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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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供稿:網(wǎng)友

  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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