薛鹏飞，袁圣付，林　夕（国防科学技术大学光电科学与工程学院高能激光研究所，湖南长沙410073）

用于化学激光器上的智能数据采集系统

薛鹏飞，袁圣付，林夕
（国防科学技术大学光电科学与工程学院高能激光研究所，湖南长沙410073）

原有的化学激光器测控系统不仅外形庞大，而且数据采集不便、精度不高，采集点添加困难。为此，设计了一种基于PIC单片机的智能数据采集系统，主要由远程控制系统和数据采集模块组成。其能够远程控制激光器上各采集模块的运行，实时采集与存储压力或温度数据，并将数据无线传输到控制系统上。采集模块自带电源，模块化设计，扩展性强，可直接与传感器相连无需修改，最多可扩展65535个。系统主要用于化学激光器中的压力测量，同时还适用于工业控制、科学研究等需要大量传感器的地方。

PIC单片机；数据采集模块；远程控制系统；压力或温度数据

0　引言

化学激光器具有输出光束质量好、功率密度高等突出优点［1，2］，然而，这些是建立在严格的气流供给条件下的，而在一定条件下气体流量及激光器内部工作状态都可以通过测量其压力和温度等参数来获得。因此，对化学激光器气体流量的测量与控制尤为重要，但现有的LabVIEW测控系统［3，4］存在控制不便、硬件扩展性不强、大量数据线造成测控现场混乱等问题。

本文设计一种智能数据采集系统，不但可应用于化学激光器中的压力测量，还可用于工业、科研院所等需要大量传感器的领域。

1　系统设计

1.1系统介绍

本文设计了一种应用于化学激光器上的智能数据采集系统，它能够远程控制激光器上每个数据采集点的运行，并能无线传输数据。该系统由数据采集模块和控制系统组成，如图1所示，其中，数据采集模块是以PIC单片机为核心的多个功能模块组合，主要负责采集压力或温度数据；控制系统主要远程控制采集模块的运行，同时控制采集点的数据传输。

图1　系统结构Fig 1　System structure

1.2器件功能

1）传感器：用来测量压力或温度，并以4～20 mA的电流形式输出，同时传感器需用24 V电源供电。

2）单片机：本文所用的PIC单片机在工业用8位单片机中性能高、可靠性强，很适合数据采集工作。作为整个模块的控制核心，其主要作用为：提取时钟数据并在SD卡中建立文件夹；处理传感器输入的数据并写入SD卡中；接收控制系统发送的指令，并进行相应操作；传输采集到的数据。

3）串口数据存储模块：本文选用SDV600，其波特率为115 kbps。此模块主要是将温度或压力数据处理后存储到SD卡中，同时在需要时读取。

4）数据收发模块：本文使用433 MHz频段的无线模块，用于接收和发送数据。

5）时钟模块：主要是为了记录开始采集时的时刻信息。

6）大容量电源：本文选用了16850电池，其电量大，可供传感器连续工作20 h以上。此电源主要为传感器、单片机及其他模块供电。

7）电压转换模块：主要将电池电压转为5 V和24 V供各模块使用。

2　系统工作流程

2.1采集模块工作流程

采集模块的工作流程［5～7］如图2所示。

图2　采集模块工作流程Fig 2　Workflow of acquisition module

1）采集模块上电开始运行后，首先初始化I/O口、定时器、看门狗等参数，之后状态字［4］设为“空闲状态”，随即便进入等待接收指令、修改状态字进行数据采集的阶段。其中，状态字是控制主程序运行走向的一个标识，只能由8字节的ModBus指令［8，9］更改，而指令只能通过单片机高级中断函数来接收，此函数的工作流程如图3所示。

图3　高优先级中断（指令接收）函数Fig 3　High-priority interrupt instruction receiving function

当有外部指令被采集模块接收后，单片机就停止其他工作（包括数据采集），转而执行高级中断函数，识别收到的指令并设置相应状态字，最后结束中断返回中断点。

2）采集模块通过高级中断函数收到“准备开始”指令后，状态字就被置为“准备开始”，然后单片机通过轮询扫描识别出此标识后就进行采集前的准备工作。单片机首先利用IIC总线提取当前时钟数据，然后以此数据为文件名在SD卡中建立一个TXT文件，并写入文件创建时间、记录的数据类型及单位等信息，最后单片机进入空闲状态。

3）采集模块收到“开始采集”指令后，单片机立即使定时器中断有效，之后就等待定时器产生中断来进行数据采集，其具体工作流程如图4所示。

图4　低优先级中断（数据采集）函数Fig 4　Low-priority interrupt data acquiring function

本文设置定时器每10 ms触发一次中断，当10 ms到达时，其中断标志位置位，程序立即跳转到低级中断（数据采集）函数处执行采集工作。单片机首先复位定时器，然后通过AD模块将传感器输入的模拟电压信号转为2字节数字信号，并经字符串处理为ASCII码［10］，最后，将此ASCII码序列写入SD卡中，这就完成了一次数据采集与存储过程。当下一次定时器中断产生时，程序再次执行以上过程，如此反复循环，直到采集停止。

4）采集模块收到“停止采集”指令后，单片机就禁止定时器中断，从而停止数据采集，同时保存数据。

5）采集模块收到携带特定ID地址的“传输数据”指令后，立即将采集到的数据按一定格式发送给控制系统，这样就完成了最后的数据无线传输。

2.2控制系统工作流程

控制系统的工作流程如图5所示，当此LabVIEW程序开始运行时，首先初始化串口、数据存储路径等参数，然后等待“准备开始”按钮按下。

图5　控制系统工作流程Fig 5　Workflow of control system

1）“准备开始”按钮按下，系统会向外界发出“准备采集”指令，使收到此指令的每个采集模块都进入等待采集的状态。

2）“开始运行”按钮按下，系统发出“开始运行”指令，每个采集模块收到指令后就立即进入预定的数据采集模式。当需要停止采集时，按下“停止运行”按钮即可。

3）采集模块停止采集后，选择界面上“采集点位置”选项框内指定采集点的位置，按下“传输数据”按钮即可将相应点的数据传到电脑上，其中数据会存储到初始化时设置的文件夹中，并且数据文件都以当前时间加上位置信息命名，便于查看数据。本文对采集模块进行了2字节ID地址编码，因此，最多能识别出65535个采集模块。

4）若要进行下一轮试验，单机“继续试验”即可，电脑会初始化相关设置变量。

3　实验测试

现将案制作出的采集模块应用于气流单路上进行测试，其中供给管路如图6所示。为了便于单路流量计算，本测试选取气流入口、文氏咀上、下游作为压力测试点，将三个采集模块安装在这三处进行测压，并检测模块的工作状况和可靠性等。

图6　单路气流供给图Fig 6　Figure of single channel air stream supply

实验重复测量几十次，取得了良好效果。采集模块运行稳定，未出现数据采集错误等情况，控制系统工作良好，能够较好地控制采集模块进行工作。本实验采集到的数据波形如图7所示。由图7（a），（b）两图对比可知，本系统得到的数据波动较小、数据更稳定、精度较高。

图7　单路气流测试结果Fig 7　Result of single channel air stream test

4　结论

本文针对化学激光器提出了一种新型智能数据采集系统，利用嵌入式技术设计了一种独立的采集模块，即插即用、扩展性强、方便可靠，同时引入无线数传技术，使数据可以无线传输不再依赖繁杂的线路，提高了现场数据采集和控制的智能化程度。通过实验证明，本系统运行稳定、可靠性高，得到的数据波动比小、精度高、可靠性强，可以应用于化学激光器的数据采集中，具有较高的实用价值。

［1］夏霏.燃烧驱动化学激光器测量控制系统的初步研究［D］.长沙：国防科学技术大学，2007.

［2］郭汝海，施龙，王思雯.HF/DF化学激光器的研究进展［J］.光机电信息，2010，27（3）：30-35.

［3］顾文武，何庆中，周铁，等.基于LabVIEW与智能仪器数据采集系统［J］.仪表技术与传感器，2012（11）：53-55.

［4］ 杨高科.LabVIEW虚拟仪器项目开发与管理［M］.北京：机械工业出版社，2012.

［5］基于智能传感器及无线传输的数据采集系统［J］.计算机工程，2011，37（12）：117-119.

［6］秦明宏.PIC单片机基础与传感器应用［M］.卢伯英，译.北京：科学出版社，2010.

［7］王元委，皮桂英，高亦彤，等.基于CAN总线的智能远程温度开关设计［J］.传感器与微系统，2010，29（7）：75-77.

［8］陈建，蒋海峰，丁伟智.ModBus协议在隧道检测系统中的应用［J］.低压电器，2009（7）：34-36.

［9］余杰，李铁辉.基于ModBus协议的串口控件的实现［J］.网络与通信，2008（7）：79-81.

［10］朱小超，徐雪春.单片机与组态王基于ASCII型通讯程序设计［J］.工业控制计算机，2010，23（12）：34-36.

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

薛鹏飞（1991-），男，河南孟州人，硕士研究生，主要研究方向为高能激光器中的测控系统。