遠程數(shù)據(jù)采集與交互系統(tǒng)設計

摘要：為了提高大型實驗設備的利用率，在此提出利用Matlab、數(shù)據(jù)庫、FPGA和服務器等軟硬件設施，實現(xiàn)遠程實驗系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的方案。該方案中設計了基于FPGA的數(shù)據(jù)采集箱，利用數(shù)據(jù)采集箱將大型實驗設備和基于J2EE平臺的服務器相連接。服務器將采集到的實驗數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫軟件中，當用戶需要時，可通過網(wǎng)絡訪問服務器獲取數(shù)據(jù)。在客戶機端，用戶還可以采用Matlab還原實驗數(shù)據(jù)，畫出實驗數(shù)據(jù)曲線。
關鍵詞：遠程數(shù)據(jù)采集；FPGA；J2EE；Matlab

在科學技術發(fā)展過程中，資源信息的共享對科學研究水平的提高具有重要的意義。目前，在一些企業(yè)、高等院校和科研機構中，由于管理體制與設備使用機制的局限性，大型實驗儀器的使用率極為有限，造成了大量的資源浪費現(xiàn)象。如果針對大型實驗儀器使用遠程控制實驗，一方面用戶可以在任何時間，任何地點通過網(wǎng)絡進行實驗，有利于用戶合理地安排自己的學習、工作計劃，而不再受時間和地點的約束；另一方面則可以提高實驗室資源的利用率。因此，構建大型實驗儀器共享平臺是符合科學技術發(fā)展要求的。

1 遠程實驗系統(tǒng)總體方案設計
1．1 系統(tǒng)的功能及需求分析
對大型實驗共享平臺而言，由于構建的是一種新型的實驗儀器資源共享平臺，希望能從各種不同設備中獲取其各自的實驗數(shù)據(jù)或結果，以平臺通用的格式來傳輸和存儲數(shù)據(jù)，便于進入平臺的各個用戶共享這些實驗數(shù)據(jù)或結果。
通常實驗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)的存儲格式等均不相同，各種實驗儀器基本上采用的都是自己專用的數(shù)據(jù)采集裝置，不能滿足大型實驗共享平臺的要求。因此，在構建大型實驗儀器共享平臺中，如何完成平臺中各種不同設備數(shù)據(jù)信息的采集及處理是實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)交流與共享的關鍵。
1．2 系統(tǒng)總體結構
根據(jù)需求分析，遠程實驗系統(tǒng)結構如圖1所示。

在實驗室本地，利用FPGA體積小，速度快，內(nèi)部延時小，可自由編程，靈活性高等優(yōu)點，以FPGA為核心輔以A／D轉換器等設備，設計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的實驗儀器相聯(lián)，并且數(shù)據(jù)采集箱可以轉發(fā)簡單的控制指令(如：啟動、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)送到服務器端存儲到數(shù)據(jù)庫中永久保存。數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)主要按時間段存儲，時間段的劃分由實驗用戶設置決定，可以用一次完整實驗過程來劃分時間段，也可以用同一個實驗分割成幾個時間片段來存儲數(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機通過互聯(lián)網(wǎng)登錄到服務器，發(fā)出控制指令或將數(shù)據(jù)庫中的實驗數(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)導入到Matlab中，利用Matlab強大的繪圖和分析功能，對實驗數(shù)據(jù)進行更為高效的分析。

2 基于FPGA的數(shù)據(jù)采集箱設計
數(shù)據(jù)采集箱主要完成對實驗數(shù)據(jù)進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、轉速等。為了達到“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、旋轉編碼器、霍爾傳感器、A／D等外部器件，如果由普通的單片機實現(xiàn)，需要很多的擴展芯片，而且單片機的時序性強，它很難同時實現(xiàn)這些功能，或者以降低系統(tǒng)精度作為代價。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，這樣不僅可減少PCB板的面積，增加抗干擾能力，同時也減少了成本。數(shù)據(jù)采集箱結構如圖2所示。