基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

萬 勵(lì)，黃宏本，吳潔明

（1.3.梧州學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)系，廣西 梧州 543002；

2.梧州學(xué)院 信號(hào)分析與處理實(shí)驗(yàn)室，廣西 梧州 543002）

基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

萬 勵(lì)1，黃宏本2，吳潔明3

（1.3.梧州學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)系，廣西 梧州 543002；

2.梧州學(xué)院 信號(hào)分析與處理實(shí)驗(yàn)室，廣西 梧州 543002）

描述了一種基于單片機(jī)技術(shù)及USB技術(shù)實(shí)現(xiàn)的氣瓶充氣數(shù)據(jù)無線采集系統(tǒng)，系統(tǒng)使用USB-CAN-RS232三總線轉(zhuǎn)換的通信網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，能使氣瓶管理程序化、自動(dòng)化，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)工作及時(shí)準(zhǔn)確，最大限度降低意外事故發(fā)生的可能性。

數(shù)據(jù)采集；無線；單片機(jī)

隨著國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的高速發(fā)展和現(xiàn)代城市建設(shè)的快速推進(jìn)，液化石油氣的使用量及氣瓶的生產(chǎn)、使用數(shù)據(jù)信息急劇增加，由于每年充裝和檢驗(yàn)的氣瓶數(shù)量大、流動(dòng)性強(qiáng)，致使氣瓶安全使用的監(jiān)督管理難度大，工作任務(wù)日益繁重。氣瓶充裝現(xiàn)場理論上來說是一個(gè)十分危險(xiǎn)的環(huán)境，它要求嚴(yán)禁煙火，也不允許計(jì)算機(jī)在現(xiàn)場工作。傳統(tǒng)的氣瓶信息管理一直沿用人工檢查和手工填寫記錄表格的方法，無法做到快捷和準(zhǔn)確。人工管理受人的主觀因素影響比較大，數(shù)據(jù)采集用手工記錄，工作量很大，還容易出錯(cuò)。本文設(shè)計(jì)的氣瓶充裝數(shù)據(jù)無線采集系統(tǒng)，能使氣瓶管理程序化、自動(dòng)化，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)工作及時(shí)準(zhǔn)確，最大限度降低意外事故發(fā)生的可能性，能滿足目前氣瓶安全監(jiān)察需求。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

氣瓶灌裝無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要硬件設(shè)備為：液化石油氣電子灌裝秤、無線防爆基站、無線通信交換機(jī)和服務(wù)器。應(yīng)用程序通過對(duì)串口的編程實(shí)現(xiàn)服務(wù)器與液化石油氣電子灌裝秤之間的數(shù)據(jù)傳輸。設(shè)備連接如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)備連接圖

1.1 電腦灌裝稱

系統(tǒng)所用的液化石油氣電腦灌裝秤是常州三晶數(shù)據(jù)技術(shù)有限公司的產(chǎn)品，它無需鋪設(shè)電源管路，對(duì)液化石油氣實(shí)行定量安裝，自動(dòng)切斷。它還能夠記錄每個(gè)氣瓶的自有編號(hào)、客戶代碼等各種信息，便于系統(tǒng)掌握客戶的充裝數(shù)據(jù)和每個(gè)氣瓶的充裝明細(xì)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣瓶的動(dòng)態(tài)跟蹤管理。電腦灌裝稱的核心處理器是AT89C51型單片機(jī)，采用無線數(shù)據(jù)傳輸方式。

1.2 無線防爆基站

無線防爆基站適用于易燃易爆行業(yè)，和數(shù)據(jù)采集器、電腦灌裝秤之間通過無線發(fā)射方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，同時(shí)將接收的數(shù)據(jù)信息通過CAN（Controller Area Network）總線傳輸?shù)椒?wù)器上。本系統(tǒng)也采用該公司的S-5200型通訊基站。

1.3 無線通信交換機(jī)

無線通信交換機(jī)使用RS232總線與服務(wù)器的COM口連接，通訊速率是19200波特率，基本模式為：服務(wù)器等待交換機(jī)發(fā)送的啟動(dòng)成功命令，若在30秒內(nèi)收不到，提示啟動(dòng)不成功。以后當(dāng)交換機(jī)有數(shù)據(jù)時(shí)，主動(dòng)向服務(wù)器請求，服務(wù)器處理后，給出結(jié)果。

1.4 服務(wù)器

服務(wù)器使用普通的PC機(jī)即可，主要負(fù)責(zé)采集氣瓶在充裝過程中涉及的各種相關(guān)數(shù)據(jù)，并對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析和處理，包括存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)分析生產(chǎn)情況、打印生產(chǎn)報(bào)表等。

2 通信總線結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)電腦灌裝稱使用的AT89C51型單片機(jī)使用并行地址/數(shù)據(jù)復(fù)用的方式訪問USBN9603，并通過74HC14反向后片選USBN9603，其地址為0x00－0x1FF。USBN9603是標(biāo)準(zhǔn)的USB接口電路，符合USB1.1協(xié)議，集成了3.3V的穩(wěn)定電源、串行接口引擎SIE、多個(gè)USB端點(diǎn)緩沖區(qū)、1個(gè)8位并行微處理器接口。選用AT89C51的引腳SJA1000作為CAN微控制器，SJA1000集成了CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可完成對(duì)通信數(shù)據(jù)的幀處理，其地址為0x000－0x0FF。AT82C50作為CAN控制器和物理總線之間的接口，用于提供總線的差動(dòng)發(fā)送能力和CAN控制器差動(dòng)接收能力。通過AT82C50的引腳3可選擇3種不同的工作方式（高速、斜率控制和待機(jī)）。該引腳接地為高速方式，高速光耦隔離用6N137實(shí)現(xiàn)，防止串入信號(hào)的干擾。引腳MAX232用來完成RS232電平到微控制器接口電路的TTL電平轉(zhuǎn)換，同時(shí)還可進(jìn)行一些總線端口的工作參數(shù)設(shè)置。各種設(shè)備通過不同總線連接成一個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)。電腦灌裝稱中的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用USB接口接收灌裝稱稱體的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并采用無線數(shù)據(jù)傳輸方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綗o線防爆基站；無線防爆基站與無線通信交換機(jī)之間用CAN總線相連；交換機(jī)與服務(wù)器之間用RS232總線相連。

由于各種設(shè)備之間的總線結(jié)構(gòu)、通信協(xié)議及傳輸特點(diǎn)各不相同，給不同設(shè)備之間的連接與通信帶來了一定的困難，本系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)使用USB－CAN－RS232三總線轉(zhuǎn)換裝置，解決了各種總線之間的連接問題。USB接口芯片USBN9603與單片機(jī)AT89C51相連，選用SJA1000作為CAN微控制器，高速光耦隔離用6N137實(shí)現(xiàn)，其作用是防止串入信號(hào)的干擾。MAX232用來完成RS232電平到微控制器接口電路的TTL電平轉(zhuǎn)換。這種3總線轉(zhuǎn)換器可方便地實(shí)現(xiàn)不同端口設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信，USB－CAN的轉(zhuǎn)換速率可以達(dá)到1Mb/s。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)總線結(jié)構(gòu)如下頁圖2所示。

圖2 系統(tǒng)通信總線結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)工作流程

3.1 系統(tǒng)通信

在微控制器的控制下，系統(tǒng)各總線間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。首先，微控制器對(duì)各個(gè)總線的工作參數(shù)進(jìn)行初始化，設(shè)置好時(shí)鐘、寄存器、波特率，選擇合適的中斷方式。然后打開各個(gè)端口，若發(fā)現(xiàn)有端口進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，則存儲(chǔ)當(dāng)前數(shù)據(jù)，選擇接收數(shù)據(jù)的總線并關(guān)閉其他端口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。數(shù)據(jù)傳送完畢則重新打開其他端口。系統(tǒng)工作流程如下頁圖3所示。

本系統(tǒng)使用的USB的傳輸方式是控制傳輸和塊傳輸。其中塊傳輸主要用于大批量數(shù)據(jù)的傳輸，數(shù)據(jù)集中而且對(duì)實(shí)時(shí)性要求不太高。塊傳輸在硬件上提供了強(qiáng)大的錯(cuò)誤檢測和錯(cuò)誤重傳的功能，可以保證可靠的數(shù)據(jù)傳輸。USBN9603的內(nèi)部寄存器和FIFO緩沖區(qū)分別對(duì)每個(gè)端口進(jìn)行控制，當(dāng)接到主機(jī)發(fā)來的IN標(biāo)記包時(shí)，發(fā)送端點(diǎn)自動(dòng)向上發(fā)送數(shù)據(jù)。如果沒有數(shù)據(jù)發(fā)送，則回應(yīng)NAK握手包。

圖3 系統(tǒng)通信流程圖

3.2 服務(wù)器與單片機(jī)的通信

服務(wù)器初始設(shè)置為地址傳送方式，并設(shè)置單片機(jī)的地址。首先判斷電腦灌裝稱是否有鍵按下，若沒有則從0F1地址開始發(fā)送，并接收地址回送碼，如果回送碼等于發(fā)送地址碼，則說明與1號(hào)從機(jī)握手成功。繼而可以設(shè)置為數(shù)據(jù)傳送方式，開始與1號(hào)從機(jī)傳送數(shù)據(jù)。傳送結(jié)束后，又與2號(hào)從機(jī)聯(lián)絡(luò)。如果服務(wù)器發(fā)送從機(jī)地址后，接收的地址與發(fā)送地址不相同，則表明服務(wù)器與該地址碼的從機(jī)握手失敗，繼而轉(zhuǎn)向與其他從機(jī)聯(lián)絡(luò)。

本文根據(jù)氣瓶充裝數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)的實(shí)際需求，選擇使用單片機(jī)、交換機(jī)和PC機(jī)等設(shè)備構(gòu)成通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，解決了PC機(jī)對(duì)氣瓶充裝現(xiàn)場的控制問題。

[1]陳麗娜.基于USB接口和單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)科學(xué),2004（10）.

[2]徐磊,等.基于USB塊傳輸方式的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集[J].測控技,2005（2）：12-14.

[3]黃鎮(zhèn)建.單片機(jī)與微機(jī)的串行通信[J].韓山師范學(xué)院學(xué)報(bào),2004（3）：53-57

[4]許永和.USB外圍設(shè)備設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京：中國電力出版社,2002：103-118.

TP393.09

A

1673-8535（2011）03-0064-04

2011-04-20

萬勵(lì)（1972-），女，廣西平南人，梧州學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)系講師，碩士研究生，研究方向：軟件工程與計(jì)算機(jī)應(yīng)用。

黃宏本（1976-），男，廣西藤縣人，梧州學(xué)院講師，研究方向：數(shù)據(jù)庫技術(shù)。

吳潔明（1959-），女，廣西藤縣人，梧州學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)系副教授，研究方向：軟件工程與計(jì)算機(jī)應(yīng)用。

覃華巧）