摘要 提出了一種基于ARM7嵌入式系統(tǒng)的數據采集與無線傳輸模塊的設計方案，實現高精度、快速、實時的數據采集與傳輸。介紹了基于LPC220芯片的數據采集系統(tǒng)，給出了由嵌入式LPC2220微處理器和射頻收發(fā)芯片nRF905組成的無線傳輸模塊設計。當其工作在868 MHz頻段時，數據傳輸速率可達1 Mbit·s-1，采用高增益天線，使得傳輸距離可達800 m以上，且表現出良好的穩(wěn)定性。最終實現高精度、快速、實時的數據采集與傳輸。

關鍵詞 嵌入式系統(tǒng);LPC2220;nRF905;數據采集;無線傳輸

隨著數據監(jiān)測、無線通信和EDA技術等應用領域的不斷擴展，人們對數據采集系統(tǒng)的采集精度、采集速度以及數據存儲量都提出了更高的要求。針對當前數據采集系統(tǒng)的不足，提出了一種基于ARM7處理器LPC2220的嵌入式高速數據采集系統(tǒng)設計，以滿足系統(tǒng)高速、實時，數據存儲量大的需求。此外，由于模擬信號的抗干擾能力差而不利于傳輸，因此通常利用數字信號進行傳輸。利用無線通信方式，系統(tǒng)結構輕巧、維護方便。適用于防汛防旱等災難預警中的數據檢測，例如降雨量采集、水文站水位監(jiān)測等。

1 數據采集模塊設計

1.1 概述

所謂數據采集，就是通過傳感器把一些物理量轉換成模擬電信號，經過處理后再轉換成計算機能識別的數字量，送入計算機。數據采集的關鍵問題是采集速度和精度。采集速度主要與采樣頻率和A/D轉換速度有關，采集精度主要與A/D轉換器的位數有關。高速數據采集系統(tǒng)的設計需要解決的是系統(tǒng)在速度、精度、數據存儲方面的矛盾。文中介紹的數據采集系統(tǒng)采用飛利浦公司的LPC2220微處理器。數據采集系統(tǒng)(DAS)按照功能可分為：模擬信號調理電路、模數轉換器、數據采集和存儲、時鐘電路、系統(tǒng)時序及邏輯控制電路。如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)時鐘電路設計

時鐘信號的穩(wěn)定性決定了采樣系統(tǒng)的性能。而相位噪聲和抖動是反映時鐘信號穩(wěn)定性的兩個主要指標。其中，相位噪聲用來描述時鐘信號的頻譜純度，相位抖動則直接影響時鐘的過零點。時鐘信號相位抖動對模數轉換信噪比的影響，可通過式(1)計算得出

其中，fs為采樣時鐘頻率;N為模數轉換器的位數;△clk為時鐘信號相位抖動量。因此，取樣時鐘的穩(wěn)定性與信噪比的性能之間也存在著密切的關系。

1.3 系統(tǒng)抗干擾設計

高速數據采集系統(tǒng)存在較大的干擾問題，例如信號連線上的延遲、串擾、器件內部過度干擾和熱噪聲、電源干擾、地噪聲等。不僅會影響著運算放大器與A/D轉換器等模擬器件的精度，嚴重時還將影響系統(tǒng)的正常工作。因此在高速數據采集系統(tǒng)設計中，整個系統(tǒng)的采集精度主要取決于系統(tǒng)的抗干擾設計，盡可能減小或者消除干擾源。文中主要從以下幾個方面進行考慮：

(1)電源設計方面。根據高速電路設計理論，A/D采集系統(tǒng)中的電源應當采用線性電源，以避免開關電源引入噪聲。為降低電源阻抗，減小噪聲對電源的干擾，通常采用電源層設計，盡可能增大電源面積。在設計每個芯片的供電電路時，在每個芯片的電源附近并聯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)接地技術方面。高速數據采集系統(tǒng)的模擬地和數字地應嚴格分開，最后單點共地。共地點通常選擇在ADC芯片管腳所需電流最大的位置，這樣可以使大電流對地回流最近。以避免對模擬電路的干擾，提高系統(tǒng)的采集精度。模擬地和數字地可以通過磁珠連接，由于磁珠的高頻阻抗大，而直流電阻為零，能夠濾除高頻電流減少地線上的高頻噪聲。

2 無線傳輸模塊硬件設計

無線傳輸模塊采用單片射頻收發(fā)芯片nRF905，負責將工作在433/868/915 MHz國際通用的ISM頻段，頻段間的轉換時間<650μs。GMSK /GFSK調制和解調，抗干擾能力強。采用DDS+PLL頻率合成技術，頻率穩(wěn)定性好。數據速率可達100 kbit·s-1，170個頻道，傳輸有效半徑達500～1 000 m。

nRF905無線通信芯片采用抗干擾能力強的GMSK調制方式，工作頻率穩(wěn)定可靠，其顯著特點是外圍元件少、工作電壓低，功耗小，接收待機狀態(tài)僅為2.5μA，可滿足低功耗設備的要求。靈敏度高，達到-100 dBm，最大發(fā)射功率達+10 dBm。該芯片在設計上充分考慮了用戶編程和使用的方便，它可以直接連接單片機串口并可進行發(fā)送和接收數據，而無需對數據進行曼徹斯特編碼。由于采用了低發(fā)射功率、高接收靈敏度的設計，使用無需申請許可證，在發(fā)射功率+10 dBm情況下，開闊地的使用距離可達1 000 m。[!--empirenews.page--]

2.1 nRF905芯片工作模式

nRF905有4種工作模式，即接收和發(fā)送兩種Shock Burst TM模式，關機和空閑兩種節(jié)能模式。nRF905的工作模式由TRX_CE，TX_EN和PWR_UP 3個引腳決定。如表1所示。

Shock Burst TM模式：與射頻數據包有關的高速信號處理都在nRF905片內進行，數據在微控制器中低速處理，但在nRF905中高速發(fā)送，因此中間有較長時間的空閑，這很有利于節(jié)能。由于nRF905工作于ShockBurst TM模式，因此使用低速的微控制器也能得到較高的射頻數據發(fā)射速率。在Shock Burst TM接收模式下，當一個包含正確地址和數據的數據包被接收到后，地址匹配(AM)和數據準備好(DR)兩引腳通知微控制器。在Shock Burst TM發(fā)送模式，nRF905自動產生字頭和CRC校驗碼，當發(fā)送過程完成后，數據準備好引腳通知微處理器數據發(fā)射完畢。由以上分析可知，nRF905的Shock Burst TM收發(fā)模式有利于節(jié)約存儲器和微控制器資源，同時也減小了編寫程序的時間。

2.2 LPC2220與無線收發(fā)模塊的連接

nRF905無線收發(fā)器電路模塊與LPC2220開發(fā)板連接的硬件框圖如圖2所示，LPC2220處理器可以通過SPI接口及相關指令訪問nRF905的寄存器。LPC2220中具有兩個完全獨立的SPI控制器：SPI0和SPI1。此處采用SPI0，其可配置為SPI主機或從機，支持全雙工數據通信，最大數據率為外設時鐘的1/8。電路天線部分使用高增益天線，在理想狀況下，傳輸距離可達800 m以上。

當ARM有數據要發(fā)送時，通過SPI接口，按時序把接收機的地址和要發(fā)送的壓縮數據傳輸到nRF905無線收發(fā)芯片中，再通過天線發(fā)送出去，這樣完成了對1幀壓縮數據的傳輸。SPI接口的速率在通信協議和器件配置時確定。ARM置高nRF905的TRX_CE，TX_EN管腳，激發(fā)nRF905的Shock Burst TM發(fā)送模式。P0.13管腳與DR管腳相連，通知ARM數據己發(fā)送完，P0.7管腳與CSN管腳相連，由主機ARM激活，決定從機nRF905是否開始讀取數據。

nRF905與LPC2220兩個這樣的模塊連接即可組成一個無線數據收發(fā)系統(tǒng)，如圖3所示。串口通信時，通信雙方必須要求相同的波特率才不會丟幀;同時也必須要求一致的通信數據格式，這都是通過LPC2220芯片的UART通信接口模塊進行設置的。

3 實驗結果分析

基于nRF905的無線傳輸模塊最終實現了低功耗遠距離的數據傳輸。經實驗分析表明：當傳輸模塊工作在868 MHz頻段時，數據傳輸速率可達1 000 kbit·s-1;若采用高增益天線，則可使傳輸距離達到800 m以上，且表現出良好的穩(wěn)定性。

4 結束語

嵌入式系統(tǒng)以其本身體積小巧便攜、實時性高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，成為多領域共同研究的熱點。文中采用ARM7作為控制器，其結構小巧，與外設連接提供了穩(wěn)定可靠的硬件架構、功耗小、性能穩(wěn)定、維護方便;不僅降低了成本，并且有效實現了高精度、高速、實時的數據采集，提高了系統(tǒng)的可靠性和實時性。此外，設計的無/線收發(fā)模塊，采用nR9905通過SPI接口同微拉制器進行數據傳送，通過ShoekBurstTM收/發(fā)模式進行無線數據發(fā)送，收/發(fā)可靠，實現簡單。當工作在868 MHz頻段時，數據發(fā)送/接收速率為1 000 kbit·s-1，收/發(fā)距離可達十幾m，表現出良好的穩(wěn)定性，實現高速傳輸。