本實用新型涉及數(shù)據(jù)采集設(shè)備領(lǐng)域，具體涉及一種具有無線自組網(wǎng)功能的32位三通道同步數(shù)據(jù)采集器。

背景技術(shù)：

進行微地震監(jiān)測時，一般會在幾平方公里范圍內(nèi)部署幾個、幾十個，甚至上百個監(jiān)測站點。對這些監(jiān)測臺站的現(xiàn)場管理非常重要，如果沒有遠程無線監(jiān)控，需要有人員不斷巡視，查看各采集器的工作狀況，開啟或停止采集。在站點個數(shù)較少時尚可應(yīng)付得來，在站點數(shù)較多時，人工監(jiān)控的工作量就非常大，難以有效及時監(jiān)控。

以往的微地震數(shù)據(jù)采集器也有采用無線監(jiān)控的，但是一般采用射頻一對一的通訊方式，站點之間無法互聯(lián)，點與點之間通訊距離有限，所以也只能在站點數(shù)較少，站點分布范圍較小時適用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型要解決的技術(shù)問題就是針對上述對微地震數(shù)據(jù)采集器的實際需求，提供一種具有無線自組網(wǎng)功能、便于野外部署和遠程無線監(jiān)控的高性能32位三通道同步數(shù)據(jù)采集器。

為解決上述技術(shù)問題，本實用新型采用的技術(shù)方案是：一種具有無線自組網(wǎng)功能的32位三通道同步數(shù)據(jù)采集器，其特征在于，所述采集器包括： 處理器、三個32位ADC芯片、存儲器、GPS模塊和ZigBee模塊；

其中，三個32位ADC芯片與處理器連接，處理器控制三個32位ADC芯片對三路模擬信號進行同步模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果以數(shù)據(jù)文件形式保存到與處理器連接的存儲器里；

處理器連接GPS模塊，處理器通過GPS模塊讀取GPS坐標和GPS時間數(shù)據(jù)并記錄到每個數(shù)據(jù)文件的文件頭信息里；

處理器還連接ZigBee模塊進行無線通訊，所述采集器通過ZigBee模塊的自組網(wǎng)功能與其他采集器組成互聯(lián)的采集器網(wǎng)絡(luò)。

優(yōu)選的，每次采樣的三路轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲在一個數(shù)據(jù)點中，每個數(shù)據(jù)點都包含3個數(shù)組，每個數(shù)組都設(shè)置有數(shù)據(jù)點整秒標志位，處理器在數(shù)據(jù)采集過程中還通過GPS模塊讀取GPS秒脈沖信號，并在每秒讀取到所述GPS秒脈沖信號后將該秒中首次采樣轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)據(jù)點的整秒標志位都標記為1，其余采樣轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)據(jù)點的整秒標志位都標記為0，使得根據(jù)每個數(shù)據(jù)文件的文件頭記錄的GPS時間和該數(shù)據(jù)文件內(nèi)各數(shù)據(jù)點的整秒標志位能推算該數(shù)據(jù)文件內(nèi)各數(shù)據(jù)點的精確時間。

優(yōu)選的，所述32位ADC芯片為ADS1282。

優(yōu)選的，處理器與三個ADS1282芯片之間通過三個軟件模擬SPI接口連接，但是共用SPI時鐘信號線，通過對三個SPI接口的并行操作實現(xiàn)三通道同步數(shù)據(jù)采集。

優(yōu)選的，所述采集器還包括：開始/停止按鍵、測試按鍵和LCD；其中，處理器分別連接開始/停止按鍵、測試按鍵和LCD；開始/停止按鍵用于開始或停止數(shù)據(jù)采集；測試按鍵用于在LCD上實時顯示三路模擬信號的波形，測試所述模擬信號來源的傳感器工作是否正常。

優(yōu)選的，所述存儲器為U盤。

優(yōu)選的，遠端服務(wù)器上的監(jiān)控軟件通過ZigBee模塊接入所述采集器網(wǎng)絡(luò)，與每個采集器進行通訊，對每個采集器的狀態(tài)進行監(jiān)測和控制。

本實用新型的有益效果為：采集器連接三個ADS1282芯片，通過對三個ADS1282芯片的并行操作實現(xiàn)三路信號的同步采集。采集器通過GPS模塊讀取GPS坐標和時間并記錄到文件頭信息里，采集中獲取GPS秒脈沖標志信號并與采集數(shù)據(jù)點融合，精確標記每個數(shù)據(jù)點的時間信息。采集器通過ZigBee模塊組成自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，站點之間可以中繼互聯(lián)，可任意擴展站點個數(shù)和部署范圍。服務(wù)器端接入采集器的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，通過軟件可以對每個站點的狀態(tài)進行遠程監(jiān)控。采集器采集的數(shù)據(jù)以文件形式保存到U盤里，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)只進行采集器狀態(tài)監(jiān)控，這樣的系統(tǒng)便于野外部署，便于采集器狀態(tài)的實時監(jiān)控。

附圖說明

圖1是本實用新型的采集器的結(jié)構(gòu)圖。

圖2是本實用新型的三個ADS1282芯片和GPS模塊與處理器的連接示意圖。

圖3是本實用新型的三個SPI接口讀入一個字節(jié)數(shù)據(jù)到處理器的時序邏輯示意圖。

圖4是本實用新型的三個SPI接口并行讀入一個字節(jié)數(shù)據(jù)的程序流程圖。

圖5是本實用新型的GPS模塊秒脈沖信號、ADS1282轉(zhuǎn)換完成標志信號和數(shù)據(jù)點整秒標志位示意圖。

圖6是利用INT0中斷和INT1中斷完成ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果讀取與GPS秒脈沖標記的處理流程圖。

圖7是本實用新型的多個采集器與監(jiān)控電腦組成的自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)示意圖。

圖8是本實用新型的ZigBee模塊接收指令解釋執(zhí)行功能圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例對本實用新型作進一步說明，以使本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以更好的理解本實用新型并能予以實施，但所舉實施例不作為對本實用新型的限定。

鑒于微地震監(jiān)測要求使用的站點個數(shù)越來越多，甚至達到一百個以上，上百個站點的部署和控制必須采用先進的無線網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)是一種具有自組網(wǎng)功能的無線網(wǎng)絡(luò)，相鄰節(jié)點之間可以互聯(lián)，數(shù)據(jù)傳輸可以自動中繼，現(xiàn)場無需任何設(shè)置，特別適合于野外微地震監(jiān)測系統(tǒng)的部署。

微地震信號一般比較微弱，地震傳感器的輸出動態(tài)范圍比較大，所以要求數(shù)據(jù)采集器的電路噪聲要非常低，ADC的動態(tài)范圍要比較大。目前，一般的地震信號采集器采用的是24位ADC器件。本實用新型采用最高性能的32位ADC芯片ADS1282。ADS1282芯片內(nèi)部集成了可編程增益放大器（PGA）、32位 模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器和數(shù)字濾波器，基于ADS1282設(shè)計地震信號采集器具有更高的集成度和電路性能。

現(xiàn)在的微地震監(jiān)測一般要求采用三分量地震檢波器，以獲得完整的波場信息。三分量地震檢波器有三路模擬輸出信號，這三路信號必須同步進行模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換，以保證各道信號采集無時間差。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)通訊速率比較低，三分量地震信號采集產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量比較大，特別是站點數(shù)達到幾十個或上百個時，無法通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)邊采集邊傳輸。所以，采集器必須有U盤等存儲器，用于本地存儲數(shù)據(jù)，而無線網(wǎng)絡(luò)僅用于采集器的狀態(tài)監(jiān)控，或在采集器不在進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時進行文件傳輸。

參照圖1，本實用新型一種具有無線自組網(wǎng)功能的32位三通道同步數(shù)據(jù)采集器的基本結(jié)構(gòu)。電源電路將7~9V的直流輸入電壓轉(zhuǎn)換為+5.0V、+3.3V、+2.5V、-2.5V等穩(wěn)定電壓，供電路板其他各芯片使用。三個32位ADC芯片ADS1282與處理器連接，每個ADS1282芯片可以連接一路差分模擬輸入信號，處理器控制三個ADS1282對三路模擬信號進行同步模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果以文件形式保存到連接在處理器USB接口的U盤里。處理器連接GPS模塊進行GPS授時和定位，讀取的GPS坐標和GPS時間數(shù)據(jù)寫入每個文件的文件頭。處理器連接的LCD用于信息顯示，采集器上的三個操作按鍵可以控制開始或停止采集、對三路信號進行采集測試。處理器連接一個ZigBee模塊進行無線通訊。數(shù)據(jù)采集器通過ZigBee模塊的自組網(wǎng)功能組成可以互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)，遠端服務(wù)器上的監(jiān)控軟件通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)對網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)采集器進行狀態(tài)監(jiān)測和控制。

圖2是本實用新型的三個ADS1282芯片和GPS模塊與處理器的連接示意圖。每個ADS1282芯片有3個控制輸入信號線ADC_PWDN、ADC_RST、ADC_SYNC，處理器的3個IO口輸出這三個信號線，并與三個ADS1282的相同信號線連接；每個ADS1282有一個輸出信號線ADC_DRDY，在完成一次ADC轉(zhuǎn)換時輸出上跳變信號表示轉(zhuǎn)換完成，三個ADS1282的ADC_DRDY信號接入一個三線跳線，只選擇一路接入處理器的輸入信號線ADC_ReadyIRQ，作為外部中斷信號源INT0；ADS1282的數(shù)據(jù)接口是SPI接口，處理器的SPI_CLK作為SPI接口時鐘信號，同時連接三個ADS1282，處理器用6個IO口模擬三個SPI的輸入輸出數(shù)據(jù)線，分別與三個ADS1282的SPI接口數(shù)據(jù)線連接。處理器上用于SPI接口數(shù)據(jù)操作的6個IO口必須是用一個端口的，如PA口，用于實現(xiàn)三個SPI接口的并行操作。GPS模塊與處理器之間通過UART口進行數(shù)據(jù)通訊，GPS模塊有一個秒脈沖輸出信號GPS_TimeIRQ，在每個整秒的時間點，GPS_TimeIRQ會輸出一個上跳沿的脈沖信號，該信號接入處理器，作為一個外部中斷信號源INT1。

圖3是本實用新型的三個SPI接口讀入一個字節(jié)數(shù)據(jù)到處理器的時序邏輯示意圖。三個SPI的SO（Salve output）數(shù)據(jù)線都接入到處理器的同一個端口上，例如PA3=X_SO, PA1=Y_SO,PA6=Z_SO，定義一個字節(jié)型數(shù)組IN[8]，在SPI_CLK的一個時鐘周期內(nèi)，讀入一次PA口的數(shù)據(jù)，并且與屏蔽數(shù)據(jù)（如圖所示三個SO線對應(yīng)的是0x4A）進行與操作，保存到數(shù)組IN內(nèi)。這樣，在一個SPI時鐘周期內(nèi)，就同時讀入了三個SPI端口的一個位數(shù)據(jù)，在8個SPI_CLK周期內(nèi)，就可以讀取三個SPI端口的一個字節(jié)數(shù)據(jù)。

圖4是三個SPI接口并行讀入一個字節(jié)數(shù)據(jù)的程序流程圖。首先是在8個SPI_CLK周期內(nèi)并行讀入三個SPI端口的輸入數(shù)據(jù)，保存在數(shù)組IN內(nèi)，然后，再對IN[0]至IN[7]存儲的數(shù)據(jù)進行串行解析，得到每個SPI接口輸入的一個字節(jié)的數(shù)據(jù)。例如圖3中，ADC_X輸入的一個字節(jié)數(shù)據(jù)是0xA6, ADC_Y輸入的一個字節(jié)數(shù)據(jù)是0x6B，ADC_Z輸入的一個字節(jié)數(shù)據(jù)是0x99。

圖5是本實用新型的GPS模塊秒脈沖信號、ADS1282轉(zhuǎn)換完成標志信號和數(shù)據(jù)點整秒標志位示意圖。GPS模塊有一個秒脈沖信號輸出管腳，該管腳在每次整秒時間時發(fā)出一個上跳沿信號，例如在13點23分04秒，秒脈沖信號的時間精度是10ns，從而可以作為精確時間標定信號。秒脈沖發(fā)出上跳沿信號后，GPS的串口開始輸出GPS字符串。將此秒脈沖信號作為處理器的外部中斷INT1，且在上跳沿觸發(fā)。在程序控制ADS1282開始轉(zhuǎn)換后，在INT1的第1個秒脈沖中斷時通過ADC_SYNC管腳的上跳沿輸出對三個ADS1282進行時序同步。轉(zhuǎn)換完成信號（ADC_DRDY）在每完成一次ADC轉(zhuǎn)換后就發(fā)出上跳沿信號，以通知處理器及時讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，將此信號接處理器的外部中斷INT0，且在上跳沿觸發(fā)。ADC_DRDY的觸發(fā)周期與ADS1282的采樣頻率有關(guān)，如ADS1282采樣頻率為1000Hz，則ADC_DRDY觸發(fā)周期是1ms（即在采樣頻率為1000Hz情況下，每1ms采樣一次，產(chǎn)生一個采樣點）。每次采樣的三路轉(zhuǎn)換結(jié)果可存儲在一個數(shù)據(jù)點中，每個數(shù)據(jù)點都包含3個數(shù)組，每個數(shù)組都設(shè)置有數(shù)據(jù)點整秒標志位。INT0的中斷優(yōu)先級高于INT1的中斷優(yōu)先級，通過INT0和INT1中斷處理程序，在GPS秒脈沖中斷后讀出的第1個數(shù)據(jù)點的整秒標志位設(shè)置為1，其他時刻數(shù)據(jù)點的整秒標志位設(shè)置為0，以此實現(xiàn)數(shù)據(jù)點的時間標記。

圖6是利用INT0中斷和INT1中斷完成ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果讀取與GPS秒脈沖標記的處理流程圖。在GPS秒脈沖中斷INT1處理程序中，在每次中斷時將全局變量GPS_TB設(shè)置為1，表示剛剛接收到了秒脈沖信號。在ADS1282轉(zhuǎn)換完成中斷INT0的處理程序中，及時從SPI端口并行讀入3個ADS1282的轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù)，并分別保存在三個字節(jié)型數(shù)組X[4]、Y[4]、Z[4]里（設(shè)定X[0]是最高位字節(jié)，X[3]是最低位字節(jié)）。再判斷全局變量GPS_TB是否為1，如果GPS_TB為1，則將X[3]、Y[3]、Z[3]的最低位置為1并將全局變量GPS_TB設(shè)置為0，否則將X[3]、Y[3]、Z[3]的最低位置為0，然后將X、Y、Z數(shù)組的內(nèi)容依次保存到緩沖區(qū)里。一個緩沖區(qū)存滿后，就保存到文件里，如此，每個數(shù)據(jù)點就帶有了時間標記，可以根據(jù)文件頭記錄的GPS時間和數(shù)據(jù)點的整秒標志位，推算文件內(nèi)每個數(shù)據(jù)點的時間，并且檢查數(shù)據(jù)采樣是否準確。

圖7是本實用新型的多個采集器與監(jiān)控電腦組成的自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)示意圖。每個采集器上有一個ZigBee模塊，ZigBee模塊通過UART接口與處理器連接，采集器的ZigBee模塊一般配置為路由點，路由點可以自組網(wǎng)互聯(lián)。一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)只能有一個協(xié)調(diào)點，監(jiān)控電腦通過有線連接一個ZigBee協(xié)調(diào)器，從而與ZigBee網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有采集器實現(xiàn)無線通訊。每個ZigBee模塊有一個唯一的64位ID，監(jiān)控電腦向某個采集器發(fā)送指令必須指定其64位ID，這樣，監(jiān)控電腦可以監(jiān)控每一個特定的采集器。在發(fā)送指令時也可以指定特殊的64位ID實現(xiàn)群發(fā)，例如，群發(fā)控制所有采集器開始采集。

圖8是本實用新型的采集器通過ZigBee模塊接收到指令后解釋執(zhí)行功能圖。監(jiān)控電腦上的監(jiān)控軟件向采集器發(fā)送指令，指令的基本格式是“#類型字母:參數(shù)1;參數(shù)2;”，即以“#”開始，后面跟一個字母作為指令類型，再跟一個“：”，后面是指令參數(shù)，若有多個參數(shù)以“;”分隔，最后一個字符是“;”，指令以十六進制數(shù)0D0A結(jié)束。 如指令“#A:0;”表示要查詢站點編號，“#B:0”表示要查詢GPS字符串。采集器通過與ZigBee模塊連接的UART的接收中斷接收到一個完整的指令后，提取指令類型和指令參數(shù)，然后根據(jù)指令類型和參數(shù)做出相應(yīng)的操作和響應(yīng)。

本實用新型采用軟件模擬三個SPI接口，控制三個ADS1282對三路模擬信號進行32位同步ADC轉(zhuǎn)換，并且采用GPS秒脈沖信號對采集數(shù)據(jù)點進行時間標記，通過文件頭記錄的GPS時間實現(xiàn)每個數(shù)據(jù)點的時間的精確推算。本實用新型的每個采集器有ZigBee模塊，多個采集器之間可以互聯(lián)組成一個Mesh網(wǎng)絡(luò)。現(xiàn)場監(jiān)控電腦通過ZigBee路由器接入多個采集器的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，可以對每個采集器進行遠程監(jiān)控。本實用新型既實現(xiàn)了高性能的三通道32位同步采集與存儲，又具有ZigBee網(wǎng)絡(luò)，便于野外環(huán)境下的部署與操作，特別適合于野外環(huán)境下的無線組網(wǎng)微地震監(jiān)測。

以上所述實施例僅是為充分說明本實用新型而所舉的較佳的實施例，本實用新型的保護范圍不限于此。本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本實用新型基礎(chǔ)上所作的等同替代或變換，均在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。本實用新型的保護范圍以權(quán)利要求書為準。