用于化學激光器上的智能數據采集系統

薛鵬飛，袁圣付，林　夕（國防科學技術大學光電科學與工程學院高能激光研究所，湖南長沙410073）

用于化學激光器上的智能數據采集系統

薛鵬飛，袁圣付，林夕
（國防科學技術大學光電科學與工程學院高能激光研究所，湖南長沙410073）

原有的化學激光器測控系統不僅外形龐大，而且數據采集不便、精度不高，采集點添加困難。為此，設計了一種基于PIC單片機的智能數據采集系統，主要由遠程控制系統和數據采集模塊組成。其能夠遠程控制激光器上各采集模塊的運行，實時采集與存儲壓力或溫度數據，并將數據無線傳輸到控制系統上。采集模塊自帶電源，模塊化設計，擴展性強，可直接與傳感器相連無需修改，最多可擴展65535個。系統主要用于化學激光器中的壓力測量，同時還適用于工業控制、科學研究等需要大量傳感器的地方。

PIC單片機；數據采集模塊；遠程控制系統；壓力或溫度數據

0　引言

化學激光器具有輸出光束質量好、功率密度高等突出優點［1，2］，然而，這些是建立在嚴格的氣流供給條件下的，而在一定條件下氣體流量及激光器內部工作狀態都可以通過測量其壓力和溫度等參數來獲得。因此，對化學激光器氣體流量的測量與控制尤為重要，但現有的LabVIEW測控系統［3，4］存在控制不便、硬件擴展性不強、大量數據線造成測控現場混亂等問題。

本文設計一種智能數據采集系統，不但可應用于化學激光器中的壓力測量，還可用于工業、科研院所等需要大量傳感器的領域。

1　系統設計

1.1系統介紹

本文設計了一種應用于化學激光器上的智能數據采集系統，它能夠遠程控制激光器上每個數據采集點的運行，并能無線傳輸數據。該系統由數據采集模塊和控制系統組成，如圖1所示，其中，數據采集模塊是以PIC單片機為核心的多個功能模塊組合，主要負責采集壓力或溫度數據；控制系統主要遠程控制采集模塊的運行，同時控制采集點的數據傳輸。

圖1　系統結構Fig 1　System structure

1.2器件功能

1）傳感器：用來測量壓力或溫度，并以4～20 mA的電流形式輸出，同時傳感器需用24 V電源供電。

2）單片機：本文所用的PIC單片機在工業用8位單片機中性能高、可靠性強，很適合數據采集工作。作為整個模塊的控制核心，其主要作用為：提取時鐘數據并在SD卡中建立文件夾；處理傳感器輸入的數據并寫入SD卡中；接收控制系統發送的指令，并進行相應操作；傳輸采集到的數據。

3）串口數據存儲模塊：本文選用SDV600，其波特率為115 kbps。此模塊主要是將溫度或壓力數據處理后存儲到SD卡中，同時在需要時讀取。

4）數據收發模塊：本文使用433 MHz頻段的無線模塊，用于接收和發送數據。

5）時鐘模塊：主要是為了記錄開始采集時的時刻信息。

6）大容量電源：本文選用了16850電池，其電量大，可供傳感器連續工作20 h以上。此電源主要為傳感器、單片機及其他模塊供電。

7）電壓轉換模塊：主要將電池電壓轉為5 V和24 V供各模塊使用。

2　系統工作流程

2.1采集模塊工作流程

采集模塊的工作流程［5～7］如圖2所示。

圖2　采集模塊工作流程Fig 2　Workflow of acquisition module

1）采集模塊上電開始運行后，首先初始化I/O口、定時器、看門狗等參數，之后狀態字［4］設為“空閑狀態”，隨即便進入等待接收指令、修改狀態字進行數據采集的階段。其中，狀態字是控制主程序運行走向的一個標識，只能由8字節的ModBus指令［8，9］更改，而指令只能通過單片機高級中斷函數來接收，此函數的工作流程如圖3所示。

圖3　高優先級中斷（指令接收）函數Fig 3　High-priority interrupt instruction receiving function

當有外部指令被采集模塊接收后，單片機就停止其他工作（包括數據采集），轉而執行高級中斷函數，識別收到的指令并設置相應狀態字，最后結束中斷返回中斷點。

2）采集模塊通過高級中斷函數收到“準備開始”指令后，狀態字就被置為“準備開始”，然后單片機通過輪詢掃描識別出此標識后就進行采集前的準備工作。單片機首先利用IIC總線提取當前時鐘數據，然后以此數據為文件名在SD卡中建立一個TXT文件，并寫入文件創建時間、記錄的數據類型及單位等信息，最后單片機進入空閑狀態。

3）采集模塊收到“開始采集”指令后，單片機立即使定時器中斷有效，之后就等待定時器產生中斷來進行數據采集，其具體工作流程如圖4所示。

圖4　低優先級中斷（數據采集）函數Fig 4　Low-priority interrupt data acquiring function

本文設置定時器每10 ms觸發一次中斷，當10 ms到達時，其中斷標志位置位，程序立即跳轉到低級中斷（數據采集）函數處執行采集工作。單片機首先復位定時器，然后通過AD模塊將傳感器輸入的模擬電壓信號轉為2字節數字信號，并經字符串處理為ASCII碼［10］，最后，將此ASCII碼序列寫入SD卡中，這就完成了一次數據采集與存儲過程。當下一次定時器中斷產生時，程序再次執行以上過程，如此反復循環，直到采集停止。

4）采集模塊收到“停止采集”指令后，單片機就禁止定時器中斷，從而停止數據采集，同時保存數據。

5）采集模塊收到攜帶特定ID地址的“傳輸數據”指令后，立即將采集到的數據按一定格式發送給控制系統，這樣就完成了最后的數據無線傳輸。

2.2控制系統工作流程

控制系統的工作流程如圖5所示，當此LabVIEW程序開始運行時，首先初始化串口、數據存儲路徑等參數，然后等待“準備開始”按鈕按下。

圖5　控制系統工作流程Fig 5　Workflow of control system

1）“準備開始”按鈕按下，系統會向外界發出“準備采集”指令，使收到此指令的每個采集模塊都進入等待采集的狀態。

2）“開始運行”按鈕按下，系統發出“開始運行”指令，每個采集模塊收到指令后就立即進入預定的數據采集模式。當需要停止采集時，按下“停止運行”按鈕即可。

3）采集模塊停止采集后，選擇界面上“采集點位置”選項框內指定采集點的位置，按下“傳輸數據”按鈕即可將相應點的數據傳到電腦上，其中數據會存儲到初始化時設置的文件夾中，并且數據文件都以當前時間加上位置信息命名，便于查看數據。本文對采集模塊進行了2字節ID地址編碼，因此，最多能識別出65535個采集模塊。

4）若要進行下一輪試驗，單機“繼續試驗”即可，電腦會初始化相關設置變量。

3　實驗測試

現將案制作出的采集模塊應用于氣流單路上進行測試，其中供給管路如圖6所示。為了便于單路流量計算，本測試選取氣流入口、文氏咀上、下游作為壓力測試點，將三個采集模塊安裝在這三處進行測壓，并檢測模塊的工作狀況和可靠性等。

圖6　單路氣流供給圖Fig 6　Figure of single channel air stream supply

實驗重復測量幾十次，取得了良好效果。采集模塊運行穩定，未出現數據采集錯誤等情況，控制系統工作良好，能夠較好地控制采集模塊進行工作。本實驗采集到的數據波形如圖7所示。由圖7（a），（b）兩圖對比可知，本系統得到的數據波動較小、數據更穩定、精度較高。

圖7　單路氣流測試結果Fig 7　Result of single channel air stream test

4　結論

本文針對化學激光器提出了一種新型智能數據采集系統，利用嵌入式技術設計了一種獨立的采集模塊，即插即用、擴展性強、方便可靠，同時引入無線數傳技術，使數據可以無線傳輸不再依賴繁雜的線路，提高了現場數據采集和控制的智能化程度。通過實驗證明，本系統運行穩定、可靠性高，得到的數據波動比小、精度高、可靠性強，可以應用于化學激光器的數據采集中，具有較高的實用價值。

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［3］顧文武，何慶中，周鐵，等.基于LabVIEW與智能儀器數據采集系統［J］.儀表技術與傳感器，2012（11）：53-55.

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［9］余杰，李鐵輝.基于ModBus協議的串口控件的實現［J］.網絡與通信，2008（7）：79-81.

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Intelligent data acquisition system applied to chemical laser

XUE Peng-fei，YUAN Sheng-fu，LIN Xi
（Institute of High Energy Laser，College of Optoelectronic Science and Engineering，National University of Defense Technology，Changsha 410073，China）

Previous chemical laser measurement and control system not only has huge profile，but also is inconvenient to collect data，low precision，and difficult to add more data acquisition points.So an intelligent data transmission system based on PIC MCU is designed，which is composed of remote control system and data acquisition module.This system can remotely control operation of data acquisition modules in the laser，real-timely collect and storage data of pressure or temperature，and can also wirelessly transmit data to control system.The data collection module adopts modular design，with self-powered，good scalability，which can be connected to sensors directly，without considering any changes and can be extended up to 65535.This system is mainly used in pressure measurement of chemical lasers，and can also be applied to industrial control，scientific research where large numbers of sensors are needed.

PIC MCU；data acquisition module；remote control system；pressure or temperature data

TH863

A

1000—9787（2016）06—0075—03

10.13873/J.1000—9787（2016）06—0075—03

2015—09—30

薛鵬飛（1991-），男，河南孟州人，碩士研究生，主要研究方向為高能激光器中的測控系統。