基于单片机实现的无线数据采集系统

万 励，黄宏本，吴洁明

（1.3.梧州学院 计算机科学系，广西 梧州 543002；

2.梧州学院 信号分析与处理实验室，广西 梧州 543002）

基于单片机实现的无线数据采集系统

万 励1，黄宏本2，吴洁明3

（1.3.梧州学院 计算机科学系，广西 梧州 543002；

2.梧州学院 信号分析与处理实验室，广西 梧州 543002）

描述了一种基于单片机技术及USB技术实现的气瓶充气数据无线采集系统，系统使用USB-CAN-RS232三总线转换的通信网络传输数据，能使气瓶管理程序化、自动化，数据统计工作及时准确，最大限度降低意外事故发生的可能性。

数据采集；无线；单片机

随着国民经济建设的高速发展和现代城市建设的快速推进，液化石油气的使用量及气瓶的生产、使用数据信息急剧增加，由于每年充装和检验的气瓶数量大、流动性强，致使气瓶安全使用的监督管理难度大，工作任务日益繁重。气瓶充装现场理论上来说是一个十分危险的环境，它要求严禁烟火，也不允许计算机在现场工作。传统的气瓶信息管理一直沿用人工检查和手工填写记录表格的方法，无法做到快捷和准确。人工管理受人的主观因素影响比较大，数据采集用手工记录，工作量很大，还容易出错。本文设计的气瓶充装数据无线采集系统，能使气瓶管理程序化、自动化，数据统计工作及时准确，最大限度降低意外事故发生的可能性，能满足目前气瓶安全监察需求。

1 系统架构

气瓶灌装无线数据采集系统主要硬件设备为：液化石油气电子灌装秤、无线防爆基站、无线通信交换机和服务器。应用程序通过对串口的编程实现服务器与液化石油气电子灌装秤之间的数据传输。设备连接如图1所示。

图1 系统设备连接图

1.1 电脑灌装称

系统所用的液化石油气电脑灌装秤是常州三晶数据技术有限公司的产品，它无需铺设电源管路，对液化石油气实行定量安装，自动切断。它还能够记录每个气瓶的自有编号、客户代码等各种信息，便于系统掌握客户的充装数据和每个气瓶的充装明细信息，实现对气瓶的动态跟踪管理。电脑灌装称的核心处理器是AT89C51型单片机，采用无线数据传输方式。

1.2 无线防爆基站

无线防爆基站适用于易燃易爆行业，和数据采集器、电脑灌装秤之间通过无线发射方式进行数据交换，同时将接收的数据信息通过CAN（Controller Area Network）总线传输到服务器上。本系统也采用该公司的S-5200型通讯基站。

1.3 无线通信交换机

无线通信交换机使用RS232总线与服务器的COM口连接，通讯速率是19200波特率，基本模式为：服务器等待交换机发送的启动成功命令，若在30秒内收不到，提示启动不成功。以后当交换机有数据时，主动向服务器请求，服务器处理后，给出结果。

1.4 服务器

服务器使用普通的PC机即可，主要负责采集气瓶在充装过程中涉及的各种相关数据，并对采集到的数据进行实时分析和处理，包括存储数据、统计分析生产情况、打印生产报表等。

2 通信总线结构

本系统电脑灌装称使用的AT89C51型单片机使用并行地址/数据复用的方式访问USBN9603，并通过74HC14反向后片选USBN9603，其地址为0x00－0x1FF。USBN9603是标准的USB接口电路，符合USB1.1协议，集成了3.3V的稳定电源、串行接口引擎SIE、多个USB端点缓冲区、1个8位并行微处理器接口。选用AT89C51的引脚SJA1000作为CAN微控制器，SJA1000集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的帧处理，其地址为0x000－0x0FF。AT82C50作为CAN控制器和物理总线之间的接口，用于提供总线的差动发送能力和CAN控制器差动接收能力。通过AT82C50的引脚3可选择3种不同的工作方式（高速、斜率控制和待机）。该引脚接地为高速方式，高速光耦隔离用6N137实现，防止串入信号的干扰。引脚MAX232用来完成RS232电平到微控制器接口电路的TTL电平转换，同时还可进行一些总线端口的工作参数设置。各种设备通过不同总线连接成一个通信网络。电脑灌装称中的数据采集系统使用USB接口接收灌装称称体的实时数据，并采用无线数据传输方式将数据传输到无线防爆基站；无线防爆基站与无线通信交换机之间用CAN总线相连；交换机与服务器之间用RS232总线相连。

由于各种设备之间的总线结构、通信协议及传输特点各不相同，给不同设备之间的连接与通信带来了一定的困难，本系统的通信网络使用USB－CAN－RS232三总线转换装置，解决了各种总线之间的连接问题。USB接口芯片USBN9603与单片机AT89C51相连，选用SJA1000作为CAN微控制器，高速光耦隔离用6N137实现，其作用是防止串入信号的干扰。MAX232用来完成RS232电平到微控制器接口电路的TTL电平转换。这种3总线转换器可方便地实现不同端口设备之间的数据通信，USB－CAN的转换速率可以达到1Mb/s。网络系统总线结构如下页图2所示。

图2 系统通信总线结构图

3 系统工作流程

3.1 系统通信

在微控制器的控制下，系统各总线间进行数据传输。首先，微控制器对各个总线的工作参数进行初始化，设置好时钟、寄存器、波特率，选择合适的中断方式。然后打开各个端口，若发现有端口进行数据发送，则存储当前数据，选择接收数据的总线并关闭其他端口进行数据传送。数据传送完毕则重新打开其他端口。系统工作流程如下页图3所示。

本系统使用的USB的传输方式是控制传输和块传输。其中块传输主要用于大批量数据的传输，数据集中而且对实时性要求不太高。块传输在硬件上提供了强大的错误检测和错误重传的功能，可以保证可靠的数据传输。USBN9603的内部寄存器和FIFO缓冲区分别对每个端口进行控制，当接到主机发来的IN标记包时，发送端点自动向上发送数据。如果没有数据发送，则回应NAK握手包。

图3 系统通信流程图

3.2 服务器与单片机的通信

服务器初始设置为地址传送方式，并设置单片机的地址。首先判断电脑灌装称是否有键按下，若没有则从0F1地址开始发送，并接收地址回送码，如果回送码等于发送地址码，则说明与1号从机握手成功。继而可以设置为数据传送方式，开始与1号从机传送数据。传送结束后，又与2号从机联络。如果服务器发送从机地址后，接收的地址与发送地址不相同，则表明服务器与该地址码的从机握手失败，继而转向与其他从机联络。

本文根据气瓶充装数据采集控制系统的实际需求，选择使用单片机、交换机和PC机等设备构成通信网络，实现一个无线数据采集系统，解决了PC机对气瓶充装现场的控制问题。

[1]陈丽娜.基于USB接口和单片机实现的数据采集系统[J].计算机科学,2004（10）.

[2]徐磊,等.基于USB块传输方式的实时数据采集[J].测控技,2005（2）：12-14.

[3]黄镇建.单片机与微机的串行通信[J].韩山师范学院学报,2004（3）：53-57

[4]许永和.USB外围设备设计与应用[M].北京：中国电力出版社,2002：103-118.

TP393.09

A

1673-8535（2011）03-0064-04

2011-04-20

万励（1972-），女，广西平南人，梧州学院计算机科学系讲师，硕士研究生，研究方向：软件工程与计算机应用。

黄宏本（1976-），男，广西藤县人，梧州学院讲师，研究方向：数据库技术。

吴洁明（1959-），女，广西藤县人，梧州学院计算机科学系副教授，研究方向：软件工程与计算机应用。

覃华巧）