基于射頻無線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及其應(yīng)用

2019-11-03 09:23:58

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供稿：網(wǎng)友

黃繼戰(zhàn)，肖興明，王　鵬

　　(中國礦業(yè)大學機電學院，江蘇徐州 221008)

　　摘　要：介紹將現(xiàn)代計算機技術(shù)和射頻無線技術(shù)相結(jié)合的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。以串行通信方式實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的半雙工無線傳輸，適合于低功耗短距離無線數(shù)據(jù)采集，并具有抗干擾能力強等優(yōu)點；最后介紹了其在提升系統(tǒng)鋼絲繩張力實時檢測系統(tǒng)中的應(yīng)用。

　　關(guān)鍵詞：無線傳輸；射頻；串行通信

　　Wireless Data Acquisition System Based on RF and Its application

　　HUANG Jizhan, XIAO Xingming, WANG Peng

　　(College of Mechatronic, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221008, China)

　　Abstract: This paper mainly introduces the wireless data acquisition system which combines technologies of computer science and RF wirelessness.With the serial communication it realizes the semiduplex wireless transmission,adapts to wireless data acquisitions of low power and short distance, and resists disturbance well. This paper also introduces its application in testing forces of the steely rope in hoist system.

　　Key Words: wireless transmission; RF; serial communication

　　1系統(tǒng)組成及功能

　　無線檢測系統(tǒng)由上位機(PC或ipC)和下位機(單片機)組成。上位機主要完成上傳采集數(shù)據(jù)的實時處理和顯示，并進行判斷，若超過設(shè)定值，則進行聲光報警；下位機主要完成數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸控制。上位機和下位機的信息交換以射頻無線的方式實現(xiàn)，采用半雙工的工作方式，F(xiàn)SK頻率工作在ISM頻段，不需要申請，所需時鐘頻率為4MHz，圖1為射頻無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成框圖。

　　2RF收發(fā)器nRF401

　　2.1基本結(jié)構(gòu)

　　nRF401是NORDIC公司的單片UHF收發(fā)芯片，工作在433/315MHz ISM頻段；具有頻移鍵控(FSK)調(diào)制解調(diào)功能，采用PLL頻率合成技術(shù)，頻率穩(wěn)定性好；最高工作速率可達20kbps，最大可調(diào)發(fā)射功率為10dBm，天線設(shè)計為差分方式；功耗低，接收待機狀態(tài)僅為8μA；工作電壓2.7～3.6V。它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　2.2典型應(yīng)用

　　nRF401只需搭配較少的外圍元器件即可組成收發(fā)一體的無線收發(fā)系統(tǒng)，其應(yīng)用原理圖如圖3所示，各引腳功能說明如下：腳1(XC1)：晶振輸入；腳2、8、13(VDD)：電源(+5V DC)；腳3、7、14、17(VSS)：地(0V)；腳4(FILT)：回路濾波器；5腳(VCO1)：外接電感；6腳(VCO2)：外接電感；9腳(DIN)：數(shù)據(jù)輸入；10腳(DOUT)：數(shù)據(jù)輸出；11腳(RFPWR)：發(fā)射功率設(shè)置；12腳(FREQ)：通道選擇；15腳(ANT1)：天線端；16腳(ANT2)：天線端；18腳(PWRUP)：電源開關(guān)；19腳(TXEN)：發(fā)射接收控制，TXEN=“1”為發(fā)射模式，TXEN=“0”為接收模式；20腳(XC2)：晶振輸出。

　　2.3應(yīng)用要點

　　(1)天線的發(fā)射和接收

　　當nRF401為接收模式時，引腳ANT1和ANT2提供射頻輸入到內(nèi)部低噪聲放大器LNA；當nRF401是發(fā)射模式時，從功率放大器提供射頻輸出到天線。天線連接到nRF401是差動形式，在天線通道推薦的負載阻抗是400Ω。

　　(2)VCO電感使用高質(zhì)量的片式電感，Q＞45，最大誤差±2％。

　　(3)發(fā)射和接收頻率

　　為了得到最好的RF性能，發(fā)射和接收頻差不能超過70ppm(30kHz)，這就要求晶振的穩(wěn)定度不低于±35ppm。

　　(4)發(fā)射和接收模式之間的轉(zhuǎn)換延時

　　在實際應(yīng)用時，應(yīng)注意模式轉(zhuǎn)換之間的延時，從接收模式轉(zhuǎn)換為發(fā)射模式的轉(zhuǎn)換時間至少1ms，從發(fā)射模式轉(zhuǎn)換為接收模式的轉(zhuǎn)換時間至少3ms。

　　3在煤礦提升系統(tǒng)鋼絲繩張力監(jiān)測中的應(yīng)用

　　在提升系統(tǒng)鋼絲繩張力無線實時檢測系統(tǒng)中，上下位機與無線收發(fā)模塊接口電路原理圖如圖4、圖5所示。上位機采用工控機IPC，經(jīng)串口電平匹配后，與無線收發(fā)模塊nRF401相連；IPC機內(nèi)含標準的RS232C串行接口，MAX232用于電平轉(zhuǎn)換，而單片機PD6口與nRF401引腳TXEN連接來控制無線收發(fā)模塊的發(fā)射和接收狀態(tài)。下位機采用基于RISC結(jié)構(gòu)的ATmega8單片機，用來控制前端數(shù)據(jù)采集和無線傳輸模塊。

　　4數(shù)據(jù)傳輸可靠性措施

　　射頻無線采集系統(tǒng)的一個關(guān)鍵問題是傳輸?shù)目煽啃裕慈绾伪ＷC傳輸誤碼率控制在一定的范圍內(nèi)，根據(jù)相關(guān)理論和實踐，可采取以下方法來達到本系統(tǒng)要求。

　　(1)數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)由1位起始位，8數(shù)據(jù)位，1位校驗位，1位停止位構(gòu)成，每幀長度為11位；

　　(2)數(shù)據(jù)位先通過對信源進行編碼，然后采用CRC循環(huán)編碼技術(shù)進行信道編碼，最后發(fā)射出去；收端接收后，進行信道解碼，能夠檢出2錯碼和糾正2個錯碼，可大大提高數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)目煽啃裕华?br>
　　(3)結(jié)合超短波傳播的原理和特點，為更好的接收數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)采用定向發(fā)射定向接收，增加數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?br>
　　參考文獻

　　［1］黃智偉.無線數(shù)字收發(fā)電路設(shè)計［M］.電子工業(yè)出版社，2003.

　　［2］nordic.Nordic VLSI ASA PRODUCT SPECIFICATION［Z］.2002.

摘自儀表技術(shù)

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