遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集與交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：為了提高大型實(shí)驗(yàn)設(shè)備的利用率，在此提出利用Matlab、數(shù)據(jù)庫、FPGA和服務(wù)器等軟硬件設(shè)施，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的方案。該方案中設(shè)計(jì)了基于FPGA的數(shù)據(jù)采集箱，利用數(shù)據(jù)采集箱將大型實(shí)驗(yàn)設(shè)備和基于J2EE平臺(tái)的服務(wù)器相連接。服務(wù)器將采集到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫軟件中，當(dāng)用戶需要時(shí)，可通過網(wǎng)絡(luò)訪問服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)。在客戶機(jī)端，用戶還可以采用Matlab還原實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，畫出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線。
關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集；FPGA；J2EE；Matlab

在科學(xué)技術(shù)發(fā)展過程中，資源信息的共享對(duì)科學(xué)研究水平的提高具有重要的意義。目前，在一些企業(yè)、高等院校和科研機(jī)構(gòu)中，由于管理體制與設(shè)備使用機(jī)制的局限性，大型實(shí)驗(yàn)儀器的使用率極為有限，造成了大量的資源浪費(fèi)現(xiàn)象。如果針對(duì)大型實(shí)驗(yàn)儀器使用遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)，一方面用戶可以在任何時(shí)間，任何地點(diǎn)通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，有利于用戶合理地安排自己的學(xué)習(xí)、工作計(jì)劃，而不再受時(shí)間和地點(diǎn)的約束；另一方面則可以提高實(shí)驗(yàn)室資源的利用率。因此，構(gòu)建大型實(shí)驗(yàn)儀器共享平臺(tái)是符合科學(xué)技術(shù)發(fā)展要求的。

1 遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)
1．1 系統(tǒng)的功能及需求分析
對(duì)大型實(shí)驗(yàn)共享平臺(tái)而言，由于構(gòu)建的是一種新型的實(shí)驗(yàn)儀器資源共享平臺(tái)，希望能從各種不同設(shè)備中獲取其各自的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或結(jié)果，以平臺(tái)通用的格式來傳輸和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，便于進(jìn)入平臺(tái)的各個(gè)用戶共享這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或結(jié)果。
通常實(shí)驗(yàn)儀器由于功能的不同、生產(chǎn)廠商的不同，使得獲取數(shù)據(jù)的方式、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)格式等均不相同，各種實(shí)驗(yàn)儀器基本上采用的都是自己專用的數(shù)據(jù)采集裝置，不能滿足大型實(shí)驗(yàn)共享平臺(tái)的要求。因此，在構(gòu)建大型實(shí)驗(yàn)儀器共享平臺(tái)中，如何完成平臺(tái)中各種不同設(shè)備數(shù)據(jù)信息的采集及處理是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)交流與共享的關(guān)鍵。
1．2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
根據(jù)需求分析，遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在實(shí)驗(yàn)室本地，利用FPGA體積小，速度快，內(nèi)部延時(shí)小，可自由編程，靈活性高等優(yōu)點(diǎn)，以FPGA為核心輔以A／D轉(zhuǎn)換器等設(shè)備，設(shè)計(jì)出可提供多種接口的數(shù)據(jù)采集箱。數(shù)據(jù)采集箱接口多樣化，便于同各種不同型號(hào)的實(shí)驗(yàn)儀器相聯(lián)，并且數(shù)據(jù)采集箱可以轉(zhuǎn)發(fā)簡(jiǎn)單的控制指令(如：?jiǎn)?dòng)、停止)。數(shù)據(jù)采集箱采集到的數(shù)據(jù)，在FPGA中完成數(shù)據(jù)格式化過程(將數(shù)據(jù)按照約定編碼成統(tǒng)一的格式)后，暫存到緩存中，然后經(jīng)傳輸線路將格式化的數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器端存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中永久保存。數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)主要按時(shí)間段存儲(chǔ)，時(shí)間段的劃分由實(shí)驗(yàn)用戶設(shè)置決定，可以用一次完整實(shí)驗(yàn)過程來劃分時(shí)間段，也可以用同一個(gè)實(shí)驗(yàn)分割成幾個(gè)時(shí)間片段來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，這樣有利于日后數(shù)據(jù)比較分析。
在異地，用戶可以使用PC機(jī)通過互聯(lián)網(wǎng)登錄到服務(wù)器，發(fā)出控制指令或?qū)?shù)據(jù)庫中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)下載到客戶端。用戶即可以用表格的形式顯示數(shù)據(jù)，也可以將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Matlab中，利用Matlab強(qiáng)大的繪圖和分析功能，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行更為高效的分析。

2 基于FPGA的數(shù)據(jù)采集箱設(shè)計(jì)
數(shù)據(jù)采集箱主要完成對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和初步處理的功能。數(shù)據(jù)采集箱可采集的數(shù)據(jù)種類包括溫度、電壓、電流、轉(zhuǎn)速等。為了達(dá)到“萬能”數(shù)據(jù)采集效果，數(shù)據(jù)采集箱還提供了多種接口，不僅提供了高效、方便的USB接口，也提供了工業(yè)通用的RS 232接口、IDE接口。數(shù)據(jù)采集箱有溫度傳感器、電流傳感器、旋轉(zhuǎn)編碼器、霍爾傳感器、A／D等外部器件，如果由普通的單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，需要很多的擴(kuò)展芯片，而且單片機(jī)的時(shí)序性強(qiáng)，它很難同時(shí)實(shí)現(xiàn)這些功能，或者以降低系統(tǒng)精度作為代價(jià)。所以，在數(shù)據(jù)采集箱中采用FPGA芯片來并發(fā)處理系統(tǒng)的各位部分信號(hào)，這樣不僅可減少PCB板的面積，增加抗干擾能力，同時(shí)也減少了成本。數(shù)據(jù)采集箱結(jié)構(gòu)如圖2所示。