數(shù)據(jù)采集及處理

1、山&薯七考J/ShandongJianzhuUniversity碩士研究生非筆試課程考核報(bào)告（以論文或調(diào)研報(bào)告等形式考核用）2011至2012學(xué)年第2學(xué)期考核課程：數(shù)據(jù)采集及處理提交日期：2012年6月20日?qǐng)?bào)告題目“智能塵?！钡臄?shù)據(jù)采集及處理考核成績考核人姓名魏南學(xué)號(hào)2011070203年級(jí)2011級(jí)專業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)及理論所在學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院山東建筑大學(xué)研究生處制第 頁共5頁“智能塵?！钡臄?shù)據(jù)采集及處理摘要：“智能塵?！笔窃谖C(jī)電加工技術(shù)和自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)作用下的產(chǎn)物。介紹了“智能塵?！钡挠布w系結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)討論內(nèi)部重要部件溫度傳感器AD7418的采集原理以及AT90LS8535處理器的關(guān)鍵技術(shù)。最

2、后在數(shù)據(jù)采集和處理的改進(jìn)上作了幾點(diǎn)探討。關(guān)鍵詞：智能塵埃；無線傳感器；低功耗；采集處理Abstract：“SmartDust”isaproductofMEMprocessingtechnologyandself-organizationnetworktechnology.Thehardwarestructureof“SmartDust”isintroduced,theprincipleoftheinnercomponentAD7418whichisakindoftemperaturesensorismainlydiscussed,andthekeytechnologyofprocessorAT

3、90LS8535isbrieflypointedoutaswell.Finally,theimprovementsondataacquisitionandprocessingarepresented.Keywords：“SmartDust”；wirelesssensor;lowpower;acquisitionprocessing0引言20世紀(jì)90年代中期，UCBerkeley的皮斯特教授，提出并主持發(fā)明了第一代“智能塵?！?，它包括一個(gè)微處理器，一個(gè)雙向無線電裝置與一個(gè)光敏元件。2001年10月，第二代“智能塵?！眴柺?，稱為“Mica”。它比第一代先進(jìn)許多，體積更??；加入一個(gè)接口，可以接入磁強(qiáng)

4、器和氣壓計(jì)等傳感器?！癕ica”比火柴盒稍大，可支持8個(gè)以上傳感器。2003年由多個(gè)微型電子機(jī)械系統(tǒng)組成的“智能塵?！彪r形出現(xiàn)在美國雅圖的移動(dòng)通信展覽會(huì)上，全長僅5mm。同時(shí)倫敦Huddersfield大學(xué)精密科技中心也展示出其研制的“智能塵?！?，僅1mm2的芯片，是一種能夠以無線傳輸方式傳遞信息的微型電子機(jī)械電子傳感器(MEMS)，成本雖小，但用途大，可探測到從溫濕度到振動(dòng)能量等諸多參數(shù)并能進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的處理。而以其構(gòu)成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)更是有著誘人的前景，如可以用在戰(zhàn)場上探測跟蹤敵方的情況，可用在十字街道作交通流量控制器。預(yù)計(jì)今后幾年的發(fā)展甚至可以將它整合到手機(jī)中，使其具有筆記本電腦所具有的

5、強(qiáng)大功能?！爸悄軌m?！钡挠布w系結(jié)構(gòu)和模塊組成1.1硬件體系結(jié)構(gòu)以UCBerkeley開發(fā)的“智能塵?！睘槔饕商幚砥?AT90LS8535)、協(xié)處理器(AT90L2313)、E-PROM、串口、無線發(fā)射模塊(TR1000)、溫度傳感器(AD7418)、光強(qiáng)傳感器(CL9P4L)等組成，如圖1所示。1.2組成模塊考慮到系統(tǒng)的小體積、低功耗要求，硬件采用模塊化設(shè)計(jì)。大致由處理器模塊(也稱主機(jī)模塊)、傳感器模塊、通信模塊、供電模塊(也稱電源模塊)以及軟件模塊組成。其中處理器模塊中主處理器負(fù)責(zé)程序的執(zhí)行，并對(duì)其余各模塊的工作起協(xié)調(diào)作用，協(xié)處理器往往只負(fù)責(zé)存儲(chǔ)臨時(shí)數(shù)據(jù)；傳感器模塊負(fù)責(zé)采集對(duì)象信息，

6、同時(shí)進(jìn)行從模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，并完成向處理模塊數(shù)據(jù)的傳輸；通信模塊是完成“智能塵?！迸c“智能塵?！敝g的數(shù)據(jù)傳輸，即無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信模塊；供電模塊也稱電源模塊，是“智能塵?！惫ぷ鞯膭?dòng)力源泉；軟件模塊并不像上述模塊一樣可視性強(qiáng)，但必不可少，主要是為嵌入式處理器提供必要的軟件支持中，為嵌入式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)提供軟件支持等，UCBerkeley為此開發(fā)了一個(gè)微型化的操作系統(tǒng)TinyOS。圖1智能塵埃騒的硬件框圖“智能塵埃”的數(shù)據(jù)采集2.1溫度傳感器AD7418的工作原理2.1.1性能參數(shù)AD7418是美國模擬器件公司推出的單片溫度測量與控制使用的新型傳感器。與AD7417相比，主要改進(jìn)之處在于內(nèi)

7、部包含有帶隙溫度傳感器。仍具有10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，分辨率為0.25C。測溫范圍為-55125C。具有10位數(shù)字輸出溫度值，分辨率為0.25C，精度為2C，轉(zhuǎn)換時(shí)間為1530ms,工作電壓范圍為2.75.5V,具有低功耗模式（典型值為1“A）。AD7418片內(nèi)寄存器可以進(jìn)行高/低溫度門限的設(shè)置。當(dāng)溫度超過設(shè)置門限時(shí)，過溫漏極開路指示器OTI）將輸出有效信號(hào)，可與單片機(jī)（微控制器）接口直接相連。2.1.2工作過程AD7418采用8腳SOIC封裝，各引腳功能如下：引腳1：SDA，串行數(shù)據(jù)輸入/輸出端；引腳2：SCL，時(shí)鐘信號(hào)輸入端；引腳3;OTI，過溫漏極開路輸出端；引腳4：GND,接地端；引腳5：A

8、IN,模擬信號(hào)輸入端，輸入電壓范圍0VVref，模擬通道的選擇通過編程芯片內(nèi)的配置寄存器實(shí)現(xiàn)。引腳6：REFIN,基準(zhǔn)電壓輸入，外部的2.5V基準(zhǔn)電壓能被連接到這個(gè)端子上，當(dāng)外部的基準(zhǔn)電壓接入時(shí)，內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓關(guān)閉。引腳7：VDD,正電源端，2.75.5V。引腳8：/CONVST,邏輯輸入信號(hào)，轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)。AD7418的片內(nèi)帶隙溫度傳感器可按預(yù)先設(shè)置的工作方式對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)測量，并將結(jié)果轉(zhuǎn)化為數(shù)字量存入到溫度值寄存器中。AD7418采用12C串行總線和數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議來完成對(duì)AD7418內(nèi)部寄存器的讀/寫操作，數(shù)據(jù)輸入/輸出線SDA以及時(shí)鐘信號(hào)線SCL與單片機(jī)的引腳直接相連。當(dāng)SCL保持高電

9、平時(shí)，SDA從高電平到低電平的跳變?yōu)閿?shù)據(jù)傳輸?shù)拈_始信號(hào)，隨后傳送AD7418的地址信息和讀/寫控制位。其地址信息的格式為：0101000R/W。讀/寫控制位為1時(shí)，表示對(duì)AD7418進(jìn)行讀操作，為0時(shí)，則表示進(jìn)行寫操作。當(dāng)每個(gè)字節(jié)傳送結(jié)束時(shí)，必須在收到接收數(shù)據(jù)一方的確認(rèn)信號(hào)（ACK）后方可開始下一步的操作。然后在地址信息和讀/寫控制位之后傳送片內(nèi)寄存器地址和數(shù)據(jù)。最后。在SCL保持高電平的情況下，當(dāng)SDA從低電平跳變到高電平時(shí)將終止數(shù)據(jù)的傳輸操作。圖2給出了AD7418數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序示意圖。圖2AD741S數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序示意圖2.2光強(qiáng)傳感器CL9P4L的工作原理由于光強(qiáng)傳感器CL9P4L和溫度傳

10、感器AD7418內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理非常相似，限于篇幅，這里只作簡要介紹。光強(qiáng)傳感器CL9P41內(nèi)置一個(gè)由硒化鎘(Cdse)材料做成的光電傳感器，硒化鎘單晶光敏電阻可用于可見光及近紅外區(qū)域光的檢測。在光線的作用下，光子使更多的電子跳到導(dǎo)電帶參與導(dǎo)電，從而電阻率變小，這就是CL9P41工作原理的實(shí)質(zhì)。處理器(AT90LS8535)最后也將完成對(duì)CL9P41內(nèi)部寄存器的讀/寫操作。“智能塵?！钡臄?shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理有些部分操作是在傳感器內(nèi)部完成，但都離不開處理模塊的總體協(xié)調(diào)和處理。也就是說主機(jī)是數(shù)據(jù)處理的核心部件。構(gòu)成主機(jī)的(AT90LS8535)、協(xié)處理器(AT90L2313)是ATMEL公司新一代單

11、片機(jī)產(chǎn)品。它是8位以E2PR0M電可擦及Flash技術(shù)為主導(dǎo)的AVR單片機(jī)。內(nèi)嵌的8k內(nèi)存用于存儲(chǔ)程序代碼，置有512字節(jié)RAM用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。其內(nèi)部獨(dú)特的哈佛結(jié)構(gòu)，即8M字節(jié)的程序存儲(chǔ)器和8M字節(jié)的數(shù)字存儲(chǔ)器是兩個(gè)相互獨(dú)立的存儲(chǔ)器，每個(gè)存儲(chǔ)器獨(dú)立編址，獨(dú)立訪問，提高了數(shù)據(jù)的吞吐率。采用了RISC結(jié)構(gòu)，即用32個(gè)通用寄存器代替累加器寄存文件，避免了傳統(tǒng)的累加器與存儲(chǔ)器之間數(shù)據(jù)傳輸造成的瓶頸現(xiàn)象。外接4MHz晶振，采用非揮發(fā)的CMOS的制造工藝，保證較低功耗?！爸悄軌m埃”的數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)的改進(jìn)“智能塵?！庇兄浅V泛的應(yīng)用前景，它將是美軍未來網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)場中最重要的傳感器系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集與處理是“智能

12、塵?！敝嘘P(guān)鍵技術(shù)之一。為提高性能，可在以下幾方面加以改進(jìn)：改進(jìn)傳感器材料，使用精度高、靈敏度高、線性度好、感應(yīng)性強(qiáng)、耐高溫、抗沖振、抗潮濕、抗腐蝕、抗電磁干擾的原材料。提高軟件的運(yùn)作效能。軟件運(yùn)作效率的提高必將提高數(shù)據(jù)處理的速度。日前UCBerkeley研制開發(fā)的TinyOS微型操作系統(tǒng)總體思想是利用處理器的有限資源進(jìn)行高效率的并行操作。該操作系統(tǒng)是采用模塊化設(shè)計(jì)，每個(gè)模塊完成一個(gè)特定的任務(wù)，當(dāng)系統(tǒng)要完成某個(gè)任務(wù)時(shí)，就會(huì)調(diào)用事件調(diào)度器，再由事件調(diào)度器有順序地調(diào)用各模塊，從而有序高效地完成各種功能。采用軟件方法提高測量精度。在傳感器中的模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)存在量化誤差，在嵌入式處理器編程是提高測量精度的一個(gè)研究方向。參考文獻(xiàn)林成武“智能塵?！币挥没覊m監(jiān)控地球發(fā)明與創(chuàng)新.2011,(5).歸奕紅，杜瑞穎.智能微塵傳感網(wǎng)的輕量協(xié)作式認(rèn)證算法.計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究.2010,27(9).錢光耀，趙光興，盧宇智能微塵發(fā)展與應(yīng)用前景.傳感器世界.2006,12(7).林葉春，李勇.采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)智能塵埃計(jì)數(shù)器及其遙測儀器儀表學(xué)報(bào)2004,(