吴正手持数据采集器的设计.docx
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吴正手持数据采集器的设计
理工学院
本科生毕业设计（论文）
学院（系）：
电子与电气工程系
专业：
电子信息工程
学生：
吴正
指导教师：
黄大勇
完成日期2011年5月
理工学院本科生毕业设计（论文）
手持数据采集器的设计
DesignofHandleDataAcquisitionDevice
总计：
24页
表格：
6个
插图：
10幅
理工学院本科毕业设计（论文）
手持数据采集器的设计
DesignofHandleDataAcquisitionDevice
学院（系）：
电子与电气工程系
专业：
电子信息工程
学生姓名：
学号：
指导教师（职称）：
评阅教师：
完成日期：
理工学院
InstituteofTechnology
手持数据采集器的设计
电子信息工程吴正
[摘要]：
随着工农业的发展，及时、准确的对易燃、易爆、有毒、有害气体进行监测预报和控制已成为当前煤炭、石油、化工、电力等部门急待解决的重要问题。
近几年在我国发生的重大安全事故引起了国家和社会对人的生命的极大关注，工业现场的各种对人体有害的状况必须要加以探测和报警，本系统利用gsm无线、GPS全球定位对现场设备及作业人员构成了全程多路径实时监控，实现数据采集电子化，为防止各类事故的发生提供基本手段。
[关键词]：
PDA;数据采集;GPS;Zigbee;Modbus
DesignofHandleDataAcquisitionDevice
ElectronicInformationEngineeringSpecialtyWuZheng
Abstract:
Withtheindustrialandagriculturaldevelopment,timelyandaccurateofflammable,explosive,toxic,hazardousgasmonitoringandpredictionandcontrolhasbecomethecoal,petroleum,chemical,electricpowerandothersectorsimportantissuesneedtoberesolved.Chinainrecentyearscausedmajorsecurityincidentsoccurredinthestateandsocietyofgreatconcernforhumanlife,avarietyofindustrialfieldconditionsharmfuldetectionandalarmmustbe,thesystemusesgsmwireless,GPSGlobalPositioningOn-siteequipmentandoperatingpersonnelconstitutetheentiremulti-pathreal-timemonitoring,electronicdatacollection,topreventtheoccurrenceofvariousaccidentsprovidethebasicmeans.
Keywords：
PDA;GPS;Zigbeeradio;frequencydata;acquisitioncard
1引言
课题的背景及意义
PDA是PersonalDigitalAssistant（个人数字助理）的缩写，是近来继传呼机、手机之后，迅速崛起的新兴电子消费性产品，即智能电脑工具，就其扩展意义上来讲，它是供人们沟通、连接和互动的移动数字设备，集计算、电话、传真和网络等多种功能于一身，尤为重要的是，这些功能都可以通过无线方式实现。
通常，狭义的PDA是指电子记事本、电子词典等；广义的PDA则主要指掌上电脑、手持电脑和智能手机，也包括其他类似功能的小型数字化设备。
目前，PDA从最初的实用型转向时尚型，开始向电脑、手持设备靠近。
“关于未来的PDA，加州柏克利大学的InfoPad计划是个不错的例子：
这个设备使用无线网络，可将资料（包括完整动态视讯）传送到一个能量充足的、方便携式轻薄型客户端上。
客户端使用的是一般标准电池，触摸式彩色屏幕，还内置手写与语音识别系统，你的资料将存在一个移动服务器（为移动设备提供信息服务的远端电脑）中，便携设备将一直与你同行，从家里到车上，非常方便，在此基础上，我们距离可穿戴的PDA甚至可嵌入的PDA已经近在咫尺了，剩下的只是时间问题。
在油田地质勘探、开采等过程中，常常会产生一些有害气体，如果不能及时检测会危及正在工作的工人的生命安全，因此必须有一套能够检测气体浓度的检测装置。
除此之外，油田还有很多的其它设备，该检测设备也需要和其它的设备之间进行数据通信，并需要将一些数据进行远程通信到控制中心。
有的设备之间进行有线数据通信，但存在着连线的麻烦，所以想改为近距离无线数据通信。
目前在这些工业现场操作的员工一般都配备有专门的危险气体报警器，能通过声光等信息提示操作员工，但只能起到报警作用，不能采集其它数据。
有的报警器为固定式安装，不能做到随身携带。
也有一些系统虽然能够移动，但体积庞大，大多不便携带，或不带有数据采集和通信功能。
近年来，随着数据采集技术和无线通信技术、网络技术的不断向前发展，开发新的检测仪表产品，提高检测仪表的精度和扩大自动检测的新领域，使其向着智能化、数字化、网络化、多功能化方向发展是一个趋势。
随着智能手机技术的不断进步和发展，智能手机的功能也越来越多，越来越强大，将智能手机技术和数据采集技术相结合构成的便携式PDA数据采集器，虽然在一维、二维条码扫描、RFID读写上有一些应用，如卷烟、超市销售、快递公司等利用PDA数据采集器扫描产品的条码信息并通过网络传送数据，但在工业现场的应用还比较少见，因此具有较大的市场潜力。
本设计就是研究把PDA的数据处理、无线通信功能与危险气体报警、工业现场数据采集、GPS定位技术结合起来，充分利用公用的无线通信系统实现定点的安全生产监控和数据采集。
随着工业技术的发展，DCS（集中控制分散管理）成了现代化工业的标准，而将GPS与PDA结合应用于工业现场，不但减少了很多不方便的接线，还使数据的管理更加精确与高效，控制更加集中与快捷。
你不必时刻呆在设备旁边，只要你在有效的距离内带上PDA就能随时随地的解决所有问题，而且不必担心会有问题遗漏，PDA会像力控一样将所有的报警信息按优先级排列出来以待你的处理。
无论你是坐在办公桌旁还是躺在沙发上甚至窝在床上，只要你掏出PDA就如亲临现场一般，真是一机在手，工作无忧。
国内外研究现状
移动计算是国际上最近五年内发展起来的最新科技，且势头迅猛。
移动计算使计算机或其他信息设备在没有与固定的物理连接设备相连的情况下能将有用、准确、及时的信息与中央信息系统相互作用，分担其计算压力，使信息能够提供给任何时间、任何地点需要它的任何用户。
在硬件方面，全世界已经有包括IBM、MicroOptical、Xybernaut在内的超过100家公司生产与移动计算相关的产品，如带LCD显示器的眼镜、手执微型键盘、手执鼠标、声控输入设备等。
在应用系统开发方面，美国麻省理工学院、哥伦比亚大学和欧洲的瑞士联邦技术学院、荷兰Delft技术大学等都在医学、工业等各个移动计算领域进行应用系统的开发工作。
在地理界，美国爱荷华州立大学和加利福尼亚大学美国地理信息与分析中心（NCGIA）正在合作为NASA和联邦统计机构进行一项名为Batutta的计划，旨在研制一套专为地学野外采样使用的移动作业系统，包括地理环境与地理信息系统在无线移动环境中的集成以及穿戴式计算机、便携计算机、PDA和台式服务器的联合使用[2]。
国内PDA产品目前还只是高级白领的“游戏机”，一方面是由于硬件技术的不成熟，另一方面是国内的嵌入式软件开发刚刚兴起不久。
但是已经有一些公司开发出一些与地图密切相关的软件产品。
如:
1）北京灵图软件技术有限公司推出的在移动信息设备上提供地理信息以及位置信息服务的SmartInHand软件产品。
2）北京慧图公司新近推出一种可运行于掌上电脑、进行移动制图和GIS应用的野外地质数据采集系统：
TopMapCEGenius。
3）北京超图开发出地理信息系统开发平台-eSuperMap。
4）台湾“英瑞得信息”公司设计出支持GPS全球卫星定位系统专用软件“WalkMap地图随身走”。
目前PDA主要应用于地图导航领域，而GPS技术主要应用于手机电脑等电子产品，而在工业现场应用还较少。
除了国内某些医药物流行业用到PDA复核拣选外，其它行业还没广泛的应用。
不过相信不久的将来PDA一定会更加的推广流行，那时的工业现场作业会更加的方便与高效，现场作业人员也会成为真正意义上SOHO一族。
2方案整体设计
设计要求
本研究项目针对的是存在有毒及爆炸性气体环境的工业现场数据采集，能实现4个方面的功能：
1、危险气体监控和报警功能。
通过气体传感器监控危险气体浓度（本研究项目中使用H2S和可燃气传感器），利用PDA实现对危险气体报警。
报警时一方面通过声音提示，同时利用GPS和PDA中的SMS或GPRS数据通信功能，把危险气体浓度和数据采集点经纬度信息发到服务中心，确保操作员大的人身安全，实现人性化设计；
2、工业现场的数据采集。
工业现场的情况能通过数据通讯接口、A/D接口和开关量接口来实现现场数据的采集，产品具有可扩展性；
3、数据存储和通信功能。
危险气体监控和数据采集都是在PDA控制下实现，同时能用PDA的数据处理和无线通信功能，可以把采集到的数据存储到SD卡或通过短信发往指定的服务中心。
4、数据共享的网络功能。
手持设备安装了Zigbee模块，可与所在环境的Zigbee网络连接，完成无线路由功能。
系统设计思路
根据提出的具体要求，根据系统的功能将系统划分为以下几个部分：
ATMEGA128单片机控制模块、传感器采集模块、射频卡识别模块、Zigbee无线传输模块、GPS接口电路模块、电源管理模块等部分组成。
系统的结构框图如图1所示。
图1PDA数据采集系统框图
根据毕业课程设计的任务安排,我需要完成：
1、完成主ATMEGA128单片机控制模块的设计
2、能将采集的数据进行Zigbee无线传输
3、能进行GPS定位
4、编写有关单片机Modbus总线的应用
5、能进行电源管理以利节电
6、编写相关的程序
3硬件系统设计
系统由一片AVR主单片机ATMEGA8作为主控单元，向上通过232串口实现和PDA的数据联系，向下通过5个从ATMEGA8单片机利用I2C总线来实现对ModBus总线、射频卡读写、Zigbee设备组、GPS设备、AD/IO等设备的控制。
利用单片机的高速率数据传输和PDA的实时多任务操作，能实现多模块同时工作。
手持仪通过RS232口循环检测设备，将要检测的ModBus设备数据分组封装后发送到主单片机ATMEGA8，它将分组信息解析并分发到不同组的从ATMEGA8。
从ATMEGA8利用Modbus数据和网络对设备发出指令，同时将应答数据依次返回到RS232。
电源管理
由于是手持式设备，产品的供电电源的选择非常重要，可以使用干电池和锂电池。
基于成本和环保等方面的考虑，我们采用大容量（2500mAH）的锂电池来给系统供电，包括了对电源模块进行电量检测和充放电控制电路。
系统的PDA电源和采集板电源分开，由PDA来控制和管理采集板电源。
开机时AAT4610打开给数据采集板供电，采集板检测电池电量并报告给PDA，低压时由PDA判断或主单片机判断关闭相关模块。
同样，可燃气、H2S检测电路、GPS、RFID、Zigbee模块分别由各自的单片机控制。
另外，由于该手持仪系统内部所挂器件较多，为了节约电能，系统添加了电子开关AAT4610，只有在系统需要使用到采样、Zigbee数据传输、RFID这些操作的时候才由主单片机开启开关使用这些设备，其它时间这些设备不供电从而可以延长电池使用时间。
电源管理模块的原理图如图2所示。
图2电源管理模块原理图
单片机选择
现在的单片机系统主要包括MCS-51系列、AVR系列、PIC系列。
AVR系列、PIC系列都是RISC指令集单片机，51系统单片机在测控系统、机电一体化等市场占有率最高。
AVR单片机吸取了PIC及51系列单片机的优点，同时还做了一些重大改进，使得该公司的单片机具备了优秀的品质，在结构、性能和功能等方面都有明显的优势。
本系统中要用到较多的A/D，而ATMEL公司的AVR单片机ATMEG8作为一个高性能、低功耗的8位微处理器，内部包括8路10位ADC（8个单端通道，7个差分通道，2个具有可编程增益（1x，10x或200x）的差分通道），两个可编程的串行UART，可工作于主机/从机模式的SPI串行接口，64引脚TQFP封装，具有ISP功能，可以在的电压下正常工作，功耗低，省电，可以用于便携式操作设备。
GPS设备
图3GPS定位原理
[（x1-x）2+（y1-y）2+（z1-z）2]1/2+c（vt1-vt0）=d1
（1）
[（x2-x）2+（y2-y）2+（z2-z）2]1/2+c（vt2-vt0）=d2
（2）
[（x3-x）2+（y3-y）2+（z3-z）2]1/2+c（vt3-vt0）=d3（3）
[（x4-x）2+（y4-y）2+（z4-z）2]1/2+c（vt4-vt0）=d4（4）
GPS定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置。
如图所示，假设t时刻在地面待测点上安置GPS接收机，可以测定GPS信号到达接收机的时间△t，再加上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可以确定以下四个方程式）
本设计采用的是JCOMC3-370BGPS接收模块。
C3-370B是一款韩国JCOM出产的内置天线GPS接收模块，其定位快速，低耗电，搜星质量上乘，在众多GPS接收机中工作稳定、性能较为出众，它的输出、输入信息具有格式清晰、信息量大、数据结构完整等优点，符合NMEA-O183，非常适合于二次开发。
NMEA-O183是由美国国家海洋电子协会制定的用于航海仪器数据异步通信的通用接口标准，它是由ASCII字符组成的字符串。
GPS接收机是以NMEA-0183标准格式输出GPS的实时定位数据，数据终端设备需要实时地从GPS输出的NMEA-0183数据流中得到具体的位置信息与准确的时间信息。
GPS接收机提供了多种语句格式，包括GPGGA，GPGSA，GPGSV，GPRMC，GPZDA和GPGII等格式。
本系统选择接收并解析GPGGA语句，获取对应的地理位置信息。
C3-370B的引脚功能如下：
（1）EN：
使能端，开路或低电压时启用，—VCC时禁用；
（2）VCC：
电源管教~；
（3）TXA：
串行输出端口；
（4）RXA：
串行输入端口；
（5）GND：
接地；
（6）BOOT：
模块启动端口，VCC复位时模块启动进入特殊调试模式。
模块与AVR单片机接口采用标准串口方式，通过AVR单片机I/O控制EN管脚可使GPS模块进入低功耗模式。
GPS模块电路原理图如下图4所示。
图4GPS模块电路原理图
Zigbee设备模块
3.4.1Zigbee协议框架
Zigbee是一组基于IEEE批准通过的无线标准研制开发的组网、安全和应用软件方面的技术标准。
Zigbee技术是一种应用于短距离范围内，低传输数据速率下的各种电子设备之间的无线通信技术。
Zigbee技术致力于提供一种廉价的固定、便携或者移动设备使用的极低复杂度、成本和功耗的低速率无线通信技术。
Zigbee低速率、低功耗和短距离传输的特点使它非常适宜支持简单器件。
Zigbee定义了两种器件：
全功能器件（FFD）和简化功能器件（RFD）。
对全功能器件，要求它支持所有的49个基本参数。
而对简化功能器件，在最小配置时只要求它支持38个基本参数。
一个全功能器件可以与简化功能器件和其他全功能器件通话，可以按3种方式工作，分别为：
个域网协调器、协调器或器件。
而简化功能器件只能与全功能器件通话，仅用于非常简单的应用。
一个Zigbee的网络最多包括有255个Zigbee网路节点，其中一个是主控（Master）设备，其余则是从属（Slave）设备。
若是通过网络协调器（NetworkCoordinator），整个网络最多可以支持超过64000个Zigbee网路节点，再加上各个NetworkCoordinator可互相连接，整个Zigbee网络节点的数目将十分可观。
Zigbee协议框架如下图5所示：
应用层
网络/安全层
媒体接入控制
物理层
图5Zigbee协议框架
3.4.2节点类型
Zigbee网络中有3类节点：
Zigbee协调点、Zigbee路由节点和Zigbee终端节点。
对这三种节点的介绍是了解整个协议栈运作很好的切入点。
（1）、Zigbee协调点
Zigbee协调点在中也称作PAN（PersonalAreaNetwork）协调点，在无线传感器网络中可以作为汇聚节点。
Zigbee协调点必须是FFD，Zigbee网络中只有一个Zigbee协调节点，它往往比网络中其他节点功能更强大，是整个网络的主控节点、负责发起建立新的网络、设定网络参数、管理网路中的节点以及存储网络中节点的信息等，网络形成后可以执行路由器的功能
（2）、Zigbee路由节点
Zigbee路由节点（ZigbeeRouter）也必须是FFD，它可以参与路由发现、信息转发、通过连接的节点来扩展网络的覆盖范围等。
（3）、Zigbee终端节点
Zigbee终端节点（ZigbeeEndDevice）可以是FFD或者RFD，它通过Zigbee协调点或者路由节点连接到网络，但不允许其他任何节点通过它加入网络。
Zigbee终端节点能够以非常低的功率运行。
本系统中的Zigbee节点采用路由和终端二合一节点，这样手持设备在工业现场可以加入到Zigbee网络。
设计中采用Xbee模块，管脚如表1所示，共20个管脚。
Xbee模块可以仅通过串行接口（即Tx和Rx引脚）与AVR单片机进行通信，采用透明传输方式，使用前可以通过PC进行配置。
表1Xbee管脚
序号
名字
方向
描述
1
VCC
Powersupply
2
DOUT
Output
UARTDataOut
3
DIN
Input
UARTDataIn
4
DIO12
Either
DigiI/O12
5
/RESET
Input
ModuleReset
6
PWM/DIO10
Either
PWMOutput
7
PWM/DIO11
Either
DigitalI/O
8
Reserved
Donotconnect
9
/DTR
Either
PINsleep
10
GND
Ground
11
DIO4
Either
DigitalI/O4
12
/CTS
Either
DigitalI/O7
13
ON/Sleep
Out
DigitalI/O9
14
Reserved
Donotconnect
15
AssociateDIO5
Either
DigitalI/O5
16
/RTS/DIO6
Either
DigitalI/O6
17
AD3/DIO3
Either
DigitalI/O3
18
AD3/DIO2
Either
DigitalI/O2
19
AD3/DIO1
Either
DigitalI/O1
20
AD3/DIO0
Either
DigitalI/O0
Zigbee网络模块的电路原理图如下图6所示。
图6Zigbee网络模块的电路原理图
Modbus总线的应用
Modbus协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。
通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络（例如以太网）和其它设备之间可以通信。
它已经成为一通用工业标准。
有了它，不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行集中监控。
此协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构,而不管它们是经过何种网络进行通信的。
它描述了一控制器请求访问其它设备的过程，如果回应来自其它设备的请求，以及怎样侦测错误并记录。
它制定了消息域格局和内容的公共格式。
当在一Modbus网络上通信时，此协议决定了每个控制器须要知道它们的设备地址，识别按地址发来的消息，决定要产生何种行动。
如果需要回应，控制器将生成反馈信息并用Modbus协议发出。
在其它网络上，包含了Modbus协议的消息转换为在此网络上使用的帧或包结构。
这种转换也扩展了根据具体的网络解决节地址、路由路径及错误检测的方法。
标准的Modbus口是使用一RS-232C兼容串行接口，它定义了连接口的针脚、电缆、信号位、传输波特率、奇偶校验。
控制器能直接或经由Modem组网。
控制器通信使用主—从技术，即仅一设备（主设备）能初始化传输（查询）。
其它设备（从设备）根据主设备查询提供的数据作出相应反应。
典型的主设备：
主机和可编程仪表。
典型的从设备：
可编程控制器。
主设备可单独和从设备通信，也能以广播方式和所有从设备通信。
如果单独通信，从设备返回一消息作为回应，如果是以广播方式查询的，则不作任何回应。
Modbus协议建立了主设备查询的格式：
设备（或广播）地址、功能代码、所有要发送的数据、一错误检测域。
从设备回应消息也由Modbus协议构成，包括确认要行动的域、任何要返回的数据、和一错误检测域。
如果在消息接收过程中发生一错误，或从设备不能执行其命令，从设备将建立一错误消息并把它作为回应发送出去。
本项目设计为了保证和工业接口的兼容性，在有线网络部分采用Mobus协议。
同时，为了协调I2C总线中的各个单片机，对Mobus协议进行了分组，所有设备信息在ATMEGA8中为标准Modbus协议。
在手持仪中通过RS232发射的为分组Modbus协议，以便于区分不同组的ATMEGA8芯片。
分组Modbus协议定义如下表3所示：
例如：
假设对第1组Mega8芯片下的设备进行操作，则发送
表2分组Modbus协议（16进制0X）
起始位
数据长度
分组码
标准ModBus协议
校验8位
55
09
01
01050000FF008C3A
前面所有字节累加
注：
数据长度不包括起始位和数据长度位。
分组码从01开始。
01代表第一片从ATMEGA8，依次类推。
Modbus总线与主控单片机的接口电路原理图如下图7所示。
图7Modbus总线与主控单片机接口电路原理图
4系统软件设计
手持仪通过RS232口循环检测设备，将要检测的Modbus设备数据分组封装后发送到主单片机ATMEGA8，主单片机再将分组信息解析并分发到不同组的从单片机ATMEGA8。
从单片机利用Modbus数据和网络设备发出指令，同时将应答
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