无线数据采集系统的设计与实现讲解.docx

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无线数据采集系统的设计与实现讲解

浙江科技学院

本科学生毕业设计（论文）

题目无线数据采集系统的设计与实现

系别自动化与电气工程学院

专业班级02电气工程及其自动化A

姓名罗斌学号10242024

指导教师何致远职称副教授

2006年6月6日

摘要

随着科学技术发展的日新月异，有线网络逐渐地被无线网络所取代。

目前，无线通信技术已经成为了先进科学技术的代表，在制造工厂的应用也已成为继现场总线与工业以太网之后，国际控制界又一个热点技术。

它在工业自动化，商业自动化，交通运输控制管理等领域有着广泛的应用，而无线领域的RF技术又是当今科技发展的一个焦点，并被列为21世纪最有前途的重要产业和应用技术之一。

而无线数据传输有着成本低、可靠性高、维护方便、应用灵活等一系列有线传输无法比拟的优点。

鉴于此，我们结合RF技术展开了对无线数据采集系统的设计和开发，验证了基于无线RF技术的无线数据采集系统的可行性与实用性。

本课题对其他相类似的无线数据传输、无线抄表、远程监控等一系列应用具有一定的参考价值。

关键词：

数据采集无线传输射频技术

Abstract

Alongwiththequickchangeofthedevelopmentofscienceandtechnology,thewirednetworkissubstitutedforthewirelessnetworkgaradually。

Atpresent,thetechnologyofwirelesscommunicationhasalreadybecometheadvancedscienceandtechnologyrepresentativeandtheapplicationinmanufactoryhasbecomeanotherhotspottechnologyininternationalcontrolfieldafterthelocalbusunitandindustrialEthernet。

IthasbeenusedWidelyintheindustrialautomation,thecommercialautomationandtransportationcontrolmanagementandsoon.TheRFtechnologyisthefocalpointinthewirelessdomain,andhasbeenlistedoneofthemostpromisingimportantindustriesandapplicationtechnologiesinthe21stcentury.Moreoverwireddatatransferhastheseriesofmeritsoflowcost、highdependability、convenientmaintenance、flexibleapplicationwhichthewirelesstransfercan'tovertake.Intheviewofthis,wehaveoutspreadedthedesignandexploitationwhichintegrattheRFtechnologyintowirelessdatagatheringsystem,validatethefeasibilityandthepracticabilityofthewirelessdatagatheringsystembasedwirelessRFtechnology.Thisprojectalsohassomereferencedvaluetotheotherseriesofsemblableapplicationinwirelessdatatransfer,wirelessdatacopying,long-distancemonitorandotherwise.

Keywords：

datacollectingwirelessdatatransferRadiofrequency

摘要……………………………………………………………………………………..………....I

1绪论………………………………………………………………………………….………....1

1.1本课题的背景与意义…………………………………………………….…….……..….1

1.2国内外无线传输现状与发展………………………………………………….………....2

1.2.1无线传输技术现状及特点………………………………………………….………2

1.2.2无线射频技术的发展前景………………………………………………….……....3

1.3本文所完成的工作……………………………………………………………….……....4

2无线数据采集系统的原理与单片机控制的电路设计……………………….…..5

2.1无线数据采集系统的原理…………………….……….……………………….5

2.2单片机部分的电路设计………………………………………………………………….6

2.2.1数据采集原理……………………………………………………………………….6

2.2.2单片机控制的硬件设计…………………………………………………………….7

2.3AT89S51单片机………………………………………………………………………….11

2.3.1CPU特性…………………………………………………………………………….11

2.3.2存储器………………………………………………………………………………11

2.3.3单片机的工作方式…………………………………………………………………12

2.3.4并行I／O接口………………………………………………………………………14

2.3.5串行接口……………………………………………………………………………16

2.2.6中断系统……………………………………………………………………………18

3无线射频电路设计………………………………………………………………..19

3.1nRF401芯片简介………………………………………………………………………..19

3.2nRF401应用说明………………………………………………………………………..21

3.2.1电气特性……………………………………………………………………………22

3.2.2工作模式时序………………………………………………………………………22

3.2.3天线阻抗匹配………………………………………………………………………23

3.2.4PLL环路滤波……………………………………………………………………….25

3.2.5VOC感抗…………………………………………………………………………….25

3.2.6晶振说明……………………………………………………………………….….25

3.3nRF401射频电路设计…………………………………………………………….…….25

3.4nRF401无线发射抗干扰设计……………………………………………………….…...27

3.5无线通讯距离设计………………………………………………………………………28

3.5.1无线通讯距离计算…………………………………………………………………28

3.5.2无线通讯长距离设计………………………………………………………………29

4混合信号PCB设计工艺……………………………………………………………32

4.1工艺要求………………………………………………………………………..…………33

4.2部分PCB图………………………………………………………………………………..33

5软件设计………………………………………………………………………..…35

5.1系统总体软件流程……………………………………………………………………….35

5.2无线通讯协议…………………………………………………………………………….36

5.3低功耗设计……………………………………………………………………………….37

5.4系统抗串干扰软件设计………………………………………………………………….38

6系统的调试……………………………………………………………………….39

6.1数字电路部分的调试………………………………………………………………….…39

6.2无线传输部分的调试………………………………………………………………….…39

6.3系统调试………………………………………………………………………………….39

6.4系统的改进方向……………………………………………………………………….…39

总结…………………………………………….……………………………………..41

致谢…………………………………………………………………………………...42

参考文献……………………………………………………………………………...43

附录1英文资料………………………………………………………….………….44

附录2英文翻译资料……………………………………………………………..…58

附录3系统原理图与PCB图……………………………………………………....61

附录4单片机程序清单……………………………………………………………..65

1绪论

1.1本课题的背景与意义

随着科学技术发展的日新月异，有线网络逐渐地被无线网络所取代。

目前，无线通信技术已经成为了先进科学技术的代表。

它在工业自动化，商业自动化，交通运输控制管理等领域有着广泛的应用，而无线领域的RF技术又是当今科技发展的一个焦点，并被列为21世纪最有前途的重要产业和应用技术之一。

无线技术近年来的发展和应用突飞猛进，对人类社会的信息化进程起到了巨大的推进作用，深刻改变着人们的生活方式，给人类生活带来了巨大的方便。

各种无线接入新技术的出现，也给无线领域的发展带来了新的繁荣和新希望。

同时也给商家创造了巨大的商业价值，而且在提供普遍服务、跨越数字鸿沟等方面带来了巨大的社会价值。

目前，在工业控制现场，常常需要采集大量的现场数据，如电压、电流、温度、气压等，并将这些采集的数据传输到主机进行处理，由主机根据处理的结果，将控制信号传输给现场执行模块执行各种操作。

目前数据的传输基本上是基于有线网络，如RS485，CAN等，这些有线的网络一般具有成本比较高、维护不方便等缺点，而无线传输相对具有一定的优势，如成本低、可靠性高、维护方便等。

在电脑和用户电子设备之间实现无线数字通信，它省却了铺设传输连接线的麻烦，而且升级和增加新的设备亦非常方便。

由此可见，本课题研究的项目是极具发展前途的，未来将会有更多的社会人士投入到这个技术项目的开发研究上来。

在科学技术日益发达的今天，无线射频技术以其独特的优势一直走在科技的前沿，目前在工业自动化，商业自动化，物流控制，仓储管理方面已经显示出巨大的成本效益.未来的商业价值将会无可估量。

本课题设计的无线数据传输采集系统对于其他无线数据传输的应用具有一定的参考价值，通过适当改变硬件配置，以及适当修改程序，可广泛应用于遥控装置、工业控制、无线通信、电信终端、车辆安全、自动测试、家庭自动化、智能建筑、报警和安全系统等领域。

1.2国内外无线传输的现状与发展

1.2.1无线传输技术现状及特点

当今无线传输技术的优势越来越明显了，并且逐步取代了传统的有线传输方式。

现有常见的无线传输方式大致有如下几种：

无线红外传输、无线射频传输、GSM/GPRS无线公网传输；这几种传输方式都各自有特色下面介绍一下：

线红外传输红外线传输是指利用红外（IR）辐射实现的无线数据传输方式。

所谓红外线是指波长超过红色可见光的电磁辐射。

红外线通讯是一种廉价、近距离、无线、低功耗、错误率低，干扰性弱，保密性强的通讯方案，在PC机中主要应用于无线数据传输，有时也用于无线网络接入和近程遥控。

相对于无线区域网络，蓝牙这两者以微波为传输方式的无线网络，红外线传输比较不易受到电波干扰，这也是红外线在手机、PDA等应用较802.11、蓝牙、HOMERF等微波传输广泛原因之一.。

但有其自身无法克服的缺点。

a）方向性强，角度要求严格；

b）传输距离短，且受天气影响；

c）容易受各种热源、光源的干扰；

d）收发之间不能有遮挡物。

无线射频传输射频RadioFrequency,简称RF射频就是射频电流。

它是一种高频交流变化电磁波的简称。

每秒变化小于1000的交流电称为低频电流，大于10000次的称为高频电流，而射频就是这样一种高频电流。

无线射频技术是在家庭区域范围内的任何地方，在电脑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。

作为无线技术方案，它省却了铺设传输连接线的麻烦，而且升级和增加新的设备非常方便。

基于此协议的网络是对等网，网上的每一个设备都是相对独立的，任何一个设备离开网络都不会影响到网络上其他设备的正常工作。

它的另外一个特点是低功耗。

RF发出的无线电波或微波可以穿透某些障碍物，不局限于视线的范围。

目前，射频采用的就是无线传输技术，它将无线电信号扩展到一个很宽的频带上，以达到高速数据传输和减少相互干扰的目的，在无线通信领域具有广泛的、不可替代的作用。

无线射频技术主要应用于射频识别系统（RFID）的研究和开发，与传统条形码、二维条形码、蓝牙技术的相比具有自己的特殊优势。

SMS及GPRS传输技术

SMS/GPRS是通过全球移动通讯系统GlobalSystemofMobilecommunication就是众所周知的GSM网络，。

GSM采用的是数字调制技术，GSM系统有几项重要特点：

防盗拷能力佳、网络容量大、号码资源丰富、稳定性强不易受干扰、信息灵敏、信号使用范围广、设备耗电量底等。

GPRS是GerneralPackerRadioService的英文缩写，中文译为通用无线分组业务，具体来讲，GPRS是一项高速数据处理的科技，即以分组的“形式”把数据传送到用户手上。

GPRS无线通讯终端可广泛应用于各种需要无线数据传输的行业，特别适合点多、面广的小数据量数据传输。

它是一种基于GSM系统的无线分组交换技术，提供端到端的、广域的无线IP连接。

因此，GPRS技术可以令手机上网省时、省力、省花费。

打个比方，GPRS就好比移动通信设备的ADSL，而GSM就是普通固定电话线。

相对原来GSM的拨号方式的电路交换数据传送方式，GPRS是分组交换技术，具有“实时在线”、“按量计费”、“快捷登录”、“高速传输”、“自如切换”的特点。

但在无线传输其也有自身的不足，比如设备价格高，运行需要依赖服务商的服务的，另外GPRS的传输数据的费用也相对比较高。

1.2.2无线射频技术的发展前景

随着城市生活节奏的加快，人们需要越来越多的方便设施来满足生活的需要，小区智能化是今后的发展趋势。

无线智能抄表系统是智能小区应具有的最基本的系统，它的发展必将影响到小区智能的发展。

智能抄表系统是无线射频技术应用的一个典型例子。

如自来水智能抄表系统：

随着电子技术、传感技术、自动控制技术和计算机技术的发展，水表户外计量已经开发出不少产品。

主要有：

IC卡、电力载波、远传抄表三种户外计量方式。

在现有的智能抄表中，有通过动力线载波网络实现的，有通过铺设专用线实现的，比较两种智能抄表系统，用动力线载波网络实现局限性比较大，主要受变压器限制；通过铺设专用线来实现，施工工程比较大，改造费用也比较高。

因此，采用公用电话网实现智能抄表系统，避免了上述的不利因素，适用面比较广泛，安装方便，不用铺线，改造费用也比较小，给用户带来很多方便。

因此，应用前景非常广阔。

射频技术的另外一个典型应用就是无线射频识别技术（RFID）的研究和开发。

RFID技术利用无线射频方式在阅读器和射频卡之间进行非接触双向数据传输，以达到目标识别和数据交换的目的。

与传统的条型码、磁卡及IC卡相比，射频卡具有非接触、阅读速度快、无磨损、不受环境影响、寿命长、便于使用的特点和具有防冲突功能，能同时处理多张卡片。

在国外，射频识别技术已被广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等众多领域。

在我国，射频技术的应用也已经开始，一些高速公路的收费站口，使用射频技术可以实现不停车收费，我国铁路系统也使用RF纪录货车车厢编号的试点已运行了一段时间。

一些物流公司也正在准备或已将射频技术用于物流管理中，同时，生产企业，如汽车的焊接、装配等生产线上，也开始采用射频技术对车体、部件的识别与跟踪来管理和控制生产流水线。

无线射频技术还广泛应用于遥控装置、工业控制、无线通信、电信终端、车辆安全、自动测试、家庭自动化、智能建筑、报警和安全系统等领域。

1.3本文所完成的工作

本文是基于无线RF技术设计的数据采集系统主要所要完成的工作主要有下面几点：

1．查阅分析了无线数据传输的应用，比较了国内外现有常见的无线传输技术方式的特点，射频技术的应用、发展动态与市场前景。

2．学习了无线数据采集系统的原理，交流数据采集技术，并着重介绍了系统的硬件构成。

3．学习了无线射频芯片nRF401的特性及应用说明，给出了射频电路的设计方案，其中涉及射频天线设计，低功耗设计。

4．给出了制作混合信号线路板设计的注意事项和线路板设计图。

5．介绍了系统程序软件的流程及各个子程序模块的清单，有显示，A/D转换、通讯协议等。

2无线数据采集系统的原理与单片机控制的电路设计

本章主要论述了无线数据采集系统的组成、设计方案及系统的原理。

论述了各个模块和器件的功能要求。

2.1无线数据采集系统的原理

无线数据采集系统是具有可遥控、遥测、远程无线管理等功能并可广泛应用于工业现场、商业自动化等领域。

它是以先进的无线RF技术为传输基础以半双工串行通讯方式通讯并实现了双向通讯。

系统由传感变送器、信号条理电路、8路现场数据采集端、现场执行机构、无线射频数据传输电路、数据采集接受终端电路、存储电路、人机交互电路组成。

原理图如2.1：

无线数据采集系统是把现场的个种信号如电压、电流、温度、湿度、气压等进行采集（这里以电压信号为例），把现场信号通过各种传感器或者变送器再经过信号的调理电路经过信号的放大整形为0—5V的电压信号，再通过8路信号调理转换电路把现场的模拟信号变成单片机可以识别的数字信号，再经过单片机采集运算处理把结果加以显示并且以串行通讯的方式控制射频收发电路传输数据给接受的终端。

终端是由射频收发电路、单片机处理器、存储电路、人机交互电路组成（可以通过RS232连接上位机）。

射频接受电路收到有现场传输过来的信号并通过串口方式传输给单片机，在由单片机负责显示、存储。

无线数据采集系统是一个可以双向通讯可以实现遥控的装置。

同样数据采集终端通过按键给现场的模块发送指令命令现场执行机构完成各种操作，在此设计中是以发光LED的动作模拟现场的操作的。

2.2单片机部分的电路设计

2.2.1数据采集原理

根据采集信号的不同，可分直流采样和交流采样两种。

直流采样，顾名思义，采样对象为直流信号。

它是把交流电压、电流信号经过各种变送器转化为0～5V的直流电压，再由各种装置和仪表采集。

此方法软件设计简单，对采样值只需作一次比例变换即可得到被测量的数值。

但直流采样仍有很大的局限性：

无法实现实时信号的采集；变送器的精度和稳定性对测量精度有很大影响；设备复杂，维护难等。

交流采样是将二次测得的电压、电流经高精度的CT、PT变成计算机可测量的交流小信号，然后再送入计算机进行处理。

由于这种方法能够对被测量的瞬时值进行采样，因而实时性好，相位失真小。

它用软件代替硬件的功能又使硬件的投资大大减小。

随着微机技术的不断发展，交流采样必将以其优异的性能价格比，逐步取代传统的直流采样方法。

若将电压有效值公式

离散化，以一个周期内有限个采样电压数字量来代替一个周期内连续变化的电压函数值，则

式中：

.Tm为相邻两次采样的时间间隔；um为第m-1个时间间隔的电压采样瞬时值；N为1个周期的采样点数。

若相邻两采样的时间间隔相等，即.Tm为常数.T，考虑到N=（T/.T）+1，则有

式

（1）就是根据一个周期各采样瞬时值及每周期采样点数计算电压信号有效值的公式。

如果是求电力参数的同理可得：

电流

功率

式中：

im、um为同一时刻的电流、电压采样值。

功率因数可由下式求得：

cosφ=P/UI

2.2.2单片机控制的硬件设计

图2.2单片机控制系统原理

图2.3系统原理图

图2.4系统交流采样原理图

交流前向数据采集通道由传感器、双四选一多路开关4052、采样保持器LF398、模数转换器、光隔及由电压比较器LM339、锁相环4046、分频器4020构成的频率跟踪电路和用于控制采样保持器的单稳触发器4528组成。

由于采集的对象为电压、电流等模拟量，所以必须经A/D转换器变成数字量以后，才能送入89S52进行处理。

系统的采样时间间隔为0.5s。

采样时，在1个信号周期内对一相电压、电流等时间间隔准确采样16点，采完后对采到的数据进行数字滤波。

计算有效值后和上限、下限值进行比较，若有超标则进行声光报警。

对频率的采样是将交流电信号经LM339电压比较器变成方波后送到89S51的P3.2脚（外中断0），由89S51计数器0（工作在方式1计数初值为0）在方波保持高电平的时间内对8031（采用12MHz晶振）的内部时钟进行计数。

A/D转换

在此模块选用了ADC0809八通道模数转换芯片。

ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及与微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。

它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。

（1）ADC0809的内部逻辑结构图如下：

由上图可知，ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。

多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。

三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。

（2）引脚结构

◆IN0－IN7：

8条模拟量输入通道

◆ADC0809对输入模拟量要求：

信号单极性，电压范围是0~5V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。

◆地址输入和控制线：

共4条

ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。

当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A，B，C三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道模拟量进入转换器进行转换。

A，B和C为地址输入线，用于选通IN0－IN7上的一路模拟量输入。

ST为转换启动信号。

当ST上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A/D转换；在转换期间，ST应保持低电平。

EOC为转换结束信号。

当