【正文】 bee the advanced science and technology representative and the application in manufactory has bee another hotspot technology in international control field after the local bus unit and industrial Ethernet。而無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸有著成本低、可靠性高、維護(hù)方便、應(yīng)用靈活等一系列有線傳輸無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)。浙江科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）浙 江 科 技 學(xué) 院 本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題 目 無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 摘要 隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展的日新月異，有線網(wǎng)絡(luò)逐漸地被無(wú)線網(wǎng)絡(luò)所取代。鑒于此，我們結(jié)合RF技術(shù)展開(kāi)了對(duì)無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，驗(yàn)證了基于無(wú)線RF技術(shù)的無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的可行性與實(shí)用性。It has been used Widely in the industrial automation, the mercial automation and transportation control management and so on. The RF technology is the focal point in the wireless domain, and has been listed one of the most promising important industries and application technologies in the 21st wired data transfer has the series of merits of low cost、high dependability、convenient maintenance、flexible application which the wireless transfer can39。無(wú)線技術(shù)近年來(lái)的發(fā)展和應(yīng)用突飛猛進(jìn)，對(duì)人類社會(huì)的信息化進(jìn)程起到了巨大的推進(jìn)作用，深刻改變著人們的生活方式，給人類生活帶來(lái)了巨大的方便。目前數(shù)據(jù)的傳輸基本上是基于有線網(wǎng)絡(luò)，如RS485，CAN等，這些有線的網(wǎng)絡(luò)一般具有成本比較高、維護(hù)不方便等缺點(diǎn)，而無(wú)線傳輸相對(duì)具有一定的優(yōu)勢(shì)，如成本低、可靠性高、維護(hù)方便等。本課題設(shè)計(jì)的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸采集系統(tǒng)對(duì)于其他無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用具有一定的參考價(jià)值，通過(guò)適當(dāng)改變硬件配置，以及適當(dāng)修改程序，可廣泛應(yīng)用于遙控裝置、工業(yè)控制、無(wú)線通信、電信終端、車輛安全、自動(dòng)測(cè)試、家庭自動(dòng)化、智能建筑、報(bào)警和安全系統(tǒng)等領(lǐng)域。紅外線通訊是一種廉價(jià)、近距離、無(wú)線、低功耗、錯(cuò)誤率低，干擾性弱，保密性強(qiáng)的通訊方案，在PC機(jī)中主要應(yīng)用于無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，有時(shí)也用于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接入和近程遙控。無(wú)線射頻傳輸 射頻Radio Frequency,簡(jiǎn)稱RF射頻就是射頻電流。作為無(wú)線技術(shù)方案，它省卻了鋪設(shè)傳輸連接線的麻煩，而且升級(jí)和增加新的設(shè)備非常方便。目前，射頻采用的就是無(wú)線傳輸技術(shù)，它將無(wú)線電信號(hào)擴(kuò)展到一個(gè)很寬的頻帶上，以達(dá)到高速數(shù)據(jù)傳輸和減少相互干擾的目的，在無(wú)線通信領(lǐng)域具有廣泛的、不可替代的作用。GPRS是Gerneral Packer Radio Service的英文縮寫(xiě)，中文譯為通用無(wú)線分組業(yè)務(wù)，具體來(lái)講，GPRS是一項(xiàng)高速數(shù)據(jù)處理的科技，即以分組的“形式”把數(shù)據(jù)傳送到用戶手上。打個(gè)比方，GPRS就好比移動(dòng)通信設(shè)備的ADSL，而GSM就是普通固定電話線。無(wú)線智能抄表系統(tǒng)是智能小區(qū)應(yīng)具有的最基本的系統(tǒng)，它的發(fā)展必將影響到小區(qū)智能的發(fā)展。在現(xiàn)有的智能抄表中，有通過(guò)動(dòng)力線載波網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的，有通過(guò)鋪設(shè)專用線實(shí)現(xiàn)的，比較兩種智能抄表系統(tǒng)，用動(dòng)力線載波網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)局限性比較大，主要受變壓器限制；通過(guò)鋪設(shè)專用線來(lái)實(shí)現(xiàn)，施工工程比較大，改造費(fèi)用也比較高。RFID技術(shù)利用無(wú)線射頻方式在閱讀器和射頻卡之間進(jìn)行非接觸雙向數(shù)據(jù)傳輸，以達(dá)到目標(biāo)識(shí)別和數(shù)據(jù)交換的目的。一些物流公司也正在準(zhǔn)備或已將射頻技術(shù)用于物流管理中，同時(shí)，生產(chǎn)企業(yè)，如汽車的焊接、裝配等生產(chǎn)線上，也開(kāi)始采用射頻技術(shù)對(duì)車體、部件的識(shí)別與跟蹤來(lái)管理和控制生產(chǎn)流水線。2． 學(xué)習(xí)了無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的原理，交流數(shù)據(jù)采集技術(shù)，并著重介紹了系統(tǒng)的硬件構(gòu)成。2 無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的原理與單片機(jī)控制的電路設(shè)計(jì) 本章主要論述了無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成、設(shè)計(jì)方案及系統(tǒng)的原理。系統(tǒng)由傳感變送器、信號(hào)條理電路、8路現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集端、現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、無(wú)線射頻數(shù)據(jù)傳輸電路、數(shù)據(jù)采集接受終端電路、存儲(chǔ)電路、人機(jī)交互電路組成。 無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是一個(gè)可以雙向通訊可以實(shí)現(xiàn)遙控的裝置。它是把交流電壓、電流信號(hào)經(jīng)過(guò)各種變送器轉(zhuǎn)化為0～5V 的直流電壓，再由各種裝置和儀表采集。由于這種方法能夠?qū)Ρ粶y(cè)量的瞬時(shí)值進(jìn)行采樣，因而實(shí)時(shí)性好，相位失真小。若相鄰兩采樣的時(shí)間間隔相等， ，考慮到N=(T/.T)+1，則有式（1）就是根據(jù)一個(gè)周期各采樣瞬時(shí)值及每周期采樣點(diǎn)數(shù)計(jì)算電壓信號(hào)有效值的公式。A/D轉(zhuǎn)換在此模塊選用了ADC0809八通道模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。多路開(kāi)關(guān)可選通8個(gè)模擬通道，允許8路模擬量分時(shí)輸入，共用A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。當(dāng)ALE線為高電平時(shí)，地址鎖存與譯碼器將A，B，C三條地址線的地址信號(hào)進(jìn)行鎖存，經(jīng)譯碼后被選中的通道模擬量進(jìn)入轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。EOC為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)。D7－D0為數(shù)字量輸出線。2．初始化時(shí)，使ST和OE信號(hào)全為低電平。6．是否轉(zhuǎn)換完畢，我們根據(jù)EOC信號(hào)來(lái)判斷。1． 運(yùn)算器 運(yùn)算器是8位的算術(shù)／邏輯運(yùn)算部件ALU為核心，并通過(guò)內(nèi)部總線掛在其周同的暫存器TMP1，TMP累加器ACC、寄存器Ｂ、程序狀念寄存器PSW以及布爾處理機(jī)就構(gòu)成了整個(gè)算術(shù)／邏輯運(yùn)算電路，其運(yùn)算功能有算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、移位和位邏輯運(yùn)算等．2．控制器控制器是cpu的大腦中樞，MCS—5l系列單片機(jī)的控制器由定時(shí)控制邏輯、指令寄存器IR、指令譯碼器ID、16位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址指針DPTR和程序計(jì)數(shù)器地址指針Pc、8垃堆棧指針SP、RAM地址寄存器、16位地址緩沖器等組成。為方便不同用戶的需要，目前單片機(jī)的程序存儲(chǔ)器有以下三種結(jié)構(gòu)形式：(1) 片內(nèi)只讀存儲(chǔ)器1片內(nèi)掩膜ROM2片內(nèi)可編程的ROM(2)片內(nèi)只讀存儲(chǔ)器在單片機(jī)中，用隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）來(lái)存儲(chǔ)程序在運(yùn)行期間的工作變量和數(shù)據(jù)，所以稱為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。6． 定時(shí)電路和元件 單片機(jī)的工作方式89S5l單片機(jī)共有復(fù)位、程序執(zhí)行、低功耗以及編程和校驗(yàn)四種工作方式。復(fù)位操作還對(duì)單片機(jī)的個(gè)別引腳信號(hào)有影響。若使用頻率為6MHz的晶振，則復(fù)位信號(hào)持續(xù)時(shí)間應(yīng)超過(guò)4Ｕs才能完成復(fù)位操作。上電自動(dòng)復(fù)位是通過(guò)外部復(fù)位電路的電容充電來(lái)實(shí)現(xiàn)的。圖 按鍵電平復(fù)位外部脈沖復(fù)位使由外部提供一個(gè)復(fù)位脈沖。各口的每一位均由鎖存器、輸出驅(qū)動(dòng)器和輸入緩沖器所組成。 ②：，使A點(diǎn)提升為高電平，此操作稱為設(shè)置P1．i為輸入線。 這里需要注意的是，若在輸入操作之前不將A點(diǎn)設(shè)置為高電平(即先問(wèn)該口線輸出1)，如果A點(diǎn)電平為低電平時(shí)，則外設(shè)輸入的任何信號(hào)均被A點(diǎn)拉為低電平，亦即此時(shí)外設(shè)的任何信號(hào)都輸不進(jìn)來(lái)。1．位結(jié)構(gòu)與工作過(guò)程分析 (1)位結(jié)構(gòu) P3口的位結(jié)構(gòu)如下圖所示。 3）有兩個(gè)輸入緩沖器，替代輸入功能取自第一個(gè)緩沖器的輸出端。這時(shí)P3口的工作狀態(tài)為一I／O口，顯然此時(shí)該口具有淮雙向口的性質(zhì)。這時(shí)P3口的工作狀態(tài)處于替代輸出功能狀態(tài)。2．P3口的功能和特點(diǎn)與Pl口不同，P3口是一個(gè)多功能口。(2)可以作為替代功能的輸入、輸出?！猅o，定時(shí)器／計(jì)數(shù)器o外部11救脈沖輸入?！猂D，外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通，輸出，低電平有效?？梢酝ㄟ^(guò)訪問(wèn)特殊功能寄存器SBUF，來(lái)訪問(wèn)接收緩沖器和發(fā)送緩沖器。波特率發(fā)生器：主要由定時(shí)器／計(jì)數(shù)器TT2及內(nèi)部的一些控制開(kāi)關(guān)和分頻器所組成。 串行口的內(nèi)部包含： 1)接收寄存器SBUF和發(fā)送寄存器SBUF：它們?cè)谖锢砩鲜歉綦x的，但是占用同一個(gè)地址——99H。 4)串行數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳：TXD(P3．1)為串行輸入，RXD()為串行輸出。 寫(xiě)SBUF(MOV A，SBUF)，訪問(wèn)發(fā)送數(shù)據(jù)奇存器；讀SBUF(MOV SBUF，A)，訪問(wèn)接收數(shù)據(jù)寄存器。當(dāng)發(fā)送脈沖有效之后，移位寄存器的內(nèi)容由RXD()引腳串行移位輸出；移位脈沖由TXD()引腳輸出。在下一機(jī)器周期．接收控制器將“11111110”寫(xiě)入接收移位寄存器，并在下一時(shí)鐘周期內(nèi)激發(fā)接收有效，同時(shí)由TxD()引腳輸出移位脈沖。89S51中五個(gè)中斷源；89S52中增多了一個(gè)中斷源定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T2，即有六個(gè)中斷源。IT1()=0時(shí), ()=1時(shí),下降沿有效。中斷矢量地址見(jiàn)表： 中斷源 中斷矢量地址 外部中斷0(INT0非) 0003H 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0(T0) 000BH 外部中斷1(INT1非) 0013H 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1(T1) 001BH 串行口(RI、TI) 0023H3 無(wú)線射頻電路設(shè)計(jì)無(wú)線射頻收發(fā)電路是這個(gè)系統(tǒng)的重要組成部分，電路射頻性能好壞直接影響到系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的成敗。在一個(gè)20腳的芯片中集成了高頻發(fā)射、高頻接收、PLL 合成、FSK 調(diào)制、FSK 解調(diào)、雙頻道切換等功能，是目前集成度最高的無(wú)線數(shù)傳產(chǎn)品。 ●工作頻率為國(guó)際通用的數(shù)傳頻段 ●采用PLL頻率合成技術(shù)，頻率穩(wěn)定性極好； ●功耗小，接收狀態(tài)250μ A，待機(jī)狀態(tài)僅為8 μA（nRF401）； ●低工作電壓（），可滿足低功耗設(shè)備的要求； ●工作速率最高可達(dá)20Kbit/s（RF401）； ●因采用了低發(fā)射功率、高接收靈敏度的設(shè)計(jì)，使用無(wú)需申請(qǐng)?jiān)S可證，開(kāi)闊地的使用距離最遠(yuǎn)可達(dá)1000米 (與具體使用環(huán)境及元件參數(shù)有關(guān))。這些芯片一般需要進(jìn)行曼徹斯特編碼后才能傳輸，在編程上會(huì)需要較高的技巧和經(jīng)驗(yàn)，需要更多的內(nèi)存和程序容量，并且曼徹斯特編碼大大降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)男剩话銉H能達(dá)到標(biāo)稱速率（實(shí)際速率）的1/3,因此大大增加了軟件的工作量和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的難度。接收電流低，僅為11mA，而且在輪流檢測(cè)（Polling）模式時(shí)可以通過(guò)周期性暫停的方法使其更低，以延長(zhǎng)電池壽命。C to +85176。適合用在嵌入式系統(tǒng)作為低速率地成本的無(wú)線解決方案。nRF401的天線是差分輸出。為了與芯片輸出阻抗匹配，環(huán)行天線增加了一個(gè)使用微帶線構(gòu)成的T型匹配網(wǎng)絡(luò)。 圖12是一個(gè)典型的采用差分天線方式原理圖。本設(shè)計(jì)應(yīng)用 的濾波器元件值為：C3=320PF，C4=25Nf, R2= VOC感抗在VCO1與VCO2管腳兩端要求一個(gè)外部的22nH的電感，這是為了片內(nèi)的 Voltage Controlled Oscillator (VCO)要求。nRF401是目前外接元件最少的單片RF收發(fā)芯片之一，在為用戶考慮方面做的很好，例如采用了易于獲取的4MHZ晶振，大大降低了成本并增加了使用的靈活性；另外它把成本高且不易調(diào)試的變?nèi)荻O管集成在芯片內(nèi)部。 nRF401非常適合用于無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸；另外也可以用來(lái)傳輸數(shù)字語(yǔ)音及數(shù)字圖象，但此時(shí)需與A/D D/A 配合。 為了避免相近的或則相同的頻段信號(hào)被其他無(wú)線收發(fā)器接受和誤識(shí)別，一般使用兩種方法來(lái)進(jìn)行靠干擾設(shè)計(jì)：1． 設(shè)計(jì)8位撥碼開(kāi)關(guān)，選擇工作頻率 根據(jù)實(shí)際情況，用開(kāi)關(guān)所處的狀態(tài)選擇發(fā)射與接收器的頻率。 本設(shè)計(jì)采用的是第2中方法，具體的通訊協(xié)議將在后面提到！ 無(wú)線通訊距離計(jì)算 這里給出自由空間傳播時(shí)的無(wú)線通信距離的計(jì)算方法：所謂自由空間傳播系指天線周圍為無(wú)限大真空時(shí)的電波傳播，它是理想傳播條件。 1. 假定大氣、遮擋等造成的損耗為25dB，可以計(jì)算得出通信距離為： A. 加大功率提高通信距離　　在設(shè)計(jì)者可以控制的因素中，接收靈敏度、天線增益、發(fā)射功率都是可以作為提高通信距離的手段，通常設(shè)計(jì)者會(huì)考慮采用加大發(fā)射功率的方式來(lái)提高通信距離，但這不是一個(gè)好的辦法?！　。?）無(wú)線電噪聲 　　由于加大功率會(huì)產(chǎn)生較大的諧波干擾和噪聲，并會(huì)對(duì)通信造成其他影響，反而會(huì)影響通信距離。由此也可看出傳播損耗對(duì)數(shù)據(jù)傳輸可靠性的影響是很大的。一般來(lái)說(shuō)有以下原則需要遵循： (1)布線時(shí)不能只考慮線能否布通，如果PCB 布線布局不合理，可能會(huì)大大影響性能和通信距離，這是RF電路設(shè)計(jì)的特點(diǎn)決定的。 (2)合適的零件布局。(3)將PCB 分區(qū)為獨(dú)立的模擬部分和數(shù)字部分。射頻部分的電源和數(shù)字電路部分的電源分離，nRF401 的VSS 端直接連接到接地面。除減小壓降外，更重要的是降低耦合噪聲。布線時(shí)盡量減少回路環(huán)的面積，以降低感應(yīng)噪聲。(7) 充分考慮電源對(duì)nRF401 的影響。第一層為物理層，由nRF401模塊硬件實(shí)現(xiàn)；第二層為數(shù)據(jù)鏈路層；第三層為應(yīng)用層。本系統(tǒng)每個(gè)數(shù)據(jù)包的有效數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為２個(gè)字節(jié)，原始數(shù)據(jù)不足時(shí)用0 補(bǔ)足。在2個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)之后是校驗(yàn)位,使用奇偶校驗(yàn)可以有效提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性，接收方同樣計(jì)算２個(gè)字節(jié)的校驗(yàn)結(jié)果后與校驗(yàn)位比較，如果不同，即為傳輸中出現(xiàn)錯(cuò)誤，接收方要求重發(fā)數(shù)據(jù)。1．選擇合適的發(fā)射功率 發(fā)射功率越大，功耗電流越大。4．通信協(xié)議的設(shè)計(jì) 出與節(jié)能的目的NRF401平時(shí)大多數(shù)情況應(yīng)處于關(guān)閉狀態(tài)，由于無(wú)線部分的硬件不是具備自動(dòng)喚醒功能的，所以必須通過(guò)軟件方式采用合理的通信協(xié)議以保證節(jié)能的同時(shí)不丟失數(shù)據(jù)。開(kāi)關(guān)的時(shí)間也就是工作的占空比，增加前置碼的周期可以減少工作的時(shí)間從而減少平均工作電流；但這中方式會(huì)影響系統(tǒng)的反映速度。 發(fā)送協(xié)議中使用唯一的標(biāo)識(shí)碼 ，這種方法就是給不同的