一、引言

随着电子技术和单片机技术的发展，光栅传感器在位移测量系统得到广泛应用，并逐步向智能化方向转化。

该系统采用光栅移动产生的莫尔条纹与电子电路以及单片机相结合来完成对位移量的自动测量，它具有判别光栅移动方向、预置初值、实现自动定位控制及过限报警、自检和掉电保护以及温度误差修正等功能。下面对该系统的工作原理及设计思想作以介绍。

二、电子细分与判向电路

光栅测量位移的实质是以光栅栅距为一把标准尺子对位称量进行测量。目前高分辩率的光栅尺一般造价较贵，且制造困难。为了提高系统分辨率，需要对莫尔条纹进行细分，本系统采用了电子细分方法。

当两块光栅以微小倾角重叠时，在与光栅刻线大致垂直的方向上就会产生莫尔条纹，随着光栅的移动，莫尔条纹也随之上下移动。这样就把对光栅栅距的测量转换为对莫尔条纹个数的测量，同量莫尔条纹又具有光学放大作用，其放大倍数为：

(1)式中：W为莫尔条纹宽度;d为光栅栅距(节距);θ为两块光栅的夹角，rad

在一个莫尔条纹宽度内，按照一定间隔放置4个光电器件就能实现电子细分与羊向功能。本系统采用的光栅尺栅线为50线对/mm，其光栅栅距为0.02mm，若采用四细分后便可得到分辨率为5μm的计数脉冲，这在一般工业测控中已达到了很高精度。由于位移是一个矢量，既要检测其大小，又要检测其方向，因此至少需要两路相位不同的光电信号。为了消除共模干扰、直流分量和偶次谐波，我们采用了由低漂移运放构成的差分放大器。

由4个滏电器件获得的4路光电信号分别送到2只差分放大器输入端，从差分放大器输出的两路信号其相位差为π/2，为得到判向和计数脉冲，需对这两路信号进行整形，首先把它们整形为占空比为1：1的方波，经由两个与或非门74LS54芯片组成的四细分判向电路输入可逆计数器，最后送入由8031组成的单片机系统中进行处理。

三、单片机与接口电路

为实现可逆计数和提高测量速度，系统采用了193可逆计数器。假设工作平台运行速度为v，光栅传感器栅距为d，细分数为N，则计数脉冲的频率为：

(2)若v=1m/s,d=20μm,N=20，则f=1MHz，对应计数时间间隔为1，显然对于8031单片机系统的响应为2μs是不能胜任的。经可逆计数器分频后，可大大地提高测量速度。

由于193是4位二进制输出，为与单片机接口，把两片193采用了级联的方式，这样最多可计255个脉冲，若再来脉冲，进位端或借位端将输出一个脉冲送到单片机T0、T1端计数，保证送到8031的信号不丢失。

本系统长度最大可测几米(由光栅实际长度决定)，最小分辨率为μm级，需要7个显示数据。正向运行时不显示符号，反向运行时需显示"-"号，所以连同符号位，共需8个显示块。为了符全人们应用习惯，显示块选用共阴极LED。

为实现测量系统的智能化，设置了一个2×8方式键盘矩阵，其中包括0～9共10个数字键和6个功能键：L/A长度/角度转称功能键;+/-符号转换功能键;ΔT温度误差修正功能键;EXE执行键;ENT预置键CE(清零键)。键盘、显示器与单片机之间通过一个接口芯片8155来连接。其中，8155的PA口设置辚基本输出方式，作为8位LED显示的段码线;PB口设为输出方式，作为8位LED的位选线;PC口设为输入方式，作为键盘的行扫描线。PB口侠选线每次选通1位显示，每次显示1ms，由于人眼视觉惰性，可产生8位显示块同时显示现象。

由于从前置电路74LS54出来的脉冲经过2片193分频后，直接进入8031的仅为大于255的"大"数，而小于255的"小"数是由两片193输出通过I/O接口输入到8031内部处理，这个I/O接口芯片是通过扩展一片8255实现的。其中，8255PB口设为基本输入方式，PB0-PB3作为1#193输入，PB4～PB7作为2#193输入。

PA口、PC口的低位设为输出，作为系统并行BCD码输出。由于8031单片机无内ROM，应外扩展一片2732(4k EPROM)。只用PSEN片选，不必增加地址译码。为锁存8031P0口输入的地址信号，在8031和2732之间需加一片74LS373地址锁存器。

四、软件设计

根据硬件电路和系统功能要求，我们设计了软件程序，由于采用了温度误差修正子程序，可使检测的精度得到大大提高。光栅传感器是光机电一体化结构，光栅尺是由玻璃制做，外壳是由型铝材料。当环境温度变化时，必然会引起结构尺寸改变导致光栅栅距的变化，带来检测误差。

设定环境温度为20℃时为检测标准值，与标准值比较测出温度变化时带来的位移误差值，即时测出位移误差一温度特殊性性曲线，由特性曲线拟合出误差一温度方程式，作为软件温度误差修正的基础。本系统软件采用模块化结构，软件编制简洁，紧凑合理。

五、结论

根据上述硬件电路和软件设计，经实验测试，系统的测精度可优于±5μm，目前，我们研制的利用光栅传感器进行长度、角度自动测量的智能仪表已形成系列产品，分辨率可从20μm到1μm，具有性能稳定、抗干扰能力强、体积小、结构紧凑、成本低等优点，已成功地应用于机库改造和相关的光电尺寸与位置检测系统中。

摘要：本文主要介绍了钢丝直径的检测方法，并且是高精度的在线测量方法。

关键词：钢丝测径仪；钢丝；精度；

引言

钢丝是钢材的板、管、型、丝四大品种之一，是用热轧盘条经冷拉制成的再加工产品。钢丝生产的主要工序包括原料选择、清除氧化铁皮、烘干、涂层处理、热处理、拉丝、镀层处理等。

钢丝是钢丝绳的重要组成部分，钢丝的好坏决定着钢丝绳的质量问题，钢丝绳的质量有保障了安全性，因此在钢丝生产中，对其外径进行高精度的检测是非常重要的。钢丝绳在同直径时公称抗拉强度越低,每股绳内钢丝越多，钢丝直径越细,则绳的挠性越好，但钢丝绳易磨损。反之，每股绳内钢丝直径越粗，则钢丝绳挠性越差，钢丝绳耐磨损。因此，不同型号的钢丝绳，它的使用范围也不同。钢丝的直径尺寸每部分越均匀，精度越好，越能发挥更大的作用。

1、钢丝直径测量方法

1.1、借鉴与光纤模场直径的测量方法，测量单模光纤模场直径的方法有：横向位移法和传输功率法。光纤基模场强在光纤横截面的存在与光纤的结构有关，而模场直径就是衡量光纤模截面上一定场强范围的物理量。通常将纤芯中场强分布曲线最大值1／e处所对应的宽度定义为模场直径。而这种测量要利用到光纤的特性，推之于钢丝则不太适用。

1.2、利用弱磁方法完成监测过程，完全排除强磁辐射污染，避免强磁场对铁磁性金属构件工作性能造成的不良影响；这种测量系统的精度较高，同时造价较高，因此我们独立设计也不宜采用这种原理。之上两种方法从经济和技术角度考虑我们予以放弃。

1.3、常用的有一种方法是利用激光的的衍射，通过对比计算衍射图像来获得钢丝直径的测量结果，但是一旦考虑到要得到激光衍射图像，就必须采用面阵CCD，对于高速运行的钢丝流水线，面阵CCD显然达不到高帧频的要求，因此这种方法也不适合。

1.4、利用线阵CCD的高帧频特性，满足了采样间隔的要求，同时能满足必要的测量精度，具体的测量方法如下：

采用物方远心光路和成像法进行在线尺寸检测。检测的核心部件为光电测头，每组测头由发射镜头和接收镜头组成。发射镜头内点光源发出的光通过发射透镜形成平行光视场射向接收镜头。平行光再由接收透镜聚焦，通过位于焦点位置的光阑小孔后在接收单元上成像。当视场中通过被测物时，被测物遮挡的部位将在接收单元的芯片上呈现出边界清晰的阴影。通过光电转换和数字化处理，即可通过阴影的宽度计算出被测物的直径。

2、钢丝测径仪

光电钢丝测径仪是在线实时检测设备，采用高性能的线阵CCD测量，测量精度可达到微米级，适合钢丝尺寸的在线自动检测，其系统结构如下图所示：

2.1、摄入模块

图像摄入模块包括的器件有：线阵CCD，光学镜头，其中线阵CCD为 扫描频率为15MHz的高频线阵CCD芯片。

2.2、传输模块

传输模块是由数采转换处理集成电路、数采存储单元、数据分析处理单元、数组形式转换单元、通讯传输单元等组成。

2.3、图像处理模块

将传输过来的数据流进行如下处理：

图像去噪、二值化处理、读取像素个数、通过计算公式得到直径等。

2.4、图像输出模块

完成图像的实时输出，结果的实时输出，可以将测量数据传输到显示屏、外接显示屏、报警模块、尺寸控制模块等。

2.5、测径仪技术

测径仪内除接收镜头内的信号采集电路以外，还有一些电子元器件和通讯设备构成的测径仪的电路系统。其中主要包括直流电源、为光源供电的恒流电源、为CCD采集电路供电的恒压电源、光源供电与信号采集同步电路、时序发生电路、信号采集同步电路、光纤收发器等。

通过采用亮度在50000mcd以上的进口LED光源，将测头的曝光时间缩短到了100微秒，即相当于采样频率10000Hz。消除了被测物抖动时的虚影现象。同时在电路系统中采用了光源—信号采集单元脉冲同步、多路采集同步、信号采集—通讯传输同步等多项同步技术。解决了抖动误差的难题，彻底消除了抖动误差。

3、测径仪结构

测径仪结构简单，外形小，是小台式的测径仪，下图为测径仪的结构。

将钢丝测径仪安装于测量位置上，让钢丝通过导轮进入测径仪形成的平行光视场，测径仪即可自动进行测量。液晶屏部分是显示测量数据及操作测径仪的地方，告警灯为红色，当测量的尺寸超过设定范围时，该灯亮起提醒。电源开关，打开或关闭测径仪，电源插头，连接电源线，控制插座，连接牵引机或挤出机的变频器或电子调速器，进行钢丝尺寸控制，通信插座，可传输数据。

4、钢丝测径仪功能

钢丝测径仪是用于外径尺寸在线检测的高精度在线自动智能测量设备，安装于钢丝的生产线上，对钢丝进行在线测量，安装位置可是根据测量需求选择的。

测径仪可以测量外径尺寸，进行外径尺寸监测，实时超差报警，并可通过控制牵引机或挤出机的速度来控制钢丝直径尺寸，自动、手动两种方式都可进行电机转速的调节，控制输出0V~10V电压。测量数据显示与显示屏上。

自动模式下，设备将按照测量值和标准值之间的差值，通过输出的电压控制变频器对电机的转速进行自动调节，达到自动调节的目的。手动模式下，电压输出与输入保持一致，不再进行自动调节。

外接屏可以在远端观察测量数据和控制手动、自动模式切换。当最高为闪烁时为手动模式，不闪烁时为自动模式。

数据输出格式：测径仪自带RS422接口输出测量数据，可连接外接数码管屏或上位机，当连接上位机时，通过配套的软件可以实现测量数据的图形化显示、存储和历史记录查询。

可将测量数据传输与电脑上，进行数据存储。

结语

CCD 用于尺寸测量的技术是非常有效的非接触检测技术 ,各种线阵 CCD 均可以用于尺寸的测量。其基本结构包括光敏元阵列、存储栅、转移栅及模拟移位寄存器。由 CCD 像传感器、光学系统、计算机数据采集和处理系统构成的 CCD 光电尺寸检测仪器其使用范围和优越性是现有机械式、光学式、电磁式测量仪器都无法比拟的。 这与 CCD 本身所具有的高分辨率、高灵敏度、像素位置信息强、结构紧凑及其自 扫描的特性密切相关。 这种检测方法目前已被广泛地应用于各种加工件的在线检测和高精度、高速度的检测技术领域。钢丝的直径微米级高精度的检测，为钢丝的质量起到严格的把关，并为钢丝的应用带来巨大的安全保障。

本文由保定市蓝鹏测控科技有限公司编写

来源：中国军网综合 作者：郭萌 等 责任编辑：张硕

万物互联，藩篱消褪，创新驱动的大时代已然来临。

从1994年正式启动建设，到2003年第一代系统开通运行；从2012年形成覆盖亚太大部分地区的服务能力，到如今拉开全球组网“战幕”，北斗卫星导航系统（以下简称“北斗”）一路披荆斩棘，闯出了一条中国式自主导航之路。

作为军民融合典范，2012年北斗正式登陆民用市场，短短5年总产值即从起初812亿元到2017年度的2500亿元，北斗对产业核心产值的贡献率达70%，已然成为上曜星月、下安物望的国家名片。

“司南之杓，投之于地，其柢指南。”迈进全球组网新时代的北斗，必将以更加完美的姿态走向世界，以更为博大的胸怀兑现承诺，为建设社会主义现代化强国提供有力支撑。

请关注今天出版的《解放军报》的报道——

资料图

迈进新时代 更惊世界殊

——北斗卫星导航系统拉开全球组网“战幕”

■中国国防报记者 郭 萌

从“天上好用”到“地上用好”

北斗5年应用精彩不断

遵义市花岗区长征街道办事处干劲组的58户居民，至今忘不了2016年7月的那个夜晚。6日深夜，一声鸣笛划破长空——北斗监测数据显示，他们居住的145号楼沉降10毫米，位移7毫米，楼外墙瓷砖拉裂，楼内多处出现裂缝……北斗卫星房屋安全监测系统的警报声，为工作人员应急处置提供了时间和技术基础，他们第一时间将住户疏散到安全地域。

这仅是北斗服务生活的一个缩影。中国卫星导航系统管理办公室主任冉承其介绍，目前，北斗已在交通、电力、安全、渔业等领域广泛使用，并取得不错成绩。借助这一系统，我国突发重大灾情上报时间缩短至1小时内，灾后应急救援响应效率提高2倍；交通运输部门在480万辆营运车辆上安装了北斗终端，仅2016年道路运输重大事故率就比2012年下降近50%；全国4万余艘渔船安装北斗，累计救助渔民超万人。

国内销售的智能手机中北斗越发受到青睐，共享单车配装北斗实现精细管理，安装北斗的公交车让乘客候车时间更精准……北斗走进百姓日常生活，带来可触可感的便利。北斗产业应用快速发展，国内企业就有14000多家，估计到2020年产值将达4000亿元。目前，我国已形成北斗完整产业链，北斗在国家安全和重点领域实现标配化使用，在大众消费领域得到规模化应用，催生了“北斗+”融合应用新模式。

总的看，北斗的“民用史”始终与兼容（和其它GNSS信号兼容以获得更好服务）、高精度（利用高精度、短报文通信等特色功能）相影相随，北斗系统也因这两大优势，打进世界其他卫星导航系统尚未覆盖的产业领域。

“北斗应用取得突破性进展，但还有很长的路要走。”冉承其表示，北斗正在阔步走向世界，按照计划我国将率先为“一带一路”沿线国家提供基本服务，2020年实现35颗北斗卫星全球组网，具备服务全球能力。

从技术封锁到谋求合作

北斗走出国门服务世界

技术封锁，曾相伴中国多年。石以砥焉，化钝为利。如今，北斗正走出国门，加速融入世界。

2016年11月，我国发布《关于加快推进“一带一路”空间信息走廊建设与应用的指导意见》，提出支持北斗产业在“一带一路”国家和地区发展。目前，已在马来西亚等国智能港口、精细农业、智能交通领域提供服务。

“北斗系统具有短报文和位置报告服务能力，这是打破技术封锁走向全球的优势所在。”冉承其如此描述北斗的奥秘。

时至今日，北斗最高定位精度达毫米级，这一优势致使国外导航终端成本价从1000多美元暴跌到如今的1美元。不久前，美国与中国签下《北斗与GPS信号兼容与互操作联合声明》，两大卫星导航系统在国际电联框架下实现射频兼容，用户无需显著增加成本就可以享受到更好的服务。业内人士普遍叫好，称这是GPS与北斗的一次“闪婚”。

事实上，很多国家都在谋求与中国北斗的合作。中俄开通卫星导航联合监测平台，签署《中国北斗和俄罗斯格洛纳斯系统兼容与互操作联合声明》；中欧卫星导航合作工作组成立，为用户享受更加高效可靠服务奠定基础；非洲各国相继建立地面接收站，北斗有望在非洲大地上安营扎寨……

“北斗既是中国的，也是世界的，要为世界作出更多贡献。”北斗卫星导航系统总设计师杨长风说，“曾经不忘记，未来不懈怠”将成为北斗向着更高、更强发展的不竭信念。

从空间导航到覆盖空天地海

将以北斗为核心构建新时空体系

2000年，建成卫星导航实验系统；2012年，向亚太地区提供服务；2017年，起步全球组网……北斗在建设与技术探索过程中，创造性地形成了两种服务机制，并实现了混合星座设计，拓展了卫星导航应用领域。

如今的北斗，正以崭新姿态、更强能力、更好服务造福人类。随着它在太空棋盘上落定，我国北斗卫星导航系统由区域运行转向全球拓展。遥望广袤的太空，中国人的“天眼”视域越来越开阔。冉承其介绍，我国将加快北斗三号组网部署，于2018年年底前建成18颗卫星的基本系统，并提供初始服务；2020年年底前建成30颗卫星的完整系统，提供全球服务。

据了解，北斗三号在载荷、星间链路、激光通信等方面都有创新，并且还增加了卫星搜救功能及全球位置报告功能，采用的星载氢原子精度比北斗二号的星载铷原子提高了一个数量级。

我国《国土资源“十三五”科技创新发展规划》明确提出，要以深地、深海、深空为主攻方向和突破口，构建向地球深部进军、向深海空间拓展和深空对地观测的国土资源战略科技新格局。

“北斗三号作为我国定位导航实验室核心基础设施，必将起到关键作用。”冉承其透露，2035年前，我国将以北斗系统为核心构建起覆盖空天地海、高精度安全可靠、万物互联万物智能的新时空体系，将显著提升国家时空信息服务能力，满足国民经济和国家安全需求，从而为全球用户提供更为优质的服务。

以工匠精神雕铸中国制造高品质

■青 木

北斗组网、“天眼”探空、神舟飞天、墨子“传信”、高铁奔驰、超算“发威”、“鲲龙”冲天……刚刚过去的一年，从中国桥到中国路，从中国量子到中国计算，从中国飞机到中国高铁，一个个奇迹般的创新成果编织起人民走向美好生活的希望版图，新时代的中国制造让人感受到越来越强的澎湃活力。

大国制造的脊梁，是一丝不苟的工匠精神！

古人云：“心心在一艺，其艺必工；心心在一职，其职必举。”硕果累累，源于科学家、工程技术人员和千百名工人的智慧与汗水。数十年来，他们扎根深山、精益求精、不畏艰苦、勇于创新、甘于奉献，以大国工匠必备的素养与品质，提升着中国制造的底气和基石。

工匠精神有着怎样的气质？《诗经》中把对骨器、象牙、玉石的加工形象地描述为“如切如磋”“如琢如磨”，这是古人对工匠精神简洁而形象的描述。今天看来，工匠精神意味着精益求精、精雕细琢，意味着专注与专业，意味着开拓与创新，更意味着对高品质产品的尊崇与追求。

精益求精是匠人的亮丽名片，是其对每件产品、每道工序都凝神聚力、追求极致的职业品质。所谓“做一颗螺丝钉也要做到最好”，一件事即使已经做得很好了，还要追求做得更好。瑞士手表得以誉满天下、畅销世界、成为经典，靠的是制表匠们对每一个零件、每一道工序、每一块手表都精心打磨、专心雕琢的精益求精精神。

专注与专业是匠人的精神特质，是因内心笃定而流露出的着眼于细节的耐心、执着与坚持。“庖丁解牛”的故事中，梁惠王的那位厨师达到心手合一、出神入化的境地，靠的就是专注与专业。爱迪生说：“凡事专注，这才是成功的要点。”德国能创造出奔驰、宝马等知名品牌，与数以千计心无旁骛在细分产品上不断积累的能工巧匠分不开。

美国发明家迪恩·卡门认为，工匠的本质是“收集改装可利用的技术来解决问题或创造解决问题的方法从而创造财富，并不仅仅是这个国家的一部分，更是让这个国家生生不息的源泉”。换言之，工匠并非只是靠日复一日的重复达到熟能生巧，而是通过技术整合创造性地解决问题。这说明，工匠精神不仅意味着精益求精、专注专业，还代表了对创新的追求。

质量之魂，存于匠心。如今，我国经济发展进入新时代，已由高速增长阶段转向高质量发展阶段。对于向中高端迈进的中国制造而言，“质量”二字重千钧。做强质量，打造品牌，推动产品升级，须臾离不开工匠精神。事实上，我国制造业的发展史，本身就是一部不断追求精工、创造精致的历史，是一部工匠精神的史诗。

当然，工匠精神不是宗师巨匠们的殊荣。每个在岗位上兢兢业业、用心钻研的劳动者都可以是工匠精神的诠释者、传承者。拥有多项国际焊接资质的“高铁焊接大师”李万君，为神舟飞船、探月工程研制关键部件的车工班班长王阳，打造开放、共享创业平台的海尔创客实验室……无论是一线劳动者，还是创新创业浪潮中的弄潮儿，都用本职岗位上的行动诠释了严谨专注、精益求精的工作态度，彰显了勇攀高峰、追求卓越的时代精神。

马克思主义认为，人是生产力中最活跃的因素。在日趋激烈的国际竞争中，国民素质特别是广大劳动者素质显得尤为重要。目前，我国技能人才已达1.65亿人，但技能人才的素质、规模、结构仍难以满足经济社会向更高水平发展的需要。中国要迎头赶上世界制造强国，实现《中国制造2025》战略目标，必须在全社会大力弘扬以工匠精神为核心的职业精神，实现由“重量”到“重质”的突围，才能赢得未来。

精于工、匠于心、品于行，人们从未像今天这样热切地呼唤工匠精神。从《大国工匠》《我在故宫修文物》等纪录片走红带给我们的感叹与感动，到国人在海外排队抢购奶粉、马桶盖带给我们的自省与反思，再到工匠精神被首次写入《政府工作报告》带给我们的欣喜与振奋，工匠精神如涓流入海在各行业形成共鸣，在全社会汇成共识。

最是行动动人心。锻造工匠精神是一项系统工程，尤当戒除“短平快”式的心浮气躁，从当下做起，从坚守本分做起，从拧紧一颗螺丝钉、认真对待每名顾客做起，让工匠精神渗入每件产品、每道工序，才能以中国制造的高品质支撑起制造强国建设。

北斗智慧应用这五年

■中国卫星导航定位协会副秘书长 王 博

冬日暖阳照射下，我驾车经过北京二环内的后广平胡同，两个熟悉的身影闪入眼帘——北京燃气集团的巡线工何师傅与李师傅。为确保首都冬季燃气安全，他们正手持北斗精准定位终端进行智能巡检。

每当我在电视中看到一起起燃气事故，总会思考一个问题：北斗是否可以应用在管网风险管控中以降低燃气事故发生率？

北京这座大城市人口稠密，经济要素高度集聚，燃气安全直接影响着城市运转。据不完全统计，每年有7成以上的燃气管网事故因缺少精准位置信息受到第三方破坏而发生。5年前，我将自己的研究方向聚焦于北斗导航技术在市政管网建设中的应用，并有幸与北京燃气集团共同主导研究面向市政管网的高精准、全空间北斗关键技术及应用。

这是一次相见恨晚的合作。2012年12月27日，北斗正式提供区域服务。由于那时卫星数量较少，我们面临的最大挑战是在城市环境中有效提高北斗系统位置信息的准确性及可用性。为此，我深入燃气工作一线，与工人师傅同吃住、同交流，了解他们在工作中遇到的技术麻烦，然后通过国家北斗精准服务网提供市政管网所需的时空信息服务，并利用偏移测量等技术手段进行优化。这5年，北斗系统运行稳定，定位精度不断提高，使市政管网的风险管控更加精准。

何师傅、李师傅使用北斗精准定位终端实时采集管网巡检到的数据、位置、现场照片等信息，工作质量和效率比5年前提升了很多。

如今，北京燃气集团已在超过2万公里的管线、数万个调压站、箱、闸井等燃气管理全产业链应用北斗进行管理，全市燃气泄漏主动发现率提高到90%。

经过5年的不懈努力，北京燃气集团在北斗精准服务方面的成熟应用受到广泛关注，全国很多燃气企业来京考察学习。作为北斗系统推广者，我还参与并指导了北斗精准服务在深圳燃气集团管线测量及复核、检漏等环节的应用工作。

回首这5年，北斗系统不断发展壮大。我有幸参与其中，见证了一个个精彩瞬间，由衷感到骄傲和自豪！未来，其发展还有很大空间，我将继续发挥特长，贡献自己的一份力量……

（李廷彦、米烨彤整理）

聚焦·北斗新动态

重庆：北斗物联网模组首发

近日，北斗物联全球发布会暨2018物联网发展大会在重庆举行。会上首次发布了3款物联网无线数据模块，其位置定位服务可精确到厘米级。同时，北斗开放实验室重庆分实验室正式揭牌。据介绍，实验室将联合重庆大学等科研优势单位，以北斗检测中心的智能终端检测平台为基础，释放北斗技术检测与研发的优质资源，提升北斗系统的定位精度，为物联网建设提供现实基础。

说明：北斗监测系统主要有野外的北斗监测设备将边坡或者桥梁实时位移数据采集并通过GPRS,光缆或者北斗短报文等多种传输手段将数据发送回数据中心，数据中心经过软件处理计算再将位移的变化直观显示出来，对于异常危险的情况实现紧急预警。

一、野外监测站的选点、建设

监测点的选择关系到监测效果的好坏，需要经过实地的勘察，分析，在一些比较关键的位置安装监测基站，根据实际的项目勘察确定需要安装监测基站的数量和安装的点位。

监测基站的建设如下图所示，监测基站一般由基座，卫星接收机，天线和供电系统组成。供电系统可以选择太阳能或者市电供电也可以两种供电并行保证供电稳定。

如下图所示为一个桥梁监测的基站实际安装图。

二、北斗监测设备选型

高精度位移监测要选择可靠、稳定能够长时间野外连续运行的设备，华星智控的差分定位接收机具有定位精度高，可以长期连续野外稳定运行的优点。

技术参数

性能指标

通道：288通道；

信号：BDS：B1，B3；GPS：L1，L2；GLONASS：可扩展；Galileo：可扩展；SBAS ：可扩展；

单点定位精度：平面：1.5m(RMS)

高程：2.0m(RMS)

RTK定位精度：平面：±(10+1×10-6 ×D)mm

高程：±(20+1×10-6×D)mm

静态定位精度：平面：±(2.5+ 0.5×10-6×D)mm

高程：±(5+0.5×10-6×D)mm

D两点间的距离，单位为 mm

初始化时间：小于 15 秒(典型值)；

初始化可靠性：大于 99.9%

首次定位时间：热启（星历+RTC）：<10s；

温启（星历）：<40s；

冷启动：<50s；

失锁重捕：1s(失锁时间<10s)；

差分数据格式：RTCM 3.X/3.0/3.2

数据更新率：原始数据 ：1Hz、2Hz、5Hz、10Hz、20Hz、50Hz（可定制）

定位(RTK)数据 ：1Hz

数据格式：NMEA-0183，二进制数据协议，扩展协议（可定制）

网络协议：TCP

电气特性

输入电压：DC (9~36)V

天线馈电输出：DC +(4.5～5.0)V±5%

输入电源纹波：100mVp-p(max)

功耗：2.3W(典型值)

物理特性

工作温度：-40°C～+80°C

存储温度：-55°C～+95°C

湿度： 95%不凝露

振动： GJB150.16-2009，MIL-STD-810

冲击： GJB150.16-2009，MIL-STD-810

供电说明

接收机通过外部供电使用，前面板10芯 Lemo 串口进行供电，通过专用可供电数据线连接接收机，通过北京华星智控专用适配器插入连接线 DB9 接头处 DC 电源接口，接收机具备宽压供电 DC (9~36)V。

存储说明

接收机具备内部存储数据的功能，存储数据格式为卫星原始 range数据，存储机制为循环存储，跨天重新生成文件，文件格式为HCN格式，存储过程中断电或者下载数据同样会重新生成文件。数据存储文件夹以时间命名，数据存储文件机制如下：

（接收机 SN 号）（年积日）（尾缀1）（尾缀2）

尾缀1：A~Z

尾缀2：0~9

如：950857333A0.HCN

先进的测试系统供应商AB Dynamics为其SPMM 5000 K&C测试设备进行了一次重大升级。K&C Inspect允许用户在三维空间中捕捉多达50个目标点的移动，然后，该数据将自动同步并记录在K&C测试期间收集的传统数据中。这一步骤可以支持通过使用SPMM来分析竞争对手的车辆或验证预生产原型的特性。SPMM的高级项目工程师Matthew Dustan解释说：“这是K&C测试的一个重大突破，因为它使我们的客户能够测量在传统测试中经常被忽略的车辆元素的移动。”在过去，测量或多或少的局限于车轮位置的运动和轮胎接触轮的力量。车身的运动是用拉线编码器来测量的，或者从中心表的位置推断出车身被夹住的位置。在现实中，所有的车辆都是灵活的，所以通过抓住关键点的位置，客户可以从K&C测试中获得更多的信息。该系统在可调整的安装系统上使用一对Aicon HF4光度照相机，其数据采集率高达1000赫兹。SPMM和Aicon软件的组合定位并跟踪用户选择目标的X、Y和Z位置，自动将数据转换为K&C平台坐标。位移数据与其他K&C结果一起存储在SPMM数据库中，准备好进行导出和处理，并且可以在AB Dynamics的绘图和分析程序中与其他测试数据通道相对应。以前使用独立的3D测量系统将精确的偏转测量纳入K&C测试的尝试，使得工程师们难以可靠地将相机坐标系统定位到他们的其他数据，从而无法以可使用的形式得到结果。K&C Inspect可以无缝地完成这一工作，这得益于AB Dynamics有效地将Aicon软件与现有的SPMM软件集成在一起。在开发新系统时，AB Dynamics所克服的一个特殊挑战是确保摄像机能在任何时候可靠地跟踪单个目标。软件中的一系列复杂的逻辑步骤使系统能够识别和跟踪每一个目标，并快速诊断错误情况。随着SPMM用户不断地从K&C测试中寻找更大的价值，增加准确测量其他偏转的能力是自然而然的。系统的精度随摄像机到目标的距离而变化，通常为20微米(X和Y)和80微米(Z)。该系统的高精确度支持在K&C测试中无法大幅偏转的组件和车身部件的测量。Dustan说:“除了车身的运动外，还有汽车悬架和转向系统的一些元素，它们的移动、弯曲和扭曲，这些都是我们的客户对测量感兴趣的地方。K&C Inspect系统使工程师在合理范围内能够灵活地将反射目标放置在车辆的任何地方，并捕捉他们感兴趣的部件的运动和位移。”

摘要：大直径工件测量仪用于检测500mm以上的大尺寸工件的直径，本文主要从大直径测量仪的测量原理，硬件，软件及误差分析几方面进行了介绍。

接上文《大直径工件在线测量仪的研发（一）》

2.2、光栅数据采集模块

光栅数据采集模块是测控系统最重要的模块。光栅数据主要来自前后端两个光栅，每个光栅都有一个加法脉冲和一个減法脉冲。利用计数电路采集其位移数据。由于在采集数据的同时，两光栅仍处于工作状态，所以其计数电路的基本要求是：第一，两光栅的数据必须同步采集；第二，在采集数据时，计数电路仍然能继续计数，否则，在某些极端情况下将出现数据误差。如：在读取齿条上的后端光栅数据时，前端光栅正在移动，这样，在读前端光栅上的数据时，已不是工件上同一截面的数据；另外，如果在读取一个光栅数据时，计数电路不能继续计数，则有可能丟失光栅的计数脉冲。这些要求使仪器无法采用通用的光栅数显仪表。为此，我们设计了同步采集光栅数据电路模块，其主要外部接口如图2。

为了提高光栅的精度，本模块采用了倍频电路，计数电路由两个16位的加减计数器组成，分别采集前后端光栅的位移数据。计数器

光栅数据采集模块没有采用地址总线、数据总线控制方式，而采用独立控制的方式，这样节省CPU的引脚，没有对MCS51单片机逬行系统扩展，提高了系统的可靠性。

3、仪器软件部分的设计

全部程序分为初始参数输入、测量、手动操作模块。主要部分是测量模块，它的主要编程思想是：在扫描键盘时等待光电编码器输入引起的每次TO中断采集前后光栅数据经计算后由LED显示测量结果，其程序流程图如图3。

4、误差分析

本系统的主要测量误差由公式（1）中的各项决定：

在测量中，由于采用在一个截面内等分采集32个数据，求其平均的方法，基本消除了测量时的随机误差及部分机床主轴的径向跳动误差。

大直径的测量中，温度的影响很大，软件中设定了一个温度系数T（其大小主要根据加工材料的性质、温度的数值以及经验数据决定），通过键盘进行更改，并保留在有掉电保护的X25045中。可以根据经验形成一个表格，对最后的测量结果进行补偿。

结论

大直径工件在线测量仪是一个机电一体化设备。可实现在线尺寸检测，并且对各种大直径的轧材进行外径检测。

本文引用 仪表与计量技术

由保定市蓝鹏测控科技有限公司编写

为了解决远程数据传输问题，针对地理条件比较复杂的区域如山体滑坡监测区域，研究了通过无线方式传输信息的方法，从而实现远程数据采集与监测功能。以ＡＲＭ处理器为核心，采用多种模块构建山体滑坡远程数据采集与监测系统。介绍了数据采集功能实现方法和驱动程序的设计思想，设计了加速度传感器与ＡＲＭ处理器的连接电路以及传感器采集程序。试验验证表明，系统接收多点数据信息正确，能够及时反映数据采集实时值，并提供报警信息。关键词：ＡＲＭ 远程数据采集监测线程ＧＰＲＳ驱动程序。

山体滑坡是严重的地质灾害之一，它会毁坏工程设施，造成巨大的经济损失。为了防患于未然，需要及时、快速地监测山体的滑动情况，实现滑坡危害的预报。对山体滑坡进行监测的目的在于对滑坡的稳定性做出判断，并对可能发生的滑动做出预测。通过相对位置的变化判断各个监测点的滑动情况，滑坡监测对减灾防灾意义重大。在滑坡变形监测中，ＧＰＲｓ等先进技术将发挥积极作用，实现对监测区域的远程实时监测，并通过对采集数据的分析和处理，实现对山体滑坡的预警。

１ 远程数据采集与监测系统构成

远程数据采集与监测系统由ｊ轴加速度传感器、嵌入式处理器ＡＲＭ、电源模块和ＧＰＲｓ模块等构成。系统监测采集加速度传感器的数据，与键盘设定的上限值进行比较，ＧＰＲｓ模块以短信方式发送监测信息和报警信息。当采集的加速度值超过一定上限时，蜂鸣器发声起到报警功能。远程数据采集与监测系统构成如图1所示。

２数据采集与驱动程序设计

2.1 ＡＤＣ转换功能实现

ARM处理器S3C2410内置1个8通道的10位模数转换器ＡＤＣ。采用ＡＤＣ控制器寄存器系统可以同时外接８位的模拟墩输入．最大转换速率可达５００ｋＳ／ｓ。S3C2410的引脚ＡｌＮ［７］和ＡＩＮ［５］用于连接触摸屏的模拟信号输入。ＡＲＭ处理器S3C2410有ＡＤｃ控制寄存器和ＡＤｃ触摸屏控制器，其通过程序设计配置寄存器控制ＡＤｃ的Ｔ作模式，并编写应用程序读取ＡＤｃ转换值。ＡＤＣ触摸屏控制寄存器ADCTSC配置成普通工作模式。对于S3C2410处理器，在使用触摸屏时，引脚ＡＩＮ［７］和ＡＩＮ［５］用于测量触摸屏ｘ、Ｙ的电平，引脚ＡＩＮ［６］、ＡＩＮ［４：０］用于一般的ＡＤＣ输入。当有触摸屏驱动加载时，ＡＤＣ转换器工作在触摸屏模式。因此，ＡＤＣ转换和触摸屏驱动不能同时启用一“１。使用ＡＤＣ的步骤如下。

①设置舡）Ｃ控制寄存器ＡＤＣＣＯＮ，选择输入通道，设置ＡＤｃ转换器的时钟，Ａ／Ｄ时钟＝ＰｃＵｙ（ＰＲｓＣＶＬ＋１），其中，Ｈｔ５汇ＶＬ为ＡＤｃ转换器预分频器数值。

②设置ＡＤC触摸屏寄存器ADCTSC，对于普通ＡＤＣ，设置ADCTSC位［２］为０。

③设置ＡＤC控制寄存器ＡＤＣＣＯＮ，启动Ａ／Ｄ转换。如果设置ＡＤＣＣＯＮ中的ＲＥＡＤ—ＳＴＡＲＴ位为１，则读取ＡＤＣ转换数据寄存器ＡＤＣＤＡＴＡ０时即启动下一次转换，也可以设置ＡＤＣ控制寄存器ＡＤＣＣＯＮ中的ＥＮＡＢＬＥ—ＳＴＡＲＴ位启动Ａ／Ｄ转换。

④转换结束时，读取ＡＤｃ转换数据寄存器ＡＤＣＤＡＴＡ０值。

２．２驱动程序设计

一个硬件的驱动程序，通常指一个驱动模块。对于一个硬件的驱动。Ｌｉｎｕｘ下可以有两种方式：一种是直接加载到内核代码中，启动内核时就会驱动此硬件设备；另一种是以模块方式编译生成一个独立文件，当应用程序需要时再加载到内核空间运行。加载驱动是正常运行设备的必要条件，缺少驱动程序，将无法进行正常操作。驱动程序包含有各种定义，如ｓ３ｃ２４１０管脚的定义、对应的地址映射等。ＧＰＲｓ驱动、Ａ／Ｄ驱动和键盘驱动这３个驱动分别关系到通信、采集和参数设定３大方面，这３个驱动也可以理解为操作系统中的设备。设备驱动的角色就是将这些调用映射到作用于实际硬件和设备相关的操作上。驱动可以与内核的其他部分分开建立，需要的时候在运行时“插入”。

３传感器模块设计

在滑坡发生过程中，对象的加速度、速度和位移等矢量均发生变化。在山体监测区域安放大量的传感器，以测量山体位移和加速度值。本文采用加速度传感器ＭＭＡ７２６０ＱＴ测量各个轴的加速度值，以便及时检测灾害。如果物体沿着某一个方向运动，或者受到重力作用，传感器输出值就会根据其运动方向和设定的传感器灵敏度而改变。系统采用ＡＲＭ处理器的Ａ／Ｄ转换器读取此输出信号。三轴加速度传感器测量时，量程可有以下４种形式：①在１．５ｇ量程下，信号灵敏度为８００ｍＶ／ｇ；②在２ｇ量程下，信号灵敏度为６００ｍｖ／ｇ；⑧在４ｇ量程下，信号灵敏度为３００ｍＶ／ｇ；

④在６ｇ量程下，信号灵敏度为２００ｍＶ／ｇ。加速度传感器与ＡＲＭ处理器的硬件连接图如图２所示。

图２加速度传感器与ＡＲＭ处理器的连接

ｇ－ｓｅｌｅｃｔ，引脚和ｇｓｅｌｅｃ：引脚用来选择传感器的灵敏度，有４个灵敏度可供选择。ｇ—ｓｅｌｅｃｔ。引脚和ｇ—ｓｅｌｅｃ：引脚在芯片的内部被下拉为低电平。图２中ｇ—ｓｅｌｅｃｔｌ引脚和ｇ—ｓｅｌｅｃ：引脚悬空，芯片的工作灵敏度为８００ｍＶ／ｇ。当传感器工作在休眠模式时，ＳｌｅｅｐＭｏｄｅ引脚可不接，将其悬空即可。ｘ。。、Ｙ。。和ｚ。。分别为ｘ轴、ｙ轴、ｚ轴方向的输出电压。当采集的加速度值超过一定上限时，蜂鸣器发声，同时通过手机发出报警信息，实现报警功能。加速度传感器采集程序如下所示。

①打开ＡＤC设备文件

ｆｄ＝ｏｐｅｎ（ＰＡＴＨ，０一ＲＤＷＲ）；

ｉｆ（ｆｄ＜Ｏ）

｛ｐｎｄ（”Ｆａｉｌｅｄ

ｔｏ ｏｐｅｎ

ａｄ－ｄｄｖｅｒ／ｎ”）；

ｅｘｉｔ（１）；｝

②设置Ａ／Ｄ分频比和通道号

ａｄｃ－ｉｎｆｏｒ．ｐｍｓｃａｌｅ＝４９；

ａｄｃ—ｉｎｆｂｒ．channel＝ｉ；

ｗｒｉｔｅ（ｆｄ，（ｖｏｉｄ）＆ａｄｃ－ｉｎｆｏｒ。ｓｉｚｅｏｆ（ａｄｃ－ｉＩｒ））＝＝

ｓｉｚｅｏｆ（ｓtｕｃｔ ＡＤＣ—ＤＥＶ）；

在此定义了一个结构体。该结构体包含的元素分别为Ａ／Ｄ转换的通道号和分频比。其通过ｗｒｉｔｅ函数写入设备文件。结构体如下所示。

ｓｔａｔｉｃ ｓtｕｃｔ ＡＤｃ—ＤＥＶ

｛ｉｎｔ ｃｈanｎｅｌ；

ｉｎｔ ｐｒｅｓｃａｌｅ；

｝ａｄｃ－infor；

③读取转换数据：read（fd，&data，size of (data)）＝＝

Size of(data).read函数的参数分别为设备文件的标志符、数据被读入的地址和读取数据的长度。

④数据换算：d=((float)data*3.3)/1024.0. read读取的是ｌＯ位二进制数据，必须将其转换为对应的电压值。电压最大值为3.3V

４ 线程设计与ＧＰｌ塔模块功能

本文采用SIMCOM公司SIM300 GPRS模块，通过发送ＡＴ指令完成信息的传送。初始化GPRS模块后，需要设定发送短信的模式。GPRS模块功能函数需要两个入口参数，一个是发送短信的号码，另一个是短信的内容，实现将指定内容发送到指定号码上的功能。

４．１通道监测线程设计

通道监测线程分别将３个通道的数值动态更新于result全局数组中。开辟的３个监视线程可以分别动态监测，如通道0对result[0]中的数据进行动态监测。同时，利用WHILE循环实现循环监测，它的退出条件也就是系统的退出条件，保证了监测线程的全局性。同时，在这个循环中对通道的３种状态进行逐一分析。通道的３种状态分别为通道测量值超过预定的上限值、通道量值超过预定的下限值和通道测量值为正常值。如果超出报警限值，应发送提示信息。

４．２采集数据发送线程设计

开启一个线程，循环判断系统结束标志位和暂停标志位是否全部为ｌ，如果是，则退出线程；如果不是,则按系统给定的时间发送当前３个通道的数据。采集数据发送线程流程图如图３所示。

４．３键盘监测线程设计

在监测系统现场，往往根据其不同条件，利用键盘进行参数修改。设计了更改Ａ／Ｄ上、下限值和监测手机电话号码的功能。以“*”号键作为进入系统的中断键．为键盘开启一个实时监测甬数。当按下“*”号键时，Ａ／Ｄ采集暂停，并进行更改系统相关参数的设定；待设定完毕后，恢复Ａ／Ｄ的采集。

５主函数的设计与分析

ＡＲＭ拥有更快的处理速度和更大的内存空间支持操作系统的移植，同时也引入了文件系统的概念，以支持进程、线程的调用。主函数流程图如图４所示。

图４主函数流程图

在主函数中，需要初始化ＧＰＲＳ驱动、Ａ／Ｄ驱动和键盘驱动，将数据采集功能放入主函数中，利用循环实现实时监测。循环的退出条件也就是系统的退出条件。在“ｎｕｘ操作系统中，程序结束前必须回收所建立的线程，否则线程会一直占用系统资源，系统最终会因为各种死锁或内存溢出而崩溃。循环监测中的ｗｈｉｌｅ循环实现参数修改时暂停数据采集的功能，以避免不必要的线程阻塞或死锁。

６结束语

通过无线方式传输信息，能够解决布设有线监测系统的缺陷，适用于偏远山区滑坡灾害监测。在山体的不同位置放置相应的传感器，利用无线传输技术，将采集到的多点数据和报警信息通过手机方式发送给控制中心，实现对环境和参数的远程监测。本文将嵌入式系统应用于滑坡灾害监测系统，基于ＡＲＭ处理器、加速度传感器和ＣＰＲｓ模块设计了山体滑坡远程监测系统，实现了远程数据采集、监测与无线传输，对探索预防山体滑坡将起到积极作用。

测井数据采集控制系统是用于对各种置于地层中的井下仪器产生的信号进行采集、处理并对井下仪器进行控制的油田基础测控设备。由于专业性极强，以往系统中的数据采集及控制单元通常是以自我设计为主，因此导致系统的开发周期长、成本高、稳定性较差。现在，我们硬件使用National Instruments 公司的数据采集卡，软件使用VC++结合 Measurement Studio 软件包，实现了测井数据采集和控制单元的基于标准工业数据采集产品的设计与开发，大幅度的降低了系统的开发和维护成本，缩短了系统的开发周期，提高了系统的稳定性和可靠性。目前这套系统已制造20余套，成功应用于全国各大油田，取得了可观的经济效益。

系统原理

测井数据采集控制系统主要由工控机、NI通用数据采集卡、信号调理模块、绘图仪、综合控制箱、直流电源、交流电源、UPS电源、示波器等构成。系统原理框图如图1。

主机1主要用于系统的数据采集、处理和控制。绘图仪用于测井曲线实时出图。深度信号调理模块对光电编码器信号及其它井口信号进行调理，并控制深度显示；数字信号调理模块用于配接各类编码（例如，曼彻斯特编码）传输的井下仪器，如双源距C/O能谱测井仪、脉冲中子氧化化测井仪等；脉冲信号调理模块主要配接采用脉冲、周期信号传输的井下仪器以及各种脉冲编码类型的仪器。如：井壁超声成像测井仪等；直流信号调理模块主要配接采用直流量、低频模拟信号传输的井下仪器。直流电源为井下仪器提供直流供电、交流电源为井下仪器提供交流、泵、阀、继电器和释放器的供电。综合控制箱负责完成缆芯切换、供电控制。UPS电源用以保证在停电或外部供电不正常时，维持一段时间的供电，以免测井数据因得不到及时存储而丢失。以上各单元统一安装到两组19英寸标准机柜中。关于信号的流程，从图1中可以看出。我们把进入数据采集控制系统的信号归结为两类：井口信号和井下信号。井口信号来自井口和电缆绞车，它包括电缆张力信号、电缆磁记号和深度系统的光电编码信号。井下信号是指来自井下仪器的信号。来自井下仪器的感应型或脉冲型信号、深度系统的两路光电编码信号、井口的张力信号及电缆磁记号，通过电缆线进入采集箱内的深度调理模块、脉冲信号调理模块或直流信号调理模块，经过调理后，输出到NI数据采集卡。井下仪器编码信号经过综合控制电路的分离及预处理后通过电缆线进入到数字信号调理模块，进行信号调理、解码。解码后的信号同样输出到NI数据采集卡。NI数据采集卡控制数据采集的方式、采样的间隔，同时实现对脉冲信号、直流信号和数字信号的实时采集，采集到的数据以DMA方式传给主机内的数据缓冲区，由系统软件按不同的采样方式控制数据的显示、处理、打印和存盘。

数据采集方案设计

测井数据采集控制系统设计的核心是其数据采集方案设计。数据采集方案设计主要由系统深度数据采集和深度中断管理方案设计；多路复合信号实时同步采集方案设计；复杂编码格式数字信号高速传输与采集模式设计；直流信号高精度采集方案设计；系统状态及井下仪器控制方案设计等构成。由于专业性极强，以往系统中的数据采集及控制单元通常是以自我设计为主，因此系统的开发周期长、成本高、而且稳定性较差，并经常导致使用过程中，系统死机、深度测量不准等问题的出现，使系统的维护成本成倍增长，同时由于技术水平的限制，自己开发的系统只能配接一些信号类型简单和传输速率低的井下仪器，不具备多路信号实时同步采集以及高速传输的数字信号采集和处理能力。为了克服现有系统的缺陷，我们在充分调研和试用各大公司的数据采集产品的基础上，选择了NI 公司生产的系列数据采集卡和Measurement Studio 软件开发包，经过对NI各个采集卡的仔细研究和深度开发，我们仅用了３个月的时间就完成了过去需要２年以上的系统核心设计，并在业界首次实现了全部基于标准工业数据采集产品的测井数据采集控制系统设计，同时使系统在采样精度，深度控制，采集速度等主要技术指标上得到了全面的大幅度的提升。

（1）系统深度数据采集和深度中断管理方案设计：

系统深度模块是该系统中行业性最强的一个模块，它需要对正交光电编码器信号进行测量，得到系统当前的深度数据，同时它还要根据当前的深度数据生成用于同步各信号采集的深度等距触发信号。例如，在光电编码器顺时针转动时，每隔固定位移间隔（例如5 cm） 产生一个触发信号，这个触发信号通知系统对所有测量信号进行采集，如果系统光电编码器突然反方向转动，则不产生触发信号，系统不做任何采集，从而使系统只按照单方向等位移的状态采集数据。此外，该模块还要具备对正交光电编码

信号防抖动，防滑动处理的功能。在系统开发过程中，我们发现 NI PCI-660X 系列产品的用户手册上没有实现该工作模式的基本功能。为了实现该功能，我们经过深入研究和开发，通过利用PCI-6602处理光电编码器信号的计数器通道所能生成的某种特殊状态信号，同时结合其它计数器通道的脉冲生成功能，最终生成了我们所需要的连续的深度等距触发信号。在最终的产品设计中我们利用PCI-6602的5个计数器通道通过程序初始化控制实现了这个功能。这是我们首次通过使用标准工业数据采集卡实现深度数据的精确读取和触发信号的定距输出，它为整个系统得成功研制奠定了坚实的基础。

（2）多路复合信号实时同步采集方案设计：

测井数据采集系统通常需要根据定距或定时触发信号对多路直流信号、脉冲信号和数字信号进行实时同步测量。这就需要系统保证对多个采集卡间以及同一采集卡内部的多个测量通道间的数据采集的同一性和实时性，否则得到的数据就不能反映井下仪器在地层中真实状况。我们采用具有RTSI（实时同步接口）总线的 NI 6070E 或 NI6024E 用于直流信号的测量，PCI-6602 或 PCI-6601 用于脉冲信号和深度信号的测量，PCI-6534 或 PCI-6533用于数字信号的测量。系统中任何一块卡都可以根据工作模式的不同作为主卡来生成同步触发信号或用作从卡来接收同步触发信号。我们把主卡产生的同步触发信号加载到RTSI 总线上，由RTSI来同步其它从卡上的各个测量通道的数据采集，各块采集卡采集到的数据都以DMA方式传给主机内各自的数据缓冲区。由于整个触发和采集过程都是由系统硬件独立控制完成的，使得各个测量通道的采集延时可以控制在纳秒级。所有采集卡都采用DMA模式传输数据，这与以往系统多采用中断模式相比，极大的提高了系统工作效率。

通过RTSI总线我们把原来需要通过系统软件轮询依次读取各通道数据的工作方式转变成通过初始化各个采集卡的工作状态，然后由各采集卡（即系统硬件）的RTSI来控制采集的同步。这种工作方式的转变，不但降低了系统负荷，而且使系统测量的同步性和实时性得到了显著提高。这也是我们选用NI 公司数据采集卡来实现系统数据采集的一个重要原因。

（3）复杂编码格式数字信号高速传输与采集模式设计：

由于测井仪器种类繁多，一个设计合理的测井系统，必须考虑能与不同编码格式的井下仪器配接使用。由于PCI-6534通常情况下具有40MS/s的采样率，我们在系统设计中，充分开发PCI-6534的Pattern I/O功能，实现了复杂高速传输的数字的采集和解码，同时根据井下仪器的特点，可以把调理模块触发PCI-6534的信号加载到RTSI 总线上，以同步系统深度和其它数据的采集，也可以通过RTSI总线把定距或定时触发信号加载到PCI-6534上，以控制数字信号的采集模式。PCI-6534与系统前端数字信号调理模块配合使用，使系统具备了配接各种传输速率高、编码协议复杂的测井井下仪器的能力。

（4）直流信号高精度采集方案设计：

有些测井仪器上传的信号中，既有直流量也有脉冲量还有数字量，而且其直流量的采样频率一般要求达到1MS/ s。采集系统除了要完成井下仪器直流信号的高速采集外还要以定时或定距的模式和较低的采样率采集其它直流信号和脉冲信号。我们在设计中，通过对NI 6070E、PCI-6024E、PCI-6602、PCI-6534这四块卡综合编程控制，采用多通道多次复合同步触发技术，同时充分开发PCI-6534的数字信号模式触

发控制技术，实现了定时或定距触发条件下以高采样率采集井下仪器的直流信号，同时以低采样率采集井下仪器的脉冲信号、井口的直流信号和数字信号的工作模式。这是整个测井数据采集系统设计的难点。

（5）系统状态及井下仪器控制方案设计：

在系统调理模块和井下仪器状态控制设计中，我们选用PCI-6601, 利用它的Digital I/O功能，建立起了一套控制能力强大的32位命令输出体系。选用PCI-6601,主要是为了降低系统的总成本，根据需要也可以选择专门的数字I/O卡，或其它多功能卡。

系统软件设计

测井数据采集控制系统软件主要由现场测控及数据采集软件和测后数据分析处理软件构成，在软件开发上，我们选择使用VC++ 与NI 公司Measurement Studio 软件包相结合的开发方式，用VC++开发与操作系统底层相关的程序和曲线打印输出程序，使用Measurement Studio和CVI提供的类库开发与数据实时采集和曲线显示相关的程序。这种开发方案不但可以对操作系统进行灵活的控制而且充分利用了NI 公司提供的开发工具，从而极大的缩短了系统软件的开发时间。我们仅用了三个月的时间就完成了系统软件的设计，开发和测试工作。图2为系统软件中的脉冲中子氧活化测井及解释软件序界面。图3为系统软件总体框图。

我们使用NI公司的数据采集卡和软件开发工具实现了测井数据采集控制系统的基于标准工业数据采集产品的设计与开发。大幅度地降低了系统的开发和维护成本，缩短了系统的开发周期，提高了系统的稳定性和可靠性。此外，我们可以根据用户的需要对系统数据采集卡进行多种组合或把系统更新为PXI总线系统，实现功能各有侧重的测井数据采集控制系统。目前这套系统已生产20余套，成功应用于大庆油田和全国其它油田，取得了可观的经济效益，具有相当广阔的应用前景。

背景介绍 目前，数字油田建设己成为众多石油企业，特别是上游油田企业信息化建设的核心内容，数字油田本身也成为各油田企业信息化建设的战略目标。对于下游企业，与数字油田对应的“数字石化”也得到了广泛的关注，并已经成为各石化企业信息化建设的热点。数字油田和数字石化作为数字石油最重要的两方面内容，引领着新时期石油行业的信息化。 　　为了降低企业成本、完善企业管理、提高企业在行业的竞争力，达到强化安全、过程监控、节约人力资源和提高效益的目标，油田井场无人值守监控系统作为油田数字化建设的重要内容被提上了各油田建设的日程。

系统解决方案

油田井场无人值守监控系统建设以确保井场各生产设施正常生产运行为重点，主要实现油水井生产数据采集、抽油机电机单相电参数监测、抽油井远程启停、井场集油管线自动投球、注水井远程调配、水源井远程启停、井场视频实时监控、闯入智能分析、井场远程语音警示等功能，达到井场生产数据实时采集、电子巡井、危害识别、风险预警、油井工况智能诊断的目的。

拓扑图：

　　油井远程监控系统主要由：D500、D520采集节点、电机测控单元等三部分构成。无法提供电源处需采用太阳能供电、无线方式传输数据、载荷、位移一体化结构形式和马蹄形载荷传感器，使得产品现场安装十分简单。

油田油区井场无人值守监控系统由14个丛式井井场、4个端点式井场、3个井场拉油点、1个加热点组成。系统设计为主从式：即每个井口安装数据采集控制单元一套D520，接入载荷传感器和位移传感器信号，井口数据采集控制单元通过无线传输方式将数据传到井场主D500，D500通过3/4G网络与中心基站通讯服务器设备。

结语油田井场无人值守监控系统项目的实施，使得客户成本降低，解决了油田井场的无人值守和数据采集监控自动化需求，使油田数字化管理水平又上了一个新的台阶。系统运行稳定、可靠、信息准确，井场生产数据实时采集、电子巡井、危害识别、风险预警、油井工况智能诊断，提高了井场的防事故、防误操作、防盗、防火能力，使值班人员和相关领导能及时准确地了解各井场的现场情况，对现场仪表进行全面的监视和控制，对重点区域进行全方位的预警，为工作人员提供了一种很好的辅助工具，从而大大降低了油田井场的日常巡视、检修等费用，产生了良好的社会效益和经济效益。

工业物联网无线数据采集系统，是一套具备终端数据采集，无线数据传输和数据应用分析等多功能的智能化数据采集和监控系统，它在市政供排水管网、供汽管网、热力管网、石油天然气管网、地下管沟监控；游泳池水箱水塔液位、大坝、河道水位、泵房浸水监控；蔬菜蘑菇、针金菇、水果、花卉、育苗等农业大棚智能环境监控；畜牧、家禽、水产等农业养殖智能环境监控；化工危化品石油天然气储罐区、电池、面粉仓库智能环境监控；电信机房、实验室、医院药房、生产车间、冷柜冰箱、图书馆、博物馆、档案室、粮库、烟草、酒糟酒曲酒窖等仓储馆藏智能环境监控；社区楼宇、港口工业园区、公园景区、校园广场、超市商场等大气环境质量智能监控；发动机、变频器等生产机器设备运行状态、仪器仪表能耗及生产缺料的智能监控等多个领域有着广泛的应用。

近年来，工业物联网无线数据采集系统的发展趋势是简化终端结构，在数据采集终端与主机之间采用无线通信，以代替复杂、不灵活的现场布线。该阶段数据采集系统采用更先进的模块式结构，根据不同的应用要求，通过简单的增加和更改模块，并结合系统编程，就可以扩展或修改系统，满足不同领域的需要。

针对工厂生产车间机器设备运行状态、运行工艺参数、运行能耗数据，以及管网运行状态数据、变配电系统运行数据、车间仓储库房环境参数等数据的采集、监控，深圳信立科技结合XL.SN无线传感器网络2.4GHz或433MHz模块技术、MES制造执行系统技术及无线传感器、无线测控装置RTU等，自主研发设计了一套工业版工厂生产车间无线数据采集系统解决方案，实现实时获取完整、准确的工厂生产制造过程中的各种数据，为企业提高生产制造管理提供基础数据，全面优化生产制造的管理手段、提高生产制造管理效率，向工业4.0靠近！

一、系统功能

1、采集设备运行状态：停止、待机、运行、故障、检修等等，以及发生的时间点；

2、采集设备运行工艺参数：压力、温度、流量、转速、计数、风速、位移等；

3、采集设备运行能耗：电流、功率、电能；汽、气消耗量；

4、采集企业供水、供汽、空压、制冷等设备及相应管网的运行状态数据；

5、采集企业变配电系统运行数据；

6、监控车间环境参数，以及仓储库房环境参数。

二、系统通讯方案

1、XL.SN智能传感网络采集结构

XL90物联网智能网关，可同时构建433MHz和2.4GHz两种不同结构的传感网络，用于接收终端采集的数据，并上传至服务器。其中433MHz用于跨车间、厂区内的数据传输，2.4GHz用于车间内的数据传输。

2、XL.SN通讯网络方案

a、XL90物联网智能网关通过2.4GHz或433MHz等方式读取节点设备数据后，进行协议转换、数据处理，通过局域网，上传数据至MES服务器；

b、XL90物联网智能网关通过以太网，从第三方监控系统，如电力监控系统、EMS、DCS、智能楼宇系统等等，读取数据；

c、MES服务器，或XL90物联网智能网关，通过以太网，将数据转发给第三方系统，如EMS、ERP等。如图2。

3、物联网智能网关数据接入MES系统通讯方案

XL90物联网智能网关通过企业局域网，和MES服务器通讯。 XL90智能网关和MES的通信协议，可选以下3种： 建议首选：XL/9E-RDF Redis数据交换协议； 建议次选：XL/9E-DF 数据库格式协议； 建议再次选：XL/9E-UDP 通信协议； 工业以太网通用协议：MODBUS TCP。（不太建议选择）

三、系统解决方案

1、设备信号采集

配置XL60智能测装置，采集机器设备的运行信号，通过2.4GHz或433MHz方式上传，实现生产制造设备的信号采集。

2、设备控制器的数据采集

选配XL66智能转换器，读取机器设备控制装置及现场监控仪表采集的信号，通过2.4GHz或433MHz等方式接入传感网络。

3、管道压力、温度，车间环境、仓储环境的气体浓度、温湿度采集

选配XL61系列智能传感器，采集管道压力、温度，车间环境、仓储环境的气体浓度、温湿度，通过无线上传，并在需要的通道，出、入口设置声光报警器，或启动紧急设备。

4、其他信号采集

选配XL60智能测控装置，及XL68智能环境监测装置，采集火灾探测器、噪音传感器，光照传感器，液位变送器，压力变送器等等设备，以及系统原配的仪表数据。

四、系统优势

1、工厂生产车间无线数据采集系统建设过程中，无需布线，或减少布线数量，减少系统建设成本。

2、系统所需的设备安装调试方便，设备支持手机调试，提高运营维护的效率。

3、系统底层终端各种数据采集后统一接入企业MES系统，便于监控管理，提高企业生产管理效率。

五、系统配套

整个无线数据采集系统方案，根据应用需要配套的软硬件设备，包括XL90物联网无线智能网关、XL60智能测控装置RTU、XL68智能环境测控装置RTU、XL66智能转换器，以及XL61无线压力传感器、XL61无线温度传感器、XL61无线气体传感器、XL51无线温湿度传感器等无线传感器，还有MES制造执行系统软件。

六、适用范围

深圳信立科技设计的工业版工厂生产车间无线数据采集系统解决方案，适用于在我国珠三角、长三角、京津冀等沿海发达地区，以及重庆、成都、湖北、河南、安徽等内陆省份的电子加工制造、汽车制造、钢铁冶炼、机械装备、食品生产、医药生产等各行业制造业工厂。