工程地质计算机应用工程地质计算机应用工程地质计算机...

工程地质计算机应用工程地质计算机应用工程地质计算机应用工程地质计算机应用2008年第4期总52期1Matlab/xPCTargetMatlab/xPCTargetMatlab/xPCTargetMatlab/xPCTarget实时数据采集平台研究吉智吉智吉智吉智1111、、、、2222，何凤有，何凤有，何凤有，何凤有1111，窦春雨，窦春雨，窦春雨，窦春雨3333(1中国矿业大学；2徐州工业职业技术学院)(3中国人民解放军工程兵指挥学院江苏徐州221000）【摘要】本文对基于PC机的数据采集系统几种常见的技术方案进行了对比分析，研究了基于Matlab/xPCTarget的实时数据采集系统技术方案，搭建了实验平台，利用一个典型数据采集实例测试了方案的可行性。研究表明该方案在科学研究和中小规模工程中具有较高的应用价值。【关键词】数据采集；计算机仿真；实时系统1引言MATLAB作为一种科学研究和工程计算软件发展相当迅速，目前已经在数值运算、控制理论、信号处理、系统辨识等领域获得了极为广泛的应用。但随着技术的发展，有些领域人们已经不满足于“纯软件”的仿真和模拟研究了，更希望计算机能够直接对“真实”的外部信号进行输入输出和分析处理，因此各种计算机数据采集系统应运而生[2]。基于PC机的数据采集系统主要有以下几种实现途径[5]：1、针对特定的采集板卡采用高级语言调用相应的函数，自行开发数据采集软件。这种方法代码效率高，需要开发人员具备一定的编程经验，但代码可移植性差，开发效率低，难以实现复杂的功能和界面；2、采用通用的数据采集软件如Labview等，对支持的板卡进行相应的配置，完成数据采集软件的图形化编程开发。这种方法简单便捷，应用很广；3、利用MATLAB中的DataAcquisitionToolbox模块进行数据采集。这种方法虽然功能不够丰富，但不象前两种方法存在和MATLAB的数据接口问题，有利于进一步的数据处理。同时后两种方法一般基于Windows平台，因而不可避免地存在实时性问题。Matlab的xPCTarget模块是一种基于双PC机的快速原型和硬件在回路仿真平台，支持多种通用采集板卡，工作于实时环境下，因此可以方便地应用于实时数据采集[2]。部分通用数据采集软件如Labview虽然也推出了双机模式的实时数据采集方案，但由于存在和Matlab的数据接口问题，增加了软件系统的复杂性。2系统构建xPCTarget模块是一个基于RTW的附加工具，主要应用于产品的快速原型开发、硬件在回路仿真。系统由硬件和软件两部分组成，硬件系统包括HostPC、TargetPC、数据采集板卡、HostPC与TargetPC间的通信设备。软件包括MATLAB、Simulink、RTW、xPCTarget、C编译器等[1]。图1xPCTarget实验平台工程地质计算机应用工程地质计算机应用工程地质计算机应用工程地质计算机应用2008年第4期总52期2基于xPCTarget的实时数据采集系统采用HostPC和TargetPC分离的双机模式，实验平台见图1[3][4]。其工作过程是在HostPC上运行Windows、MATLAB、Simulink、xPCTarget对TargetPC的通信设备进行配置，生成启动软盘。搭建数据采集系统的软件模型并对数据采集设备进行相应的配置，然后利用RTW、C编译器生成可执行的C代码。通过启动软盘将TargetPC启动到实时模式下，利用串口或以太网将可执行的C代码下载到TargetPC上实时执行。在工作过程中可以通过HostPC或TargetPC以多种方式对工作过程进行控制、参数调整、数据记录和处理。采集的数据可以在HostPC中利用MATLAB直接进行分析处理，其构成见图2[3][4]。图2实验平台结构框架图3网卡配置实验平台需要两台PC机，一台用作HostPC，另一台用作TargetPC。通信方式有串口和以太网两种，本文采用速度快、距离远的以太网方式。由于TargetPC软件内核驱动程序的原因，网卡必须为特定的几种，具体可以参阅help文件，本例中TargetPC采用Intelpro/100+网卡，而HostPC可以采用操作系统支持的任意一种网卡。确保HostPC网络邻居中相应网卡已经启用，右键单击相应网卡属性\常规\Internet协议\属性按照图3对网卡进行配置，TargetPC机网卡的配置方法与此类似，但IP地址的最后一位和HostPC不同。计算机用双机互联型网线进行联机，按照以下方法对通信状况进行测试：在HostPC中点击开始\运行\CMD\确定，打开DOS模式，键入TargetPC的IP地址：ping196.168.0.3，观察是否能够正常收到响应。同样在TargetPC中再次进行测试，注意应键入HostPC的IP地址，如ping196.168.0.4。确保通信正常地情况下，在HostPC中打开MATLAB，键入xpcexplr，按照图4对TargetPC的通信参数进行设定。注意务必确保输入的IP地址和先前对网卡的配置一致。配置完成后单击Configuration\TargetBootMode\Bootfloppy生成启动软盘。将软盘插入TargetPC的软驱中，并在TargetPC的BIOS中将软驱设为第一启动设备，启动TargetPC，启动后TargetPC处于等待代码下载执行的状态。在HostPC的xpcexplr中右键单击TargetPC1节点，选择connect，图4中TargetPC1节点前的红色小叉去掉了。即表示双机通信正常。3应用实例本例中我们设计了一个在数据采集中既简单又具代表性的实例来测试系统的可行性：信号发生器产生一个正弦信号，通过采集卡的A/D通道将信号采集到MATLAB中显示；在MATLAB中用信号发生模块产生一个正弦波信号，通过TargetScope模块进行显示，通过采集卡的D/A通道将信号输出，并用示波器工程地质计算机应用工程地质计算机应用工程地质计算机应用工程地质计算机应用2008年第4期总52期3观察信号的波形。数据采集卡采用NI的PCI6024E数据采集卡，在xPCTarget中提供了该采集卡的驱动程序，因此不必编写驱动程序就可以很方便地直接应用。将数据采集卡插入TargetPC的PCI插槽，按照用户手册进行设备安装和校准。事实上由于xPCTarget自带该采集卡驱动程序，在xPCTarget中进行操作并不需要安装厂家提供的数据采集软件和驱动程序，安装DAQ-mx和驱动程序的目的仅仅是为了校准以及测试采集卡的功能。在TargetPC的BIOS中关闭以下3项功能：1、AdvancedPowerManagement；2、USBPort；3、Plug-and-Play(PnP)OperatingSystem；前两项容易引起处理器过载，第3项会造成PCI插槽工作不正常。图4TargetPC通信参数设定[1]在Simulink中建立一个空白的模型文件，并将其保存为daq1.mdl，然后展开Simulink的xPCTarget模块，在A/D条目的NationalInstruments中寻找PCI-6024E-AD，并将其添加到空白模型中，继续添加RateTransition、TargetSope、PCI-6024E-D/A模块并按照图5将各模块进行连接，按照图6对各模块进行设置，即可完成数据采集软件的图形化编程工作。图5在HostPC中建立的数据采集模型图6PCI6024E采集卡AD模块属性设置[1]下面对仿真参数进行设置，在Simulation\ConfigurationParameters的Solver条目中将Simulation工程地质计算机应用工程地质计算机应用工程地质计算机应用工程地质计算机应用2008年第4期总52期4time\Stoptime设为期望的时间，Soveroptions\type设为Fixed-step，将Soveroptions\Solver设为合适的解算器如ode4(Runge-Kutta)；将Real-TimeWorkshop\TargetSelection\Systemtargetfile设为xpctarget.tlc，其余选项保持默认值即可。确保HostPC和TargetPC通信畅通，选择Tools\RealTimeWorkshop\BuildModel即可将模型文件编译为可执行C代码文件，并自动下载到目标机中实时执行。这时一个完整的实时数据采集系统构建完成，可用于数据采集测试，在TargetPC中键入C激活命令输入框，通过指令的方式对数据采集系统进行信号的采集、记录、显示并控制目标系统的工作状态；也可以在HostPC中通过WEB方式进行，方法如下：在MATLAB中键入xpcwwwenable将WebBrowser连接到TargetPC上，点击Desktop\WebBrowser即可启动WEB方式，在地址栏中键入TargetPC的地址:22222。这种方法界面直观友好，又能实现远程信号采集控制，但同一时刻只能有一台HostPC连接到TargetPC中,并且每次编译下载完模型后都必须用xpcwwwenable指令重新将WebBrowser连接到TargetPC上，否则会提示通信中断错误。图7TargetPC屏幕输出图8采集卡输出波形图7所示为HostPC上WebBrowser中利用ScreenShot功能抓拍到的TargetPC屏幕界面，上面的波形为采集卡AD通道采集到的正弦信号；下面的波形为MATLAB中用信号发生模块产生一个正弦波信号，图8为示波器中监视到的采集卡DA通道输出的波形。从这个实例可见所构建的实时数据采集系统AD与DA通道均可以正常实现数据采集。4结束语基于Matlab/xPCTarget的数据采集系统利用通用数据采集设备和普通个人计算机构建双机模式，可以利用最新的计算机技术；是一种真正意义上的实时数据采集系统，开发环境友好，成本相对较低，易于软硬件升级，代码可移植性好，还可以实现远程控制；能够直接将数据采集到MATLAB中进行处理，避免了烦琐的跨软件平台数据调用。在科学研究和中小规模工程中具有较高的应用价值。参考文献[1]xPCTargethelp,TheMathWorks.Inc,2008[2]薛定宇等，基于MATLAB/Simulink的系统仿真技术与应用，北京：清华大学出版社，2002[3]K.H.Low,HengWang,MichaelYuWang,“OntheDevelopmentofaRealTimeControlSystembyUsingxPCTarget:SolutiontoRoboticSystemControl”,IEEEProceedingsoftheInternationalConferenceonAutomationScienceandEngineering,Edmonton,Canada,pp345—350，August1&2,2005工程地质计算机应用工程地质计算机应用工程地质计算机应用工程地质计算机应用2008年第4期总52期5[4]P.S.Shiakolas,D.Piyabongkam,“OntheDevelopmentofaReal—TimeDigitalControlSystemUsingxPC—TargetandaMagneticLevitationDevice”,Proceedingsofthe40thIEEEConferenceonDecisionandControl,Orlando,FloridaUSA,December2001[5]数据采集系统应用与编程，研华（中国）培训中心，2004