采集系统硬件设计

3.1 控制板卡电路设计

3.1.1 主控芯片选型

在为采集系统挑选主控芯片时，应全面考虑以下因素以确保其满足系统要求：

（1）处理能力和性能：根据任务需求，主控芯片需具备充足的计算资源，以应

对数据采集系统的处理负荷和运算需求。为了满足需求，在选型时就需要充分考虑处

理器核心的数量和类型、时钟速度和指令集等因素。鉴于未来系统可能面临的升级和

扩展需求，选取一款高计算性能的处理器可以避免在增加新功能或处理更多数据时

遇到性能瓶颈。

（2）接口兼容性：主控芯片需要支持连接和通信所需的各种物理和逻辑接口，

确保芯片可以与其他系统组件(比如传感器、存储模块和通信模块等)正常进行数据交

互。

（3）软件支持和生态系统：主控芯片选择支持多种开发工具和操作系统的型号，

可以有效简化开发过程并提高系统的可扩展性和灵活性。

本系统中，需要完成与各个模块电路的通信功能，同时需要对部分器件进行逻辑

控制，由于工作环境的原因还需要与上位机实现无线通信，综合考虑上述因素，最终

选择 Xilinx 公司的 ZYNQ-7000 系列 XC7Z020CLG400-2 芯片作为主控芯片。

3.1.2 时钟电路设计

控制板卡上为 ZYNQ 芯片的 PL 端和 PS 段分别设计了两个独立的基本时钟。PL

端的时钟为 50MHz 的有源晶振，原理图如图 3-1 所示。PL 端的晶振输出 PL_GCLK

连接到 PL 的全局时钟（MRCC），即 U18 管脚 IO_L12P_T1_MRCC，这样可以给 PL

端用户逻辑提供时钟。当逻辑部分需要其他频率的时钟时可通过相应的 IP 核进行倍

频或分频。

ZYNQ 应用程序设计

应用程序在本系统中的主要任务是协调整个数据流程，包括启动和停止数据采

集，处理接收到的数据，以及将数据发送至上位机。应用程序需要在各个阶段都能有

效地与硬件交互，并处理数据。这就要求应用程序满足以下需求来确保系统的高效运

行以及数据的准确传输。

（1）使用 POLL 函数实现阻塞 IO：使用 POLL 函数实现阻塞 IO，此时应用程

序在数据还未就绪时就会将对应的线程挂起，减少 CPU 资源的浪费。

（2）使用驱动提供的 IOCTL 控制：IOCTL 主要用于控制采集的开始与结束并

且读取数据

（3）使用 socket 发送数据：应用程序利用套接字建立网络连接，然后将处理后

的数据发送到上位机。

在本系统中，数据采集模块通过 Wi-Fi 模块将数据传输到数据处理模块中。Linux

操作系统通过提供套接字来进行网络编程，一个套接字域可能有多种不同的通信方

式，而每种通信方式又有其不同的特性。在网络域中，我们就需要注意底层网络的特

性，以及不同的两种通信机制：流式套接字（Stream Socket）和数据报套接字（Datagram

Socket）：

（1）流式套接字：使用 TCP 协议，提供可靠的、面向连接的通信，能够保证数

据的顺序和完整性。但是流式套接字由于其可靠性，可能在某些情况下牺牲一定的实

时性。

（2）数据报套接字：使用 UDP 协议，提供无连接的通信服务，数据传输不保证

可靠性、顺序性或数据完整性。适合实时性要求较高的应用。

本系统作为应变/温度同步采集系统，对实时性要求较高。而且采集系统未来在

工作中需要处于旋转环境等恶劣环境中，当受环境影响网络状态不好时，UDP 协议

提供简单的数据传输机制，不需要像 TCP 协议那样维护复杂的连接状态、数据序列

号和确认机制，这使得在环境恶劣的情况下更加适用。因此，系统选用数据报套接字

来匹配采集系统的实际需求。

4.7 上位机设计

上位机软件在课题组已有成果的基础上，选择 Microsoft Visual Studio 集成开发

环境，基于.NET 框架开发，系统通过 Wi-Fi 模块与上位机进行通信。上位机包括了

参数配置、数据采集、数据回放和数据导出等模块，其工作模式分为测量模式和回放

模式，工作流程如图 4-10 所示。

在测量模式下，首先需要对硬件系统进行参数配置，包括选择通信协议、传输速

率和系统自检等。完成参数修改并保存后，将配置发送至转子组件的硬件系统。配置

成功后，便可以接收系统实时采集的数据。数据通过 Wi-Fi 模块传输至上位机，经过

解析后实时显示在软件界面。当上位机发出停止采集命令时，上位机软件会关闭接收

线程，将采集的原始数据保存并更新数据文件。在该模式下，可以有效监测系统的运

行状态和信号变化。

在回放模式下，可以查看保存在计算机中的历史数据。上位机软件读取所选取的

数据文件，并根据时间序列重新绘制数据曲线，从而帮助用户回顾和分析历史数据，

研究信号特征和变化趋势。

高精度台式万用表使用吉时利公司的 KEITHLEY 2002 型数字万用表，其具有高

精度、高稳定性和高分辨率的特点，在测试中用于精确测量各个节点的电压和电流。

多功能温度校验仪选用 conST313 型号，模拟不同型号标准热电偶在不同温度下

产生的标准电压和信号。在测试过程中，需要将系统采集的温度值与 conST313 的设

定值进行对比，以评估温度信号的误差。

测试平台选用 XL2106-6 型标准应变模拟仪来产生应变信号。该设备可以产生最

大±111111με 的应变，在 0~5kHz 范围内的精确度为 0.05%。标准应变模拟仪可以模

拟全桥和半桥类型的电桥，桥臂阻值为 120Ω。使用该设备可以精确模拟应变信号，

为应变测量提供准确可靠的基础。

直流电源为采集系统提供电压，型号为 MS-3610DS。