基于DT MCU的数据采集系统

吴少华，张琪，雒名哲

（南水北调中线干线工程建设管理局河北直管项目建设管理部，河北石家庄 050035）

1 测量单元(MCU)的构成

数泰DT80系列测量单元（DT MCU）采用模块化结构，由密封保护箱、DT80G主机测量模块、CEM20通道扩展测量模块、通道防雷模块、电源、免维护铅酸蓄电池、防潮加热器、接线端子、系统接地、数字显示系统等部分组成。

2 性能特点

1）测量方式。每台DT MCU数据采集方式可分为中央控制方式和自动控制方式，DT MCU可以通过上位机软件来控制数据采集，也可以根据预设的内置采集程序自动进行数据采集，具有通过重复计划、即时计划等方式，可任意设置采样方式：定时、间断、单检、巡检、选测或任设测点群测量，同时可实现分类、分部位仪器的不同测量周期测量。定时测量间隔：10 ms～180 d重复采样，可任意设置，采样时间：50 ms～2 s/点。

2）通讯方式及协议。DT MCU可以非常方便地使用便携计算机，通过各自的USB端口直接进行通讯和实施现场测量，或者通过1台DT80G数据采集器实施现场测量，并能从DT MCU中获取其暂存的数据。DT MCU可接收数据采集工作站的命令设定、修改时钟和控制参数、测试、状态检查（运行状态、报警状态、数据存储状态、电源状态、内部温度、出厂状态）等。

DT MCU的数据通信为双向，即DT MCU与管理主机之间可以进行双向数据传输，同时具有数码校验、剔除乱码的功能。DT MCU通过“测试”指令，能够进行系统自检，对遥测单元、电源、通信线路及相连的测量仪器进行自检。当DT MCU设备发生故障时，向管理主机发送故障信息，并可以进行远程维护。

DT MCU具有冗余的通讯接口，测量模块预留有与便携式微机接口，可实现现场标定、调试以及数据采集等功能，支持电缆、光纤、无线等通讯方式，提供较大灵活性。通讯接口：具有1个USB通讯口、1个以太网通讯口、1个串行通讯口（RS232）、1个 RS485通讯口和 1个U盘存储接口（方便现场下载暂存的数据）。利用内置的以太网通讯接口形成全网络结构，传输距离不受限制，同时可以对DT MCU进行网络远程管理和维护。利用内置的RS232串口可与GPRS或CDMA无线通讯设备进行无线的远程数据传输。

DT MCU通讯协议完全开放，MCU提供开放的数据采集协议，MCU上传的数据结构开放且可根据具体要求自定义设置。DT MCU提供开放的数据通讯协议。端对端协议（PPP）、美国信息交换标准代码（ASCII）、互联通讯协议（MODBUS）、开放上传的数据结构，数据传输包括桢同步、桢起始、点号、测点类型、监测数据、采集时间、故障、桢校验。

3）防雷功能。DT MCU配有通道防雷模块，防雷电感应大于1 500 W，具有很强的防雷电、抗干扰能力，同时DT MCU由外部防水机箱的保护，能防尘和防腐蚀。

4）电源管理。DT MCU自身带有电源管理模块，管理DT MCU供电方式，当外部电源存在时除了给DT MCU供电外，还自动给蓄电池充电，充满后自动切断充电电路，防止蓄电池过充；当外部电源中断时，蓄电池自动转成给DT MCU供电，当电池产生欠压，电路将自动切断，防止蓄电池过放。电源管理模块也管理DT MCU自动休眠和唤醒。DT MCU具有防掉电保护功能，保证数据和内置采集程序及参数不丢失，并能自动上电运行采集程序。在外部电源中断的情况下，可以维持30 d以上的正常运行。工作电压宽范围10～30 VDC，采用交、直流两种供电方式，具有6V4AHr免维护蓄电池，支持24 h不间断运行，可控制休眠状态模式，达到最长的连续工作时间，在1 h采样频率下，可正常工作30 d以上。可通过内部通道查看电源的电压和电流，及时了解现场供电状况。

5）数据存储方式。DT MCU具有掉电保护存储器，所有参数和测量数据存储于专用非易失性存储器中，可确保掉电后参数和数据的安全。可提供128 M的内部存储空间，可存储10 000 000个数据点的数据。

6）可接入测量仪器类型。DT MCU通道万用，主机和通道扩展测量模块可同时接入不同类型的传感器，包括差阻式仪器、振弦式仪器、电位器式仪器、电阻式仪器、RS232/RS422/RS485智能式仪器和输出标准电压、电流信号的仪器等。DT MCU测量可采用恒流源激励，200 μA和2.5 mA电流可选，对测量电阻型传感器时可有效排除导线电阻的影响，保证测量精度。弦式仪器测量范围：频率400～6 000 Hz，温度-50℃～+150℃；差阻式仪器测量范围：电阻比 0.800 0～1.200 0，电阻 0～120 Ω；标准信号测量范围：电压±30 V，电流 0～20 mA。

7）DT MCU滤波功能。为了解决传感器传输距离长、仪器类型众多带来的测值不稳现象，数泰DT MCU具有滤波功能，以下从硬件和软件两个方面对滤波方法进行论述。

①硬件方面，电路结构见图1。

图1 DT MCU硬件电路结构

DT MCU在进行VW振弦信号采集时，需要使用“拨弦电路”、“耦合放大电路”、“相位锁定滤波器”、“频率测量电路”等四个电路。

“拨弦电路”就是通常所说的激励电路，能发出高能窄脉冲“拨动”钢弦，其参数可由改变通道选项的软件方式设置，默认值能够激励大多数振弦传感器。（有的MCU没有测到读数跟激励有关系，所以激励很重要。）钢弦被“激振”起来后，再被切换到“高增益耦合放大电路”、“相位锁定滤波器”和“频率测量电路”，起初测量电路进行侦听，并通过带宽为400~6 000 Hz的模拟滤波器滤掉之外的频率信号，然后通过相位锁定器（PLL）锁定主频并去调其他各种谐波，最后通过频率测量电路捕获VW振弦正确的频率值。

此外，DT MCU还有高能激励和高增益放大电路，可以很好地测读引线较长的钢弦仪器。高能激励电路增强了激励信号，使它可以传输的更远，去激励振弦传感器。振弦传感器被激励后的输出信号也要在同样的电缆上传输而被MCU获得，高增益放大电路允许“拾取”较弱的信号。

②软件方面，DT MCU测量振弦频率时，使用的模拟通道可设置两个通道选项，即可调整两个测量参数。一个为通道因子(channel factor)，代表采样时间；另一个为MD测量延迟(measurement delay)，代表延时测量时间。

通过采样时间的设置可以控制测量频率的时间间隔，通过MD测量延迟的设置可以控制激振频率后的测量时刻，从而测量时可以选择恰当频率的捕捉时机来得到真实的频率值。

事实表明，由于硬件和软件两个方面的技术优势，DT MCU可以准确地、稳定地测读全球不同厂家的振弦仪器信号。