基于ARM7的數(shù)據(jù)采集與無(wú)線傳輸模塊設(shè)計(jì)

摘要 提出了一種基于ARM7嵌入式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與無(wú)線傳輸模塊的設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)高精度、快速、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集與傳輸。介紹了基于LPC220芯片的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，給出了由嵌入式LPC2220微處理器和射頻收發(fā)芯片nRF905組成的無(wú)線傳輸模塊設(shè)計(jì)。當(dāng)其工作在868 MHz頻段時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)1 Mbit·s-1，采用高增益天線，使得傳輸距離可達(dá)800 m以上，且表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。最終實(shí)現(xiàn)高精度、快速、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集與傳輸。
關(guān)鍵詞 嵌入式系統(tǒng)；LPC2220；nRF905；數(shù)據(jù)采集；無(wú)線傳輸

隨著數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、無(wú)線通信和EDA技術(shù)等應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，人們對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采集精度、采集速度以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量都提出了更高的要求。針對(duì)當(dāng)前數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的不足，提出了一種基于ARM7處理器LPC2220的嵌入式高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以滿(mǎn)足系統(tǒng)高速、實(shí)時(shí)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大的需求。此外，由于模擬信號(hào)的抗干擾能力差而不利于傳輸，因此通常利用數(shù)字信號(hào)進(jìn)行傳輸。利用無(wú)線通信方式，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)輕巧、維護(hù)方便。適用于防汛防旱等災(zāi)難預(yù)警中的數(shù)據(jù)檢測(cè)，例如降雨量采集、水文站水位監(jiān)測(cè)等。

1 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)
1．1 概述
所謂數(shù)據(jù)采集，就是通過(guò)傳感器把一些物理量轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào)，經(jīng)過(guò)處理后再轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能識(shí)別的數(shù)字量，送入計(jì)算機(jī)。數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵問(wèn)題是采集速度和精度。采集速度主要與采樣頻率和A／D轉(zhuǎn)換速度有關(guān)，采集精度主要與A／D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)有關(guān)。高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要解決的是系統(tǒng)在速度、精度、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面的矛盾。文中介紹的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用飛利浦公司的LPC2220微處理器。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS)按照功能可分為：模擬信號(hào)調(diào)理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)、時(shí)鐘電路、系統(tǒng)時(shí)序及邏輯控制電路。如圖1所示。

1．2 系統(tǒng)時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)
時(shí)鐘信號(hào)的穩(wěn)定性決定了采樣系統(tǒng)的性能。而相位噪聲和抖動(dòng)是反映時(shí)鐘信號(hào)穩(wěn)定性的兩個(gè)主要指標(biāo)。其中，相位噪聲用來(lái)描述時(shí)鐘信號(hào)的頻譜純度，相位抖動(dòng)則直接影響時(shí)鐘的過(guò)零點(diǎn)。時(shí)鐘信號(hào)相位抖動(dòng)對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換信噪比的影響，可通過(guò)式(1)計(jì)算得出

其中，fs為采樣時(shí)鐘頻率；N為模數(shù)轉(zhuǎn)換器的位數(shù)；△clk為時(shí)鐘信號(hào)相位抖動(dòng)量。因此，取樣時(shí)鐘的穩(wěn)定性與信噪比的性能之間也存在著密切的關(guān)系。
1．3 系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)
高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)存在較大的干擾問(wèn)題，例如信號(hào)連線上的延遲、串?dāng)_、器件內(nèi)部過(guò)度干擾和熱噪聲、電源干擾、地噪聲等。不僅會(huì)影響著運(yùn)算放大器與A／D轉(zhuǎn)換器等模擬器件的精度，嚴(yán)重時(shí)還將影響系統(tǒng)的正常工作。因此在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，整個(gè)系統(tǒng)的采集精度主要取決于系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)，盡可能減小或者消除干擾源。文中主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行考慮：
(1)電源設(shè)計(jì)方面。根據(jù)高速電路設(shè)計(jì)理論，A／D采集系統(tǒng)中的電源應(yīng)當(dāng)采用線性電源，以避免開(kāi)關(guān)電源引入噪聲。為降低電源阻抗，減小噪聲對(duì)電源的干擾，通常采用電源層設(shè)計(jì)，盡可能增大電源面積。在設(shè)計(jì)每個(gè)芯片的供電電路時(shí)，在每個(gè)芯片的電源附近并聯(lián)去耦電容和旁路電容。去耦電容為芯片提供局域化的直流；旁路電容可以消除高頻輻射噪聲和一直高頻干擾。
(2)接地技術(shù)方面。高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的模擬地和數(shù)字地應(yīng)嚴(yán)格分開(kāi)，最后單點(diǎn)共地。共地點(diǎn)通常選擇在ADC芯片管腳所需電流最大的位置，這樣可以使大電流對(duì)地回流最近。以避免對(duì)模擬電路的干擾，提高系統(tǒng)的采集精度。模擬地和數(shù)字地可以通過(guò)磁珠連接，由于磁珠的高頻阻抗大，而直流電阻為零，能夠?yàn)V除高頻電流減少地線上的高頻噪聲。

2 無(wú)線傳輸模塊硬件設(shè)計(jì)
無(wú)線傳輸模塊采用單片射頻收發(fā)芯片nRF905，負(fù)責(zé)將工作在433／868／915 MHz國(guó)際通用的ISM頻段，頻段間的轉(zhuǎn)換時(shí)間650μs。GMSK ／GFSK調(diào)制和解調(diào)，抗干擾能力強(qiáng)。采用DDS+PLL頻率合成技術(shù)，頻率穩(wěn)定性好。數(shù)據(jù)速率可達(dá)100 kbit·s-1，170個(gè)頻道，傳輸有效半徑達(dá)500～1 000 m。
nRF905無(wú)線通信芯片采用抗干擾能力強(qiáng)的GMSK調(diào)制方式，工作頻率穩(wěn)定可靠，其顯著特點(diǎn)是外圍元件少、工作電壓低，功耗小，接收待機(jī)狀態(tài)僅為2．5μA，可滿(mǎn)足低功耗設(shè)備的要求。靈敏度高，達(dá)到-100 dBm，最大發(fā)射功率達(dá)+10 dBm。該芯片在設(shè)計(jì)上充分考慮了用戶(hù)編程和使用的方便，它可以直接連接單片機(jī)串口并可進(jìn)行發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，而無(wú)需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行曼徹斯特編碼。由于采用了低發(fā)射功率、高接收靈敏度的設(shè)計(jì)，使用無(wú)需申請(qǐng)?jiān)S可證，在發(fā)射功率+10 dBm情況下，開(kāi)闊地的使用距離可達(dá)1 000 m。