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

2019-11-05 02:31:37

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　　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，并進行判定，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。
　　　基于射頻無線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及其應(yīng)用（圖一）

基于射頻無線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及其應(yīng)用（圖一）

基于射頻無線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及其應(yīng)用（圖二）

　　2 RF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。
　　　基于射頻無線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及其應(yīng)用（圖三）

基于射頻無線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及其應(yīng)用（圖三）

基于射頻無線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及其應(yīng)用（圖四）

基于射頻無線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及其應(yīng)用（圖五）

　　2.3應(yīng)用要點
　　
　　(1)天線的發(fā)射和接收
　　
　　當(dāng)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(dāng)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(fù)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)注重模式轉(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(biāo)準(zhǔn)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)的一個要害問題是傳輸?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?
　　
　　(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?

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