無線同步數據采集系統設計

吳銀川，張家田，嚴正國，蘇 娟

（西安石油大學 光電油氣測井與檢測教育部重點實驗室，陜西 西安 710065）

無線同步數據采集系統設計

吳銀川，張家田，嚴正國，蘇 娟

（西安石油大學 光電油氣測井與檢測教育部重點實驗室，陜西 西安 710065）

設計了以微控制器為核心的數據采集子系統，利用GPS接收模塊實現子系統的定位，應用GPS模塊的PPS輸出信號實現數據采集系統的同步采集，選擇XBee-Pro（2.4GHz）無線傳輸模塊實現數據的遠距離傳輸，數據采集子系統的參數可以實現在線配置。通過野外試驗驗證，采集系統實現了子系統的定位，數據的同步采集，可靠通信距離達到1600米。該系統可方便代替遠距離有線數據采集，具有較好的應用前景。

數據采集；無線通信；同步采集；采集系統

數據采集技術主要研究信號數據的采集、存儲、傳輸、處理以及控制問題[1-2]。在野外工業生產（例如輸油管線監測、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]，實現多個信號的同步采集[6]；通過數據采集傳輸系統將檢測到的信號上傳至上位機（工作站），從而進行進一步的信號處理；工作人員通過上位機控制采集過程，接收保存上傳數據，處理數據結果，從而獲取有用信息。傳統的數據采集采用有線組成，本文以微控制器（C8051F020）為核心設計無線數據采集子單元，通過多個子單元組成數據采集系統；各子單元通過內置GPS接收模塊，實現定位功能；子系統利用GPS模塊的PPS信號，實現各個子系統的同步采集；各子系統通過內置無線傳輸模塊（XBee-Pro，2.4 GHz）實現與上位機（工作站）遠距離無線通信，通信速率可達250 kbps；上位機作為數據采集系統的控制中心，實現采集系統的參數設置，上位機接收、存儲各子系統上傳的數據，并對數據做進一步的處理。

1 系統設計

1.1 系統框圖設計

無線數據采集系統框圖如圖1所示。主控單元主要由上位機和無線模塊組成，無線模塊和上位機之間通過USB接口連接。上位機控制整個采集系統的工作，實現參數遠程實時配置，控制子單元的采集，數據的接收、存儲以及處理功能。子單元主要由數據采集、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命令、解析上位機命令、設置子單元參數、實現傳感器數據采集、GPS定位數據接收的。

圖1 無線數據采集系統框圖Fig.1 Diagram of wireless data acquisition system

1.2 子單元接口電路設計

子單元接口電路設計如圖2所示，微控制器（C8051F020）為子單元的控制核心，控制采集系統的A/D轉換、無線模塊以及GPS模塊。該微控制器內部集成有8位/12位A/D轉換器，8位A/D轉換速率達500ksps，12位A/D轉換速率達100 ksps，該轉換速率滿足一般工程需要；交叉開關可實現通道數的擴展，實現多路信號的采集輸入。GPS模塊與控制器之間通過串口0相連，通過GPS模塊可實時定位采集子單元的位置信息和時間信息。GPS模塊秒同步PPS信號，與控制器的外部中斷0連接，實現各個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，通過無線模塊實現數據的遠距離通信。無線模塊采用迪進公司生產的XBee-PRO DigiMesh 2.4型無線射頻模塊，該模塊采用DigiMesh網絡協議，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，發射功率63 mW，接收靈敏度-100 dBm。該模塊提供API模式、透傳模式和AT命令模式供用戶選擇。

圖2 子單元接口電路設計Fig.2 Design of subunit interface circuit

2 同步采集技術

在實際工程中，常需要對多點傳感器信號進行同步采集，同步信號產生非常關鍵。在該無線數據采集系統中，多個GPS模塊提供的PPS信號是同步的，因此采集系統可利用PPS信號實現同步采集。為便于敘述，以地震數據采集系統為例，現假設采集子單元利用8位A/D轉換器，轉換速率（采樣頻率）為1 000 SPS，控制器內存中設置1 000個字節空間實現循環存儲，如圖3所示。同步采集原理如圖4所示，當控制器收到啟動A/D轉換命令時，下位機（子單元）等待PPS（邊沿觸發信號）同步信號，當PPS同步信號到來時，啟動A/D轉換，A/D轉換每獲得一個數據，順序存儲一個數據，數據指針加1，若數據指針超過999時，則此時數據指針不再加1，保持為999。經過1 s后，即下一個PPS信號到來時，判斷數據指針的值：若數據指針為999時，數據采集指針清零復位；當數據指針小于999時，將數據補齊后，數據指針清零復位。每次PPS到來時，讀取GPS提供的當前時刻，將該時刻作為數據指針為0時的絕對時刻，從而實現多點傳感器數據的同步采集。當下位機檢測到有效信號時，將絕對時刻、有效信號觸發時刻（坐標）以及有效數據上傳至上位機，上位機再進行進一步數據處理。

圖3 數據存儲Fig.3 Data store

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

3 控制命令及上傳數據格式設計

3.1 控制命令設計

控制命令格式為：命令頭（4字節）+子單元編號（1字節）+命令（1字節）+參數（2字節），控制命令為定長字節（8字節）。上位機下發命令頭為：$DZS，子單元編號為0x00-0xFF，當編號為0xFF時表示該命令對所有子單元有效，其它編號只對對應子單元有效。具體命令如表1所示，表內xx為保留參數（為任意值），0x_為設計參數。命令字0x00要求下位機除串口1正常工作外，其余處于低功耗待機狀態；命令字0x12要求下位機打開串口0，接收GPS模塊的定位數據，并將數據上傳給上位機；命令字0x44要求下位機上傳子單元的工作狀態；命令字0x55要求重新設置比較電壓；命令字0x66要求重新設置上傳數據的長度；命令字0x77要求下位機啟動A/D采集，循環采集存儲數據，按照設計算法判斷有效數據等；命令字0xFF要求下位機上傳有效數據。

表1 下發命令Tab.1 Download instruction

3.2 數據上傳格式設計

當下位機接收到命令后，將根據命令要求上傳一定格式的數據。上傳數據基本格式由數據頭（多字節）+數據（多字節）。具體格式如表2所示。下位機收到0x00，0x55，0x66，0x77命令時，無上傳數據。當上位機需要確認下位機是否正確收到命令時，可通過0x44狀態查詢命令查詢，返回數據格式為：$ZT+子單元編號（1個字節）+狀態（一個字節）。下位機收到0x12上傳GPS命令時，上傳數據格式為：$GPGGA+GPS數據。下位機收到0xFF上傳有效數據時，上傳數據各位為：若此時無有效數據時，則上傳NO DATA；若有有效數據時，則上傳格式為：$QSSK+GPS絕對時間+$CFSK+數據觸發指針值+$YXSJ+有效數據。上位機通過接收上傳的數據，實時掌握下位機的狀態，實現數據通信。

采集子單元程序流程如圖5所示。數據采集子系統上電默認為待機狀態，此時若收到命令，則子系統根據命令改變工作狀態；若未收到命令，則保持待機狀態，等待命令接收。子系統收到命令后，改變系統的工作狀態，執行響應的操作，直到收到新的命令。

數據采集實驗系統由多個子系統和一個主系統組成。實

表2 上傳數據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 論

際工程應用中，每個子系統可采集一路（或多路）傳感器信號，系統工作時序由主系統控制，實現子系統待機、GPS信號上傳、子系統狀態查詢、參數配置、采集控制等。整個數據采集系統通過野外實驗驗證，可靠無線通信距離達1600米，可實現多通道同步數據采集的功能。

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ZHANG Jia-tian，LU Jun，WU Yin-chuan.Design of high resolution data acquisition system[J].Electronic Instrumentation Customer，2011，18（5）：89-90.

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CHENG Xiang-yang，JU Xiao-dong，LI Hui-yin，et al.Design of multi-channel and high precision multi-pole array acoustic log data acquisition system[J].Well Logging Technology，2009，33（2）：164-168.

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YAN Zheng-guo，ZHANG Jia-tian.Design of high resolution data acquisition and processing system[J].Journal of China Jiliang University，2006，17（3）：192-195.

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：201403046

陜西省教育廳科研計劃項目資助（12JK0506）

吳銀川（1978—），男，陜西臨潼人，博士，講師。研究方向：測試計量技術及儀器、測井信號與信息處理。