【毕业学位论文】基于nRF905 的无线射频数据采集系统的开发与实现-控制理论与控制工程

分类号 密级 U D C 编号 士学位论文 论文题目: 基于 无线射频数据采集 系统的开发与实现 学科、专业: 控制理论与控制工程 研究生姓名: 杨 剑 导师姓名及 专业技术职务 : 李 吉 力 教授 硕士学位论文 摘要 摘 要 数据采集技术是信息科学的一个重要分支，它与传感器技术、信号处理技术以及计算机技术共同构成了现代检测技术的基础。 本文在综合评述数据采集系统和短距离无线通信技术的应用现状的基础上，针对有线的数据采集方式存在的可移动性差、 电缆铺设受现场环境限制的缺陷，设计并实现了一个基于 无线数据采集系统。本文的主要内容和研究成果如下： （ 1）针对实际应用的要求，对系统进行了总体规划，设计了数据采集从站和基站的结构，并以低功耗和抗干扰性能为主要考虑因素，对系统主要元器件进行了精心的选型。 （ 2）完成了数据采集从站和基站的硬件电路设计和调试。本文设计的从站节点具有 8 个传感器信号输入通道，在分辨率为 12 位的情况下，采集速度最高可达 200站采用电池供电，通过无线方式将采集数据传输给基站，基站通过 口将接收到的数据传送到 络。 （ 3）完成了系统应用软件开发和调试。主要包括数据采集及软件滤波程序设计、无线射频模块的驱动程序设计、 口驱动程序设计以及无线网络的应用程序设计。 （ 4）基于一个基站多个从站的通信要求，设计了小型的无线数据通信网络。并根据实际应用要求设 计了系统的网络拓扑机构、介质访问方式、差错控制策略以及无线数据通信的数据帧结构。基于系统低功耗长期运行的要求， 对无线数据采集网络的主要能量消耗进行了分析，设计了自适应正常工作休眠 交替的工作方式，大大降低了系统功耗，达到了长期运行的要求。针 对现场干扰的影响，设计了基于跳频通信的工作机制，有效的抵制了外部干扰。 （ 5）对系统功能进行了测试，测试结果表明，本文设计的无线数据采集系统具有体积小、功耗低、数据传输稳定可靠、抗干扰能力强等优点， 可以很好地应用在无线数据采集及其它短距离无线数据传输的场合。 关键词 数据采集，无线通信， 线网络，低功耗 硕士学位论文 is an of is of on a of of a on at of as of is by in as (1) to of an on of of on of (2) on of in 00 2 by by is to by of is to AN by AN (3) on AN in (4) to of a of of of of to of at a 硕士学位论文 a a at of on (5) A on in as a in 士学位论文 目录 摘 要 . . 第一章 绪论 .题来源、目的及意义 .究的背景和现状 .文的主要内容和结构 .二章 系统整体方案设计及器件选型 .统总体方案设计 .站方案设计 .站方案设计 .要器件的选型 .统的开发方法及开发工具 .章小结 .三章 无线数据采集系统智能节点设计 .感器数据采集模块设计 .线数据通信模块设计 .站与外部网络接口模块设计 .统采取的硬件抗干扰措施 .章小结 .四章 小型无线数据采集网络的设计 .线网络具体实现策略 .线通信数据帧格式设计 .线数据采集网络低功耗实现策略 .于跳频通信的抗干扰设计 .线数据采集网络总体程序设计 .章小结 .五章 无线射频数据采集系统测试 .统实物图 .统性能测试 .六章 总结与展望 .考文献 . 谢 .士学位论文 目录 .士学位论文 第一章 绪论 1第一章 绪论 题来源、目的及意义 过去五十年，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。目前，数据采集几乎无孔不入，它已渗透到了地质、医药器械、雷达、通讯、遥感遥测等各个领域，为我们更好的获取信息提供了良好的基础1。 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。 如果采集系统工作在地理条件复杂导致线路架设困难或腐蚀、爆炸等场合，或者采集对象是运动物体时，有线方式的应用受到了限制，在这种情况下，无线方式是一种有效的替代方式。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，无线方式具有如下几个显著的特点2： (1) 传输介质采用的是电磁波， 特别适用于那些不适合或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、功耗小、体积小、成本低等优点。 研究工业环境下的无线数据通信技术是近年来新的发展趋势， 将无线技术引入数据采集领域，可以解决无法布线的环境下的数据采集难题，提高采集系统的适应性，而且可以解决有线网络带来的布线麻烦、出现故障检查困难等缺点。 本课题将传感器技术和新兴的无线通信技术相结合， 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。 究的背景和现状 士学位论文 第一章 绪论 2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3。 常用的数据采集系统有两种4，一种是以单片微处理器为核心的数据采集系统，它的构成主要由传感器、放大器、采样保持器、模拟多路开关、 A/D 转换器、微处理器及其它一些外围器件构成。第二种是基于通用微型计算机(如 )的数据采集系统。这类系统一般由计算机数据采集卡组成，目前数据采集卡一般基于标准总线(如工控标准总线 输位总线 线、 线等总线系统)并带有高速 ，通过计算机插槽与计算机相连，形成内插式工作方式。 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，这种系统的核心是可插入计算机标准插槽的高速数据采集卡。目前这类高速数据采集卡种类多，技术先进，市场主流的厂商主要有 公司，代表产品有 司的 司的 及 司的 其中 带有 1 GS/s 8 b 精度数字化仪的超高速数据采集模块( ， 最高可进行 500 1 波形分析； 25 MS/s，分辨率为 12 b，信号带宽由 50 通过 线( 250 MB/s 的速率向其它处理、回放或存储器件传输数据； 于 线，采样率为 1 GS/s 8 b，其存储深度为 64M、 256M、1000M 可选； 是基于 线，采样率为 S/s 8 b，存储深度为 8 66 64 b 数据宽度下， 线 式向主机传输数据速率可达 320MB/s6。 在国内，也有不少的大学、科研机关、公司从事数据采集系统的研制，由于数据采集技术不断发展，市场上出现了各种新型的数据采集器。如北京中泰研创科技有限公司的数据采集系统 具有 16 位 A/D， 8 通道并行同时转换，每个通道的转换速率都可以达到 100川拓普数字设备有限公司的有 4 通道模拟量输入，具有 16 位的 A/D，最高采样率 100京康泰电子有限公司的 6 位 线数据采集板，具有 16 位、250 500 A/D 输入、四种可编程增益选择、 2048 字节的数据缓存。 对比国内外现有数据采集系统的性能、价格和功能，可以看出：国外的数据采集系统精度高、采样速度快、功能全，但是价格昂贵，并且体积较大，操作复杂。国内的数据采集系统虽然价格较为便宜，但与国外的相比无论精度和速度都存在一定的距离。 硕士学位论文 第一章 绪论 32. 短距离无线通信技术的发展及研究现状 短距离无线通信技术已经在我们的日常生活中得到了广泛的应用， 目前应用广泛的短距离无线通信技术主要有 牙、 功率短距离无线通信技术等7。与目前已经具备相当规模的无线长距离通信网络(如蜂窝移动通信网)相比，短距离无线通信系统在基本结构、服务范围、应用层次及通信业务(数据、话音)上，均有很大的不同。 （一） 9个系列标准，由 5 个现行有效的标准 5 个正在发展制定中的标准 成。 术标准是无线局域网的国际标准，自发布之日起就得到了广泛的应用，迄今为止仍是应用热点。该标准工作在 用了补码键控( 制技术和直接序列调频( 技术，最大传输速率可达 11s，并且可以根据情况的变化，在 11 s、 s、 2 s、 1 s 的不同速率之间自动切换，且在 2 s、 1 s 容，它从根本上改变了 设计和应用现状，扩大了 应用领域。现在，大多数厂商生产的 品都基于 准。 准与 年制定，它工作在 5段上，使用制技术，支持 6、 9、 12、 18、24、 36、 48 和 54s 的传输速率。 个标准都存在着各自的优缺点。 优势在于价格低廉， 但速率较低(最高 11s )； 而 高 54s)且受干扰少， 但价格相对较高。 另外， 作在不同的频段上，不能工作在同一接入点 (网络里， 不兼容。 为了解决上述问题， 作组开始定义新的物理层标准 准与以前的 议标准相比有以下两个特点:在 段使用正交频分复用( 制技术，使数据传输速率提高到 20s 以上； 统互相连通，共存于同一 网络里，保障了后向兼容性，延长了 品的使用寿命，降低了用户的投资。 （二）蓝牙 (术1011蓝牙是由爱立信、东芝、诺基亚、英特尔和国际商用机器公司等公布的一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，开发于上世纪 90 年代中后期。它是一种用于短距离的、点对多点的数据和语音传输的射频规范。开发该技术的目的是以近距离、无线为基础为固定与移动终端建立临时对等连接。蓝牙的传输距离在1m 到 10m 之间，增加发射功率或配置专用的放大器后可使传输距离达到 100m。 硕士学位论文 第一章 绪论 4目前，蓝牙设备在无线耳机、无线键盘等领域应用较多，但其国内市场的推广仍然十分不够，其最大障碍是成本依然很高，蓝牙模块购买价格昂贵。 (三)超宽带 (术1214超宽带 线技术出现在 60 年代， 其应用仅限于军事。2002 年这项无线技术开始应用于民用通信领 域，因而获得了广泛的关注。与传统技术不同， 一种无载波通信技术，它不采用正弦载波，而是利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，因此其所占的频谱范围很宽，它能够实现无线局域网中无线接口的互联和接入，并具有低功耗、高带宽、低复杂度的优点。 目前，英特尔公司正在进行研究和开发，以便将 成到个人电脑芯片组中，将其作为 10m 以内的近距离高速无线传输接口使用。英特尔将 位于“无线 ，当前 传输速率己达到 100s，其下一个目标是500s。然而， 为民用还是一项新技术，还有一些实际问题，如安全问题、干扰问题等有待解决。 (四)红外 (术1516由红外数据协会提出并推行的一种无线通信协议， 这种通信方式通过数据电脉冲和红外光脉冲之间的相互转换实现无线数据的收发。 备使用发光二极管发送信号，波长范围 875 0制定的超高红外 (准传输速率达到 16比传统版本的 4了 4倍，接收角度也由原来的 30 度扩展到 120 度。 备的使用不需要申请特定频率的使用 执照，并且还具有体积小、功耗低、技术成熟的优点。 据传输速率比较高，同时由于是点对点的通信，受到的干扰也较小，目前在成熟度和普及度上， 新兴的无线通信技术无法比拟的。 但是， 缺点也很明显。首先 一种视距传输技术，通信设备中间不能有任何阻挡物，通信设备的位置也需要相对固定，不适宜用于移动数据传输；其次， 能实现点对点的无线通信，不能完成点对多点的无线通信；最后， 备的核心器件 红外 易损坏，因而设备寿命有限。 (五)低功率短距离无线通信技术 该技术一般采用单片数字信号收发芯片， 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。一般射频芯片采用 制方式，工作于 段，一些必要的外围模块都已经集成在芯片内部， 并且提供了简单透明的数据传输协议或使用简单的加密协议，用户不用对无线通信原理和工作机制有较深的了解，只要依据芯片提供的操作接口进行操作即可实现基本的数据无线传输功能。 由于硕士学位论文 第一章 绪论 5其功率小、价格低廉、开发简单快速因而在工业、民用领域得到了广泛的应用。但数据传输速度、流量都较小，因此比较适合搭建对数据传输速度要求不高的小型网络。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 司推出的 列芯片。 在对短距离无线通信的研究方面，目前国外除了继续完善和提高短距离无线通信技术以外，对由短距离无线通信设备构成 的无线网络进行了较多的理论研究，其典型代表是对主要应用于军事的无线传感器网络的研究。这些研究主要集中在无线网络的路由协议、介质访问协议，节点间的同步以及数据融合技术等方面，并提出了大量针对不同应用的网络模型和通信协议。 目前国内高校对短距离无线通信在生产和生活中的应用上研究的较多。其中郑州大学的周勇庆、武汉科技大学的钱丽、吉林大学的尹刚、浙江大学的张辉等分别对短距离无线通信在汽车轮胎压力实时监测、酒店无线点菜、不停车收费、工业控制系统总线的无线传输等领域的应用进行了研究。 这些研究大多着重于无线通信功能的实现，对应用中的低功耗和抗干扰性能没有进行深入的研究。 文的主要内容和结构 本文针对传统的数据采集方式在数据传输上存在的受布线限制的问题，提出了一种基于无线数据通信的解决方案。 本论文的主要篇章结构如下： 第一章是绪论，首先介绍了本课题的来源及研究的目的和意义，然后概述了数据采集系统及短距离无线通信的发展现状， 最后对本文的文章结构做了简要介绍。 第二章介绍了系统的总体设计方案以及采集从站、基站的方案设计，并根据设计要求选取了系统的主要元器件。另外，本章还简要介绍了系统的开发方法以及开发工具。 第三章主要介绍了无线数据采集系统的智能结点的设计，根据系统设计要求完成了传感器数据采集模块、无线数据通信模块以及基站与 络接口模块的硬件和软件设计，并对硬件设计中所采取的抗干扰措施进行了介绍。 第四章基于无线数据采集系统智能结点，完成了小型无线数据采集网络的设计，并针对系统应用环境的特点，采取了相应的低功耗和抗干扰措施。 第五章是系统测试，主要对系统的功耗、结点的通信距离、抗干扰能力等方面进行了测试。 第六章对本文所做的工作进行了总结，并根据当前系统中存在的不足，指出了系统的下一步发展方向。 硕士学位论文 第二章 系统整体方案设计及器件选型 6第二章 系统整体方案设计及器件选型 正如前面所述，采用有线方式传输数据的采集系统在应用时容易受到布线、采集对象的运动性等条件的限制， 无线数字通信技术的日益成熟为解决这一问题提供了有效的途径。本文的目的是设计一个体积小、功耗低、数据传输稳定可靠且对数据传输速率要求不高的无线数据采集器， 并构建一个小型的无线数据传输网络，用于工业现场的无法布线环境下的数据采集，同时为后续的研究提供一个可靠的平台。为达到这个目标，需要对整个系统进行整体的规划。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，并对系统中需要用到的关键器件进行了比较选择。 统总体方案设计 1. 系统设计要求分析 根据无线数据采集系统的功能和应用范围， 本文设计的无线数据采集系统需要具有如下特点： (1) 考虑到现场采集点不止一个，需采集的物理量也可能是多个，系统由多个从站和一个基站组成，从站作为数据采集节点，基站作为数据接收节点。以无线方式传输数据，基站和从站的关系是点对多点的通信关系。各个从站具有相同的结构且都在基站的无线信号覆盖范围之内，彼此之间相互独立，没有数据通信要求。从站与基站一起组成了一个小型的无线网络。 (2) 传输的数据是传感器采集到的模拟信号经过 A/D 转换后的数字信号。 本系统目前主要针对慢变信号(例如温度信号)的数据采集， 数据采集的频率不需要很快（几秒钟一次） ，因而传输的数据量不大。考虑现场干扰和 A/D 转换误差，采集到的数据需经过滤波处理。 (3) 考虑到系统应用于无法布线环境下的数据采集，因而采集节点(即从站)的电源由电池来提供，由于现场设备运行的长期性及更换电池的诸多不便，采集节点必须具有低功耗，以确保系统在电池供电条件下能正常工作半年以上。 (4) 接收节点(基站)工作位置相对固定，工作地点无布线条件限制，并且具有通信接口和外部网络或上位机系统通信， 基站接受到的各个节点的数据在经过必要的处理后，通过该通信接口传送到外部网络，在上位机上进行数据的显示、存储及其它相关操作。基站采用外部电源供电。 (5) 工业现场的工作条件恶劣，各种干扰因素多，因此需要在硬件和软件上采取相应措施来提高系统的抗干扰能力，以保证数据传输的可靠性。 (6) 系统需要具有体积小，成本低，开发周期短的特点。 硕士学位论文 第二章 系统整体方案设计及器件选型 72. 系统总体方案确定 通过第一章中对各种无线通信技术的对比，不难看出，低功率短距离无线通信技术目前技术成熟， 在开发成本及开发难度上具有其它几种方式无法比拟的优势，因而在工业和民用上得到了广泛的应用，虽然相比其它几种方式数据传输速率低，但是本系统中的数据量并不会太大，该 技术完全可以满足。因而,系统选用低功率短距离无线通信技术作为无线通信技术的解决方案。 在低功耗要求方面，本系统通过选用大容量电池、低功耗电子元器件及制定合理的无线通信协议来解决。 由于 线的稳定性及其在工业数据传输网络中的广泛应用，系统采用口作为基站与外部网络的通信接口。 图 2统总体结构框图 整个系统的结构框图如图 2示。其中圆圈表示基站的信号覆盖范围，只有基站信号覆盖范围内的从站才能与基站正常通信。 站方案设计 本系统中的所有从站具有相同的结构， 每个从站具有 8 个传感器信号输入通道，这 8 个输入通道按其采集的对象可以分为如下 3 类： 一个电池电压输入通道； 一个温度传感器信号输入通道； 六个外接传感器信号输入通道； 硕士学位论文 第二章 系统整体方案设计及器件选型 8图 2从站结点的结构框图。 图 2站节点结构框图 从上图可以看出，从站节点由微处理器、传感器采集模块、放大滤波电路、多路开关、采样 /保持器、 A/D 模块、电源模块、时钟、 程接口及无线射频收发模块组成。主要完成以下功能： （ 1）采集各个通道的传感器数据，并进行 A/D 转换，对转换结果采用适当的滤波方式进行滤波，以减少和消除采集干扰。 （ 2）将滤波后的数据根据通信协议打包，通 过无线方式发往基站，并接收基站应答，若数据传输出错，重发数据帧。 站方案设计 本系统中，基站只有一个，作为接收各从站数据并把数据传输给外部网络的工具。其结构框图如图 2示。 图 2站结构框图 硕士学位论文 第二章 系统整体方案设计及器件选型 9从图中可以看出，基站由微处理器、时钟、 程接口、无线射频收发模块、电源模块以及 口等模块组成，主要完成如下功能： （ 1）利用无线射频收发模块接收各个从站发送的实时采集数据。 （ 2）将数据通过 口发送给工业 络，供上位机对数据进行存储、显示及进一步的分析处理。 要器件的选型 微处理器和无线射频模块是本系统最关键的两个部件， 从上面的分析可以看出，本系统所选用的元器件需要满足低功耗、低价格、开发简单的特点。 为应用系统的核心部件， 微处理器的选择对整个系统的性能起着至关重要的作用。 面向工控领域的单片处理器， 目前广泛应用的有 51 系列的 8 位单片机、面向大量数字信号处理领域的数字信号处理器 ( 增强型的 16 位单片机以及32 位的 片。 51 单片机作为从八十年代就开始流行的处理器，其价格低廉，开发技术成熟，应用广泛，但是其不足在于功能过于简单，计算能力有限，并且扩展麻烦、功耗高，已经不能适应于目前对测控系统功能和速度的要求。 件在工控领域的应用，从长远的观点 来看是一个必然的趋势。但从现阶段各种 件的情况来看，偏重高端应用领域，其结构功能设计侧重于有大量数字信号处理的场合，如雷达、多媒体等领域，不适合在数据处理量不大的小型系统使用。而且目前其价格较高，开发技术难度大。 片具有体积小、功耗低、低成本和高性能的特点，但是与 件一样，不适合应用在小型系统的场合。 作为这几类微处理器的一种折衷方案， 各大公司纷纷推出各种面向不同应用场合的增强型单片机，这些系列的单片机大多具有较强的功能模块接口功能，较高的处理速度， 大容量 往往处理器本身就已经一个小系统模式，仅仅需要一些简单的电容、电阻元件就可以工作。 本系统选用 国德州仪器公司 )公司的 列16 位单片机作为微处理器，其中基站选用 7，从站选用者的区别主要在于 有更大的储器和 是后者比前者具有更低的价格，在多个从站的系统中可以降低系统成本。选用这两款芯片的主要原因是 列单片机同其它16 位处理器相比具有超低功耗，因而非常适 合本系统对功耗的苛刻要求。除此之外，该款处理器芯片内还集成了 A/D、 很多外围模块，这可以进一步减少外围元器件的数量，进而降低系统整体功耗和成本。在开发方式方面，处硕士学位论文 第二章 系统整体方案设计及器件选型 10理器具有 口，程序调试和下载都非常方便，大大降低了开发难度。 两款处理器具有如下共同特点1820： （ 1）指令执行速度快。 8钟频率时，指令周期时间为 125大多数指令在一个时钟周期内完成。 （ 2）具有超低功耗。在工作电压为 3V，主频是 1时候，正常工作时消耗的电流小于 400外处理器还有 5 种不同的低功耗模式可供选择，芯片进入低功耗模式后，消耗电流的最少能够降到 1下。 （ 3）具有片上存储器。 内有 64K 2K 储器， 内有 16K 256 于存储程序指令和数据，适合快速的运算。 （ 4） 具有可选时钟源。 芯片有 3 个晶振可供选择， 芯片外围模块和 时钟源可以在 3 个晶振中灵活选择，根据不同的工作状态为 外围模块选择不同的时钟源，可以使芯片的性能发挥到最大、功耗降低到最小。 （ 5）芯片内置了 12 位的数模转换器 （ 6）具有 程接口，可以在一台 及一个简易的 制器的帮助下完成程序的下载、调试和仿真，开发非常方便。 部结构框图如图 2示， 内部结构除 储器分别为 2K 和 256 ，其余和 同。 图 2部结构框图 2. 无线射频收发芯片的选择 无线射频芯片是整个无线通信模块单元的核心部件， 它的选择成功与否将直接关系到整个无线数据采集系统的性能、成本和开发周期。正确的选择射频芯片硕士学位论文 第二章 系统整体方案设计及器件选型 11可以使研发过程少走弯路，降低成本，更快地将产品推向市场。基于本系统的实际需求，应该选用成本低、体积小、功耗低、集成度高、兼容性强、外围元件少、抗干扰能力强、接口简单、开发方便的无线射频收发一体芯片。 目前市场上无线收发一体类芯片较多，在选用时，主要参考以下原则2122：（ 1）收发芯片的数据是否需要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传输的效率，一般仅能达到标称速率的 1/3。 （ 2）芯片发射功率。 发射功率决定无线芯片的信号覆盖范围， 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