基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集與無線收發(fā)系統(tǒng)的研究

樊俊霞，李新娥

(1.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原 030051;2.中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原 030051)

0 引言

數(shù)據(jù)采集技術(shù)是信息科學(xué)的重要分支，它不僅應(yīng)用在智能儀器方面，而且還在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中、軍事科學(xué)方面得到了廣泛應(yīng)用，無論是過程控制、狀態(tài)監(jiān)測，還是故障診斷、質(zhì)量檢測，都離不開數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。因?yàn)閱纹瑱C(jī)功能強(qiáng)大、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、靈活性好、開發(fā)容易等優(yōu)點(diǎn)，使得基于單片機(jī)為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用［1］。

基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通常采用的是兩種方法來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集:一種是將數(shù)據(jù)采集部分做成板卡插入微機(jī)擴(kuò)展槽來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，即A/D轉(zhuǎn)換器件直接與微機(jī)總線接口連接［2］。這種基于微機(jī)的系統(tǒng)集成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的方式，可以縮短研制周期，從而加快工作進(jìn)度，但是硬件的配置缺少靈活性，不便于攜帶和隨時隨地進(jìn)行使用。另外一種方法是將數(shù)據(jù)采集部分做成獨(dú)立的系統(tǒng)，有自己的微處理器，微機(jī)通過串口與數(shù)據(jù)采集裝置通訊，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。

無線傳輸在數(shù)據(jù)采集后的處理中表現(xiàn)出了很大的靈活性，省去了錯綜復(fù)雜的線路，可輕易地實(shí)現(xiàn)多人實(shí)時共享，因此我們必須把測試后的連續(xù)數(shù)據(jù)發(fā)射出去以便讓更多的人利用。測試數(shù)據(jù)的發(fā)射就是要設(shè)計一個能針對由各種傳感器采集來的信息進(jìn)行無線發(fā)射的電路系統(tǒng)，這樣可以更好地利用數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進(jìn)行全面的共享等［3］。

無線收發(fā)系統(tǒng)采用無線電技術(shù)。利用導(dǎo)體中電流強(qiáng)弱的改變會產(chǎn)生無線電波這一現(xiàn)象，通過調(diào)制可將信息加載于無線電波之上。當(dāng)電波通過空間傳播到達(dá)收信端，電波引起的電磁場變化又會在導(dǎo)體中產(chǎn)生電流。通過解調(diào)將信息從電流變化中提取出來，就達(dá)到了信息傳遞的目的。

1 方案設(shè)計

1.1 系統(tǒng)工作原理

本系統(tǒng)選用STC89C52RC芯片與ADC0809搭建采集系統(tǒng)，具有體積小，便于攜帶，功耗低等特點(diǎn)，而且價格低，配置靈活，開發(fā)成本較低。

如圖1所示，整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以單片機(jī)為控制核心器件，由ADC0809數(shù)模轉(zhuǎn)換器對輸入的被測物理量進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后送單片機(jī)處理，然后再將處理過后的數(shù)據(jù)通過nRF905進(jìn)行無線傳輸，這一過程均通過C語言編程控制。實(shí)際上，這一系統(tǒng)就是以模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC為核心的信息采樣系統(tǒng)［4］。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)必須具有一個通信接口與微機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，微機(jī)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的通信可以通過電纜進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，選用無線射頻芯片nRF905完成無線通信電路，nRF905片內(nèi)集成了電源管理、晶體振蕩器、低噪聲放大器、頻率合成器、功率放大器等模塊，曼徹斯特編碼/解碼由片內(nèi)硬件完成，無需用戶對數(shù)據(jù)進(jìn)行曼徹斯特編碼，因此使用非常方便。

圖1 數(shù)據(jù)采集與收發(fā)系統(tǒng)框圖

2 硬件電路設(shè)計

2.1 芯片介紹

STC89C52RC單片機(jī)是以8051為基核開發(fā)出的CMOS工藝單片機(jī)產(chǎn)品，這一類單片機(jī)產(chǎn)品統(tǒng)稱為80C51系列。

ADC0809是CMOS單片型逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器。

nRF905是挪威Nordic公司推出的單片射頻發(fā)射器芯片，工作電壓為1.9～3.6 V，32引腳QFN 封裝(5 mm ×5 mm)，工作于433/868/915MHz 3個 ISM頻道(可以免費(fèi)使用)。nRF905可以自動完成處理字頭和CRC(循環(huán)冗余碼校驗(yàn))的工作，可由片內(nèi)硬件自動完成曼徹斯特編碼/解碼，使用SPI接口與微控制器通信，配置非常方便，其功耗非常低，以－10 dBm的輸出功率發(fā)射時電流只有11 mA，在接收模式時電流為12.5 mA。nRF905單片無線收發(fā)器工作由一個完全集成的頻率調(diào)制器，一個帶解調(diào)器的接收器，一個功率放大器，一個晶體震蕩器和一個調(diào)節(jié)器組成。ShockBurst工作模式的特點(diǎn)是自動產(chǎn)生前導(dǎo)碼和CRC，可以很容易通過SPI接口進(jìn)行編程配置。

其工作模式［6］:nRF905采用Nordic公司的VLSI Shock-Burst技術(shù)。ShockBurst技術(shù)使nRF905能夠提供高速的數(shù)據(jù)傳輸，而不需要昂貴的高速M(fèi)CU來進(jìn)行數(shù)據(jù)處理/時鐘覆蓋。通過將與RF協(xié)議有關(guān)的高速信號處理放到芯片內(nèi)，nRF905提供給應(yīng)用的微控制器一個SPI接口，速率由微控制器自己設(shè)定的接口速度決定。nRF905通過ShockBurst工作模式在RF以最大速率進(jìn)行連接時降低數(shù)字應(yīng)用部分的速度來降低在應(yīng)用中的平均電流消耗。在ShockBurst RX模式中，地址匹配AM和數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒DR信號通知MCU一個有效的地址和數(shù)據(jù)包已經(jīng)各自接收完成。在ShockBurst TX模式中，nRF905自動產(chǎn)生前導(dǎo)碼和CRC校驗(yàn)碼，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒DR信號通知MCU數(shù)據(jù)傳輸已經(jīng)完成?？傊?，這意味著降低MCU的存儲器需求也就是說降低MCU成本，又同時縮短軟件開發(fā)時間。

2.2 硬件電路

通過前面對各個芯片的介紹，我們已經(jīng)知道了各個芯片基本工作模式下的外圍電路設(shè)計原理，還知道了STC89C52RC單片機(jī)的時鐘電路和復(fù)位電路的基本要求以及ADC0809轉(zhuǎn)換芯片的工作頻率等，由此可設(shè)計出本系統(tǒng)的硬件電路原理圖。如圖2所示。

圖2 硬件電路原理圖

其中，電源電路設(shè)計用的是PC機(jī)上USB口輸出電源，作為STC89C52RC和ADC0809的輸入電源;利用LD1117-3.3將5V轉(zhuǎn)3.3V作為nRF905芯片的輸入電源。

3 軟件編程設(shè)計

3.1 采集部分

由ADC0809工作時序圖可知當(dāng)START和ALE引腳為高，EOC引腳為低時啟動采集轉(zhuǎn)換，當(dāng)EOC為高時轉(zhuǎn)換結(jié)束，OE置高，STC89C52RC單片機(jī)開始讀轉(zhuǎn)換完成的數(shù)據(jù)，再控制nRF905引腳TRX_EN和TX_EN為高進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。

ShockBurst TM工作模式保證，一旦發(fā)送數(shù)據(jù)的過程開始，無論TRX_EN和TX_EN引腳是高或低，發(fā)送過程都會被處理完。只有在前一個數(shù)據(jù)包被發(fā)送完畢，nRF905才能接受下一個發(fā)送數(shù)據(jù)包。

3.2 接收部分

圖3 軟件編程采集流程圖

數(shù)據(jù)發(fā)送過程中，單片機(jī)STC89C52RC使nRF905接收模塊TRX_CE引腳為高，TX_EN引腳為低，650μs后nRF905不斷監(jiān)測，當(dāng)檢測到同一頻段載波時載波檢測引腳(CD)被置高，當(dāng)接收到相匹配的地址，AM引腳被置高，當(dāng)數(shù)據(jù)接收完成后DR引腳被置高，單片機(jī)STC89C52RC將TRX_CE置低，nRF905進(jìn)入空閑模式，STC89C52RC通過SPI口將數(shù)據(jù)移到單片機(jī)STC89C52RC內(nèi)，當(dāng)所有數(shù)據(jù)接收完成，單片機(jī)將DR和AM引腳置低。

圖4 軟件編程接收流程圖

當(dāng)正在接收一個數(shù)據(jù)包時，TRX_CE或TX_EN引腳的狀態(tài)發(fā)生改變，nRF905立即把其工作模式改變，數(shù)據(jù)包則丟失。當(dāng)微處理器接到地址匹配引腳的信號之后，其就知道nRF905正在接收數(shù)據(jù)包，其可以決定是讓nRF905繼續(xù)接收該數(shù)據(jù)包還是進(jìn)入另一個工作模式。

根據(jù)以上分析進(jìn)行編程就完成了數(shù)據(jù)的采集與無線收發(fā)。

4 總結(jié)

本論文研究設(shè)計了數(shù)據(jù)采集與無線收發(fā)系統(tǒng)電路，電路結(jié)構(gòu)主要由兩大部分構(gòu)成:第一部分為數(shù)據(jù)采集部分;第二部分為無線收發(fā)部分。該電路簡單，性能穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，測量精度和靈敏度高。

［1］葉洪海，李麗敏.基于單片機(jī)的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)［J］.佳木斯大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2008，26(4):545－547.

［2］黃繼昌，徐巧魚.傳感器工作原理及應(yīng)用實(shí)例［M］.北京:人民郵電出版杜，1998.

［3］馬祖長，張怡寧.大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議［J］.計算機(jī)工程與應(yīng)用，2004，(11):165－167.

［4］孫育才.MCS-51系列微型單片機(jī)及其應(yīng)用［M］.南京:東南大學(xué)出版社，1900.

［5］ADC0809 芯片資料［OL］.http://www.21ic.com.21ic中國電子網(wǎng)，2011.8.

［6］Nordic VLSI公司.nRF905芯片資料手冊［S/OL］.http://www.wenku.baidu.com/view...2011.6.