[科普中国]-分布式数据采集系统

背景

在工程安全监测领域，集中式数据采集系统在应用过程中遇到了不少难以克服的技术难题，单从产品的制造质量方面入手是不能完全解决这些问题的。随着集成电路技术的发展，集成电路芯片的功能越来越强大，体积越来越小，而价格却越来越低，所以在研制新的数据采集自动化系统时，工程技术人员不在担心成本因素、体积因素，而是将设计重点放在系统的稳定性上，着重研究数据采集系统如何应对监测工程中传感器大数量、分布范围特点。1

20世纪80年代，西方国家开始研究多CPU的数据采集自动化系统，即在原来集中式数据采集系统的每个“集线箱”中部署了一个或多个CPU，在监测数据采集的现场，就地将传感器的信号转换成为数字信号，并且具有相互独立的控制和数据管理能力，这时的“集线箱”变成了测量控制单元（MCU），而MCU通过通信网络将采集到的数据传送给上位计算机存储、分析计算和处理，这种数据采集系统就被称为分布式数据采集系统。当时计算机网络通信技术的快速发展，为分布式数据采集系统的成功提供了有力的技术保障。1

定义数据采集系统由硬件和软件组成。其硬件，包括三种结构形式：微型计算机数据采集系统、集散型数据采集系统以及分布式数据采集系统。1

分布式数据采集系统（Distributed data acquisition system）是相对于集中式数据采集系统而言的。它一般是由地面采集站、遥测数传电缆以及中央控制站三部分组成，其中地面采集站按测线的方向布置，负责采集一个或几个测点的地球物理数据，而中央控制站的主要任务是完成数据的记录和质量监控。目前这种系统已在地震勘探和高密度电法中被采用。

分布式数据采集系统以总线技术、现场总线技术、Ethernet网络技术及Internet等为技术支撑。2

规模分布式系统的规模有很大的差异，在工业测控系统中，可能涉及一个车间，一条生产线，一个工厂，一个大的化工企业等。距离由几百米到十几公里。而地震前兆数据采集系统在一个台站，可能达几百米，到子台可能有几公里，一个省的前兆台网，则涉及到分布在省内各地的地震台站，近的几十公里，远的几百公里。3

技术方案分布式数据采集系统的规模不同，技术方案上也有很大的差异，在几百米范围内多台数据采集器构成的分布式系统，通常使用双绞线相连的位总线系统，这种系统也可以连接十几公里甚至30公里的距离。如果数据采集器点数不多，使用RS-232C将各数采与主控计算机连接起来，也未尝不可，如果距离超过几公里，分布地域很广将很难采用直接连接的方法。这时需要通信系统支持，例如拨号电话，超短波电台等的支持，数据采集器通过调制解调器与通信系统相连，上位计算机（或主控计算机）通过调制解调器与通信系统相连便可以组成一个区域很广的分布式数据采集系统。3

主要特点适应能力强无论是大规模的系统还是中小规模的系统，分布式数据采集系统都能够适应，因为可以通过选用适当数量的采集站来构建相应规模的系统。4

可靠性高由于采用了多个以单机片为核心的数据采集站，若某个数据采集站出现故障，只会影响该单元数据，而不会对系统其他部分造成任何影响，也便于故障查找和替换。4

实时响应性好由于系统中各个数据采集站之间是真正独立“并行”工作的，所以系统的实时响应较强。这对于大型、高速、动态数据采集系统来说，是一个突出的优点。4

对系统硬件要求不高由于分布式数据采集系统采用了多机并行工作模式，每一个单片机仅完成数量有限的数据采集和处理任务，因此，它对硬件的要求不高，可以用低档的硬件构建高性能的系统，这是微机型数据采集系统无法比拟的优点。4

基美星2380分布式数据采集系统基美星2380大坝安全监测自动化系统是在2300系统的基础上改进而成的。它是我国大坝安全监测领域最早引进的分布式系统，它在中国的成功应用推动了国内安全监测自动化技术的快速发展。

2380系统由测量控制单元（MCU）和GEONET for Windows PC软件两部分组成，采用积木式结构，无论是一个独立运行的野外数据记录仪，还是一个拥有几百个节点组成的实时网络，都可以方便的集成。1

基美星2380的特点1.基美星2380系统的突出特点表现在系统的可重构性上，用户可根据应用要求重构系统网络或根据传感器的类别重构测量前向通道，配置适当的传感器激励电源。1

2.现场网络节点（MCUs）之间可通过无线电、电缆、微波和公共通信网络（包括卫星）进行连接。2380 MCUs 至少可以同时支持3种信道转换节点连接，如通过网关节点和中继器，将一个有线网段与一个无线网段连接起来。另外，在野外应用中，将无线网络中的任何一个节点（测控单元）与电话线或卫星终端连接起来，就可以将该无线网络中的所有MCUs连到一个距工程很远的GEONET工作站上，实现从远程局域网到广域网的跨接。1

3.2380MCU适合于所有工业标准模拟传感器。另外，MCUs提供了水工、水文，环境和土工监测的专用传感器接口，以及用于水位测量的旋转位置编码器、多参数水质测量的数字接口等。

4.2380MCU提供了多种激励源和工作方式的测量，可用于电压、电阻、电流和频率的动态测量。

5.2380MCU采用工业和军事专用的CMOS集成电路，保证了在户外恶劣条件下的可靠运行。2380MCU的集成度高，减少了部件数量和相互连线，同时提高了可靠性。高度集成也保证了外壳更加紧凑，更具防破坏功能，更适应户外条件下运行。

6.2380MCU设计直观的设备状态指示灯，从面板上可以见到MCU的所有基本运行状态：电源、充电、通信接口，和所有的输入/输出点。使用LED指示灯简单、直观而没有语言障碍。易于安装、操作和维护，不需配置专业人员。1

系统硬件的基本配置（1）一台基本2380测控单元；

（2）一台个人计算机；

（3）一个连接计算机与测控单元的总线网络。1

系统软件的基本配置在中国大陆使用的2380系统，软件一般包含两个部分：

（1）Geomation公司提供测量控制组件包GEONET SUITE；

（2）工程承包商提供的控制界面和资料分析软件。1

系统的技术指标1.主控单元

（1）微处理器：Intel 80L186EC；Flash EPROM：256K×16bits;RAM:256K×16bits;PCMCIA卡、电子盘为任选件。

（2）时钟/日历：非易失，精度：±3s/mon（20℃），温度系数：50PPM/℃。

（3）监视时间间隔：最小1.2s；故障安全定时间隔：24h。

（4）通信端口：RS-232/RS-485，软件可设置。

（5）瞬态保护：600W抑制二极管，工作电压为±15V。

（6）通信协议：GEONETTM通信规约（GCP）。

（7）物理连接支持：点对多点、有线、无线电、微波、光纤等，点对点、RS-232、自动拨号/自动应答PSTN（包含蜂窝电话）。1

2.振弦传感器

（1）单线圈激励源：方波扫频从300Hz到1、2、3、4~5kHz，持续时间：0，50,100,200,300,400或400ms。

（2）频率输入接口：400~500Hz带通放大器；灵敏度：450~5500Hz85dB，>80dB，>75Db（DC，50Hz，60Hz，1kΩ不平衡源）。

（3）电流激励源：100μA；精度±2%；屈服极限：13.5V。

（4）噪声和波纹：（20MHz）7μAp-p。1

4.环境技术参数

（1）工作温度：-40~70℃；储存温度：-60~125℃。

（2）相对湿度：8%~95%，非凝聚。

（3）海拔高度：到4600m；储存海拔高度到15200m。
（4）承受电涌：IEEE 472 （ANSI C37.90a）。

（5）静电放电：15kV。1