0 引言

    數(shù)據(jù)采集是指從傳感器和其他待測設備等模擬和數(shù)字被測單元中自動采集非電量或者電量信號，送到上位機中進行分析、處理。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)大部分是基于有線的通用微型計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。雖然有線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集精度高，能夠實現(xiàn)同步數(shù)據(jù)采集，但也存在布線繁瑣、耗材多、造價高、功耗大、擴展性能差等不足之處。本設計針對有線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的不足，在保證數(shù)據(jù)的同步采集和允許誤差范圍前提下，提出了以單片機C8051F020微處理器為核心的無線分布式同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)方案設計

    本分布式無線同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計包括通信控制中心與多個無線數(shù)據(jù)采集單元，系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。通信控制中心主要由上位機和無線模塊組成，無線模塊與上位機之間通過USB接口連接。整個系統(tǒng)由上位機控制，可以遠程實時配置系統(tǒng)參數(shù)，控制無線數(shù)據(jù)采集單元實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、接收、存儲和處理。

2 系統(tǒng)硬件設計

    由圖1可知，系統(tǒng)硬件電路設計主要包括通信控制電路和無線數(shù)據(jù)采集單元的設計。

2.1 通信電路控制電路設計

    通信控制電路的主要功能是將上位機發(fā)出的控制命令轉發(fā)給各無線數(shù)據(jù)采集單元，并接收無線數(shù)據(jù)采集單元回傳的數(shù)據(jù)，發(fā)送到上位機進行數(shù)據(jù)后期處理。系統(tǒng)通信電路主要由上位機與無線模塊之間的通信電路設計以及無線通信模塊與各無線數(shù)據(jù)采集單元之間的通信電路設計兩部分組成。

2.1.1 上位機與無線模塊電路設計

    上位機與無線模塊之間采用USB轉串口的通信連接，通過Silicon Laboratories公司的USB接口與RS232串口轉換器CP2102芯片實現(xiàn)[1]。USB轉RS-232串口電路設計如圖2所示。通過轉換電路，實現(xiàn)了USB端口的數(shù)據(jù)傳輸端（D-和D+）與RS-232串口的數(shù)據(jù)通信端（TXD和RXD）之間的通信。

    無線模塊選用美國DIGI公司的XBee-PRO RF模塊，該模塊操作在ISM 2.4 GHz，低功耗，低成本，高性能，而且使用簡易。數(shù)據(jù)輸出DOUT接至CP2102的串口接收RXD，數(shù)據(jù)輸入DIN連接至CP2102的串口發(fā)送TXD。電路設計如圖3所示。

2.1.2 無線模塊與無線模塊通信

    在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中使用無線模塊的透明傳輸模式，它起到替代串口線的作用。所有通過DIN引腳接收到的UART數(shù)據(jù)依次由RF模塊發(fā)送。收到RF數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)被直接送出到DOUT腳。相鄰無線模塊之間可以自組網，以此拓寬無線通信的傳輸距離^[2]。

2.2 無線數(shù)據(jù)采集單元設計

    無線數(shù)據(jù)采集單元電路設計框圖如圖4所示，主控制單元為無線數(shù)據(jù)采集單元的核心，它控制采集系統(tǒng)的A/D轉換、GPS模塊和無線模塊。GPS模塊為系統(tǒng)提供位置信息、時鐘信息和秒脈沖PPS信號，與主控單元通過異步串行端口進行通信，實現(xiàn)時鐘、位置信息的接收，秒脈沖輸出PPS引腳接入主控單元的外部中斷源/INT0，控制無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同步采集^[3]。

3 系統(tǒng)軟件設計

    為了使程序編寫、調試方便以及結構清晰，軟件開發(fā)采用模塊化設計，整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括以下幾個模塊：主程序設計、數(shù)據(jù)采集程序設計、GPS程序設計和無線通信程序設計^[4]。

3.1 主程序設計

    系統(tǒng)主程序流程框圖如圖5所示。系統(tǒng)上電進入初始化后，處于等待上位機下發(fā)命令狀態(tài)。各數(shù)據(jù)采集單元收到上位機下發(fā)的命令后進行ID號匹配，只有ID號與上位機下發(fā)的ID號匹配才開始解析上位機下發(fā)的命令。解析成功之后執(zhí)行相應的指令。

3.2 數(shù)據(jù)采集程序設計

    系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集部分由地震檢波器將地震波信號轉換成電信，經過調理電路放大、濾波等處理后，經差分輸入接入A/D轉換，進行模數(shù)轉換得到數(shù)字信號。A/D采集程序流程圖如圖6所示。系統(tǒng)通過GPS模塊的PPS信號使個數(shù)據(jù)采集單元進行同步采集。

3.3 GPS程序設計

    GPS數(shù)據(jù)接收程序流程圖如圖7所示，圖中GPS_RX為GPS接收數(shù)據(jù)計數(shù)器。當無線數(shù)據(jù)采集單元接收到上傳GPS命令時，主程序中使能GPS數(shù)據(jù)接收，串口0中斷服務程序中接收GPS數(shù)據(jù)，首先檢測GPS數(shù)據(jù)幀頭開始“$”，檢測到“$”后，開始接收串口0的數(shù)據(jù)，接收到6個數(shù)據(jù)時，判斷數(shù)據(jù)幀頭其余數(shù)據(jù)是否正確，正確的數(shù)據(jù)幀頭為“GPGGA”。如果數(shù)據(jù)幀頭接收正確，則其后的數(shù)據(jù)幀均接收到接收緩存數(shù)組；如果數(shù)據(jù)幀頭接收不正確，則清零GPS接收數(shù)據(jù)計數(shù)器GPS_RX，重新開始GPS數(shù)據(jù)接收。NMEA-0183標準語句格式幀結束為CR+LF，當接收到0x0d和0x0a時，說明GPS數(shù)據(jù)已接收完。

3.4 無線通信程序設計

    為了保證無線數(shù)據(jù)采集單元能接收到上位機發(fā)送的命令，串口1一直處于打開狀態(tài)。命令接收程序流程圖如圖8所示。上位機下發(fā)命令為8 B，其中前4個字節(jié)為數(shù)據(jù)幀頭“$DZD”，第5個字節(jié)為ID號，第6個字節(jié)為命令字，第7、8個字節(jié)為參數(shù)。如果數(shù)據(jù)幀頭接收正確，則其后的數(shù)據(jù)幀均接收到串口1接收數(shù)據(jù)數(shù)組；如果數(shù)據(jù)幀頭不正確，則清零命令接收計數(shù)器CMD_RX，重新開始命令接收^[5]。

    無線數(shù)據(jù)采集單元上傳的數(shù)據(jù)包括GPS數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)采集單元狀態(tài)數(shù)據(jù)和有效數(shù)據(jù)。主控單元通過串口1將要上傳的數(shù)據(jù)發(fā)送給無線模塊，無線模塊轉發(fā)給上位機。GPS數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)和有效數(shù)據(jù)上傳程序設計思想類似。

    上傳回上位機的有效數(shù)據(jù)包含觸發(fā)坐標、起始時刻和有效數(shù)據(jù)，3組數(shù)據(jù)之間通過回車符分開，3組數(shù)據(jù)的幀頭分別為“$CFZB”、“$QSSK”和“$YXSJ”， 每組數(shù)據(jù)幀頭后增加ID號，再發(fā)送有效數(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)測試

    無線同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的測試分為兩個階段進行。第一個階段為電路板測試，測試系統(tǒng)各部分功能是否正常；第二個階段為現(xiàn)場測試，測試系統(tǒng)在真實地理環(huán)境中數(shù)據(jù)采集的精確度、穩(wěn)定性和可靠性。

4.1 電路板測試

    系統(tǒng)單個無線數(shù)據(jù)采集單元調試中，測試電路ID號為2號，系統(tǒng)上電后處于待機狀態(tài)，調試軟件選擇COM口，配置波特率為57 600 b/s，測試上傳GPS和查詢狀態(tài)命令結果如圖9所示，左側窗口為ASCII碼顯示，右側窗口為16進制顯示。通過調試端口發(fā)送上傳GPS命令， 命令16進制顯示為“24 44 5A 44 02 12 00 00”，收到上傳的GPS數(shù)據(jù)，包括ID號02、時間信息、經緯度信息等；再發(fā)送查詢狀態(tài)命令“24 44 5A 44 02 44 00 00”，返回02號單元處于12命令狀態(tài)。通過測試1說明，通信控制中心與無線數(shù)據(jù)采集單元之間的無線通信正常，無線數(shù)據(jù)采集單元上傳GPS命令和查詢狀態(tài)命令工作正常。

    系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的測試結果如圖10所示。等待GPS模塊信號穩(wěn)定后，發(fā)送啟動采集命令“24 44 5A 44 02 77 00 00”，再發(fā)送查詢狀態(tài)命令，返回數(shù)據(jù)表明02號單元處于采集狀態(tài)77，狀態(tài)正確，等待震動觸發(fā)。若沒有觸發(fā)信號，則發(fā)送上傳有效數(shù)據(jù)命令，返回數(shù)據(jù)“NODATA”。若敲擊02號單元產生震動信號，則發(fā)送上傳有效數(shù)據(jù)命令，返回起始時刻，觸發(fā)坐標，還有200個（系統(tǒng)默認上傳有效數(shù)據(jù)個數(shù)為200）有效數(shù)據(jù)。通過測試2說明系統(tǒng)采集部分工作正常。

    系統(tǒng)設置參數(shù)的測試結果如圖11所示。上位機發(fā)送有效數(shù)據(jù)長度設置命令“24 44 5A 44 02 66 00 64”，命令中66為命令字，參數(shù)為2 B，修改有效數(shù)據(jù)長度為100，十六進制表示為64。接著查詢狀態(tài)，返回02號單元處于參數(shù)設置狀態(tài)66。然后再進行數(shù)據(jù)采集，觀察有效數(shù)據(jù)長度是否已修改，由返回數(shù)據(jù)可見，有效數(shù)據(jù)長度參數(shù)設置成功，返回有效數(shù)據(jù)100個。通過測試3說明系統(tǒng)參數(shù)設置程序工作正常，能夠實現(xiàn)參數(shù)的遠程配置。

4.2 現(xiàn)場測試

    系統(tǒng)進行了現(xiàn)場實地測試，測試多個無線數(shù)據(jù)采集單元能否實現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步采集。將6個無線數(shù)據(jù)采集單元在1 m范圍內排布成圓形，以保證無線數(shù)據(jù)采集單元能夠采集到震動信號。通信控制中心距離無線數(shù)據(jù)采集單元5 m的地方。實驗開始后，首先打開電源開關，上傳GPS信號，配置比較電壓值為100，有效數(shù)據(jù)長度為200。發(fā)送采集數(shù)據(jù)命令，查詢系統(tǒng)狀態(tài)，6個無線數(shù)據(jù)采集單元處于采集狀態(tài)，在圓形中央人工激發(fā)震動，上位機下發(fā)上傳有效數(shù)據(jù)命令，接收有效數(shù)據(jù)。將接收的有效數(shù)據(jù)利用上位機測試軟件繪制成波形，如圖12所示。

　 分析采集數(shù)據(jù)波形圖可知，6個無線數(shù)據(jù)采集單元的有效數(shù)據(jù)都接收完整，大于比較電壓的數(shù)據(jù)為震動觸發(fā)數(shù)據(jù)，在圖中為波形起伏部分。波形左側為單元ID號，起始時刻和觸發(fā)坐標。采集單元距離震源遠近不同，從圖中數(shù)據(jù)可以看出觸發(fā)坐標相差1～2個點。6個采集單元的起始時刻完全相同，都為“24907”，說明起始時刻為2點49分07秒，07秒6個單元同步采集數(shù)據(jù)。為了驗證系統(tǒng)的可靠性，現(xiàn)場做了多次觸發(fā)采集，結果基本相同。說明系統(tǒng)能夠完成數(shù)據(jù)的無線同步采集，達到了預期設計目標。

5 結論

    實驗證明，該分布式無線同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠達到數(shù)據(jù)的同步采集和數(shù)據(jù)的無線傳輸。系統(tǒng)工作穩(wěn)定，操作簡單，具有較高的工程使用價值，給基于分布式的系統(tǒng)設計提供了參考。

參考文獻

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