一種無線數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì)

引 言
人們在日常生產(chǎn)、生話中，對于采集數(shù)據(jù)的傳輸大多數(shù)采用有線方式，因?yàn)橛芯€方式的傳輸距離、數(shù)據(jù)傳輸速率以及抗干擾能力都要優(yōu)于無線方式；而對于在野外或者不便于鋪設(shè)線纜的地區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，采用有線方式就受到了限制。針對這一特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了采用無線傳輸方式的無線數(shù)據(jù)采集模塊。模塊選用Philips公司的P89LPC933單片機(jī)作為微控制器，單元集參數(shù)采集、數(shù)據(jù)存儲、無線傳輸為一體，其整體結(jié)構(gòu)框圖如圖l所示。

1 采集單元硬件電路的設(shè)計(jì)
由于模塊采用電池供電，其能量是有限的，所以模塊應(yīng)選用低的工作電壓以及低功耗的外圍電路器件。
1．1 單片機(jī)的選取
采集模塊選用Philips公司的P89LPC933單片機(jī)作為微控制器，其工作電壓為2．4～3．6V。P89LPC933單片機(jī)采用了高性能的處理器結(jié)構(gòu)，指令執(zhí)行時(shí)間只需2～4個(gè)時(shí)鐘周期，6倍于標(biāo)準(zhǔn)80C51器件；以抗干擾能力強(qiáng)、功耗低等優(yōu)點(diǎn)而被應(yīng)用于多種嵌入式系統(tǒng)中。同時(shí)P89LPC933集成了許多系統(tǒng)級的功能，如1個(gè)8位、4路逐步逼近式模／數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和1個(gè)DAC模塊，400 kHz字節(jié)方式I2C通信端口，SPI接口，鍵盤中斷，片內(nèi)看門狗定時(shí)器。這樣可大大減少元件的數(shù)目，減小電路板面積，并降低系統(tǒng)的成本，因此適合于許多要求高集成度、低成本的場合，可以滿足多方面的性能要求。
為降低微控制器的功耗，模塊采用低頻外部32．768kHz的晶體振蕩器，工作電壓為3V。在采集工作完成后，控制器關(guān)閉A／D使能進(jìn)入空閑模式。
1．2 傳感器的選取
模塊以采集空氣溫／濕度及光照度數(shù)據(jù)為例，實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)需要采集的參數(shù)更換傳感器。
①溫度傳感器。選用美國Dallas公司的可編程單總線數(shù)字式溫度傳感器DS18820實(shí)現(xiàn)空氣溫度信號的采集。該傳感器體積小，外形如普通三極管，其內(nèi)部集成有測溫傳感器及邏輯控制電路。DSl8820有很多優(yōu)點(diǎn)，例如：直接輸出數(shù)字信號，省去了后繼的信號放大及模／數(shù)轉(zhuǎn)換部分；外圍電路簡單，成本低；單總線接口，只有一根信號線作為單總線與CPU連接，且每一只都有自己唯一的64位系列號存儲在其內(nèi)部的ROM存儲器中，故在一根信號線上可以掛接多個(gè)DSl8820，便于多點(diǎn)測量且易于擴(kuò)展。
②濕度傳感器。選用法國Humirel公司的HSll01電容式相對濕度傳感器。此傳感器與其他產(chǎn)品相比。有著顯著的優(yōu)點(diǎn)：不需要校準(zhǔn)的完全互換性，高可靠性和長期穩(wěn)定性，響應(yīng)時(shí)間快，適用于線性電壓輸出和頻率輸出兩種電路；模塊中選用頻率輸出電路，經(jīng)CMOS TLC555振蕩器輸出穩(wěn)定的頻率信號，經(jīng)單片機(jī)采集后可以轉(zhuǎn)換成濕度值。濕度值與輸出頻率關(guān)系如表l所列。

③光照度傳感器。采用硅光敏二極管3DU050C，光譜范圍為450 nm～1150 nm，用于可見光、紅外光檢測，光電流IL(10001x，10V)≥5 mA，暗電流Id(Olx，10V)≤O．1μA，擊穿電壓VCEO>30 V，耗散功率Pd=150 mW，封裝φ5黑膠。
通過運(yùn)算放大器輸出電壓信號，經(jīng)單片機(jī)內(nèi)部A／D轉(zhuǎn)換電路，將電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，計(jì)算出光照強(qiáng)度。運(yùn)算放大器選用TI公司的TLC2272CP。該運(yùn)放具有低功耗、低電壓、高精度等優(yōu)點(diǎn)，適用于電池供電的設(shè)備中(硬件電路參見圖4)。圖2為輸出電壓與光照強(qiáng)度的關(guān)系曲線。

1．3 無線收發(fā)單元
采用PTR8000無線收發(fā)模塊，帶有外置天線，可直接與單片機(jī)連接，無須外接其他器件，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線轉(zhuǎn)發(fā)；最大發(fā)射功率為+10 dBm，高抗干擾的GFSK調(diào)制，傳輸頻率為5O kHz。該模塊使用nRF905收發(fā)芯片，可工作在433／868／915MHz頻段，專為點(diǎn)對多點(diǎn)無線通信設(shè)計(jì)；工作電壓為1．9～3．6V，待機(jī)功耗為2μA，適用于低電壓、低功耗系統(tǒng)中；內(nèi)置完整的通信協(xié)議和CRC，只需通過SPI即可完成所有的無線收發(fā)傳輸。
1.4 存儲單元
FM24CL64是Ramtron公司的一款低電壓鐵電存儲器芯片，用于存儲采集的數(shù)據(jù)。其工作電壓為2．7～3．6V，適合在低功耗的單片機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用。由于采用了鐵電體技術(shù)，該芯片的數(shù)據(jù)交換速度極高，數(shù)據(jù)線可以支持的頻率最高達(dá)到l MHz，因此單片機(jī)向FM24CL64寫入數(shù)據(jù)時(shí)一般無須加延時(shí)，并且使用壽命沒有限制。FM24CL64芯片的引腳排列如圖3所示。

其中SDA和SCL引腳是數(shù)據(jù)交換線，用作CPU與FM24CL64之間的數(shù)據(jù)交換和命令寫入；WP為寫保護(hù)口，WP為高時(shí)寫禁止，WP為低時(shí)寫允許；A2、Al、A0是器件地址選擇引腳，在同一總線上允許同時(shí)掛接8個(gè)同類器件。整個(gè)采集模塊的電路簡圖如圖4所示。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
為了降低系統(tǒng)的能量消耗，軟件設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的，簡潔的程序能有效地節(jié)省單片機(jī)的運(yùn)行時(shí)間，從而降低能耗；使CPU工作在掉電或者空閑模式下，也能有效降低功耗。掉電模式時(shí)功耗要比空閑模式更低，但由于掉電模式需要硬件復(fù)位喚醒，所以設(shè)計(jì)中選用CPU空閑模式。
軟件整體設(shè)計(jì)流程：上電后單片機(jī)初始化各個(gè)設(shè)置，進(jìn)入節(jié)能模式；定時(shí)時(shí)間到喚醒處理器，依次使能內(nèi)部A／D轉(zhuǎn)換模塊，配置無線模塊，執(zhí)行數(shù)據(jù)采集程序，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和存儲，轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，結(jié)束后關(guān)A／D，設(shè)置無線模塊進(jìn)入待機(jī)模式，最后單片機(jī)進(jìn)入空閑模式。這樣使能量消耗降到最低。
在測量程序中，如果某一項(xiàng)參數(shù)出現(xiàn)異常，就調(diào)用參數(shù)報(bào)警程序，通過無線模塊發(fā)送報(bào)警信息。程序在Keil的uVision2環(huán)境下編譯調(diào)試通過。程序流程如圖5和圖6所示。

結(jié)語
本采集模塊能夠監(jiān)測參數(shù)，當(dāng)某一項(xiàng)或多項(xiàng)參數(shù)出現(xiàn)異常時(shí)，處理器調(diào)用報(bào)警程序通過無線收發(fā)模塊發(fā)送報(bào)警信息。通過使處理器處于空閑模式及無線收發(fā)模塊處于待機(jī)狀態(tài)，有效地降低了模塊的功耗。采集單元每隔特定時(shí)間采集一次參數(shù)信息進(jìn)行存儲和轉(zhuǎn)發(fā)。對于整個(gè)采集系統(tǒng)，上位機(jī)可以通過無線模塊發(fā)送指令，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的觀測。本文只涉及單個(gè)采集模塊。
本模塊單元有較強(qiáng)的可移植能力，通過更換測量單元傳感器的類型，可以應(yīng)用于工業(yè)數(shù)據(jù)采集、無線抄表、智能家電等領(lǐng)域。