宋丽涵，倪霞林，何炳蔚

(福州大学 机械工程及自动化学院，福建 福州，350108)

0 引言

材料测试机是一种测试材料力学性能的仪器，通过对标准样品进行拉伸、压缩等试验来测试材料的力学性能。实现对材料测试机的力与位移的数据采集是对材料性能评估的前提。传统数据采集系统大多以单片机作为控制中心，再加上一些常用外围电路来构建系统, 数据显示也多是应用数码管瞬时记录且近距离范围内应用RS232/485或USB等通信方式直接上传PC 机上供用户参考。然而，用户对数据监控的距离、数据采集的速率及人机交互界面的要求越来越高，传统数据采集系统已不能满足用户的需求。本文提出通过研制Wi-Fi无线数据采集卡来实现对数据的采集与传输。本文首先介绍单节点无线数据采集的基本结构，再分别介绍Wi-Fi无线采集卡的研制、Wi-Fi与上位机的通信机制研究，再通过测试验证系统的可行性。

1 单节点Wi-Fi无线数据采集结构图

在众多的无线通信技术中，Wi-Fi技术与GPRS通信技术、GSM短消息方式、无线传感器网络节点、蓝牙技术、Zigbee技术相比，具有传输速度高，且可以和已有的各种802.n设备兼容，而且在无线局域网信号覆盖范围内各个节点不受地理位置限制进行随意移动[1]。因而Wi-Fi应用于无线数据采集中具有极大的优势。

根据无线网络基础网络的拓扑形式，可以把Wi-Fi用于无线数据采集系统中，单个无线传感器节点在无线采集系统中结构图如图1所示。

图1 单节点Wi-Fi无线数据采集结构图

2 Wi-Fi无线采集整体架构

2.1 无线数据采集系统总体架构

数据采集系统整合了信号、传感器、激励器、信号调理、数据采集设备和应用软件。对材料测试机而言，数据采集主要是对载荷信号与位移信号的采集[2]。无线数据采集系统的总体框架如图2所示。无线数据采集卡主要涉及对主控制芯片的选择、A/D电路设计、D/A电路设计。

图2 数据采集控制系统总体框图

2.2 硬件系统选择与设计

1) 主控制芯片的选择

主控芯片采用ALTERA公司的MAXII CPLD芯片。MAX II CPLD完美的结合了逻辑密度、I/O和小外形封装，静态功耗降低了55%，非常适合低成本和低功耗应用。主控芯片对无线模块、AD 采集模块和DA电压驱动模块进行控制。采用CPLD，使用QuartusII软件进行设计与仿真，CPLD模块设计采用Verilog硬件描述语言编程。采用芯片CY7C68013A与ALTERA CYCLONE II EP2C8Q208芯片构成的数据采集传输系统。板卡外扩展2片ISSI61LV25616 SRAM存储芯片。

2) AD采集模块

传感器采集到的信号经过信号调理后，AD转换电路负责将其转换为数字信号，用于后续处理。从精度、转化速率等方面考虑，AD芯片选择AD7705BR，该芯片是16位的AD转换器，接收来自传感器的输入信号，采用∑-△技术实现16位无误码数据转换，最后输出数字信号。采集模块对载荷信号的采集是将力传感器(荷重元)采集的信号，经过信号调理电路，转换成数字量进行采集的。位移信号采集是光栅传感器通过对编码器的信号测量位移信号，经过光电隔离电路之后实现采集的。

3) DA电压驱动模块

DA芯片采用TLC5615，是一块10位转换精度的DA转换器，使用DIP(dual inline-pin package)封装，可直接插接，用于实现数字信号转换为模拟信号，CPLD负责控制该芯片。把数字信号通过该芯片转换成模拟电压输出，通过改变电压值来达到控制伺服电机的作用。DA部分是用来控制输出电压，进而控制伺服电机来控制电机转动的。DA电压驱动部分芯片选择TLC5615，TLC5615是一块10位转换精度的DA转换器，其成本适中，且芯片是使用DIP封装，可直接插接，方便实验调试。

4) Wi-Fi无线模块

Wi-Fi无线模块选用的是广州e帆科技出厂的，是Wi-Fi无线网络标准的嵌入式模块，内置无线网络协议IEEE802.11协议栈以及TCP/IP协议栈，其主芯片是HED05W01SA，通过串口与采集卡连接。通过无线模块的双排插针接口，可以把采集到的数据发送到无线网络中，使用的是Wi-Fi无线模块的服务器的功能，同时使用基础网的无线拓扑模式。

系统硬件实物图如图3所示，其中一部分为数据采集卡，另一部分为Wi-Fi无线模块。

图3 无线数据采集硬件实物图

3 Wi-Fi与上位机的通信机制

3.1 用户协议

系统的用户协议是用户自己定义的协议，是固定不变的，不依赖于硬件的具体产品。在控制端，Wi-Fi模块采用TCP数据格式。因此它也以TCP/IP作为底层通信协议。

TCP/IP协议是Internet最基本的协议，TCP是TCP/IP传输层的协议，使用IP作为网络层协议。从上述的结构图设计中所知，为了实现对数据采集的监控，无线网络必须通过无线路由器与上位机通信，笔记本电脑有内置的无线网卡，因而上位机采用笔记本。

3.2 终端协议

系统的终端协议在这里指采集卡与无线模块之间的通信协议，其数据格式与通信方式由接口决定，这里通过UART转Wi-Fi实现通信。

根据无线基础网络的拓扑结构及单节点无线数据采集系统的结构图，Wi-Fi无线模块采用基础网络进行设置，只需要一个无线路由器作为AP。透明传输模式让模块在入网后就自动与设定的服务器连接，通过预先设定服务器地址建立一个服务器侦听，而且模块在串口和网络间相当于透明。这样可以使模块在有无线网络支持的环境中工作。

根据所在区域无线网络的无线路由器(AP)设定模块中无线网络的网络名称(与无线路由器的网络名称相同)、IP地址(设置为192.168.1.100，与所在网络为同一频段)、子网掩码、网关地址等参数，这样即可实现Wi-Fi无线模块与采集卡的通信。

3.3 无线模块与上位机软件通信

LabVIEW支持TCP/IP协议，大大简化了甚至免除了网络通信编程，用户使用这种技术可以很容易地实现在互联网上的高速实时数据交换[3-4]。鉴于LabVIEW强大的功能及其相较于传统仪器的优势，数据采集上位机软件采用LabVIEW进行设计。

在传输程序中，要把IP地址设定为与无线模块中的IP一致的IP地址才可实现无线模块与LabVIEW程序的通信,同时作为上位机软件LabVIEW所编写的数据采集程序是作为客户端实现与无线模块通信。程序中，采用TCP节点来实现基于TCP协议的局域网通信。TCP客户端程序框图如图4所示，其中Port即为无线模块的端口号，这里设置为999(可随机设置)，Address即为无线模块的IP地址，这里设置为192.168.1.100。

图4 TCP客户端程序框图

为了使这个无线数据采集的软件平台的功能更加完整也更为实用，设计出数据采集软件的体系结构图如图5所示。其中，用户登录模块用于对用户信息进行验证；数据采集模块是最核心的功能，用于采集传感器中的物理量，并通过无线模块发送到计算机数据采集平台；数据及曲线显示模块用于把采集到的数据用曲线显示出来；数据存档报表打印模块方便用户对数据的输出处理；网络发布模块实现的是把数据报表通过网络传输到其他控制计算机进行监测。

图5 采集软件体系结构图

4 系统测试结果分析

把上述采用Wi-Fi通信的无线数据采集应用于材料测试机中进行数据采集接收与监测。使用过程中，测试机对材料进行拉力试验的步骤是：将材料两端分别固定于测试机的夹具上，启动测试机，使夹具向相反方向运动，当软件检测到力量下降到最大力量的10%(此数值由用户通过软件设定)时，判断为材料断裂，同时自动发出机器停止指令。试验所用材料是实验室常用的导线。

如图6所示是对相同材料进行五次拉力试验的波形图，测试机的速度为100mm/min。五次试验的曲线编号分别对应五次试验的五组数据，如表1所示。通过监测软件统计计算出五组数据的平均值、标准差、最大值、最小值。通过对获得的数据进行分析可知，一方面，从采集数据的角度来看，在使用相同性能材料的前提下，获得的力的大小与位移的大小数据的标准差都比较小，说明采集数据的稳定性较好。另一方面，因材料为同一性能的材料，通过获得的数值可以对材料的韧性、弹性、可承受的最大拉伸力、及在什么位置容易断裂力学性能做出评估。由此可见软件能很好地实现数据的波形显示，数据运算等功能。

同时，可以通过网络在其他监测计算机上实现对数据报表的接收监测。

图6 五次试验曲线

力量点对应位移/mm,最大力量位移/mm最大力量/(N)最大力量延伸率/(%)力量点延伸率率(%)11.7621.9881.8333.822.7121.4623.8881.43836.732.2531.5822.8381.53635.122.4341.8220.9589.6732.232.8051.6721.8981.63433.682.57平均值1.6622.3183.234.322.55标准差0.141.103.6261.690.22最大值1.8223.8881.8336.732.80最小值1.4620.8981.43832.232.25

5 结论

通过研制采集卡并使用无线模块组成硬件采集系统，成功地实现对材料测试机的无线Wi-Fi数据采集，并通过LabVIEW软件编制了一个无线数据采集监测平台，实现了Wi-Fi与LabVIEW上位机的通信。系统测试表明，客户端能可靠地接收到现场数据，发送数据和接收数据具有很好的一致性。对于多点数据采集情况下或者在无法布线的危险环境中，这种通过Wi-Fi通信的无线数据采集方式的优势显而易见，值得借鉴。

[1] 周飞菲.无线传感器网络综述[J].科技信息(学术研究)，2007，22(1)：114-124.

[2] 沈兰荪.高速数据采集系统的原理与应用[M].北京:人民邮电出版社，1995.

[3] 张桐,陈国顺,王正林.精通LabVIEW程序设计[M].北京:电子工业出版社，2008,12.

[4] 杨乐平,李海涛,赵勇,等.LabVIEW高级程序设计[M].北京:清华大学出版社，2003,4.