无线传输数据采集系统设计范文

《电子设计工程杂志》2014年第十一期

1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100ksps，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-PRODigiMesh2.4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250kbps，城市通讯距离90米，野外通信距离1600米，发射功率63mW，接收灵敏度-100dBm。该模块提供API模式、透传模式和AT命令模式供用户选择。

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1000SPS，控制器内存中设置1000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1s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。

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。

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NODATA；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。

4子单元程序流程

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。

5结论

数据采集实验系统由多个子系统和一个主系统组成。实际工程应用中，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。

作者：吴银川张家田严正国苏娟单位：西安石油大学光电油气测井与检测教育部重点实验室