无线数据采集系统设计❋

李 静,黄 峥

(中北大学 信息与通信工程学院,山西 太原 030051)

0 引 言

在实际测试过程中,往往要对多个传感器或多源的观测信息进行分析、综合处理,也要求将来自多个传感器的信息和人机界面的观测事实进行信息融合[1],数据量随之增大,处理速度要求也越来越高.考虑到空间、安全等因素限制,往往用嵌入式系统替代传统的计算机完成数据的采集、存储、传输.针对车辆性能参数测试系统传感器参数多、信息量大、人身安全保障等问题[1],本文以 ARM微处理器为核心搭建数据采集器平台,采集数据通过无线传输的方式传输至数据采集器平台,使系统具有高度的智能化.中央硬件平台可以存储采集数据,也可通过网络电台传输数据.

1 设计思想

数据采集电路主要由传感器信号、放大器、滤波器、A/D转换、单片机等组成.多路采集数据如何传输存储是本文介绍的重点,提出无线传输方案,数据采集器平台采用 TinyARMT23模块 T2387I.采用 LPC2387微控制器,LPC2387微控制器是基于一个支持实时仿真的 16位 /32位 ARM7TDMI-S CPU,运行频率为 72 MHz,其功能强大且成本效率高,支持 10/100Ethernet,全速(12 Mbps)USB 2.0,CAN 2.0B和 SD/MMC存储卡等接口[2].

目前,主流的几种近距离无线通信技术有[3]：蓝牙技术(Bluetooth Technology),ZigBee(IEEE 802.15.4),IrDA(Infrared)红外技术 ,Wi-Fi(IEEE 802.11)：Wireless Fidelity,UWB(Ultra-Wideband),nRF2401L单片射频收发芯片.

各种无线技术都有各自的优点和不足,不同的技术适合于不同的用户.在近距离内(10 m),以无线方式代替线缆的应用场合,蓝牙与 IrDA有很大的优势.IrDA技术成熟,数据传输速率比蓝牙高,但 Ir-DA属视距离技术,也就是说 IrDA接口的设备之间传输数据,中间不能有阻碍物,并且总体实现成本并不比蓝牙低;蓝牙最初提出和今后的发展方向都是以低成本为目的,比较适合应用低成本无线传输场合.从目前来看,在一段时间内,这些技术将处于并存阶段.各种标准都是根据不同的使用场合、不同的用户需求而制定的.有的是为了增加带宽和传输距离,有的则是考虑移动性和经济性,局部最优不等于全局最优.因此,用户应视实际需求选择适合自己的标准.

2 测试方案设计

图1 PTR6000M外形图Fig.1 External form of PT R6000M configuration

Tiny ARM模块 T2387I,具有 I2C接口、SSP接口、SD/MMC总线接口、以太网接口电路等.数据采集电路与数据采集器平台可以选择其中任何一种接口实现其数据传输.同时就要求数据采集电路具有相应接口.下面就上文中提出的无线传输方案作具体分析.

无线传输方案蓝牙技术(Bluetooth Technology),ZigBee(IEEE 802.15.4),IrDA(Infrared)红外技术,Wi-Fi(IEEE 802.11)：Wireless Fidelity,UWB(Ultra-Wideband),nRF2401L单片射频收发芯片中,IrDA(Infrared)红外传输波长短,对障碍物的衍射能差;Wi-Fi覆盖范围很广,可达 100 m,但其电波易受干扰速度较快;目前,UVB技术只有在美国官方承认;ZigBee技术和蓝牙接近,但大多时候处于睡眠模式,适合于不需实时传输或连续更新的场合[3];nRF2401L单片射频收发芯片,2.4 GHz频段,125个频道,采用GFSK调制时的数据速率为高速率2 Mbps,高于蓝牙,具有高数据吞吐量,程序开发简单.考虑到车辆实际环境油污等影响,且要求实时采集数据,选择基于nRF2401L的收发模块PTR6000M[4,5]作为数据传输方案,PTR6000M外型尺寸如图1所示.

2.1 系统总体设计

PTR6000M测试系统原理框图如图 2所示.数据采集器平台硬件由 TinyARM模块 T2387I,网络接口单元,SD/MMC总线接口单元,PT R6000M传输模块接口单元组成[6];数据采集电路 1～n通过PTR6000M实现,和数据采集器平台无线数据交换.

2.2 数据采集器平台硬件设计

2.2.1 数据采集器以太网接口电路设计

T2387I提供了以太网 PHY接口芯片,因此只需外接状态指示灯、网络变压器、匹配电阻、高压电容和 RJ45插座即可实现网络通信[7-8].网络变压器选用 HR601680.接口电路如图 3所示.

图3 以太网接口电路Fig.3 Interface circuit of ethernet

2.2.2 SD/MMC总线接口电路

T2387I其内部集成了 SD/MMC卡控制器,因此设计 SD/MMC卡接口电路时,只需将这些接口相应地接到 SD/MMC卡座.接口电路如图 4所示.

图4 SD/MM C总线接口电路Fig.4 Interface circuit of SD/MMC

2.2.3 PTR6000M接口电路

PTR6000M模块的 CE,CLK,DAT A,CS,DR引脚与 T2387I的 IO口相连,实现 T2387I对无线传输模块的控制.接口电路如图 5所示.

2.3 数据采集器平台软件设计

在 Tiny ARM T2387I工控模块中已经固化了文件系统、TCP/IP协议栈、USB协议栈、Tiny ARM T23基础驱动库以及μC/OS-II操作系统等.基于μ C/OS-II的软件部分是系统的主要部分,用来完成接收地面站发出的采集开始、暂停、结束等命令,并转发给采集电路、调整信号放大倍数、管理数据的存储、传输等任务.系统主任务软件流程如图 6所示.

图5 PT R6000M接口电路Fig.5 Interface circuit of PT R6000M

3 试验与调试

数据采集器平台硬件的 TinyARM模块 T2387I处理器发出采集开始、结束等指令控制数据采集电路,采集数据通过 PTR6000M传输,存储在 SD卡.另外,根据实际情况也可以在车外设置移动控制台(pc机加网络电台),通过移动控制台控制数据采集器平台将数据传出车外,工作人员无需在车内操控仪器.模拟试验测试表明：数据采集电路能够正确接收相应的控制指令,网络电台与数据采集器平台通信正常.实际应用中数据采集电路 12路,采样率 1 ksps,每个工况采样时间 30 s,5 min内完成 7个工况的数据采集,数据总量不足 50 MB,SD卡容量为 2 GB,足够存储多次反复工况测试,实现了车内测试装置无人值守,保障了人身安全.采集到的数据曲线图如图 7所示.

图7是某工况下 12路采集数据曲线图.分别对12路数据进行时频分析,其频率信号及出现的时间与实际工况相符,能够正确反映车辆工作状态,测试数据正确可用.

图7 某工况下采集数据曲线Fig.7 Practical data curve

4 结 论

数据采集技术是信息科学的重要组成部分,已广泛应用于国民经济和国防建设的各个领域,并且随着科学技术的发展,数据采集技术将有广阔的发展前景.本文所设计系统自带 6通道 10位 ADC,采集频率可达 400 ksps,也可以使用外部自选 ADC芯片,具有较高的数据传输效率,可实现实时数据处理、连续快速采集和记录等高级数采功能.由于其具有小型化易携带的特点,此数据采集系统可方便地用适用于车辆野外和室内试验.

[1]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,2007,23(6-2)：96-97.Zhang Shengbo,Ma Xiaojun,Zhan Jun.System of wireless mulit-node data acquisition based on nRF401[J].Microcomputer Information,2007,23(6-2)：96-97.(in Chinese)

[2]高英明,金仁成.嵌入式无线传感器网络节点设计与通信研究[J].大连理工大学学报,2008,48(9)：749-750.Gao Yingming,Jin Rencheng.Study of embedded wireless sensor node design and communicating realization[J].Journal of Dalian University of Technology,2008,48(9)：749-750.(in Chinese)

[3]卢放鸣.ZigBee工业无线通信中的数据管理[J].中国仪器仪表,2008(S1)：90-95.Lu Fangming.Data management in ZigBee industrial wireless communication[J].China Instrumentation,2008(S1)：90-95.(in Chinese)

[5]李辉,宋诗,周建江.基于 ARM和 nRF24L01的无线数据传输系统[J].国外电子元器件,2008,12：44-45.Li Hui,Song Shi,Zhou Jianjiang.Design of wireless data transceiver system based on ARM&nRF24L01[J].International Electronic Elements,2008,12：44-45.(in Chinese)

[6]王益,耿相铭.嵌入式测试系统设计 [J].计算机工程,2008,34(18)：237.Wang Yi,Geng Xiangming.Design of embedded test system[J].Computer Engineering,2008,34(18)：237.(in Chinese)

[7]马俊,陈学煌.基于 DSP的多路数据采集系统设计 [J].电子技术应用,2007(12)：79-80.Ma Jun,Chen Xuehuang.The design of multi-channel data acquisition system based on DSP[J].Application of Electronic Technique,2007(12)：79-80.(in Chinese)

[8]景伟娜,何炎炎.一种无线智能数据采集与处理系统设计 [J].微计算机信息,2008(34)：91-92.Jing Weina,He Yi.Design of a wireless intelligent data acquisition and processing system[J].Microcomputer Information,2008(34)：91-92.(in Chinese)