CN105844887A - 一种具有无线自组网功能的32位三通道同步数据采集器 - Google Patents

一种具有无线自组网功能的32位三通道同步数据采集器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有无线自组网功能的32位三通道同步数据采集器，其包括：处理器控制三个32位ADC芯片ADS1282对三路模拟信号进行同步模拟/数字转换，转换结果以文件形式保存到连接在处理器USB接口的U盘里。处理器连接GPS模块进行GPS授时和定位，连接LCD进行显示，还连接一个ZigBee模块进行无线通讯。采集器通过ZigBee模块的自组网功能组成可以互联的网络，远端服务器上的监控软件通过ZigBee模块对网络中的数据采集器进行状态监测和控制。本发明的采集器便于野外部署进行三通道信号的同步采集与存储，具有无线自组网网络进行远程监控，适合于作为微地震监测系统使用。

Description

一种具有无线自组网功能的 32 位三通道同步数据采集器
技术领域
本发明涉及数据采集设备领域，具体涉及一种具有无线自组网功能的32位三通道同步数据采集器。
背景技术
进行微地震监测时，一般会在几平方公里范围内部署几个、几十个，甚至上百个监测站点。对这些监测台站的现场管理非常重要，如果没有远程无线监控，需要有人员不断巡视，查看各采集器的工作状况，开启或停止采集。在站点个数较少时尚可应付得来，在站点数较多时，人工监控的工作量就非常大，难以有效及时监控。
以往的微地震数据采集器也有采用无线监控的，但是一般采用射频一对一的通讯方式，站点之间无法互联，点与点之间通讯距离有限，所以也只能在站点数较少，站点分布范围较小时适用。
发明内容
本发明要解决的技术问题就是针对上述对微地震数据采集器的实际需求，提供一种具有无线自组网功能、便于野外部署和远程无线监控的高性能32位三通道同步数据采集器。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种具有无线自组网功能的32位三通道同步数据采集器，其特征在于，所述采集器包括： 处理器、三个32位ADC芯片、存储器、GPS模块和ZigBee模块；
其中，三个32位ADC芯片与处理器连接，处理器控制三个32位ADC芯片对三路模拟信号进行同步模拟/数字转换，转换结果以数据文件形式保存到与处理器连接的存储器里；
处理器连接GPS模块，处理器通过GPS模块读取GPS坐标和GPS时间数据并记录到每个数据文件的文件头信息里；
处理器还连接ZigBee模块进行无线通讯，所述采集器通过ZigBee模块的自组网功能与其他采集器组成互联的采集器网络。
优选的，每次采样的三路转换结果存储在一个数据点中，每个数据点都包含3个数组，每个数组都设置有数据点整秒标志位，处理器在数据采集过程中还通过GPS模块读取GPS秒脉冲信号，并在每秒读取到所述GPS秒脉冲信号后将该秒中首次采样转换结果的数据点的整秒标志位都标记为1，其余采样转换结果的数据点的整秒标志位都标记为0，使得根据每个数据文件的文件头记录的GPS时间和该数据文件内各数据点的整秒标志位能推算该数据文件内各数据点的精确时间。
优选的，所述32位ADC芯片为ADS1282。
优选的，处理器与三个ADS1282芯片之间通过三个软件模拟SPI接口连接，但是共用SPI时钟信号线，通过对三个SPI接口的并行操作实现三通道同步数据采集。
优选的，所述采集器还包括：开始/停止按键、测试按键和LCD；其中，处理器分别连接开始/停止按键、测试按键和LCD；开始/停止按键用于开始或停止数据采集；测试按键用于在LCD上实时显示三路模拟信号的波形，测试所述模拟信号来源的传感器工作是否正常。
优选的，所述存储器为U盘。
优选的，远端服务器上的监控软件通过ZigBee模块接入所述采集器网络，与每个采集器进行通讯，对每个采集器的状态进行监测和控制。
本发明的有益效果为：采集器连接三个ADS1282芯片，通过对三个ADS1282芯片的并行操作实现三路信号的同步采集。采集器通过GPS模块读取GPS坐标和时间并记录到文件头信息里，采集中获取GPS秒脉冲标志信号并与采集数据点融合，精确标记每个数据点的时间信息。采集器通过ZigBee模块组成自组网网络，站点之间可以中继互联，可任意扩展站点个数和部署范围。服务器端接入采集器的ZigBee网络，通过软件可以对每个站点的状态进行远程监控。采集器采集的数据以文件形式保存到U盘里，无线传感器网络只进行采集器状态监控，这样的系统便于野外部署，便于采集器状态的实时监控。
附图说明
图1是本发明的采集器的结构图。
图2是本发明的三个ADS1282芯片和GPS模块与处理器的连接示意图。
图3是本发明的三个SPI接口读入一个字节数据到处理器的时序逻辑示意图。
图4是本发明的三个SPI接口并行读入一个字节数据的程序流程图。
图5是本发明的GPS模块秒脉冲信号、ADS1282转换完成标志信号和数据点整秒标志位示意图。
图6是利用INT0中断和INT1中断完成ADC转换结果读取与GPS秒脉冲标记的处理流程图。
图7是本发明的多个采集器与监控电脑组成的自组网网络示意图。
图8是本发明的ZigBee模块接收指令解释执行功能图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
鉴于微地震监测要求使用的站点个数越来越多，甚至达到一百个以上，上百个站点的部署和控制必须采用先进的无线网络通讯技术。ZigBee网络是一种具有自组网功能的无线网络，相邻节点之间可以互联，数据传输可以自动中继，现场无需任何设置，特别适合于野外微地震监测系统的部署。
微地震信号一般比较微弱，地震传感器的输出动态范围比较大，所以要求数据采集器的电路噪声要非常低，ADC的动态范围要比较大。目前，一般的地震信号采集器采用的是24位ADC器件。本发明采用最高性能的32位ADC芯片ADS1282。ADS1282芯片内部集成了可编程增益放大器（PGA）、32位 模拟/数字转换器和数字滤波器，基于ADS1282设计地震信号采集器具有更高的集成度和电路性能。
现在的微地震监测一般要求采用三分量地震检波器，以获得完整的波场信息。三分量地震检波器有三路模拟输出信号，这三路信号必须同步进行模拟/数字转换，以保证各道信号采集无时间差。
ZigBee网络通讯速率比较低，三分量地震信号采集产生的数据量比较大，特别是站点数达到几十个或上百个时，无法通过ZigBee网络实现边采集边传输。所以，采集器必须有U盘等存储器，用于本地存储数据，而无线网络仅用于采集器的状态监控，或在采集器不在进行数据转换时进行文件传输。
参照图1，本发明一种具有无线自组网功能的32位三通道同步数据采集器的基本结构。电源电路将7~9V的直流输入电压转换为+5.0V、+3.3V、+2.5V、-2.5V等稳定电压，供电路板其他各芯片使用。三个32位ADC芯片ADS1282与处理器连接，每个ADS1282芯片可以连接一路差分模拟输入信号，处理器控制三个ADS1282对三路模拟信号进行同步模拟/数字转换，转换结果以文件形式保存到连接在处理器USB接口的U盘里。处理器连接GPS模块进行GPS授时和定位，读取的GPS坐标和GPS时间数据写入每个文件的文件头。处理器连接的LCD用于信息显示，采集器上的三个操作按键可以控制开始或停止采集、对三路信号进行采集测试。处理器连接一个ZigBee模块进行无线通讯。数据采集器通过ZigBee模块的自组网功能组成可以互联的网络，远端服务器上的监控软件通过ZigBee网络对网络中的数据采集器进行状态监测和控制。
图2是本发明的三个ADS1282芯片和GPS模块与处理器的连接示意图。每个ADS1282芯片有3个控制输入信号线ADC_PWDN、ADC_RST、ADC_SYNC，处理器的3个IO口输出这三个信号线，并与三个ADS1282的相同信号线连接；每个ADS1282有一个输出信号线ADC_DRDY，在完成一次ADC转换时输出上跳变信号表示转换完成，三个ADS1282的ADC_DRDY信号接入一个三线跳线，只选择一路接入处理器的输入信号线ADC_ReadyIRQ，作为外部中断信号源INT0；ADS1282的数据接口是SPI接口，处理器的SPI_CLK作为SPI接口时钟信号，同时连接三个ADS1282，处理器用6个IO口模拟三个SPI的输入输出数据线，分别与三个ADS1282的SPI接口数据线连接。处理器上用于SPI接口数据操作的6个IO口必须是用一个端口的，如PA口，用于实现三个SPI接口的并行操作。GPS模块与处理器之间通过UART口进行数据通讯，GPS模块有一个秒脉冲输出信号GPS_TimeIRQ，在每个整秒的时间点，GPS_TimeIRQ会输出一个上跳沿的脉冲信号，该信号接入处理器，作为一个外部中断信号源INT1。
图3是本发明的三个SPI接口读入一个字节数据到处理器的时序逻辑示意图。三个SPI的SO（Salve output）数据线都接入到处理器的同一个端口上，例如PA3=X_SO, PA1=Y_SO,PA6=Z_SO，定义一个字节型数组IN[8]，在SPI_CLK的一个时钟周期内，读入一次PA口的数据，并且与屏蔽数据（如图所示三个SO线对应的是0x4A）进行与操作，保存到数组IN内。这样，在一个SPI时钟周期内，就同时读入了三个SPI端口的一个位数据，在8个SPI_CLK周期内，就可以读取三个SPI端口的一个字节数据。
图4是三个SPI接口并行读入一个字节数据的程序流程图。首先是在8个SPI_CLK周期内并行读入三个SPI端口的输入数据，保存在数组IN内，然后，再对IN[0]至IN[7]存储的数据进行串行解析，得到每个SPI接口输入的一个字节的数据。例如图3中，ADC_X输入的一个字节数据是0xA6, ADC_Y输入的一个字节数据是0x6B，ADC_Z输入的一个字节数据是0x99。
图5是本发明的GPS模块秒脉冲信号、ADS1282转换完成标志信号和数据点整秒标志位示意图。GPS模块有一个秒脉冲信号输出管脚，该管脚在每次整秒时间时发出一个上跳沿信号，例如在13点23分04秒，秒脉冲信号的时间精度是10ns，从而可以作为精确时间标定信号。秒脉冲发出上跳沿信号后，GPS的串口开始输出GPS字符串。将此秒脉冲信号作为处理器的外部中断INT1，且在上跳沿触发。在程序控制ADS1282开始转换后，在INT1的第1个秒脉冲中断时通过ADC_SYNC管脚的上跳沿输出对三个ADS1282进行时序同步。转换完成信号（ADC_DRDY）在每完成一次ADC转换后就发出上跳沿信号，以通知处理器及时读取转换数据，将此信号接处理器的外部中断INT0，且在上跳沿触发。ADC_DRDY的触发周期与ADS1282的采样频率有关，如ADS1282采样频率为1000Hz，则ADC_DRDY触发周期是1ms（即在采样频率为1000Hz情况下，每1ms采样一次，产生一个采样点）。每次采样的三路转换结果可存储在一个数据点中，每个数据点都包含3个数组，每个数组都设置有数据点整秒标志位。INT0的中断优先级高于INT1的中断优先级，通过INT0和INT1中断处理程序，在GPS秒脉冲中断后读出的第1个数据点的整秒标志位设置为1，其他时刻数据点的整秒标志位设置为0，以此实现数据点的时间标记。
图6是利用INT0中断和INT1中断完成ADC转换结果读取与GPS秒脉冲标记的处理流程图。在GPS秒脉冲中断INT1处理程序中，在每次中断时将全局变量GPS_TB设置为1，表示刚刚接收到了秒脉冲信号。在ADS1282转换完成中断INT0的处理程序中，及时从SPI端口并行读入3个ADS1282的转换结果数据，并分别保存在三个字节型数组X[4]、Y[4]、Z[4]里（设定X[0]是最高位字节，X[3]是最低位字节）。再判断全局变量GPS_TB是否为1，如果GPS_TB为1，则将X[3]、Y[3]、Z[3]的最低位置为1并将全局变量GPS_TB设置为0，否则将X[3]、Y[3]、Z[3]的最低位置为0，然后将X、Y、Z数组的内容依次保存到缓冲区里。一个缓冲区存满后，就保存到文件里，如此，每个数据点就带有了时间标记，可以根据文件头记录的GPS时间和数据点的整秒标志位，推算文件内每个数据点的时间，并且检查数据采样是否准确。
图7是本发明的多个采集器与监控电脑组成的自组网网络示意图。每个采集器上有一个ZigBee模块，ZigBee模块通过UART接口与处理器连接，采集器的ZigBee模块一般配置为路由点，路由点可以自组网互联。一个ZigBee网络只能有一个协调点，监控电脑通过有线连接一个ZigBee协调器，从而与ZigBee网络内的所有采集器实现无线通讯。每个ZigBee模块有一个唯一的64位ID，监控电脑向某个采集器发送指令必须指定其64位ID，这样，监控电脑可以监控每一个特定的采集器。在发送指令时也可以指定特殊的64位ID实现群发，例如，群发控制所有采集器开始采集。
图8是本发明的采集器通过ZigBee模块接收到指令后解释执行功能图。监控电脑上的监控软件向采集器发送指令，指令的基本格式是“#类型字母:参数1;参数2;”，即以“#”开始，后面跟一个字母作为指令类型，再跟一个“：”，后面是指令参数，若有多个参数以“;”分隔，最后一个字符是“;”，指令以十六进制数0D0A结束。 如指令“#A:0;”表示要查询站点编号，“#B:0”表示要查询GPS字符串。采集器通过与ZigBee模块连接的UART的接收中断接收到一个完整的指令后，提取指令类型和指令参数，然后根据指令类型和参数做出相应的操作和响应。
本发明采用软件模拟三个SPI接口，控制三个ADS1282对三路模拟信号进行32位同步ADC转换，并且采用GPS秒脉冲信号对采集数据点进行时间标记，通过文件头记录的GPS时间实现每个数据点的时间的精确推算。本发明的每个采集器有ZigBee模块，多个采集器之间可以互联组成一个Mesh网络。现场监控电脑通过ZigBee路由器接入多个采集器的ZigBee网络，可以对每个采集器进行远程监控。本发明既实现了高性能的三通道32位同步采集与存储，又具有ZigBee网络，便于野外环境下的部署与操作，特别适合于野外环境下的无线组网微地震监测。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (7)

1.一种具有无线自组网功能的32位三通道同步数据采集器，其特征在于，所述采集器包括： 处理器、三个32位ADC芯片、存储器、GPS模块和ZigBee模块；
其中，三个32位ADC芯片与处理器连接，处理器控制三个32位ADC芯片对三路模拟信号进行同步模拟/数字转换，转换结果以数据文件形式保存到与处理器连接的存储器里；
处理器连接GPS模块，处理器通过GPS模块读取GPS坐标和GPS时间数据并记录到每个数据文件的文件头信息里；
处理器还连接ZigBee模块进行无线通讯，所述采集器通过ZigBee模块的自组网功能与其他采集器组成互联的采集器网络。
2.根据权利要求1所述的一种具有无线自组网功能的32位三通道同步数据采集器，其特征在于，每次采样的三路转换结果存储在一个数据点中，每个数据点都包含3个数组，每个数组都设置有数据点整秒标志位，处理器在数据采集过程中还通过GPS模块读取GPS秒脉冲信号，并在每秒读取到所述GPS秒脉冲信号后将该秒中首次采样转换结果的数据点的整秒标志位都标记为1，其余采样转换结果的数据点的整秒标志位都标记为0，使得根据每个数据文件的文件头记录的GPS时间和该数据文件内各数据点的整秒标志位能推算该数据文件内各数据点的精确时间。
3.根据权利要求1所述的一种具有无线自组网功能的32位三通道同步数据采集器，其特征在于，所述32位ADC芯片为ADS1282。
4.根据权利要求3所述的一种具有无线自组网功能的32位三通道同步数据采集器，其特征在于，处理器与三个ADS1282芯片之间通过三个软件模拟SPI接口连接，但是共用SPI时钟信号线，通过对三个SPI接口的并行操作实现三通道同步数据采集。
5.根据权利要求1所述的一种具有无线自组网功能的32位三通道同步数据采集器，其特征在于，所述采集器还包括：开始/停止按键、测试按键和LCD；
其中，处理器分别连接开始/停止按键、测试按键和LCD；
开始/停止按键用于开始或停止数据采集；
测试按键用于在LCD上实时显示三路模拟信号的波形，测试所述模拟信号来源的传感器工作是否正常。
6.根据权利要求1所述的一种具有无线自组网功能的32位三通道同步数据采集器，其特征在于，所述存储器为U盘。
7.根据权利要求1-6中任一权利要求所述的一种具有无线自组网功能的32位三通道同步数据采集器，其特征在于，远端服务器上的监控软件通过ZigBee模块接入所述采集器网络，与每个采集器进行通讯，对每个采集器的状态进行监测和控制。
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