（精密仪器及机械专业论文）基于无线控制与无线传输的数据采集系统(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

南京理工大学硕士论文基于无线控制与无线传愉的 数据采集系统 abs tract some p r o b l e it 肠are 雨5 抚 din ai g n a 10 u tp ut w a y加 丘 m c t l on d e t ec t l n gof 暇el e r o m e t e r. 习 过 y 1 m u . soa d 创 a ， 朗 q u 1 s iti onsys1 e misdesi gne d inthis di ss e rt a t i ont h a t b as e d on、 v ir e le ssc o n t r o l and 初re less t n ” ” m l s si on， 山 e d al 透韶 q u l siti onand m e m o ryare c o 11 tr o l 1 e d usin g w 1 r e 1 es s w a y and the d a1 泊15 加 劝 5 而囚 tothe u p p e r c o m p u te r ai so讹 i n g the 诚re l ess w a y， the 加叨v e 苗 e d t ofl e a d 吟 15代 50 】 v e d e 价 l i v e l y 即 d t hei ni e rfe对 n g nois eisres t r a i n ed atthes 刃 刀 e t 汕e. t h e si gl 扭 i c h 叮 a c t e ri stic ofthe meas ur e d obje ctand the 丘 m c t i onofthe sy s t e mare 即 月 】 y ze d in而s di s se 对 at l 叽 即d g e n e rul pl andssi gnisal soili 侧 m in 成 e d d e 面le d l y . inth e 留 伴c t ofh ar d w ai e desi gn， n r f 240lofn 0 d icc o m p any isc h 0 s enasthe conunamc at 1 on module and at89c 51isc h o sen for con t r o 】 丘 口 c t l onofd a 扭a 闪 p l s iti onin而s sy s t e ma/d 仃 出 ” fer c i 代 u l 仁 m e m o ryc 诫山 七 助d w 止 e less 廿 aj ” 面ssionc in =u i t are desi gnedin面s p a rt ， a series成朋 石 in te rfer en c e mea s 切 咒 s are b r o u ght fo 邝知 月勿 。h山 e . pectofsoft 场 也e des l g 氏 the thou g h t and p r 玲 es s ofm odu l ar 汤 团desi gnare de sc ri be d w hi chi n c 1 u d e d the desi gnof the lnamp r o gr 印 叮， s u b p r o gr 印 力阳d in t e rrup 石 o n r e q u e sts e r v 1 cero ul i n e ofevery p art， 助 dth e n ow di a gr 山 nare ai sogi v en. at l 喊 the gl o b 司d e b u g gi ng ofthis s y s t e mis a c o m p l i s h ed. d e b u g g i n g 此 s ult l n d l c at e d th atthe d at a a c q ， l sitionoft e n c b 双 m el s 初thl6b itscoul d beac hi e v e d inw 云 e l ess w a y usi n g 面s sy ste叭d al 透 忆 通 5 面ss in n ” 戒 e coul d re a c h 25o k b p s w hi ch ， 对 1 晦 止 e re q u e stofti l e 朗优l e ro m e 让 ， 心 川 y l 入 f 口丘 口 c t i o n d e tect 吨 胡d re a c h th e p r ecq nce rt edtecl l l l i c alin d e x. k e y 脚 o rds :山 切ac q ul s iti on ; w 云 e l e ssco n tr o 卜w 云 e le s s tr 出 l s n 五 s s i on; 班 汗 2 4 0 1 ; al ， 8 9 c5 1 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人己 经发表或 公 布过的 研究成果，也不包含我为获得任何教育 机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同 事对本学位论文做出的贡献均己 在论文 中作了明确的说明。 研究生签名: 西词年 月 了 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档， 可以 借阅或 上网 公布本学位论文的全部或部分内容， 可以向 有关部门 或机构送交并 授权其保存、 借阅或上网公布本学位论文的 全部或部分内 容。 对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研 究 生 签 名 : 母卫 卫 问年 7 月 加 南京理工大学硕士论文墓于无线控制与无线传输的数据采集系统 ( 1 ) 蓝牙( b l u e t o o t h ) 技术 蓝牙技术是爱立信公司 在1 9 94年提出 的一种最新的 短距离无线通信技术规范， 是 一种无线数据与语音通信的开放性全球规范。 它以 低成本的 近距离无线连接为基础， 为固定与移动设备通信环境建立一个特别连接， 其工作频段为全球通用的2 . 4 ghz ism 频段。蓝牙的数据传输速率约为i mbit/s。 采用时分双工方案来实现全双工传输， 其 理想的连接范围为10厘米一 1 0 米， 通过增大发送功率可以 将距离延长至1 00米. 随着研究的 进展， 蓝牙技术可能的应用领域得到了 大大扩展， 比 如， 将蓝牙技术 应用于汽车工业、 无线网 络接入、 采用蓝牙技术在电 气隔离 性要求很高的情况下进行 通信、 将蓝牙技术应用在信息家电中以 及在其它所有不便于 进行有线连接的地方使用 等等。 ( 2 ) 8 0 2 . 1 1 标准15 1 乳洲ie ee802n 标准， 定义了 无线节点与网 络中 各种接入点间 相互通信的接口 和 协议. 其规 范 包括红 外 线( 较少 使用 ) ， 跳 频 扩 频( f h s s ， f r e 叩 e n c y h o p p i n g s p r e a d s p e c t r 回 和直接序列扩频( dss s ， d i r e c t s e q u e n c e s p r e a d s p e c t r u 动等方案。 从本 质上来说，邢 l an ieee 8 02. n 是 l an以 太网的 无线延伸。 工 e ee 8 02. n 设备的 优点是 能 够支持复杂的 拟c 特征，如节点隐 藏和应用点间的漫游。 高 速工 e e e 8 02. n 工作在 2 . 4 ghz 的i s m 频段并将数据速率定为5 . s mbi t / 5 和l l mbi t / 5 。i e e e 8 0 2. 1 1 标准是作为 l a n 的 无线延伸而设计的， 可用于商 业应用，也可在学校和 机场等公共场所配置。当 应用于 家庭 联网 时 只需 在此基 础 上 进 行相 应的 配置即 可， 因 为由 同 一 个工 e ee 8 02. 11 使能的p c 机可以很容易地连接到各种无线l an上，为用户提供正确的安全握手过程. 高速i e e e 8 02. nb 无线l a n 以1 1 mbi t /s的高速率进行数据传送， 很适合1 0 m b i t /s的家庭 phone h nez . 0 规范。 其高 速率特性也能 和开 始广为使用的 新的高 速接入技术， 如有线 调制器和a d s l 很好地匹配。 ( 3 ) homerf技术 h omerf 是由 hom erf 工作组开发的， 是在家庭区 域范围内 的 任何地方， 在pc和用户 电 子设备之间实现无线数字通信的开放性工业标准。 h o 口 e rf采用50跳/ 秒的跳频速率 以 最大限度地减小千扰，此跳频速率比工 e ee 8 02. l lb f h s s 的跳频速率高得多，但在 物理层上则较工 e ee8 02. llf 妇 5 5 规范有所放松。 h omerf 工作 频段是2 ， 4 ghz 的i sm频段， 支持数据和音频。 hoor f 最大发射功率为10 (haw ， 采用f sk调 制， 通信距离约5 伽。 和 ie ee 802 . n 一样， 一个h ome rf网 络可以 支持至多1 27个节点 及4 个话音通信链接。 作 为无线技术方案， 它代替了 需要铺设昂 贵传输线的 有线家 庭网 络，为网 络中的设备， 如笔记本电脑和工 nternet 应用提供了漫游功能。 就短距离无线连接技术而言， 它通常 被看作是 “ 蓝牙” 和1 砚e802 ll协议的主要竞争对手。 ( 4 ) g p r s 数据通信技术 g p rs是通用分组无线业务( g e n e r a lpac k e tr a d i os erv i c e ) 是在现有g s m 系统上 4 南京理工大学硕士论文基于无线控制与无线传输的数据采集系统 发展出 来的一 种新的 承载业务 形式的数据业务。目 的 是为g s m 用 户提供分组gprs采用 与gsm 同 样的 无线调制 标准、同样的频带、同 样的 突发结构、 同 样的 跳频规则以 及同 样的 t d m a 帧结构， 这种新的 分组数据信道与当 前的电 路交换的 话音业务信道极其相 似，因 此现有的 基站子系统( b s s)从一开始就可提供全面的 g prs 覆盖。 g p rs允许用户 在端到端分组转移模式下 发送和接收数据， 而不需要利用电 路交换模式的网络资源， 从而提供了 一种高效、 低成本的无线分组数据业务， 特别适用于间断的、 突发性的和 频繁的、 少量的 数据传输，也适用于 偶尔的 大数据量传输。 gprs是移动通信过渡代产品， 是一 种高 速分组数据交换技术， 同时 支持两种主流 的分组数据网 络协议。 它改良 了 现有的 gsm 网 络系统， 使得gs m 系统可以 在第三代移动 通信系统得到实际应用之前实现同 时提供电 路交换和分组交换两种承载业务。 基于分 组数据包， 使现有的 移动通信系统提供的 数据业务首次从9 . 6 k b ps飞跃到了i o o k b ps 以上， 极大地提高了 移动用户的移动 通信能力， 而 且由 于分 组交换是基于 统计复用的 原理， 它大大地提高了 无线信道和核心网络的 使用效率。 通过 gprs， 移动用户可以 直 接连接到工 nternet 上处于一直在线的状态，而无须拨号连上一个特定的工 sp，而且用 户只须为他 们实际使用的 通信数据总量付费. 目 前， 国内 外己 有许多 测控系统的 通信部分采用无线技术， 利用其构建无线数据 采集传输系统， 可以 克服有线数据采集因线路引 起的问 题， 而且无线通信产品 具有体 积小、 功耗低、 携带方便、 应用灵活的 特点， 使系统安装、 调 试和维护更方便， 从而 改 善了 有 线 数 据 传 输 存 在 的 一 些问 题 问 . 但以 上几种无线通信方式所应用的 场合各不相同， 比 如h 伽erf 技术就更加适用于 家庭区域范围内， 而g p rs则以 移动通信上的 应用为主。 从本系统的设计角度出发， 上 述几种无线通信方式的协议过于复杂， 增加了系统设计难度， 而且成本过高， 均不适 合本课题的应用。 1 . 3本课题的研究内容及论文安排 在无陀 螺惯性测量组合的 性能 检测过程中 存在缺陷， 尤其是信号的 输出 方式， 采 用引线方式输出 虽降低了 噪声但也带来了 操作不便。 针对这些弊端， 本文提出了 无线 技术与数据采集相结合的 方案，有效的 解决了 信号输出的问 题。 具体包括以 下内 容: 1 . 系统的 分析了原有检测过程中 存在的问 题， 对应用无线技术的数据采集系统的 组成作以 概括性的 介绍， 结合实际 情况选择了 合适的 硬件器件。 2 .完成基于 无线技术的数据采集系统的总体方案设计:主要描述了 该数据采集 系统的工作原理并给出 系统框图; 分析了各系统参数， 根据要求选择了 无线传输方案， 确定相关各硬件器件的选型。 南京理工大学硕士论文基于无线控制与无线传输的数据采集系统 3系统硬件电 路 设计: 针 对所选方案及 选定器件， 完成硬件电 路的 连接， 并对各 部分电路的原理及其在系统中 所完成的功能作详细说明。 4 . 系统软件设计: 系统软 件是基于模块化的设计思路， 本文中按照硬件电 路所完 成不同的功能来设计不同的模块，给出了系统各部分模块的程序流程图。 5 .系统调试情况: 对仿真环境作简单的介绍， 根据各模块软、 硬件调试的结果， 以 及系统整体调试的 情况， 分析了 调试过程中 所遇到的一些问 题极其解决 方法。 6 . 总结本论 文的 研究内 容， 针对系统在其 他更高 要求领域中的 应用， 提出了 一些 改进完善措施。 南京理工大学硕士论文荃于无线控制与无线传输的数据采集系统 2基于无线技术的数据采集系统总体方案设计 本系统是基于无线控制与无线传输技术的 数据采集系统， 它由 三部分组成: 数据 采集部分、 控制部分及 无线通信部分。 其中 数据采集部分与 控制部分是完全分离的， 它的主要任务是对传感 器输出的电 信号进行采集、 转换以 及存储等操作， 而无线 通信 部分则是连接数据采集部分与控制部分的 媒介， 所有的控制命令及数据都是通过无线 方式在数据采集部分与控制部分传输的。 2 . 1系统的工作原理 将系统与无陀螺惯性测量组合连接完毕并安装在转台上， 待确定转台处于准备好 的状态后对系统进行上电， 然后由 控制部分向数据采集系统发送“ 采集” 命令， 来启 动数据采集。 此时可以 启动转台开始工作， 无陀螺惯性侧量组合输出的电 信号经过一 系列的调理电 路后， 通过a / d 转换为数字信号被实时的送入存储器。当 数据采集系统 接收到“ 回 传数据开 的 命令时， 将已 经存入存储器的 数据读出 ， 通过无线 通信模块发 送回控制部分， 执行这一系列操作， 便完成了无线控制下数据采集、 存储以 及传输的 全部过程。 每个操作结束后， 控制部分都可以发送一个停止命令使数据采集系统停止 当前的操作，随时等待接收新的命令。 2 . 2系统的总体方案设计 设计系统前首先要对信号性能进行分析， 然后根据测试要求及要实现的功能制定 系统框架， 最后根据系统各部分所要达到的技术指标选择合适的元器件。 2 . 2 . 1系统 设计原则 1 . 确保功能的完全实现 系统设计的根本依据是所要实现的预定功能， 它必须得到保证， 一切对系统的优 化及功能的扩展，都是 基于系统满足功能要求的前提下进行的。 2 . 系统性能指标达到要求 要保证系统性能 指标， 如采样速率、 系统分辨率、 系统精度等等， 主要应考虑系 统输入信号的特性， 如输入信号的通道数、 信号的强弱及动态范围等。 此外， 还应充 分考虑数据量的 大小， 数据传输的 速率，存储器的 容量等因 素。 3 . 系统结构的合理选择。 南京理工大学硕士论文基于 无线 控制与无线传愉的数据采集系统 系统结 构的 合理与 否， 对 系 统的 可 靠性、 性能 价 格比 等 有 直接影响 门 . 首先 是 硬 件、 软件功能的合理分配。 原则要尽可能“ 以软代硬” ， 只要软件能做到的就不要用 硬件。 其次要考虑系统的 布局以 及接口 特性。 接口 特性包括 采用什么样的总线、 采样 数据的输出形式( 串 行还是并行) 、 数据的编码格式等。 4 .有足够的抗干扰能力 抗干扰能力也是设计本系 统时 所考虑的 重要因 素， 根据工 作环境的 特殊性， 以 及 系统结构设计、 元器件选择等因素， 数据将受到来自 系统内 部和外部的各种电 气干扰， 因 此提高 系统的 抗千扰能 力， 从而保证系统的可靠性是设计中的 又一关键. 2 . 2 . 2系统性能要求 数据采集系统的 输入信号取自 于惯性测量组合的输出， 惯性测量组合是一定数量 3255 型 加 速度计 的 组 合， 在其 规 定的 量 程范 围内( 土 5 0 9 ) 工 作时， 3 2 55加速度 计 151 输出 0 . 卜4 . sv的电 压信号; 在应用本系统进行检测时， 惯性 测量组合的工作范围 是士 259 ， 通过调理电路使输出 信号的范围 依然在0 . 5 一 4 . sv。 3 2 55加速度计的带宽为z khz ， 在转台 上进行检测时， 俯仰和偏航角速率的测量范围是士 2 0 扩 /s ，而横滚角速率的 铡量范围是士 7200 /s ，因此信号的输出频率不高于zhz 。 本系统是应用于无陀螺惯性测量组合的性能检测， 对精度的要求比较高。 对于不 同的无陀螺惯性测量组合， 其内 部的加速度计数量也不同， 因此输出 信号的数量也不 同， 这就决定了 系统采样通道的 数目 。 在本课题中， 系统的 采样通道定为10 个， 每个 通道的 采样速率为400hz ， a 角转换器总体的采样速率为4 khz ，分辨率为1 6 位，当 a /d 的供电电 压为sv时， 采样精度为s v / 6 5 536=0 ， 076 m v 。 采集时间约为10分钟， 存储所有 数据所需的存储空间为s mb。 在检测过程中， 系统并不要求对采样数据的实时无线传 输， 而是在存储结束后将数据通过无线通信模块传输至上位单片机， 再通过串行口 送 至pc机， 因此， 数据传输时间 将主要由串 行通信来决定， 从 这一点来看， 系统对无线 传输的速度要求并不是很高。 2 . 2 . 3系统的设计方案 系统采集的是多路信号， 最理想的情况是采用具有1 0 通道以上的16位a / d 转换器， 但常见的 a /d器件一般不具备这种功能， 采用多片 a /d或特殊a / d 的成本又比 较高， 因 此在系统设计中增设了多路模拟开关， 通过多路模拟开关的 轮流闭 合， 使各路信号分 别输入。 传感器的 输出信号频率 在zhz 以 下， 为提高 传感器的 灵敏度， 在进行a /d转换之前 需要 进行信号的调理， 在本系统中， 调理电 路的设 计是将信号的 输出电 压范围进行转 吕 南京理工大学硕士论文基于无线控制与无线传输的数据采集系统 换。 a / d 转换完成输入信号由 模拟量向 数字量的 转换， 当 a /d转换的精度越高时， 数据 输出 线也就越多。 为了 减少干扰和采集 系统的体积， 在满足采样频率的 基础上， 应尽 量避免采用并行的连接，因此在器件的选择上，应主要考虑以串 行接口 为主的a /d转 换器。 存储器的设计思路与a /d转换器有所不同， 一个很重要的条件就是存储器的存取 速度问 题。 对于速度要求不高的系统， 为降 低复杂的系统设计， 控制器与存储器应尽 量选择串行连接方式。但是本系统中，通过比较采样速率和一些存储器的存取时间， 最终决定选择并 行接口 的 存储器。 这 样便满足了 系统的 速度要求， 同时操作也大为简 化， 但由 于并 行系统走线较多， 因 此在具体的 硬件设计中 还应考虑微控制器的管脚资 源问题。 考虑到采集和数据传输的 速率， 一个带有普通输入/ 输出 端口的单片机即可充当 本数据采集系统的 微控制器， 由 它负 责 完成对整个数据采集部分的 控制， 及与无线收 发模块的通信。 数据采集系统由电 池供电，电 源电 压为十 gv， 通过各种稳压模块转换为各器件的 工作电压，为各器件提供长期稳定的电 压。 在上位pc机上设计了 控制界面， 能够提供整个系统工作时的虚拟控制面板， 并能 接收采集数据， 存储在pc机中。 需要说明的是: 在全局的设计中， 上位机和下位机的概念被反复用到。 对于控制 而言， 数据采集部分的单片机便是 下位机。 而对于远端的数 据采集部分而言， 上位机 的范围则相对宽 泛， 控制部分无论是 pc机还是连接pc机与n rf2 4 01的单片机都可以 被 称为上位机， 为了 便于说明， 本文 将上位机划分为 上位pc机和上位单片机。 系统的设 计框图见图2 . 1 和图2 . 2: 电， 甘 班 . 块 习存侣母 径. .翻 州幻 转挽 理偏 .电 多璐扭拟开关 一一:一 f卫.尹、了.!气 十璐果集信号 天线 收 发 棍 诀 图 2 . 1数据采集部分框图 南京理工大学硕士论文基于无线控制与无线传输的数据采集系统 图 2 . 2系统控制部分框图 2 . 3系统硬件电 路的 器件选型 系统硬件电路的器件选型可以分成三部分进行: 无线通信器件的选型、 数据采集 部分的器件选型以及控制部分的器件选型。 2 . 3 . 1 无线通信器件的 选型 如前所述， 无线通信方案有多 种， 其中由 于 应用环境和距离等因 素的 作用， 使得 蓝牙技术与射频技术显得更加适合本课题的 应用。 这里， 通过对比 蓝牙 模块和射频nrf 模块， 最终确定通信方案。两者的性能特点对照如表2 . 1 所示: 表 2 . 1 蓝牙模块与 射频妞f 模块的 特性对比 产品硬件设计接口方式编程通信速率通信距离 蓝牙模块 由 发射接收处 理，基带处理 等多个芯片组 成，硬件复杂 复杂， 时序 严格 通信协议和 软件堆栈复 杂，需要较 长时间熟悉 3 0 0 一 4 0 0 k b p s 1 0 米 n r f 模块 高频电感和滤 波器全部内 置， 所需外部 元件少 简单， 只需 跟单片机 1 / 0或 s p i 相连 编程较方便i m b p s 室内约 3 于5 0 米， 室外 8 0-2 0 0 米 比 较可以 看出， 射频芯片具有许多 优越的 特征， 集成了内 部的 基带处理器， 设备 调试容易， 且速率也较蓝牙高， 通信距离长， 成本相对较低， 尤其是在接口 与编程方 i 0 南京理工大学硕士论文基于无线控制与无线传输的数据采集系统 面， 其 简 单的 特 性 更 是 优 于 蓝 牙 模 块 91 ， 因 此 在 满 足 本 系 统 各 方 面 要 求的 前 提 下 ， 决 定采用射频芯片作为本系统的通信模块。 由 于无线收发芯片的 厂商和种类比 较多， 如何在设计中 选择所需要的 芯片是非常 关键的， 正确的 选择可以 少 走弯路，降 低成本， 更快的 将产品推向 市场。 ( 1 )功耗 大多数无线收发芯片是应用在便携式产品上的， 因此功耗非常重要， 应该根据需 要选择综合功耗比 较小的 产品， n rf2 4 01芯片能 耗非常低， 以 一 s d bm的 功率发 射时， 工 作电 流只有1 0 . 5 毗， 接收时工作电 流只有1 8 毗， 多种低功率工作模式， 节能设计更方 便，是同类产品中在同等发射功率下相对比较小的。 (2) 收发芯片数据传输的编码方式 采用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 达到表称速率的 1 / 3 。而采用串行传输的 芯片， 应用及编程非常简单，传送的效率很高，标称速率就 是实际速率， 因为串 行传输数据对大家来说是再熟 悉不过了 ， 编程也很方便， nrf 2 4 01 收 发芯 片 只 需 通 过 微 处 理 器的 普 通 工 /0口 就能 和 芯 片 传 输 数 据 tlol 。 而 且 对 nr f 2 4 01 的 工 作方式的控制方法非常简单， 只需通过nr咫4 01的三线串 行接口 线( 时钟、 数据、 使能 ) 对内部的三个寄存器进行初始化，就可设定n rf2 4 01的接收、发送等各种工作状态。 (3)收发芯片所需的外围元件数量 芯片外围元件的数量不但直接决定了模块的体积和重量，而且决定了 产品的成 本， 因 此应该选择外围 元件少的 收发芯片。 有些芯 片似乎很便宜， 可是外围 元件使 用 很多昂贵得元件如变容管以 及声表滤波器等; 有些芯片收发分别需要两根天线，会大 大增加成本。这方面nrf 2 4 01做得很好，外围元件几乎在无线通信模块中是最少的， 而且无需声表滤波器、 变容管等昂贵得元件，只需要一个便宜且易于获得的1 6 阳2 晶 振即可，并且收发天线合一。 ( 4 ) 收发芯片的 封装 较少的引脚和较小的封装，有利于减少印制电路板的面积。 从以 上四 个因素出 发， 针对本课题的实际情况， n rf2 4 01无线收发芯片无疑都是 比较理想的选择。 2 . 3 . 2数据采集部分器 件选型 2 . 3 . 2 . 1徽控制器的 选型 系统的数据采集部分是以 微控制器为核心， 配以a/d 转换器、 调理电路、 存储器、 多 路模拟开关、 电 源及其他转换电 路， 能实现某种功能的应用系统。 对整个系统的 各 l l 南京理工大学硕士论文基于无线控制与无线传输的 数据采集系统 种操作通常都是由微控制器来完成的， 一般来说， 选择控制器的重要原则是看它是否 能够满足系统的工作要求. 对于本系统 来说， 微控制 器的 选择以 单片机为主， 在各 种单片机器件中， mcs 一 51 系列的单片机应用最为普遍; 对于高速控制器a 明和d sp来说， 成本又成为了取舍的 瓶颈; a yr、 e m c 、 p ic等单片 机无论在功能还是速度上都可 满足本系统的 要求， 但在 能够满足运行速度的前提下， 硬件资源的有效利用便成了 选型的关键， 综合评定上述 控制器， 毗5 一 51系列单片机虽 然在速度上不如其他几种， 但依然满足本系统的要 求， 再加上其成本最为低廉，同 时能 够最加有效的 利用资源， 及可靠性高等特点，因 此， 本系统的数据采集部分以珑5 一 51单片机为微控制器，采用最为流行的atm el公司生 产的at8 9 c 51. at89 c 51单片 机 是一 种低功 粉低电 因高 性 能的8 位单片 机， 片内 带 有一 个 s k b的 可 编程/ 可擦除/ 只读存储器; 其输出引 脚和指令系统都与m c s 一 51 兼容 川 。 本系统采用at89c 51单片机为控制处理核心， 完成对数据的采集处理以 及控制数 据的无线传输。 2 . 3 . 2 . 2多路模拟开关的 选型 为了实 现多 个通道的 采集， 需要使用多路模拟开关。 选择多路模拟开关主要有三 个原则11 2: 1 .根据系统供电 特征选择 2 . 根据模拟输入信号的 数目 选择 3 ， 根据信号特性及器件的关断时间来选择模拟开关 本系统采用单电 源供电， 多路模拟开关所承担的角色是通道切换的 选择， 在通道 数目 上要求具有 10 路以上。 cd4 o 67 是 16选 1的多路模拟开关，它的关断时间为 tof 介20ns，由 于本系统的采样频率为介4k， 应用的通道数目 为10，因此t off 一 卫 图 4 . 5 曲f24 01无线通信程序流程如图 单片机与nrf 2 4 01的通信方式是模拟了s pi 口的操作时序， 利用1 /0口引脚模拟的时 钟将配置数据及收发数据按位写入或读出，对nrf 2 4 01写入配置字的程序如下: v o i dn r f 2 4 0 l jo 份 e r u p - c o n f i g ( v o i d) u n s i g n e di n ti ， c o n f i td a t a 1 5 ; c o n f i g we d a t a 0 卜0 x 5 0 : / / 接收通道2 的数据长度为8 0 位 c o n f i 肛血t a 1 二 o x 0 8 : 刀接收通道1 的数据长度为8 位 c o n f i 肛d a t a 2 卜0 x 0 0 : 刀通道2 的4 0 b i t 地址 c o n f i ldat a 3 = o x d o : c o n f i g 一 d ata 4 二 o x d d : 4l 南京理工大学硕士论文基于无线控制与无线传输的数据采集系统 c o n f i g 一 d a t a 5 3 =0 x dd; c o n f i g ee d a t a 6 = o x d d : c o n f i ld a t a 7 = o x c c ; / / 通道1 的地址， 最大为4 0 位 c o n f i g es d a t a 8 卜o x c c : c o n f i s ee d a t a 9 = o x c c ; c o n f i g es d a t a 1 0 1 二 o x cc: c o n f i td a t a 1 1 二 o x c c ; c onfig d ata1 2)二 0 x81; 刀地址长度设置为32位，16 bit c r c 校验使能 c o n f i td a t a 1 3 “ o x 4 f ; 刀设定单通道接收，s h o c k b u r s t 模式，s l z k 数据发射/ / 速 率，1 6 m 晶振频率，在发射模式下的输出功率为o db c o n f l g ee d a t a 1 4 二 0 x 0 5 ; / / 选中 通道1 为 接收通道， 频率为2 4 0 4 阳2 ， 发射模式 p w r -up 二 1 ; / / 上电 d e l 叮1 0 0 ( ) : c e = 0 ; c s = 1 ; / / n r f 2 4 01进入配置 模式 d e l a y 1 0 0 ( ) : for ( 1 = 0 ; 1 1 5 : 1 + + ) ; w r l t e es d a t a ( c o n f i g es d at a 1 1 ) ; /写 入1 5 字 节的 配置字 c s 二 0 ; / / 进入s h o c k b u r s t 模式 在本系统中， 上位单片机对nrf2401 写 入的 配置字为500800. dodd. dddd. cc c c . c c c c . 4 4 81. 4 f 4 5 ，由 于只使能了 接收 通道1 ，因 此虽配置了 通道2 的地址，但并 不接收数据. 这里设置通道 1 的接收地址为o xcc c c ccc c c c ，每次发送数据的长度为 一个字节。 在实际操作中， 一旦配置字被装进了nrf 2 4 01系统， 则每次只需要有一个 字节的配置字来更新，以 选择是发送模式或接收模式。 4 . 2数据采集部分单片 机的软件设计 4 . 2 . 1主程序设计 主程序开 始运行时， 首先要对单片机进行初始化， 向刀 即2 4 01写入配置字， 使之 处于接收模式下， 然后设置初始状态为0 状态， 打开中断. 此后， 单片机便不断查询 本机的 状态， 当 状态发生 改变时， 便进入相关的 状态执行操作命令， 各个状态与执行 的操作对应如下: 采集状态:“ 采集” 命令， 启动采集程序并将数据存储; 42 南京理工大学硕士论文基于无线控制与无线传输的数据采集系统 停止状态:“ 停止” 命令， 此时单片机没有任何动作; 回传数据状态:“ 回传数据”命令，将命令从存储器中读出，并通过 nrp24 01 发送出去。 在各自 的 状态下， 每执行一次相应的 操作后， 单片 机都要查询状态是否改 变， 如 果没有状态发生变化，则继续执行当 前操作， 如果状态发生变化，则重新判断状态， 并转入相关的状态，执行新的操作。 需要说明的是: 在采集状态中， 单片 机不停的 执行采集数据与存储的 操作。 此时， 如果还没有接收到上位机的“ 停止” 命令， 存储器就已 经存满的话， 单片机会设置一 个标志位 f ull =1，同时 停止采集与存储操作， 并 进入停 止状态。 这时， 如果单片机 再接收到上位机的命令时，就只执行 “ 回传数据”的 操作， 将所有数据回 传结束后， 重新将标志位fun置零。 数据采集部分主程序流程如图4 ， 6 所示: 垄坐朴一工抓 1为 0 状击 开中晰 而矛只 架 _ 1 状态 俞丫 f 定时采样、存佑 读存储器 奋 伶误笋据至 忘 行，j 们 双f汉 01 打 宜为2状态 态改 里 加. 片0 t为 0 状态 图 4 . 6 数据采集部分主程序流程图 南京理工大学硕士论文墓于无线控制与无线传输的数据采集系统 4 ， 2 ， 2外部中断服务 程序设计 当nrf24 01接收到命令时， 会通过dri 触发外部中断， 单片 机在中 断服务程序中 接 收 上 位 机 的 命 令 ， 并 判 断 命 令 。 无 论 当 前 是 什 么 状 悉 ， 当 单 片 机 接 收 到“ 采 集 ， 、 “ 停止” 和“ 回传数据” 命令后， 都相 应的 将本机置于“ 采集存储状态， 、“ 停止状 态” 和“ 回传数据状态”， 然后返回主程序。 数据采集部分外部中断服务程序流程如 图4 . 7 所示: 图 4 . 7 数据采集部分外部中断服务程 序流程图 4 . 2 ， 3a/d 转换子程序设计 a/d 转换前首先要选择模拟量输入的通道， 通过向c d 4 0 67的a 、 b 、 c 、 d 口 设置 000 0-1 1 1 1 来选中 通道0 一 16，由 于这里只用了cho-chg lo个通道，因此a bcd 的 值在 0 0 0 0 一 1 0 0 1 之间循环变化。 通道选择完毕， 便可对相应通道的输入量进行a /d转换，所选用的a /d转换 器 l tc1 8 6 5 是具有s pi接口 的 器件， 它与单片机只通过3 个引 脚相连，由 于它的s di脚 已 经接地， 所以 不需要事先向 其写 入控制字便己 经确定了 模拟信号的输入方式， 因 而 操作方便，控制时 序也比 较简单。 在采样时， 首先将c onv 引 脚的电 平拉高， 启动a/d 转换， 然后经过一段转换时 间t con v 后置低c 洲v ， 这时 便可 通过模拟脉冲的作用下 读取转换结果了. 由于ltc 1 8 65 的 转换时间在2 . 7 5 一 3 . z us之间， 当c o nv处于高电 平的时间高于3 z us后就将进入休 眠模式，因此在c 洲v 置 “ 1 ” 后的延时时间应控制在2 . 7 5 一 3 . z us内。 南京理工大学硕士论文基于无线控制与无线传输的数据采集系统 转换结束， c onv 引 脚的电 平被置低， 此后的 数据读取 便是最简单的s pi通信操 作， 利用单片机的两 个1 /0引 脚模拟s pi接口的s ck和m 工 50引 脚。 利用模拟s pi口 读取一字节转换数据的子 程序如下，由 于转换结果是16位的，因 此在读数据的 过程 中 选择了两次读取，先读高8 位数据，再读低8 位。 u n s i g n e dc h ar r e a d b y t e ( v o i d ) u n s i g n e dc h ar i 二 8 ， c h ; w h i l e ( 1 刁 s c k 习 : c h 二 ( c h ( 1 ) 】 s d o ; s c 卜1 : r e t u r n( c h ) ; 4 . 2 ， 4存储器读写子程序设计 单片机每次从l tc1 8 65读出的转换结果共有16位，分成转换结果的高字节和低 字节， 把这两个字节送入存储器中 便完成了一次采样存储过程。当10个通道循环采 集一次后，存储器内己 经写入了20个字节的数据。 这里为了 不混淆通道顺序， 便于 读取，将第一个通道的两字节数据送入存储器之前，先送入一个字节的数据 “ 从”， 然后依次将 10个通道的20个字节写 入，随后再次写入 “ 从” ， 写入第二次循环的 2 0 字节数据。写入过程如图4 . 8 所示: .州 叹 旧n .侧旧】 丑 .侧旧z h .侧阅3 h .肠 14 h 0加 巧n .0. 1 叹 b 盛决 酒道 0 离5 位 通道 0 低习位 通道 1 离5 位 通道， 低3 位 洗a 诵道 . 离 3 位 图 4 . 8存储空间的 数据写 入操作 单片机在执行回传数据操作时，将存储器中的数据按地址顺序取出，送往 nrf2401 发 送， 在这过程中， 字符“ 从” 也被发送。 上位单片 机接收 后上传给pc机， pc机便可以 通过软件将每个 “ 从” 字符中的20字节数据取出， 按照通道顺序整理排 列， 这样就对按通道进行计算和显示提供了 方便， 而且降 低了 通道混淆的 几率。 4 5 南京理工大学硕士论文基于无线控制与无线传墉的数据采集系统 在写入字符“ a a ”以 及高字节和低字节 之前， 单片机都要查 询要写入的 存储空 间的 地址， 如果该地址己 经等于i f f f f h ， 就表示存储器己 经存满， 此时单片机将不 再执行存储操作， 将标志位彻1 置为“ 1 ” 后， 结束本次 操作。 这样， 单片 机在每执 行一次采集存储的 操作后都检查标志位加 u ， 发现被置位便将自 己 的 状态置为 停止状 态。 此后， 加 11 标志位只有存储器中的 数据被回 传至上位机后， 才由 软件清零。 采集 与存储子程序的流程如图4 . 9 所示: 图 4 . ga / d 转换与存储子 程序流程图 南京理工大学硕士论文签于无线控制与无线传输的数据采集系统 5 . 4系统整体 调试及调试过 程中的 相关问 题 1 . 速度问题。 在理论上nr 咫4 01速率能达到1 沁ps， 实际上i m b ps只是数据在空中 传 输的 速度， 真正的 传输速度 还要取决于收发双方的城u 与nrf 2 4 01之间的 接口 速率及 其它因素， 一般相对较为理想的 情况下， 其传输速率也只能有4 o 0 k b ps，而在调试中 应用在2 5 o k b ps就可以 满足一 般的传输要求，并且成功率很高。 2 . 外围电 路。 nrf 2 4 01的 外围 器件很少， 但高频调试对外围 器件与电 路的要求要高得 多， 对于模块也是一样， 如果接口电 路的p cb设计不合理，或是元件参数不精确等， 都会影响调 试效果。比 如当 系 统己 经可以 通信时，却很 难达到高速度和长距离。 3 . 当 调 试服 f 2 4 01时 发现 接 收 端没 有数据， 应 做如下 检 测 3 刀 4401: 第一 步， 用 示 波 器 测晶振是否起振， 如果起振且在iv左右， 则说明其各种电 源与振荡电路都已 经无误. 另外当 芯片处 于关机模式( p w r u 卜0) 时， 振荡器也会停 振。 第二步， 将芯片配置成 发送模式， 测量antz、 anti、 vdd ee p a 是否有幅值在19v左右的方波输出， 而且是每 发送一包就会有一个方波。 如果没有方波输出，一方面需要检查i r ef 的方波是否正 常， 该端的2 2k电阻是否出 现断路等. 另一方面则是软件配置的问题， 正确的 顺序应 该是首先配置c e :l， c s 习为收发模式， 然后再将ce拉低来激活发射。 第三步， 将另 一个板子配置成接收状态， 用示波器测dr端，当一方发射数据时，接收方如果有数 据收到，d r 端就会产生方波。 一般都用示波器的一路接发射方的洲t 端，另一路接 接收方的dr端来判断发射与接收是否正常，这样虽然比 较直观， 但可能会对高频部 分引起干扰。 南京理工大学硕士论文墓于无线控制与无线传输的数据采集系统 6全文总结与改进 6 . 1 全文总结 数据采集是获取信息的重要 途径， 而无线技术则是数 据 传输的 重要方式。 无线技 术的发展己 经多方面的 充斥了当 今 世界的 科技与人民的生 活， 大至电 力系统无线抄表 系统、 楼宇自 动化， 小到 智能 无线家庭、 医学监 测， 甚至常见的电 菜器等等。 随着无 线技 术的 进一步发展与普及， 在某些 特定的 测控系统中， 利用无线技术进行数据传 输 己 成为必 然趋势。 本文建立了 一 个基于 无线控制与无线传输的 数据采集系统， 该系统 结合了 数据采集与 无线技 术， 在无线测试领域具有广阔的 应 用前景。 本文研究的主要 内容总结如下: 1 . 论述了无陀螺惯性测量组合在性能检