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《電子設計工程雜志》2014年第十一期

1子單元接口電路設計

子單元接口電路設計如圖2所示，微控制器（C8051F020）為子單元的控制核心，控制采集系統的A/D轉換、無線模塊以及GPS模塊。該微控制器內部集成有8位/12位A/D轉換器，8位A/D轉換速率達500ksps，12位A/D轉換速率達100ksps，該轉換速率滿足一般工程需要；交叉開關可實現通道數的擴展，實現多路信號的采集輸入。GPS模塊與控制器之間通過串口0相連，通過GPS模塊可實時定位采集子單元的位置信息和時間信息。GPS模塊秒同步PPS信號，與控制器的外部中斷0連接，實現各個采集子單元的同步采集。無線模塊與控制器通過串口1相連接，通過無線模塊實現數據的遠距離通信。無線模塊采用迪進公司生產的XBee-PRODigiMesh2.4型無線射頻模塊，該模塊采用DigiMesh網絡協議，無線最高通信速率為250kbps，城市通訊距離90米，野外通信距離1600米，發射功率63mW，接收靈敏度-100dBm。該模塊提供API模式、透傳模式和AT命令模式供用戶選擇。

2同步采集技術

在實際工程中，常需要對多點傳感器信號進行同步采集，同步信號產生非常關鍵。在該無線數據采集系統中，多個GPS模塊提供的PPS信號是同步的，因此采集系統可利用PPS信號實現同步采集。為便于敘述，以地震數據采集系統為例，現假設采集子單元利用8位A/D轉換器，轉換速率(采樣頻率)為1000SPS，控制器內存中設置1000個字節空間實現循環存儲，如圖3所示。同步采集原理如圖4所示，當控制器收到啟動A/D轉換命令時，下位機（子單元）等待PPS（邊沿觸發信號）同步信號，當PPS同步信號到來時，啟動A/D轉換，A/D轉換每獲得一個數據，順序存儲一個數據，數據指針加1，若數據指針超過999時，則此時數據指針不再加1，保持為999。經過1s后，即下一個PPS信號到來時，判斷數據指針的值：若數據指針為999時，數據采集指針清零復位；當數據指針小于999時，將數據補齊后，數據指針清零復位。每次PPS到來時，讀取GPS提供的當前時刻，將該時刻作為數據指針為0時的絕對時刻，從而實現多點傳感器數據的同步采集。當下位機檢測到有效信號時，將絕對時刻、有效信號觸發時刻（坐標）以及有效數據上傳至上位機，上位機再進行進一步數據處理。

3控制命令及上傳數據格式設計

3.1控制命令設計控制命令格式為：命令頭（4字節）+子單元編號（1字節）+命令（1字節）+參數（2字節），控制命令為定長字節（8字節）。上位機下發命令頭為：$DZS，子單元編號為0x00-0xFF，當編號為0xFF時表示該命令對所有子單元有效，其它編號只對對應子單元有效。具體命令如表1所示，表內xx為保留參數（為任意值），0x_為設計參數。命令字0x00要求下位機除串口1正常工作外，其余處于低功耗待機狀態；命令字0x12要求下位機打開串口0，接收GPS模塊的定位數據，并將數據上傳給上位機；命令字0x44要求下位機上傳子單元的工作狀態；命令字0x55要求重新設置比較電壓；命令字0x66要求重新設置上傳數據的長度；命令字0x77要求下位機啟動A/D采集，循環采集存儲數據，按照設計算法判斷有效數據等；命令字0xFF要求下位機上傳有效數據。

3.2數據上傳格式設計當下位機接收到命令后，將根據命令要求上傳一定格式的數據。上傳數據基本格式由數據頭（多字節）+數據（多字節）。具體格式如表2所示。下位機收到0x00，0x55，0x66，0x77命令時，無上傳數據。當上位機需要確認下位機是否正確收到命令時，可通過0x44狀態查詢命令查詢，返回數據格式為：$ZT+子單元編號（1個字節）+狀態（一個字節）。下位機收到0x12上傳GPS命令時，上傳數據格式為：$GPGGA+GPS數據。下位機收到0xFF上傳有效數據時，上傳數據各位為：若此時無有效數據時，則上傳NODATA；若有有效數據時，則上傳格式為：$QSSK+GPS絕對時間+$CFSK+數據觸發指針值+$YXSJ+有效數據。上位機通過接收上傳的數據，實時掌握下位機的狀態，實現數據通信。

4子單元程序流程

采集子單元程序流程如圖5所示。數據采集子系統上電默認為待機狀態，此時若收到命令，則子系統根據命令改變工作狀態；若未收到命令，則保持待機狀態，等待命令接收。子系統收到命令后，改變系統的工作狀態，執行響應的操作，直到收到新的命令。

5結論

數據采集實驗系統由多個子系統和一個主系統組成。實際工程應用中，每個子系統可采集一路（或多路）傳感器信號，系統工作時序由主系統控制，實現子系統待機、GPS信號上傳、子系統狀態查詢、參數配置、采集控制等。整個數據采集系統通過野外實驗驗證，可靠無線通信距離達1600米，可實現多通道同步數據采集的功能。

作者：吳銀川張家田嚴正國蘇娟單位：西安石油大學光電油氣測井與檢測教育部重點實驗室