无线同步数据采集系统设计

吴银川，张家田，严正国，苏 娟

（西安石油大学 光电油气测井与检测教育部重点实验室，陕西 西安 710065）

无线同步数据采集系统设计

吴银川，张家田，严正国，苏 娟

（西安石油大学 光电油气测井与检测教育部重点实验室，陕西 西安 710065）

设计了以微控制器为核心的数据采集子系统，利用GPS接收模块实现子系统的定位，应用GPS模块的PPS输出信号实现数据采集系统的同步采集，选择XBee-Pro（2.4GHz）无线传输模块实现数据的远距离传输，数据采集子系统的参数可以实现在线配置。通过野外试验验证，采集系统实现了子系统的定位，数据的同步采集，可靠通信距离达到1600米。该系统可方便代替远距离有线数据采集，具有较好的应用前景。

数据采集；无线通信；同步采集；采集系统

数据采集技术主要研究信号数据的采集、存储、传输、处理以及控制问题[1-2]。在野外工业生产（例如输油管线监测、石油地震勘探等）中，需要利用多传感器组成的传感器阵列[3-5]，实现多个信号的同步采集[6]；通过数据采集传输系统将检测到的信号上传至上位机（工作站），从而进行进一步的信号处理；工作人员通过上位机控制采集过程，接收保存上传数据，处理数据结果，从而获取有用信息。传统的数据采集采用有线组成，本文以微控制器（C8051F020）为核心设计无线数据采集子单元，通过多个子单元组成数据采集系统；各子单元通过内置GPS接收模块，实现定位功能；子系统利用GPS模块的PPS信号，实现各个子系统的同步采集；各子系统通过内置无线传输模块（XBee-Pro，2.4 GHz）实现与上位机（工作站）远距离无线通信，通信速率可达250 kbps；上位机作为数据采集系统的控制中心，实现采集系统的参数设置，上位机接收、存储各子系统上传的数据，并对数据做进一步的处理。

1 系统设计

1.1 系统框图设计

无线数据采集系统框图如图1所示。主控单元主要由上位机和无线模块组成，无线模块和上位机之间通过USB接口连接。上位机控制整个采集系统的工作，实现参数远程实时配置，控制子单元的采集，数据的接收、存储以及处理功能。子单元主要由数据采集、无线模块以及GPS模块组成；子单元含有微控制器，微控制器通过无线模块来接收上位机命令、解析上位机命令、设置子单元参数、实现传感器数据采集、GPS定位数据接收的。

图1 无线数据采集系统框图Fig.1 Diagram of wireless data acquisition system

1.2 子单元接口电路设计

子单元接口电路设计如图2所示，微控制器（C8051F020）为子单元的控制核心，控制采集系统的A/D转换、无线模块以及GPS模块。该微控制器内部集成有8位/12位A/D转换器，8位A/D转换速率达500ksps，12位A/D转换速率达100 ksps，该转换速率满足一般工程需要；交叉开关可实现通道数的扩展，实现多路信号的采集输入。GPS模块与控制器之间通过串口0相连，通过GPS模块可实时定位采集子单元的位置信息和时间信息。GPS模块秒同步PPS信号，与控制器的外部中断0连接，实现各个采集子单元的同步采集。无线模块与控制器通过串口1相连接，通过无线模块实现数据的远距离通信。无线模块采用迪进公司生产的XBee-PRO DigiMesh 2.4型无线射频模块，该模块采用DigiMesh网络协议，无线最高通信速率为250 kbps，城市通讯距离90米，野外通信距离1 600米，发射功率63 mW，接收灵敏度-100 dBm。该模块提供API模式、透传模式和AT命令模式供用户选择。

图2 子单元接口电路设计Fig.2 Design of subunit interface circuit

2 同步采集技术

在实际工程中，常需要对多点传感器信号进行同步采集，同步信号产生非常关键。在该无线数据采集系统中，多个GPS模块提供的PPS信号是同步的，因此采集系统可利用PPS信号实现同步采集。为便于叙述，以地震数据采集系统为例，现假设采集子单元利用8位A/D转换器，转换速率（采样频率）为1 000 SPS，控制器内存中设置1 000个字节空间实现循环存储，如图3所示。同步采集原理如图4所示，当控制器收到启动A/D转换命令时，下位机（子单元）等待PPS（边沿触发信号）同步信号，当PPS同步信号到来时，启动A/D转换，A/D转换每获得一个数据，顺序存储一个数据，数据指针加1，若数据指针超过999时，则此时数据指针不再加1，保持为999。经过1 s后，即下一个PPS信号到来时，判断数据指针的值：若数据指针为999时，数据采集指针清零复位；当数据指针小于999时，将数据补齐后，数据指针清零复位。每次PPS到来时，读取GPS提供的当前时刻，将该时刻作为数据指针为0时的绝对时刻，从而实现多点传感器数据的同步采集。当下位机检测到有效信号时，将绝对时刻、有效信号触发时刻（坐标）以及有效数据上传至上位机，上位机再进行进一步数据处理。

图3 数据存储Fig.3 Data store

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

3 控制命令及上传数据格式设计

3.1 控制命令设计

控制命令格式为：命令头（4字节）+子单元编号（1字节）+命令（1字节）+参数（2字节），控制命令为定长字节（8字节）。上位机下发命令头为：$DZS，子单元编号为0x00-0xFF，当编号为0xFF时表示该命令对所有子单元有效，其它编号只对对应子单元有效。具体命令如表1所示，表内xx为保留参数（为任意值），0x_为设计参数。命令字0x00要求下位机除串口1正常工作外，其余处于低功耗待机状态；命令字0x12要求下位机打开串口0，接收GPS模块的定位数据，并将数据上传给上位机；命令字0x44要求下位机上传子单元的工作状态；命令字0x55要求重新设置比较电压；命令字0x66要求重新设置上传数据的长度；命令字0x77要求下位机启动A/D采集，循环采集存储数据，按照设计算法判断有效数据等；命令字0xFF要求下位机上传有效数据。

表1 下发命令Tab.1 Download instruction

3.2 数据上传格式设计

当下位机接收到命令后，将根据命令要求上传一定格式的数据。上传数据基本格式由数据头（多字节）+数据（多字节）。具体格式如表2所示。下位机收到0x00，0x55，0x66，0x77命令时，无上传数据。当上位机需要确认下位机是否正确收到命令时，可通过0x44状态查询命令查询，返回数据格式为：$ZT+子单元编号（1个字节）+状态（一个字节）。下位机收到0x12上传GPS命令时，上传数据格式为：$GPGGA+GPS数据。下位机收到0xFF上传有效数据时，上传数据各位为：若此时无有效数据时，则上传NO DATA；若有有效数据时，则上传格式为：$QSSK+GPS绝对时间+$CFSK+数据触发指针值+$YXSJ+有效数据。上位机通过接收上传的数据，实时掌握下位机的状态，实现数据通信。

采集子单元程序流程如图5所示。数据采集子系统上电默认为待机状态，此时若收到命令，则子系统根据命令改变工作状态；若未收到命令，则保持待机状态，等待命令接收。子系统收到命令后，改变系统的工作状态，执行响应的操作，直到收到新的命令。

数据采集实验系统由多个子系统和一个主系统组成。实

表2 上传数据Tab.2 Upload data

4 子单元程序流程

图5 子单元程序流程Fig.5 Subunit program flow

5 结 论

际工程应用中，每个子系统可采集一路（或多路）传感器信号，系统工作时序由主系统控制，实现子系统待机、GPS信号上传、子系统状态查询、参数配置、采集控制等。整个数据采集系统通过野外实验验证，可靠无线通信距离达1600米，可实现多通道同步数据采集的功能。

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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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LI Jing，HUANG Zheng.Design of wireless data acquiring system[J].Journal of north university of China：Natural Science Edition，2010，31（2）：178-182.

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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 稿件编号：201403046

陕西省教育厅科研计划项目资助（12JK0506）

吴银川（1978—），男，陕西临潼人，博士，讲师。研究方向：测试计量技术及仪器、测井信号与信息处理。