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摘 要：随着科技的不断发展，工业控制逐步向智能化，网络化和集成化发展，数据采集与监控在远距离数据传输以及工业数据采集中的要求越来越高。文章就以远程数据采集展开研究并设计多路以太网数据采集卡，充分利用远程资源，实现远程数据采集。本系统采用STM32F系列单片机作为控制系统的核心，数据对象为模拟电压信号，通过12位高精度模数转换器将信号转换为数字信号，并经以太网传输至计算机，在计算机上位机显示并处理。从而实现了基于以太网的远程数据采集。数据从下位机网卡（ENC28J60）发出，经以太网传输至PC机网卡，最终由VB编写的以太网客户端拨号链接下位机服务器实现数据的采集并显示，测试结果理想。
关键词：多路以太网；数据采集系统；设计
中图分类号：TP274.2 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）11-0067-02
1 背景概述
以太网是目前应用最广泛的局域网技术，凭借开放性好、成本低廉、数据传输率高等诸多优势，在工业自动化和过程控制领域得到了越来越多的应用[1]。依靠以太网技术实现信息共享，给办公自动化带来很大的变革，对系统设计产生了深远的影响。数据的采集与监控在工业生产中也变得尤为重要，尤其是数据的准确性和实时性，本论文就以远程数据采集展开研究。
数据采集系统可以对设备数据进行采集、存储、处理和显示实现对相关物理量的监控、分析和保存[2]。远程数据采集系统是对数据采集后进行远程传送具有不受环境、气候、时间等因素影响的优势。以太网（Ethernet）技术支持几乎所有的网络协议，所以在数据信息网络中得到广泛应用，具有传输速度高、距离远、低能耗、便于安装、兼容性好、开放性高和支持设备多等方面的优势[3]。
2 整体系统方案设计
本文采用下位机负责模拟数据的采集，主控制器负责采集七路数据，并应答主机发送的命令将数据发送至上位机，上位机负责处理接受过来的数字量的处理及显示，上位机和下位机采用以太网进行通信。
上位机将所有数据保存到计算机中，这样用户可以随时对数据进行有效查询和分析，有利于工业过程的长期正常运行和检查。下位机采用的是STM32单片机，上位机采用Visual Basic 6.0编写。
下位机根据上位机发送的命令选择单通道速数据采集还是低速7通道数据同时采集，然后将数据经以太网发送至上位机，上位机将数据显示并保存入库。
3 数据采集-下位机
本设计采用单通道高速采样、多次发送方式和多通道循环采样、实时发送两种模式，其模式的选择由上位机发送命令给下位机，当收到上位机发送到“duotongdao”字符串时，下位机转换到多通道模式，当收到上位机发送到“dantonfdao”字符串时，下位机转换到单通道模式。
3.1 模式一（单通道模式）
在程序中顺序定义多个缓冲区，ADC高速采样并依次将5个缓冲区填满，一旦缓冲区全部填满，停止采样。当最后一个缓冲区的数据发送完成，ADC采样标志位置位，将开始新一轮的数据采样。经测试，单通道连续采样频率为23 kHz。
单通道模式，如图3-1所示，A-B，B-C分别是一次连续的ADC采样。从图中可看出，在一次连续采样中，数据的连续性很好，但跳跃性大，即采样死区时间长。
3.2 模式二（多通道模式）
多通道模式是对七路数据进行轮询采样，依次将采集到的数据放置到指定的缓冲区内。一共采集1 400次，每个通道占用200字节。在一次数据包成功发送完成后，ADC采集标志位置位，进行下一次的ADC采集，直到采样完成，停止采样并发送数据包。由于数模转换器（ADC）采用的是单次转换，所以，单通道模式的采样速率是多通道的七倍，即多通道模式采样速率约等于3 kHz。
多通道模式，如图2所示，A-B是一次数据包，数据包到达后紧跟着下一个数据包就到，如此连续。
采集到数据需要将数据发送至上位机，为了标志通道数据，下位机将数据放入IP包时，分别用“A”、“B”、“C”、“D”、“E”、“F”、“G”来表示多通道模式一至七通道每个数据的开始。
3 数据显示处理—VB上位机
3.1 上位机系统设计
上位机的主要功能是接收下位机数据，并对数据进行处理。主要包括数据的接收、显示、保存、绘图。上位机数据的显示主要是对接收到的12位ADC数据显示，以及将ADC数据转换为对应的电压值，并显示出来。数据的保存是将接收到的所有数据按照通道数和时间顺序保存到计算机上，以便于以后的查询。数据绘图是将接收到的数据变化曲线绘制出来，便于观察。
3.2 上位机界面介绍
①启动以太网数据采集卡后除了出现客户端界面外，还弹出了电压比例选项设置面板，可以打开和关闭所要观察的通道数据显示，再对每个通道选择数据，“0”表示关闭“1”，“2”，“3”，“4”分别表示采集数据的1倍显示，2倍显示，3倍显示，4倍显示。
②主机名和端口号可以手动输入服务器的IP地址和监听端口号，输入之后点击“链接”按钮。窗体可实时收缩和还原。
③在主窗体下方有“通道一”至“通道七”七个按钮，点击按钮，可绘图。通道按钮对应的下的颜色和绘图区通道的颜色一致，可明显区分。
④点击主窗体左下方“数据库”按钮，弹出上位机数据库，如图3所示。点击后会弹出数据库窗体，在该窗体中可以查看过去任意时刻所有通道的数据。
3.3 上位机数据保存
①写数据。在本设计中数据保存的格式是以日期和时间分钟为单位命名文件，写数据格式为：数据序列号+系统时间+数据。
②读数据。工业应用中，在数据保存入库后，还要方便查询，因此上位机中提供了数据查看器，可以方便查询所需要的数据：所有的数据按照时间先后依次排列。
4 调试结果
用示波器给下位机输入模拟信号，上位机链接成功，调节输入信号的频率；上位机选择单通道模式，并根据采样点调整面板采样点sampl的值。采1 000 Hz，20 Hz正弦波实时折线图，如图4、图5所示。
从测试结果来看，当正弦波频率超过1 300 Hz时，单通道模式下采样得到的数据波形有一点失真，当正弦波频率是1 000 Hz时，采样的波形几乎没有失真，从图4中，可以大约推算出ADC的采样频率。
上位机选择多通道模式，并根据采样点调整面板采样点sampl的值。采集250 Hz，200 Hz正弦波实时折线图如图6、图7所示。
从图中可以看出，多通道模式下，当正弦波频率大于 250 Hz时， 采样到的数据波形有失真，正弦波频率是200 Hz时，几乎没有失真。多通道数据采集的速率是单通道的七倍，测试结果与下位机采样频率一致。多通道模式对数据的采样率低，但是数据整体连续性好，不会让大范围的数据流失。
5 结 语
多路以太网数据采集系统的设计是基于STM32下位机采集七路模拟信号经过模数转换，然后通过以太网将数据发送至上位机，最终的测试结果很理想。本设计的核心在于数据的远程发送，对于嵌入式系统在以太网中的应用目前已经基本成熟，数据经以太网传输具备很大的优点，比如数据量大，速度快，安全等。本设计能成功的一个重要因素也在于uIP协议栈的推广，它是TCP/IP协议的精简版，也是缩小版，很容易应用到各种微型控制器中。
参考文献：
[1] 王斐然.基于以太网的数据采集系统[J].科技传播，2010，（17）.
关键词：多路以太网；数据采集系统；设计
中图分类号：TP274.2 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）11-0067-02
1 背景概述
以太网是目前应用最广泛的局域网技术，凭借开放性好、成本低廉、数据传输率高等诸多优势，在工业自动化和过程控制领域得到了越来越多的应用[1]。依靠以太网技术实现信息共享，给办公自动化带来很大的变革，对系统设计产生了深远的影响。数据的采集与监控在工业生产中也变得尤为重要，尤其是数据的准确性和实时性，本论文就以远程数据采集展开研究。
数据采集系统可以对设备数据进行采集、存储、处理和显示实现对相关物理量的监控、分析和保存[2]。远程数据采集系统是对数据采集后进行远程传送具有不受环境、气候、时间等因素影响的优势。以太网（Ethernet）技术支持几乎所有的网络协议，所以在数据信息网络中得到广泛应用，具有传输速度高、距离远、低能耗、便于安装、兼容性好、开放性高和支持设备多等方面的优势[3]。
2 整体系统方案设计
本文采用下位机负责模拟数据的采集，主控制器负责采集七路数据，并应答主机发送的命令将数据发送至上位机，上位机负责处理接受过来的数字量的处理及显示，上位机和下位机采用以太网进行通信。
上位机将所有数据保存到计算机中，这样用户可以随时对数据进行有效查询和分析，有利于工业过程的长期正常运行和检查。下位机采用的是STM32单片机，上位机采用Visual Basic 6.0编写。
下位机根据上位机发送的命令选择单通道速数据采集还是低速7通道数据同时采集，然后将数据经以太网发送至上位机，上位机将数据显示并保存入库。
3 数据采集-下位机
本设计采用单通道高速采样、多次发送方式和多通道循环采样、实时发送两种模式，其模式的选择由上位机发送命令给下位机，当收到上位机发送到“duotongdao”字符串时，下位机转换到多通道模式，当收到上位机发送到“dantonfdao”字符串时，下位机转换到单通道模式。
3.1 模式一（单通道模式）
在程序中顺序定义多个缓冲区，ADC高速采样并依次将5个缓冲区填满，一旦缓冲区全部填满，停止采样。当最后一个缓冲区的数据发送完成，ADC采样标志位置位，将开始新一轮的数据采样。经测试，单通道连续采样频率为23 kHz。
单通道模式，如图3-1所示，A-B，B-C分别是一次连续的ADC采样。从图中可看出，在一次连续采样中，数据的连续性很好，但跳跃性大，即采样死区时间长。
3.2 模式二（多通道模式）
多通道模式是对七路数据进行轮询采样，依次将采集到的数据放置到指定的缓冲区内。一共采集1 400次，每个通道占用200字节。在一次数据包成功发送完成后，ADC采集标志位置位，进行下一次的ADC采集，直到采样完成，停止采样并发送数据包。由于数模转换器（ADC）采用的是单次转换，所以，单通道模式的采样速率是多通道的七倍，即多通道模式采样速率约等于3 kHz。
多通道模式，如图2所示，A-B是一次数据包，数据包到达后紧跟着下一个数据包就到，如此连续。
采集到数据需要将数据发送至上位机，为了标志通道数据，下位机将数据放入IP包时，分别用“A”、“B”、“C”、“D”、“E”、“F”、“G”来表示多通道模式一至七通道每个数据的开始。
3 数据显示处理—VB上位机
3.1 上位机系统设计
上位机的主要功能是接收下位机数据，并对数据进行处理。主要包括数据的接收、显示、保存、绘图。上位机数据的显示主要是对接收到的12位ADC数据显示，以及将ADC数据转换为对应的电压值，并显示出来。数据的保存是将接收到的所有数据按照通道数和时间顺序保存到计算机上，以便于以后的查询。数据绘图是将接收到的数据变化曲线绘制出来，便于观察。
3.2 上位机界面介绍
①启动以太网数据采集卡后除了出现客户端界面外，还弹出了电压比例选项设置面板，可以打开和关闭所要观察的通道数据显示，再对每个通道选择数据，“0”表示关闭“1”，“2”，“3”，“4”分别表示采集数据的1倍显示，2倍显示，3倍显示，4倍显示。
②主机名和端口号可以手动输入服务器的IP地址和监听端口号，输入之后点击“链接”按钮。窗体可实时收缩和还原。
③在主窗体下方有“通道一”至“通道七”七个按钮，点击按钮，可绘图。通道按钮对应的下的颜色和绘图区通道的颜色一致，可明显区分。
④点击主窗体左下方“数据库”按钮，弹出上位机数据库，如图3所示。点击后会弹出数据库窗体，在该窗体中可以查看过去任意时刻所有通道的数据。
3.3 上位机数据保存
①写数据。在本设计中数据保存的格式是以日期和时间分钟为单位命名文件，写数据格式为：数据序列号+系统时间+数据。
②读数据。工业应用中，在数据保存入库后，还要方便查询，因此上位机中提供了数据查看器，可以方便查询所需要的数据：所有的数据按照时间先后依次排列。
4 调试结果
用示波器给下位机输入模拟信号，上位机链接成功，调节输入信号的频率；上位机选择单通道模式，并根据采样点调整面板采样点sampl的值。采1 000 Hz，20 Hz正弦波实时折线图，如图4、图5所示。
从测试结果来看，当正弦波频率超过1 300 Hz时，单通道模式下采样得到的数据波形有一点失真，当正弦波频率是1 000 Hz时，采样的波形几乎没有失真，从图4中，可以大约推算出ADC的采样频率。
上位机选择多通道模式，并根据采样点调整面板采样点sampl的值。采集250 Hz，200 Hz正弦波实时折线图如图6、图7所示。
从图中可以看出，多通道模式下，当正弦波频率大于 250 Hz时， 采样到的数据波形有失真，正弦波频率是200 Hz时，几乎没有失真。多通道数据采集的速率是单通道的七倍，测试结果与下位机采样频率一致。多通道模式对数据的采样率低，但是数据整体连续性好，不会让大范围的数据流失。
5 结 语
多路以太网数据采集系统的设计是基于STM32下位机采集七路模拟信号经过模数转换，然后通过以太网将数据发送至上位机，最终的测试结果很理想。本设计的核心在于数据的远程发送，对于嵌入式系统在以太网中的应用目前已经基本成熟，数据经以太网传输具备很大的优点，比如数据量大，速度快，安全等。本设计能成功的一个重要因素也在于uIP协议栈的推广，它是TCP/IP协议的精简版，也是缩小版，很容易应用到各种微型控制器中。
参考文献：
[1] 王斐然.基于以太网的数据采集系统[J].科技传播，2010，（17）.