acquisition and analysis system

本系統(tǒng)已實際應(yīng)用，可用于工業(yè)現(xiàn)場的變頻器（如電壓型逆變器、大功率中壓變頻等）系統(tǒng)，能夠?qū)\行過程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和分析。本系統(tǒng)解決了工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集受限制較多的問題，所采集的數(shù)據(jù)具備較高準(zhǔn)確率、實時性和采樣率，現(xiàn)場應(yīng)用效果良好。

5 結(jié)論

本文提出了一種組網(wǎng)式數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)，其優(yōu)點及效果如下：

1）系統(tǒng)采用上位機軟件多線程技術(shù)和FPGA高速光纖通訊技術(shù)，共同實現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的接收、存儲、解析以及顯示。數(shù)據(jù)采樣周期可調(diào)，且不受通道總數(shù)限制。

2）數(shù)據(jù)采集設(shè)備之間采用光纖連接的方式進(jìn)行組網(wǎng)，傳輸實時性高、準(zhǔn)確率高；各站點之間能夠?qū)崿F(xiàn)時鐘同步，保證組網(wǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)采樣時間統(tǒng)一；系統(tǒng)支持設(shè)備間長距離運行，抗干擾能力強。

3）數(shù)據(jù)采集設(shè)備采用多通道同步隔離采集方式，支持多組模擬量、多組數(shù)字量的高精度、高采樣率的數(shù)據(jù)采集，而且數(shù)據(jù)采集參數(shù)可靈活配置。

4）系統(tǒng)無需特殊主站設(shè)備，用戶通過地址選擇器即可選擇采集設(shè)備的主從屬性，操作靈活簡單。