本文提出了一种基于ARM7嵌入式系统的数据采集与无线传输模块的设计方案,实现高精度、快速、实时的数据采集与传输。介绍了基于LPC220芯片的数据采集系统,给出了由嵌入式LPC2220微处理器和射频收发芯片nRF905组成的无线传输模块设计。当其工作在868 MHz频段时,数据传输速率可达1 Mbit·s-1,采用高增益天线,使得传输距离可达800 m以上,且表现出良好的稳定性。最终实现高精度、快速、实时的数据采集与传输。
随着数据监测、无线通信和EDA技术等应用领域的不断扩展,人们对数据采集系统的采集精度、采集速度以及数据存储量都提出了更高的要求。针对当前数据采集系统的不足,提出了一种基于ARM7处理器LPC2220的嵌入式高速数据采集系统设计,以满足系统高速、实时,数据存储量大的需求。此外,由于模拟信号的抗干扰能力差而不利于传输,因此通常利用数字信号进行传输。利用无线通信方式,系统结构轻巧、维护方便。适用于防汛防旱等灾难预警中的数据检测,例如降雨量采集、水文站水位监测等。
1 数据采集模块设计
1.1 概述
所谓数据采集,就是通过传感器把一些物理量转换成模拟电信号,经过处理后再转换成计算机能识别的数字量,送入计算机。数据采集的关键问题是采集速度和精度。采集速度主要与采样频率和A/D转换速度有关,采集精度主要与A/D转换器的位数有关。高速数据采集系统的设计需要解决的是系统在速度、精度、数据存储方面的矛盾。文中介绍的数据采集系统采用飞利浦公司的LPC2220微处理器。数据采集系统(DAS)按照功能可分为:模拟信号调理电路、模数转换器、数据采集和存储、时钟电路、系统时序及逻辑控制电路。如图1所示。
1.2 系统时钟电路设计
时钟信号的稳定性决定了采样系统的性能。而相位噪声和抖动是反映时钟信号稳定性的两个主要指标。其中,相位噪声用来描述时钟信号的频谱纯度,相位抖动则直接影响时钟的过零点。时钟信号相位抖动对模数转换信噪比的影响,可通过式(1)计算得出
其中,fs为采样时钟频率;N为模数转换器的位数;△clk为时钟信号相位抖动量。因此,取样时钟的稳定性与信噪比的性能之间也存在着密切的关系。
1.3 系统抗干扰设计
高速数据采集系统存在较大的干扰问题,例如信号连线上的延迟、串扰、器件内部过度干扰和热噪声、电源干扰、地噪声等。不仅会影响着运算放大器与A/D转换器等模拟器件的精度,严重时还将影响系统的正常工作。因此在高速数据采集系统设计中,整个系统的采集精度主要取决于系统的抗干扰设计,尽可能减小或者消除干扰源。文中主要从以下几个方面进行考虑:
(1)电源设计方面。根据高速电路设计理论,A/D采集系统中的电源应当采用线性电源,以避免开关电源引入噪声。为降低电源阻抗,减小噪声对电源的干扰,通常采用电源层设计,尽可能增大电源面积。在设计每个芯片的供电电路时,在每个芯片的电源附近并联去耦电容和旁路电容。去耦电容为芯片提供局域化的直流;旁路电容可以消除高频辐射噪声和一直高频干扰。
(2)接地技术方面。高速数据采集系统的模拟地和数字地应严格分开,最后单点共地。共地点通常选择在ADC芯片管脚所需电流最大的位置,这样可以使大电流对地回流最近。以避免对模拟电路的干扰,提高系统的采集精度。模拟地和数字地可以通过磁珠连接,由于磁珠的高频阻抗大,而直流电阻为零,能够滤除高频电流减少地线上的高频噪声。
2 无线传输模块硬件设计
无线传输模块采用单片射频收发芯片nRF905,负责将工作在433/868/915 MHz国际通用的ISM频段,频段间的转换时间<650μs。gmsk /GFSK调制和解调,抗干扰能力强。采用DDS+PLL频率合成技术,频率稳定性好。数据速率可达100 kbit·s-1,170个频道,传输有效半径达500~1 000 m。
nRF905无线通信芯片采用抗干扰能力强的GMSK调制方式,工作频率稳定可靠,其显着特点是外围元件少、工作电压低,功耗小,接收待机状态仅为2.5μA,可满足低功耗设备的要求。灵敏度高,达到-100 dBm,最大发射功率达+10 dBm。该芯片在设计上充分考虑了用户编程和使用的方便,它可以直接连接单片机串口并可进行发送和接收数据,而无需对数据进行曼彻斯特编码。由于采用了低发射功率、高接收灵敏度的设计,使用无需申请许可证,在发射功率+10 dBm情况下,开阔地的使用距离可达1 000 m。
Shock Burst TM模式:与射频数据包有关的高速信号处理都在nRF905片内进行,数据在微控制器中低速处理,但在nRF905中高速发送,因此中间有较长时间的空闲,这很有利于节能。由于nRF905工作于ShockBurst TM模式,因此使用低速的微控制器也能得到较高的射频数据发射速率。在Shock Burst TM接收模式下,当一个包含正确地址和数据的数据包被接收到后,地址匹配(AM)和数据准备好(DR)两引脚通知微控制器。在Shock Burst TM发送模式,nRF905自动产生字头和CRC校验码,当发送过程完成后,数据准备好引脚通知微处理器数据发射完毕。由以上分析可知,nRF905的Shock Burst TM收发模式有利于节约存储器和微控制器资源,同时也减小了编写程序的时间。
2.2 LPC2220与无线收发模块的连接
nRF905无线收发器电路模块与LPC2220开发板连接的硬件框图如图2所示,LPC2220处理器可以通过SPI接口及相关指令访问nRF905的寄存器。LPC2220中具有两个完全独立的SPI控制器:SPI0和SPI1。此处采用SPI0,其可配置为SPI主机或从机,支持全双工数据通信,最大数据率为外设时钟的1/8。电路天线部分使用高增益天线,在理想状况下,传输距离可达800 m以上。
当ARM有数据要发送时,通过SPI接口,按时序把接收机的地址和要发送的压缩数据传输到nRF905无线收发芯片中,再通过天线发送出去,这样完成了对1帧压缩数据的传输。SPI接口的速率在通信协议和器件配置时确定。ARM置高nRF905的TRX_CE,TX_EN管脚,激发nRF905的Shock Burst TM发送模式。P0.13管脚与DR管脚相连,通知ARM数据己发送完,P0.7管脚与CSN管脚相连,由主机ARM激活,决定从机nRF905是否开始读取数据。
nRF905与LPC2220两个这样的模块连接即可组成一个无线数据收发系统,如图3所示。串口通信时,通信双方必须要求相同的波特率才不会丢帧;同时也必须要求一致的通信数据格式,这都是通过LPC2220芯片的UART通信接口模块进行设置的。
3 实验结果分析
基于nRF905的无线传输模块最终实现了低功耗远距离的数据传输。经实验分析表明:当传输模块工作在868 MHz频段时,数据传输速率可达1 000 kbit·s-1;若采用高增益天线,则可使传输距离达到800 m以上,且表现出良好的稳定性。
4 结束语
嵌入式系统以其本身体积小巧便携、实时性高、稳定性好等优点,成为多领域共同研究的热点。文中采用ARM7作为控制器,其结构小巧,与外设连接提供了稳定可靠的硬件架构、功耗小、性能稳定、维护方便;不仅降低了成本,并且有效实现了高精度、高速、实时的数据采集,提高了系统的可靠性和实时性。此外,设计的无/线收发模块,采用nR9905通过SPI接口同微拉制器进行数据传送,通过ShoekBurstTM收/发模式进行无线数据发送,收/发可靠,实现简单。当工作在868 MHz频段时,数据发送/接收速率为1 000 kbit·s-1,收/发距离可达十几m,表现出良好的稳定性,实现高速传输。
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推荐阅读最新更新时间:2024-03-16 15:54
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