对无线网络的虚拟仪器探索

传感器主要包括若干个压力传感器和温度传感器、1个拉力传感器、1个风速风向仪、1个GPS和1个电子罗盘。每个传感器做为一个采集点,配备一个采集适配器,每个采集适配器自带电池供电,所有的采集适配器采用统一的设计。采集适配器对传感器的各种接口进行匹配,传感器接口主要分为:①模拟接口,例如、模拟电压、模拟电流;②数字接口,例如RS422、RS485等。采集适配器采集传感器的数据进行分析提取,同时采集电池电量信息,以无线的方式将2种数据发送出去。上位机利用PC机实现,上位机通过USB通讯适配器接收所有采集点的数据,融合后显示,并且对各个采集适配器的电池电量进行监视和报警。 采集适配器如图3所示,采用电池供电方式,以单片机为基础搭配符合IEEE802.15.4/ZigBee标准的射频芯片,组成集测量、传输、通信多功能于一体的ZigBee通信模块。单片机控制协议栈,作为整个模块的核心,能够适应各种传感器的接口,可以采集模拟电流、电压信号和各种数字信号,而射频芯片则主要完成无线通信的接入。采集适配器中数据采集模块采用Microchip的PIC18F14K50单片机,它具有10位的ADC功能,同时具有UART、USB和SPI接口。无线通讯模块采用TI的CC2420芯片,数据传输率可达250kb/s,功耗小,适合电池供电环境。CC2420采用SPI接口与单片机连接,同时用SFD、FIFO、FIFOP、CCA 4个管脚指示收发状态。数据采集模块同时兼任无线通讯模块的控制任务。单片机通过ADC接口检测电池的电压状况以便向上位机上报电池电量。同时单片机利用ADC完成对模拟电压电流的检测,利用UART接口完成对RS485和RS422接口的通讯和数据解析。通信适配器采用USB接口与上位机连接,同时从USB接口取电实现对整个通信适配器的供电。

USB接口具有较高的传输速率、方便连接,最高传输速度可达480Mb/s,实现了真正意义上的“即插即用”[5],所以将USB接口技术应用于数据的高速实时采集具备一定的优势。通信适配器中通讯控制模块也采用Microchip的PIC18F14K50单片机,无线通讯模块也采用TI的CC2420芯片。软件架构以固件程序为底层,中间以USB驱动程序为桥梁,在驱动程序之上构建应用程序。(1)固件程序。在采集适配器上用C语言开发基于单片机的数据采集程序,完成对传感器的数据采集,并为数据打上传感器类型的标签和编号,以统一的数据格式传送给通信适配器。在通信适配器上同样用C语言开发基于单片机的数据通信程序,接收来自各个采集适配器的数据,并且短暂存储。(2)驱动程序。上位机采用Windows操作系统,USB通信适配器需要驱动程序的支持,USB驱动程序为上位机提供了应用软件与USB通讯适配器的接口。(3)应用程序。应用程序建立在驱动程序之上,它以驱动程序为桥梁,对USB设备进行命令控制,处理USB设备传回的数据,其主要功能为:开启或关闭USB设备;检测USB设备;实时从USB接口采集数据、分析并显示数据[6]。目前较流行的虚拟仪器软件开发环境大致有2类:一类是图形化的编程语言,如HPVEE、LabView等;另一类是文本式的编程语言,如C、Visual C++、Lab Windows/CVI等[7]。

本文采用Visual C++开发应用程序,与其他软件开发工具相比,不仅简单易用,而且人机界面良好。应用程序以各种传感器的测量结果为基础,融合数据,以适合系留气球数据分析的图形化方式显示。测试界面如图5所示。系留气球需要综合分析的数据如下:各个气囊的压力参数,其中包括充放气状态下压力的动态变化曲线、囊体的丰满度、气球缆绳的张力、气球的俯仰角和横滚角参数、气球的飞行高度、距离系留塔的偏移距离、气球的航向、囊体和阀门的温度参数等等。所以压力参数以数字、水柱和曲线3种形式显示,俯仰角和横滚角以表盘形式显示,高度以高度表形式显示,位置信息以简易地图的形式显示,囊体的丰满度、气球缆绳的张力和温度以独立参数的形式显示,同时还显示各个采集适配器的电池电量信息。

一种基于无线网络的虚拟仪器系统在系留气球中的应用使测试从单调的测量和专业的独立数据中解脱出来,将所有测试点的数据融合以一种面向用户的图形化界面形式输出,使系留气球测试系统更易于用户使用,它解决了实际测量仪器设备种类繁多、利用率低以及笨重、维护费用高等问题,节约了产品开发和维护的成本[8]。通过在多个型号系留气球系统中测试实验验证,虚拟仪器系统的总成本不超过3×104元,而用传统仪器的成本却需要10×104元以上。虚拟仪器中模拟量的测量经过数字滤波的软件后期处理性能指标也与传统的中档仪器相当。所以从各方面分析,虚拟仪器系统都是一种更人性化、适应面更广、性价比更高的设计。