基于无线通信的压力数据采集系统

姬生福，崔凯

（青岛科技大学自动化与电子工程学院，山东 青岛 266042）

0 引言

在采矿生产过程中，最常发生的事故是冒顶事故。冒顶是由于岩石的稳定性差，当强大的地压传递在顶板或两帮时，使岩石遭受破坏而引起的。为了预防冒顶事故的发生，就应该掌握矿井顶板的来压规律。通过监测顶板压力的变化，可以研究矿井顶板压力的显现规律，从而制定预防措施，可以有效地防止冒顶事故，实现安全生产。

随着无线通信技术、计算机技术的高速发展并应用到传感器技术中，使压力传感器的无线数据采集成为可能，其特有的性能比传统压力传感器更具优势。它可应用于布线和电源供给困难的区域、人员不能到达的区域（如高温、严寒、高湿的区域，受到污染的区域或环境被破坏的区域）和一些临时场合等，实现了传感系统的远程测试，这也是信息时代测试的必然趋势。

1 系统结构与工作原理

压力监测系统结构如图1所示。地面部分主要由计算机、传输接口组成，井下部分由无线分站组成，它们之间通过采集器实现数据传输。

系统工作的原理是：先由无线分站对综采支架进行压力的检测，并记录相关的参数，即压力值、时间，然后将这些相关参数保存在一只大容量、掉电不丢失数据的存储器中。当工作人员用手持式数据采集器向主机发出数据采集信号时，无线分站将存储的数据传输给采集分机，采集器将这些数据存储到存储器中，回到地面后，通过传输接口，将数据传输给计算机[3]。

2 系统硬件的实现

该系统硬件部分主要有无线传输模块、主控制器C8051F310、存储模块、时钟电路和显示电路。

2.1 无线传输模块

该系统无线传输模块采用QE232A-RS多通道微功率嵌入式无线数传模块，该模块是高度集成半双工微功率无线数据传输模块，其嵌入高速单片机和ADI高性能射频芯片ADF7020-1。创新地采用高效的循环交织纠检错编码，抗干扰和灵敏度都大大提高，最大可以纠24bits连续突发错误，达到业内的领先水平。QE232A-RS模块提供了多个频道的选择，可在线修改串口速率、发射功率和射频速率等各种参数。QE232A-RS模块内设256bytes大容量缓冲区，在缓冲区为空的状态下，可以1次传输256bytes的数据；当设置空中波特率大于串口波特率时，可1次传输无限长度的数据。同时，APC230-43模块提供标准的UART/TTL接口，有1200/2400/4800/9600/19200/38400/57600bps 7种速率和3种接口校验方式。APC230-43模块外部接口采用透明数据传输的方式，能适应标准或非标准的用户协议，所收的数据就是所发的数据。

2.2 主控制器C8051F310

主控制器是压力采集器的核心，主要完成数据的采集、存储、显示和通信。压力采集器选用新华龙电子公司的产品C8051F310，该芯片是一种低功耗、高性能的8位单片机，片内带有21路10位的A/D转换器，一个16K字节的FLASH型可编程擦除的只读存储器（PROM），采用CMOS工艺和新华龙电子公司的高密度、非易失性存储器（NURAM），输出引脚和指令与MCS-51兼容，片内的FLASH存储器允许在系统内修改，使用常规的非易失性存储器编程器编程[4]。

2.3 存储模块

存储芯片采用M25P80，这是意法半导体公司推出的8M大容量串行接口Flash器件，采用2.7～3.6V单电源供电，兼容标准的SPI接口，器件在上升沿接收数据，在下降沿发送数据，接口时钟最高为40MHz，支持最大256bytes的快速页面编程操作、快速的块擦除（512kbit）操作和快速的整体擦除（8MHz）操作；具有操作暂停和硬件写保护功能。其电路图如图2所示：

2.4 时钟电路

时钟电路采用时钟芯片PCF8563来实现时钟功能，电路图如图3所示：

该电路用于记录数据采集的时间信息。PCF8563是低功耗的CMOS实时时钟日历芯片，它提供一个可编程时钟输出，一个中断输出和掉电检测器，所有的地址和数据通过I2C总线接口串行传递，最大总线速度为400kbits/s，每次读写数据后，内嵌的字地址寄存器会自动产生增量。

2.5 显示电路

由4位数码管显示和74HC164驱动用于显示无线分站的采集信息与采集器的工作状态，指示数据传输过程中是否有错误数据。

3 系统下位机软件的实现

下位机软件部分包括无线分站的数据采集的软件实现、采集器的数据采集的软件实现及传输接口的信息传输的软件实现。

3.1 无线分站数据采集程序流程

由于无线分站采用电池供电方式供电，压力数据采集装置采用低功耗设计，所有的功能子程序都在中断中完成。下位机上电复位后，首先完成对微控制器各个端口与模块的初始化工作，并将微控制器C8051F310的功率控制寄存器设置为空闲模式，系统进入低功耗状态。当时钟芯片PCF8563产生外部中断唤醒微控制器C8051F310工作，完成一次数据采集并存储，然后进入空闲模式。在采集器进行数据采集时首先通过外部按键中断唤醒微控制器完成采集工作，程序流程图如图4所示：

3.2 采集器程序流程

在采集器采集数据中，待无线分站进入按键中断后，采集器按下相应的按键并发送通信请求命令后，等待接收无线分站传回的响应命令，同时发送确认信号，待无线分站确认无误后开始发送数据，采集器接受并存储[5]，其程序流程图如图5所示。

在采集器传输数据过程中，按下传送指令，待收到传输接口的确认信号后开始从存储芯片读取并发送数据，最后发送结束命令，其程序流程图如图6所示。

3.3 传输接口程序流程

传输接口在接收到采集器的传输指令后，回复确认指令，待采集器确认后，接收采集器发送的数据并存储，带数据发送完毕后将数据从存储芯片发送到PC机上[6]，其流程图如图7所示。

4 上位机软件的实现

4.1 通信协议

为了实现本数据采集器与井下检测主机以及井上监控主机之间的准确和可靠的通信，需要统一制定通信协议。通信是以十六进制码形式传送，其波特率为9600。每次通信数据采集器都会发送通信请求命令，收到检测主机或者监控主机的响应命令后，才会进行数据传输。数据传输的每帧数据由开始符（0xe1）、数据段和结束符（0xe1）组成。数据段包括时间（年、月、日、时、分）信息5个字节、压力（2个传感器）信息4个字节[7]。

4.2 上位机软件功能

通过下载软件将数据下载到数据库，软件再将数据库的数据提取分析，结合管理软件提供了综采支架压力设备配置信息以及接收上传的实时压力数据或历史压力数据等功能，可通过软件了解压力分站的运行状态，下发控制指令远程控制设备和采集压力数据[8]。

5 结束语

本系统采用了无线通信的通信方式设计方案，选用新型的高精度压力传感器对信号进行采集，结合当今先进的嵌入式系统开发方式，完成了对被测压力信号的精确测试及相关的数据处理，实现了压力数据的高精度采集。同时结合软件管理，系统还具备分辨率高、抗干扰能力强、使用寿命长，以及可在各种恶劣的环境下安装使用等特点。

[1]崔凤菊.综采压力系统分析仪的研制 [J].同煤科技，2004，（3）： 7-31.

[2]李树刚，刘志云.综放面矿山压力与瓦斯涌出监测研究[J].矿山压力与顶板管理，2002，19：100-102.

[3]卢胜利，胡新宇，程森林.智能仪器设计与实现 [M].重庆:重庆大学出版社，2003：221-226.

[4]孙育才.MCS-51系列单片微型计算机及其应用 [M].第3版.南京：东南大学出版社，2000：181-185.

[5]肖云.智能压力检测系统的红外线压力手抄器的设计与研究 [D].西安：西安科技学院，2003.

[6]韩涛，钱毅.液压支架压力参数的智能采集与无线传输[J].煤矿安全，1995，（7）：31-32.

[7]陆冬妹，邓小芳，罗剑.基于RS232串行数据采集实现串口通信的收发系统 [J].安徽电气工程职业技术学院学报，2010，15：85-88.

[8]胡少春.智能压力检测系统的压力测试仪与PC机数据处理软件的设计 [D].西安：西安科技大学，2003.