基于LabVIEW 的無線分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

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1、計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2009.11，孔鵬 基于LabVIEW的無線分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 孔 鵬，方源達(dá)，柯富茗，劉臨利 （華中科技大學(xué) 電子科學(xué)與技術(shù)系，湖北 武漢 430074） 摘 要 基于圖形化編程語(yǔ)言LabVIEW，結(jié)合單片機(jī)控制和無線通訊，構(gòu)建了集散型結(jié)構(gòu)的無線分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)、上位機(jī)LabVIEW軟件設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計(jì)和通訊協(xié)議設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)利用串行通信技術(shù)和無線通訊技術(shù)，將個(gè)人電腦（上位機(jī)）和數(shù)據(jù)采集卡（下位機(jī)）連接起來，實(shí)現(xiàn)多現(xiàn)場(chǎng)、多通道，實(shí)時(shí)或存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)模式的數(shù)據(jù)采集、控制和數(shù)據(jù)處理。在RS-232接口波特率9600Hz條件下，實(shí)現(xiàn)最大集散距

2、離1000米、8臺(tái)下位機(jī)、48個(gè)通道、多傳感器、多種采樣頻率、總數(shù)據(jù)流量最大870bps的數(shù)據(jù)采集。 關(guān)鍵詞 數(shù)據(jù)采集 分布式 無線通訊 LabVIEW 中圖分類號(hào) TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A Wireless Distributed Data Acquisition System Based on LabVIEW KONG Peng, FANG Yuan-da, KE Fu-ming, LIU Lin-li (Department of Electronic Science and Technology, Huazhong University of Scienc

3、e and Technology, Wuhan 430074, China) Abstract This article establishes a wireless distributed data acquisition system, based on graphical programming language LabVIEW and the combination of SCM (Single-chip Microcomputer) and wireless communication technology. The article shows the overall str

4、ucture, software, data acquisition card and communication protocol of the designed system. Utilizing serial communication technology and wireless communication technology, the system connects PC and data acquisition card, and actualizes process control, data processing and real-time or non real-time

5、 data acquisition which has multi-site and multi-channel. When the baud rate of RS-232 is 9600Hz, the system could actualize data acquisition which has 1km transmission distance, 8 slave machines, 48 channels, multi-sensor, a wide range of sampling frequency and 870bps total data traffic. Key words

6、 data acquisition, distributed system, wireless communication, LabVIEW Class Number TP274 1 引言 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)制造水平的提高，現(xiàn)代測(cè)試測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量對(duì)象越來越復(fù)雜、測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)的分布也越來越廣。這種變化促使測(cè)試測(cè)量系統(tǒng)向分布式、多通道系統(tǒng)發(fā)展，以滿足多現(xiàn)場(chǎng)、多屬性實(shí)時(shí)采集的需要。同時(shí)，集成技術(shù)的進(jìn)步也推動(dòng)測(cè)試測(cè)量系統(tǒng)不斷向小型化、移動(dòng)化、多功能和嵌入式模塊化發(fā)展[[] 孫雨耕，張靜，孫永進(jìn)，等. 無線自組傳感器網(wǎng)絡(luò)[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2004，6(2):331~335 ]?；?/p>

7、于通用計(jì)算機(jī)的虛擬儀器具有可重復(fù)配置、編程簡(jiǎn)單、界面友好等特點(diǎn)，適合模塊或功能頻繁變更的測(cè)試測(cè)量系統(tǒng)。LabVIEW是虛擬儀器領(lǐng)域中最具代表性的圖形化編程工具，被廣泛應(yīng)用于測(cè)試測(cè)量領(lǐng)域，已成為標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。 在飛機(jī)、艦船等大型復(fù)雜設(shè)備的測(cè)試測(cè)量工作中，不同測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)距離很大，有線測(cè)量系統(tǒng)布線復(fù)雜，成本較高[[] 李健，吳華陽(yáng)，張移山，等. 一個(gè)分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研制[J]. 測(cè)控技術(shù)，2007，26(8):20~22 ]。本文針對(duì)這種測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)分布廣、多屬性采集和移動(dòng)化、多功能等要求，基于圖形化編程語(yǔ)言LabVIEW，結(jié)合串行通信技術(shù)和無線通訊技術(shù)，設(shè)計(jì)了無線分布式數(shù)據(jù)

8、采集系統(tǒng)。 2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)為集散型結(jié)構(gòu)[[] 張玉強(qiáng)，劉生春，樊延虎. 一個(gè)計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的通信協(xié)議及其應(yīng)用實(shí)例[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2002，10(2):131~132 ]，上位機(jī)以個(gè)人電腦（PC）為核心，下位機(jī)以數(shù)據(jù)采集卡為核心，上位機(jī)和下位機(jī)通過RS-232串口和無線通訊模塊連接，實(shí)現(xiàn)電平和溫度等信號(hào)的采集、過程控制、數(shù)據(jù)處理和顯示。 圖 1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 如圖1所示，用基于LabVIEW的上位機(jī)軟件，通過RS-232串口和無線模塊向下位機(jī)發(fā)送控制指令。下位機(jī)根據(jù)控制指令類型，控制AD芯片采集來自傳感器的模擬量，并將數(shù)據(jù)按照一

9、定的數(shù)據(jù)格式組裝和發(fā)送。上位機(jī)將傳回的數(shù)據(jù)處理和顯示。 2.2 通訊協(xié)議 在測(cè)試測(cè)量系統(tǒng)中．PC與下位機(jī)間的數(shù)據(jù)傳送方式有并行和串行兩種。對(duì)于本系統(tǒng)，選用的無線模塊（CWMDP05）能夠與串口RS-232實(shí)現(xiàn)無縫連接，數(shù)據(jù)位數(shù)多（12位）、傳送距離遠(yuǎn)（最大1000米）、傳送速率較低（9600Hz），采用異步串行[[] 劉本偉，柯永振. 串口儀器儀表通訊協(xié)議對(duì)比研究[J]. 儀器儀表用戶，2009，16(1):82~84 ,[] 龔尚福. 微機(jī)原理與接口技術(shù)(第二版)[M]. 西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2008，8 ]傳送方式在使用少量硬件資源的同時(shí)，能獲得較高的可靠性。 使用簡(jiǎn)單

10、的握手協(xié)議建立上位機(jī)和下位機(jī)連接，控制指令為2個(gè)字節(jié)，包含下位機(jī)標(biāo)志、通道標(biāo)志和工作模式信息。下位機(jī)是否傳送數(shù)據(jù)完全由上位機(jī)控制，在保證不發(fā)生沖突的同時(shí)，能獲得較高的傳送速率。在實(shí)時(shí)高速采集模式下，系統(tǒng)中只有一臺(tái)下位機(jī)工作，每個(gè)采集點(diǎn)的12位數(shù)據(jù)以兩個(gè)6位分別存放在2個(gè)字節(jié)中傳送；在實(shí)時(shí)輪詢采集模式下，系統(tǒng)中所有下位機(jī)同時(shí)工作，每通道采集頻率由下位機(jī)數(shù)量和開啟的通道數(shù)之積反比例確定，每次由上位機(jī)控制某臺(tái)下位機(jī)的某個(gè)通道采集一個(gè)點(diǎn)，逐臺(tái)逐通道輪詢工作，數(shù)據(jù)在添加下位機(jī)標(biāo)志和通道標(biāo)志等信息后放在4個(gè)字節(jié)中傳送；在非實(shí)時(shí)高速采集模式下[[] 黃智剛，柳重堪，姚彤. 多路并行高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的兩種實(shí)

11、現(xiàn)方法[J]. 數(shù)據(jù)采集與處理，1999，14(2):225~229 ]，上位機(jī)控制一臺(tái)或多臺(tái)下位機(jī)同時(shí)工作，采集的數(shù)據(jù)存放于數(shù)據(jù)采集卡的存儲(chǔ)器中，采集規(guī)定個(gè)數(shù)的采集點(diǎn)后，由上位機(jī)以輪詢方式控制數(shù)據(jù)讀出和傳送，數(shù)據(jù)格式同實(shí)時(shí)輪詢采集模式。 上述通訊協(xié)議可以支持任意臺(tái)數(shù)（至多8臺(tái)）下位機(jī)?；诟邤U(kuò)展性的模塊化軟硬件設(shè)計(jì)，可以通過更新通訊協(xié)議和軟件的通訊模塊，支持更多下位機(jī)和更多通道。 3 硬件設(shè)計(jì) 3.1 無線模塊 系統(tǒng)無線通訊使用CWMDP05無線模塊實(shí)現(xiàn)。CWMDP05 是UART接口半雙工無線傳輸模塊，可以工作在433MHz/868MHz/915MHz公用頻段。從接收轉(zhuǎn)換為發(fā)

12、送的時(shí)間為200us，從發(fā)送轉(zhuǎn)換為接收的時(shí)間為800us。RF速率為12.6Kbps時(shí)，接收靈敏度為-113dBm。串口速率可選（1.2k/2.4k/4.8k/9.6k/19.2k/38.4kbps）。在系統(tǒng)中，設(shè)置CWMDP05無線模塊的串口速率為9.6kbps，RF速率為12.6kbps。經(jīng)驗(yàn)證，在此條件下可以實(shí)現(xiàn)無限長(zhǎng)數(shù)據(jù)包的傳送，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳送。 CWMDP05無線模塊休眠電流小于5微安，滿足節(jié)能要求。具有1000 米傳輸距離，使系統(tǒng)可以適應(yīng)測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)分布廣的環(huán)境。工作溫度-30℃~70℃，工作濕度10%~90%（相對(duì)濕度）。 3.2 上位機(jī)硬件設(shè)計(jì) 上位機(jī)硬件完成向下位機(jī)

13、發(fā)送的控制指令，接收來自下位機(jī)的數(shù)據(jù)。上位機(jī)由帶RS-232接口的PC機(jī)和CWMDP05無線模塊構(gòu)成，通過RS-232串行通信接口總線連接，兩者的串口速率均設(shè)為9600Hz?？刂浦噶钣蒔C產(chǎn)生后，通過RS-232接口傳送到CWMDP05無線模塊，CWMDP05無線模塊負(fù)責(zé)發(fā)送控制指令和接收來自下位機(jī)的數(shù)據(jù)，PC再通過RS-232接口完成數(shù)據(jù)讀取。 3.3 下位機(jī)硬件設(shè)計(jì) 下位機(jī)硬件完成接收上位機(jī)控制指令，控制AD采集，采集到的數(shù)據(jù)根據(jù)一定數(shù)據(jù)格式預(yù)處理后直接傳送或存儲(chǔ)后傳送到CWMDP05無線模塊，控制CWMDP05無線模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)。下位機(jī)由單片機(jī)、無線模塊、AD芯片、存儲(chǔ)模塊和

14、傳感器組構(gòu)成。 圖 2 下位機(jī)硬件結(jié)構(gòu)框圖 圖2為下位機(jī)硬件結(jié)構(gòu)框圖。下位機(jī)核心為MCS-51兼容單片機(jī)AT89S52，工作頻率11.0592MHz，完成對(duì)CWMDP05無線模塊的收發(fā)控制、對(duì)MAX196芯片的采集控制和數(shù)據(jù)預(yù)處理。AT89S52單片機(jī)具備看門狗模塊，提高了系統(tǒng)的容錯(cuò)能力，提高了可靠性[[] 賈海瀛，李莉，張悅旺. 嵌入式系統(tǒng)中Watchdog的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 自動(dòng)化與儀表，2007，22(5):76~78 ]。AD芯片選用MAX196，MAX196為采樣頻率100kbps的12位6通道AD芯片，可接受四種輸入電壓范圍（±10V/±5V/0~10V/0~5V

15、），配合傳感器組可以實(shí)現(xiàn)多通道采集。下位機(jī)配置存儲(chǔ)模塊，在非實(shí)時(shí)高速采集模式下，單片機(jī)從AD接收數(shù)據(jù)后并不立刻傳送到無線模塊發(fā)送給上位機(jī)，而是將數(shù)據(jù)存入存儲(chǔ)模塊中。由于無須等待一個(gè)數(shù)據(jù)傳送完成后再去采集下一個(gè)數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)高速采集。待采集完成后，再將數(shù)據(jù)從存儲(chǔ)模塊中讀出發(fā)送給上位機(jī)。 4 軟件設(shè)計(jì) 4.1 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì) 上位機(jī)軟件采用圖形化編程語(yǔ)言LabVIEW編寫[[] 劉瑩，卜雄洙. 基于LabVIEW 的數(shù)據(jù)采集和無線通信系統(tǒng)的開發(fā)[J]. 測(cè)控技術(shù)，2006，25(2):22~29 ]。LabVIEW在編寫友好的用戶界面和數(shù)據(jù)處理方面具有簡(jiǎn)便、高效的特點(diǎn)。其VISA（Vi

16、rtual Instrument Software Architecture）[[] 蔣榮華，陳光礻禹. 虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu)——VISA函數(shù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 測(cè)控技術(shù)，2006，25(3):63~65 ]組件擁有大量通用PC接口的驅(qū)動(dòng)，包括RS-232，能大大簡(jiǎn)化接口控制程序。在編程過程中，采用模塊化的編寫方式，使系統(tǒng)更容易調(diào)試和更新功能。上位機(jī)軟件完成如下功能：初始化系統(tǒng)；根據(jù)使用人操作向下位機(jī)發(fā)送控制指令；控制串口和無線模塊的收發(fā)；判斷下位機(jī)采集狀態(tài)并發(fā)送相應(yīng)控制指令；讀取和解析來自下位機(jī)的數(shù)據(jù)；顯示實(shí)時(shí)或非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線圖；保存數(shù)據(jù)；根據(jù)使用人操作控制系統(tǒng)狀態(tài)。上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件的

17、數(shù)據(jù)接口依據(jù)通訊協(xié)議確定。圖3為上位機(jī)軟件流程圖。圖4 為上位機(jī)LabVIEW軟件握手協(xié)議子VI程序部分框圖。 圖 3 上位機(jī)軟件流程圖 圖 4 上位機(jī)LabVIEW軟件握手協(xié)議子VI程序部分框圖 4.2 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì) 下位機(jī)軟件采用C51語(yǔ)言編寫。完成的功能有：根據(jù)上位機(jī)控制指令控制AD芯片采集；根據(jù)采集模式預(yù)處理數(shù)據(jù)；控制存儲(chǔ)模塊的寫入和讀出；控制無線模塊收發(fā)指令和數(shù)據(jù)；向上位機(jī)報(bào)告采集狀態(tài)。 圖 5 下位機(jī)軟件流程圖 5 采集速率 系統(tǒng)工作于實(shí)時(shí)高速采集模式時(shí)，僅有一臺(tái)下位機(jī)采集數(shù)據(jù)，每個(gè)采集點(diǎn)的數(shù)據(jù)用2個(gè)字節(jié)發(fā)送，并采用實(shí)時(shí)傳輸和顯示的

18、方式處理數(shù)據(jù)。系統(tǒng)運(yùn)行速率的瓶頸在RS-232串行接口，在串口速率為9600Hz和沒有校驗(yàn)位條件下，每個(gè)字節(jié)還有一個(gè)起始位和一個(gè)截止位，理想采集速率由下式計(jì)算： 實(shí)際測(cè)試中，在多次采集共296.5秒內(nèi)，采集129304個(gè)點(diǎn)，實(shí)際采集速率為436Hz。 系統(tǒng)工作于實(shí)時(shí)輪詢采集模式時(shí)，由于需要不斷輪詢各個(gè)下位機(jī)，收發(fā)轉(zhuǎn)換頻繁，總數(shù)據(jù)流量比實(shí)時(shí)高速采集模式稍低。系統(tǒng)包含4臺(tái)下位機(jī)、每臺(tái)6個(gè)通道時(shí)，每通道采集速率10Hz~20Hz。 系統(tǒng)工作于非實(shí)時(shí)高速采集模式[5]時(shí)，各個(gè)下位機(jī)在采集過程中無須通過無線模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，避開了RS-232串行接口這個(gè)瓶頸，所以采集速率相對(duì)較高。單片機(jī)選用AT8

19、9S52（頻率11.0592MHz），AD選用MAX196（采樣率100ksps），存儲(chǔ)芯片采用32K的低功耗靜態(tài)RAM存儲(chǔ)器62256（存取時(shí)間70ns），此條件下采集速率有單片機(jī)決定。采集速率的理論值在15kHz~30kHz。每臺(tái)下位機(jī)6個(gè)通道，每通道采集速率1Hz~2000Hz手動(dòng)可調(diào)，可持續(xù)采樣1s~2000s。 6 結(jié)語(yǔ) 本文提出的基于LabVIEW的無線分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，具備多現(xiàn)場(chǎng)、多通道采集能力，提供多種采集模式。在RS-232接口波特率9600Hz條件下，實(shí)現(xiàn)最大集散距離1000米、8臺(tái)下位機(jī)、48個(gè)通道，每通道采集速率1Hz~2000Hz手動(dòng)可調(diào)。系統(tǒng)具有操作界面友好、布置簡(jiǎn)易和下位機(jī)增減方便等特點(diǎn)。通過更新系統(tǒng)通訊協(xié)議模塊，可以支持更多下位機(jī)和更多采集通道，可擴(kuò)展性強(qiáng)。適合應(yīng)用于采集現(xiàn)場(chǎng)分散、多種信號(hào)類型、需要隨時(shí)增減通道數(shù)量的實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)采集環(huán)境。 參考文獻(xiàn)