基于nRF401芯片的温度无线数据采集系统设计.pdf

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1、第 25卷第 2期 齐 齐 哈 尔 大 学 学 报 Vol.25,No.2 2009 年 3 月 Journal of Qiqihar University March,2009 基于 nRF401 芯片的温度无线数据采集系统设计 黄军友（四川信息职业技术学院，四川 广元 628017）摘要：介绍了基于 nRF401 芯片的温度无线数据采集系统的设计。给出了无线数据采集系统的硬件具体电路及通信协议的具体格式，上位机采用查询的方式对多个测温点进行查询。系统具有数据传输速度快、可靠性高、功能易扩展等特点，适用于多种工业领域。关键词：nRF401；数据采集；无线传输；DS18B20 中图分类号：TP

2、212 文献标识码：A 文章编号：1007-984X(2009)02-0029-05 随着通信技术的飞速发展和计算机广泛应用，数据采集和传输技术得到了长足的发展，应用领域越来越广泛。目前工业控制现场以有线网络居多，但存在布线复杂、成本高等缺点1。基于 nRF401 芯片的温度无线数据采集系统，设置方便，不需布线即可采集多点的数据，成本低，克服了有线网络存在的缺点。1 总体设计 1.1 设计思路 无线数据采集系统分为数据采集部分和无线发送与接收部分，系统设计思路是在接收到上位机的动作命令之后，温度传感器开始检测温度，之后，直接将其转变成串行的电信号，经过单片机传送给无线传输模块的发送端；无线传输

3、模块的接收端接收到信号经过电平转换之后通过串口传给计算机。1.2 设计原理 系统组成框图如图 1 所示。它由单片机、温度传感器、多用途无线收发模块、电平转换电路和计算机等部分组成。其工作原理是上位机每隔一秒查询一次，下位机按 ID 号响应，通过温度传感器测量温度值（16位带符号位二进制数），把这 16 位码分高低两字节通过接在下位机串行输出口的多功能无线传输模块发送 图 1 系统组成框图 收稿日期：2008-09-20 作者简介：黄军友(1977-)，男，四川威远人，讲师，工程师，硕士，研究方向：电子与通信，Jdgcx_。上位机 无线传输模块 电平转换电路 计算机 电平转换电路 站点 1：ID

4、-01 无线传输模块 单片机 温度传感器 下位机 站点 9：ID-09 无线传输模块 单片机 温度传感器 30 齐 齐 哈 尔 大 学 学 报 2009 年 给上位机。上位机通过连接在串行输入口的无线传输模块接收数据，转换成十进制温度数值并显示。这就完成了从数据采集、编码转换、数据无线传输、数据存储、数据显示等整个过程2。1.3 系统关键部件选择 1）温度传感器的选择。数据采集电路主要是测温电路，测温部分用数字集成温度传感器，系统选用DS18B20型号温度传感器。DS18B20是美国DALLAS公司生产的单线数字温度传感器，具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易配微处理器等优点3。特别适

5、合于多点温度测控系统，可以直接将输入信号转化成为串行数字信号进行处理。由于传送的是串行数据，放大器和A/D转换器可以省去，这种测温方式大大提高了测控系统的可靠性、降低了成本、缩小了体积。2）无线传输模块的选择。无线数据收发部分方案选择的关键是无线传输模块的选择。由于无线收发芯片的种类和数量比较多，如何在设计中选择所需要的芯片非常关键。nRF401工作电压为2.75.25 V，可以直接接单片机串口使用，数据无需曼彻斯特编码,效率高，最大输出功率+10 dBm，速率20 kbit/s，需要外接天线的数量1个，外围元件约10个，故无线传输部分采用基于nRF401芯片的无线数据传输模块4。3）单片机的

6、选择。ATMEL公司推出的AT89系列的单片机具有明显的优点：1、和AT8051引脚相兼容；2、以EEPROM电可擦除和Flash技术为主导的储存器；3、静态时钟方式；4、可反复进行应用系统试验；5、高标准的质量检测5。随着集成技术的发展和用户的不同需要，ATMEL公司先后推出不同档次的单片机系列：AT89C51系列（标准型），AT89S51系列（高档型）。在AT89S系列的高档型中，AT89S52是本系列的增强型，和AT89S51相比较，增强型的存储器容量扩大了一倍，增加了2个中断源，16位定时/计数器，增加了一个功能极强的定时/计数器等，故本系统选用AT89S52。2 系统硬件设计 2.1

7、 下位机部分电路 无线数据采集系统的数据采集部分主要由温度传感器DS18B20、单片机AT89S52和nRF401组成6。图2所示为无线传输模块电路，图3所示为DS18B20与单片机连接电路。图 2 无线传输模块电路 2.2 DS18B20 的 1-wire 技术 DS18B20的1-wire Bus技术采用单根信号线，既可以传时钟又可以传输数据，而且数据传输是双向的，这种单总线技术具有线路简单，硬件开销少，成本低廉，便于总线扩展和维护等优点。1-wire协议定义了复位脉冲、应答脉冲、写0、读0和读1时序等几种信号类型。所有的单总线命令序列都是由这些基本的信号类型组成的。在这些信号中，除了应答

8、脉冲外，其它均由主机发出同步信号，并且发送的所有命令和数据都是字节的低位在前7。基本的通信过程如下：主机通过拉低单总线至少480s产生Tx复位脉冲。然后由主机释放总线，并进入Rx接收模式。主机释放总线时，会产生一由低电平跳变为高电平的上升沿。XC11VDD2VSS3FILT14VCO15VCO26VSS7VDD8DIN9DOUT10RF_PWR11CS12VDD13VSS14ANT215ANT116VSS17PWR_UP18TXEN19XC220U6NRF401Y24MHzR41MKC1322pFC1122pFL122HC6820pFC7150FR34.7KVCCC9100FC101FC84.

9、7FR522KC5220pFC33.3pFC125.6pFR618KTXENPWRCSDINDOUT收 发天 线无线传 输模块C141F 第 2 期 基于 nRF401 芯片的温度无线数据采集系统设计 31 单总线器件检测到该上升沿后，延时1560s。单总线器件通过拉低总线60240s来产生应答脉冲。主机接收到从机的已应答脉冲后，说明有单总线器件在线，然后主机就可以开始对从机进行ROM命令和功能命令操作。P1.0 T21P1.1 T2EX2P1.23P1.34P1.45P1.5 MOSI6P1.6 MISO7P1.7 SCK8RST9P3.0 RXD10P3.1 TXD11P3.2 INT01

10、2P3.3 INT113P3.4 T014P3.5 T115P3.6 WR16P3.7 RD17XTAL218XTAL119GND20A8 P2.021A9 P2.122A10 P2.223A11 P2.324A12 P2.425A13 P2.526A14 P2.627A15 P2.728PSEN29ALE/PROG30EA/VPP31AD7 P0.732AD6 P0.633AD5 P0.534AD4 P0.435AD3 P0.336AD2 P0.237AD1 P0.138AD0 P0.039VCC40U1AT89S52123DS18B20C120pFY311.0592MHzC220pFVCC

11、10KR1C410F4.7KR2VCCDINDOUTTXENPWRCSRST 图 3 DS18B20 与单片机连接电路 2.3 上位机部分 此部分包括无线传输模块nRF401、单片机、电平转换电路和计算机。nRF401无线数据模块发送端的nRF401将单片机待传的数据信号调制成射频信号，发送到另一端的nRF401模块；接收端的nRF401接收射频的数据信号，并解调成单片机能够识别的电信号。单片机主要完成待发数据的组织和处理，向nRF401模块发送和接收数据。在本系统中，nRF401使用的是TTL电平，其串口输出的信号也是如此。但串行通信中一般使用的是RS-232通信协议，采用负逻辑，即规定31

12、5 V之间的任意电压表示逻辑0电平，-3-15 V之间的任意电压表示逻辑1电平，二者的电平不相同，若用RS-232标准接口通信必须进行电平转换，因此需要外接接口进行电平匹配8。设计中采用MAX232进行电平转换。计算机主要完成待发数据的组织和处理。向下位机发送数据传输命令，接收下位机发送来的数据并显示出来。上位机接收部分硬件电路如图4所示。162738495RS-232串口通 信DOUTDINCSTXENPWRVCCVCCC51.0FC61.0FC41.0uFC31.0uFR1 IN13R2 IN8T1 IN11T2 IN10GND15V+2V-6VCC16R1 OUT12R2 OUT9T1

13、OUT14T2 OUT7C1+1C1-3C2+4C2-5U5MAX232C222pFC122pFY111.0592MHzP1.0 T21P1.1 T2EX2P1.23P1.34P1.45P1.5 MOSI6P1.6 MISO7P1.7 SCK8RST9P3.0 RXD10P3.1 TXD11P3.2 INT012P3.3 INT113P3.4 T014P3.5 T115P3.6 WR16P3.7 RD17XTAL218XTAL119GND20A8 P2.021A9 P2.122A10 P2.223A11 P2.324A12 P2.425A13 P2.526A14 P2.627A15 P2.72

14、8PSEN29ALE/PROG30EA/VPP31AD7 P0.732AD6 P0.633AD5 P0.534AD4 P0.435AD3 P0.336AD2 P0.237AD1 P0.138AD0 P0.039VCC40AT89S52TXDTXDRXDRXDC71.0F 图 4 上位机接收部分硬件电路 32 齐 齐 哈 尔 大 学 学 报 2009 年 3 系统软件设计 本系统是有一个主机和多个从机组合而成。主机负责发布命令，实现对各个从机的呼叫，对应的从机接收到主机的呼叫和命令后，开始采集温度，并将采集到的温度发送给主机。由于只有一个主机，同一时刻只允许一个从机发送数据，所以应将各个从机编号

15、，并按照一定的通信协议进行数据的传输通信。在软件部分分别设置了上位机程序和下位机程序。3.1 上位机程序设计 目前，在用计算机进行数据传输时，常用的是串行通信方式。在Visual C的编程中，既可以用Windows API函数进行串行通信编程，也可以利用环境自带的控件进行编程。利用API函数编写实际应用程序时，往往要考虑多线程的问题，这样编出来的程序不但十分庞大，而且结构比较复杂、继承性差、维护困难。但是使用串行通信控件就相对简单一些，而且功能强大，性能安全可靠9。MSComm（Microsoft Communications Control）是Microsoft公司提供的简化Windows下

16、串行通信编程的ActiveX专用通信控件，它为应用程序提供了通过串行接口收发数据的简便方法。使用MSComm控件进行串口程序设计，主要需要处理以下几个方面的内容10：加载控件。Visual C+集成开发环境在默认情况下，不会包含MSComm控件，所以使用控件编程必须将MSComm控件加载到Visual C+集成开发环境中。然后，根据程序是基于对话框还是单文档形式，采用不同的编写方法。初始化及打开串口。初始化主要完成设置程序使用的串口编号、设置串口的通信参数然后打开串口。事件处理。详细说明怎么使用控件的事件驱动机制。发送代码与接收代码应该在哪个位置书写。关闭串口。当使用完控件后，应该及时关闭串口

17、，以释放串口资源。通信协议。控件只能提供数据流的发送与接收处理，它不对数据流进行分析其含义的操作，故通信双方在通信前，必须约定好使用的通信协议。3.2 下位机程序设计 DS18B20是单总线器件，其硬件接口极其简单，这是以相对复杂的软件编程为代价的。DS18B20与单片机的接口协议是通过严格的时序实现，DS18B20数据的写入和读出都是由主机读写的特定时间暂存器来完成11。1）程序功能。在接收到主机的命令之后，使用单片机和DS18B20完成对温度的检测，在DS18B20的温度采集和转换完成之后将数据发送出去。2）通信协议。串口通信采用波特率为9 600 bit/s，数据无校验位，5位数据位。通

18、信数据采用单帧十六进制格式，即00HFFH，其中命令字如表1所示，其余为数据。为保证数据传输的正确性和完整性，给出了严格的通信协议，如表2所示。起始位即标志位，当收到的字符串的首字符与S相同时，即开始接收数据。bit2、bit3是下位机的ID号，共9组，即0109，只有上位机选中的下位机才可以接收命令并采集温度发送数据。bit1、bit0是数据位，即包含了上位机的命令编号，下位机据此来作出动作。3）程序流程。单片机程序流程图如图5所示。表1 通信协议的命令字 命令字 功能 命令字 功能 33H 读 ROM 55H 匹配 ROM CCH 跳过 ROM F0H 搜索 ROM ECH 报警搜索 4E

19、H 写随机存储器BEH 读随机存储器 44H 启动温度转换48H 复制随机存储器 B8H 重新调出 B4H 读电源 表 2 上（下）位机协议格式 上位机下发的协议格式 S 0 1 A 0 起始位 地址位 动作位 下位机上发的协议格式 S 0 1 x x 起始位 地址位 数据位 第 2 期 基于 nRF401 芯片的温度无线数据采集系统设计 33 4 结束语 本系统采用了高度集成的nRF401芯片，大大简化了系统硬件和软件设计，减小了体积，提高了系统工作的可靠性。但作为一个数据采集系统，还可以扩展错误检查及报警的功能，以及意外断电的外扩信息存储电路。参考文献 1 朱芳，章坚武，高峰.一种基于 n

20、RF905 的无线数据采集系统设计J.杭州电子科技大学学报,2007（1）:7-10.2 周波.nRF903 无线通讯模块在无线数据采集系统中的应用J.工业控制计算机，2005（6）:3-5.3 魏俊淦，占超，田建学.DS18B20 在温度监测系统中的应用J.仪表技术，2008（8）:3-6.4 张胜波，马小军，詹俊.基于 nRF401 的无线多点数据采集系统J.微计算机信息，2007（17）:39-42.5 纪宗南.单片及外围器件使用手册M.北京：北京航空航天大学出版社，1999.6 李春杰，王天庆.无线传输通讯模块在数据采集系统的应用J.国外电子测量技术，2005（6）:8-10.7 王建

21、农.ISA 总线与 1-wire 器件的接口设计J.微计算 机信息，2007（32）:125-127.8 邬宽明.CAN 总线原理和应用系统设计M.北京：航空航天大学出版社，1996.9 李现勇.Visual C+串口通信技术与工程实践M.北京：人民邮电出版社，2004.10 王生胜，肖静.基于 MSComm 的实时监控上位机程序的设计J.可编程控制器与工厂自动化，2007（6）:27-30.11 Study of Load Modulate Voltage ControllerA.Proceedings of 4th International Symposium on Test and M

22、easurement(Volume 2)C,2001.The design of temperature wireless acquision system based on nRF401 HUANG Jun-you（Sichuan Information Technology College，Sichuan Guangyuan 628017，China）Abstract：The paper designs a wireless data acquision system based on the chip of nRF401.With the special case of temperat

23、ure data collecting,the detailed hardware circuits of the wireless data acquision system were designed in the paper.PC inquiries temperature data one time per second.The specific format of communication protocol is given.The system features quickly data transmition,more reliable,so it can be used in a variety of industrial fields.Key words：nRF401；data acquision；wireless transmission；DS18B20 图 5 单片机程序流程图