基于nRF401的温度数据采集系统.pdf

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1、第 2 9卷第 4期 Vo 1 2 9，N o 4 西 华 大 学 学 报(自 然 科学 版)J o u r n a l o f X i h u a U n i v e r s i t y Na t u r a l S c i e n c e 2 0 1 0年 7月 J u 1 2 01 0 文章编号：1 6 7 3-1 5 9 X(2 0 1 0)0 4-0 0 0 8-0 4 基 于 n R F 4 0 1的温度数据 采集 系统 张景文，李金平，高为浪，王 震，伍双成，李桂花(1 兰州理工大学能源与动力工 程学院，甘肃 兰州 7 3 0 0 5 0；2 安徽工业大学机械工程学院，安徽 马鞍

2、 山 2 4 3 0 0 2 3 沈阳铁路局沈 阳供 电段，辽宁 沈 阳 1 1 0 0 0 3)摘要：介绍了一个基于 n R F 4 0 1无线通信芯片的温度数据采集系统，给出了各硬件模块的电路图，并对各个 模块的功能和特点进行了详细的说明；同时还给出了数据处理程序的设计、系统自定义的无线通信协议的设计和 下位机接受命令中断服务程序流程图的设计。这种无线通信模块的设计不仅简化了遥测系统，而且增加了系统的 便携性和灵活性，具有广泛的应用前景和推广价值。关键词：无线通信；n R F 4 0 1；数据采集；温度测量；通信协议 中图分类号：T P 2 7 3 文献标识码：A Da t a Ac qu

3、 i s i t i o n S y s t e m i n Te mp e r a t u r e M e a s ur e m e n t Ba s e d o n n 01 Z HANG J i n g w e n ，L I J i n p i n g ，G AO We i l a n g。，WAN G Z h e n ，WU S h u a n g c h e n g ，L I G u i h u a (1 S c h o o l ofE n e r g y a n d P o w e r E n g t n e e r i n g，L a n z h o u U n i v e r

4、s i t y o f T e c h n o l o g y，L a n z h o u 7 3 0 0 5 0，C h i n a；2 C o l l e g e ofMe c h a n i c a l E n g i n e e r i n g，A n h u i U n i v e r s i t y of T e c h n o l o g y，Ma a n s h a n 2 4 3 0 0 2 C h i n a；3 S h e n y a n g Po w e r S u p p l y S e c t i o n S h e n y a n g Ra i l w a y B

5、u r e a u S h e n y a n g 1 1 0 0 0 3 C ，)Ab s t r a c t：T h e d a t a a c q u i s i t i o n s y s t e m i n t e mp e r a t u r e me a s u r e me n t b a s e d o n w i r e l e s s c o mmu n i c t i o n c h i p n RF 4 0 1 i s d e s c r i b e d i n t h e p a p e r T h e f u n c t i o n s a n d c h a r

6、 a c t e r i s t i c s o f t h e h a r d w a r e c i r c u i t mo d u l e，t h e d a t a p r o c e s s i n g p r o g r a m，t h e w i r e l e s s c o mmu n i c t i o n p r o t o c o l，t h e i n t e r r u p t s e r v i c e fl o w c h a r t a r e i n s t r o d u c e d T h e i n s t a l l a t i o n o f f

7、l e x i b l e f e a t u r e s s u c h a s s i mp l e i n c o n s t r u c t i o n i n ma n y a e a s h a v e a wi d e r a n g e o f a p p l i c a t i o n s Ke y wor d s：wi r e l e s s c o mmun i c a t i o n；n RF 4 01；d a t a a c qu i s i t i o n；t e mpe r a t u r e me a s u r e me nt；c o mmu ni c a t

8、 i o n p r o t o c o l 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。基 于 n R F 4 0 1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。l n R F 4 0 l芯片及其应用 采用蓝牙射频技术 的双工一体化集成芯片 n R F 4 0 X系列具 有极好 的性价 比。n R F 4 0 1是采用 时分复用双工技术的用于无线数据传输方面的射

9、频收发一体化集成芯片，内部具有两个通信信道，工作于 I S M 频段 中的 4 3 3 4 3 4 MH z公用信 道，因 此使用时无需 申请许 可证。n R F 4 0 1将很 多 功能 和外围部件及 有关协议 集成在 芯片 内部，采 用 的 是频移键控 F S K调制方式，具有 直接进行数 据输 入输 出的功能，是 目前惟一 一个可 以直接与单 片 机串 口连 接进 行 数 据 传 送 的无 线 收 发 芯 片 J。图 1 是基于 n R F 4 0 1的无 线通 信模块 应用 电路 原 理 图 收稿 日期：2 0 0 9-0 8-2 8 基金项 目：国家 8 6 3计划项 目(2 0 0

10、 7 A A 0 5 Z 2 6 1)；甘肃省重 大专项项 目(0 9 2 N K D A 0 3 5)作者简介：张景文(1 9 7 0 一)，男，讲师，硕士，主要研究方向为测控技术与智能化测控系统。第 4期 张景文 等：基 于 n R F 4 0 1的温度数据采集系统 9 2 n RF 4 O1 应用 图 1 n R F 4 0 1 应用 电路原理图 在温度数据采集系统 中的 端 4。系 统 框图 如图2 所示。2 1 系统组成 系统由主控机、上位机 以及下位机三部分组成。主控机完成采集数据的实时显示，数据存储和历史 查询等功能；上位机可 以看成是主控机和下位机进 行通信的一个数据 的中转站

11、，在本系统中主要完成 标度变换以及和下位机的无线通信功能；下位机其 实是一个集温度采集为一体的无线数据收发器，温 度测量电路检测到的温度信号经 M s P 4 3 0 F 1 4 9内部 1 2位的 A D转换成数 字信 号，对该数字信号进行 去极值均值滤波后经串口传送给 n R F 4 0 1数据输入 图 2系 统 框 图 2 2 下位机系统的设计 下位机 由 M S P 4 3 0 F 1 4 9单片机为核心，利 用芯 片内置 l 2位的 A D模块完成模数转换_ 5 。该 芯 片是由 T I 公司生产的 1 6位超低功耗单片机，其外 围模块如图 3所示，由时钟、电源和复位 电路三部分 组

12、 成。图3 单 片机外 围模块电路原 理图 1 0 西华大学学报 自然科学版 2 0 1 0拒 时钟由 3 2 k Hz 的低速晶体和 8 MH z的高速晶体 组成。由于 MS P 4 3 0 F 1 4 9单片机的供 电电压是 3 3 V，所 以 采 用 T I公 司 生 产 的 电 源 稳 压 芯 片 T P S 7 0 6 3 3把系统 5 V的电源转 换成 3 3 V的电压。为了保证系统的可靠性，在设计系统的复位电路时 采用复位芯片 MA X 8 0 9 S T R来完成复位 功能。表 1 是 n R F 4 0 1 控制线分配表。表 1 n R F 4 0 1 控制线分配表 通过 P

13、 4 1接 n R F 4 0 1的 P WR U P，实现待机 状态控制。P WR U P=“1”表 示进入 正常工 作模 式；P WR U P=“0”表示 进入接 收待机模式。P 4 0接 n R F 4 0 1的 c s，进行 发 送 和接 收 频 率选 择。C S=“1”表 示 中心 频率 为 4 3 4 3 2 MH z；C S=“0”表示 中心频率为 4 3 3 9 2 MH z。P 4 2控制 n R F 4 0 1 的 T X E N端，T X E N=“1”表示进 入发送 模式；T X E N=“0”表示进入接收模式。硬件接 口如 图 4所 示。n RF 4 01 MS P

14、4 3 0 F 1 4 9 DI N 一 P 3 4 D0U T P35 P W R UP _ P 4 1 CS 1 7 4 0 TXE N P 4 2 图 4 MS P 4 3 0 F 1 4 9与 n F R 4 0 1接 口图 在本 系统 中采用 P T 1 0 0温度传感器进行温度 测量，图 5是测 温具体 电路。该 电路采用 双恒流 源供 电，使 温度 为 0 C时输 出电压为 0 V。铂热 电 阻采用三线 制的接 法，消除 了连接 导线 电阻引起 的测量误差，该接法适用于中等测温距离的场合。图 5 P T 1 0 0测温电路 图 2 3 上位机 系统的设计 上位机系统也是由 M S

15、 P 4 3 0 F 1 4 9单片机为核心，单片机与 n F R 4 0 1的接 口同下位机与 n F R 4 0 1的接 口 一样，所不 同的是 MS P d 3 0 F 1 4 9单片机 的串 口 1经 M A X 2 3 2电平转换芯片接 P C的串口，和 P C进行有线 通信。图6是主控机与上位机的硬件接 口电路。1 J 1 vTcc V CC VS+VS T1 j R2 I 2 N C2 0 4 币 F 2 0 2 F 1 图 6主控机与上位机的硬件接 口电路 3 软件设计及 通信协议 3 1 数据处理 系统的数据处理主要分为两部分：数字滤波和标 度变换 J。本系统中采用去极值均值

16、滤波，用查表 和线性插值算法进行标度变换。滤波算法原理如下：对于温度信号对应的电压采样值，连续采样 几次，将 其累加求和，同时找 出其 中最 大值和最 小值，再从累加和中 减去最大值 和最小 值，按 n一2个采样 值求平均，平均值 即 为有效采样值。图 7 J J：-二-二-Y 二 ,i!Tx 1 _ I R x R 死 图7 插 值算法进行标度变换示 意图+一 十一 D一 Jl 第4 期 张景文 等：基于n R F 4 0 1的温度数据采集系统 是插值算法进行标度变换的示意图。在本设计中每 5 标定 一个 点，=l e o+(尺 一 尺)(一 )(R f 1 一 )，其中 一 川=5。3 2

17、 通信协议 无线通信中，由于外部环境的干扰，通常误码率 比较高，因此通信协议的设计对保证通信可靠性 十 分重要。本文重点介绍适用于本系统的自定义的无 线通信协议。数据发送采用查询方式，接收采用 中 断方式。数据帧包含帧首、帧尾、长度、数据以及校 验部分，帧首用 0 x 5 A，帧尾用 O x A 5结束；数据部分 为 2个字节，帧的校验部分使用和校验，确保数据 的 可靠性。接收方检测到 0 x 5 A字节后，表示 收到有 效数据帧，如果该帧通过校验，接受方根据命令请求 后发送相应的数据，若该帧结构非法，则丢弃该 帧。发送方在发送查询命令后，将启动监控定时器并等 待接收应答，如果在规定的时间内没

18、有收到相应的 数据应答，将重新发送查询命令。通信中的帧的格 式如表 2和表 3所示。图 8是下位机接受命令 中断 服务程序流程图。表 2 数据帧 图 8 下位机接受命令 中断服务程序 3 3主控机和 P C机通信程序设计 主控机部分是整个系统的上层，负责控制和管 理网络中的通信，并对收集到的数据进行存储 和处 理。用 M S P 4 3 0单片机作为主控机，利用 R S-2 3 2总 线与上位机通信。本 系统采用 T I 公 司生产 的低功 耗 的 MS P 4 3 0 F 1 4 9的双串 口的特点，串行 口 1经过 R S 2 3 2电平转换芯片与上位机进行通信，串行 口0 与 n R F

19、 4 0 1 控制芯片连接。上位机实现的功能就是 调用本系统的所有其它功能，系统基本信息、系统通 讯参数设置、系统操作人员管理、实时数据采集、历 史数据查询、数据统计等。选用基于微机视窗操作 平台运行的可视化软件开发工具 V B来解决此类问 题。4 结论 将采用蓝牙技术 的射频收发一体化集 成 I C用 于无线数据传输或信号遥测系统中，无论是技术性 能还是工作稳定性和可靠性等方面都远远超过普通 射频 I c，而 n R F 4 0 1系列 I C与其他 同类芯片相 比具 有很 好 的性 价 比。因此，在 系 统 的 实 现 中应 用 n R F 4 0 1 进行无线温度数据传输，不仅简化遥测系

20、统 的设计，而且增加了系统的便携性和灵活性，具有广 泛的应用前景和推广价值。参考文献 1 朱芳，章坚 武，高峰一种基 于 n R F g 0 5的无线数据 采集 系 统设计 J 杭州 电子科技大学学报，2 0 0 7，2 7(1)：2 9-3 2，2 张胜波，马小军，詹俊基于 n R F 4 0 1的无线多点数 据采集 系统 J 微计算机信息，2 0 0 7，2 3(2)：9 6-9 8 3 彭为，黄科，雷 中道 单 片机典 型系统设 计实例 精讲 M 北京：电子工业 出版社，2 0 0 5 4 刘兰香，张秋生A t m e g a 1 2 8 单片机应用与开发实例 M 北京：机械工业 出版社，2 0 0 5 5 秦龙Ms p 4 3 0单片机应 用系统 开发典 型实例 M 北 京：中国电力 出版社，2 0 0 5 6 秦龙 M s p 4 3 O单片机 c语言应用程序设计实例精讲 M 北京：电子工业出版社，2 0 0 6 7 徐爱钧 智能化测量检测仪 表原理与设计 M 北京：北京 航空航天大学出版社，2 0 0 4 8 方 彦军，孙键智能仪器技 术及其应用 M 北 京：化学工 业 出版社，2 0 0 3 9 王晶晶，张倩基 于 n R F 4 0 1的无线传 输 系统 J 电子测 试，2 0 0 8(9)：8 3-8 6 (编校：饶莉)