倪 勇，夏育榮，蘇 潤

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 浮空平臺部，安徽 合肥 230031)

1 引言

空器囊體內(nèi)部溫度與浮空器所處環(huán)境 溫度差稱為超熱。浮空器采用輕于空氣的氣體提供浮力，從而克服自身重力升空，而氣體體積受溫度變化影響較大，因此超熱對浮空器浮力影響較大。為研究和掌握浮空器超熱及其對浮力影響規(guī)律，需要在地面進(jìn)行浮空器囊體內(nèi)部超熱實驗。傳統(tǒng)的實驗方法使用溫度計和U型管分別記錄空氣囊體內(nèi)部溫度和壓力，并人工觀察、記錄溫度和壓力值，這種方法自動化程度低，實驗人員勞動強(qiáng)度大，易造成疲憊，也容易出現(xiàn)人員讀數(shù)或記錄錯誤等情況。因此，針對囊體超熱實驗研究了一種自動化多傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)使用智能溫度傳感器和微差壓傳感器搭建，采用總線結(jié)構(gòu)將溫度傳感器和微差壓傳感器連接到計算機(jī)，從而大大簡化了硬件電路的實現(xiàn)，同時降低了線路導(dǎo)線重量。溫度傳感器和微差壓傳感器供電由地面或浮空器上28V電源提供。上位機(jī)界面使用VC編程實現(xiàn)，可實時采集和顯示囊體內(nèi)部溫度和氣壓的變化情況，同時可根據(jù)需要保存數(shù)據(jù)，便于后續(xù)處理和分析，上位機(jī)布置于地面時可進(jìn)行超熱實驗地面研究；布置于浮空器上時，可進(jìn)行浮空器升空超熱實驗。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。系統(tǒng)各傳感器節(jié)點(diǎn)通過RS-485總線實現(xiàn)與上位PC機(jī)之間的信息通訊，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與顯示。

由于需要在囊體內(nèi)部不同部位采集多個溫度量，因此在保證系統(tǒng)工作可靠性的前提下，為便于操作，總線結(jié)構(gòu)采用RS-485形式。

RS-485差分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)碾姎庖?guī)范，現(xiàn)已成為業(yè)界應(yīng)用較為廣泛的標(biāo)準(zhǔn)通信接口之一。RS-485為總線式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在同一總線上最多可以掛接32個節(jié)點(diǎn)。在本系統(tǒng)中的RS-485通信網(wǎng)絡(luò)中采用的是主從通信方式，即一臺上位機(jī)(主機(jī))帶多個傳感器(從機(jī))的控制方式。由于主機(jī)串口為RS232接口，因此總線上位機(jī)一端使用一個RS-485轉(zhuǎn)RS-232轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)與PC機(jī)的連接。

2.2 溫度傳感器

溫度傳感器選用了一款MT-WDT具有標(biāo)準(zhǔn)485通訊接口的高可靠性分布式測溫傳感器，具備微功耗、寬工作電壓(DC 5～28V)、寬測溫度范圍(-40℃～85℃)等特點(diǎn)，并采用金屬封閉式封裝，具有優(yōu)良的抗紫外線、抗靜電、防雷、抗震、防水、防腐蝕性氣體的能力，適用于氣象探測、惡劣工業(yè)環(huán)境等需要高可靠性和穩(wěn)定性、長期工作的應(yīng)用領(lǐng)域。溫度傳感器采用晶體諧振式形式，是目前抗干擾能力最好的測溫方法。傳感器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成圖

模塊的通訊協(xié)議遵照Modbus-RTU，波特率2400bps，8bit數(shù)據(jù)，1bit停止位，無奇偶校驗。Modbus協(xié)議中，數(shù)據(jù)存儲、傳輸均以“寄存器”為單位，每個寄存器都是2字節(jié)數(shù)據(jù)，高字節(jié)在先。通訊幀中，除CRC校驗低字節(jié)在先外，其余雙字節(jié)數(shù)據(jù)均高字節(jié)在先。

圖2 溫度傳感器原理框圖

在RS-485總線上，每個模塊都必須有唯一的地址(機(jī)號)，因此需要對每個模塊設(shè)置地址。地址設(shè)置使用了Modbus協(xié)議中的“寫寄存器”命令，地址設(shè)置采用了廣播方式。因此，在進(jìn)行地址設(shè)置時，RS-485總線上一次只允許尋址一個模塊，同時為了防止模塊地址因誤操作被修改，模塊只有在上電10秒內(nèi)才能接收寫地址指令。

2.3 微差壓傳感器

微差壓傳感器選用了一款精密智能壓力傳感器，該系列傳感器可適用于干性氣體。傳感器帶有不銹鋼隔膜，適用于腐蝕性介質(zhì)的測量，產(chǎn)品基于先進(jìn)硅壓阻技術(shù)，內(nèi)含微處理器進(jìn)行補(bǔ)償和通訊。該傳感器在超過工業(yè)溫度范圍內(nèi)能達(dá)到0.05%的精度，由于內(nèi)部壓力敏感元件的重復(fù)性好和利用單片機(jī)進(jìn)行數(shù)字補(bǔ)償，可獲得穩(wěn)定的高精度，在-40～85℃的溫度范圍內(nèi)，具有0.05%FS的典型精度，年穩(wěn)定性優(yōu)于0.025%。傳感器提供RS-485 和4-20mA 兩種不同輸出形式，數(shù)字輸出采樣速度最高可達(dá)到每秒120 點(diǎn)。傳感器原理結(jié)構(gòu)如圖3所示。

微差壓傳感器通過RS-485總線聯(lián)網(wǎng)，一臺PC機(jī)最多可掛接32個傳感器，每個傳感器具有有一個獨(dú)立的地址。利用這種網(wǎng)絡(luò)模式，用戶可以在某個傳感器，或一組傳感器、或網(wǎng)絡(luò)上所有傳感器通訊；改變波特率，從1200 至28800bps；設(shè)定壓力讀數(shù)形式，對每個傳感器單位進(jìn)行設(shè)定。

圖3 微差壓傳感器原理框圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 串口通訊

本系統(tǒng)軟件使用VC++進(jìn)行編寫，串口通信部分使用MSComm控件。Microsoft Communication Control(簡稱MSComm)是Microsoft公司的簡化Windows下串行通訊編程的ActiveX控件，它為應(yīng)用程序提供了通過串口收發(fā)數(shù)據(jù)的簡便方法。MSComm控件具有完善的串行數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送功能，它不但包括了全部Windows API中關(guān)于串行通信函數(shù)所具有的功能，還提供了更多的對象屬性來滿足不同用戶的編程需要。用戶只需通過設(shè)置并監(jiān)視其屬性和事件，即可完成串口編程，實現(xiàn)與被控制對象的串行通信、數(shù)據(jù)交換；并監(jiān)視或響應(yīng)在通信過程中可能發(fā)生的各種錯誤和事件。

MSComm控件的工作原理類似中斷方式，其通信功能的實現(xiàn)，實際上是調(diào)用了API函數(shù)。通信過程的實質(zhì)是通過對MSComm控件屬性的操作和對OnComm事件的響應(yīng)來完成對串行口的查詢、設(shè)置及通信。

它提供兩種處理通訊的方式:事件驅(qū)動法和查詢法。其中事件驅(qū)動通訊是利用MSComm控件的OnComm事件捕獲并處理通訊事件，它類似于硬件的中斷方式，具有響應(yīng)及時和可靠性高的特點(diǎn)。查詢法則是通過檢查MSComm的CommEvent屬性值來查詢事件和錯誤。本程序中采用的是事件驅(qū)動方式。

MSComm控件在程序中的使用方法和步驟如下：

(1)加入MSComm控件；

(2)設(shè)定通信端口號，即CommPort屬性；

(3)設(shè)定傳輸速度等參數(shù)，即Setting屬性；

(4)開啟通信端口，即將PortOpen屬性設(shè)置為True；

(5)使用Input和Output屬性，輸入和輸出數(shù)據(jù)；

(6)關(guān)閉通信端口時將PortOpen屬性設(shè)置為False。

在本系統(tǒng)的串口通訊的編程中需要注意兩個問題。一是每次打開串口前需要加入該串口是否已經(jīng)打開的判斷，否則易引起程序錯誤。二是本例中使用的兩種傳感器波特率并不相同，溫度傳感器為2400bps且不可更改，微差壓傳感器雖然可調(diào)，但通過實驗發(fā)現(xiàn)，其通信只能穩(wěn)定工作在9600bps或更高波特率下，因此在與不同傳感器進(jìn)行通信時，必須對串口設(shè)置進(jìn)行修改，實驗結(jié)果表明，串口通信完全可以在兩種波特率模式下很好地切換工作。

3.2 采集顯示

由于本系統(tǒng)使用傳感器較多，為避免時序混亂，因此使用輪詢方式定時查詢各傳感器數(shù)據(jù)，并顯示和存儲。軟件流程如圖4所示。

由于采用輪詢方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，因此定時器1用于確定輪詢時間。定時器1的時間由所有傳感器通信時間總和決定。設(shè)定定時器1的好處是任意兩次采集傳感器數(shù)據(jù)的時間間隔基本相等，這為后續(xù)的數(shù)據(jù)處理提供了便利。

定時器2用于設(shè)定傳感器反饋時間，如果定時器時間內(nèi)傳感器無反饋，則說明傳感器通信失敗，此時將在界面顯示該傳感器為空，同時跳過該傳感器查詢下一個傳感器數(shù)據(jù)。定時器2的時間設(shè)定需根據(jù)各溫度傳感器和微差壓傳感器的通信格式和波特率計算通信傳輸時間。

PC機(jī)按照定時器2的時間向各傳感器發(fā)送詢問指令，傳感器收到詢問指令后，將溫度或壓力信息按照約定的通信格式傳輸?shù)絇C機(jī)，數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭_(dá)PC機(jī)時，將產(chǎn)生一個串口中斷，程序響應(yīng)中斷讀取串口數(shù)據(jù)。

PC機(jī)讀取數(shù)據(jù)后首先按照約定的校驗方式對數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查，如通過校驗，則提取溫度或壓力值并顯示在界面上，否則說明通信發(fā)生錯誤并丟棄數(shù)據(jù)，部分程序顯示界面如圖5所示。最后，程序根據(jù)設(shè)定決定是否保存數(shù)據(jù)。

圖4 軟件流程圖

除數(shù)據(jù)顯示外，對于囊體壓力這一重要數(shù)據(jù)，程序還以曲線圖的形式加以顯示，以直觀了解壓力變化情況。

3.3 數(shù)據(jù)保存

程序設(shè)有保存數(shù)據(jù)按鈕，按下按鈕時，將在C盤根目錄下建立一個文件夾，文件夾以當(dāng)前時間為文件名，文件名格式為“年-月-日，時-分-秒”，為便于對每個傳感器的輸出進(jìn)行單獨(dú)數(shù)據(jù)處理，此時程序?qū)⒃谠撃夸浵乱愿鱾鞲衅黝愋秃凸?jié)點(diǎn)號為名稱保存一個TXT文檔，如“溫度1”，在各文檔中分別記錄當(dāng)前傳感器輸出值，記錄格式為“年-月-日，時-分-秒 XX℃”。記錄效果如圖6所示。

圖5 部分程序顯示界面

圖6 數(shù)據(jù)記錄

由于實驗時間持續(xù)較長，為保證單個文件不至于過大導(dǎo)致文件出錯，程序設(shè)定每個整點(diǎn)時間重新生成一個文件夾，同樣以當(dāng)前日期和時間命名該文件夾，同時將保存路徑自動切換至該文件夾，生成新的數(shù)據(jù)文件。

4 應(yīng)用

該多通道傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開發(fā)成本較低，除傳感器費(fèi)用外，基本無其它支出。系統(tǒng)開發(fā)完成后，在囊體超熱實驗過程中投入使用并得到了良好的驗證。

囊體超熱實驗同時進(jìn)行了兩個氣球囊體的測試，共連續(xù)運(yùn)行168小時，程序運(yùn)行穩(wěn)定，無意外情況發(fā)生，數(shù)據(jù)記錄完整。實驗界面如圖7所示。

圖7 應(yīng)用程序界面

5 結(jié)語

該套系統(tǒng)投入運(yùn)行后，工作人員對囊體超熱實驗的狀況能隨時監(jiān)控，減輕了勞動強(qiáng)度實現(xiàn)了囊體超熱實驗自動化的預(yù)期目的。同時，提供了較為完善的數(shù)據(jù)記錄功能，使后續(xù)試驗數(shù)據(jù)處理的精度大為提高，時間大為縮短。該系統(tǒng)實時性好，可靠性高，故障率低，成本低，維護(hù)簡單方便，能長時間無差錯地實現(xiàn)多通道傳感器數(shù)據(jù)采集、顯示和保存相比于傳統(tǒng)人員監(jiān)視和手工記錄的方式，采用該系統(tǒng)進(jìn)行囊體超熱實驗，人員由過去的4人輪流值班，減少為1人每隔2小時檢查一次，工作強(qiáng)度大為降低，且采用電子文檔記錄實驗數(shù)據(jù)的方式，省去了手工記錄數(shù)據(jù)并錄入計算機(jī)分析的過程，減少了數(shù)據(jù)出錯概率。系統(tǒng)經(jīng)過7天24小時連續(xù)實驗，有效獲取并記錄了全部實驗數(shù)據(jù)，實驗全程系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，降低了勞動強(qiáng)度，提高了勞動效率，采用電子方式記錄的實驗數(shù)據(jù)極大的方便了實驗結(jié)束后的數(shù)據(jù)分析，提供了數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性，系統(tǒng)研制達(dá)到了預(yù)期目的。

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