多路视频数据实时采集的软件实现
常永亮(飞行试验研究院测试所陕西西安710089)
【摘要】介绍了视频数据的采集、多路视频数据间的切换、视频数据的保存及基于C/S结构的实时视频数据传输与显示，在对四路飞行视频数据进行实时采集的运行时，各项需求已达到要求。
【关键词】视频数据、Divx编码、RTP/RTCP协议、TCP/UDP协议、媒体流、帧
1引言
随着信息技术的不断发展，人们将计算机技术引入视频采集、视频处理领域，用计算机处理视频信息和用数字传输视频数据在很多领域已有广泛的应用，在我们的飞机试飞中也被大量的应用。
视频图像采集的方法较多，基本可分为2大类：数字信号采集和模拟信号采集。前者采用图像采集芯片组完成图像的采集、帧存储器地址生成以及图像数据的刷新；除了要对采集模式进行设定外，主处理器不参与采集过程，我们只要在相应的帧存储器地址取出采集到的视频数据即可得到相应的视频数据，这种方法，无论在功能、性能、可靠性、速度等各方面都得到了显著的提高，但成本高。后者采用通用视频A/D转换器实现图像的采集，其特点是数据采集占用CPU的时间，对处理器的速度要求高，成本低、易于实现，能够满足某些图像采集系统的需要。
此系统要求每秒采最大25帧（设为可调），客户端实时显示最大25帧（设为可调），保存为MPEG4格式，画面要求为最大分辩率为1024X768。
多路视频实时采集使用的是VisionRGB-PRO卡（英国Datapath公司），此卡可同时实时采集两路视频数据，基本达到了本系统的要求，再用一台VGA矩阵切换器将前端数据源的四路视频数据进行人为切换采集。
2硬件环境的构建（硬件框架）
图一系统硬件框架图
上图为整个采集系统的硬件框架。
此采集系统主要实现对前端四路视频数据的人为切换式实时采集，在服务器端可同时采集和储存两路视频数据（在此只用一个视频采集卡），也可以一次只采集一路视频数据，再经网络实时传输到客户端显示,服务器端也实时显示所采集的视频。
在进行视频切换方面可在服务器端或客户端自行切换，在服务器端可通过串行口操作VGA矩阵切换进行相应的视频输入输出口的切换，在客户端可通过网络－服务器程序相应模块－串行口－VGA矩阵切换进行相应的视频输入输出口的切换。
3软件实现概述
3.1服务器端的实现
图二服务器端程序流程图
上图为服务器端实时采集视频的程序流程图。视频数据量较大,这就要求视频数据处理系统具有实时采集,大容量存储和实时处理的特点。在服务器端的实现是整个系统的关键，在此也承担了大量的工作，因此对软件和硬件方面要求也很高就成为必然。
软件要实现对视频数据的实时采集（最多两路）、控制视频接口、把视频数据实时编码保存并发送到多个客户端。以上就是要在服务器上实现的主要功能。
在采集方面最主要的是要有实时性，在此以事件驱动的方法从端口获取数据，采集到视频数据流在桌面显示的同时再编码保存，视频采集的数据要经软件的相应模块将其设为位图型式的视频帧，以利于在服务器端的显示和编码保存，在此采用Divx编码，Divx编码后形成以帧为格式的MPEG4流。Divx解码也是以帧的格式解压，因此有利于向客户端发送数据时以帧为单位发送视频数据流。
此处用到Divx编码就不得不把Divx编码作简要的介绍。
DivX由DivXNetworks公司开发的，即为我们通常所说的DVDrip格式，它采用了MPEG4的压缩算法同时又综合了MPEG-4与MP3各方面的技术，也就是使用DivX压缩技术对DVD盘片的视频图像进行高质量压缩，同时用MP3或AC3对音频进行压缩，然后再将视频与音频合成并加上相应的外挂字幕文件而形成的视频格式。其画质直逼DVD并且体积只有DVD的数分之一。这种编码对机器的要求也不高，所以DivX视频编码技术可以说是一种对DVD造成威胁最大的新生视频压缩格式,实际上Divx=（视频）MPEG4+（音频）MP3。
媒体流分为四个流：视频流、音频流、文本流、MIDI流，用视频卡采集的是两路视频流，保存时每路视频流多加了一个文本流，文本流主要应客户要求加入的服务器时间和一些人为输入的文本信息，在记录两个媒体流时一般有两种记录方法，在此采用的是将视频流和文本流记到一个文件中的方式，这样有利于文件以后的保存和查阅。
在采集软件实现方面主要应用了相应的SDK（Softwaredevelopmentkit）和API(应用编程接口)，还可用VFW(VideoforWindows)。但后一种方法实现简单单路视频采集卡可以，对于多路视频的采集用第一种方法更加灵活，但实现比第二种复杂的多。在服务器实现软件方面主要有以下几大块：一是采集；二是保存；三是向客户端发送；四是串口的通行；五图像的形成；六是桌面显示；七是对图像亮度、颜色、位置等的调整；采集通道、采样率、采集时间的选择；等等。
在服务器端各方面协调工作是关键，程序启动首先默认上次设定的视频采集卡通道，如有视频数据就显示、保存，如果没有视频数据就等待，如果要调整视频采集卡通道可用串口给VGA矩阵切换器发送相应的命令让VGA矩阵切换器进行相应的输入输出通道切换。也可经客户端经网络到服务器串口到VGA矩阵切换器进行VGA矩阵切换器相应的输入输出通道切换（在后面介绍客户端时再介绍）。每次切换后将自动保存原视频文件，如切换后有视频数据将自动重新生成一个新的视频文件。
在服务器桌面显示的画面是没经任何编码处理的，但网络传输和保存的视频数据是经Divx编码的，这样有力的减轻了网络间传输和服务器的负担。
用局域网实时传输视频数据已在一些领域大量的应用，局域网以有线局域网居多，因为有线局域网技术成熟、传输速度快，但是长时间传输大量视频数据时也会引起传输速率不稳定，引起数据堵塞，会导致视频传输的质量大幅度下降，容易引起画面的重影、抖动、花屏、延迟等现象。
为了在局域网上有效的、高质量的实时传输媒体流，需要多种技术的支持，包括网络传输层协议的选择、编(解)码技术，网络传输层质量控制技术等等。
实时传输协议RTP是针对Internet上多媒体数据流的一个传输协议，实时传输控制协议RTCP负责管理传输质量在当前应用进程之间交换控制信息，RTP/RTCP协议只适合服务器端和客户端相对动态的实时多媒体数据流传输。但是，对于图像采集速度固定的实时视频采集，有时会引起采集的数据来不及压缩而直接丢弃而达不到实时的要求，所以没有采用RTP/RTCP协议，而是从发送端出发，实时判断网络状况，采用暂停发送的控制策略进行实时传输。
网络传输层质量控制技术采用的是TCP/UDP协议，UDP是一种不可靠的、无连接的协议,UDP适用于一次只传送少量数据、对可靠性要求不高的应用环境。它不提供检错和纠错功能，一旦网络出现堵塞时，大量的数据报文会丢失。对于Divx编解码技术，是以帧为单位进行编解码的，分为关键帧和非关键帧。在传输过程中，由于压缩率比较高，只要一帧中错一比特位，将影响其后的更多的比特位，直接造成图像的模糊、花屏等现象。只有等到下一次关键帧的到来才有可能恢复图像的清晰。为了保证传输的正确性，自己需要在应用层制定协议。如此一来，只能选择使用TCP来进行网络通信，TCP的目的是提供可靠的数据传输，并在相互进行通信的设备或服务之间保持一个虚拟连接。TCP在数据包接收无序、丢失或在交付期间被破坏时，负责数据恢复。它通过为其发送的每个数据包提供一个序号来完成此恢复。再辅助以暂停发送的控制策略，较好的解决局域网中实时视频传输容易引起的重影、抖动、花屏的问题。
为了达到视频传输的实时性，总的思想是最少的发送冗余信息，最大程度上发送最新的视频。
在服务器端视频采集采用从VisionRGB视频采集卡捕获视频图像，得到的是位图型式的视频帧，然后用Divx编码进行压缩，通过Winsock实现压缩后的视频数据在局域网中的实时传输，在客户端接收完的数据交给Divx解码器解压，最后实现视频显示。如图三所示:
图三网络间传输流程图
如果局域网通信速率很高且状态稳定，则进行实时视频传输就可以达到非常好的效果。但是在网络出现异常时会导致数据传输率不稳定或明显下降，造成发送端数据积压。此时就要采取一定的策略来控制发送端（服务器端），以达到实时性的要求，暂停发送策略很好的解决了这一现象。使用此策略有时会有丢帧的现象(100M局域网没有发现丢帧现象)，但就客户端的要求是满足的，在服务器端的采集、显示、保存不受暂停发送策略的影响，也就是不会有丢帧的现象,虽然应用了暂停发送策略，但已经能够满足在客户端实时监控需求了。
3.2客户端的实现
在上面讲服务器端的实现时已经大概讲到客户端的实现，因为只要把服务器端实现好客户端实现难点就小的多。如图四所示：
图四客户端程序流程图
在客户端也可以自行选择要采集的通道，但对服务器端的采样率等都不能通过客户端进行设置，实现客户端时主要是要实时监听和服务器网络连接状态和判断接受的视频数据是否正常是否启用暂停发送策略等。每秒接收的帧数可自行调节，但不能大于服务器端每秒采集的帧数。
在客户端还要实时Divx解码,如果不解码就无法显示，Divx解码速度是完全可以达到实时显示的要求。Divx解码和显示在不同的两个线程中实现的，这样做主要是为了显示流畅。可以在两个不同客户端显示两个不同的视频通道采集的数据。
4结论
本系统作为电视跟踪系统的一部分,负责多路视频数据的实时采集、存储和视频编解码算法的实现、基于C/S结构的实时视频数据传输显示，在通过各种测试后在试运行期间已达到本系统的预期要求，本系统还支持事后的视频回放。
本系统的开发难点和重点在服务器端，服务器端的开发直接影响到整个系统开发。
参考文献
[1]《Windows核心编程》Microsoft公司〔美〕著
1．1采集系统方案采集系统方案如图2所示，系统由ST32F407单片机加FPGA结构组成，FPGA采用Altera公司的CYCLONEⅣ系列芯片EP4CE6E22C8N。单片机作为主控制器，用于控制FPGA采集，数据存储;电路包含以太网接口，GPS接口，SD卡存储器以及授时守时电路;FPGA部分用于产生AD同步时钟，控制六通道AD同步采集，并将采样值传入单片机中，电路包含6通道采集板和参考源;单片机与FPGA之间通过SPI接口与地址线A0进行通信。数字补偿晶体是整个系统的时钟源，该晶体的频率为16．384MHz，准确度为0．5×10－6，温漂为0．1×10－6。
1．2传感器选型本系统选用的传感器为ES－T型三分向力平衡式加速度计，传感器可以在±0．25gn到±4gn的范围内选择设定满量程，其动态范围优于155dB，带宽在DC－200Hz之间。
1．3信号调理与AD采集电路传感器输出为差分信号，信号动态范围为±5V，系统选用的AD芯片输入信号范围在±2．5V之间，所以传感器输出信号必须经过信号调理后才能进行采集，图3是其中一个通道的信号调理与AD采集电路，其余通道电路与该图完全一致。信号调理电路由全差动放大器OPA1632构成，该放大器的电压噪声密度为1．3nV/Hz1/2，在100Hz(高铁地震监测常用采样率为200sample/s)带宽范围内噪声有效值不超过15nV，满足地震信号采集要求。图中R2∶R1、R7∶R9均为2∶1，可将输入差分信号衰减2倍，实现将传感器输出的±5V信号衰减到±2．5V范围内，满足ADS1281的输入电压范围，图中二极管D1与D2是钳位二极管，将电压钳位在±3V左右，保护AD芯片。AD转换器是一款32bitΔ－Σ高精度模数转换器ADS1281，内部具有可编程FIR、IIR和SINC滤波器，0．6×10－6线性度，在250sample/s采样率下其SNR可达130dB，全速采样模式下功耗仅12mW，非常适用于电池供电的野外作业。通过配置PINMODE引脚，可将ADS1281设置为引脚控制模式(PINMODE=1)和寄存器控制模式(PINMODE=0)，本系统将其配置成寄存器控制模式。系统为实现同步采样，将六通道ADS1281的低功耗控制PWDN，复位RST，同步SYNC，采样时钟CLK，SPI时钟SCLK，SPI数据输入DIN引脚分别连在一起，并由FPGA统一控制，达到时钟同步，统一配置AD的目的，从而实现同步采样;而ADS1281的数据输出引脚DOUT分别接在FPGA的6个不同IO口，用于读取六通道AD的数据。参考源是数据采集系统的关键部分，本系统利用DCDC产生－5V电压，低噪声LDO电源芯片LT1964产生－2．5V电压，作为六通道ADS1281的VREFN输入，LT1964噪声为30μVRMS(10Hz～100kHz);利用专用精准基准芯片LTC6655－2．5产生+2．5V电压，作为六通道ADS1281的VREFP输入，该芯片噪声0．25×10－6p－p(0．1Hz～10Hz)，温飘为2×10－6/℃，经过试验，该方案是取得较好结果。
1．4FPGA采集控制与数据传输实现数据采集之前，STM32单片机需要通过FPGA对各通道采集卡(即ADS1281)进行配置;数据采集过程中，FPGA需要对六通道数据读取、打包并传入STM32单片机。控制线A0用于选择上述功能。当A0=0时，将STM32单片机与FPGA之间的SPI接口、FPGA与六通道采集卡之间的SPI接口直接相连，此时由STM32单片机直接完成采集卡配置;当A0=1，FPGA输出采样时钟CLK，六通道采集卡同时启动采样。FPGA数据采集与传输过程如图4所示。当六通道ADC数据准备就绪时，ADC_nDRDY信号将同时由高变低，FPGA收到下降沿信号后，将在ADC_SCLK引脚连续产生32个周期的SPI时钟，ADS1281在时钟上升沿输出数据(ADC_DOUT_1至ADC_DOUT_6)，FPGA在时钟下降沿读取数据，六通道数据将被缓存在6个32bit寄存器ADC_DA-TA0至ADC_DATA5内;FPGA读取完六通道32bit数据后，在MCU_DRDY引脚产生一个高脉冲，通知STM32单片机读取数据，单片机在MCU_DRDY下降沿启动中断，并在中断中完成数据读取;数据读取过程中，单片机的SPI时钟MCU_SCLK连续产生时钟信号，FPGA在收到时钟信号时，将数据通过MCU_DIN输出，时钟信号共6×32=192个，正好读完六通道数据。
2预警系统C/S构架软件设计
2．1客服端LabVIEW编程PC机客服端界面与网络编程利用LabView软件实现。LabView是由美国国家仪器(NI)公司研制开发虚拟仪器开发软件，是一种图形化编程语言，使用较为方便［6－7］。LabView主界面包含采样率、量程设置，IP地址，端口，开始采集按钮，停止采集按钮和波形界面几个部分，其中波形界面由WaveChart控件实现，具体实现如下:将下位机上传的六通道数据绑定为簇，簇输出接到WaveChart控件的数据输入端，Wave-Chart控件的图形显示方式设置为分格显示曲线，由于簇输入是6个数组绑定而成，WaveChart自动将窗口分成6个子窗口，每个数据对应一个窗口;Wave-Chart界面更新模式设置为StripChart，此模式下波形从左至右绘制，达到右边边界时，旧数据从左边溢出，新数据从右边进入。LabView具有强大的网络编程功能，本系统客户端利用了其中的TCP/IP协议模块，主要涉及到以下几个函数:TCPOpen(打开)，TCPRead(读取)，TCPWrite(写入)，TCPClose(关闭)。客户端程序工作流程如图5所示。从图中可以看出，从开始到结束采集一共用了两次TCP/IP连接，第1次用于发送采集命令，然后接收、处理、显示数据，当按下“停止采样”命令后，首先关闭第1次TCP/IP连接，此时服务器还在继续采集数据，但不发送，所以还需进行一次TCP/IP连接发送停止采集命令给服务器，服务器收到命令后即可停止采集，并进入低功耗模式。
2．2基于LWIP的服务器程序设计服务器的主控单片机是STM32F407，其内部集成了10/100M以太网MAC，结合PHY芯片DP83848即可完成以太网硬件搭建;以太网软件部分通过移植LWIP协议栈实现，已有较多文献或文档详细叙述了移植方法与过程，服务器接收命令、启动采样和传输数据等功能在tcp回调函数中实现。数据采集和传输是同时进行的，可在单片机中申请两个缓存，采用乒乓操作模式工作实现，即:其中一个用于中断采集数据存储，缓存满后，设置数据满标志，并查询另一个缓存的数据空标志，若为空，证明数据已经传输完成，可新的存储数据;另一个用于传输，传输完成后，设置数据空标志，并查询第1个缓存的数据满标志，若位满，证明数据可以传输;由于以太网的传输速度远大于数据采集的速度，以太网传输完成后会等待另一个缓存存满，所以整个过程中不会出现采样数据丢失的情况。
3采集系统性能测试
3．1噪声测试进行噪声测试时，将6通道输入短接，采样率设置为200sample/s;采集开始后，数据将以文本文档的形式实时存入SD卡。图6是由采集的一个通道数据用excel作图得到(取其中任意2000个点)，从该图可以看出:该通道采集的输入短接噪声峰峰值在±1．5μV范围内。为进一步对噪声大小进行量化分析，分别进行了三次噪声测试，并在excel软件中利用STDEVA函数对每一次的六通道采集数据做均方差处理，处理结果如表1所示。从表中可以看出:每隔通道的噪声均方差低于0．5μV，噪声一致性较好;采集卡输入信号范围是±5V，按照ADC的信噪比计算公式可算出采集卡的信噪比优于140dB。
3．2地震信号采集实验实验时，把传感器放置于地面，传感器差分信号输出端接入采集卡第1通道，打开监测站电源，在PC机中启动LabVIEW界面，设定好采样率、量程、IP地址与端口，点击“启动采集”，在距传感器2m左右用硬物连续敲击地面，图7是截取的实时显示结果图，从图7可以看出，第1通道具有典型的地震波形输出，纵坐标单位为mV，第2通道～第6通道输出为随机噪声，纵坐标单位为μV。
4结束语
GPRS移动数据传输网络的主要作用就是对无线数据进行传输。在监控对象安装的数据采集点会对数据进行采集，然后经过GSM网络的空中接口模块，同时对数据进行解码处理，然后将其转换为可以在公网传输的格式，最后通过GPRS移动数据传输网络将数据传输至监控中心的服务器。在整个系统中，各个监控点的数据采集模块通过GPRS移动数据传输网络与监控中心相连，数据采集点同意使用STK卡，与此同时，监控中心会对各点进行登记，并在服务器中保存相关资料。各个监控点的数据采集模块中装有数据采集软件，该软件24h在线，对电网中的信息数据进行24h不间断的采集工作。关于信息的传输，使用的是JW0D2系列的GPRS无限透明数据传输终端。该终端基于移动网络，抗干扰能力较强，同时性能较高。此外，该传输终端还提供标准的RS232接口，以便实现与计算机的连接。在传输过程中，速率可以达到172kbps，能满足监控中心与各个监控点的数据采集与处理工作。由于电网数据传输的特殊性较强，因此本系统使用了安全保障，以保证系统运行的稳定性和可靠性。在网络安全方面，经过对信源加密、信道加密、登录防护、接入防护、访问防护等，能有效增强网络安全，加强安全防护。在硬件方面，使用VPN将公网接入到GPRS网中，成本低廉，不用租用专线。此外，使用VPN还可以增强安全性，客户端在链接应用服务器之前，要经过服务器的认证，而且整个数据传输过程均会加密，如此一来，安全性就得到了保障。另外，系统还对用户的SIM卡手机继续鉴别授权，在网络侧对SIM卡号和APN进行绑定处理，只有拥有权限的相关用户才能对专用APN进行访问，没经过授权的SIM卡将无法对APN网络进行访问。
2特点与优势
传输模块的特点主要有：①传输模块采用了工业级的GPRS模块，该模块性能较为稳定，而且其工作温度范围较大。另外，用了嵌入式的CPU作为处理器，功耗低、性能高，还能高速处理协议和大量的数据。②由于该模块的工作方式为multi-tasking，因此实时性较好。③其AT指令的预设简单方便。该模块的通信距离较远，而且具有覆盖面积广的特点，能使终端实时在线，能将无线电无法到达的区域采用GPRS通信的方式进行传输，真正实现了高效传输。此外，该系统还有组网灵活、扩展容易、维护简单、性价比高的特点。
与短消息服务相比，GPRS服务的实施性很强，而且系统不会出现延时的情况，可以对所有数据进行采集。此外，由于GPRS具有双向功能，还可以对采集设备进行反向控制，因此进一步提高了系统的便捷性。本系统的扩展性良好，是大面积覆盖的GPRS网络，所以该系统不存在盲区，而且由于该系统的输出容量较大，数据采集点较多，监控中心要与每一个监控点相连，因此需要系统能满足传输需求。该系统的传输容量较大，能满足突发性数据的传输要求，因此该系统的优点明显。
3结束语
目前，适用于短距离的无线通信技术大致有蓝牙技术、ZigBee技术及Wifi技术。相比较而立，ZigBee技术以其功耗低、结构简单、性价比高、扩展简便及安全可靠等优点成为构建WSN的最佳选择。本设计采用ZigBee技术，以Ad-Hoc方式构成的无线网络，整个网络采用簇-树状拓扑结构。每一个结点采用CC2530芯片作为微处理器。CC2530的引脚端口与传感器相连，形成数据采集的终端。
2数据采集系统总体架构设计
配电网数据采集系统主要包括三个基本模块：底层数据采集模块、数据传输模块和数据存储管理模块，具体结构如图3所示。底层数据采集模块由CC2530所带的电流、电压、温度、湿度、红外、振动等传感器组成，这些传感器所采集的数据经CC2530中的8051单片机简单处理后传至数据传输模块。数据传输模块由ZigBee路由器结点组成，这一部分也由CC2530芯片担当。这些路由器结点组成树状网络，形成数据上传至汇总结点的通道。数据存储与管理模块由ZigBee协调器与PC机组成，Zig-Bee协调器由CC2530担当，与PC机用USB线进行连接，串口进行数据通信。PC机接收数据后对数据进行进一步的存储与处理。PC上安装有网卡，形成与Internet网的连接端口，从而满足远程监控的需要。
3数据采集模块随机干扰的滤波设计
在无线传感网进行数据采集的过程中，测量通道中串入随机干扰是不可避免的。随机干扰的出现会引起测量误差，对远程的监控不利。因此，采取某种手段对采集数据进行滤波是保证采集数据准确性的前提。常用的数字滤波算法有算术平均滤波、加权平均滤波、中位值滤波、限值滤波等方法，本设计采用基于中位值滤波方法的中位值平均滤波方法。通常中位值滤波是对采集信号进行排序，取位于中间的数据作为一次的采样数据。这种方法对高频干扰和低频干扰都有一定的滤除效果，但是对于某些变化快速的采集数据，如电流、电压、振动等，不宜采用中位置滤波。中位值平均滤波方法是在中位值排序的基础上，将最大和最小的数据去掉，然后将剩余的数据进行平均，最终将平均值作为一次采样数据。因此无论对于缓慢变化的信号，还是对快速变化的信号，都能取得良好的滤波效果。
4总结
加速加载试验条件下，选定的主要动态力学技术指标需要考虑路面结构设计中设计指标及其对路面结构疲劳和永久变形的控制作用。下面从技术指标的选择、传感器选型和埋设原则与数据采集等方面进行讨论。
1．1技术指标的选择依据在加速加载试验过程中，监测的动力学指标主要包括如下4项:(1)面层底部弯拉应变对通车初期的沥青路面，路面结构整体刚度较大，层间结合良好，此时在重复荷载的作用下，沥青面层以受弯拉应变作用为主而呈现出明显的拉压应变交替状态，监测面层底部的弯拉应变将贯穿于整个加速加载试验过程，进而作为评价沥青路面发生疲劳损伤的标志性力学指标之一。(2)基层顶部竖向压应变用于评价沥青路面车辙变形的力学指标。(3)面层底部水平横/纵向剪应变对于半刚性基层沥青路面来说，面层与基层的层间黏结性能较差，面层底部的水平横纵向剪应变可以破坏面层和基层的联结导致面层失去基层的水平约束，成为滑动状态，此时不但增加面层底部的弯拉应变，减小疲劳寿命而且增大沥青混凝土的流动性，容易形成裂纹等多种破坏形式。(4)面层/基层中间水平横/纵向最大剪应变在横/纵向剪应变的作用下，沥青混凝土和水泥稳定类材料产生横/纵向流动变形，此项指标用于评价面层和基层因材料的流动变形导致的各种破坏。
1．2传感器选型的基本原则传感器的选择受到传感器测量原理、封装材料、工作条件规格等因素的限制，成为了系统设计至关重要且颇具难度的问题。选择沥青路面结构力学响应监测的传感器应考虑的问题包括如下3方面:(1)传感器的结构和尺寸规格不能影响道路的使用性能J．RichardWillis在总结美国路面加速加载试验中路面内部参数采集的实践经验时认为结构内部的参数采集对于加速加载试验的成功具有重要意义，因埋设传感器造成压实度不足，有可能引起路面结构产生早期损坏［1］。引起传感器附近压实度不足的原因，一是因为传感器封装材料不耐热、不耐压，需要施工后埋设，进而导致埋设传感器位置的混合料与周围路面混合料存在着明显的离解面，二是因为传感器的结构和尺寸规格超出了沥青面层或基层的厚度限制，影响了压实的均匀性。(2)传感器需具有较高的成活率、准确性和重复性Sebaaly等从传感器选型、安装、检测的角度认为，传感器的自身成活率、结果准确性、重复性、稳定性、成本等是选择传感器的标准;对于施工过程中埋设和工后钻芯埋设两种方法，认为工后钻芯埋设的方法，由于采用了树脂作为粘结剂，明显增大了结构强度，造成测量结果不准确。
1．3FBG传感器在路面动力监测中的应用FBG传感技术是十多年来发展最为迅速的传感技术，具有灵敏度高、体积小、防水、抗电磁干扰、能进行长期实时在线监测、易于集成形成传感网络等特点，目前在土木工程、航空航天等领域得到了广泛的应用。王川基于PP－OFBG传感元件［2］，通过设计PP树脂基体模量与沥青混凝土模量相当，研制开发出主要针对于沥青路面应变监测的PP－OFBG埋入式应变传感器，并进行了传感性能试验研究。通过进行沥青混凝土梁的四点弯曲静载及动载试验并与理论计算进行了对比研究，发现这种传感器能够很好地反映出沥青混凝土的变形特征。刘艳萍针对传统的光纤光栅传感器模量大、尺寸大，直接拿来用于沥青路面的测试，不能反映沥青路面的真实应变的缺点，研发了一种橡胶封装FBG竖向应变传感器用于测量沥青路面的竖向应变［3］。结果表明，橡胶封装FBG应变传感器的自身的传感性能良好，但是用于实际沥青混凝土路面的埋设工艺还有待进一步研究。通过对近几十年来国内外路面内部检测手段的调研发现，在路面结构内部埋设传感器来监控路面内部的工作状态是路面领域一种经典的研究手段，测量结果可用于标定路面响应模型、进行施工质量监控、养护政策制定、新型结构与材料评价等。测量结果的代表性与准确性对后续工作有着决定性的影响。
1．4FBG动力响应监测系统基于FBG传感器灵敏度高、体积小、防水以及测值稳定、能进行长期实时在线监测等优点，本文选用FBG力学传感器监测沥青路面的动态力学响应。项目搭建的FBG动态力学响应监测系统如图2所示。系统由数据采集仪、通道扩展模块和传感器组成，其中传感器包括FBG水平、竖向应变传感器和FBG土压力传感器。
1．5传感器的布设和埋置设计传感器布设方案所遵循的原则如下:(1)选用的传感器需全面反映路面结构各层位敏感位置(结构层底部和中部)各项力学性质;(2)埋设传感器的数量需考虑传感器成活率，以同方向、多断面方式布设多组传感器以保证成活率;(3)考虑路面结构各层位相似位置的动态力学特性的比较，传感器的埋设在深度方向上需按相同平面位置布设。依据上述原则，传感器布设方案示意图如图3所示。由图3可见，在路面结构内部共计布设3层、8个断面的力学传感器，分别安置于面层底、基层底和垫层底三个位置，其中面层底部和基层底部包括压应变传感器、水平横向传感器和水平竖向传感器，垫层底部包括压应变传感器和土压力计。按此传感器布设方案埋设传感器，在路面施工完成后，还需要检测传感器的成活率。
1．6弯沉数据的采集由于FWD的应用较为广泛且较为成熟，国内外对于FWD的测量均有相关的操作规程或规范予以规定，因而在加速加载数据采集过程中无需特殊考虑FWD检测如何与加速加载试验的配合，但是需要注意的是:(1)FWD测点在加载内需均匀分布并且沿着加载带的纵向中轴线排布，测点数量不易较多，一般取6～8个为宜;(2)FWD侧点的位置需避开结构内部力学传感器的位置，以免结构内部的力学传感器影响FWD的测量精度;(3)为了考虑FWD数据的后续处理中对温度影响的修正，除了在加载段内排布测点外，还需在加载带外设置测点，测点数量取3～4个为宜;(4)对弯沉数据的处理需要进行反算模量的转换，为此FWD需要具有9个传感器。按照上述FWD测量需要考虑的问题，辽宁省半刚性基层路面的FWD测点设置如图4所示。FWD的测量按照《公路工程路基路面现场测试规程(JTGE60－2008)》的规定实施。通常，试验过程中，每加载10万次测量1次弯沉，有时可根据实际需要增加测量频次。
2表面服务功能数据采集
表面服务功能的评价指标，包括摆值、构造深度、渗水系数和车辙深度，这些技术指标的检测方法均按照《公路路基路面现场测试规程(JTGE60－2008)》相关规定实施。各项技术指标的测量要求和测量频次具体如下所述。
2．1车辙断面的测量试验记录的车辙断面形态如图5所示。采用MLS66开展加速加载试验，将抗车辙能力测试与抗疲劳和水损害测试分别选取两个加载段。为了研究路面全寿命周期内车辙深度的发展变化规律，在抗车辙能力测试和抗疲劳测试过程中都需要检测不同加载阶段的路面车辙断面。在抗疲劳测试过程中，无横向轮迹分布的情况下，加载位置固定，在两个加载轮的轮迹处的路面易于形成凸起，由此影响车辙深度的计算，因此，需根据实际情况选绝对车辙深度和车辙深度作为抗车辙能力的评价指标。试验按照《公路路基路面现场测试规程(JTGE60－2008)》中的方法测量车辙断面，选择的断面位置应遵循在有效轮迹带内均匀排布的原则，选取2～3个断面位置，每加载10～20万次测量1次，取各断面车辙深度计算结果的平均值作为最后的测量结果。
2．2抗滑和防水性能的测量测量方法按照《公路工程路基路面现场测试规程(JTGE60－2008)》的规定，每加载10～20万次测量1次，均匀选取轮迹带内4个位置，取各测点测量结果的平均值作为最终测量结果。
3路面工作条件
路面工作条件是指自然环境条件和行车荷载。加速加载试验条件下，通过加热和降水装置实现自然环境对路面作用的模拟。进行动载条件下路面性能分析需要考虑路面结构内部温湿度的分布状态，因此，试验过程中需要定期监测路面结构内部的温湿度数据。同时，试验过程中，需经常确认加载轴载是否稳定在预设轴载及其误差范围之内，路面工作条件检测还包括对加载轮轴载的实时监测。
4结论与展望
关键词：USBLabVIEW数据采集
通用串行总线USB（UniversalSerialBus）作为一种新型的数据通信接口在越来越广阔的领域得到应用。而基于USB接口的数据采集卡与传统的PCI卡及ISA卡相比具有即插即用、热插拔、传输速度快、通用性强、易扩展和性价比高等优点。
USB的应用程序一般用VisualC++编写，较为复杂，花费的时间较长。由美国国家仪器（VI）公司开发的LabVIEW语言是一种基于图形程序的编程语言，内含丰富的数据采集、数据信号分析分析以及控制等子程序，用户利用创建和调用子程序的方法编写程序，使创建的程序模块化，易于调试、理解和维护，而且程序编程简单、直观。因此它特别适用于数据采集处理系统。利用它编制USB应用程序，把LabVIEW语言和USB总线紧密结合起来的数据采集系统将集成两者的优点。USB总线可以实现对外部数据实时高速的采集，把采集的数据传送到主机后再通过LabVIEW的功能模块顺利实现数据显示、分析和存储。
1USB及其在数据采集设备中的应用
USB自1995年在Comdex上亮相以来，已广泛地为各PC厂家所支持。现在生产的PC几乎都配置了USB接口，Microsoft的Windows98、NT以及MacOS、Linux等流行操作系统都增加对USB的支持。USB具有速度快、设备安装和配置容易、易于扩展、能够采用总线供电、使用灵活等主要优点，应用越来越广泛。
一个实用的USB数据采集系统硬件一般包括微控制器、USB通信接口以及根据系统需要添加的A/D转换器和EPROM、SRAM等。为了扩展其用途，还可以加上多路模拟开关和数字I/O端口。系统的A/D、数字I/O的设计可沿用传统的设计方法，根据采集的精度、速率、通道数等诸元素选择合适的芯片，设计时应充分注意抗干扰性，尤其对A/D采集更是如此。在微控制器和USB接口的选择上有两种方式：一种是采用普通单片机加上专用的USB通信芯片；另一种是采用具备USB通信功能的单片机。USB的另一大优点是可以总线供电，在数据采集设备中耗电量通道不大，因此可以设计成总线供电。
一个USB设备的软件一般包括主机的驱动程序、应用程序和写进ROM里面的Firmware。Windows98提供了多种USB设备的驱动程序，但还没有一种专门针对数据采集系统，所以必须针对特定的设备编制驱动程序。尽管系统已经提供了很多标准接口函数，但编制驱动程序仍然是USB开发中最困难的一件事。通常采用WindowsDDK实现，但现在有许多第三方软件厂商提供了各种各样的生成工具，如Compuware的DriverWorks、BlueWaters的DriverWizard等软件能够轻易地生成高质量的USB驱动程序。单片机程序的编制也同样困难，而且没有任何一家厂商提供了自动生成的工具。编制一个稳定、完善的单片机程序直接关系到设备性能，必须给予充分的重视。以上两个程序是开发者所关心的，而用户却不太关心。用户关心的是如何高效地通过鼠标操作设备，如何处理和分析采集进来的大量数据。因此还必须有高质量的用户软件。用户软件必须有友好的界面、强大的数据分析和处理能力以及提供给用户进行再开发的接口。
2LabVIEW及其外部动态链接库的调用
LabVIEW是美国国家仪器（NI）公司开发的一种基于图形程序的虚拟仪表编程语言，其在测试与测量、数据采集、仪器控制、数字信号分析、工厂自动化等领域获得了广泛的应用。LabVIEW程序称为虚拟仪器程序（简称VI），主要包括两部分：前面板（即人机界面）和方框图程序。前面板用于模拟真实仪器的面板操作，可设置输入数值、观察输出值以及实现图表、文本等显示。框图程序应用图形编程语言编写，相当于传统程序的源代码。其用于传送前面板输入的命令参数到仪器以执行相应的操作。LabVIEW的强大功能在于层次化结构，用户可以把创建的VI程序当作子程序调用，以创建更复杂的程序，而且，调用阶数可以是任意的。LabVIEW这种创建和调用子程序的方法使创建的程序模块化，易于调试、理解和维护。LabVIEW编程方法与传统的程序设计方法不同，它拥有流程图程序设计语言的特点，摆脱了传统程序语言线形结构的束缚。LabVIEW的执行顺序依方块图间数据的流向决定，而不像一般通用的编程语言逐行执行。在编写方框图程序时，只需从功能模块中选用不同的函数图标，然后再以线条相互连接，即可实现数据的传输。
LabVIEW虽有接口卡的驱动和管理程序，但主要是针对NI公司自己生产的卡。对于普通的I/O卡，还不能直接被LabVIEW所应用，必须采取其他方法。其中可以用LabVIEW的PortIn和PortOut功能，但此法应用简单，无法实现较复杂的接口功能。而采用动态链接库，可以根据具体需要编写适当的程序，灵活利用LabVIEW的各项功能。用户可以自己编写DLLs实现LabVIEW与硬件的链接。用VC++6.0编制动态链接库，首先生成DLL框架，AppWizard将自动生成项目文件，但不产生任何代码，所有代码均需用户自己键入。DLL需要的文件有：①h函数声明文件；②c源文件；③def定义文件。H文件的作用是声明DLL要实现的函数原型，供DLL编译使用，同时还提供应用程序编译使用。C文件是实现具体文件的源文件，它有一个入口点函数，在DLL被初次调用的运行，做一些初始化工作。一般情况下，用户无须做什么初始化工作，只需保留入口点函数框架即可。def文件是DLL项目中比较特殊的文件，它用来定义该DLL项目将输出哪些函数，只有该文件列出的函数才能被应用函数调用。要输出的函数名列在该文件EXPORTS关键字下面。
3基于AN2131Q的单光子采集系统
该采集系统由笔者自行开发并用于单光子计数种子活性快速检测仪中。它主要由将光子信号转为电信号的光电倍增管（PMT）及其辅助电路和基于AN2131Q的USB采集卡组成。PMT及其前置放大器、放大器、甄别器等辅助电路能将微弱的光子信号转换为15ns的标准TTL脉冲信号，脉冲信号经过分频处理后再被USB采集，USB将采集的结果实时地传给主机处理。
3.1USB采集卡的硬件组成
该采集卡由微控制器、USB通信接口、主机以及数字I/O端口组成，如图1所示。
笔者设计了一种同步传输方式的单片方案，应用了内置微处理器的USB设计——EZ-USBAN2131Q。它是Cypress公司的一种内嵌微控制器的80脚USB芯片，包含三个8位多功能口，8位数据端口，16位地址端口，二个USB数据端口，二个可定义16位的定时/计数器和其他输入输出端口。其采用一种基于内部RAM的解决方案，允许客户随时不断地设置和升级，不受端口数、缓冲大小和传输速度及传输方式的限制。片内嵌有一个增强型8051微控制器，其4个时钟的循环周期使它比标准8051的速度快3倍。采用同步传输方式将单片机的计数值实时传送给主机，而主机对计数器的控制信号则采用块传输方式传送。EZ-USB是Cypress公司推出的USB开发系统，它为USB外设提供了一种很好的集成化解决方案。EZ-USB在其内核已做了大量繁琐的、重复性的工作，这样就简化了开发代码，进而缩短了开发周期。此外，开发商还提供了配套的开发软件（包括编译软件uVision51、调试软件dScope51、控制软件EZUSBControllPanel）以及驱动程序GPD（GeneralPurposeDriver）接口，以便于用户进行开发使用。
图2开启设备和获取采集数据的流程图
3.2USB采集卡的软件构成
在USB的Firmware中，采取同步传输（IsochronousTransactions）和块传输（BulkTransactions）两种传输方式。同步方式用来实时传送采集的数据，块传输主要用来传输主机命令信号和USB的状态信息。块传输中利用端点（Endpoint）2。两种传输方式的核心中断程序如下：
voidISR_Sutok(void)interrupt0//块传输方式
{
//initializethecoutersinthe8051
TMOD=0x05；
TCON=0x10；
TH0=0；
TL0=0;
Thb=0,
TH0=0；
TL0=0;
thb=0；
EZUSB_IRQ_CLEAR（）；
USBIRQ=bmSUTOK;//ClearSUTOKIRQ
}
voidISR_Sof(void)interrupt0//同步传输方式
{
if(TCON&0x21){//Dealwiththecounteroverflow
TH0=0;
Tl0=0;
THB++;
TCON&=0xdf;}
IN8DATA=TH0;//3Bytescounterresult
IN8DATA=TL0；
IN8DATA=THB；
EZUSB_IRQ_CLEAR（）；
USBIRQ=bmSOF;//ClearSOFIRQ
}
在LabVIEW应用程序中设计了一Usb.dll文件作为LabVIEW与USB的驱动程序。由于EZ-USB开发系统中已经提供了底层驱动程序（GPD）接口函数，用户只需调用这些函数即可与USB设备连接。因此在DLL的编制中只需调用它提供的函数，大大节约了开发时间，提高了开发速度。创建的Usb.dll文件中包含了如下五个输出函数，功能说明如表1所示。
表1Usb.dll包含函数的功能说明
Control主机对USB设备的控制
ReadResult获取USB发送到主机的数据
StartIsoStream启动设备的同步传输流
StartThread得到标准设备的设备描述符
StopThread关闭设备的同步传输流
其定义如下：
LPSTR_declspec(dllexport)_stdcallControl(intinput);
int_declspec(dllexport)_stdcallReadResult(void);
int_declspec(dllexport)_stdcallStartIsoStream(void);
int_declspec(dllexport)_stdcallStartThread(void);
int_declspec(dllexport)_stdcallStopThread(void)；
开启设备和获取采集数据的过程如图2所示。它的主要功能有：开启或关闭USB设备、检测USB设备、设置USB数据传输管道（pipe）和端点（endpoint）、实时从USB接口采集数据、显示并分析数据。
1.1传感器电路设计外部电容与片内电阻一起构成一个低通滤波器，用于限制ADXRS646速率响应的带宽。3dB频率由和设置：可以精确控制该频率，因为在制造期间被调整至。在RATEOUT脚（1B，2A）和SUMJ引脚（1C，2C）之间连接的任何外部电阻将导致：由于陀螺仪的18kHz谐振频率会造成解调时的高频噪声，因此在陀螺仪的输出管脚由电阻和22nF电容（2.2kHz极点）组成低通RC输出滤波器，以衰减解调尖峰引起的高频噪声。
1.2控制电路与模数转换电路设计选用C8051F410单片机对整个系统进行控制，C8051F410具有与8051兼容的高速CIP-51内核，与MCS-51指令完全兼容。C8051F410资源丰富，具有24个I/O引脚，同时还具有时钟振荡器等功能模块。ADS1274是TI公司生产的24位无失码高性能模数转换器，具有最高144kSPS数据采样速率，功耗低，在52kSPS（高精度模式）采样速率下，单通道功耗仅为31mW，工作温度范围广，最低温度-40°C最高温度+125°C，非常适合应用于条件苛刻的工业控制领域。该芯片模拟前端具有4个单端输入通道,模拟部分采用5V供电，内核为3.3V或者1.8V供电。模拟输入电压为———0.3V~6V。采用THS4521作为AD转换器的驱动器，THS4521极低功耗轨至轨输出全差动放大器，带宽高达145MHz，数据转换速率高达490V/μs，直流开环增益为119dB，宽范围供电电压：+2.5V~+5.5V，单通道电流仅为1.14mA。C8051F410与ADS1274通过标准SPI接口进行通信，设计采用3线制的主、从方式。C8051F410控制ADS1274，C8051F410通过SCLK时钟管脚提供并控制ADS1274提供SPI的时钟信号。单片机的MOSI引脚与ADS1274的DIN引脚相连，向ADS1274发送数据，实现配置寄存器，设置工作模式等功能。C8051F410的MISO引脚与ADS1274的DOUT相连，接收AD转换的数据。ADS1274的RDY引脚与单片机的P0.3引脚相连，当ADS1274完成模数转换以后，RDY引脚有高电平变为低电平，通知单片机模数转换完成，准备读取数据。
1.3恒流电源电路LM2904系列运算放大器是TI公司生产的低功耗双运算放大器。ADXRS646型MEMS陀螺仪需要的供电电压为6V，由LM2904构成的放大电路可以产生两路稳定的6V电压，输出抖动小于5mV，输出电流可以达到40mA，满足MEMS陀螺仪的供电要求。由LM2904构成的基本电压放大电路。放大电路的输入电压5V，电压的放大倍数为1.2倍，由此可以得出两路输出A和B均为6V。
2软件设计
数据采集装置上电后首先对C8051F410进行初始化设置，通过配置寄存器，设置SPI通信模式、内部振荡器的工作频率以及看门狗的监测时间。然后对ADS1274进行AD采样率、工作模式和通信模式等模块的初始化。选择ADS1274的差分模拟输入通道AIN1、AIN2、AIN3进行数据采集，模拟电压输入范围为0~5V，数据寄存器配置为24位。向ADS1274发送开始转换命令，单片机开始计时，计时时间未结束，传输采集的数据；计时时间到，继续开始AD转换。采集后的角速率数据经过单片机简单处理后，由RS232串口输出。
3实验分析与结论
硬件系统为:监控层、数据采集层、现场层〔2〕。
1．1监控层监控层采用总线形网络结构，在总线上挂接的设备主要有:数据采集I/O服务器、IH数据库服务器、关系型数据库服务器、APP服务器、Web服务器、调度操作站、工程师站等。1)数据采集I/O服务器，分为电力、动力、水三个系统，采用冗余配置，服务器安装IFIX5．1组态软件，在IFIX5．1的SCU中配置IGS、PFC、IEC驱动同数据采集站通讯，具体通讯方式如下，采集西门子PLC系统数据的，则以工业太网为桥梁，IFIX通过IGS驱动与其实现实时通讯;采用RTU采集系统数据的，IFIX通过PFC驱动与其实现实时通讯;采集申瑞765G综保管理机系统数据的，IFIX通过IEC驱动与其实现实时通讯。2)GPRS服务器，能控无线远传站通过柜内S7－200、SINAUTMD720－3GPRS调制解调器、天线和GPRS通信管理软件SINAUTMICROSC构成GPRS网络，最后通过OPC驱动与能控中心GPRS服务器实现通讯连接。3)IH数据库服务器，IH数据库服务器上安装GE公司的ProficyiHistorian实时数据库软件，IH通过配置Collector采集器软件从数据采集I/O服务器抓取数据，采集的数据周期以秒、分为单位刷新。4)关系型数据库服务器，安装有DB2和Oracle两种关系型数据库软件，完成数据的长期归档以及数据的压缩和数据的备份。5)APP服务器和Web服务器，APP服务器运行基础能源管理模块，Web服务器用于Web。6)调度操作站，通过调度操作站能控调度可以对能控系统的相关数据及设备的运行状态进行监控，而且能够通过B/S(客户端/服务器)的方式访问APP服务器的基础能源管理模块，使用自己权限所分配的功能。
1．2数据采集层数据采集层有124个数据采集站，包括西门子S7－300PLC82套、通讯柜41套，力控RTU(Remo-teTermialUite，远程终端单元)46套，覆盖工源厂区、东风厂区、南芬露天矿及歪矿，地域分散。同监控系统的通讯方式有有线方式和无线方式。其中有兴安解冻库、四水源等十个站点敷设电缆困难且条件恶劣，增加了建设和维护的成本，因此采用GPRS无线通信方式;有线方式采用环网加星形的网络结构，整个环网有7个主站，从EMS01到EMS07分别是能源中心、焦化仪表室、朱庄柜、六高炉主控室、4#转炉机房、维检中心、冷轧机房，环网将7个主站点连接起来，再由主站点以星形的结构向外辐射用于连接所有的数据采集站。
1．3现场层1)本钢现场层的设备现状现场一次仪表有电磁流量计、超声波流量计、差压流量计、涡街流量计，提供4～20mA标准信号，PLC和DCS系统有西门子S7、施耐德、AB、ABB、浙大中控JP－300XP、Honeywellpks系统HoneywellHC900等系统，电力综保系统有北京四方、上海申瑞、清华紫光等厂家，电度表有湖南威胜和黑龙江龙电两种型号。信号类型分为计量点和工艺点，计量点只对数据进行采集;工艺点包括数据的采集和设备的控制。2)采集方案的确定针对现场设备的实际情况确定了如下的数据采集方案:(1)RTU采集方式，此种方式只对数据进行采集。对于支持RS485协议的超声波流量计，例如本溪新宇超声波流量计，将该表通过串口通讯线接入到RTU的串口，通道协议选择ModbusMaster，端口选择Serial。采集原有西门子PLC系统数据的，将系统通过以太网方式接入RTU的网口，RTU配置软件中通道协议选取西门子PLC，通讯口:TCPClient，IP地址为所通讯的PLC地址，端口号为102。原有系统为DCS，例如十一加的HoneywellHC900，将系统通过以太网方式接入RTU的网口，通道协议为ModbusTCP，通讯口:TCPClient，IP地址为所通讯的DCS地址，端口号为502。浙大中控的JP－300XP系统，如发电厂32号机和氧气厂4#制氧机。将系统通过以太网方式接入RTU的网口，是通过OPC协议进行数据采集，在原有系统中安装OPCTunnellerServer，然后在另外一台计算机上使用OPCTunneller驱动进行采集，在RTU中通道协议中选择OpcTunnellerMaster。与电力综保通讯，将系统通过以太网方式接入RTU的网口，通道协议选择IEC104，需要说明的是采用此种通信方式的只有清华紫光和北京四方，不包括上海申瑞，申瑞通过综保管理机765G直接同电力服务器通信。智能电表的数据采集，威胜龙电两种电表都有网口，同威胜的电能采集器通讯，采集器通过以太网方式接入RTU的网口，通道协议选择威胜WFET2000s，IP地址为电能采集器端设置的IP，端口号为9001。(2)I/O采集方式，数据的采集和设备的控制。计量点，新增的或原有的需接入能管中心的点通过仪表提供4～20mA标准信号接入到PLC柜或I/O柜的AI输入模板。工艺点，例如燃气厂五加、六加、九加等煤气加压站既有采集数据的要求，还有对现场阀门进行控制要求的，系统则通过在原有西门子S7－300或400系统中加装CP模板的方式进行数据的采集和设备的控制。新增加的CP模块规划的IP地址同原有系统的IP地址不在同一个网段，为两个独立的网段，可以实现数据采集控制功能和对病毒隔离功能。
2系统功能
本钢能管中心数据采集监控系统从试运行以来，实现了以下功能:1)数据采集设备控制对电力系统的电量、电流、电压、功率、功率因数等，燃气系统、热电系统、氧氮氩系统的流量、压力、温度、柜位等，水系统的流量、压力、水位等进行采集，对电力系统的开关、燃气系统的加压机、水系统的泵等重要能源设备进行远方操作控制和实时调整。2)报警功能监控中心汇聚大量的数据，系统根据故障程度和重要性，设置了重故障、轻故障和事件三种报警类型，提示调度员进行相应的操作。3)操作记录对重要设备的操作进行记录，当故障发生后可以为事故的原因分析提供依据。4)数据处理包括流量累计、计算煤气热值、多个数据之和或差等，例如混合煤气的和。5)数据归档对于短时归档数据，提供过程曲线显示;长时归档数据，可按信号内容、起/讫时间、时间粒度(分钟/小时/天/月)、数值类型(Min/Max/Ave/Sum)进行历史数据查询，并可进行曲线显示。6)Web用户可通过IE浏览器来访问Web服务器，获取现场设备的状态和运行参数，在Web画面上不能进行参数设定等操作。内容包括各系统的工艺画面，重要的报警画面。
3结论
信号调理电路根据功能分为输入保护电路、抗混叠低通滤波电路、衰减电路、增益电路和电压抬升电路。(1)输入电压幅值最高在24V，为防止输入电压超出可测范围，在输入端采用两个24V的稳压管支路进行电压钳位保护，并且分别在两个支路串联不同颜色的发光二极管以显示正反向超压。(2)为了消除高频噪声信号和被测信号中的高频成分对信号采集的混叠效应，设计了二阶低通抗混叠滤波电路。为保证较好的抗混叠效果和测量带宽，设定滤波器的截止频率为300kHz。滤波电路形式固定如图2所示，其频域传递函数为。由式可得滤波器的截止频率fp≈0．64f0，fp=300kHz，得RC=3．4×10－7s。通过multisim仿真比较确定参数值。抗混叠低通滤波电路如图2所示。(3)LM3S9B96的ADC的输入电压范围是0V～3V，要实现采集0V～±24V的输入信号需要对信号进行衰减处理，衰减网络采用兆欧级精密电阻组成，其中固定电阻设定为1MΩ。这里选择8，4，2，1四级衰减，后期处理的数据可以通过移位操作进行数据还原。电路实现选用OMRON公司G5V－1小信号继电器作为开关控制，根据上位机传输的命令来选择合适的电阻支路。具体的数值对应关系如表1所示。(4)为满足采集小信号的需求，采用TI公司的增益可编程仪表放大器PGA205。PGA205具有四级数控增益，数控端直接连接到微控制器的I/O引脚［5］。输入幅值、放大倍数和数控端的对应关系同上述衰减电路类似，这里不列表赘述。增益电路如图3所示，PC4、PC5为数控端。(5)信号经过衰减和放大电路的调理后电压范围为0V～±3V电压信号将信号调理至0V～6V范围，再经过比例运算电路做1/2分压处理。运放选择TL052，是由TI公司生产的低失调加强型的JFET运算放大器，相对于TL07和TL08系列具有更快的转换速度。
2电源供电系统
本文中需要三级电源供电:3．3V，5V，±10V。5V电压通过SPX1117－3．3V稳压芯片转变为3．3V为系统供电，±10V要是给可编程放大器PGA205和运放TL052供电，该电压需要5V电压经过Boost升压电路得到，设计选用TPS61040开关电源芯片，其为低功耗的DC/DCBoost转换芯片，内部集成开关管，开关频率可达1MHz，输出电压纹波低［6］。双电源供电电路如图4所示。
3系统软件设计
本文软件设计任务主要是LM3S9B96芯片的初始化和内部各模块之间的逻辑控制，包括根据上位机的指令来设定调理电路。数据采集系统总的软件任务框图如图5所示。信号调理任务负责根据上位机发出的指令完成调理电路的设定;采样任务实现对模拟信号的采集;数据转移存储任务负责将数据从ADC转移到内存，再转移到USB缓存。数据转移任务利用DMA来实现，DMA的工作模式分为基本模式、乒乓模式和外设散聚模式，为了ADC采集不丢失数据，本文采用了乒乓模式，在程序设计时创建主数据结构体和副数据结构体交替接收数据，高效的完成数据转移任务;数据传输任务负责将数据从微控制器通过USB总线传输到上位机。USB总线标准是在1994年由英特尔、康柏、IBM、Microsoft等多家公司联合提出，包含了四种基本数据传输类型:控制传输、批量传输、中断传输和等时传输，本文需要向上位机传输大量数据，选择批量传输模式(BULK)传输数据［7］。基于LM3S系列芯片，TI公司提供了多层次十分丰富灵活的USB驱动库，简化软件的实现。
4上位机软件设计
NIVISA(VirtualInstrumentSoftwareArchitecture)是NI公司开发的一种用来与各种仪器总线进行通信的高级应用编程接口，VISA总线I/O软件是一个综合软件包，不受平台、总线和环境的限制。VISA是NI公司随LabVIEW配套提供的，从3．0版本开始支持USB通讯，根据是否符合USB测试和测量协议，VISA分为两种VISA类函数，可以控制两类USB设备:USBINSTR设备和USBRAW设备。这里使用USBRAW设备。利用VISA驱动程序开发向导产生INF文件用来通知Window系统将NI－VISA用作USB设备的默认驱动，完成之后才可以正常和下位机通讯。USBRAW类设备的读写时序为(1)ViOpen打开VISA设备;(2)ViProperty设定VISA设备的属性节点参数(指令端点和传输方式);(3)ViRead读写USBRAW(发送命令和设定字数);(4)ViClose关闭VISA(释放VISA设备所占资源)。上位机程序总体分为指令接受程序，数据接受程序、数据处理程序和波形显示程序。数据处理程序框图如图6所示。
5系统测试与结果
为了测试系统的可靠性，本文使用数字合成信号发生器DF1405模拟传感器输出信号作为数据采集系统的测试信号。经测试，设计系统完整实现了设计要求。5V10kHz正弦波测试结果如图7所示，通过点击Save控件可以完成数据的存储。
6结束语
