一種無(wú)線(xiàn)數據采集模塊的設計

引 言
人們在日常生產(chǎn)、生話(huà)中，對于采集數據的傳輸大多數采用有線(xiàn)方式，因為有線(xiàn)方式的傳輸距離、數據傳輸速率以及抗干擾能力都要優(yōu)于無(wú)線(xiàn)方式；而對于在野外或者不便于鋪設線(xiàn)纜的地區進(jìn)行數據傳輸時(shí)，采用有線(xiàn)方式就受到了限制。針對這一特點(diǎn)，設計了采用無(wú)線(xiàn)傳輸方式的無(wú)線(xiàn)數據采集模塊。模塊選用Philips公司的P89LPC933單片機作為微控制器，單元集參數采集、數據存儲、無(wú)線(xiàn)傳輸為一體，其整體結構框圖如圖l所示。

1 采集單元硬件電路的設計
由于模塊采用電池供電，其能量是有限的，所以模塊應選用低的工作電壓以及低功耗的外圍電路器件。
1．1 單片機的選取
采集模塊選用Philips公司的P89LPC933單片機作為微控制器，其工作電壓為2．4～3．6V。P89LPC933單片機采用了高性能的處理器結構，指令執行時(shí)間只需2～4個(gè)時(shí)鐘周期，6倍于標準80C51器件；以抗干擾能力強、功耗低等優(yōu)點(diǎn)而被應用于多種嵌入式系統中。同時(shí)P89LPC933集成了許多系統級的功能，如1個(gè)8位、4路逐步逼近式模／數轉換模塊和1個(gè)DAC模塊，400 kHz字節方式I2C通信端口，SPI接口，鍵盤(pán)中斷，片內看門(mén)狗定時(shí)器。這樣可大大減少元件的數目，減小電路板面積，并降低系統的成本，因此適合于許多要求高集成度、低成本的場(chǎng)合，可以滿(mǎn)足多方面的性能要求。
為降低微控制器的功耗，模塊采用低頻外部32．768kHz的晶體振蕩器，工作電壓為3V。在采集工作完成后，控制器關(guān)閉A／D使能進(jìn)入空閑模式。
1．2 傳感器的選取
模塊以采集空氣溫／濕度及光照度數據為例，實(shí)際應用中可以根據需要采集的參數更換傳感器。
①溫度傳感器。選用美國Dallas公司的可編程單總線(xiàn)數字式溫度傳感器DS18820實(shí)現空氣溫度信號的采集。該傳感器體積小，外形如普通三極管，其內部集成有測溫傳感器及邏輯控制電路。DSl8820有很多優(yōu)點(diǎn)，例如：直接輸出數字信號，省去了后繼的信號放大及模／數轉換部分；外圍電路簡(jiǎn)單，成本低；單總線(xiàn)接口，只有一根信號線(xiàn)作為單總線(xiàn)與CPU連接，且每一只都有自己唯一的64位系列號存儲在其內部的ROM存儲器中，故在一根信號線(xiàn)上可以?huà)旖佣鄠€(gè)DSl8820，便于多點(diǎn)測量且易于擴展。
②濕度傳感器。選用法國Humirel公司的HSll01電容式相對濕度傳感器。此傳感器與其他產(chǎn)品相比。有著(zhù)顯著(zhù)的優(yōu)點(diǎn)：不需要校準的完全互換性，高可靠性和長(cháng)期穩定性，響應時(shí)間快，適用于線(xiàn)性電壓輸出和頻率輸出兩種電路；模塊中選用頻率輸出電路，經(jīng)CMOS TLC555振蕩器輸出穩定的頻率信號，經(jīng)單片機采集后可以轉換成濕度值。濕度值與輸出頻率關(guān)系如表l所列。

③光照度傳感器。采用硅光敏二極管3DU050C，光譜范圍為450 nm～1150 nm，用于可見(jiàn)光、紅外光檢測，光電流IL(10001x，10V)≥5 mA，暗電流Id(Olx，10V)≤O．1μA，擊穿電壓VCEO>30 V，耗散功率Pd=150 mW，封裝φ5黑膠。
通過(guò)運算放大器輸出電壓信號，經(jīng)單片機內部A／D轉換電路，將電壓轉換成數字信號，計算出光照強度。運算放大器選用TI公司的TLC2272CP。該運放具有低功耗、低電壓、高精度等優(yōu)點(diǎn)，適用于電池供電的設備中(硬件電路參見(jiàn)圖4)。圖2為輸出電壓與光照強度的關(guān)系曲線(xiàn)。

1．3 無(wú)線(xiàn)收發(fā)單元
采用PTR8000無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊，帶有外置天線(xiàn)，可直接與單片機連接，無(wú)須外接其他器件，實(shí)現數據的無(wú)線(xiàn)轉發(fā)；最大發(fā)射功率為+10 dBm，高抗干擾的GFSK調制，傳輸頻率為5O kHz。該模塊使用nRF905收發(fā)芯片，可工作在433／868／915MHz頻段，專(zhuān)為點(diǎn)對多點(diǎn)無(wú)線(xiàn)通信設計；工作電壓為1．9～3．6V，待機功耗為2μA，適用于低電壓、低功耗系統中；內置完整的通信協(xié)議和CRC，只需通過(guò)SPI即可完成所有的無(wú)線(xiàn)收發(fā)傳輸。
1.4 存儲單元
FM24CL64是Ramtron公司的一款低電壓鐵電存儲器芯片，用于存儲采集的數據。其工作電壓為2．7～3．6V，適合在低功耗的單片機系統中應用。由于采用了鐵電體技術(shù)，該芯片的數據交換速度極高，數據線(xiàn)可以支持的頻率最高達到l MHz，因此單片機向FM24CL64寫(xiě)入數據時(shí)一般無(wú)須加延時(shí)，并且使用壽命沒(méi)有限制。FM24CL64芯片的引腳排列如圖3所示。

其中SDA和SCL引腳是數據交換線(xiàn)，用作CPU與FM24CL64之間的數據交換和命令寫(xiě)入；WP為寫(xiě)保護口，WP為高時(shí)寫(xiě)禁止，WP為低時(shí)寫(xiě)允許；A2、Al、A0是器件地址選擇引腳，在同一總線(xiàn)上允許同時(shí)掛接8個(gè)同類(lèi)器件。整個(gè)采集模塊的電路簡(jiǎn)圖如圖4所示。

2 系統軟件設計
為了降低系統的能量消耗，軟件設計是至關(guān)重要的，簡(jiǎn)潔的程序能有效地節省單片機的運行時(shí)間，從而降低能耗；使CPU工作在掉電或者空閑模式下，也能有效降低功耗。掉電模式時(shí)功耗要比空閑模式更低，但由于掉電模式需要硬件復位喚醒，所以設計中選用CPU空閑模式。
軟件整體設計流程：上電后單片機初始化各個(gè)設置，進(jìn)入節能模式；定時(shí)時(shí)間到喚醒處理器，依次使能內部A／D轉換模塊，配置無(wú)線(xiàn)模塊，執行數據采集程序，進(jìn)行數據處理和存儲，轉發(fā)數據，結束后關(guān)A／D，設置無(wú)線(xiàn)模塊進(jìn)入待機模式，最后單片機進(jìn)入空閑模式。這樣使能量消耗降到最低。
在測量程序中，如果某一項參數出現異常，就調用參數報警程序，通過(guò)無(wú)線(xiàn)模塊發(fā)送報警信息。程序在Keil的uVision2環(huán)境下編譯調試通過(guò)。程序流程如圖5和圖6所示。

結語(yǔ)
本采集模塊能夠監測參數，當某一項或多項參數出現異常時(shí)，處理器調用報警程序通過(guò)無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊發(fā)送報警信息。通過(guò)使處理器處于空閑模式及無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊處于待機狀態(tài)，有效地降低了模塊的功耗。采集單元每隔特定時(shí)間采集一次參數信息進(jìn)行存儲和轉發(fā)。對于整個(gè)采集系統，上位機可以通過(guò)無(wú)線(xiàn)模塊發(fā)送指令，實(shí)現實(shí)時(shí)數據的觀(guān)測。本文只涉及單個(gè)采集模塊。
本模塊單元有較強的可移植能力，通過(guò)更換測量單元傳感器的類(lèi)型，可以應用于工業(yè)數據采集、無(wú)線(xiàn)抄表、智能家電等領(lǐng)域。