无线射频的IMU数据无线传输系统设计方案

1、中北大学毕业设计报告学生姓名： _号 ： _学院、系：机械工程与自动化学院机械自动化系专业：机械电子工程基于无线射频的IMUIMU数据无线传输系统设计题目:设计指导教师：20182018年3 3月1515日毕业设计报告1.结合毕业设计情况，根据所查阅的文献资料，撰写2000字左右的文献综述：文献综述1.1无线传输系统设计的研究背景信息传输是信息化的重要基础 和支撑。从烽火、骚站信号传递到今天现代化的电子 信息传输，信息传输技术己成为先进的生产力，也是先进的战斗力。在未来信息化战 争中，目的探测、跟踪、识别，作战命令的下达，各种作战平台的控制，都要通过信 息传输系统来实现。无线数据通信是现代军事

2、通信中广泛使用的信息传输手段，在战略、战术上都占 据着分重要的位置。由于军事卫星通信手段在未来战争中易被摧毁且难以紧急恢复 等弱点，人们线短波、超短波数据通信的军事价值有了新的认识，所以，目前乃至今 后军事领域的通信仍将是短波和超短波通信最重要的市场。短波通信广泛用于传输电报、电话、数据和静态图像。短波通信可用较小的发射 功率接进行远距离通信 。短波通信建立迅速，便于机动，能同运动中的、方位不明 的、以及被对方分割或自然障碍阻隔的部队进行通信联络，是军用无线电通信的主要 方式之一。超短波通信在军事领域中也占据极其重要的地位，是战术指挥联络的重 要手段之一。它的特点在于设备简单、适用于近距离移动

3、通信。近十几年来，随着移动通信技术飞速发展，越来越多的信息采集和远程控制系统 采用了无线数据传送技术。与有线数据传输相比，无线数据传输布线成本低、安装 简便、便于移动的优点，使其在遥控遥测、门禁系统、无线抄表、小区传呼、工业数 据采集、无线遥控系统、无线鼠标等领域都得到了广泛的应用，而且它在高科技领域的应用也正在迅猛发展，比如卫星、导弹、无人侦察机等的数据采集，遥控机器人 等的控制，以及一些监控设备等16。此外，在现代军事通讯领域方面，无线传输技术也有重要的战略地位。在未来高 科技战斗中，由于军事卫星通讯手段在未来战争中容易被摧毁且难以紧急恢复，所以 人们可以利用无线短波、超短波等方式实现数据

4、是无线传输，因而取得战争中的主动 权。民用方面，在一些线路架设比较困难的地方，或者有天然的阻隔的地理条件较 复杂较恶劣的地方数据的无线传输便显示出了巨大威力。无线传输还便于通讯设备移 动，具有明显的灵活性。1.2数据无线传输的发展现状及前景短波数据通信通常利用 BF频段的3kHz带宽传输数据，即基于传统话音信道上， 通过调制解调器将数据信号转变为音频信号通过音频口进行传输10 o目前，我军常用通信体制有：定频MODE并行、串行、最低限度、中低速 和慢速 跳频（串行5/10/20 跳/秒，最高速率支持2400比特/秒vbps。另外，近年来，研制 成功了极低速数据传输系统，在强干扰环境下仍然能够保

5、证数据通信不间断。对于定 频高速数据传输，目前流行的有两种体制的调制解调器12，短波高速并行调制解调器和短波高速串行调制解调器。随着数据业务量的增加和业务种类的拓展，对于短波高速数据传输的需求也日益 增强，为了获得更高的通信容量，支持更多业务应用，研究和开发2400bps以上的短波高速数据传输技术具有重要的现实意义。另一方面，为了提高抗干扰、抗截获和信 息传输可靠性，需要进行很低速率数据传输系统的研制。美军已将短波通信网作为国防骨干通信网的接入网。为了支持包括IP在内的更多业务，高速数据传输是短波通信的一个重要方向18。综合利用高效编码、拓展带宽及抗衰落技术，才能使短波高速数据传输成为可能。另

6、外，我军必须考虑复杂战场电磁 环境情况下短波通信的顽存能力，因此，抗干扰、低截获数据传输成为短波数据通信 的另一个重要研究方向20，综合利用弱信号检测、千扰识别抑制、抗截获波形设计等 关键技术，将使短波通信充分发挥应急通信的作用。1.3本课题研究的意义本次课题研究的内容是通过C8051F020单片机控制无线数据传输芯片NRF24L01，以此 来实现数据的无线传输，无论是在国防军事方面，还是民用通讯方面都有很重要的研 究意义15 o惯性测试单元VIMU ）具有的特点是实时性，因为零偏会随着时间的变化而变化，必须 随时进行跟踪。当系统装入弹体后，必须通过无线数据发送模块将系统实时的零偏、 标度因数

7、等参数随时发送到地面，这样可以得到实时的数据，进行实时解算，得到解 算的参数，从而可以对导弹的飞行姿态等各种参数进行实时的调整。所以，本课题通 过单片机控制，将IMU采集到的数据实现短距离的无线传输，在测试领域具有重要的 意义。毕业设计开题报告2.本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段 ,无线发送芯片将数据发送出去。同样，接收端单片机（C8051F020通过SPI总线控制接收端芯片，将无线传输过来的数据接收，并将数据传 送给上位机，从而实现了对IMU数据的采集、转换、无线传输、以及存储。系统整体流程图如图1所示：图1.整体设计流程图2.2.2 数据采集模块单片机C8051F020内部有实现

8、数据转换所需要的 ADC和DAC其中ADC有两个，一 个是9通道12位分辨率的逐次逼近寄存器型 ADC另一个是8通道8位分辨率的逐次 逼近寄存器型ADC转换方式、速率等都可通过程序设置。从IMU采集到的6路传感器数据是模拟信号，通过端口 Ain0Ain7被采集到单 片机内部，通过内部的AD转换电路将模拟信号转换成8位精确度的数字信号，并将数 据存储到数据字寄存器中，等待进一步将其传送到无线数据发送芯片内部。223数据传送输模块发送端单片机C8051F020单片机C805仆020有三个串行口，其中SMbus是兼容于I2C串行扩展总线，还有SPI 串行扩展接口，以及两个增强型UART串口，它们可同

9、时与外界进行串行数据的传输。 本次课题研究采用是的是SPI串行外设接口，它是一个4线vMOSI、MISO、SCK、NSS ）、全双工串行总线，支持在同一总线上将多个从器件连接到一个主器件上，可以通 过程序设计工作方式。通过编写程序，将转换完成的数字信号通过SPI串行外设接口传送到无线数据发送芯片NRF24L01中。2.2.4数据发送模块无线射频芯片NRF24L01工作于2.4GHZ的ISM频段，具有高达2Mbps的传输速度，内置 CRC校验和出错重传机制，在2Mbps的速度下，接收电流仅为12.3mA，发送电流仅为1 1.3mA，功耗很低。发送端单片机C8051F020可以通过编写C语言程序对

10、无线射频芯片 NRF24L01的参 数进行设置，将其设置为发送模式，然后等待外部中断的输入，当中断输入，则控制 芯片将数据发射接收模式，如果在有效应答时间内收到应答信号，则认为数据成功发 送到接收端，如果没收到则重新发送数据，若自动重发计数器ARC_RT溢出，则IRQ引脚产生中断，通过写状态寄存器来复位。若收到应答信号，则认为数据成功发送到接 收端，则继续发送TX FIFO寄存器中的下一包数据。2.2.5数据接收模块接收端单片机C8051F020可以通过输入C语言程序对无线射频芯片 NRF24L01的参 数就行设置，设为接收模式以接受检验信号。接收到检验信号后，NRF24L01的自动应答功能会

11、发送应答信号给发送端已确认收到信号，接着NRF24L01通过IRQ中断通知接收端单片机，单片机进行数据接收并将其传送给上位机。接收端的单片机在接收到中断的同时，要同发射端芯片进行时间上的协同，以此 来保证发送和接收的配合。最后清除 NRF24L01的状态寄存器，再次为下一次数据的接 收做好准备。2.3软件设计模块2.3.1发射部分程序设计先编写初始化程序，设置单片机的初始状态，再写AD转换程序，将模拟信号转换为数字信号。然后，编写时序，从寄存器中读出数据，发送给无线传输芯片，无线传 输芯片便会自动将TX FIFO寄存器中的数据依次发送出去。程序流程图如图2所示：图2.发射部分程序流程图2.3.

12、2接收部分程序流程设计写编写程序，设置单片机寄存器的初始状态，以及接收芯片的初始状态，然后编 写接收程序，将接收芯片的RXFIFO寄存器中的数据读出来，通过串口，传送给上位机。程序流程图如下：图3.接收部分程序流程图参考文献1 LAWRENCE A. Modern in ertial tech no logyM.New York:Spri nger-Verlag.2 CHATFIELD A B. Fun dame ntals of high accuracy in ertialnavigationM.Americanlnstitute of Aeronautics and Astronauti

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14、数据传输系统设计J.国防科学技术大学，2008.9罗利春，王越.短波通信100年与通信电子战的新课题，系统工程与电子技术，1998 （1110阎石.数字电子技术基础 第四版）M.北京：高等教育出版社，1998.11徐煜明.C51单片机及应用系统设计，电子工业出版社，2018.12毕满清，韩炎.模拟电子技术基础M.电子工业出版社，2006.13刘平南，徐良.数据通信技术M.中国高等教育出版社，2004.14时志云，盖建平.新型高速无线射频器件nRF24L01及其应用加国外电子元器件，200714古凌云，穆平安，戴曙光.nRF24L01在ABS实验平台上的应用，2018.15范博，杜平.现代无线通信电路设计与实现，2009.16季行健，郑青