無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計?

李 靜,黃 崢

(中北大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院,山西 太原 030051)

0 引 言

在實際測試過程中,往往要對多個傳感器或多源的觀測信息進行分析、綜合處理,也要求將來自多個傳感器的信息和人機界面的觀測事實進行信息融合[1],數(shù)據(jù)量隨之增大,處理速度要求也越來越高.考慮到空間、安全等因素限制,往往用嵌入式系統(tǒng)替代傳統(tǒng)的計算機完成數(shù)據(jù)的采集、存儲、傳輸.針對車輛性能參數(shù)測試系統(tǒng)傳感器參數(shù)多、信息量大、人身安全保障等問題[1],本文以 ARM微處理器為核心搭建數(shù)據(jù)采集器平臺,采集數(shù)據(jù)通過無線傳輸?shù)姆绞絺鬏斨翑?shù)據(jù)采集器平臺,使系統(tǒng)具有高度的智能化.中央硬件平臺可以存儲采集數(shù)據(jù),也可通過網(wǎng)絡(luò)電臺傳輸數(shù)據(jù).

1 設(shè)計思想

數(shù)據(jù)采集電路主要由傳感器信號、放大器、濾波器、A/D轉(zhuǎn)換、單片機等組成.多路采集數(shù)據(jù)如何傳輸存儲是本文介紹的重點,提出無線傳輸方案,數(shù)據(jù)采集器平臺采用 TinyARMT23模塊 T2387I.采用 LPC2387微控制器,LPC2387微控制器是基于一個支持實時仿真的 16位 /32位 ARM7TDMI-S CPU,運行頻率為 72 MHz,其功能強大且成本效率高,支持 10/100Ethernet,全速(12 Mbps)USB 2.0,CAN 2.0B和 SD/MMC存儲卡等接口[2].

目前,主流的幾種近距離無線通信技術(shù)有[3]：藍牙技術(shù)(Bluetooth Technology),ZigBee(IEEE 802.15.4),IrDA(Infrared)紅外技術(shù) ,Wi-Fi(IEEE 802.11)：Wireless Fidelity,UWB(Ultra-Wideband),nRF2401L單片射頻收發(fā)芯片.

各種無線技術(shù)都有各自的優(yōu)點和不足,不同的技術(shù)適合于不同的用戶.在近距離內(nèi)(10 m),以無線方式代替線纜的應(yīng)用場合,藍牙與 IrDA有很大的優(yōu)勢.IrDA技術(shù)成熟,數(shù)據(jù)傳輸速率比藍牙高,但 Ir-DA屬視距離技術(shù),也就是說 IrDA接口的設(shè)備之間傳輸數(shù)據(jù),中間不能有阻礙物,并且總體實現(xiàn)成本并不比藍牙低;藍牙最初提出和今后的發(fā)展方向都是以低成本為目的,比較適合應(yīng)用低成本無線傳輸場合.從目前來看,在一段時間內(nèi),這些技術(shù)將處于并存階段.各種標(biāo)準(zhǔn)都是根據(jù)不同的使用場合、不同的用戶需求而制定的.有的是為了增加帶寬和傳輸距離,有的則是考慮移動性和經(jīng)濟性,局部最優(yōu)不等于全局最優(yōu).因此,用戶應(yīng)視實際需求選擇適合自己的標(biāo)準(zhǔn).

2 測試方案設(shè)計

圖1 PTR6000M外形圖Fig.1 External form of PT R6000M configuration

Tiny ARM模塊 T2387I,具有 I2C接口、SSP接口、SD/MMC總線接口、以太網(wǎng)接口電路等.數(shù)據(jù)采集電路與數(shù)據(jù)采集器平臺可以選擇其中任何一種接口實現(xiàn)其數(shù)據(jù)傳輸.同時就要求數(shù)據(jù)采集電路具有相應(yīng)接口.下面就上文中提出的無線傳輸方案作具體分析.

無線傳輸方案藍牙技術(shù)(Bluetooth Technology),ZigBee(IEEE 802.15.4),IrDA(Infrared)紅外技術(shù),Wi-Fi(IEEE 802.11)：Wireless Fidelity,UWB(Ultra-Wideband),nRF2401L單片射頻收發(fā)芯片中,IrDA(Infrared)紅外傳輸波長短,對障礙物的衍射能差;Wi-Fi覆蓋范圍很廣,可達 100 m,但其電波易受干擾速度較快;目前,UVB技術(shù)只有在美國官方承認;ZigBee技術(shù)和藍牙接近,但大多時候處于睡眠模式,適合于不需實時傳輸或連續(xù)更新的場合[3];nRF2401L單片射頻收發(fā)芯片,2.4 GHz頻段,125個頻道,采用GFSK調(diào)制時的數(shù)據(jù)速率為高速率2 Mbps,高于藍牙,具有高數(shù)據(jù)吞吐量,程序開發(fā)簡單.考慮到車輛實際環(huán)境油污等影響,且要求實時采集數(shù)據(jù),選擇基于nRF2401L的收發(fā)模塊PTR6000M[4,5]作為數(shù)據(jù)傳輸方案,PTR6000M外型尺寸如圖1所示.

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

PTR6000M測試系統(tǒng)原理框圖如圖 2所示.數(shù)據(jù)采集器平臺硬件由 TinyARM模塊 T2387I,網(wǎng)絡(luò)接口單元,SD/MMC總線接口單元,PT R6000M傳輸模塊接口單元組成[6];數(shù)據(jù)采集電路 1～n通過PTR6000M實現(xiàn),和數(shù)據(jù)采集器平臺無線數(shù)據(jù)交換.

2.2 數(shù)據(jù)采集器平臺硬件設(shè)計

2.2.1 數(shù)據(jù)采集器以太網(wǎng)接口電路設(shè)計

T2387I提供了以太網(wǎng) PHY接口芯片,因此只需外接狀態(tài)指示燈、網(wǎng)絡(luò)變壓器、匹配電阻、高壓電容和 RJ45插座即可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信[7-8].網(wǎng)絡(luò)變壓器選用 HR601680.接口電路如圖 3所示.

圖3 以太網(wǎng)接口電路Fig.3 Interface circuit of ethernet

2.2.2 SD/MMC總線接口電路

T2387I其內(nèi)部集成了 SD/MMC卡控制器,因此設(shè)計 SD/MMC卡接口電路時,只需將這些接口相應(yīng)地接到 SD/MMC卡座.接口電路如圖 4所示.

圖4 SD/MM C總線接口電路Fig.4 Interface circuit of SD/MMC

2.2.3 PTR6000M接口電路

PTR6000M模塊的 CE,CLK,DAT A,CS,DR引腳與 T2387I的 IO口相連,實現(xiàn) T2387I對無線傳輸模塊的控制.接口電路如圖 5所示.

2.3 數(shù)據(jù)采集器平臺軟件設(shè)計

在 Tiny ARM T2387I工控模塊中已經(jīng)固化了文件系統(tǒng)、TCP/IP協(xié)議棧、USB協(xié)議棧、Tiny ARM T23基礎(chǔ)驅(qū)動庫以及μC/OS-II操作系統(tǒng)等.基于μ C/OS-II的軟件部分是系統(tǒng)的主要部分,用來完成接收地面站發(fā)出的采集開始、暫停、結(jié)束等命令,并轉(zhuǎn)發(fā)給采集電路、調(diào)整信號放大倍數(shù)、管理數(shù)據(jù)的存儲、傳輸?shù)热蝿?wù).系統(tǒng)主任務(wù)軟件流程如圖 6所示.

圖5 PT R6000M接口電路Fig.5 Interface circuit of PT R6000M

3 試驗與調(diào)試

數(shù)據(jù)采集器平臺硬件的 TinyARM模塊 T2387I處理器發(fā)出采集開始、結(jié)束等指令控制數(shù)據(jù)采集電路,采集數(shù)據(jù)通過 PTR6000M傳輸,存儲在 SD卡.另外,根據(jù)實際情況也可以在車外設(shè)置移動控制臺(pc機加網(wǎng)絡(luò)電臺),通過移動控制臺控制數(shù)據(jù)采集器平臺將數(shù)據(jù)傳出車外,工作人員無需在車內(nèi)操控儀器.模擬試驗測試表明：數(shù)據(jù)采集電路能夠正確接收相應(yīng)的控制指令,網(wǎng)絡(luò)電臺與數(shù)據(jù)采集器平臺通信正常.實際應(yīng)用中數(shù)據(jù)采集電路 12路,采樣率 1 ksps,每個工況采樣時間 30 s,5 min內(nèi)完成 7個工況的數(shù)據(jù)采集,數(shù)據(jù)總量不足 50 MB,SD卡容量為 2 GB,足夠存儲多次反復(fù)工況測試,實現(xiàn)了車內(nèi)測試裝置無人值守,保障了人身安全.采集到的數(shù)據(jù)曲線圖如圖 7所示.

圖7是某工況下 12路采集數(shù)據(jù)曲線圖.分別對12路數(shù)據(jù)進行時頻分析,其頻率信號及出現(xiàn)的時間與實際工況相符,能夠正確反映車輛工作狀態(tài),測試數(shù)據(jù)正確可用.

圖7 某工況下采集數(shù)據(jù)曲線Fig.7 Practical data curve

4 結(jié) 論

數(shù)據(jù)采集技術(shù)是信息科學(xué)的重要組成部分,已廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟和國防建設(shè)的各個領(lǐng)域,并且隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,數(shù)據(jù)采集技術(shù)將有廣闊的發(fā)展前景.本文所設(shè)計系統(tǒng)自帶 6通道 10位 ADC,采集頻率可達 400 ksps,也可以使用外部自選 ADC芯片,具有較高的數(shù)據(jù)傳輸效率,可實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)處理、連續(xù)快速采集和記錄等高級數(shù)采功能.由于其具有小型化易攜帶的特點,此數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可方便地用適用于車輛野外和室內(nèi)試驗.

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