基于SX1212的刚体转动惯量无线数传系统

2013-12-01王学水鲁守宝

物理实验 2013年2期

王学水，鲁守宝

（山东科技大学理学院，山东青岛266590）

1 引言

在实验教学、科学研究以及工业生产等领域中，经常需要将采集到的数据传送给上位机进行处理［1］，而目前的数据远传往往都是通过RS-232，RS-485，TCP等有线传输方式，很多情况下都要面对繁杂的布线，以及连线周边的环境干扰，不管是在人力还是物力上都额外地增加了成本，而且在维护上也存在很大的难度.因此，在很多数据传输上应该使用无线传输方式，无线传输数据的方式主要有蓝牙、红外线、微波、GPRS和3G等.蓝牙和红外线虽然成本低，但传输距离太近，一般只有10m左右，而且还受方向的限制；GPRS和3G虽然不受距离限制，但所需设备的成本更加昂贵，并且还需定期向服务商交纳流量费；较常用的就是微波无线传输方式，其使用成本低、安装方便.

本文使用Semtech公司的SX1212芯片和TI公司的单片机MSP430F149组成低功耗数据无线远传收发器，不仅传输距离远，而且非常稳定，现已将其应用在转动惯量实验仪上，经证明具有非常理想的传输效果.

2 系统设计方案

转动惯量的测定，在涉及刚体转动的机电制造、航空、航天、航海、军工等工程技术和科学研究中具有十分重要的意义，它也是大学物理实验中必做的项目，本系统主要用来传输测量的角加速度值.系统如图1所示，由1台主机和多台从机构成，每台从机包括1个转动惯量实验仪和1个无线收发器（MCU＋SX1212），每台转动惯量实验仪都具有唯一的机器号，两者之间通过UART接口进行数据传输，并且通过CRC方式校验数据，无线收发器的MCU和无线通信芯片通过SPI接口进行通信，也通过CRC方式校验数据，当收到来自转动惯量实验仪传来的实验数据时，能够自动将数据转发给主机，并且回馈给从机确认接收成功的信号.主机部分包括1个无线收发器、电脑以及相应的软件平台，收发器通过USB接口将数据传送给电脑，电脑上运行相应的软件对所有接收来的数据进行分析与处理.主机和从机之间采用经过优化处理的低功耗通信协议，采用高效的循环交织纠检错编码，抗干扰和灵敏度都大大提高，同时使整个系统功耗降到最低.

图1 系统总体结构图

3 硬件设计方案

3.1 无线收发器硬件结构

刚体转动惯量无线数据系统在兼顾成本的同时，尽量采用集成度高、功耗低、速度快的器件.无线收发器部分主要包括SX1212芯片、电源芯片、MSP430F149单片机以及周边器件.SX1212的频率范围从300MHz到510MHz可调，具有非常低的接收功耗，典型接收电流仅为2.6mA，可以应用在需要电池工作6～10a的系统，远小于同类收发器的接收电流，同时还能够保持较高的接收灵敏度，工作电压为2.1～3.6V，最大发射功率为＋12.5dBm［2］.SX1212的集成度非常高，因此外围只需要很少的器件即可正常工作，设计的关键在于元件的布局与匹配.要使电路中电源线、地线以及其他信号线的走线方向平行，以提高抗干扰能力；尽量缩短元器件之间的连线，以降低相互间的电磁干扰.

美国TI公司生产的MSP430F149为16bit RISC架构，具有60kFlash ROM和2kRAM，最高运算速度为8MIPS单芯片微控制器，工作电压范围为1.8～3.6V，它将大量的外围模块整合到片内，具有串行在线编程能力以及强大的中断功能，专为目前业界低功耗应用需求而设计［3-4］.SX1212与MSP430F149之间的通讯采用高速的SPI接口，单片机与外部的通信采用UART接口.

SX1212的外围电路如图2所示，图中的SAW Filter（声表面滤波器）是利用压电材料的压电特性，利用输入与输出换能器将电波的输入信号转换成机械能，经过处理后，再把机械能转换成电的信号，用于级间耦合和滤波，衰减规定频带以外的信号，比传统的LC滤波器安装更简单、体积更小；L4，C9，C5是阻抗匹配网络，用来提高带负载能力；L1，L2为压控振荡器电感，调整其参量值，即可以改变系统的工作频率；C1，R1，C2是锁相环电路，用来稳定锁住输入信号的相位；Q1为具有温度补偿的有源晶振，这里选取的晶振频率为12.800MHz；天线选取高增益的棒状天线，以最大程度地延长通信距离.

图2 SX1212外围电路

3.2 串口传输部分硬件电路

主机接收部分除了包含从机的所有器件外，还包括串口接收芯片，这里选用Prolific公司生产的PL-2303芯片.PL2303是一种高度集成的RS0232-USB接口转换器，可编程的通讯波特率最高可达6Mb／s，工作电压为3～5V，具有512Byte的双向数据缓存，支持从远程输入相关调制信号进行唤醒功能，在工作模式和休眠模式时都具有较低的功耗，启动时可以将配置存储于外部的EEPROM，还具有IIC接口，提供支持Windows和Mac OS，Linux和 WinCE的驱动程序.该器件只需外接几只电容就可实现USB信号与RS232信号的转换，可以使接收机和微机之间实现全双工异步串行通信.在设计上通过USB接口与电脑直接相连，简化了硬件结构，方便为单片机供电，无需外接电源.电源部分选用AMS公司生产的AMS1117-3.3芯片，其最高输出电流可以达到1A，电压精度高达2%，使用该芯片时需要注意的是应尽量减小输入与输出的压差以降低其自身功耗，这里的输入电压是USB口提供的＋5V.串口转换电路如图3所示，C7和C9为电源滤波电容，取值为0.1μF，用于滤除中频噪声，C8电容值取10μF；晶振使用12MHz的石英晶振，其负载电容C5和C6值为20pF.R2，R3为限流电阻，阻值为27Ω，R4阻值为1.5kΩ.

图3 串口转换电路

4 软件设计

单片机软件采用C语言编写，简化了程序结构，清晰明了.单片机MSP430F149的UART口接收的数据主要分为3部分，包括1Byte的机器号、720Byte的实验数据、2Byte的CRC校验码，接收到数据之后，单片机首先对前721Byte进行CRC校验，然后将得到的校验码与接收到的最后2Byte作比对，如果两者相等就校验成功.单片机程序绝大部分是对SX1212的寄存器进行配置，SX1212有4种工作模式，分别是正常模式、唤醒模式、省电模式、休眠模式，在程序中通过对配置寄存器写入相应的命令，即可使SX1212工作在相应的模式.软件开发环境为IAREmbedded-Workbench，发送端的软件流程如图4所示.