基于DT MCU的數據采集系統

吳少華，張琪，雒名哲

（南水北調中線干線工程建設管理局河北直管項目建設管理部，河北石家莊 050035）

1 測量單元(MCU)的構成

數泰DT80系列測量單元（DT MCU）采用模塊化結構，由密封保護箱、DT80G主機測量模塊、CEM20通道擴展測量模塊、通道防雷模塊、電源、免維護鉛酸蓄電池、防潮加熱器、接線端子、系統接地、數字顯示系統等部分組成。

2 性能特點

1）測量方式。每臺DT MCU數據采集方式可分為中央控制方式和自動控制方式，DT MCU可以通過上位機軟件來控制數據采集，也可以根據預設的內置采集程序自動進行數據采集，具有通過重復計劃、即時計劃等方式，可任意設置采樣方式：定時、間斷、單檢、巡檢、選測或任設測點群測量，同時可實現分類、分部位儀器的不同測量周期測量。定時測量間隔：10 ms～180 d重復采樣，可任意設置，采樣時間：50 ms～2 s/點。

2）通訊方式及協議。DT MCU可以非常方便地使用便攜計算機，通過各自的USB端口直接進行通訊和實施現場測量，或者通過1臺DT80G數據采集器實施現場測量，并能從DT MCU中獲取其暫存的數據。DT MCU可接收數據采集工作站的命令設定、修改時鐘和控制參數、測試、狀態檢查（運行狀態、報警狀態、數據存儲狀態、電源狀態、內部溫度、出廠狀態）等。

DT MCU的數據通信為雙向，即DT MCU與管理主機之間可以進行雙向數據傳輸，同時具有數碼校驗、剔除亂碼的功能。DT MCU通過“測試”指令，能夠進行系統自檢，對遙測單元、電源、通信線路及相連的測量儀器進行自檢。當DT MCU設備發生故障時，向管理主機發送故障信息，并可以進行遠程維護。

DT MCU具有冗余的通訊接口，測量模塊預留有與便攜式微機接口，可實現現場標定、調試以及數據采集等功能，支持電纜、光纖、無線等通訊方式，提供較大靈活性。通訊接口：具有1個USB通訊口、1個以太網通訊口、1個串行通訊口（RS232）、1個 RS485通訊口和 1個U盤存儲接口（方便現場下載暫存的數據）。利用內置的以太網通訊接口形成全網絡結構，傳輸距離不受限制，同時可以對DT MCU進行網絡遠程管理和維護。利用內置的RS232串口可與GPRS或CDMA無線通訊設備進行無線的遠程數據傳輸。

DT MCU通訊協議完全開放，MCU提供開放的數據采集協議，MCU上傳的數據結構開放且可根據具體要求自定義設置。DT MCU提供開放的數據通訊協議。端對端協議（PPP）、美國信息交換標準代碼（ASCII）、互聯通訊協議（MODBUS）、開放上傳的數據結構，數據傳輸包括楨同步、楨起始、點號、測點類型、監測數據、采集時間、故障、楨校驗。

3）防雷功能。DT MCU配有通道防雷模塊，防雷電感應大于1 500 W，具有很強的防雷電、抗干擾能力，同時DT MCU由外部防水機箱的保護，能防塵和防腐蝕。

4）電源管理。DT MCU自身帶有電源管理模塊，管理DT MCU供電方式，當外部電源存在時除了給DT MCU供電外，還自動給蓄電池充電，充滿后自動切斷充電電路，防止蓄電池過充；當外部電源中斷時，蓄電池自動轉成給DT MCU供電，當電池產生欠壓，電路將自動切斷，防止蓄電池過放。電源管理模塊也管理DT MCU自動休眠和喚醒。DT MCU具有防掉電保護功能，保證數據和內置采集程序及參數不丟失，并能自動上電運行采集程序。在外部電源中斷的情況下，可以維持30 d以上的正常運行。工作電壓寬范圍10～30 VDC，采用交、直流兩種供電方式，具有6V4AHr免維護蓄電池，支持24 h不間斷運行，可控制休眠狀態模式，達到最長的連續工作時間，在1 h采樣頻率下，可正常工作30 d以上。可通過內部通道查看電源的電壓和電流，及時了解現場供電狀況。

5）數據存儲方式。DT MCU具有掉電保護存儲器，所有參數和測量數據存儲于專用非易失性存儲器中，可確保掉電后參數和數據的安全。可提供128 M的內部存儲空間，可存儲10 000 000個數據點的數據。

6）可接入測量儀器類型。DT MCU通道萬用，主機和通道擴展測量模塊可同時接入不同類型的傳感器，包括差阻式儀器、振弦式儀器、電位器式儀器、電阻式儀器、RS232/RS422/RS485智能式儀器和輸出標準電壓、電流信號的儀器等。DT MCU測量可采用恒流源激勵，200 μA和2.5 mA電流可選，對測量電阻型傳感器時可有效排除導線電阻的影響，保證測量精度。弦式儀器測量范圍：頻率400～6 000 Hz，溫度-50℃～+150℃；差阻式儀器測量范圍：電阻比 0.800 0～1.200 0，電阻 0～120 Ω；標準信號測量范圍：電壓±30 V，電流 0～20 mA。

7）DT MCU濾波功能。為了解決傳感器傳輸距離長、儀器類型眾多帶來的測值不穩現象，數泰DT MCU具有濾波功能，以下從硬件和軟件兩個方面對濾波方法進行論述。

①硬件方面，電路結構見圖1。

圖1 DT MCU硬件電路結構

DT MCU在進行VW振弦信號采集時，需要使用“撥弦電路”、“耦合放大電路”、“相位鎖定濾波器”、“頻率測量電路”等四個電路。

“撥弦電路”就是通常所說的激勵電路，能發出高能窄脈沖“撥動”鋼弦，其參數可由改變通道選項的軟件方式設置，默認值能夠激勵大多數振弦傳感器。（有的MCU沒有測到讀數跟激勵有關系，所以激勵很重要。）鋼弦被“激振”起來后，再被切換到“高增益耦合放大電路”、“相位鎖定濾波器”和“頻率測量電路”，起初測量電路進行偵聽，并通過帶寬為400~6 000 Hz的模擬濾波器濾掉之外的頻率信號，然后通過相位鎖定器（PLL）鎖定主頻并去調其他各種諧波，最后通過頻率測量電路捕獲VW振弦正確的頻率值。

此外，DT MCU還有高能激勵和高增益放大電路，可以很好地測讀引線較長的鋼弦儀器。高能激勵電路增強了激勵信號，使它可以傳輸的更遠，去激勵振弦傳感器。振弦傳感器被激勵后的輸出信號也要在同樣的電纜上傳輸而被MCU獲得，高增益放大電路允許“拾取”較弱的信號。

②軟件方面，DT MCU測量振弦頻率時，使用的模擬通道可設置兩個通道選項，即可調整兩個測量參數。一個為通道因子(channel factor)，代表采樣時間；另一個為MD測量延遲(measurement delay)，代表延時測量時間。

通過采樣時間的設置可以控制測量頻率的時間間隔，通過MD測量延遲的設置可以控制激振頻率后的測量時刻，從而測量時可以選擇恰當頻率的捕捉時機來得到真實的頻率值。

事實表明，由于硬件和軟件兩個方面的技術優勢，DT MCU可以準確地、穩定地測讀全球不同廠家的振弦儀器信號。