无线数据采集分析系统论文.doc

目 录第一章 绪 论1第一节 课题背景1第二节 无线数据采集系统的特点2第二章 总体方案设计4第一节 系统总体方案设计与论证4第二节 设计任务5第三节 系统组成及工作原理5一、系统组成6二、工作原理6第四节 主要器件选择与介绍7一、arm芯片 lpc21327二、nrf芯片nrf9058三、串口电平转换芯片9第三章 硬件设计10第四章 软件设计12第一节 通讯协议的设计12一、modbus协议简介12二、通讯协议的构建13第二节 采样控制15第三节 arm与nrf905的接口及软件设计16一、nrf905的spi寄存器配置17二、nrf905的工作模式19第四节 主机软件设计21一、主机界面设计说明23二、广播采样界面设计24三、数据读取界面设计24四、数值显示界面设计25五、波形显示界面设计26第五节 分机软件设计28一、 分机软件设计说明28二、 modbus命令识别模块设计29第五章 系统调试31第一节 硬件电路调试31第二节 主机与多个分机之间的通讯调试31第六章 总结32结 束 语33致 谢34参考文献35附 录36第一章 绪论第一节 课题背景我们今天的时代，已经进入了一个无线无处不在的时代。出门：我们使用手机打电话、发短信；在家：我们使用无绳电话；开车：我们使用gps 导航找路；上班：我们使用无线网卡上网，办公等等。随着技术进步，无线通讯和无线网络将迅速向我们日常生活中的各个方面扩展，嵌入式的无线通讯和无线网络正在向我走来，以无线片上系统(soc)为核心的低功耗，小体积，低价格嵌入式无线通讯和无线网络系统近年来得到了迅速发展，已经产生无数的新应用和新的市场。传统的数据采集系统是有线的，如果要采集多个地方的数据，布线将变的非常复杂，如果距离稍远些数据传输的可靠性将大大降低、并且数据传输速度也慢！如果我们采用无线数传方案，只需要在要采集数据的地方放置几个有无线收发模块的前端数据采集装置（分机）。手中只需一个有无线收发模块的主机，我们就可以管理那些前端的数据采集装置工作。并且主机具有良好的人机交互界面，操作简单，界面美观、清晰，达到实用的目的！这种计算机技术和射频无线技术相结合的无线数据采集技术将大大减轻人们的工作量。目前，新兴的短距离无线传输技术“蓝牙科技bluetooth”、“nrf技术”以无方向性与穿墙性的优势，迅速席卷市场；而“红外线传输irda”为应用较成熟普及的技术；红外传输（irda）技术虽然很普及、很成熟，但是其距离太短，抗干扰能力差，传输速度慢；蓝牙科技（bluetooth）虽然具有无方向性与穿墙优势，但是它开发成本高、软件及其协议编程不但复杂，传输距离只有10m；而nrf 方案集成了全部rf 和基带处理，真正的单片化，具有成本更低、功耗更低、协议简单、软件开发更简易等特点，传输几十米、数百米，甚至更远，其开发成本也远远低与蓝牙 。在众多国外著名半导体厂商花巨资投入蓝牙芯片和技术的研发中时，由于技术不能完全统一，成本难以降低等原因，蓝牙技术在国内的应用还非常少，而短距离无线数传有着巨大的商机。挪威nordic公司的无线通信芯片产品（nrf系列）收发合一，工作频率一般为国际通用的ism频段，采用低发射功率、高接收灵敏度的设计，所以使用时对周围干扰很小，无需申请许可证，传输速率为2076.8kbit/s，而在诸如远程抄表、双向无线数据传输等应用领域，完全可以满足其要求。与蓝牙产品相比，该产品具有成本更低、功耗更低、协议简单、软件开发更简易等特点。目前，国内一些企业正在针对该系列产品进行开发和系统集成工作，提供各种层次的技术方案。这样可以使用户迅速进入与世界同步的无线设计领域，用户的产品只需最短的设计及生产时间，并且从一开始就拥有完美的性能。这种低成本无线通信技术和解决方案适合中国国情，相信将会在中国拥有更广阔的市场前景。pite3190系列无线数据采集分析系统是深圳普禄科智能检测设备有限公司最新研制的无线数据采集分析系统，本文作者在普禄科公司有幸参与该产品的研发，并负责该产品的软硬件设计，本文所写的即是无线数据采集分析系统的设计。第二节 无线数据采集系统的特点目前市场上销售的无线数据采集系统，千差万别，形式各异。但就一套配置齐全、性能良好的无线数据采集系统而言，概括起来不外乎由传感器、 数据采集系统、 无线收发模块等几个主要部分组成，如框图1.21所示从图中可以看出无线数据系统由主机和前端数据采集装置(单片机)组成。主机主要完成的任务是：控制各前端数据采集装置（分机），对采集数据的实时处理和显示，并画出各采样点的波形；分机主要的功能是：接收主机命令，完成相应的功能（如完成数据采集和数据传输控制）。主机和分机的信息交换以射频无线（nrf技术）的方式实现，采用半双工的工作方式，通讯协议采用标准的modbus(rtu)协议。gfsk频率工作在ism频段，不需要申请。主机可连接多达255台分机，每分机可采集4路数据，并可实时监控分机的电源电压，采集速度及缓存容量均可通过软件编程设定。整个系统可随时通过rs232接口更新软件，方便以后系统升级！第二章 总体方案设计第一节 系统总体方案设计与论证根据前面的介绍，我们知道目前新兴的短距离无线传输技术有：红外线传输irda，蓝牙科技bluetooth，nrf技术（事实上nrf并不是一种协议，只是由于其nordic公司的nrf芯片应用十分广泛，因此在此与bluetooth和irda等协议相提并论）。由于红外线传输irda距离太短，抗干扰能力差，传输速度慢，所以舍弃这种方案。下面仅将蓝牙与nrf作比较：表2.1 蓝牙与nrf方案比较方案硬件设计接口方式编程通讯速率通信距离蓝牙方案由多个芯片组成，由发射接收处理，基带处理等多个芯片组成，硬件较复杂。复杂，时序要求严格。通信协议和软件堆栈复杂，需要较长时间熟悉。300-400kbps10米nrf方案高频电感和滤波器等已全部内置，所需外围元件较少。简便，只需和单片机i/o口或spi口相连。编程较方便。100-1mkbps室内约30-100米， 室外约100-500米。比较nrf方案集成了内部rf和基带处理，真正的单片化，设计调试容易，成本低。nrf较为方便。nrf方案开发周期短。nrf速率较高，更适合多频道的数据传输。nrf距离更远，更适合无线数据采集系统。从上面的比较可以看出，采用nrf方案要优于蓝牙。因此，本系统初步选定nordic公司生产的nrf905芯片作为系统无线收发模块的核心。 上表中的“通信距离”中给出的数值源于媒体的报道与推广该芯片的公司给出的宣传材料，下面我们根据nrf905 datasheet中给出的一些器件参数来计算nrf905的通信距离。 首先给出自由空间传播时的无线通信距离的计算方法（所谓自由空间传播指天线周围为无限大真空时的电波传播，它是理想传播条件。电波在自由空间传播时，其能量既不会被障碍物所吸收，也不会产生反射或散射。通信距离与发射功率、接收灵敏度和工作频率有关 ：lfs(db)=32.44+20lgd(km)+20lgf(mhz) 此式即为自由空间下电波传播的损耗公式，式中lfs为传输损耗，d为传输距离，频率的单位以mhz计算。 由上式可见，自由空间中电波传播损耗（亦称衰减）只与工作频率f和传播距离d有关，当f或d增大一倍时，lfs将分别增加6db. 下面计算nrf905的理论通信距离。 根据905的datasheet，其发射功率为10dbm，接收灵敏度-100dbm，工作频率为433.2mhz。由式计算得到：d=17.5km。这是理想状况下的传输距离，实际的应用中是会低于该值，这是因为无线通信要受到各种外界因素的影响，如大气、阻挡物、多径等造成的损耗，将上述损耗的参考值计入上式中，即可计算出近似通信距离。 假定大气、遮挡等造成的损耗为40db，可以计算得出通信距离为：d=180m。通过上面的论证，我们不难看出nrf905在“传输速率”、“距离”、“接口简便性”等方面完全可以满足本系统的要求。因此，本无线数据采集系统最终选择nrf905芯片作为本系统的无线收发的核心。第二节 设计任务本无线数据采集系统是应用在机车活接地监测系统上的，根据pite3190无线数据采集分析系统项目规划书的设计目标，概括出与本系统有关的要求如下：1、确定能满足要求的总体方案及所需元件型号。 2、用altium designer 6.0完成原理图的设计，pcb图绘制，制作电路板。 3、设计通讯协议。 4、熟悉arm单片机lpc2132和无线收发芯片nrf905的使用。 5、用arm/c开发工具arm developer suite进行arm程序编程，完成与整个系统软件的设计。6、在主机上设计一简单的人机操作界面，完成各个功能软件的调试，使其操作简单，界面美观、清晰，达到实用的目的。 7、不断对软件进行修改验证排错，直到满足系统要求。第三节 系统组成及工作原理一、系统组成系统框图如图2.31所示，从图可以看出点对多点式无线数据采集系统分为两大部分：主机和分机。分机如图2.32所示：主要由传感器、前级处理电路、带有a/d转换的arm单片机lpc2132、无线收发模块nrf905组成；主机如图2.33所示：由arm单片机lpc2132、无线收发模块nrf905组成。图2.31 系统框图无线收发模块（nrf905）arm单片机（lpc2132）显示屏rs232图2.33 主机原理框图二、工作原理无线采集系统主机部分是基于一个支持实时仿真和跟踪的32位arm7tdmi-stmcpu的微控制器的平台上设计的，而arm7tdmi-s使用了流水线技术，处理和存储系统的所有部分都可以联系工作。lpc2132是每时每刻都在扫描按键的状态，可以利用中断或者查询的工作方式，对按键的状态进行处理，执行相应的功能，同时功能可以用液晶显示出来。当进入“选择采样分机”这一界面时，按下“分机一”或者“分机二”即发送相应的modbus(rtu)控制命令到分机，此时无线模块（nrf905）自动上电，modbus(rtu)控制命令数据包自动完成加前导玛和crc 校验码后被发送。分机中的无线收发模块nrf905不断的监测空中信息，当nrf905 发现和接收频率相同的载波时载波检测cd 被置高，当nrf905 接收到有效的地址时地址匹配am 被置高，当nrf905 接收到有效的数据包crc 校验正确时，nrf905 去掉前导码地址和crc 位，数据准备就绪dr 被置高， mcu（lpc2132） 通过查询dr和am两管脚都为高后就设置nrf905 为standby 模式，并以合适的速率通过spi 接口读出有效数据。一个完整的modbus(rtu)命令接收完后，mcu（lpc2132）对该命令进行一定的处理，然后执行相应的功能。如进行广播采样、发回采样数据等。第四节 主要器件选择与介绍一、 arm芯片lpc2132lpc2132是菲利浦公司生产的arm7tdmi-s 处理器，lpc2132 是基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的32/16 位arm7tdmi-stm cpu 的微控制器，并带有64kb的嵌入的高速flash 存储器。128 位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32 位代码能够在最大时钟速率下运行。对代码规模有严格控制的应用可使用16 位thumb 模式将代码规模降低超过30%，而性能的损失却很小。特性： 16kb 片内静态ram。 片内boot 装载软件实现在系统/在应用中编程（isp/iap）。扇区擦除或整片擦除的时间为400ms，1ms 可编程256 字节。 1 个8 路10 位a/d 转换器共包含16 个模拟输入，每个通道的转换时间低至2.44us。 1 个10 位d/a 转换器，可提供不同的模拟输出。 2 个32 位定时器/计数器（带4 路捕获和4 路比较通道）、pwm 单元（6 路输出）和看门狗。 实时时钟具有独立的电源和时钟源，在节电模式下极大地降低了功耗。 多个串行接口，包括2 个16c550 工业标准uart、2 个高速i2c 接口（400 kbit/s）、spi 和ssp（具有缓冲功能，数据长度可变）。 向量中断控制器。可配置优先级和向量地址。 9 个边沿或电平触发的外部中断引脚。 通过片内pll 可实现最大为60mhz 的 cpu 操作频率，pll 的稳定时间为100us。 片内晶振频率范围：130 mhz。 2 个低功耗模式：空闲和掉电。 可通过个别使能/禁止外部功能和降低外部时钟来优化功耗。 通过外部中断将处理器从掉电模式中唤醒。cpu 操作电压范围：3.03.6 v (3.3 v+/ 10%)，i/o 口可承受5v 的最大电压。二、nrf芯片nrf905nrf905 采用nordic 公司的vlsi shockburst 技术，shockburst 技术使nrf905 能够提供高速的数据传输而不需要昂贵的高速mcu 来进行数据处理/时钟覆盖。通过将与rf 协议有关的高速信号处理放到芯片内，nrf905 提供给应用的微控制器一个spi 接口，速率由微控制器自己设定的接口速度决定。采用高斯频移键控（gfsk）调制技术，调制在100kbps。频率偏离在50khz。高斯频移键控调制较普通的频移键控在更宽的带宽传输连接有效。数据在内部进行曼切斯特编码（tx）和曼切斯特解码（rx）。通过采用内部曼切斯特编解码，微控制器不需要制定编解码规则。nrf905 单片无线收发器工作在433/868/915mhz 的ism 频段。由一个完全集成的频率调制器，一个带解调器的接收器，一个功率放大器，一个晶体震荡器和一个调节器组成。shockburst 工作模式的特点是自动产生前导码和crc 。可以很容易通过spi 接口进行编程配置。电流消耗很低，在发射功率为-10dbm 时发射电流为11ma， 接收电流为12.5ma。进入powerdown 模式可以很容易实现节电。特点 真正的单片、极少的材料消耗、无需外部saw 滤波器。 低功耗shockburst 工作模式。 多通道工作 etsi/fcc 兼容、通道切换时间st_by 模式3msstbyshockburst tx模式650usstbyshockburst rx模式650usshockburst tx shockburst rx模式550usshockburst rx shockburst tx模式550us第四节 主机软件设计ads编辑环境及文件基本结构 点击“”即可展开相应的文件夹。后3个文件夹中各自包含多个c文件，相应的头文件存放于该文件夹中的二级文件夹，展开二级文件夹，即可看到相应的h文件。本程序结构参考了国际知名软件uc/os-ii的头文件写法，即头文件包含头文件，基本上在c文件中都只使用一个包含语句“#include config.h”，所以在config.h（存放于）文件中，必须列出你的程序所应用到的h文件，这些文件包括driver、gui、user等的头文件。这样做的坏处只是程序编译的时间变长了一点点，带来的好处却是程序结构清晰，容易管理。主机程序结构说明arm主程序使用的是任务不可剥夺的任务循环检测机制。初始化完成后，程序进入主循环(消息环)，循环检测不同的事件标志位。如有事件触发，执行相应的任务，完成后返回主循环，等待下一次的事件触发。由定时器t0产生一个定时器事件（g_bmsginttimer0），用于扫描键盘。如有按键按下将g_bmsgkeypress置一个标志位(即产生一按键事件)。根据当前任务及所按下的键(其键值)执行相应的操作。用户事件由键盘操作产生。主程序流程图如下图4.41所示：初始化开始定时时间到了吗？有无按键按下？是否更新任务？菜单处理处理键盘事件处理用户事件ynynn y 图4.41 主程序流程图一、 主机界面设计说明无线数据采集系统的主机系统界面设计流程图如图4.42所示：开始更新界面任务? 显示界面任务1case 0case kcase n显示界面任务k显示界面任务n结束 图4.42 任务调度流程图系统主界面要有良好的人机交互界面，界面美观、清晰，操作简单，达到实用的目的。主界面如下图所示：图4.43 主界面（一）测试界面的设计 图4.44 测试界面功能：在此界面下，可对分机进行操作。并对采回的数据进行分析和处理。（二）管理界面的设计图4.45 管理界面此界面下的具体功能还未编程实现！二、广播采样界面设计 图4.46 广播采样界面功能：在此界面下，主机发送广播命令给分机，所有分机接到此命令后，同时进行采样工作！程序设计思想：点击广播采样，主机就会把广播命令发送出去。三、数据读取界面设计图4.47 分机选择界面功能：在此界面下，选择相应的分机时，主机就会把访问此分机的modbus命令发送出去，并等待分机传回数据。分机收到命令后把采样数据传回给主机！在本设计中，分机每通道传1k数据给主机。程序设计思想：选择需要读回数据的分机，主机就会相应的命令发送出去，并等待分机响应，传回数据！同时在液晶上显示相应的指示，方便用户操作。例如点击分机一则程序如下： for(txcnt=0;txcnt14;txcnt+) transmitpacket(modbus_buffer0txcnt);/发送读取分机数据命令 delay_ns(5); /一帧命令中，各字节之间的延时，确保接收无误 lcdcleararea(9,11,120,53); lcdshowstr(12,25,读1号分机数据中.,0); do setrxmode(); /置接收模式 scandr = io1pin; scanam = io1pin; if(scandr&dr)&(scanam&am) /等待无线收到数据dr=1，am=1 io1clr |= csn; /spi读数据 io1clr |= trx_ce; /进入standby模式 spireadwrite(rrp); /读取数据 g_ucbusrecebuff0g_usmodbusrececnt+ = spireadwrite(0); io1set |= csn; io1set|= trx_ce; while(g_usmodbusrececnt3073); /判断数据是否读完 lcdcleararea(9,11,120,53); lcdshowstr(12,25,1号分机数据读完!,0);四、数值显示界面设计图4.48 数值显示界面功能：在此界面下，可对采回的数据进行简单的数值计算，算出各点的电压、电流值。在这里只对两个分机的数据进行了处理！程序设计思想：把分机的采样数据进行简单的数值计算，最后把结果打印在屏幕上。具体计算方法是，先把采样值转换成电压值，计算公式是uo=采样值*2450/256。然后在把所有值累加后求出平均。由于为了测量负信号，电路抬高了零点，所以在最后还要减去零点57