計(jì)算機(jī)近距離無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘  要：本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于2.4GHz ISM頻段射頻收發(fā)芯片nRF2401的計(jì)算機(jī)短距離無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用PC作為系統(tǒng)控制中心，以C8051F021單片機(jī)為核心構(gòu)成數(shù)據(jù)采集傳送的前端，并且采用nRF2401芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)無線發(fā)射與接收。

關(guān)鍵詞：ISM頻段；  射頻；   C8051F021單片機(jī)；  nRF2401

引言

    針對某醫(yī)療裝置中的人體生理信號采集和傳輸問題，本文設(shè)計(jì)了計(jì)算機(jī)近距離無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。采用Nodic公司的nRF2401作為無線收發(fā)核心器件。系統(tǒng)由一臺PC、無線數(shù)據(jù)接收模塊和無線數(shù)據(jù)采集發(fā)射模塊組成。無線數(shù)據(jù)發(fā)射模塊以C8051F021單片機(jī)為處理核心，采用單片機(jī)內(nèi)部的12位ADC對現(xiàn)場的模擬信號進(jìn)行采集和發(fā)送；無線數(shù)據(jù)接收模塊以C8051F021單片機(jī)作為處理核心，接收與發(fā)射模塊由nRF2401無線收發(fā)芯片完成，采用MAX5591實(shí)現(xiàn)12位D/A轉(zhuǎn)換，采用 RS-485總線與PC進(jìn)行通信，它負(fù)責(zé)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的接收和初步處理，并轉(zhuǎn)發(fā)給PC以供顯示和監(jiān)控，同時(shí)將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量，供示波器顯示；PC有良好的人機(jī)界面，利用NI的虛擬示波器顯示遠(yuǎn)端現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)，并可以向現(xiàn)場的采集模塊發(fā)送控制命令，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)保存采集數(shù)據(jù)、打印、回放歷史數(shù)據(jù)等功能。

系統(tǒng)分析及設(shè)計(jì)

    計(jì)算機(jī)短距離無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成如圖1所示。

　　圖 1 系統(tǒng)組成框圖

系統(tǒng)分析及硬件設(shè)計(jì)

    由于現(xiàn)場要采集的數(shù)據(jù)為醫(yī)學(xué)人體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，幅值大約在-1.0V~+1.0V之間，頻率為300Hz，要求測量誤差低于10mV，C8051F021自帶的12位ADC在精度上可以滿足要求；但是單片機(jī)中的ADC要求輸入為正電壓，同時(shí)考慮到轉(zhuǎn)換精度要求，故需要對信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將原信號轉(zhuǎn)換為幅值在0～3V、頻率300Hz左右的信號?？梢岳肕AX4194組成信號轉(zhuǎn)換電路，將模擬信號的零參考電平抬升到1.0V。這樣，原先-1.0V~0V之間的電壓信號轉(zhuǎn)換為0~1.0V之間的電壓，而原先0V~1.0V之間的電壓轉(zhuǎn)換為1.0V~2.0V之間的電壓。這樣就完成了原始信號的轉(zhuǎn)換，適應(yīng)了單片機(jī)的輸入要求。單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換參考電壓選擇外部3.3V，由MAX6013提供。{{分頁}}

    考慮到無線數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收特點(diǎn)，故選用Nordic 公司的nRF2401芯片。nRF2401是單片射頻收發(fā)芯片，工作于2.4GHz~2.5GHz ISM頻段，芯片內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過程序進(jìn)行配置。芯片功耗非常低，以-5dBm的功率發(fā)射時(shí)，工作電流只有10.5mA，接收時(shí)工作電流只有18mA。其獨(dú)有的DuoCeiver技術(shù)使nRF2401可以使用同一天線，同時(shí)接收兩個(gè)不同頻道的數(shù)據(jù)。nRF2401使用跳頻技術(shù)，在2400MHz~2527MHz之間設(shè)立了128個(gè)頻道(每個(gè)頻道帶寬1MHz)，頻道間的切換時(shí)間小于200ms。此外，nRF2401內(nèi)置CRC編解碼模塊，可以在不增加編程難度的條件下減小誤碼率。

    無線數(shù)據(jù)接收后，要進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，供示波器觀看；考慮到數(shù)據(jù)的采集精度要求，故采用了 MAX5591作為轉(zhuǎn)換器件，一方面可以方便地與C8051F021單片機(jī)SPI接口連接，另一方面，它是12位DAC，與采集端的ADC匹配，可減小轉(zhuǎn)換誤差。

    無線數(shù)據(jù)接收到終端后，要求能直觀地觀看，并且可以對現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集次數(shù)、采集啟停時(shí)間進(jìn)行控制，故需要將數(shù)據(jù)傳到PC，進(jìn)行顯示；同時(shí)，通過人機(jī)界面，對現(xiàn)場進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。PC采用VC++編寫程序，利用NI 的虛擬示波器和其它控件實(shí)現(xiàn)友好的人機(jī)界面，數(shù)據(jù)顯示、存儲(chǔ)和打印功能。

系統(tǒng)中的主要軟件模塊

    系統(tǒng)軟件主要由上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件組成。

    上位機(jī)軟件主要實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)通信、波形顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)回放、打印等功能。下位機(jī)的主要功能有：系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)采集(A/D轉(zhuǎn)換)、無線數(shù)據(jù)發(fā)射、無線數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)D/A轉(zhuǎn)換、與PC串口通信等。下面重點(diǎn)介紹下位機(jī)的無線發(fā)射與接收部分軟件。

    無線數(shù)據(jù)收發(fā)主要通過對nRF2401進(jìn)行操作實(shí)現(xiàn)，包括器件配置、發(fā)送數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)等。nRF2401的工作模式通過引腳PWR_UP、CE和CS選擇。在RX/TX模式下，有兩種工作方式：ShockBurs和Direct Mode。本系統(tǒng)選用了ShockBurst模式，這種模式下需要配置的內(nèi)容有：接收數(shù)據(jù)長度、接收通道地址、CRC校驗(yàn)、工作方式、發(fā)送頻率、傳送速率、接收與發(fā)送等。需要15字節(jié)的配置內(nèi)容，下面給出了16進(jìn)制的配置內(nèi)容：0x80,0x80,0x00,0xcc,0xcc,0xcc,
0x00,0xcd,0xcd,0xcd,0xcd,0x83,0x4f,
0x05。

難點(diǎn)分析及解決方法

nRF2401半雙工通信方式與C8051全雙工通信接口的轉(zhuǎn)換

     在數(shù)據(jù)的采集端，單片機(jī)與射頻模塊是雙向通信，可以直接采用單片機(jī)自帶的SPI 接口與射頻模塊單向通信，包括配置射頻模塊的工作方式、接收通道地址、接收數(shù)據(jù)長度、接收頻率、發(fā)送功率等參數(shù)和要發(fā)送的采集數(shù)據(jù)；當(dāng)單片機(jī)要讀取遠(yuǎn)端發(fā)送的控制命令時(shí)，要將SPI模式關(guān)閉，同時(shí)將MOSI、DR1端口定義為輸入方式，然后將射頻模塊接收的控制命令讀到單片機(jī)內(nèi)部，并根據(jù)控制命令進(jìn)行相應(yīng)的操作，如采集通道選擇、采集次數(shù)設(shè)定、開始采集、停止采集、發(fā)送數(shù)據(jù)等。

　　表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

    在接收端，單片機(jī)和射頻模塊之間也是雙向通信，單片機(jī)首先關(guān)閉SPI 模式，將MISO定義為輸入模式，通過模擬的SPI 操作，對射頻模塊進(jìn)行配置；當(dāng)有控制命令要發(fā)送時(shí)，仍將MISO端口定義為輸出模式，將射頻模塊配置為發(fā)送模式，將控制命令發(fā)送到數(shù)據(jù)采集終端；當(dāng)要接收采集終端傳來的數(shù)據(jù)時(shí)，首先將射頻模塊配置為接收模式，然后打開SPI 功能，利用單片機(jī)的SPI接口，將數(shù)據(jù)讀到單片機(jī)內(nèi)部。

　　這樣，就完成了射頻模塊的半雙工通信接口與單片機(jī)全雙工通信接口的轉(zhuǎn)換。{{分頁}}

單片機(jī)與MAX5591之間的SPI接口通信

    C8051單片機(jī)的SPI 操作時(shí)序不能滿足MAX5591的時(shí)序要求。要使單片機(jī)和MAX5591之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，必須根據(jù)MAX5591的時(shí)序要求將單片機(jī)的SPI時(shí)序進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析總結(jié)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　現(xiàn)場模擬電壓信號通過12位ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，通過無線方式傳送到遠(yuǎn)端監(jiān)控室，一方面通過DAC轉(zhuǎn)換為模擬量，供示波器觀看；另一方面，通過RS-232傳送到PC進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)和打印。表1是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

分析總結(jié)

    從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看到，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場模擬電壓信號的采集、無線傳輸以及模擬信號還原，誤差不大于0.2%，滿足了設(shè)計(jì)要求。同時(shí)系統(tǒng)還存在著不足之處：在數(shù)據(jù)量加大，傳輸速率為1MHz時(shí)，偶爾會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象；當(dāng)被測信號頻率大于500Hz的時(shí)候，信號復(fù)現(xiàn)時(shí)會(huì)出現(xiàn)波形失真。

    系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)端現(xiàn)場采集8路人體生理信號，無線傳送到監(jiān)控中心并復(fù)現(xiàn)現(xiàn)場信號的功能。實(shí)驗(yàn)證明，系統(tǒng)在250Kbps速率下無線傳輸距離可達(dá)50米，采集信號誤差低于0.5% 。數(shù)據(jù)傳輸中采用了16位CRC校驗(yàn)，降低了誤碼率。該系統(tǒng)已經(jīng)在某醫(yī)療器械上得到應(yīng)用。經(jīng)改造，系統(tǒng)可以采集現(xiàn)場的數(shù)字量和一些開關(guān)量，實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和開關(guān)量控制等。
　　
結(jié)語

    本文采用軟件切換的方式實(shí)現(xiàn)了半雙工器件與全雙工器件的通訊轉(zhuǎn)換，采用軟件模擬SPI操作，解決了多SPI器件之間的通信協(xié)議匹配問題。
　　
參考文獻(xiàn)：

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