摘要 提出了一種基于ARM7嵌入式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與無線傳輸模塊的設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)高精度、快速、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集與傳輸。介紹了基于LPC220芯片的數(shù)據(jù)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(shè)計(jì)。當(dāng)其工作在868 MHz頻段時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)1 Mbit·s-1，采用高增益天線，使得傳輸距離可達(dá)800 m以上，且表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。最終實(shí)現(xiàn)高精度、快速、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集與傳輸。

關(guān)鍵詞 嵌入式系統(tǒng);LPC2220;nRF905;數(shù)據(jù)采集;無線傳輸

隨著數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、無線通信和EDA技術(shù)等應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，人們對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采集精度、采集速度以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量都提出了更高的要求。針對(duì)當(dāng)前數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以滿足系統(tǒng)高速、實(shí)時(shí)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大的需求。此外，由于模擬信號(hào)的抗干擾能力差而不利于傳輸，因此通常利用數(shù)字信號(hào)進(jìn)行傳輸。利用無線通信方式，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)輕巧、維護(hù)方便。適用于防汛防旱等災(zāi)難預(yù)警中的數(shù)據(jù)檢測(cè)，例如降雨量采集、水文站水位監(jiān)測(cè)等。

1 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

1.1 概述

所謂數(shù)據(jù)采集，就是通過傳感器把一些物理量轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào)，經(jīng)過處理后再轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能識(shí)別的數(shù)字量，送入計(jì)算機(jī)。數(shù)據(jù)采集的關(guān)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(zhuǎn)換速度有關(guān)，采集精度主要與A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)有關(guān)。高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要解決的是系統(tǒng)在速度、精度、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面的矛盾。文中介紹的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用飛利浦公司的LPC2220微處理器。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS)按照功能可分為：模擬信號(hào)調(diào)理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)、時(shí)鐘電路、系統(tǒng)時(shí)序及邏輯控制電路。如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)

時(shí)鐘信號(hào)的穩(wěn)定性決定了采樣系統(tǒng)的性能。而相位噪聲和抖動(dòng)是反映時(shí)鐘信號(hào)穩(wěn)定性的兩個(gè)主要指標(biāo)。其中，相位噪聲用來描述時(shí)鐘信號(hào)的頻譜純度，相位抖動(dòng)則直接影響時(shí)鐘的過零點(diǎn)。時(shí)鐘信號(hào)相位抖動(dòng)對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換信噪比的影響，可通過式(1)計(jì)算得出

其中，fs為采樣時(shí)鐘頻率;N為模數(shù)轉(zhuǎn)換器的位數(shù);△clk為時(shí)鐘信號(hào)相位抖動(dòng)量。因此，取樣時(shí)鐘的穩(wěn)定性與信噪比的性能之間也存在著密切的關(guān)系。

1.3 系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)

高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)存在較大的干擾問題，例如信號(hào)連線上的延遲、串?dāng)_、器件內(nèi)部過度干擾和熱噪聲、電源干擾、地噪聲等。不僅會(huì)影響著運(yùn)算放大器與A/D轉(zhuǎn)換器等模擬器件的精度，嚴(yán)重時(shí)還將影響系統(tǒng)的正常工作。因此在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，整個(gè)系統(tǒng)的采集精度主要取決于系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)，盡可能減小或者消除干擾源。文中主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行考慮：

(1)電源設(shè)計(jì)方面。根據(jù)高速電路設(shè)計(jì)理論，A/D采集系統(tǒng)中的電源應(yīng)當(dāng)采用線性電源，以避免開關(guān)電源引入噪聲。為降低電源阻抗，減小噪聲對(duì)電源的干擾，通常采用電源層設(shè)計(jì)，盡可能增大電源面積。在設(shè)計(jì)每個(gè)芯片的供電電路時(shí)，在每個(gè)芯片的電源附近并聯(lián)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(shù)方面。高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的模擬地和數(shù)字地應(yīng)嚴(yán)格分開，最后單點(diǎn)共地。共地點(diǎn)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(duì)地回流最近。以避免對(duì)模擬電路的干擾，提高系統(tǒng)的采集精度。模擬地和數(shù)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?yàn)V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(shè)計(jì)

無線傳輸模塊采用單片射頻收發(fā)芯片nRF905，負(fù)責(zé)將工作在433/868/915 MHz國際通用的ISM頻段，頻段間的轉(zhuǎn)換時(shí)間<650μs。GMSK /GFSK調(diào)制和解調(diào)，抗干擾能力強(qiáng)。采用DDS+PLL頻率合成技術(shù)，頻率穩(wěn)定性好。數(shù)據(jù)速率可達(dá)100 kbit·s-1，170個(gè)頻道，傳輸有效半徑達(dá)500～1 000 m。

nRF905無線通信芯片采用抗干擾能力強(qiáng)的GMSK調(diào)制方式，工作頻率穩(wěn)定可靠，其顯著特點(diǎn)是外圍元件少、工作電壓低，功耗小，接收待機(jī)狀態(tài)僅為2.5μA，可滿足低功耗設(shè)備的要求。靈敏度高，達(dá)到-100 dBm，最大發(fā)射功率達(dá)+10 dBm。該芯片在設(shè)計(jì)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(jī)串口并可進(jìn)行發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，而無需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)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(shè)計(jì)，使用無需申請(qǐng)?jiān)S可證，在發(fā)射功率+10 dBm情況下，開闊地的使用距離可達(dá)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(guān)機(jī)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(gè)引腳決定。如表1所示。

Shock Burst TM模式：與射頻數(shù)據(jù)包有關(guān)的高速信號(hào)處理都在nRF905片內(nèi)進(jìn)行，數(shù)據(jù)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(shí)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(shù)據(jù)發(fā)射速率。在Shock Burst TM接收模式下，當(dāng)一個(gè)包含正確地址和數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包被接收到后，地址匹配(AM)和數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好(DR)兩引腳通知微控制器。在Shock Burst TM發(fā)送模式，nRF905自動(dòng)產(chǎn)生字頭和CRC校驗(yàn)碼，當(dāng)發(fā)送過程完成后，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好引腳通知微處理器數(shù)據(jù)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(chǔ)器和微控制器資源，同時(shí)也減小了編寫程序的時(shí)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(guān)指令訪問nRF905的寄存器。LPC2220中具有兩個(gè)完全獨(dú)立的SPI控制器：SPI0和SPI1。此處采用SPI0，其可配置為SPI主機(jī)或從機(jī)，支持全雙工數(shù)據(jù)通信，最大數(shù)據(jù)率為外設(shè)時(shí)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(dá)800 m以上。

當(dāng)ARM有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，通過SPI接口，按時(shí)序把接收機(jī)的地址和要發(fā)送的壓縮數(shù)據(jù)傳輸?shù)絥RF905無線收發(fā)芯片中，再通過天線發(fā)送出去，這樣完成了對(duì)1幀壓縮數(shù)據(jù)的傳輸。SPI接口的速率在通信協(xié)議和器件配置時(shí)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(shù)據(jù)己發(fā)送完，P0.7管腳與CSN管腳相連，由主機(jī)ARM激活，決定從機(jī)nRF905是否開始讀取數(shù)據(jù)。

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

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

基于nRF905的無線傳輸模塊最終實(shí)現(xiàn)了低功耗遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸。經(jīng)實(shí)驗(yàn)分析表明：當(dāng)傳輸模塊工作在868 MHz頻段時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)1 000 kbit·s-1;若采用高增益天線，則可使傳輸距離達(dá)到800 m以上，且表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語

嵌入式系統(tǒng)以其本身體積小巧便攜、實(shí)時(shí)性高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，成為多領(lǐng)域共同研究的熱點(diǎn)。文中采用ARM7作為控制器，其結(jié)構(gòu)小巧，與外設(shè)連接提供了穩(wěn)定可靠的硬件架構(gòu)、功耗小、性能穩(wěn)定、維護(hù)方便;不僅降低了成本，并且有效實(shí)現(xiàn)了高精度、高速、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集，提高了系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時(shí)性。此外，設(shè)計(jì)的無/線收發(fā)模塊，采用nR9905通過SPI接口同微拉制器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，通過ShoekBurstTM收/發(fā)模式進(jìn)行無線數(shù)據(jù)發(fā)送，收/發(fā)可靠，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。當(dāng)工作在868 MHz頻段時(shí)，數(shù)據(jù)發(fā)送/接收速率為1 000 kbit·s-1，收/發(fā)距離可達(dá)十幾m，表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)高速傳輸。