用于化學(xué)激光器上的智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

薛鵬飛，袁圣付，林　夕（國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院高能激光研究所，湖南長沙410073）

用于化學(xué)激光器上的智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

薛鵬飛，袁圣付，林夕
（國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院高能激光研究所，湖南長沙410073）

原有的化學(xué)激光器測控系統(tǒng)不僅外形龐大，而且數(shù)據(jù)采集不便、精度不高，采集點(diǎn)添加困難。為此，設(shè)計(jì)了一種基于PIC單片機(jī)的智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，主要由遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集模塊組成。其能夠遠(yuǎn)程控制激光器上各采集模塊的運(yùn)行，實(shí)時(shí)采集與存儲(chǔ)壓力或溫度數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)上。采集模塊自帶電源，模塊化設(shè)計(jì)，擴(kuò)展性強(qiáng)，可直接與傳感器相連無需修改，最多可擴(kuò)展65535個(gè)。系統(tǒng)主要用于化學(xué)激光器中的壓力測量，同時(shí)還適用于工業(yè)控制、科學(xué)研究等需要大量傳感器的地方。

PIC單片機(jī)；數(shù)據(jù)采集模塊；遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)；壓力或溫度數(shù)據(jù)

0　引言

化學(xué)激光器具有輸出光束質(zhì)量好、功率密度高等突出優(yōu)點(diǎn)［1，2］，然而，這些是建立在嚴(yán)格的氣流供給條件下的，而在一定條件下氣體流量及激光器內(nèi)部工作狀態(tài)都可以通過測量其壓力和溫度等參數(shù)來獲得。因此，對(duì)化學(xué)激光器氣體流量的測量與控制尤為重要，但現(xiàn)有的LabVIEW測控系統(tǒng)［3，4］存在控制不便、硬件擴(kuò)展性不強(qiáng)、大量數(shù)據(jù)線造成測控現(xiàn)場混亂等問題。

本文設(shè)計(jì)一種智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，不但可應(yīng)用于化學(xué)激光器中的壓力測量，還可用于工業(yè)、科研院所等需要大量傳感器的領(lǐng)域。

1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)介紹

本文設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于化學(xué)激光器上的智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，它能夠遠(yuǎn)程控制激光器上每個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)的運(yùn)行，并能無線傳輸數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊和控制系統(tǒng)組成，如圖1所示，其中，數(shù)據(jù)采集模塊是以PIC單片機(jī)為核心的多個(gè)功能模塊組合，主要負(fù)責(zé)采集壓力或溫度數(shù)據(jù)；控制系統(tǒng)主要遠(yuǎn)程控制采集模塊的運(yùn)行，同時(shí)控制采集點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig 1　System structure

1.2器件功能

1）傳感器：用來測量壓力或溫度，并以4～20 mA的電流形式輸出，同時(shí)傳感器需用24 V電源供電。

2）單片機(jī)：本文所用的PIC單片機(jī)在工業(yè)用8位單片機(jī)中性能高、可靠性強(qiáng)，很適合數(shù)據(jù)采集工作。作為整個(gè)模塊的控制核心，其主要作用為：提取時(shí)鐘數(shù)據(jù)并在SD卡中建立文件夾；處理傳感器輸入的數(shù)據(jù)并寫入SD卡中；接收控制系統(tǒng)發(fā)送的指令，并進(jìn)行相應(yīng)操作；傳輸采集到的數(shù)據(jù)。

3）串口數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊：本文選用SDV600，其波特率為115 kbps。此模塊主要是將溫度或壓力數(shù)據(jù)處理后存儲(chǔ)到SD卡中，同時(shí)在需要時(shí)讀取。

4）數(shù)據(jù)收發(fā)模塊：本文使用433 MHz頻段的無線模塊，用于接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。

5）時(shí)鐘模塊：主要是為了記錄開始采集時(shí)的時(shí)刻信息。

6）大容量電源：本文選用了16850電池，其電量大，可供傳感器連續(xù)工作20 h以上。此電源主要為傳感器、單片機(jī)及其他模塊供電。

7）電壓轉(zhuǎn)換模塊：主要將電池電壓轉(zhuǎn)為5 V和24 V供各模塊使用。

2　系統(tǒng)工作流程

2.1采集模塊工作流程

采集模塊的工作流程［5～7］如圖2所示。

圖2　采集模塊工作流程Fig 2　Workflow of acquisition module

1）采集模塊上電開始運(yùn)行后，首先初始化I/O口、定時(shí)器、看門狗等參數(shù)，之后狀態(tài)字［4］設(shè)為“空閑狀態(tài)”，隨即便進(jìn)入等待接收指令、修改狀態(tài)字進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的階段。其中，狀態(tài)字是控制主程序運(yùn)行走向的一個(gè)標(biāo)識(shí)，只能由8字節(jié)的ModBus指令［8，9］更改，而指令只能通過單片機(jī)高級(jí)中斷函數(shù)來接收，此函數(shù)的工作流程如圖3所示。

圖3　高優(yōu)先級(jí)中斷（指令接收）函數(shù)Fig 3　High-priority interrupt instruction receiving function

當(dāng)有外部指令被采集模塊接收后，單片機(jī)就停止其他工作（包括數(shù)據(jù)采集），轉(zhuǎn)而執(zhí)行高級(jí)中斷函數(shù)，識(shí)別收到的指令并設(shè)置相應(yīng)狀態(tài)字，最后結(jié)束中斷返回中斷點(diǎn)。

2）采集模塊通過高級(jí)中斷函數(shù)收到“準(zhǔn)備開始”指令后，狀態(tài)字就被置為“準(zhǔn)備開始”，然后單片機(jī)通過輪詢掃描識(shí)別出此標(biāo)識(shí)后就進(jìn)行采集前的準(zhǔn)備工作。單片機(jī)首先利用IIC總線提取當(dāng)前時(shí)鐘數(shù)據(jù)，然后以此數(shù)據(jù)為文件名在SD卡中建立一個(gè)TXT文件，并寫入文件創(chuàng)建時(shí)間、記錄的數(shù)據(jù)類型及單位等信息，最后單片機(jī)進(jìn)入空閑狀態(tài)。

3）采集模塊收到“開始采集”指令后，單片機(jī)立即使定時(shí)器中斷有效，之后就等待定時(shí)器產(chǎn)生中斷來進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，其具體工作流程如圖4所示。

圖4　低優(yōu)先級(jí)中斷（數(shù)據(jù)采集）函數(shù)Fig 4　Low-priority interrupt data acquiring function

本文設(shè)置定時(shí)器每10 ms觸發(fā)一次中斷，當(dāng)10 ms到達(dá)時(shí)，其中斷標(biāo)志位置位，程序立即跳轉(zhuǎn)到低級(jí)中斷（數(shù)據(jù)采集）函數(shù)處執(zhí)行采集工作。單片機(jī)首先復(fù)位定時(shí)器，然后通過AD模塊將傳感器輸入的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)為2字節(jié)數(shù)字信號(hào)，并經(jīng)字符串處理為ASCII碼［10］，最后，將此ASCII碼序列寫入SD卡中，這就完成了一次數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)過程。當(dāng)下一次定時(shí)器中斷產(chǎn)生時(shí)，程序再次執(zhí)行以上過程，如此反復(fù)循環(huán)，直到采集停止。

4）采集模塊收到“停止采集”指令后，單片機(jī)就禁止定時(shí)器中斷，從而停止數(shù)據(jù)采集，同時(shí)保存數(shù)據(jù)。

5）采集模塊收到攜帶特定ID地址的“傳輸數(shù)據(jù)”指令后，立即將采集到的數(shù)據(jù)按一定格式發(fā)送給控制系統(tǒng)，這樣就完成了最后的數(shù)據(jù)無線傳輸。

2.2控制系統(tǒng)工作流程

控制系統(tǒng)的工作流程如圖5所示，當(dāng)此LabVIEW程序開始運(yùn)行時(shí)，首先初始化串口、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)路徑等參數(shù)，然后等待“準(zhǔn)備開始”按鈕按下。

圖5　控制系統(tǒng)工作流程Fig 5　Workflow of control system

1）“準(zhǔn)備開始”按鈕按下，系統(tǒng)會(huì)向外界發(fā)出“準(zhǔn)備采集”指令，使收到此指令的每個(gè)采集模塊都進(jìn)入等待采集的狀態(tài)。

2）“開始運(yùn)行”按鈕按下，系統(tǒng)發(fā)出“開始運(yùn)行”指令，每個(gè)采集模塊收到指令后就立即進(jìn)入預(yù)定的數(shù)據(jù)采集模式。當(dāng)需要停止采集時(shí)，按下“停止運(yùn)行”按鈕即可。

3）采集模塊停止采集后，選擇界面上“采集點(diǎn)位置”選項(xiàng)框內(nèi)指定采集點(diǎn)的位置，按下“傳輸數(shù)據(jù)”按鈕即可將相應(yīng)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳到電腦上，其中數(shù)據(jù)會(huì)存儲(chǔ)到初始化時(shí)設(shè)置的文件夾中，并且數(shù)據(jù)文件都以當(dāng)前時(shí)間加上位置信息命名，便于查看數(shù)據(jù)。本文對(duì)采集模塊進(jìn)行了2字節(jié)ID地址編碼，因此，最多能識(shí)別出65535個(gè)采集模塊。

4）若要進(jìn)行下一輪試驗(yàn)，單機(jī)“繼續(xù)試驗(yàn)”即可，電腦會(huì)初始化相關(guān)設(shè)置變量。

3　實(shí)驗(yàn)測試

現(xiàn)將案制作出的采集模塊應(yīng)用于氣流單路上進(jìn)行測試，其中供給管路如圖6所示。為了便于單路流量計(jì)算，本測試選取氣流入口、文氏咀上、下游作為壓力測試點(diǎn)，將三個(gè)采集模塊安裝在這三處進(jìn)行測壓，并檢測模塊的工作狀況和可靠性等。

圖6　單路氣流供給圖Fig 6　Figure of single channel air stream supply

實(shí)驗(yàn)重復(fù)測量幾十次，取得了良好效果。采集模塊運(yùn)行穩(wěn)定，未出現(xiàn)數(shù)據(jù)采集錯(cuò)誤等情況，控制系統(tǒng)工作良好，能夠較好地控制采集模塊進(jìn)行工作。本實(shí)驗(yàn)采集到的數(shù)據(jù)波形如圖7所示。由圖7（a），（b）兩圖對(duì)比可知，本系統(tǒng)得到的數(shù)據(jù)波動(dòng)較小、數(shù)據(jù)更穩(wěn)定、精度較高。

圖7　單路氣流測試結(jié)果Fig 7　Result of single channel air stream test

4　結(jié)論

本文針對(duì)化學(xué)激光器提出了一種新型智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，利用嵌入式技術(shù)設(shè)計(jì)了一種獨(dú)立的采集模塊，即插即用、擴(kuò)展性強(qiáng)、方便可靠，同時(shí)引入無線數(shù)傳技術(shù)，使數(shù)據(jù)可以無線傳輸不再依賴繁雜的線路，提高了現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和控制的智能化程度。通過實(shí)驗(yàn)證明，本系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠性高，得到的數(shù)據(jù)波動(dòng)比小、精度高、可靠性強(qiáng)，可以應(yīng)用于化學(xué)激光器的數(shù)據(jù)采集中，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

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Intelligent data acquisition system applied to chemical laser

XUE Peng-fei，YUAN Sheng-fu，LIN Xi
（Institute of High Energy Laser，College of Optoelectronic Science and Engineering，National University of Defense Technology，Changsha 410073，China）

Previous chemical laser measurement and control system not only has huge profile，but also is inconvenient to collect data，low precision，and difficult to add more data acquisition points.So an intelligent data transmission system based on PIC MCU is designed，which is composed of remote control system and data acquisition module.This system can remotely control operation of data acquisition modules in the laser，real-timely collect and storage data of pressure or temperature，and can also wirelessly transmit data to control system.The data collection module adopts modular design，with self-powered，good scalability，which can be connected to sensors directly，without considering any changes and can be extended up to 65535.This system is mainly used in pressure measurement of chemical lasers，and can also be applied to industrial control，scientific research where large numbers of sensors are needed.

PIC MCU；data acquisition module；remote control system；pressure or temperature data

TH863

A

1000—9787（2016）06—0075—03

10.13873/J.1000—9787（2016）06—0075—03

2015—09—30

薛鵬飛（1991-），男，河南孟州人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楦吣芗す馄髦械臏y控系統(tǒng)。