基于PA及藍(lán)牙無線傳輸?shù)碾姎鈪?shù)遠(yuǎn)程采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

樂山師范學(xué)院 侯 敏 胡玉旺 蔣 強(qiáng)

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基于PA及藍(lán)牙無線傳輸?shù)碾姎鈪?shù)遠(yuǎn)程采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

樂山師范學(xué)院 侯 敏 胡玉旺 蔣 強(qiáng)

【摘要】近幾年無線通信技術(shù)發(fā)展非常迅速，藍(lán)牙無線傳輸便是其中一種。本論文研究的是基于PA及藍(lán)牙無線傳輸?shù)碾姎鈪?shù)的遠(yuǎn)程采集系統(tǒng)，利用CC2500芯片和單片機(jī)MK60組成一個(gè)PA無線傳輸系統(tǒng)，采用SPI通信將檢測的電氣參數(shù)（U、I）傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。無線傳輸方式利用ATK-HC05芯片和單片機(jī)MK60芯片組成藍(lán)牙模塊，采用串口通信將采集到的電氣參數(shù)（U、I）傳輸?shù)绞謾C(jī)上。無線傳輸方式方便使用者隨時(shí)隨地的查看參數(shù)值的變化。

【關(guān)鍵詞】電氣參數(shù)；無線傳輸；參數(shù)采集；手機(jī)APP

1　引言

目前電氣參數(shù)采用的主要方式都是有線傳輸方式[1]，有線傳輸方式的的最大的優(yōu)點(diǎn)就是穩(wěn)定，一般情況下不會(huì)出現(xiàn)故障[2].但是也有很多的不足之處，比如：有線傳輸建立需要架設(shè)電纜或者挖掘電纜溝；成本大，需要浪費(fèi)人力物力。本論文采用的是無線傳輸方式（PA傳輸、藍(lán)牙傳輸），克服了有線傳輸?shù)牟蛔?，可以適應(yīng)各種地理環(huán)境、擴(kuò)展性好、設(shè)備少，維護(hù)方便，所以更加完美的實(shí)現(xiàn)了電氣參數(shù)的傳輸，在電氣參數(shù)傳輸中具有廣闊的前景!

本研究采用CC2500芯片實(shí)現(xiàn)PA無線傳輸，傳輸距離廣，在空曠的地方可以傳輸一千多米，在地形比較復(fù)雜的山區(qū)也可以傳輸比較長的距離。并且我們設(shè)置了一個(gè)蜂鳴器，給采集的電氣參數(shù)（U、I）一個(gè)上下值，超出范圍，就會(huì)由警報(bào)的方式超限報(bào)警。方便檢測者實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的變化情況，及時(shí)做出應(yīng)對措施。

2　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路

圖1　電氣參數(shù)無線采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本論文研究的是無線傳輸，分別是通過藍(lán)牙傳輸?shù)绞謾C(jī)，通過PA無線傳輸傳輸給電腦。以下就單片機(jī)、藍(lán)牙（串口通信）、PA無線傳輸這三部分作出說明。

3　單片機(jī)芯片MK60的簡介

選用的K60P144M120SF3芯片，32位處理器內(nèi)核，總線頻率高達(dá)200MHz。還具有128KB的RAM和256KB的FLASH。相對于其他主控芯片具有高處理速度，精確處理的特點(diǎn)。

4　PA線無線傳輸

4.1PA線無線傳輸CC2500簡介

圖2　CC2500PA無線數(shù)傳模塊功能框圖

CC2500PA遠(yuǎn)距離無線傳輸模塊，它是一款工作于2.4-2.5GHz世界通用 ISM頻段的無線收發(fā)芯片。它相對于CC2500模塊，又集成了高集成度的射頻前段芯片，使這個(gè)模塊最高輸出功率達(dá)到了+22dBm。經(jīng)測試，在空曠地帶可最遠(yuǎn)傳輸1500m的距離。這也是本設(shè)計(jì)的一個(gè)最大優(yōu)點(diǎn)，它不僅傳輸距離遠(yuǎn)，數(shù)據(jù)傳輸精確，而且具有工作穩(wěn)定抗干擾，價(jià)格便宜，實(shí)用的優(yōu)點(diǎn)。

圖3　CC2500PA無線數(shù)傳模塊引腳定義

圖4　CC2500PA無線數(shù)傳模塊射頻前段芯片控制

以上為CC2500PA無線數(shù)傳模塊的引腳定義，以及射頻前段芯片控制，SPI通信是一種高速的，全雙工，同步的通信總線，并且在芯片的管腳上只占用四根線，節(jié)約了芯片的管腳，同時(shí)為PCB的布局上節(jié)省空間[3]，提供方便，正是出于這種簡單易用的特性，現(xiàn)在越來越多的芯片集成了這種通信協(xié)議。

4.2CC2500的工作狀態(tài)

CC2500四種工作狀態(tài)：接收（RX）、發(fā)送（TX）、空閑（IDLE）、休眠（SLEEP）。休眠模式就是待機(jī)時(shí)間長、耗電少。各個(gè)模式之間可以自如的切換。CAA能夠指示當(dāng)前信道是否處于空閑狀態(tài)。當(dāng)芯片要進(jìn)入發(fā)送模式時(shí)，會(huì)首先檢查信道，只有信道為空閑時(shí)，才會(huì)進(jìn)入發(fā)送模式，否則會(huì)停留在原模式或者由編程設(shè)定進(jìn)入其他模式[4]。

4.3CC2500的數(shù)據(jù)傳輸方式

CC2500有獨(dú)立的64bytes接收/發(fā)送緩沖區(qū)，可以只通過SPI的接口傳輸相應(yīng)的命令控制CC2500，收發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)只需要通過SPI直接操作數(shù)據(jù)緩沖區(qū)即可。

4.4SPI總線

SPI總線系統(tǒng)是一種同步串行外設(shè)接口，總共有SCK、SDO、SDI、SS這4根線。 SPI總線只有接一個(gè)從設(shè)備時(shí)，只要用到SCK、SDO、SDI這3根線。

SPI是一個(gè)環(huán)形總線結(jié)構(gòu)，由ss(cs)、sck、sdi、sdo構(gòu)成，其時(shí)序其實(shí)很簡單，主要是在sck的控制下，兩個(gè)雙向移位寄存器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換[5]。

上升沿發(fā)送、下降沿接收、高位先發(fā)送。

上升沿到來的時(shí)候，sdo上的電平將被發(fā)送到從設(shè)備的寄存器中。

下降沿到來的時(shí)候，sdi上的電平將被接收到主設(shè)備的寄存器中[6]。

5　藍(lán)牙串口通信

5.1藍(lán)牙模塊的簡介

藍(lán)牙無線傳輸方式近些年發(fā)展非常迅速 ，ATKHC05藍(lán)牙模塊采用跳頻擴(kuò)譜技術(shù)。ATK-HC05藍(lán)牙設(shè)備的最大發(fā)射功率可分類為3級：100mw(20dB/m)、2smw(4dB/m)、1mw(0dB/m)。

5.2藍(lán)牙模塊的工作原理

ATK-HC05藍(lán)牙模塊設(shè)備在生產(chǎn)的時(shí)候就已經(jīng)有了自身的配對信息，兩個(gè)設(shè)備之間通電就可以自動(dòng)連接，采用透明的串口傳輸，不需要外圍電路的干涉。藍(lán)牙系統(tǒng)的工作方式是跳頻，可以點(diǎn)對點(diǎn)，點(diǎn)對多點(diǎn)的方式進(jìn)行連接傳輸。

圖5　ATK-HC05模塊的各引腳功能描述

ATK-HCO5自帶了一個(gè)狀態(tài)指示燈：STA。這種燈有3種狀態(tài)，分別是：

（1）在ATK-HC05模塊通電時(shí)，KEY為高電平（接VCC），STA則慢閃(亮的頻率大約是1秒/一次)，表明模塊進(jìn)入了AT狀態(tài)。

（2）在ATK-HC05模塊通電時(shí)，KEY接在GND或者懸空狀態(tài)時(shí)，這時(shí)STA會(huì)出現(xiàn)快閃（亮的頻率大約是1秒2次），表明ATK-HC05模塊進(jìn)入了了可以配對的狀態(tài)。當(dāng)然如果這個(gè)時(shí)候再次將KEY拉高，ATK-HC05模塊也會(huì)進(jìn)入AT的狀態(tài)中，但是STA仍然會(huì)保持在快閃的狀態(tài)。

（3）此刻證明模塊已經(jīng)屬于配對成功狀態(tài)，STA會(huì)進(jìn)行雙閃（亮的頻率大約是一次閃2下，2秒/1次），如圖6所示。

5.3串口通信

當(dāng)CPU的并行數(shù)據(jù)字符轉(zhuǎn)換為持續(xù)的串行數(shù)據(jù)發(fā)送出去，再將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成為并行的數(shù)據(jù)字符提供給CPU器件。

串口按位（bit）發(fā)送和接收字節(jié)，串行接口工作的特點(diǎn)就是可以將CPU的并行數(shù)據(jù)字符和串行數(shù)據(jù)流可以相互轉(zhuǎn)換。布線少，在實(shí)際的生產(chǎn)運(yùn)用中，可以大大的節(jié)約生產(chǎn)成本。

5.4電氣參數(shù)無線傳輸

電氣參數(shù)無線傳輸系統(tǒng)分為電氣參數(shù)采集端和電氣參數(shù)接收端兩個(gè)部分。采集端是將傳感器采集到的電氣參數(shù)傳輸?shù)組K60芯片中，MK60和CC2500組成一個(gè)模塊將數(shù)據(jù)無線發(fā)送到另一個(gè)MK60和CC2500組成的模塊。接收端是MK60和CC2500模塊將接收的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存于MK60的芯片中，再通過藍(lán)牙串口通信傳輸?shù)绞謾C(jī)中，或者是通過串口通信傳輸?shù)诫娔X中。這個(gè)方法充分的利用了無線傳輸?shù)姆椒?，將采集到的電氣參?shù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X或者手機(jī)上面，方便實(shí)時(shí)查看其數(shù)值的變化。

圖6　ATK-HC05藍(lán)牙串口模塊原理圖

圖7　無線傳輸示意圖

6　結(jié)束語

本次的模擬裝置主要是可以實(shí)現(xiàn)電氣參數(shù)和非電氣參數(shù)的采集、以及無線傳輸?shù)诫娔X或者手機(jī)上，方便使用者可以實(shí)時(shí)檢測到采集到的數(shù)據(jù)值。這次項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，碰到一些疑難問題，在大家的不斷探討和查找資料之后，順利解決。

參考文獻(xiàn)

[1]侯文卓.基于Blackfin的工業(yè)智能相機(jī)設(shè)計(jì)[D].哈爾濱理工大學(xué)碩士論文,2012.

[2]劉潤.基于STM32精密程控電壓源系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].蘇州大學(xué)碩士論文,2013.

[3]余川江.基于ARM平臺(tái)的μC/OS-Ⅱ的內(nèi)核分析、擴(kuò)展及改進(jìn)[D].西安電子科技大學(xué)碩士論文,2010.

[4]張菊.大型機(jī)床導(dǎo)軌直線度測量儀設(shè)計(jì)[D].哈爾濱理工大學(xué)碩士論文,2010.

[5]李淵,李巧,劉玉粱.基于RFID電子鉛封管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].科技創(chuàng)業(yè)家,2012.

[6]趙宇杰.一種帶非接觸支付功能的USB Key硬件和固件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].太原理工大學(xué)碩士論文,2010.

侯敏（1993－），女，四川閬中人，本科，主要從事基于手機(jī)平臺(tái)的電氣參數(shù)無線采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

胡玉旺（1993－），男，安徽淮南人，本科，主要從事基于手機(jī)平臺(tái)的電氣參數(shù)無線采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

蔣強(qiáng)，博士，副教授，主要從事電力自動(dòng)化研究。

通訊作者：

作者簡介：

項(xiàng)目資助：樂山市科技局重點(diǎn)研究項(xiàng)目（項(xiàng)目編號：15NZD100）。