基于SDI-12總線的海洋環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)采集技術(shù)的初探

胡軼群，邱文博，李冠宇，徐俊臣，杜玉杰，王亞丁，楊子原

（國家海洋技術(shù)中心天津市300111）

基于SDI-12總線的海洋環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)采集技術(shù)的初探

胡軼群，邱文博，李冠宇，徐俊臣，杜玉杰，王亞丁，楊子原

（國家海洋技術(shù)中心天津市300111）

介紹了近年歐美國家在環(huán)境監(jiān)測中普遍應(yīng)用的串行數(shù)字接口標(biāo)準(zhǔn)SDI-12的電氣特性及通訊協(xié)議，該接口標(biāo)準(zhǔn)具有以單根三芯電纜連接多個(gè)傳感器、低功耗、長距離、接口電路簡單、系統(tǒng)集成成本低等優(yōu)點(diǎn)，非常適合我國海洋環(huán)境監(jiān)測中系統(tǒng)擴(kuò)展靈活、多要素觀測的實(shí)際需求。基于此接口標(biāo)準(zhǔn)，本文設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于海洋環(huán)境監(jiān)測的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，介紹了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的SDI-12接口的硬件電路設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)采集軟件程序流程，該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有總線結(jié)構(gòu)、擴(kuò)展方便、低功耗、總線供電、通用性強(qiáng)等特點(diǎn)。

SDI-12；數(shù)據(jù)采集；環(huán)境監(jiān)測

海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，通常由測量傳感器、數(shù)據(jù)采集器和通訊設(shè)備構(gòu)成。由于傳統(tǒng)測量傳感器的輸出信號(hào)多種多樣，有頻率量輸出、電壓量輸出、電流量輸出、數(shù)字量輸出和RS-232/RS-422輸出等方式，沒有統(tǒng)一的傳感器接口標(biāo)準(zhǔn)，因此數(shù)據(jù)采集器必須為多種不同的傳感器提供不同的接口電路，造成數(shù)據(jù)采集器的設(shè)計(jì)復(fù)雜并且其擴(kuò)展性也受到一定的限制。

隨著基于微處理器技術(shù)的智能化傳感器的快速發(fā)展，使在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和智能傳感器之間制定一種通用接口規(guī)范成為可能。SDI-12接口標(biāo)準(zhǔn)是由美國水文組織提出的一種串行數(shù)據(jù)通訊接口標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了設(shè)備的接口電氣特性和數(shù)據(jù)通訊協(xié)議，該標(biāo)準(zhǔn)使用總線技術(shù)，使不同廠商的傳感器可簡單地連接在一條SDI-12總線上。

近年來SDI-12產(chǎn)品在歐美國家的環(huán)境監(jiān)測中得到了推廣使用。眾多的智能傳感器和數(shù)據(jù)采集設(shè)備的生產(chǎn)廠商都關(guān)注該項(xiàng)技術(shù)，尤其在環(huán)境和水文監(jiān)測領(lǐng)域，大多數(shù)的數(shù)據(jù)采集器和智能傳感器均配備有SDI-12總線接口。此技術(shù)廣泛應(yīng)用在工農(nóng)業(yè)多參數(shù)測控、江河湖海的水文和氣象等海洋環(huán)境監(jiān)測、養(yǎng)殖和食品生產(chǎn)中，可以遠(yuǎn)距離傳送數(shù)據(jù)。

我國的SDI-12技術(shù)也已應(yīng)用到如氣候變化追蹤、水采集及水測試、生態(tài)調(diào)查、土壤監(jiān)測、農(nóng)業(yè)及氣候分析、海洋環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域。國外有很多從事智能傳感器開發(fā)的公司對(duì)SDI-12通信技術(shù)的應(yīng)用都非常成熟，生產(chǎn)了眾多高性能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)產(chǎn)品和智能傳感器。國內(nèi)近年來從事SDI-12傳感器開發(fā)的公司也逐步興起，有些公司也開發(fā)出了一些不錯(cuò)的SDI-12智能傳感器。

本文對(duì)基于SDI-12總線的應(yīng)用于海洋環(huán)境監(jiān)測的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，介紹了SDI-12接口電氣特性及接口通訊協(xié)議、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的SDI-12接口的硬件電路設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)采集軟件程序流程，該接口標(biāo)準(zhǔn)具有以單根三芯電纜連接多個(gè)傳感器、低功耗、長距離、接口電路簡單、系統(tǒng)集成成本低等優(yōu)點(diǎn)，非常適合我國海洋環(huán)境監(jiān)測中系統(tǒng)擴(kuò)展靈活、多要素觀測的實(shí)際需求。

1 SDI-12簡介

SDI-12（Serial Digital Interface with 1200 band）是由美國水文組織提出的一種串行數(shù)據(jù)通訊接口協(xié)議，是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和智能傳感器之間的串行數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了電器接口和通訊協(xié)議。SDI-12采用串行數(shù)據(jù)接口，使用的波特率是1 200 baud。它是一種在一根數(shù)據(jù)線上進(jìn)行雙向半雙工數(shù)據(jù)交換的單總線。同時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)的接口方式使數(shù)據(jù)采集器可連接智能傳感器，最大限度發(fā)揮電池電力的作用。

SDI-12自身具有的獨(dú)特、復(fù)雜的校準(zhǔn)運(yùn)算法則可應(yīng)用于智能傳感器。傳感器所需電能由接口電路提供，無需額外的電纜。傳感器與數(shù)據(jù)采集器之間的通信，不需重新編寫數(shù)據(jù)采集器的運(yùn)算法則及其他信息。傳感器使用低消耗的EEPROM（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory）放置校準(zhǔn)信息和其他配置信息。我國的海洋水文氣象的環(huán)境監(jiān)測，常要求一個(gè)無人值守的自動(dòng)觀測站與多個(gè)多要素測點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，SDI-12通訊標(biāo)準(zhǔn)非常適用。

1.1 SDI-12接口電氣特性

SDI-12接口總線由三線組成，即12伏電源線一根、串行數(shù)據(jù)線一根、地線一根，其中12伏電源線一般由數(shù)據(jù)采集器或者其他供電設(shè)備提供，用于為連接到總線上的所有傳感器提供電源支持，串行數(shù)據(jù)線是一根雙向、三態(tài)的串行數(shù)據(jù)線，是數(shù)據(jù)采集器和傳感器交換信息的線路，可實(shí)現(xiàn)半雙工雙向通訊，地線是數(shù)據(jù)采集器和傳感器的公共接地線。

SDI-12總線可以在單個(gè)總線上同時(shí)連接多個(gè)傳感器，并提供總線供電功能，系統(tǒng)的連接和擴(kuò)充非常方便。SDI-12傳感器掛接到總線的接線方式為：12 V電源線互聯(lián)，串行數(shù)據(jù)線互聯(lián)，地線互聯(lián)。SDI-12總線至少支持10個(gè)傳感器互聯(lián)，具體地址可為0～9、a～z、A～Z中的任意ASCII碼字符。圖1為具有SDI-12總線的數(shù)據(jù)采集器與2個(gè)傳感器的連接框圖。

1.2 SDI-12接口通訊協(xié)議

圖1 SDI-12總線連接框圖

SDI-12接口標(biāo)準(zhǔn)為數(shù)據(jù)采集器和傳感器制訂了通用數(shù)據(jù)通訊協(xié)議，協(xié)議包括一系列的命令和應(yīng)答格式，數(shù)據(jù)采集器可通過發(fā)出不同命令，控制傳感器的工作并獲取傳感器的測量數(shù)據(jù)信息。

SDI-12的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為1位起始位、7位數(shù)據(jù)位、1位偶校驗(yàn)位、1位停止位。數(shù)據(jù)采集器發(fā)送的每一個(gè)命令的第一個(gè)字符必須是傳感器地址，傳感器響應(yīng)的第一個(gè)字符也是該傳感器的地址，每個(gè)地址代表SDI-12總線上一個(gè)特定的傳感器。

數(shù)據(jù)采集器和傳感器之間的通信是靠在數(shù)據(jù)總線上交換ASCII碼的信息實(shí)現(xiàn)的。一個(gè)典型的數(shù)據(jù)采集過程如下：

第一步：數(shù)據(jù)采集器在串行通訊線上發(fā)出一個(gè)break信號(hào)，喚醒連接在SDI-12總線上的全部傳感器。

第二步：數(shù)據(jù)采集器向一個(gè)指定地址的傳感器發(fā)送一個(gè)測量指令。

第三步：被指定的傳感器必須在12 ms內(nèi)向數(shù)據(jù)采集器發(fā)出命令響應(yīng)，報(bào)告完成本次測量所需要的時(shí)間和返回測量數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)，未被指定的其他傳感器繼續(xù)保持在低功耗狀態(tài)。

第四步：如果測量數(shù)據(jù)已經(jīng)有效，數(shù)據(jù)采集器立即向該傳感器發(fā)送一個(gè)命令，指令其傳回測量數(shù)據(jù)。如果測量數(shù)據(jù)尚未就緒，數(shù)據(jù)采集器將等待該傳感器完成測量并發(fā)出數(shù)據(jù)就緒請(qǐng)求，然后數(shù)據(jù)采集器向該傳感器發(fā)送一個(gè)命令，指令其傳回測量數(shù)據(jù)。

第五步：該測量傳感器應(yīng)答，把一組或多組數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)采集器。

1.3 支持SDI-12總線的產(chǎn)品類型

應(yīng)用于海洋環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的基于SDI-12協(xié)議的產(chǎn)品類型主要有很多，測量氣象要素溫度、相對(duì)濕度、

雨量、風(fēng)速、風(fēng)向的，如Vaisala的WXT520等，測量水文觀測要素水位、水質(zhì)、流量、溫度，如YSI 6600等。具有SDI-12接口的數(shù)據(jù)采集器有GeoPrecision、Campbell、DataTaker等。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

從SDI-12總線標(biāo)準(zhǔn)可以看出，在設(shè)計(jì)SDI-12數(shù)據(jù)采集接口時(shí)，除了對(duì)外提供12伏直流供電以外，還需要在通訊電路解決以下問題：

（1）半雙工通訊接口的實(shí)現(xiàn)

一般海洋環(huán)境監(jiān)測設(shè)備采用的微處理器如ARM、DSP、單片機(jī)等都有全雙工串口，為符合SDI-12的需要，串口必須加邏輯反相器，滿足SDI-12數(shù)據(jù)線使用負(fù)邏輯的要求，同時(shí)還要在數(shù)據(jù)發(fā)送電路上增加三態(tài)緩沖電路，將全雙工電路轉(zhuǎn)換為半雙工電路。

（2）電路阻抗匹配

按照SDI-12接口電路的技術(shù)要求，當(dāng)通訊電路處于發(fā)送數(shù)據(jù)狀態(tài)時(shí)，其直流阻抗應(yīng)該在1 000～2 000歐姆。當(dāng)通訊電路處于接收數(shù)據(jù)狀態(tài)時(shí)，其直流阻抗應(yīng)該在160～360 K歐姆。

本文所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集器SDI-12接口電路的設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 SDI-12接口電路

3 軟件設(shè)計(jì)

由于SDI-12接口制定了較為完善的數(shù)據(jù)通訊協(xié)議，因此數(shù)據(jù)采集軟件的設(shè)計(jì)具有通用性，可適合不同傳感器廠商的產(chǎn)品。本文所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用Keil集成開發(fā)環(huán)境，采用C語言編寫系統(tǒng)軟件，主要包括傳感器數(shù)據(jù)采集、SD卡存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、液晶顯示數(shù)據(jù)等。本文所設(shè)計(jì)的SDI-12數(shù)據(jù)采集器接口軟件流程如圖3所示。

數(shù)據(jù)采集器定時(shí)發(fā)送命令喚醒數(shù)據(jù)線上的所有傳感器，每個(gè)請(qǐng)求在數(shù)據(jù)線上的持續(xù)時(shí)間最短為12 ms。傳感器收到正確命令后，按數(shù)據(jù)格式返回對(duì)應(yīng)值。每條控制命令開始的字節(jié)為不同傳感器的地址，這個(gè)地址表示數(shù)據(jù)采集器選擇通信的傳感器，其他傳感器忽略這條命令返回待機(jī)模式。總線上的傳感器根據(jù)主機(jī)發(fā)送的地址和命令做出不同的響應(yīng)。如果和自己定義的地址相同，則根據(jù)命令返回一個(gè)或者多個(gè)測量結(jié)果。

圖3 SDI-12數(shù)據(jù)采集軟件流程

圖4 SDI-12時(shí)序圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

如前所述，SDI-12總線的通信數(shù)據(jù)格式為1位起始位、7位數(shù)據(jù)位、1位偶校驗(yàn)位和1位停止位。起始位為高電平，停止位為低電平，該總線為負(fù)邏輯，故需對(duì)7位數(shù)據(jù)位進(jìn)行反碼操作后再發(fā)送。當(dāng)數(shù)據(jù)采集器發(fā)送命令后傳感器響應(yīng)數(shù)據(jù)也為負(fù)邏輯，需要對(duì)接收的7位數(shù)據(jù)位的每一位進(jìn)行求反操作來獲得真實(shí)數(shù)據(jù)。當(dāng)數(shù)據(jù)采集器或者傳感器釋放總線后，總線為低電平。

本文所設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接德國VEGA公司的VEGAPULS通用型雷達(dá)水位傳感器，傳感器地址設(shè)置為C。每條命令以“!”結(jié)束，接收到的數(shù)據(jù)以〈CR〉〈LR〉結(jié)束，其中CR、LR表示回車換行的ASCII碼值。每位ASCII碼由低位到高位順序發(fā)送。由起始位、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位和停止位每個(gè)ASCII碼對(duì)應(yīng)10個(gè)二進(jìn)制位組成。校驗(yàn)方式采用偶校驗(yàn)，即7位數(shù)據(jù)位加校驗(yàn)位中高電平1的個(gè)數(shù)為偶數(shù)。

在硬件測試中，利用示波器獲得數(shù)據(jù)線上的相應(yīng)狀態(tài)，通過比較理論分析和實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)二者完全吻合，驗(yàn)證了時(shí)序設(shè)計(jì)的正確性。經(jīng)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場應(yīng)用，本文中設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完全能夠正確采集所需要的雷達(dá)水位傳感器的數(shù)據(jù)。

5 結(jié)語

由于篇幅限制，本文重點(diǎn)介紹了SDI-12接口電氣特性、SDI-12接口通訊協(xié)議及基于SDI-12的海洋環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)采集技術(shù)的軟硬件設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果。采用海洋環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用的SDI-12通信協(xié)議來實(shí)現(xiàn)多個(gè)傳感器數(shù)據(jù)采集的傳輸和處理，通過單片機(jī)的實(shí)時(shí)處理，人機(jī)交互界面顯示數(shù)據(jù)，通過不同的設(shè)置來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的記錄和保存。

本文所設(shè)計(jì)的基于SDI-12總線技術(shù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已經(jīng)經(jīng)過實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)并應(yīng)用于廣州海事測繪中心及多個(gè)海洋環(huán)境監(jiān)測站點(diǎn)，系統(tǒng)連接測量風(fēng)、溫度、相對(duì)濕度、氣壓、雨量、水位等觀測要素的多個(gè)傳感器，已實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)化運(yùn)行。該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有總線結(jié)構(gòu)、擴(kuò)展方便、低功耗、總線供電、通用性強(qiáng)等特點(diǎn)，非常適合于我國海洋環(huán)境監(jiān)測中傳感器配置靈活和多要素觀測的需要，基于SDI-12總線技術(shù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用為構(gòu)建全方位、多參數(shù)集成的立體觀測系統(tǒng)節(jié)約了大量的人力、物力，對(duì)于預(yù)報(bào)各種自然災(zāi)害、減少經(jīng)濟(jì)損失，具有重要意義。

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2016-10-17