基于TCPIP協(xié)議的高精度多路超聲信號采集系統(tǒng)

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 中心控制節(jié)點軟件設計

中心控制節(jié)點的軟件設計主要包括兩點，一是控制數(shù)據(jù)采集節(jié)點的開始與停止，二是接收并保存數(shù)據(jù)采集節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)。由于系統(tǒng)的通信采用的是基于面向無連接的UDP數(shù)據(jù)報協(xié)議，并且系統(tǒng)所掛的分支數(shù)據(jù)采集節(jié)點數(shù)是可選擇的，所以為了確保數(shù)據(jù)的正確傳輸和確定系統(tǒng)所掛的分支節(jié)點數(shù)，在工作開始的階段增加了一個握手的過程。首先數(shù)據(jù)采集節(jié)點在上電初始化后向中心節(jié)點發(fā)送建立連接請求，中心節(jié)點在接收到連接請求后保存該節(jié)點的IP地址，并檢測是否有足夠的內存資源，若內存夠，則向相應節(jié)點發(fā)送連接成功數(shù)據(jù)報，若內存資源不夠，則發(fā)送連接失敗數(shù)據(jù)報。握手過程進行后中心控制節(jié)點發(fā)送開始采集廣播報，隨后各個數(shù)據(jù)采集節(jié)點開始數(shù)據(jù)采集。為了及時接收數(shù)據(jù)采集節(jié)點的數(shù)據(jù)，中心節(jié)點將接收子程序放入中斷中，在非中斷期間進行SD卡的寫操作。中心控制節(jié)點的軟件流程圖如圖5所示。為了保證系統(tǒng)的實時性，在對SD卡的操作中并未應用文件系統(tǒng)，而是將DSP中各個緩沖區(qū)的內容依次寫入SD卡的相鄰地址中，這樣若系統(tǒng)所掛的數(shù)據(jù)采集節(jié)點為N個，則第i個節(jié)點的兩幀數(shù)據(jù)中間相隔N-1個數(shù)據(jù)幀。在讀取SD的上位機中編寫相應的軟件便可正確讀取每一個數(shù)據(jù)采集節(jié)點的數(shù)據(jù)。

3.2 數(shù)據(jù)采集節(jié)點軟件設計

3.2.1 數(shù)據(jù)格式的設計

每一個采樣點的數(shù)據(jù)采用32位長整形來存儲，包括24 bit的A/D采樣轉換結果，4 bit的放大階碼，其余位用0填充。UDP報除去數(shù)據(jù)鏈路層的包頭,有效的負載為46~1 500 B，再除去UDP的首部8 B和IP的首部20 B，這樣一個UDP幀的有效最大負載為1 472 B。因為在中心節(jié)點寫入SD卡的過程中沒有采用文件系統(tǒng)，所以需要在數(shù)據(jù)幀中添加必要的輔助信息，為此在每個包后附加一個8 bit的節(jié)點號信息和和一個24 bit的數(shù)據(jù)包號信息，這樣除每個數(shù)據(jù)采集節(jié)點發(fā)送的第一幀為避免沖突而采用不同的幀長度外，每一個UDP幀發(fā)送45個采樣點的數(shù)據(jù),具體的數(shù)據(jù)格式如圖6所示。

3.2.2 數(shù)據(jù)采集節(jié)點工作流程

數(shù)據(jù)采集節(jié)點的軟件設計主要包括按照中心控制節(jié)點的命令進行采集以及將采集到的數(shù)據(jù)進行封裝并發(fā)送到中心控制節(jié)點。首先在上電初始化后，和中心節(jié)點進行握手，握手成功后，等待開始采集命令，接到開始采集命令后開始采集，在A/D轉換完成中斷中進行轉換數(shù)據(jù)和放大階碼的讀取，在非中斷期間發(fā)送數(shù)據(jù)到中心控制節(jié)點。由于A/D轉換芯片輸出兩次轉換數(shù)據(jù)的時間間隔較小，并不能保證在這段時間中數(shù)據(jù)被完全發(fā)送，新的轉換數(shù)據(jù)可能會覆蓋掉未發(fā)送的數(shù)據(jù)。因此采用“乒乓”操作技術，在分支節(jié)點的DSP中開辟兩個發(fā)送緩沖區(qū)，當一個發(fā)送緩沖區(qū)滿的時候將A/D轉換數(shù)據(jù)寫入另一個數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，同時發(fā)送此緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)。這樣，數(shù)據(jù)只要在兩個緩沖區(qū)同時寫滿之前發(fā)送完成就不會造成數(shù)據(jù)的丟失。具體的流程圖如圖7所示。

4 實驗結果及結論

為了驗證本系統(tǒng)的性能，對已知的正弦波信號源進行采集，并和MPS-140801多路數(shù)據(jù)采集卡進行對比。MPS-140801采集卡在一塊板卡上集成了八路數(shù)據(jù)采集通路，將遠端傳感器的模擬信號引到近端經(jīng)過放大后進行采集。

實驗時數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x為50 m。測試信號是峰值為2 V，頻率為20 kHz的正弦波。
圖8為本文設計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采集結果,圖9為MPS-140801數(shù)據(jù)采集卡的采集結果。

通過采集到的波形可以明顯看出，經(jīng)過長距離的傳輸后，MPS-140801數(shù)據(jù)采集卡采集的數(shù)據(jù)混入了較多的噪聲。計算得出本文設計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)信噪比比MPS-140801數(shù)據(jù)采集卡的信噪比提高了近20 dB，從而驗證了本系統(tǒng)較傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集卡具有較高的精度。

本文設計的基于TCP/IP協(xié)議的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)娜虜?shù)字化，同時采用基于預采樣的自動增益處理技術，大大提高了系統(tǒng)的精度，從而具有較高的實用價值。