一種分布式無(wú)線同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

嚴(yán)正國(guó)，黎 偉，馬 龍

（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）

0 引言

數(shù)據(jù)采集是指從傳感器和其他待測(cè)設(shè)備等模擬和數(shù)字被測(cè)單元中自動(dòng)采集非電量或者電量信號(hào)，送到上位機(jī)中進(jìn)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(jì)算機(jī)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?qū)崿F(xiàn)同步數(shù)據(jù)采集，但也存在布線繁瑣、耗材多、造價(jià)高、功耗大、擴(kuò)展性能差等不足之處。本設(shè)計(jì)針對(duì)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(jī)C8051F020微處理器為核心的無(wú)線分布式同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本分布式無(wú)線同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括通信控制中心與多個(gè)無(wú)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(jī)和無(wú)線模塊組成，無(wú)線模塊與上位機(jī)之間通過(guò)USB接口連接。整個(gè)系統(tǒng)由上位機(jī)控制，可以遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)配置系統(tǒng)參數(shù)，控制無(wú)線數(shù)據(jù)采集單元實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、接收、存儲(chǔ)和處理。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

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

2.1 通信電路控制電路設(shè)計(jì)

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

2.1.1 上位機(jī)與無(wú)線模塊電路設(shè)計(jì)

上位機(jī)與無(wú)線模塊之間采用USB轉(zhuǎn)串口的通信連接，通過(guò)Silicon Laboratories公司的USB接口與RS232串口轉(zhuǎn)換器CP2102芯片實(shí)現(xiàn)[1]。USB轉(zhuǎn) RS-232串口電路設(shè)計(jì)如圖2所示。通過(guò)轉(zhuǎn)換電路，實(shí)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。

圖2 USB轉(zhuǎn)RS-232電路圖

無(wú)線模塊選用美國(guó)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(jiǎn)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(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 串口與無(wú)線模塊電路連接

2.1.2 無(wú)線模塊與無(wú)線模塊通信

在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中使用無(wú)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(guò)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(shí)，數(shù)據(jù)被直接送出到DOUT腳。相鄰無(wú)線模塊之間可以自組網(wǎng)，以此拓寬無(wú)線通信的傳輸距離[2]。

2.2 無(wú)線數(shù)據(jù)采集單元設(shè)計(jì)

圖4 無(wú)線數(shù)據(jù)采集單元框圖

無(wú)線數(shù)據(jù)采集單元電路設(shè)計(jì)框圖如圖4所示，主控制單元為無(wú)線數(shù)據(jù)采集單元的核心，它控制采集系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換、GPS模塊和無(wú)線模塊。GPS模塊為系統(tǒng)提供位置信息、時(shí)鐘信息和秒脈沖PPS信號(hào)，與主控單元通過(guò)異步串行端口進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)時(shí)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(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同步采集[3]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為了使程序編寫(xiě)、調(diào)試方便以及結(jié)構(gòu)清晰，軟件開(kāi)發(fā)采用模塊化設(shè)計(jì)，整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)模塊：主程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)、GPS程序設(shè)計(jì)和無(wú)線通信程序設(shè)計(jì)[4]。

3.1 主程序設(shè)計(jì)

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

圖5 系統(tǒng)主程序框圖

3.2 數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集部分由地震檢波器將地震波信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信，經(jīng)過(guò)調(diào)理電路放大、濾波等處理后，經(jīng)差分輸入接入A/D轉(zhuǎn)換，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換得到數(shù)字信號(hào)。A/D采集程序流程圖如圖6所示。系統(tǒng)通過(guò)GPS模塊的PPS信號(hào)使個(gè)數(shù)據(jù)采集單元進(jìn)行同步采集。

3.3 GPS程序設(shè)計(jì)

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(jì)數(shù)器。當(dāng)無(wú)線數(shù)據(jù)采集單元接收到上傳GPS命令時(shí)，主程序中使能GPS數(shù)據(jù)接收，串口0中斷服務(wù)程序中接收GPS數(shù)據(jù)，首先檢測(cè)GPS數(shù)據(jù)幀頭開(kāi)始“$”，檢測(cè)到“$”后，開(kāi)始接收串口 0的數(shù)據(jù)，接收到6個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，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(jì)數(shù)器 GPS_RX，重新開(kāi)始GPS數(shù)據(jù)接收。NMEA-0183標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)句格式幀結(jié)束為 CR+LF，當(dāng)接收到 0x0d和 0x0a時(shí)，說(shuō)明 GPS數(shù)據(jù)已接收完。

圖6 A/D采集程序流程圖

圖7 GPS數(shù)據(jù)接收程序流程圖

3.4 無(wú)線通信程序設(shè)計(jì)

為了保證無(wú)線數(shù)據(jù)采集單元能接收到上位機(jī)發(fā)送的命令，串口1一直處于打開(kāi)狀態(tài)。命令接收程序流程圖如圖8所示。上位機(jī)下發(fā)命令為8 B，其中前4個(gè)字節(jié)為數(shù)據(jù)幀頭“$DZD”，第 5個(gè)字節(jié)為 ID號(hào)，第6個(gè)字節(jié)為命令字，第7、8個(gè)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(jì)數(shù)器CMD_RX，重新開(kāi)始命令接收[5]。

無(wú)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(guò)串口1將要上傳的數(shù)據(jù)發(fā)送給無(wú)線模塊，無(wú)線模塊轉(zhuǎn)發(fā)給上位機(jī)。GPS數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)和有效數(shù)據(jù)上傳程序設(shè)計(jì)思想類(lèi)似。

上傳回上位機(jī)的有效數(shù)據(jù)包含觸發(fā)坐標(biāo)、起始時(shí)刻和有效數(shù)據(jù)，3組數(shù)據(jù)之間通過(guò)回車(chē)符分開(kāi)，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(hào)，再發(fā)送有效數(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)測(cè)試

無(wú)線同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的測(cè)試分為兩個(gè)階段進(jìn)行。第一個(gè)階段為電路板測(cè)試，測(cè)試系統(tǒng)各部分功能是否正常；第二個(gè)階段為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，測(cè)試系統(tǒng)在真實(shí)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(cè)試

圖8 命令接收流程圖

系統(tǒng)單個(gè)無(wú)線數(shù)據(jù)采集單元調(diào)試中，測(cè)試電路ID號(hào)為2號(hào)，系統(tǒng)上電后處于待機(jī)狀態(tài)，調(diào)試軟件選擇COM口，配置波特率為57 600 b/s，測(cè)試上傳GPS和查詢(xún)狀態(tài)命令結(jié)果如圖9所示，左側(cè)窗口為ASCII碼顯示，右側(cè)窗口為16進(jìn)制顯示。通過(guò)調(diào)試端口發(fā)送上傳GPS命令，命令 16進(jìn)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(hào) 02、時(shí)間信息、經(jīng)緯度信息等；再發(fā)送查詢(xún)狀態(tài)命令“24 44 5A 44 02 44 00 00”，返回02號(hào)單元處于12命令狀態(tài)。通過(guò)測(cè)試1說(shuō)明，通信控制中心與無(wú)線數(shù)據(jù)采集單元之間的無(wú)線通信正常，無(wú)線數(shù)據(jù)采集單元上傳GPS命令和查詢(xún)狀態(tài)命令工作正常。

圖9 無(wú)線數(shù)據(jù)采集單元測(cè)試結(jié)果1

系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的測(cè)試結(jié)果如圖10所示。等待GPS模塊信號(hào)穩(wěn)定后，發(fā)送啟動(dòng)采集命令“24 44 5A 44 02 77 00 00”，再發(fā)送查詢(xún)狀態(tài)命令，返回?cái)?shù)據(jù)表明02號(hào)單元處于采集狀態(tài)77，狀態(tài)正確，等待震動(dòng)觸發(fā)。若沒(méi)有觸發(fā)信號(hào)，則發(fā)送上傳有效數(shù)據(jù)命令，返回?cái)?shù)據(jù)“NODATA”。若敲擊02號(hào)單元產(chǎn)生震動(dòng)信號(hào)，則發(fā)送上傳有效數(shù)據(jù)命令，返回起始時(shí)刻，觸發(fā)坐標(biāo)，還有200個(gè)（系統(tǒng)默認(rèn)上傳有效數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)為200）有效數(shù)據(jù)。通過(guò)測(cè)試2說(shuō)明系統(tǒng)采集部分工作正常。

圖10 無(wú)線數(shù)據(jù)采集單元測(cè)試結(jié)果2

系統(tǒng)設(shè)置參數(shù)的測(cè)試結(jié)果如圖11所示。上位機(jī)發(fā)送有效數(shù)據(jù)長(zhǎng)度設(shè)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(zhǎng)度為100，十六進(jìn)制表示為64。接著查詢(xún)狀態(tài)，返回02號(hào)單元處于參數(shù)設(shè)置狀態(tài)66。然后再進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，觀察有效數(shù)據(jù)長(zhǎng)度是否已修改，由返回?cái)?shù)據(jù)可見(jiàn)，有效數(shù)據(jù)長(zhǎng)度參數(shù)設(shè)置成功，返回有效數(shù)據(jù)100個(gè)。通過(guò)測(cè)試3說(shuō)明系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置程序工作正常，能夠?qū)崿F(xiàn)參數(shù)的遠(yuǎn)程配置。

圖11 無(wú)線數(shù)據(jù)采集單元測(cè)試結(jié)果3

4.2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

系統(tǒng)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地測(cè)試，測(cè)試多個(gè)無(wú)線數(shù)據(jù)采集單元能否實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步采集。將6個(gè)無(wú)線數(shù)據(jù)采集單元在1 m范圍內(nèi)排布成圓形，以保證無(wú)線數(shù)據(jù)采集單元能夠采集到震動(dòng)信號(hào)。通信控制中心距離無(wú)線數(shù)據(jù)采集單元5 m的地方。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后，首先打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)，上傳GPS信號(hào)，配置比較電壓值為100，有效數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為200。發(fā)送采集數(shù)據(jù)命令，查詢(xún)系統(tǒng)狀態(tài)，6個(gè)無(wú)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(dòng)，上位機(jī)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(jī)測(cè)試軟件繪制成波形，如圖12所示。

圖12 分布式數(shù)據(jù)采集波形圖

分析采集數(shù)據(jù)波形圖可知，6個(gè)無(wú)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(dòng)觸發(fā)數(shù)據(jù)，在圖中為波形起伏部分。波形左側(cè)為單元ID號(hào)，起始時(shí)刻和觸發(fā)坐標(biāo)。采集單元距離震源遠(yuǎn)近不同，從圖中數(shù)據(jù)可以看出觸發(fā)坐標(biāo)相差1～2個(gè)點(diǎn)。6個(gè)采集單元的起始時(shí)刻完全相同，都為“24907”，說(shuō)明起始時(shí)刻為2點(diǎn)49分07秒，07秒6個(gè)單元同步采集數(shù)據(jù)。為了驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性，現(xiàn)場(chǎng)做了多次觸發(fā)采集，結(jié)果基本相同。說(shuō)明系統(tǒng)能夠完成數(shù)據(jù)的無(wú)線同步采集，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。

5 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)證明，該分布式無(wú)線同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠達(dá)到數(shù)據(jù)的同步采集和數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸。系統(tǒng)工作穩(wěn)定，操作簡(jiǎn)單，具有較高的工程使用價(jià)值，給基于分布式的系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了參考。

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