1、基于 LabVIEW 的无线分布式数据采集系统孔 鹏，方源达，柯富茗，刘临利（华中科技大学 电子科学与技术系，湖北 武汉 430074）摘 要 基于图形化编程语言 LabVIEW，结合单片机控制和无线通讯，构建了集散型结构的无线分布式数据采集系统，给出了系统总体结构、上位机 LabVIEW 软件设计、数据采集卡设计和通讯协议设计。该系统利用串行通信技术和无线通讯技术，将个人电脑（上位机）和数据采集卡（下位机）连接起来，实现多现场、多通道，实时或存储转发模式的数据采集、控制和数据处理。在 RS-232 接口波特率 9600Hz 条件下，实现最大集散距离 1000 米、8 台下位机、48 个通道、
2、多传感器、多种采样频率、总数据流量最大870bps 的数据采集。关键词 数据采集 分布式 无线通讯 LabVIEW中图分类号 TP274 文献标识码 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
3、)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 an
4、d 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
5、 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, wirel
6、ess communication, LabVIEWClass Number TP2741 引言随着科学技术的发展和工业制造水平的提高，现代测试测量系统的测量对象越来越复杂、测量现场的分布也越来越广。这种变化促使测试测量系统向分布式、多通道系统发展，以满足多现场、多属性实时采集的需要。同时，集成技术的进步也推动测试测量系统不断向小型化、移动化、多功能和嵌入式模块化发展 1。基于通用计算机的虚拟仪器具有可重复配置、编程简单、界面友好等特点，适合模块或功能频繁变更的测试测量系统。LabVIEW 是虚拟仪器领域中最具代表性的图形化编程工具，被广泛应用于测试测量领域，已成为标准的数据采集和仪器控制软件
7、。在飞机、舰船等大型复杂设备的测试测量工作中，不同测量现场距离很大，有线测量系统布线复杂，成本较高 2。本文针对这种测试现场分布广、多属性采集和移动化、多功能等要求，基于图形化编程语言 LabVIEW，结合串行通信技术和无线通讯技术，设计了无线分布式数据采集系统。2 系统总体设计2.1 系统结构系统为集散型结构 3，上位机以个人电脑（PC）为核心，下位机以数据采集卡为核心，上位机和下位机通过 RS-232 串口和无线通讯模块连接，实现电平和温度等信号的采集、过程控制、数据处理和显示。图 1 系统结构图如图 1 所示，用基于 LabVIEW 的上位机软件，通过 RS-232 串口和无线模块向下位
8、机发送控制指令。下位机根据控制指令类型，控制 AD 芯片采集来自传感器的模拟量，并将数据按照一定的数据格式组装和发送。上位机将传回的数据处理和显示。2.2 通讯协议在测试测量系统中PC 与下位机间的数据传送方式有并行和串行两种。对于本系统，选用的无线模块（CWMDP05）能够与串口 RS-232 实现无缝连接，数据位数多（12 位） 、传送距离远（最大 1000 米） 、传送速率较低（9600Hz） ，采用异步串行 4,5传送方式在使用少量硬件资源的同时，能获得较高的可靠性。使用简单的握手协议建立上位机和下位机连接，控制指令为 2 个字节，包含下位机标志、通道标志和工作模式信息。下位机是否传送
9、数据完全由上位机控制，在保证不发生冲突的同时，能获得较高的传送速率。在实时高速采集模式下，系统中只有一台下位机工作，每个采集点的 12 位数据以两个 6 位分别存放在 2 个字节中传送；在实时轮询采集模式下，系统中所有下位机同时工作，每通道采集频率由下位机数量和开启的通道数之积反比例确定，每次由上位机控制某台下位机的某个通道采集一个点，逐台逐通道轮询工作，数据在添加下位机标志和通道标志等信息后放在 4 个字节中传送；在非实时高速采集模式下 6，上位机控制一台或多台下位机同时工作，采集的数据存放于数据采集卡的存储器中，采集规定个数的采集点后，由上位机以轮询方式控制数据读出和传送，数据格式同实时轮
10、询采集模式。上述通讯协议可以支持任意台数（至多 8 台）下位机。基于高扩展性的模块化软硬件设计，可以通过更新通讯协议和软件的通讯模块，支持更多下位机和更多通道。3 硬件设计3.1 无线模块系统无线通讯使用 CWMDP05 无线模块实现。CWMDP05 是 UART 接口半双工无线传输模块，可以工作在 433MHz/868MHz/915MHz 公用频段。从接收转换为发送的时间为200us，从发送转换为接收的时间为 800us。RF 速率为 12.6Kbps 时，接收灵敏度为-113dBm。串口速率可选（ 1.2k/2.4k/4.8k/9.6k/19.2k/38.4kbps） 。在系统中，设置 C
11、WMDP05无线模块的串口速率为 9.6kbps，RF 速率为 12.6kbps。经验证，在此条件下可以实现无限长数据包的传送，从而实现数据的高速传送。CWMDP05 无线模块休眠电流小于 5 微安，满足节能要求。具有 1000 米传输距离，使系统可以适应测量现场分布广的环境。工作温度-30 70，工作湿度 10%90%（相对湿度） 。3.2 上位机硬件设计上位机硬件完成向下位机发送的控制指令，接收来自下位机的数据。上位机由带 RS-232 接口的 PC 机和 CWMDP05 无线模块构成，通过 RS-232 串行通信接口总线连接，两者的串口速率均设为 9600Hz。控制指令由 PC 产生后，
12、通过 RS-232 接口传送到 CWMDP05无线模块，CWMDP05 无线模块负责发送控制指令和接收来自下位机的数据，PC 再通过RS-232 接口完成数据读取。3.3 下位机硬件设计下位机硬件完成接收上位机控制指令，控制 AD 采集，采集到的数据根据一定数据格式预处理后直接传送或存储后传送到 CWMDP05 无线模块，控制 CWMDP05 无线模块将数据发送给上位机。下位机由单片机、无线模块、AD 芯片、存储模块和传感器组构成。图 2 下位机硬件结构框图图 2 为下位机硬件结构框图。下位机核心为 MCS-51 兼容单片机 AT89S52，工作频率11.0592MHz，完成对 CWMDP05
13、 无线模块的收发控制、对 MAX196 芯片的采集控制和数据预处理。AT89S52 单片机具备看门狗模块，提高了系统的容错能力，提高了可靠性 7。AD 芯片选用 MAX196，MAX196 为采样频率 100kbps 的 12 位 6 通道 AD 芯片，可接受四种输入电压范围（10V/5V/010V/05V） ，配合传感器组可以实现多通道采集。下位机配置存储模块，在非实时高速采集模式下，单片机从 AD 接收数据后并不立刻传送到无线模块发送给上位机，而是将数据存入存储模块中。由于无须等待一个数据传送完成后再去采集下一个数据，可以实现高速采集。待采集完成后，再将数据从存储模块中读出发送给上位机。4
14、 软件设计4.1 上位机软件设计上位机软件采用图形化编程语言 LabVIEW 编写 8。LabVIEW 在编写友好的用户界面和数据处理方面具有简便、高效的特点。其 VISA（Virtual Instrument Software Architecture） 9组件拥有大量通用 PC 接口的驱动，包括 RS-232，能大大简化接口控制程序。在编程过程中，采用模块化的编写方式，使系统更容易调试和更新功能。上位机软件完成如下功能：初始化系统；根据使用人操作向下位机发送控制指令；控制串口和无线模块的收发；判断下位机采集状态并发送相应控制指令；读取和解析来自下位机的数据；显示实时或非实时数据曲线图；保存
15、数据；根据使用人操作控制系统状态。上位机软件和下位机软件的数据接口依据通讯协议确定。图 3 为上位机软件流程图。图 4 为上位机LabVIEW 软件握手协议子 VI 程序部分框图。图 3 上位机软件流程图图 4 上位机 LabVIEW 软件握手协议子 VI 程序部分框图4.2 下位机软件设计下位机软件采用 C51 语言编写。完成的功能有：根据上位机控制指令控制 AD 芯片采集；根据采集模式预处理数据；控制存储模块的写入和读出；控制无线模块收发指令和数据；向上位机报告采集状态。图 5 下位机软件流程图5 采集速率系统工作于实时高速采集模式时，仅有一台下位机采集数据，每个采集点的数据用 2个字节发
16、送，并采用实时传输和显示的方式处理数据。系统运行速率的瓶颈在 RS-232 串行接口，在串口速率为 9600Hz 和没有校验位条件下，每个字节还有一个起始位和一个截止位，理想采集速率由下式计算： 1960(Hz)480()28f实际测试中，在多次采集共 296.5 秒内，采集 129304 个点，实际采集速率为 436Hz。系统工作于实时轮询采集模式时，由于需要不断轮询各个下位机，收发转换频繁，总数据流量比实时高速采集模式稍低。系统包含 4 台下位机、每台 6 个通道时，每通道采集速率 10Hz20Hz。系统工作于非实时高速采集模式 5时，各个下位机在采集过程中无须通过无线模块发送数据，避开了
17、 RS-232 串行接口这个瓶颈，所以采集速率相对较高。单片机选用AT89S52（频率 11.0592MHz） ，AD 选用 MAX196（采样率 100ksps） ，存储芯片采用 32K的低功耗静态 RAM 存储器 62256（存取时间 70ns） ，此条件下采集速率有单片机决定。采集速率的理论值在 15kHz30kHz。每台下位机 6 个通道，每通道采集速率 1Hz2000Hz 手动可调，可持续采样 1s2000s。6 结语本文提出的基于 LabVIEW 的无线分布式数据采集系统，具备多现场、多通道采集能力，提供多种采集模式。在 RS-232 接口波特率 9600Hz 条件下，实现最大集散
18、距离 1000米、8 台下位机、48 个通道，每通道采集速率 1Hz2000Hz 手动可调。系统具有操作界面友好、布置简易和下位机增减方便等特点。通过更新系统通讯协议模块，可以支持更多下位机和更多采集通道，可扩展性强。适合应用于采集现场分散、多种信号类型、需要随时增减通道数量的实时和非实时采集环境。参考文献1 孙雨耕，张静，孙永进，等. 无线自组传感器网络J. 传感技术学报，2004，6(2):3313352 李健，吴华阳，张移山，等. 一个分布式数据采集系统的设计与研制J. 测控技术，2007，26(8):20223 张玉强，刘生春，樊延虎. 一个计算机实时数据采集系统的通信协议及其应用实例
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