吳銀川，張家田，嚴(yán)正國，蘇 娟

（西安石油大學(xué) 光電油氣測(cè)井與檢測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065）

無線同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳銀川，張家田，嚴(yán)正國，蘇 娟

（西安石油大學(xué) 光電油氣測(cè)井與檢測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065）

設(shè)計(jì)了以微控制器為核心的數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)，利用GPS接收模塊實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)的定位，應(yīng)用GPS模塊的PPS輸出信號(hào)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的同步采集，選擇XBee-Pro（2.4GHz）無線傳輸模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸，數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)的參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)在線配置。通過野外試驗(yàn)驗(yàn)證，采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了子系統(tǒng)的定位，數(shù)據(jù)的同步采集，可靠通信距離達(dá)到1600米。該系統(tǒng)可方便代替遠(yuǎn)距離有線數(shù)據(jù)采集，具有較好的應(yīng)用前景。

數(shù)據(jù)采集；無線通信；同步采集；采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集技術(shù)主要研究信號(hào)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、傳輸、處理以及控制問題[1-2]。在野外工業(yè)生產(chǎn)（例如輸油管線監(jiān)測(cè)、石油地震勘探等）中，需要利用多傳感器組成的傳感器陣列[3-5]，實(shí)現(xiàn)多個(gè)信號(hào)的同步采集[6]；通過數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)將檢測(cè)到的信號(hào)上傳至上位機(jī)（工作站），從而進(jìn)行進(jìn)一步的信號(hào)處理；工作人員通過上位機(jī)控制采集過程，接收保存上傳數(shù)據(jù)，處理數(shù)據(jù)結(jié)果，從而獲取有用信息。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集采用有線組成，本文以微控制器（C8051F020）為核心設(shè)計(jì)無線數(shù)據(jù)采集子單元，通過多個(gè)子單元組成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；各子單元通過內(nèi)置GPS接收模塊，實(shí)現(xiàn)定位功能；子系統(tǒng)利用GPS模塊的PPS信號(hào)，實(shí)現(xiàn)各個(gè)子系統(tǒng)的同步采集；各子系統(tǒng)通過內(nèi)置無線傳輸模塊（XBee-Pro，2.4 GHz）實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)（工作站）遠(yuǎn)距離無線通信，通信速率可達(dá)250 kbps；上位機(jī)作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的控制中心，實(shí)現(xiàn)采集系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置，上位機(jī)接收、存儲(chǔ)各子系統(tǒng)上傳的數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)做進(jìn)一步的處理。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)框圖設(shè)計(jì)

無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖如圖1所示。主控單元主要由上位機(jī)和無線模塊組成，無線模塊和上位機(jī)之間通過USB接口連接。上位機(jī)控制整個(gè)采集系統(tǒng)的工作，實(shí)現(xiàn)參數(shù)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)配置，控制子單元的采集，數(shù)據(jù)的接收、存儲(chǔ)以及處理功能。子單元主要由數(shù)據(jù)采集、無線模塊以及GPS模塊組成；子單元含有微控制器，微控制器通過無線模塊來接收上位機(jī)命令、解析上位機(jī)命令、設(shè)置子單元參數(shù)、實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)采集、GPS定位數(shù)據(jù)接收的。

圖1 無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖Fig.1 Diagram of wireless data acquisition system

1.2 子單元接口電路設(shè)計(jì)

子單元接口電路設(shè)計(jì)如圖2所示，微控制器（C8051F020）為子單元的控制核心，控制采集系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換、無線模塊以及GPS模塊。該微控制器內(nèi)部集成有8位/12位A/D轉(zhuǎn)換器，8位A/D轉(zhuǎn)換速率達(dá)500ksps，12位A/D轉(zhuǎn)換速率達(dá)100 ksps，該轉(zhuǎn)換速率滿足一般工程需要；交叉開關(guān)可實(shí)現(xiàn)通道數(shù)的擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)的采集輸入。GPS模塊與控制器之間通過串口0相連，通過GPS模塊可實(shí)時(shí)定位采集子單元的位置信息和時(shí)間信息。GPS模塊秒同步PPS信號(hào)，與控制器的外部中斷0連接，實(shí)現(xiàn)各個(gè)采集子單元的同步采集。無線模塊與控制器通過串口1相連接，通過無線模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離通信。無線模塊采用迪進(jìn)公司生產(chǎn)的XBee-PRO DigiMesh 2.4型無線射頻模塊，該模塊采用DigiMesh網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，無線最高通信速率為250 kbps，城市通訊距離90米，野外通信距離1 600米，發(fā)射功率63 mW，接收靈敏度-100 dBm。該模塊提供API模式、透?jìng)髂Ｊ胶虯T命令模式供用戶選擇。

圖2 子單元接口電路設(shè)計(jì)Fig.2 Design of subunit interface circuit

2 同步采集技術(shù)

在實(shí)際工程中，常需要對(duì)多點(diǎn)傳感器信號(hào)進(jìn)行同步采集，同步信號(hào)產(chǎn)生非常關(guān)鍵。在該無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，多個(gè)GPS模塊提供的PPS信號(hào)是同步的，因此采集系統(tǒng)可利用PPS信號(hào)實(shí)現(xiàn)同步采集。為便于敘述，以地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為例，現(xiàn)假設(shè)采集子單元利用8位A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換速率（采樣頻率）為1 000 SPS，控制器內(nèi)存中設(shè)置1 000個(gè)字節(jié)空間實(shí)現(xiàn)循環(huán)存儲(chǔ)，如圖3所示。同步采集原理如圖4所示，當(dāng)控制器收到啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換命令時(shí)，下位機(jī)（子單元）等待PPS（邊沿觸發(fā)信號(hào)）同步信號(hào)，當(dāng)PPS同步信號(hào)到來時(shí)，啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，A/D轉(zhuǎn)換每獲得一個(gè)數(shù)據(jù)，順序存儲(chǔ)一個(gè)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)指針加1，若數(shù)據(jù)指針超過999時(shí)，則此時(shí)數(shù)據(jù)指針不再加1，保持為999。經(jīng)過1 s后，即下一個(gè)PPS信號(hào)到來時(shí)，判斷數(shù)據(jù)指針的值：若數(shù)據(jù)指針為999時(shí)，數(shù)據(jù)采集指針清零復(fù)位；當(dāng)數(shù)據(jù)指針小于999時(shí)，將數(shù)據(jù)補(bǔ)齊后，數(shù)據(jù)指針清零復(fù)位。每次PPS到來時(shí)，讀取GPS提供的當(dāng)前時(shí)刻，將該時(shí)刻作為數(shù)據(jù)指針為0時(shí)的絕對(duì)時(shí)刻，從而實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)傳感器數(shù)據(jù)的同步采集。當(dāng)下位機(jī)檢測(cè)到有效信號(hào)時(shí)，將絕對(duì)時(shí)刻、有效信號(hào)觸發(fā)時(shí)刻（坐標(biāo)）以及有效數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)，上位機(jī)再進(jìn)行進(jìn)一步數(shù)據(jù)處理。

圖3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)Fig.3 Data store

圖4 同步采集原理Fig.4 Synchronization acquisition principle

3 控制命令及上傳數(shù)據(jù)格式設(shè)計(jì)

3.1 控制命令設(shè)計(jì)

控制命令格式為：命令頭（4字節(jié)）+子單元編號(hào)（1字節(jié)）+命令（1字節(jié)）+參數(shù)（2字節(jié)），控制命令為定長字節(jié)（8字節(jié)）。上位機(jī)下發(fā)命令頭為：$DZS，子單元編號(hào)為0x00-0xFF，當(dāng)編號(hào)為0xFF時(shí)表示該命令對(duì)所有子單元有效，其它編號(hào)只對(duì)對(duì)應(yīng)子單元有效。具體命令如表1所示，表內(nèi)xx為保留參數(shù)（為任意值），0x_為設(shè)計(jì)參數(shù)。命令字0x00要求下位機(jī)除串口1正常工作外，其余處于低功耗待機(jī)狀態(tài)；命令字0x12要求下位機(jī)打開串口0，接收GPS模塊的定位數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)上傳給上位機(jī)；命令字0x44要求下位機(jī)上傳子單元的工作狀態(tài)；命令字0x55要求重新設(shè)置比較電壓；命令字0x66要求重新設(shè)置上傳數(shù)據(jù)的長度；命令字0x77要求下位機(jī)啟動(dòng)A/D采集，循環(huán)采集存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，按照設(shè)計(jì)算法判斷有效數(shù)據(jù)等；命令字0xFF要求下位機(jī)上傳有效數(shù)據(jù)。

表1 下發(fā)命令Tab.1 Download instruction

3.2 數(shù)據(jù)上傳格式設(shè)計(jì)

當(dāng)下位機(jī)接收到命令后，將根據(jù)命令要求上傳一定格式的數(shù)據(jù)。上傳數(shù)據(jù)基本格式由數(shù)據(jù)頭（多字節(jié)）+數(shù)據(jù)（多字節(jié)）。具體格式如表2所示。下位機(jī)收到0x00，0x55，0x66，0x77命令時(shí)，無上傳數(shù)據(jù)。當(dāng)上位機(jī)需要確認(rèn)下位機(jī)是否正確收到命令時(shí)，可通過0x44狀態(tài)查詢命令查詢，返回?cái)?shù)據(jù)格式為：$ZT+子單元編號(hào)（1個(gè)字節(jié)）+狀態(tài)（一個(gè)字節(jié)）。下位機(jī)收到0x12上傳GPS命令時(shí)，上傳數(shù)據(jù)格式為：$GPGGA+GPS數(shù)據(jù)。下位機(jī)收到0xFF上傳有效數(shù)據(jù)時(shí)，上傳數(shù)據(jù)各位為：若此時(shí)無有效數(shù)據(jù)時(shí)，則上傳NO DATA；若有有效數(shù)據(jù)時(shí)，則上傳格式為：$QSSK+GPS絕對(duì)時(shí)間+$CFSK+數(shù)據(jù)觸發(fā)指針值+$YXSJ+有效數(shù)據(jù)。上位機(jī)通過接收上傳的數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)掌握下位機(jī)的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。

采集子單元程序流程如圖5所示。數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)上電默認(rèn)為待機(jī)狀態(tài)，此時(shí)若收到命令，則子系統(tǒng)根據(jù)命令改變工作狀態(tài)；若未收到命令，則保持待機(jī)狀態(tài)，等待命令接收。子系統(tǒng)收到命令后，改變系統(tǒng)的工作狀態(tài)，執(zhí)行響應(yīng)的操作，直到收到新的命令。

數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由多個(gè)子系統(tǒng)和一個(gè)主系統(tǒng)組成。實(shí)

表2 上傳數(shù)據(jù)Tab.2 Upload data

4 子單元程序流程

圖5 子單元程序流程Fig.5 Subunit program flow

5 結(jié) 論

際工程應(yīng)用中，每個(gè)子系統(tǒng)可采集一路（或多路）傳感器信號(hào)，系統(tǒng)工作時(shí)序由主系統(tǒng)控制，實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)待機(jī)、GPS信號(hào)上傳、子系統(tǒng)狀態(tài)查詢、參數(shù)配置、采集控制等。整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過野外實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，可靠無線通信距離達(dá)1600米，可實(shí)現(xiàn)多通道同步數(shù)據(jù)采集的功能。

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Design of wireless and synchronous data acquisition system

WU Yin-chuan，ZHANG Jia-tian，YAN Zheng-guo，SU Juan
（The Key Laboratory of Photoelectricity Gas ＆ Oil Logging and Detecting，Ministry of Education，Xi'an Shiyou University，Xi'an 710065，China）

The data acquisition subsystem with the core of micro-controller is developed，the subsystem is positioned via GPS model，the PPS output signal from the GPS model is used to realize the synchronous acquisition of data acquisition system.Using XBee-Pro（2.4GHz）wireless communication model can implement long-distance data transmission.The data acquisition system has an ability of online configuration.Field test results show that the subsystem position，data synchronous acquisition and reliable communication within about 1600 meters can be achieved.The wireless system can easily replace the wire data acquisition system，its broad application prospect was viewed.

data acquisition；wireless communication；synchronous acquisition；acquisition system

TN98

A

1674-6236（2014）11-0032-03

2014-03-05 稿件編號(hào)：201403046

陜西省教育廳科研計(jì)劃項(xiàng)目資助（12JK0506）

吳銀川（1978—），男，陜西臨潼人，博士，講師。研究方向：測(cè)試計(jì)量技術(shù)及儀器、測(cè)井信號(hào)與信息處理。