計算機與數(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，柯富茗，劉臨利（華中科技大學 電子科學與技術系，湖北 武漢 430074）摘 要 基于圖形化編程語言LabVIEW，結合單片機控制和無線通訊，構建了集散型結構的無線分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)總體結構、上位機LabVIEW軟件設計、數(shù)據(jù)采集卡設計和通訊協(xié)議設計。該系統(tǒng)利用串行通信技術和無線通訊技術，將個人電腦（上位機）和數(shù)據(jù)采集卡（下位機）連接起來，實現(xiàn)多現(xiàn)場、多通道，實時或存儲轉發(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，實現(xiàn)最大集散距離1000米、8臺下位機、48個通道、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。關鍵詞 數(shù)據(jù)采集 分布式 無線通訊 LabVIEW中圖分類號 TP274文獻標識碼 AWireless Distributed Data Acquisition System Based on LabVIEWKONG Peng, FANG Yuan-da, KE Fu-ming, LIU Lin-li(Department of Electronic Science and Technology, Huazhong University of Science 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 structure, 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 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 data acquisition, distributed system, wireless communication, LabVIEWClass Number TP2741 引言隨著科學技術的發(fā)展和工業(yè)制造水平的提高，現(xiàn)代測試測量系統(tǒng)的測量對象越來越復雜、測量現(xiàn)場的分布也越來越廣。這種變化促使測試測量系統(tǒng)向分布式、多通道系統(tǒng)發(fā)展，以滿足多現(xiàn)場、多屬性實時采集的需要。同時，集成技術的進步也推動測試測量系統(tǒng)不斷向小型化、移動化、多功能和嵌入式模塊化發(fā)展 孫雨耕，張靜，孫永進，等. 無線自組傳感器網(wǎng)絡J. 傳感技術學報，2004，6(2):331335?；谕ㄓ糜嬎銠C的虛擬儀器具有可重復配置、編程簡單、界面友好等特點，適合模塊或功能頻繁變更的測試測量系統(tǒng)。LabVIEW是虛擬儀器領域中最具代表性的圖形化編程工具，被廣泛應用于測試測量領域，已成為標準的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。在飛機、艦船等大型復雜設備的測試測量工作中，不同測量現(xiàn)場距離很大，有線測量系統(tǒng)布線復雜，成本較高 李健，吳華陽，張移山，等. 一個分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計與研制J. 測控技術，2007，26(8):2022。本文針對這種測試現(xiàn)場分布廣、多屬性采集和移動化、多功能等要求，基于圖形化編程語言LabVIEW，結合串行通信技術和無線通訊技術，設計了無線分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。2 系統(tǒng)總體設計2.1系統(tǒng)結構系統(tǒng)為集散型結構 張玉強，劉生春，樊延虎. 一個計算機實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的通信協(xié)議及其應用實例J.計算機測量與控制，2002，10(2):131132，上位機以個人電腦（PC）為核心，下位機以數(shù)據(jù)采集卡為核心，上位機和下位機通過RS-232串口和無線通訊模塊連接，實現(xiàn)電平和溫度等信號的采集、過程控制、數(shù)據(jù)處理和顯示。圖 1 系統(tǒng)結構圖如圖1所示，用基于LabVIEW的上位機軟件，通過RS-232串口和無線模塊向下位機發(fā)送控制指令。下位機根據(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)按照一定的數(shù)據(jù)格式組裝和發(fā)送。上位機將傳回的數(shù)據(jù)處理和顯示。2.2通訊協(xié)議在測試測量系統(tǒng)中PC與下位機間的數(shù)據(jù)傳送方式有并行和串行兩種。對于本系統(tǒng)，選用的無線模塊（CWMDP05）能夠與串口RS-232實現(xiàn)無縫連接，數(shù)據(jù)位數(shù)多（12位）、傳送距離遠（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)議對比研究J. 儀器儀表用戶，2009，16(1):8284, 龔尚福. 微機原理與接口技術(第二版)M. 西安:西安電子科技大學出版社，2008，8傳送方式在使用少量硬件資源的同時，能獲得較高的可靠性。使用簡單的握手協(xié)議建立上位機和下位機連接，控制指令為2個字節(jié)，包含下位機標志、通道標志和工作模式信息。下位機是否傳送數(shù)據(jù)完全由上位機控制，在保證不發(fā)生沖突的同時，能獲得較高的傳送速率。在實時高速采集模式下，系統(tǒng)中只有一臺下位機工作，每個采集點的12位數(shù)據(jù)以兩個6位分別存放在2個字節(jié)中傳送；在實時輪詢采集模式下，系統(tǒng)中所有下位機同時工作，每通道采集頻率由下位機數(shù)量和開啟的通道數(shù)之積反比例確定，每次由上位機控制某臺下位機的某個通道采集一個點，逐臺逐通道輪詢工作，數(shù)據(jù)在添加下位機標志和通道標志等信息后放在4個字節(jié)中傳送；在非實時高速采集模式下 黃智剛，柳重堪，姚彤. 多路并行高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的兩種實現(xiàn)方法J. 數(shù)據(jù)采集與處理，1999，14(2):225229，上位機控制一臺或多臺下位機同時工作，采集的數(shù)據(jù)存放于數(shù)據(jù)采集卡的存儲器中，采集規(guī)定個數(shù)的采集點后，由上位機以輪詢方式控制數(shù)據(jù)讀出和傳送，數(shù)據(jù)格式同實時輪詢采集模式。上述通訊協(xié)議可以支持任意臺數(shù)（至多8臺）下位機?；诟邤U展性的模塊化軟硬件設計，可以通過更新通訊協(xié)議和軟件的通訊模塊，支持更多下位機和更多通道。3 硬件設計3.1無線模塊系統(tǒng)無線通訊使用CWMDP05無線模塊實現(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。從接收轉換為發(fā)送的時間為200us，從發(fā)送轉換為接收的時間為800us。RF速率為12.6Kbps時，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，設置CWMDP05無線模塊的串口速率為9.6kbps，RF速率為12.6kbps。經(jīng)驗證，在此條件下可以實現(xiàn)無限長數(shù)據(jù)包的傳送，從而實現(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)可以適應測量現(xiàn)場分布廣的環(huán)境。工作溫度-3070，工作濕度10%90%（相對濕度）。3.2上位機硬件設計上位機硬件完成向下位機發(fā)送的控制指令，接收來自下位機的數(shù)據(jù)。上位機由帶RS-232接口的PC機和CWMDP05無線模塊構成，通過RS-232串行通信接口總線連接，兩者的串口速率均設為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無線模塊負責發(fā)送控制指令和接收來自下位機的數(shù)據(jù)，PC再通過RS-232接口完成數(shù)據(jù)讀取。3.3下位機硬件設計下位機硬件完成接收上位機控制指令，控制AD采集，采集到的數(shù)據(jù)根據(jù)一定數(shù)據(jù)格式預處理后直接傳送或存儲后傳送到CWMDP05無線模塊，控制CWMDP05無線模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機。下位機由單片機、無線模塊、AD芯片、存儲模塊和傳感器組構成。圖 2 下位機硬件結構框圖圖2為下位機硬件結構框圖。下位機核心為MCS-51兼容單片機AT89S52，工作頻率11.0592MHz，完成對CWMDP05無線模塊的收發(fā)控制、對MAX196芯片的采集控制和數(shù)據(jù)預處理。AT89S52單片機具備看門狗模塊，提高了系統(tǒng)的容錯能力，提高了可靠性 賈海瀛，李莉，張悅旺. 嵌入式系統(tǒng)中Watchdog的設計與實現(xiàn)J. 自動化與儀表，2007，22(5):7678。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/010V/05V），配合傳感器組可以實現(xiàn)多通道采集。下位機配置存儲模塊，在非實時高速采集模式下，單片機從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，而是將數(shù)據(jù)存入存儲模塊中。由于無須等待一個數(shù)據(jù)傳送完成后再去采集下一個數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)高速采集。待采集完成后，再將數(shù)據(jù)從存儲模塊中讀出發(fā)送給上位機。4 軟件設計4.1上位機軟件設計上位機軟件采用圖形化編程語言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. 測控技術，2006，25(2):2229。LabVIEW在編寫友好的用戶界面和數(shù)據(jù)處理方面具有簡便、高效的特點。其VISA（Virtual Instrument Software Architecture） 蔣榮華，陳光礻禹. 虛擬儀器軟件結構VISA函數(shù)的設計與實現(xiàn)J. 測控技術，2006，25(3):6365組件擁有大量通用PC接口的驅(qū)動，包括RS-232，能大大簡化接口控制程序。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)；判斷下位機采集狀態(tài)并發(fā)送相應控制指令；讀取和解析來自下位機的數(shù)據(jù)；顯示實時或非實時數(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)。上位機軟件和下位機軟件的數(shù)據(jù)接口依據(jù)通訊協(xié)議確定。圖3為上位機軟件流程圖。圖4 為上位機LabVIEW軟件握手協(xié)議子VI程序部分框圖。圖 3 上位機軟件流程圖圖 4 上位機LabVIEW軟件握手協(xié)議子VI程序部分框圖4.2下位機軟件設計下位機軟件采用C51語言編寫。完成的功能有：根據(jù)上位機控制指令控制AD芯片采集；根據(jù)采集模式預處理數(shù)據(jù)；控制存儲模塊的寫入和讀出；控制無線模塊收發(fā)指令和數(shù)據(jù)；向上位機報告采集狀態(tài)。圖 5 下位機軟件流程圖5 采集速率系統(tǒng)工作于實時高速采集模式時，僅有一臺下位機采集數(shù)據(jù)，每個采集點的數(shù)據(jù)用2個字節(jié)發(fā)送，并采用實時傳輸和顯示的方式處理數(shù)據(jù)。系統(tǒng)運行速率的瓶頸在RS-232串行接口，在串口速率為9600Hz和沒有校驗位條件下，每個字節(jié)還有一個起始位和一個截止位，理想采集速率由下式計算：實際測試中，在多次采集共296.5秒內(nèi)，采集129304個點，實際采集速率為436Hz。系統(tǒng)工作于實時輪詢采集模式時，由于需要不斷輪詢各個下位機，收發(fā)轉換頻繁，總數(shù)據(jù)流量比實時高速采集模式稍低。系統(tǒng)包含4臺下位機、每臺6個通道時，每通道采集速率10Hz20Hz。系統(tǒng)工作于非實時高速采集模式5時，各個下位機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串行接口這個瓶頸，所以采集速率相對較高。單片機選用AT89S52（頻率11.0592MHz），AD選用MAX196（采樣率100ksps），存儲芯片采用32K的低功耗靜態(tài)RAM存儲器62256（存取時間70ns），此條件下采集速率有單片機決定。采集速率的理論值在15kHz30kHz。每臺下位機6個通道，每通道采集速率1Hz2000Hz手動可調(diào)，可持續(xù)采樣1s2000s。6 結語本文提出的基于LabVIEW的無線分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，具備多現(xiàn)場、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，實現(xiàn)最大集散距離1000米、8臺下位機、48個通道，每通道采集速率1Hz2000Hz手動可調(diào)。系統(tǒng)具有操作界面友好、布置簡易和下位機增減方便等特點。通過更新系統(tǒng)通訊協(xié)議模塊，可以支持更多下位機和更多采集通道，可擴展性強。適合應用于采集現(xiàn)場分散、多種信號類型、需要隨時增減通道數(shù)量的實時和非實時采集環(huán)境。參考文獻