基于ARM的無線數(shù)據采集系統(tǒng).doc

電氣工程學院畢業(yè)設計第1頁共88頁引言在現(xiàn)代工業(yè)、農業(yè)、醫(yī)藥等生產過程中，溫度、濕度、酸堿度、氣體含量等環(huán)境參數(shù)的實時監(jiān)測極為重要，環(huán)境參數(shù)的變化將極大地影響產品、農作物、醫(yī)藥等的質量，必須將檢測到的現(xiàn)場環(huán)境參數(shù)及時無誤地傳到控制中心，而且對于大范圍、大面積、大數(shù)目的現(xiàn)場環(huán)境監(jiān)控而言，傳感設備的布線和系統(tǒng)維護，以及對移動設備的實時監(jiān)控，存在巨大的成本和技術問題。隨著無線通信技術、計算機技術的高速發(fā)展并應用到傳感器技術中，傳感器數(shù)據的無線數(shù)據采集成為可能，其特有的性能比傳統(tǒng)數(shù)據采集系統(tǒng)更具優(yōu)勢。它可應用于布線和電源供給困難的區(qū)域、人員不能到達的區(qū)域(如高溫、嚴寒、高濕的區(qū)域，受到污染的區(qū)域或環(huán)境被破壞的區(qū)域)和一些臨時場合等，實現(xiàn)了傳感系統(tǒng)的遠程測試，這也是信息時代測試的必然趨勢?，F(xiàn)在市面上的現(xiàn)場無線采集設備多為一對一采集模式，且存在傳輸距離短，傳輸速度慢，抗干擾能力差，可靠性和穩(wěn)定性都不夠高等問題。在本設計中針對這些問題展開思考與研究，本設計能應用于供水、石化、環(huán)保、煤氣、電力等各個行業(yè)，能為眾多系統(tǒng)集成商、自動化公司和研究所提供一種具有極高性價比、穩(wěn)定可靠的無線數(shù)據采集產品設計方案。在本設計中采用了ARM7處理內核微控制器，提高數(shù)據處理的能力，使用高性能的單片RF收發(fā)IC加大了無線傳輸距離與抗干擾能力，采用優(yōu)于RS-232通信接口的RS-485通信接口完成與PC機的連接，并可由PC通過LAN完成大范圍建網。系統(tǒng)設計還設計安全可靠的隔離電源，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性得到很好的保障。1設計要求在設計中，模擬使用環(huán)境為工業(yè)現(xiàn)場。其中使用環(huán)境溫度：050，存儲溫度：4080，大氣壓力：86KPa106KPa，相對濕度：10%R90%R。表1.1.1為在以上環(huán)境中具體的系統(tǒng)設計要求。電氣工程學院畢業(yè)設計第2頁共88頁表1.1.1無線數(shù)據采集系統(tǒng)設計要求整機部分項目單位指標工作電源V24VDC10%環(huán)境溫度對輸出影響ppm/200絕緣強度V1000(無擊穿/無飛弧)絕緣電阻M100誤碼率10E-4數(shù)據刷新周期s1通信頻段MHz315無線傳輸速率bps9600有效傳輸距離m空曠100，室內20被測控制數(shù)8通信協(xié)議支持MODBUSASCII，波特率和奇偶校驗可軟件設置通信接口方式RS-485接口或RS-232接口安裝方式卡式導軌安裝或者底部螺絲固定上位機部分項目單位指標上位機平均功率mW1000發(fā)射功率dBm5控制信號頻率次/S2接收數(shù)據頻率次/S16與PC通信速率bps9600下位機部分項目單位指標下位機平均功率mW800接受靈敏度dBm100采樣頻率次/S1采集分辨率位16電氣工程學院畢業(yè)設計第3頁共88頁發(fā)送數(shù)據頻率次/S1下位機采集通道數(shù)2采集輸入信號V05精度0.2%FS1字2系統(tǒng)方案論證與設計2.1控制器方案論證由表2.1.1可知ARM處理器豐富的資源和優(yōu)越的性能，都是單片機無法比擬的。單片機因其功能有限，只能應用于簡單的控制電路或輔助控制電路，其處理大量數(shù)據的能力不強。在本設計中選擇ARM處理器來處理多臺下位機的同時通信，不僅能加大系統(tǒng)容量，還能提高上位機數(shù)據刷新速度。ARM微處理器與單片機接口資源對比見圖2.1.1。表2.1.1系統(tǒng)控制器方案對比控制器優(yōu)點缺點單片機實現(xiàn)簡單，開發(fā)成本低，周期短。處理能力不強，被控對象少，易被干擾。ARM資源豐富，處理能力強，擴展簡單。開發(fā)成本、周期比單片機要高、要長。圖2.1.1ARM微處理器與單片機接口資源對比單片機ARM71路串行輸入2路外部中斷輸入8位數(shù)據/地址輸入2路計數(shù)輸入8位數(shù)據/地址輸出1路串行輸出2路定時器輸出32位數(shù)據/地址輸入4路以上串行輸入8路12位ADC輸入32位數(shù)據/地址輸出4路以上串行輸入LCD信號輸入1路以上PWM通道1路10位DAC輸出9路以上外部中斷輸入8路定時器輸出電氣工程學院畢業(yè)設計第4頁共88頁2.2無線通信方案論證GPRS無線模塊，適合于地區(qū)范圍內外的無線數(shù)據傳輸，但其受到GPRS網絡的限制，而且需要支出運營費用，圖2.2.1為GPRS采集方式原理方框圖。2.4GHz無線傳輸模塊抗干擾能力強，穩(wěn)定可靠，但其電路復雜，調試困難。從表2.2.1中可以看出，920MHz以下無線通信模塊即可滿足系統(tǒng)的設計要求，其在業(yè)界的應用方案也比較多，而且電路簡單，不需要調試即可使用。表2.2.1系統(tǒng)無線通信方案對比無線模塊傳輸距離信道數(shù)傳輸速率采集對象數(shù)成本920MHz以下模塊50-300m1-10道30019200bps1-100較低2.4GHz模塊50-5000m12-120道1Mbps以上1-100較高GPRS模塊受網絡限制受網絡限制受網絡限制受網絡限制很高圖2.2.1GPRS采集方式原理方框圖2.3A/D采集方案論證目前業(yè)界專用ADC芯片，外圍電路結構越來越簡單、精度越來越高，可靠性與穩(wěn)定性都要遠遠高于ARM處理器集成的A/D轉換器。并參考表2.3.1各自優(yōu)缺點。在設計中選用專用A/D芯片完成模擬量采集。表2.3.1A/D采集方案對比A/D采集位數(shù)優(yōu)點缺點ARM處理器集成A/D12位無需外加IC，電路簡單。可靠性不高，采樣頻率低。專用A/D芯片16-32位不占用CPU資源，精度高。外圍電路結構較復雜。GPRS傳輸設備GPRS傳輸設備GPRS傳輸設備基站電纜控制中心基站電氣工程學院畢業(yè)設計第5頁共88頁2.4與PC通信接口方案論證USB接口高速的通信速率、簡單的電路結構和優(yōu)良的兼容性是其最大的特點，但在本設計中，并不需要很快通信速率，且USB的開發(fā)周期較長。在工業(yè)控制領域中多采用RS-232與RS-485通信接口。鑒于RS-232接口的傳輸距離短，抗干擾性差，傳輸速率慢等缺點，因此選擇RS-485接口與PC機連接。其各自的優(yōu)缺點見表2.4.1。接口簡單電路結構見圖2.4.1。表2.4.1與PC通信接口方案對比接口協(xié)議傳輸速率優(yōu)點缺點RS-232Modbus300-115200bps成本低，開發(fā)周期短。距離短，速率慢。RS-485Modbus4800-115200bps傳輸距離長，抗干擾能力強。電路較復雜。USB1.1USB1.112M傳輸速率快，與PC兼容性好。距離短，周期長。圖2.4.1三種通信接口電路結構對比2.5系統(tǒng)硬件方案選擇系統(tǒng)控制部分采用Philips公司生產的工業(yè)級ARM7內核微控制器LPC2131，并選用通用ISM頻段FSK單片收發(fā)芯片IA4421。無線數(shù)據傳輸速率定為9600bps，無線通信協(xié)議采用Modbus通信協(xié)議，上位機與下位機采用半雙工通信模式。本設計在A/D采集部分使用低功耗模數(shù)轉換芯片CS1160，其有效分辨率可達16位。系統(tǒng)具體硬件方案選定見表2.5.1。電平轉換器電纜電平轉換器RS232通信差分接收器差分接收器RS485通信電路結構TXDRXDRXDTXDTXDRXDRXDTXDUSB控制器USB控制器電纜USB通信電路結構數(shù)據線D+DD+D電氣工程學院畢業(yè)設計第6頁共88頁表2.5.1系統(tǒng)硬件方案選型名稱方案具體型號與參數(shù)特點控制器ARM控制器LPC2131內部資源豐富，處理迅速，適合于工業(yè)控制領域。無線通信433MHz單片無線收發(fā)ICIA4421無需調試，容許快速調頻，兼容SPI串行接口。PC機接口RS-458接口通信速率9600bps通信速率基本能夠滿足要求。A/D轉換器專用A/DCS1160高精度、低功耗模數(shù)轉換，有效分辨率達16位，PGA及自校正功能?；鶞试葱酒呔然鶞试碙M285D-2.5能提供精確基準源，減少誤差。電源設計DC-DCMC34063能夠有效的隔離電源引入的干擾。2.6系統(tǒng)整體方案設計在圖2.6.1中的下位機結構方框圖中，輸入的0V5V電流信號依次經過過流、過壓保護電路，輸入衰減電路，抗混疊濾波電路后進入A/D轉換器完成模數(shù)轉換，控制器對轉換后的數(shù)據進行軟件濾波處理并存入緩沖區(qū)，最后數(shù)據通過無線通信模塊以反饋形式發(fā)送給上位機。上位機可根據需要發(fā)送控制信號控制下位機執(zhí)行器工作。下位機在第一次使用前需要對數(shù)據進行校準，這個校準的過程是通過下位機的RS-232接口連接到PC機，并通過專門的校準軟件來完成的。下位機在長時間使用時，也需要每隔一段時間對下位機校準一次，保證采集數(shù)據的精確可靠。圖2.6.1下位機結構框圖A/D變換CS1160模擬信號過流、過壓保護ARM7控制器LPC2131無線模塊PC機校準隔離輸出RS-232接口執(zhí)行器EEPROMI2C總線電氣工程學院畢業(yè)設計第7頁共88頁上位機在接受到數(shù)據后通過RS-485接口傳輸給PC機，并會將一些重要數(shù)據寫入EEPROM進行保護存儲。PC機通過專門設計的監(jiān)控軟件完成實時數(shù)據的顯示和存儲。設計中采用Modbus通信協(xié)議做為無線通信協(xié)議與RS-485接口通信協(xié)議。上位機結構方框圖見圖2.6.2。圖2.6.2上位機結構方框圖如圖2.6.3所示在無線數(shù)據采集系統(tǒng)結構方框圖中PC機通過無線局域網（802.11b/g）方式實現(xiàn)組網與PC數(shù)據交換。最大范圍的實現(xiàn)統(tǒng)一監(jiān)控，統(tǒng)一控制。單、多個節(jié)點的損壞并不會影響整個系統(tǒng)的正常使用。圖2.6.3無線數(shù)據采集系統(tǒng)結構方框圖ARM7控制器LPC2131無線模塊PC機RS-485接口EEPROMI2C總線采集分機1RF模塊采集分機2RF模塊采集分機16RF模塊RF模塊上位機PC采集分機1RF模塊采集分機2RF模塊采集分機16RF模塊RF模塊上位機PCLANPC電氣工程學院畢業(yè)設計第8頁共88頁3硬件開發(fā)工具、特點、流程與要求3.1硬件開發(fā)工具介紹2005年年底，Protel軟件的原廠商Altium公司推出了Protel系列的最新高端版本AltiumDesigner6.0。AltiumDesigner6.0是完全一體化電子產品開發(fā)系統(tǒng)的一個新版本，是業(yè)界第一款也是唯一一種完整的板級設計解決方案。AltiumDesigner是業(yè)界首例將設計流程、集成化PCB設計、可編程器件設計和基于處理器設計的嵌入式軟件開發(fā)功能整合在一起的產品，一種同時進行PCB和FPGA設計以及嵌入式設計的解決方案，具有將設計方案從概念轉變?yōu)樽罱K成品所需的全部功能。圖3.1.1為AltiumDesigner6.0開發(fā)環(huán)境界面。圖3.1.1AltiumDesigner6.0開發(fā)環(huán)境界面AltiumDesigner6.0在原理圖設計部分，新增加“靈巧粘貼”可以將一些不同的對象拷貝到原理圖當中，比如一些網絡標號，一頁圖紙的BOM表，都可以拷貝粘貼到原理圖當中。原理圖文件切片，多個器件集體操作，文本框的直接編輯，箭頭的添加，器件精確移動，總線走線，自動網標選擇等。在信號仿真部分，提供完善的混合信號仿真，在對XSPICE標準的支持之外，還支持對Pspice模型的電路仿真。對FPGA設計提供了豐富的IP內核，包括各種處理器、存儲器、外設、接口、以及虛擬儀器。圖3.1.2為AltiumDesigner6.0原理圖開發(fā)界面。電氣工程學院畢業(yè)設計第9頁共88頁圖3.1.2AltiumDesigner6.0原理圖開發(fā)界面AltiumDesigner6.0在PCB設計上除擁有實時的阻抗控制布線、SitusTM自動布線等新功能以外，還著重在：差分對布線，F(xiàn)PGA器件差