電容測(cè)微儀無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

羅小妮　高立

摘要：現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)水平的提升，各項(xiàng)智能化的控制系統(tǒng)出現(xiàn)在各個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中。但不論是何種智能化控制系統(tǒng)，均不能夠離開(kāi)數(shù)據(jù)信息之間的傳輸。其中無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)與傳統(tǒng)有線(xiàn)傳輸具備一定差別，主要優(yōu)點(diǎn)為不需要傳輸線(xiàn)纜、成本低廉以及施工簡(jiǎn)單。該文將電容測(cè)微儀作為主要的研究對(duì)象，在此測(cè)量?jī)x器之上實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施，旨在解決動(dòng)態(tài)環(huán)境當(dāng)中無(wú)法測(cè)量的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：電容測(cè)微儀；無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸；數(shù)字濾波

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2015）04-0185-03

電容測(cè)微儀在進(jìn)行航空、航天以及工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中被廣泛應(yīng)用，主要是用于測(cè)量微小位移、微小振動(dòng)等相應(yīng)內(nèi)容。并且電容測(cè)微儀呈現(xiàn)出精度高、溫度穩(wěn)定、速度快、分辨率高以及時(shí)間穩(wěn)定等諸多優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)的電容測(cè)微儀只能夠在靜態(tài)環(huán)境下進(jìn)行測(cè)量，但由于現(xiàn)代需求的影響，動(dòng)態(tài)下實(shí)現(xiàn)電容測(cè)微儀的測(cè)量至關(guān)重要。因此，該文對(duì)電容測(cè)微儀無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，保證在動(dòng)態(tài)環(huán)境下時(shí)間數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)測(cè)量。

1 電容測(cè)微儀無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容為無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片的選擇，通過(guò)無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片構(gòu)成整個(gè)無(wú)線(xiàn)收發(fā)電路，在目前市場(chǎng)當(dāng)中常見(jiàn)的無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片包括nRF401、RF2915、BC418、XC1201、MICRF007及CC400等，并且每一個(gè)收發(fā)芯片的工作環(huán)境電壓大小規(guī)范在2.5V-5.5V之間。該文在進(jìn)行無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，選用的無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片為nRF401芯片，該芯片是挪威NORDIC公司推出的單片機(jī)無(wú)線(xiàn)收發(fā)一體的芯片，并且采用藍(lán)牙核心技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。該芯片為20引腳的表貼式芯片，在整個(gè)芯片當(dāng)中包含了高頻發(fā)射、高頻接收、PLL合成、FSK調(diào)制、FSK解調(diào)和多頻道切換電路，體現(xiàn)出高度集成的特點(diǎn)。芯片具備的抗干擾能力較強(qiáng)，應(yīng)用FSK調(diào)制方式，工作構(gòu)成中穩(wěn)定性較高。并且在運(yùn)行過(guò)程中，涉及的外圍環(huán)境下的輔助器件較少。在系統(tǒng)接口方面能夠與單片機(jī)的串口相連，并需要通過(guò)特定的編碼進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，效率較高。通過(guò)上述nRF401芯片優(yōu)點(diǎn)的分析，說(shuō)明本次研究過(guò)程中選擇該芯片的正確性，為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)奠定良好基礎(chǔ)。

1.2微控制芯片選擇

由于電容測(cè)微儀主要是測(cè)量微小固件的儀器，在進(jìn)行無(wú)線(xiàn)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，在硬件方面同樣需要對(duì)微控制芯片進(jìn)行選擇，該文主要選取STR711FR2T6是ST公司基于A(yíng)RM7TDMI內(nèi)核的ARM芯片，該芯片當(dāng)中集成了256+16KB的Flash存儲(chǔ)器以及64KB的片內(nèi)RAM，滿(mǎn)足一般應(yīng)用的存儲(chǔ)需求。在整個(gè)芯片的集成方面，PLL能夠允許16MHz的系統(tǒng)主時(shí)鐘倍頻所產(chǎn)生的系統(tǒng)時(shí)鐘，并且滿(mǎn)足用戶(hù)在一定頻段內(nèi)的測(cè)量需求，通過(guò)相應(yīng)的需求進(jìn)行控制PLL輸出。并且在該芯片當(dāng)中能夠具備快速的終端響應(yīng)，包含多個(gè)中斷向量以及優(yōu)先級(jí)的內(nèi)容，具備功能多樣化。同時(shí)，STR711FR2T6擁有兩個(gè)帶緩沖同步串口（BSPI）、4個(gè)RS232串口和集成片上USB Device控制器[1]。

1.3 A/D轉(zhuǎn)換芯片

為了滿(mǎn)足系統(tǒng)運(yùn)行高效性以及測(cè)量的準(zhǔn)確性，保證系統(tǒng)采集精度以及轉(zhuǎn)換速率的要求，對(duì)于A(yíng)/D轉(zhuǎn)換芯片應(yīng)該采用BB公司具備16位框架的A/D轉(zhuǎn)換芯片，型號(hào)為ADS7809，所采用的頻率能夠高達(dá)100kHz，能夠?qū)崿F(xiàn)與SPI結(jié)構(gòu)與STR711FR2T6實(shí)現(xiàn)通信。

1.4 STR711FR2T6與nRF401連接電路

STR711FR2T6通過(guò)SPIO口與nRF401進(jìn)行數(shù)據(jù)方面的通信。并且在CE端方面的電平在一定程度上決定著發(fā)送模式或者是接受模式。其中IRQ的內(nèi)容能夠屏蔽電路圖當(dāng)中的引腳，當(dāng)數(shù)據(jù)接受重點(diǎn)或者是數(shù)據(jù)發(fā)送完成中斷發(fā)生時(shí)，應(yīng)該講管腳置低。

2 電容測(cè)微儀無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計(jì)

STR711對(duì)無(wú)線(xiàn)收發(fā)的控制是通過(guò)對(duì)SPI口讀寫(xiě)nRF401的配置存儲(chǔ)器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，保證兩者的工作模式、通信速率、通信地址等各個(gè)方面的參數(shù)配置好之后進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。為縮短數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間，采集模塊將10次采樣得到的20字節(jié)的數(shù)據(jù)進(jìn)行連同nRF401自動(dòng)生成CRC校驗(yàn)碼打包一次性發(fā)出，發(fā)送成功后完整狀態(tài)指令的內(nèi)容，并按照模塊對(duì)接收到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行抵制以及CRC碼進(jìn)行校驗(yàn)。數(shù)據(jù)校驗(yàn)無(wú)誤后通過(guò)串口傳至上位機(jī)進(jìn)行處理。

采集模塊的集體流程為：系統(tǒng)運(yùn)行開(kāi)始，STR711進(jìn)行初始化操作，然后進(jìn)行無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片的處理，將其配置成為發(fā)送模式，進(jìn)一步執(zhí)行A/D的轉(zhuǎn)換，詢(xún)問(wèn)轉(zhuǎn)換的次數(shù)是否為10次，如果判定正確則執(zhí)行下一個(gè)步驟，如果判定失敗繼續(xù)執(zhí)行上一步驟。繼續(xù)將20字節(jié)的數(shù)據(jù)寫(xiě)入到無(wú)線(xiàn)接收芯片當(dāng)中，并發(fā)送到緩存區(qū)。這一步驟完成后，繼續(xù)執(zhí)行下一個(gè)步驟，判定無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片是否產(chǎn)生中斷，這一過(guò)程存在判定因素，判定成功執(zhí)行下一步驟，判定失敗返回上一個(gè)步驟當(dāng)中重新執(zhí)行這一步驟。當(dāng)執(zhí)行成功過(guò)進(jìn)入到中斷源為發(fā)送成功中斷的判定，判定正確點(diǎn)亮LED燈，并進(jìn)行系統(tǒng)的重新操作。判定過(guò)程失敗，進(jìn)入到無(wú)線(xiàn)接收芯片當(dāng)中進(jìn)行錯(cuò)誤處理[2]。

接收模塊的流程內(nèi)容：系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行，STR711進(jìn)行初始化操作，下一步配置無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片為接受模式。繼續(xù)執(zhí)行無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片產(chǎn)生接收終端的內(nèi)容，并對(duì)此步驟進(jìn)行實(shí)際的判定，判斷錯(cuò)誤返回上一步驟的操作中，如果判定正確可執(zhí)行下一個(gè)步驟，即點(diǎn)亮LED燈，讀取無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片緩存區(qū)的具體數(shù)據(jù)，并且通過(guò)此種方式向UART借口傳輸數(shù)據(jù)，進(jìn)而進(jìn)行循環(huán)操作。

2.2上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件方面的設(shè)計(jì)在整個(gè)系統(tǒng)當(dāng)中具有重要作用，上位機(jī)程序是在VC++環(huán)境下完成的，并且能夠利用MFC進(jìn)行上位機(jī)顯示方面的編寫(xiě)，以便于將數(shù)據(jù)繪制成為波形圖，通過(guò)此種方式顯示測(cè)量數(shù)據(jù)方面的動(dòng)態(tài)性特征。

由于電容測(cè)微儀測(cè)量的過(guò)程中主要是測(cè)量微小的元件，為了防止在進(jìn)行測(cè)量的過(guò)程中出現(xiàn)各種干擾，上位機(jī)軟件在進(jìn)行設(shè)計(jì)的同時(shí)，需要給出相應(yīng)的濾波算法，保證計(jì)算值能夠準(zhǔn)確。在脈沖干擾較為嚴(yán)重的場(chǎng)合，如果能夠采用一般的平均值法，則干擾將“平均”到計(jì)算結(jié)果當(dāng)中。因此，運(yùn)用平均值的方法將不容易消除由于脈沖干擾所引起的采樣值變差的問(wèn)題。中值平均濾波方法能夠?qū)⒈粶y(cè)信號(hào)進(jìn)行多次操作，并按照具體結(jié)果與數(shù)據(jù)之間的內(nèi)容進(jìn)行分析，保證有效剔除最大值與最小值，并取得剩余的N-2個(gè)數(shù)據(jù)的平均值作為本次濾波的輸出，相應(yīng)的算法為：Y=[1N-2Σn-1k=2X（K）]。其中，X（1） ≤X（2） ≤...≤X（N），N≥3。此種濾波算法能夠?qū)徛兓^(guò)程中的脈沖干擾信號(hào)進(jìn)行有效的抑制，并具有良好的抑制效果，具有計(jì)算方便、速度快以及存數(shù)量較小的特點(diǎn)。在實(shí)際的運(yùn)用過(guò)程中，對(duì)于公式當(dāng)中的N值可以取任何數(shù)值，但為了加快測(cè)量的具體效率與速度，N值一般不能夠太大，在本次設(shè)計(jì)的過(guò)程中，為求得出具的準(zhǔn)確性，將N值取為4，即四取二再取平均值法[3]。

3 無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的可靠性保障措施

在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^(guò)程中，如果以為數(shù)據(jù)在發(fā)送出去或者被接受的這一段時(shí)間之內(nèi)發(fā)生變化，則說(shuō)明無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程出現(xiàn)差錯(cuò)。并且這種差錯(cuò)出現(xiàn)的原因可能是由于熱噪聲或者是沖擊噪聲。熱噪聲（thermal noise），又稱(chēng)為白噪聲，

主要是由于導(dǎo)體內(nèi)部電子進(jìn)行熱運(yùn)動(dòng)所形成，存在于所有的設(shè)備以及傳輸媒體當(dāng)中，其中對(duì)于熱噪聲是可以進(jìn)行預(yù)測(cè)的內(nèi)容，具有較為固定的強(qiáng)度；對(duì)于沖擊噪聲（impulse noise）則是非連續(xù)性的內(nèi)容，其中由不規(guī)則的脈沖以及持續(xù)時(shí)間短而振幅大的噪聲尖峰組成，或者是由于外部的雷電形態(tài)所產(chǎn)生。為了保證無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)的良好傳輸，避免外部的干擾與影響，需要保證傳輸系統(tǒng)可靠性的提升，方式在通信過(guò)程中發(fā)生錯(cuò)誤，常用的校驗(yàn)方法有奇偶校驗(yàn)、校驗(yàn)和和循環(huán)冗余校驗(yàn)[4]。

nRF401在沒(méi)有數(shù)據(jù)接受的情況之下，能夠在DOUT引腳下輸出系統(tǒng)的隨機(jī)數(shù)據(jù)，嚴(yán)重的干擾正常的通信內(nèi)容，為了接受更為穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，需要對(duì)于此方面的內(nèi)容進(jìn)行有效的解決，進(jìn)行編碼傳輸，具體的規(guī)則內(nèi)容如下：

1） 對(duì)于數(shù)據(jù)在進(jìn)行發(fā)送的過(guò)程中，采用具體查詢(xún)的方式，保證數(shù)據(jù)接受能夠采用中斷的方式；

2） 在信號(hào)以及信息發(fā)送的過(guò)程中，需要在數(shù)據(jù)發(fā)送之前連續(xù)發(fā)送十六進(jìn)制的AA、BB、CC、DD，這一過(guò)程完成后，并進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)的發(fā)送；

3） 接收方在接收到系統(tǒng)發(fā)送的AA、BB、CC、DD信號(hào)之后，應(yīng)該講下一個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行和保存，并通過(guò)相應(yīng)的方式進(jìn)行處理，否則不進(jìn)行任何的處理。直到等待接收終端，收到連續(xù)的十六進(jìn)制的AA、BB、CC、DD。

通過(guò)此種方式，能夠有效地進(jìn)行編碼的設(shè)計(jì)，避免數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的不必要的干擾內(nèi)容，保證無(wú)線(xiàn)通信的正?？煽康倪\(yùn)行。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

測(cè)試的過(guò)程中，將電容測(cè)微儀的傳感器測(cè)量頭固定于BCT-5C型號(hào)的測(cè)量臺(tái)架上，無(wú)線(xiàn)測(cè)微儀系統(tǒng)對(duì)測(cè)頭與臺(tái)架上量塊之間的微小位移量進(jìn)行測(cè)量，并將結(jié)果通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)姆绞絺髦辽衔粰C(jī)。并且為了測(cè)試干擾信號(hào)的影響，用橡膠錘敲打測(cè)量臺(tái)架，以此來(lái)干擾測(cè)量過(guò)程中出現(xiàn)的干擾信號(hào)，通過(guò)原始采樣以及中值平均濾波的方法實(shí)現(xiàn)波形方面的對(duì)比，檢驗(yàn)濾波器的實(shí)際運(yùn)行，通過(guò)此種方式計(jì)算測(cè)量的結(jié)果。當(dāng)測(cè)量過(guò)程中出現(xiàn)了脈沖干擾時(shí)，中值平均濾波器可以將其濾除，使采樣值較為平滑，提高了數(shù)據(jù)的可靠性。

5 結(jié)論

綜上所述，由nRF401于STR711FR2T6兩者構(gòu)成的無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)當(dāng)中，在具體的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過(guò)程中得出相應(yīng)的結(jié)果，具有傳輸速率快以及可靠性較高的特點(diǎn)，能夠在傳輸過(guò)程中抵抗干擾的影響。同時(shí)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，在進(jìn)行電容測(cè)微儀測(cè)量的過(guò)程中，能夠取得良好的測(cè)量效果，有效的拓寬了電容測(cè)微儀的使用范圍。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張東亮，鄧湘.基于無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾娙轀y(cè)微儀系統(tǒng)[J].航空精密制造技術(shù)，2011，11（3）：154-156.

[2] 尹慧，李輝.帶以太網(wǎng)接口的GSM無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2012，11（11）：147-150.

[3] 王韋偉.基于ZigBee的智能家居無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].宿州學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，4（7）：80-83.

[4] 王躍，侯毅，孫卓，等.司馬礦無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].煤礦現(xiàn)代化，2013，11（5）：101-102.