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基于ARM的无线数据采集系统.doc

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基于ARM的无线数据采集系统.doc

电气工程学院毕业设计第1页共88页引言在现代工业、农业、医药等生产过程中,温度、湿度、酸碱度、气体含量等环境参数的实时监测极为重要,环境参数的变化将极大地影响产品、农作物、医药等的质量,必须将检测到的现场环境参数及时无误地传到控制中心,而且对于大范围、大面积、大数目的现场环境监控而言,传感设备的布线和系统维护,以及对移动设备的实时监控,存在巨大的成本和技术问题。随着无线通信技术、计算机技术的高速发展并应用到传感器技术中,传感器数据的无线数据采集成为可能,其特有的性能比传统数据采集系统更具优势。它可应用于布线和电源供给困难的区域、人员不能到达的区域如高温、严寒、高湿的区域,受到污染的区域或环境被破坏的区域和一些临时场合等,实现了传感系统的远程测试,这也是信息时代测试的必然趋势。现在市面上的现场无线采集设备多为一对一采集模式,且存在传输距离短,传输速度慢,抗干扰能力差,可靠性和稳定性都不够高等问题。在本设计中针对这些问题展开思考与研究,本设计能应用于供水、石化、环保、煤气、电力等各个行业,能为众多系统集成商、自动化公司和研究所提供一种具有极高性价比、稳定可靠的无线数据采集产品设计方案。在本设计中采用了ARM7处理内核微控制器,提高数据处理的能力,使用高性能的单片RF收发IC加大了无线传输距离与抗干扰能力,采用优于RS232通信接口的RS485通信接口完成与PC机的连接,并可由PC通过LAN完成大范围建网。系统设计还设计安全可靠的隔离电源,使系统的稳定性和可靠性得到很好的保障。1设计要求在设计中,模拟使用环境为工业现场。其中使用环境温度0℃~50℃,存储温度﹣40℃~﹢80℃,大气压力86KPa~106KPa,相对湿度10R~90R。表1.1.1为在以上环境中具体的系统设计要求。电气工程学院毕业设计第2页共88页表1.1.1无线数据采集系统设计要求整机部分项目单位指标工作电源V24VDC±10环境温度对输出影响ppm/℃≤200绝缘强度V≥1000无击穿/无飞弧绝缘电阻MΩ≥100误码率≤10E4数据刷新周期s≤1通信频段MHz≥315无线传输速率bps≥9600有效传输距离m空旷>100,室内>20被测控制数≥8通信协议支持MODBUSASCII,波特率和奇偶校验可软件设置通信接口方式RS485接口或RS232接口安装方式卡式导轨安装或者底部螺丝固定上位机部分项目单位指标上位机平均功率mW≤1000发射功率dBm≥5控制信号频率次/S≥2接收数据频率次/S≥16与PC通信速率bps≥9600下位机部分项目单位指标下位机平均功率mW≤800接受灵敏度dBm≤–100采样频率次/S≥1采集分辨率位≥16电气工程学院毕业设计第3页共88页发送数据频率次/S≥1下位机采集通道数≥2采集输入信号V0~5精度0.2FS±1字2系统方案论证与设计2.1控制器方案论证由表2.1.1可知ARM处理器丰富的资源和优越的性能,都是单片机无法比拟的。单片机因其功能有限,只能应用于简单的控制电路或辅助控制电路,其处理大量数据的能力不强。在本设计中选择ARM处理器来处理多台下位机的同时通信,不仅能加大系统容量,还能提高上位机数据刷新速度。ARM微处理器与单片机接口资源对比见图2.1.1。表2.1.1系统控制器方案对比控制器优点缺点单片机实现简单,开发成本低,周期短。处理能力不强,被控对象少,易被干扰。ARM资源丰富,处理能力强,扩展简单。开发成本、周期比单片机要高、要长。图2.1.1ARM微处理器与单片机接口资源对比单片机ARM71路串行输入2路外部中断输入8位数据/地址输入2路计数输入8位数据/地址输出1路串行输出2路定时器输出32位数据/地址输入4路以上串行输入8路12位ADC输入32位数据/地址输出4路以上串行输入LCD信号输入1路以上PWM通道1路10位DAC输出9路以上外部中断输入8路定时器输出电气工程学院毕业设计第4页共88页2.2无线通信方案论证GPRS无线模块,适合于地区范围内外的无线数据传输,但其受到GPRS网络的限制,而且需要支出运营费用,图2.2.1为GPRS采集方式原理方框图。2.4GHz无线传输模块抗干扰能力强,稳定可靠,但其电路复杂,调试困难。从表2.2.1中可以看出,920MHz以下无线通信模块即可满足系统的设计要求,其在业界的应用方案也比较多,而且电路简单,不需要调试即可使用。表2.2.1系统无线通信方案对比无线模块传输距离信道数传输速率采集对象数成本920MHz以下模块50300m110道300-19200bps1100较低2.4GHz模块505000m12120道1Mbps以上1100较高GPRS模块受网络限制受网络限制受网络限制受网络限制很高图2.2.1GPRS采集方式原理方框图2.3A/D采集方案论证目前业界专用ADC芯片,外围电路结构越来越简单、精度越来越高,可靠性与稳定性都要远远高于ARM处理器集成的A/D转换器。并参考表2.3.1各自优缺点。在设计中选用专用A/D芯片完成模拟量采集。表2.3.1A/D采集方案对比A/D采集位数优点缺点ARM处理器集成A/D12位无需外加IC,电路简单。可靠性不高,采样频率低。专用A/D芯片1632位不占用CPU资源,精度高。外围电路结构较复杂。GPRS传输设备GPRS传输设备GPRS传输设备基站电缆控制中心基站电气工程学院毕业设计第5页共88页2.4与PC通信接口方案论证USB接口高速的通信速率、简单的电路结构和优良的兼容性是其最大的特点,但在本设计中,并不需要很快通信速率,且USB的开发周期较长。在工业控制领域中多采用RS232与RS485通信接口。鉴于RS232接口的传输距离短,抗干扰性差,传输速率慢等缺点,因此选择RS485接口与PC机连接。其各自的优缺点见表2.4.1。接口简单电路结构见图2.4.1。表2.4.1与PC通信接口方案对比接口协议传输速率优点缺点RS232Modbus300115200bps成本低,开发周期短。距离短,速率慢。RS485Modbus4800115200bps传输距离长,抗干扰能力强。电路较复杂。USB1.1USB1.112M传输速率快,与PC兼容性好。距离短,周期长。图2.4.1三种通信接口电路结构对比2.5系统硬件方案选择系统控制部分采用Philips公司生产的工业级ARM7内核微控制器LPC2131,并选用通用ISM频段FSK单片收发芯片IA4421。无线数据传输速率定为9600bps,无线通信协议采用Modbus通信协议,上位机与下位机采用半双工通信模式。本设计在A/D采集部分使用低功耗模数转换芯片CS1160,其有效分辨率可达16位。系统具体硬件方案选定见表2.5.1。电平转换器电缆电平转换器RS232通信差分接收器差分接收器RS485通信电路结构TXDRXDRXDTXDTXDRXDRXDTXDUSB控制器USB控制器电缆USB通信电路结构数据线DD–DD–电气工程学院毕业设计第6页共88页表2.5.1系统硬件方案选型名称方案具体型号与参数特点控制器ARM控制器LPC2131内部资源丰富,处理迅速,适合于工业控制领域。无线通信433MHz单片无线收发ICIA4421无需调试,容许快速调频,兼容SPI串行接口。PC机接口RS458接口通信速率9600bps通信速率基本能够满足要求。A/D转换器专用A/DCS1160高精度、低功耗模数转换,有效分辨率达16位,PGA及自校正功能。基准源芯片高精度基准源LM285D2.5能提供精确基准源,减少误差。电源设计DCDCMC34063能够有效的隔离电源引入的干扰。2.6系统整体方案设计在图2.6.1中的下位机结构方框图中,输入的0V~5V电流信号依次经过过流、过压保护电路,输入衰减电路,抗混叠滤波电路后进入A/D转换器完成模数转换,控制器对转换后的数据进行软件滤波处理并存入缓冲区,最后数据通过无线通信模块以反馈形式发送给上位机。上位机可根据需要发送控制信号控制下位机执行器工作。下位机在第一次使用前需要对数据进行校准,这个校准的过程是通过下位机的RS232接口连接到PC机,并通过专门的校准软件来完成的。下位机在长时间使用时,也需要每隔一段时间对下位机校准一次,保证采集数据的精确可靠。图2.6.1下位机结构框图A/D变换CS1160模拟信号过流、过压保护ARM7控制器LPC2131无线模块PC机校准隔离输出RS232接口执行器EEPROMI2C总线电气工程学院毕业设计第7页共88页上位机在接受到数据后通过RS485接口传输给PC机,并会将一些重要数据写入EEPROM进行保护存储。PC机通过专门设计的监控软件完成实时数据的显示和存储。设计中采用Modbus通信协议做为无线通信协议与RS485接口通信协议。上位机结构方框图见图2.6.2。图2.6.2上位机结构方框图如图2.6.3所示在无线数据采集系统结构方框图中PC机通过无线局域网(802.11b/g)方式实现组网与PC数据交换。最大范围的实现统一监控,统一控制。单、多个节点的损坏并不会影响整个系统的正常使用。图2.6.3无线数据采集系统结构方框图ARM7控制器LPC2131无线模块PC机RS485接口EEPROMI2C总线采集分机1RF模块采集分机2RF模块采集分机16RF模块......RF模块上位机PC采集分机1RF模块采集分机2RF模块采集分机16RF模块......RF模块上位机PCLANPC...电气工程学院毕业设计第8页共88页3硬件开发工具、特点、流程与要求3.1硬件开发工具介绍2005年年底,Protel软件的原厂商Altium公司推出了Protel系列的最新高端版本AltiumDesigner6.0。AltiumDesigner6.0是完全一体化电子产品开发系统的一个新版本,是业界第一款也是唯一一种完整的板级设计解决方案。AltiumDesigner是业界首例将设计流程、集成化PCB设计、可编程器件设计和基于处理器设计的嵌入式软件开发功能整合在一起的产品,一种同时进行PCB和FPGA设计以及嵌入式设计的解决方案,具有将设计方案从概念转变为最终成品所需的全部功能。图3.1.1为AltiumDesigner6.0开发环境界面。图3.1.1AltiumDesigner6.0开发环境界面AltiumDesigner6.0在原理图设计部分,新增加灵巧粘贴可以将一些不同的对象拷贝到原理图当中,比如一些网络标号,一页图纸的BOM表,都可以拷贝粘贴到原理图当中。原理图文件切片,多个器件集体操作,文本框的直接编辑,箭头的添加,器件精确移动,总线走线,自动网标选择等。在信号仿真部分,提供完善的混合信号仿真,在对XSPICE标准的支持之外,还支持对Pspice模型的电路仿真。对FPGA设计提供了丰富的IP内核,包括各种处理器、存储器、外设、接口、以及虚拟仪器。图3.1.2为AltiumDesigner6.0原理图开发界面。电气工程学院毕业设计第9页共88页图3.1.2AltiumDesigner6.0原理图开发界面AltiumDesigner6.0在PCB设计上除拥有实时的阻抗控制布线、SitusTM自动布线等新功能以外,还着重在差分对布线,FPGA器件差分对管脚的动态分配,PCB和FPGA之间的全面集成等方面做出了改进,从而实现了自动引脚优化和非凡的布线效果。还有PCB文件切片,PCB多个器件集体操作,在PCB文件中支持多国语言,任意字体和大小的汉字字符输入,光标跟随在线信息显示功能,光标点可选器件列表,复杂BGA器件的多层自动扇出,提供了对高密度封装的交互布线功能、总线布线功能、器件精确移动、快速铺铜等功能。图3.1.3为AltiumDesigner6.0PCB开发界面。图3.1.3AltiumDesigner6.0PCB开发界面

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