基于短距离RF通讯技术的无线数据采集系统设计.docx
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基于短距离RF通讯技术的无线数据采集系统设计
基于短距离RF通讯技术的无线数据采集系统设计
(下位机部分)
摘要
目前在工业数据采集应用领域,都采用无线方式进行远距离数据传输,和传统的有线方式相比,无限传输网络具有很大的优越性,无限传输不受其应用现场环境和应用对象的限制。
基于此,本系统设计了一套基于通用单片机和多信道单片收发芯片的无线温度数据采集模块,利用单总线数字传感器DS18B20对温度信息进行采集,采用单片机AT89S51作为主控芯片,无线数据收发模块采用单片射频收发器NRF905,它可以实现自动处理字头、CRC循环冗余码校验和曼彻斯特编码/解码等功能,具有传输距离远、速率快、数据收发性能稳定的优点。
无线数据采集系统与有线方式相比无线方式的传输媒介是电磁波,不需要架设大量的通信电缆,节省了许多成本,另外很大程度上为那些不方便架设电缆的地方提供了通信的可能。
本系统下位机采集被测环境的温度以及当前的时间信息,进行温度时间信息的采集、显示,在微控制器的控制下通过NRF905将采集来的温度以及时间信息发送给上位机,上位机收到信息后通过RS232将数据传递给PC机,PC机完成数据的存储、分析等工作。
本课题主要完成下位机部分,下位机完成的主要工作时信息的采集和收发。
关键词:
无线数据采集系统、NRF905、DS18B20
TheDesignofWirelessDataAcquisitionSystemBasedonShortDistanceRFCommunicationTechnology
(LowerMachinePart)
Abstract
AtpresentintheIndustrialDataAcquisitionSystemapplicationfield,usewirelessremotedatatransmissionway,andthetraditionalcablewaytransmissionnetwork,comparedwithinfinitegreatsuperiority,infinitetransmissionbyitsapplicationfieldenvironmentandapplicationobjectrestrictions.Basedonthis,thissystemdesignedasetofbasedongeneralSCMandmultichannelmonolithictransceiverchipwirelesstemperaturedataacquisitionmodule.Byusinga1-wiredigitaltemperaturesensorDS18B20forinformationcollection,usethemonolithicAT89S51asthemasterchip,wirelessdatatransceivermodulesingle-chiprftransceiverNRF905.Itcanrealizeautomaticprocessing",CRCcyclicredundancyyardscalibrationandManchesterencoding/decoding,andotherfunctions,withtransmittingdistance,speed,datatransceiverstableperformanceadvantages.Wirelessdataacquisitionsystemcomparedwithcablewayofwirelesstransmissionmediumiselectromagneticwave,don'tneedtosetupalotofcommunicationcable,savedmanycosts,anotherbigalsosolvedthoseinconvenientfortheerectionofthelocalcommunicationcablemay.
Thissystemtolowmachinetemperature,timeinformationacquisition,storage,display,andinmicrocontrollerNRF905willbeunderthecontrolofthecollectedbytemperatureandtimeinformationsenttoPC,superiorafterreceivethatinformationthroughRS232passesthedatatothePC,PCcompletedatastorage,analysis,etc.Thistopicisunderamachinepart,completedunderthemainworkaccomplishedplacemachinewheninformationcollectionandtransceiver.
KEYWORDS:
Wirelessdataacquisitionsystem,NRF905,DS18B20
1绪论
随着微电子技术和数字信号处理技术的发展,数据采集系统得到了广泛的应用。
在工业生产和控制中,应用这一系统可以采集工业现场的温度、湿度、电压、电流、压力、流量等诸多工艺参数,在将这些模拟信号转变成数字量并进行相应的计算处理后,所得的结果可以反馈给用户或控制系统,为提高产品质量、降低成本提供信息和手段:
在科学研究上,数据采集系统可以为我们提供大量的动态信息,成为探索科学奥秘的重要手段。
1.1课题研究的目的和意义
人类的生产活动和科学实验都离不开测试和信息采集。
信息采集就是获取信息,是对实际工作中物理、化学、工程技术等方面的参量和数值信息进行提取的过程。
由于信息本身不具备处理、传输的功能,只能通过一定的手段和方法将信息转化为可知的信号,并进行传输。
数据采集就是将外界或现场的被测对象中各种参量(可以是物理量,也可以是化学量、生物量等)通过各种传感元件进行适当的转换后,在经过采样、量化、编码、传输等步骤,最后送到控制器进行数据处理或存储记录的过程。
在数据采集系统中,控制器一般由微处理器、计算机承担,是数据采集系统的核心,它对整个系统进行控制,完成对数据的采集,并对采集数据进行处理。
在数据采集和处理过程中,CPU对采集的控制和数据的传送都是通过总线或接口来实现的。
数据采集系统涉及到传感器技术、模拟信号处理技术、模数转换和数模转换技术、信号处理技术、数据采集系统抗干扰技术、误差分析与处理、人机接口技术、数据存储与打印、数据传输技术、虚拟仪器技术等相关技术。
随着科学技术的发展,尤其是计算机技术的发展与普及,数据采集技术将具有广阔的发展前景。
1.2数据采集系统的一般模型
数据采集是现代检测技术的基础,同时也是自动化测试中重要的组成部分,它为测试系统提供可供分析的数据。
数据采集领域正在发生着重要的变化。
首先,分布式控制应用场合中的智能数据采集系统正在发展。
其次,总线兼容型数据采集插件的数量正在增大,与个人计算机兼客的数据采集系统的数量也在增加。
国外的数据采集系统的研制已经相当成熟,而且种类不断增多,性能越来越好,功能越来越强大,并且以基于通用微型计算机的系统居多。
图1-1数据采集系统一般模型
上图是一个典型的数据采集系统,其中传感器的作用是把待测的非电量(如温度、压力、流量、位移、速度等)转化为电量(电流、电压、频率等)。
传感器常称为一次仪表,它的输出可以是模拟量,也可以是开关量或数字量。
由于计算机、单片机等职能接收规定形式的数字信号。
所以对传感器送来的模拟信号,先要经过信号调理,将信号放大(或衰减)、滤波等,使之满足A/D转换器输入的要求,再经A/D转换器送入计算机或单片机。
当被采集的参数物理量为变化较快的事变信号时,在A/D前应加采样/保持器(S/H)。
为降低成本,在不要求高速采样的场合下,一般采用多路输入共用S/H与A/D的方案,用模拟开关(多路MUX)分时选通各通道,巡回检测各路参数。
如果传感器输出的就是数字量,一般也需经过数字信号调理,将信号整形或调整电平,变为计算机可接受的信号,并经缓冲、锁存再宋代计算机相应的I/O口。
采集的数据经计算机或单片机处理后,其结果经适当分配输出给打印、显示及其他器件,以供人们观察、分析或实现闭环控制。
整个数据的采集过程和数据处理及输出均在微机或单片机控制下进行,所以微机或单片机是数据采集系统的核心部分。
1.3有线通信与无线通信
在数据传输方式上,目前数据采集系统基本上是通过有线方式进行连接,有线方式的数据传输速度快,可靠性高且运行稳定,能满足大多数情况的需要,但是其应用受现场环境和应用对象的限制。
近年来,随着射频技术微电子技术及集成电路技术的进步,无线通信技术取得了飞速的发展,无线通信的实现越来越容易,传输速度越来越快,可靠性越来越高,并且逐渐达到可以和有线网络相媲美的水平。
与有线方式相比无线方式的传输媒介是电磁波,不需要架设大量的通信电缆,节省了许多成本,另外也为解决了那些不方便架设电缆的地方通信的可能。
无线传输方式具有如下几个显著的特点:
(1)传输介质采用的是电磁波,特别适用于那些不方便架设电缆的现场;
(2)在应用单片机编解码接口技术的无线通信系统中,采用多字节地址编码,收发器的数量不受限制;
(3)具有电路简单,成本低,体积小的优点。
本课题将传感器技术与新兴的无线通讯技术相结合,力图通过数据传输的无线化来解决由电缆作为采集系统数据传输手段带来的诸多问题。
短距离无线通信技术在我们的日常生活中的应用已经非常普遍,目前应用广泛的无线通信技术主要有IEEE802.11WLAN,蓝牙技术(Bluetooth).红外通信技(lrDA),Home-RF以及微功率短距离无线通信技术等。
1.4常用短距离无线通信
1.4.1红外通信技术
红外通信技术(lrDA,InfraredDataAssociation1是由红外数据协会提出并推行的一种无线通信协议,是目前使用较广泛的短距离无线通信技术。
红外技术采用点到点的连接方式,发射、接收均具有方向性,其具有体积小、功耗低、连接方便、简单易用、数据传输干扰少、速度快、保密性强、成本低等特点。
但红外技术只是一种视距传输技术,有效距离近,发射角度较小,一般不超过20度。
两台相互通信的设备之间必须对准,传输数据时两台设备之间不能有阻挡物,而且只能限于两台。
1.4.2蓝牙技术
蓝牙技术作为一种近距离无线连接的全球性开放规范,已经得到了全球众多大企业的支持。
蓝牙技术作为一种新兴的技术,主要具有以下特点:
规范的开放性、产品的互操作性及兼容性、公用通信频段以及提供大容量的语音和数据网络,但蓝牙设备也存在不足之处,其价格较贵,通讯距离近。
1.4.3IEEE802.11b
IEEE802.llb技术标准是无线局域网的国际标准,使用2.4GHz的ISM频段。
IEEE802.llb无线网络的最大优点是兼容性,只要在原有网络上装上AP(AccessPoint),就可以提供无线网络服务,而终端设备只要装上无线网卡,就可以访问所有网络资源。
1.4.4微功率短距离无线通信技术
新一代短距离无线数据通信系统具有体积小、功耗低、稳定性好、抗干扰能力强等优点,而且开发简单快速,可以方便地嵌入到各种设备中,实现设备间的无线连接,因此比较适合搭建小型网络,从而在工业、民用领域得到了较为广泛的应用。
目前,很多公司推出了这种类型的单片无线收发芯片,其中比较典型的是Nordic公司推出的nRF系列芯片。
1.5本章小结
本章主要介绍本课题的研究的目的以及意义,简单的介绍了无线通信的作用以及优越之处,再介绍了当前应用比较广泛的几种短距离无线通信的优劣,同时结合本课题的要求选择出适合本课题的通信方式。
2系统方案设计与主要器件选型
本系统的目的是设计一个体积小、成本低、数据传输稳定可靠的无线数据采集系统。
本章在充分分析系统设计要求的基础上,设计了系统的整体方案,并对各模块分方案进行了论证。
2.1系统设计原则
数据采集就是将被测对象的各种参量通过各种传感元件做适当转换后,再经
信号调理、采样、量化、编码、传输等步骤,最后送到控制器进行数据处理或存
储记录的过程。
其追求的主要目标有两个:
一是精度,二是速度。
对任何量值的测试都要有
一定的精确度要求,否则将失去采集的意义;提高数据采集的速度不仅可以提高工作的效率,同时可以扩大数据采集系统的适用范围,以便于实现动态测试。
具体到本系统,有如下几个设计原则:
(1)数据采集系统的性能指标。
数据采集系统的性能要求与具体应用目的和应
用环境有着密切关系,对应不同的应用情况往往有不同的要求。
主要有如下几个
指标:
系统分辨率、系统精度、采样速率、动态范围以及非线性失真。
其中系统分辨率是指数据采集系统可以分辨的输入信号最小变化量。
系统精度则是指系统工作在额定采样速率下,每个离散子样的转换精度,其中模数转换器的精度是系统精度的极限值。
(2)低功耗。
本系统是针对温度的数据采集,出于节能环保方面的考虑尽量降低功耗。
(3)模块化。
考虑到系统的移植性和设计方便,选择模块化的设计方式,可以方便的实现电路的替换和升级。
2.2系统总体设计
2.2.1系统要求分析
本课题设计的短距离无线数据采集系统应用非常广泛,主要采集的是周围环境的温度等变化比较缓慢的信号。
系统采用的是DS18B20即可满足要求,主控部分常用的AT89C51单片机通过软件模拟SPI通信也可满足系统要求。
上位机部分采用NRF905作为无线收发芯片,在微控制器控制下通过RS232与PC通信。
2.2.2系统总体方案设计
本课题采用DS18B20采集温度信息、PCF8563采集当前的时间信息,再将采集来的温度时间信息传给单片机,单片机在数码管上显示当前的时间已经当前的温度,单片机再通过SPI通信将采集来的时间及温度信息发送给NEF905芯片,NRF905再将时间及温度信息发送给上位机。
上位机采用NRF905为无线收发模块,接收到的数据通过RS232传输给PC机,PC机再对采集来的数据进行存储和分析。
系统总体框图如图2-1
图2-1系统总体框图
本课题研究的是基于短距离RF通讯技术的无线数据采集系统的下位机部分,下位机主要研究的是无线数据的采集、处理、发送。
下位机的硬件部分分为温度采集显示、时间采集显示、主控部分、NRF905无线接收、电源模块、键盘模块等六部分组成。
系统框图如图2-2
各模块的具体设计详见第三章
图2-2下位机硬件框图
2.3主要器件的选型
2.3.1MCU的选择
作为系统的主要控制部件,微处理器的选择对整个系统起着相当重要的作用。
目前主流市场上被广泛应用的有51系列的单片机、面向数字信号处理的数字信号处理器DSP以及32位的ARM芯片。
51单片机作为80年代就开始流行的处理器,其价格低廉,开发技术成熟,也有许多资料可以参考,满足本系统的开发要求。
DSP主要偏重于高端应用领域,其结构功能侧重于有大量数字信号处理的场合,如雷达,多媒体等领域,不适合在数字量不大的小型系统中使用,而且目前价格相对较高,开发技术难度大。
ARM芯片具有体积小、低功耗、低成本和高性能等优点,但是它与DSP器件一样,不适合应用在小型系统的场合。
本系统保证功能的基础上,有低功耗,低成本的要求,考虑到未来的应用范围,系统开发周期等因素,故采用Atmel公司的AT89S51单片机作为无线数据收发器的中央处理单元(MCU),该芯片有三级加密程序存储器,与MCS-51产品指令完全兼用,应用于本系统是性价比较高的单片机。
本系统选用性能相对简单,价格相对低廉的51系列单片机中的AT89S51,AT89S51单片机的特点如下:
◆面向控制的8为CPU;
◆一个片内振荡器和时钟产生电路,振荡频率0-24MHZ;
◆片内4KBFlashROM程序存储器;
◆128B的片内数据存储器;
◆可寻址64KB的片外程序存储器和片外数据存储器控制电路;
◆2个16为定时/计数器;
◆4个平行I/O口,共32个可编程的I/O线;
◆5个中断源,2个中断优先级;
◆一个全双工的异步串行口;
◆21个特殊功能寄存器;
◆具有节电工作方式,即休闲方式和掉电保护方式。
AT89S51单片机由8个部件组成,即中央处理器(CPU),片内数据存储器(RAM),片内程序存储器,输入输出口,可编程串行口,定时/计数器,终端系统及特殊功能寄存器(SFR),各部分通过内部总线相连。
2.3.2射频收发芯片的选择
1.蓝牙技术的通讯频率被定在2.45GHz的ISM频带上,用于无线键盘和无线耳机居多,一般来说,它的连接范围是10厘米到10米,因此在传输距离上不合适本系统应用。
2.HomeRF占据了和Bluetooth相同的频率段,并且在功能上过于局限家庭应用,另外传输距离为150英尺(大约45.72米),也不合适本系统使用。
3.红外通信距离在直线时一般为5-10米,无法满足无线传输距离的要求。
4.随着大规模集成电路技术的发展,世界上主要的芯片厂商都推出了无线收发芯片。
短距离无线通信系统的大部分功能都集成到一块芯片内部,一般使用单片数字信号射频收发芯片,加上微控制器和少量外围器件构成专用或通用无线通信模块。
所有高频元件包括电感、振荡器等已经全部集成在芯片内部,一致性良好,性能稳定且不受外界干扰。
射频芯片一般采用FSK调制方式,工作在ISM频段,通信模块一般包含简单透明的数据传输协议或使用简单的加密协议,发射功率、工作频率等所有工作参数全部通过软件设置完成,只要依据命令字进行操作即可实现基本的数据无线传输功能。
新一代短距离无线数据通信系统具有体积小、功耗低、稳定性好、抗干扰能力强等优点,而且开发简单快速,可以方便地嵌入到各种设备中,实现设备间的无线连接,因此,较适合搭建小型网络,在工业、民用领域得到较为广泛的应用。
考虑系统的经济性、传输距离,确定该部分电路设计使用无线收发芯片。
无线收发芯片的可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强。
无线射频收发芯片无无线系统中的主要核心部件,目前市场上无线收发芯片有很多,在选用时,主要参考以下原则:
(1)收发芯片是否需要有由软件进行曼彻斯特编码。
需要由软件进行曼彻斯特编码的芯片,在编程上会需要较高的技巧和经验,需要更多的内存和程序容量,并且曼彻斯特编码大大降低数据的传输速率。
(2)芯片发射功率
发射功率决定芯片的覆盖范围,在同等条件下为保证有效可靠的通信,应该选用发射功率较高、功率调节范围更大的产品。
(3)芯片抗干扰性能
无线通信易受干扰,为保证数据通信的可靠性,应该选择抗干扰能力强的芯片。
(4)芯片功耗
由于从站节点采用电池供电,对功耗要求苛刻,因而本系统中的无线芯片应选用功耗较小的产品。
(5)收发芯片正常工作所需的外围元器件数目。
芯片外围元件的数目直接决定产品的成本,因此应该选择外围元件少的收发芯片。
(6)收发芯片的封装和管脚数
较少的管脚及较小的封装有利于减少PCB面积,降低成本,适合便携式产品的设计,也有利于开发和生产。
常用的无线射频收发芯片主要有NRF401、NRF905、TRF6900和RF2915,
下表是这几种主要的无线收发芯片主要性能比较
图2-3无线收发芯片性能比较
从表2-3中可以看出,相比其他芯片,挪威公司的产品NRF905无线射频模块,功耗最低,数据传输速率最快,所需的外围器件最少,输出功率最大并采用了抗干扰能力更强的GFSK调制,数据传输更加稳定可靠,因此,本系统选用NRF905作为无线数据传输芯片。
nRF905是挪威Nordic公司推出的单片无线收发一体的芯片,工作电压为1.9~3.6V,可通过编程工作于433/868/915MHz3个ISM频段,使用SPI接口与微处理器通信,配置非常方便。
nRF905由频率合成器、接收解调器、功率放大器、晶体振荡器和调制器组成,不需外加声表面滤波器,其外部连接元件包括一个基准晶振、RF偏压电阻、外部天线等几个部分,是目前集成度较高的无线数传产品,具有性能优异、功耗低、开发简单等优点。
nRF905采用抗干扰能力强的高斯频移键控(GFSK)调制方式,抗干扰能力强,能很好的减少噪声环境对系统性能的影响。
与幅移键控(ASK)和开关键控(On-OffKeying)方式相比,GFSK的通信范围更广,特别是在附近有类似设备工作的场合通信更加可靠,更适合工业现场控制场合。
nRF905内置了完整的通信协议和CRC校验电路,并且由片内硬件自动完成曼彻斯特编码/解码,只需通过SPI接口即可完成所有的无线收发传输,无线通信如同SPI通信一样方便。
nRF905传输数据时采用非实时方式,即发送端发出数据,接收端接收到后先暂存在芯片的存储器中,由微处理器在在需要的时候通过SPI接口读取。
NRF905有四种工作模式,其中两种工作模式,两种省电模式,工作模式有典型ShockBurstTX模式、典型ShockBurstRX模式,省电模式有掉电模式、STANDBY模式。
典型的ShoekBurstTM发送流程:
当微控制器有数据要发送时,接收节点的地址和有效负载数据通过SPI接口被输入到nRF-905。
由系统定的协议或MCU控制接口的速度。
MCU设置TRX-CE和TX-EN为高电平,这就启动了nRF905的ShockBurstTM发射模式。
典型的ShoekBurstTM接收流程:
当TRX-CE为高、TX-EN为低时,nRF905进入ShockBurstTM接收模式;650us后,nRF905不断监测,等待接收数据;当nRF905检测到同一频段的载波时,载波检测引脚被置高:
当接收到一个相匹配的地址,地址匹配引脚被置高:
当一个正确的数据包接收完毕,nRF905自动移去字头、地址和CRC校验位,然后把数据准备好引脚置高;微控制器把TRX-CE置低,nRF905进入空闲模式;微控制器通过SPI口,以一定的速率把数据移到微控制器内;当所有的数据接收完毕,nRF905把数据准备好引脚和地址匹配引脚置低;工作模式的选择由TXEN、TRX-CE、PWR-UP三个引脚决定,具体如下表2-1
表2-1工作模式选择表
PWR-UP
TRX-CE
TXEN
操作模式
0
X
X
断电和SPI编程
1
0
X
待机和SPI编程
1
1
0
射频接收模式
1
1
1
射频发射模式
2.3.3温度传感器的选择
无线数据采集系统由测量站和主控站两部分组成,基本结构包括传感器模块、处理器模块和无线数据收发模块等三个模块。
测量站主要完成对现场信号的采集、存储,发送数据。
主控站的主要工作是接收数据信息,进行数据处理和数据管理等。
一般的数字采集系统,是通过传感器将捕捉的现场信号转换为电信号,经A/D转换器、ADC采样、量化、编码后成为数字信号,存入数据存储器,或送给微处理器,或通过无线方式将数据发送给接收端进行处理。
在本设计中,选用了数字温度传感DS18B20,可以直接将温度信号转换成数字信号,不需要经过A/D
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- 基于 短距离 RF 通讯 技术 无线数据 采集 系统 设计