电容测微仪无线数据传输系统的设计与实现

罗小妮　高立

摘要：现代科学技术水平的提升，各项智能化的控制系统出现在各个领域当中。但不论是何种智能化控制系统，均不能够离开数据信息之间的传输。其中无线数据传输系统与传统有线传输具备一定差别，主要优点为不需要传输线缆、成本低廉以及施工简单。该文将电容测微仪作为主要的研究对象，在此测量仪器之上实现无线数据传输系统的设计与实施，旨在解决动态环境当中无法测量的问题。

关键词：电容测微仪；无线数据传输；数字滤波

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）04-0185-03

电容测微仪在进行航空、航天以及工业生产过程中被广泛应用，主要是用于测量微小位移、微小振动等相应内容。并且电容测微仪呈现出精度高、温度稳定、速度快、分辨率高以及时间稳定等诸多优点。传统的电容测微仪只能够在静态环境下进行测量，但由于现代需求的影响，动态下实现电容测微仪的测量至关重要。因此，该文对电容测微仪无线数据传输系统进行设计，保证在动态环境下时间数据的精准测量。

1 电容测微仪无线数据传输系统硬件设计

1.1无线收发芯片

系统硬件设计的核心内容为无线收发芯片的选择，通过无线收发芯片构成整个无线收发电路，在目前市场当中常见的无线收发芯片包括nRF401、RF2915、BC418、XC1201、MICRF007及CC400等，并且每一个收发芯片的工作环境电压大小规范在2.5V-5.5V之间。该文在进行无线数据传输系统的设计过程中，选用的无线收发芯片为nRF401芯片，该芯片是挪威NORDIC公司推出的单片机无线收发一体的芯片，并且采用蓝牙核心技术进行设计。该芯片为20引脚的表贴式芯片，在整个芯片当中包含了高频发射、高频接收、PLL合成、FSK调制、FSK解调和多频道切换电路，体现出高度集成的特点。芯片具备的抗干扰能力较强，应用FSK调制方式，工作构成中稳定性较高。并且在运行过程中，涉及的外围环境下的辅助器件较少。在系统接口方面能够与单片机的串口相连，并需要通过特定的编码进行数据传输，效率较高。通过上述nRF401芯片优点的分析，说明本次研究过程中选择该芯片的正确性，为系统的设计奠定良好基础。

1.2微控制芯片选择

由于电容测微仪主要是测量微小固件的仪器，在进行无线传输系统的设计过程中，在硬件方面同样需要对微控制芯片进行选择，该文主要选取STR711FR2T6是ST公司基于ARM7TDMI内核的ARM芯片，该芯片当中集成了256+16KB的Flash存储器以及64KB的片内RAM，满足一般应用的存储需求。在整个芯片的集成方面，PLL能够允许16MHz的系统主时钟倍频所产生的系统时钟，并且满足用户在一定频段内的测量需求，通过相应的需求进行控制PLL输出。并且在该芯片当中能够具备快速的终端响应，包含多个中断向量以及优先级的内容，具备功能多样化。同时，STR711FR2T6拥有两个带缓冲同步串口（BSPI）、4个RS232串口和集成片上USB Device控制器[1]。

1.3 A/D转换芯片

为了满足系统运行高效性以及测量的准确性，保证系统采集精度以及转换速率的要求，对于A/D转换芯片应该采用BB公司具备16位框架的A/D转换芯片，型号为ADS7809，所采用的频率能够高达100kHz，能够实现与SPI结构与STR711FR2T6实现通信。

1.4 STR711FR2T6与nRF401连接电路

STR711FR2T6通过SPIO口与nRF401进行数据方面的通信。并且在CE端方面的电平在一定程度上决定着发送模式或者是接受模式。其中IRQ的内容能够屏蔽电路图当中的引脚，当数据接受重点或者是数据发送完成中断发生时，应该讲管脚置低。

2 电容测微仪无线数据传输系统软件设计

2.1无线数据采集软件设计

STR711对无线收发的控制是通过对SPI口读写nRF401的配置存储器来实现的，保证两者的工作模式、通信速率、通信地址等各个方面的参数配置好之后进行数据通信。为缩短数据传输的时间，采集模块将10次采样得到的20字节的数据进行连同nRF401自动生成CRC校验码打包一次性发出，发送成功后完整状态指令的内容，并按照模块对接收到的数据包进行抵制以及CRC码进行校验。数据校验无误后通过串口传至上位机进行处理。

采集模块的集体流程为：系统运行开始，STR711进行初始化操作，然后进行无线收发芯片的处理，将其配置成为发送模式，进一步执行A/D的转换，询问转换的次数是否为10次，如果判定正确则执行下一个步骤，如果判定失败继续执行上一步骤。继续将20字节的数据写入到无线接收芯片当中，并发送到缓存区。这一步骤完成后，继续执行下一个步骤，判定无线收发芯片是否产生中断，这一过程存在判定因素，判定成功执行下一步骤，判定失败返回上一个步骤当中重新执行这一步骤。当执行成功过进入到中断源为发送成功中断的判定，判定正确点亮LED灯，并进行系统的重新操作。判定过程失败，进入到无线接收芯片当中进行错误处理[2]。

接收模块的流程内容：系统开始运行，STR711进行初始化操作，下一步配置无线收发芯片为接受模式。继续执行无线收发芯片产生接收终端的内容，并对此步骤进行实际的判定，判断错误返回上一步骤的操作中，如果判定正确可执行下一个步骤，即点亮LED灯，读取无线收发芯片缓存区的具体数据，并且通过此种方式向UART借口传输数据，进而进行循环操作。

2.2上位机软件设计

上位机软件方面的设计在整个系统当中具有重要作用，上位机程序是在VC++环境下完成的，并且能够利用MFC进行上位机显示方面的编写，以便于将数据绘制成为波形图，通过此种方式显示测量数据方面的动态性特征。

由于电容测微仪测量的过程中主要是测量微小的元件，为了防止在进行测量的过程中出现各种干扰，上位机软件在进行设计的同时，需要给出相应的滤波算法，保证计算值能够准确。在脉冲干扰较为严重的场合，如果能够采用一般的平均值法，则干扰将“平均”到计算结果当中。因此，运用平均值的方法将不容易消除由于脉冲干扰所引起的采样值变差的问题。中值平均滤波方法能够将被测信号进行多次操作，并按照具体结果与数据之间的内容进行分析，保证有效剔除最大值与最小值，并取得剩余的N-2个数据的平均值作为本次滤波的输出，相应的算法为：Y=[1N-2Σn-1k=2X（K）]。其中，X（1） ≤X（2） ≤...≤X（N），N≥3。此种滤波算法能够对缓慢变化过程中的脉冲干扰信号进行有效的抑制，并具有良好的抑制效果，具有计算方便、速度快以及存数量较小的特点。在实际的运用过程中，对于公式当中的N值可以取任何数值，但为了加快测量的具体效率与速度，N值一般不能够太大，在本次设计的过程中，为求得出具的准确性，将N值取为4，即四取二再取平均值法[3]。

3 无线数据传输过程中的可靠性保障措施

在进行数据传输的过程中，如果以为数据在发送出去或者被接受的这一段时间之内发生变化，则说明无线数据传输过程出现差错。并且这种差错出现的原因可能是由于热噪声或者是冲击噪声。热噪声（thermal noise），又称为白噪声，

主要是由于导体内部电子进行热运动所形成，存在于所有的设备以及传输媒体当中，其中对于热噪声是可以进行预测的内容，具有较为固定的强度；对于冲击噪声（impulse noise）则是非连续性的内容，其中由不规则的脉冲以及持续时间短而振幅大的噪声尖峰组成，或者是由于外部的雷电形态所产生。为了保证无线数据的良好传输，避免外部的干扰与影响，需要保证传输系统可靠性的提升，方式在通信过程中发生错误，常用的校验方法有奇偶校验、校验和和循环冗余校验[4]。

nRF401在没有数据接受的情况之下，能够在DOUT引脚下输出系统的随机数据，严重的干扰正常的通信内容，为了接受更为稳定的数据，需要对于此方面的内容进行有效的解决，进行编码传输，具体的规则内容如下：

1） 对于数据在进行发送的过程中，采用具体查询的方式，保证数据接受能够采用中断的方式；

2） 在信号以及信息发送的过程中，需要在数据发送之前连续发送十六进制的AA、BB、CC、DD，这一过程完成后，并进行有效的数据的发送；

3） 接收方在接收到系统发送的AA、BB、CC、DD信号之后，应该讲下一个数据进行和保存，并通过相应的方式进行处理，否则不进行任何的处理。直到等待接收终端，收到连续的十六进制的AA、BB、CC、DD。

通过此种方式，能够有效地进行编码的设计，避免数据传输过程中的不必要的干扰内容，保证无线通信的正常可靠的运行。

4 系统实现

测试的过程中，将电容测微仪的传感器测量头固定于BCT-5C型号的测量台架上，无线测微仪系统对测头与台架上量块之间的微小位移量进行测量，并将结果通过无线传输的方式传至上位机。并且为了测试干扰信号的影响，用橡胶锤敲打测量台架，以此来干扰测量过程中出现的干扰信号，通过原始采样以及中值平均滤波的方法实现波形方面的对比，检验滤波器的实际运行，通过此种方式计算测量的结果。当测量过程中出现了脉冲干扰时，中值平均滤波器可以将其滤除，使采样值较为平滑，提高了数据的可靠性。

5 结论

综上所述，由nRF401于STR711FR2T6两者构成的无线数据传输系统当中，在具体的设计与实现过程中得出相应的结果，具有传输速率快以及可靠性较高的特点，能够在传输过程中抵抗干扰的影响。同时，系统设计完成后，在进行电容测微仪测量的过程中，能够取得良好的测量效果，有效的拓宽了电容测微仪的使用范围。

参考文献：

[1] 张东亮，邓湘.基于无线数据传输的电容测微仪系统[J].航空精密制造技术，2011，11（3）：154-156.

[2] 尹慧，李辉.带以太网接口的GSM无线数据传输系统设计与实现[J].物联网技术，2012，11（11）：147-150.

[3] 王韦伟.基于ZigBee的智能家居无线数据传输系统的设计与实现[J].宿州学院学报，2014，4（7）：80-83.

[4] 王跃，侯毅，孙卓，等.司马矿无线数据传输管理系统的设计与实现[J].煤矿现代化，2013，11（5）：101-102.