无线射频的IMU数据无线传输系统设计方案

中北大学毕业设计报告学 生 姓 名：学 号：学 院、系： 机械工程与自动化学院机械自动化系专 业：机械电子工程设 计 题 目：基于无线射频的IMU数据无线传输系统设计指导教师:2018年3月15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1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2。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3。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一4。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7。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9，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是无线传输，因而取得战争中的主动权8。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。目前，我军常用通信体制有:定频MODEM(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。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。 惯性测试单元IMU）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途径）：2.1本课题研究的问题学习C8051F020单片机工作原理，用C语言编写单片机程序，控制单片机采集IMU的输出，并将其转换为数字数据，传输给无线射频模发射块将IMU单元输出的六路模拟数据采集，再利用单片机内部的AD转换部分将模拟信号转换成数字信号，然后通过SPI总线将数据传输给无线发送芯片(NRF24L01 ,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Ain0 Ain7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。 2.2.3数据传送输模块单片机C8051F020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MOSI、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11.3mA ，功耗很低。发送端单片机C8051F020可以通过编写语言程序对无线射频芯片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2.3.2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RX FIFO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 inertial technologyM.New York:Springer-Verlag.2 CHATFIELD A B. Fundamentals of high accuracy inertial navigationM.AmericanInstitute of Aeronautics and Astronautics, Inc.3 TITTERTON D H.WESTON J L. Strapdown inertial navigation technologyM.2nd Edition. London, United Kingdom: Peter Peregrinus Ltd.4 温昕艺.基于EM2000的无线数据传输系统设计J.西安电子科技大学，2018.5 郑君里，应启行，杨为理.信号与系统M.高等教育出版社，2000.6 王金龙.高频数据调制解调器现状与发展C.军事通讯技术，1991.7 马忠梅.单片机的C语言应用程序设计10