基于ARM的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).doc

電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)第1頁共88頁引言在現(xiàn)代工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥等生產(chǎn)過程中，溫度、濕度、酸堿度、氣體含量等環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測極為重要，環(huán)境參數(shù)的變化將極大地影響產(chǎn)品、農(nóng)作物、醫(yī)藥等的質(zhì)量，必須將檢測到的現(xiàn)場環(huán)境參數(shù)及時(shí)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(shè)備的布線和系統(tǒng)維護(hù)，以及對移動(dòng)設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控，存在巨大的成本和技術(shù)問題。隨著無線通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展并應(yīng)用到傳感器技術(shù)中，傳感器數(shù)據(jù)的無線數(shù)據(jù)采集成為可能，其特有的性能比傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)更具優(yōu)勢。它可應(yīng)用于布線和電源供給困難的區(qū)域、人員不能到達(dá)的區(qū)域(如高溫、嚴(yán)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(shí)場合等，實(shí)現(xiàn)了傳感系統(tǒng)的遠(yuǎn)程測試，這也是信息時(shí)代測試的必然趨勢。現(xiàn)在市面上的現(xiàn)場無線采集設(shè)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(shè)計(jì)中針對這些問題展開思考與研究，本設(shè)計(jì)能應(yīng)用于供水、石化、環(huán)保、煤氣、電力等各個(gè)行業(yè)，能為眾多系統(tǒng)集成商、自動(dòng)化公司和研究所提供一種具有極高性價(jià)比、穩(wěn)定可靠的無線數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案。在本設(shè)計(jì)中采用了ARM7處理內(nèi)核微控制器，提高數(shù)據(jù)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(jī)的連接，并可由PC通過LAN完成大范圍建網(wǎng)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)還設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)要求在設(shè)計(jì)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(chǔ)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(shè)計(jì)要求。電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)第2頁共88頁表1.1.1無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求整機(jī)部分項(xiàng)目單位指標(biāo)工作電源V24VDC10%環(huán)境溫度對輸出影響ppm/200絕緣強(qiáng)度V1000(無擊穿/無飛弧)絕緣電阻M100誤碼率10E-4數(shù)據(jù)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(nèi)20被測控制數(shù)8通信協(xié)議支持MODBUSASCII，波特率和奇偶校驗(yàn)可軟件設(shè)置通信接口方式RS-485接口或RS-232接口安裝方式卡式導(dǎo)軌安裝或者底部螺絲固定上位機(jī)部分項(xiàng)目單位指標(biāo)上位機(jī)平均功率mW1000發(fā)射功率dBm5控制信號頻率次/S2接收數(shù)據(jù)頻率次/S16與PC通信速率bps9600下位機(jī)部分項(xiàng)目單位指標(biāo)下位機(jī)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(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)第3頁共88頁發(fā)送數(shù)據(jù)頻率次/S1下位機(jī)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(shè)計(jì)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(jī)無法比擬的。單片機(jī)因其功能有限，只能應(yīng)用于簡單的控制電路或輔助控制電路，其處理大量數(shù)據(jù)的能力不強(qiáng)。在本設(shè)計(jì)中選擇ARM處理器來處理多臺下位機(jī)的同時(shí)通信，不僅能加大系統(tǒng)容量，還能提高上位機(jī)數(shù)據(jù)刷新速度。ARM微處理器與單片機(jī)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(diǎn)缺點(diǎn)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)簡單，開發(fā)成本低，周期短。處理能力不強(qiáng)，被控對象少，易被干擾。ARM資源豐富，處理能力強(qiáng)，擴(kuò)展簡單。開發(fā)成本、周期比單片機(jī)要高、要長。圖2.1.1ARM微處理器與單片機(jī)接口資源對比單片機(jī)ARM71路串行輸入2路外部中斷輸入8位數(shù)據(jù)/地址輸入2路計(jì)數(shù)輸入8位數(shù)據(jù)/地址輸出1路串行輸出2路定時(shí)器輸出32位數(shù)據(jù)/地址輸入4路以上串行輸入8路12位ADC輸入32位數(shù)據(jù)/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(shí)器輸出電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)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(nèi)外的無線數(shù)據(jù)傳輸，但其受到GPRS網(wǎng)絡(luò)的限制，而且需要支出運(yùn)營費(fèi)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(qiáng)，穩(wěn)定可靠，但其電路復(fù)雜，調(diào)試?yán)щy。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(shè)計(jì)要求，其在業(yè)界的應(yīng)用方案也比較多，而且電路簡單，不需要調(diào)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(wǎng)絡(luò)限制受網(wǎng)絡(luò)限制受網(wǎng)絡(luò)限制受網(wǎng)絡(luò)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(jié)構(gòu)越來越簡單、精度越來越高，可靠性與穩(wěn)定性都要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于ARM處理器集成的A/D轉(zhuǎn)換器。并參考表2.3.1各自優(yōu)缺點(diǎn)。在設(shè)計(jì)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(diǎn)缺點(diǎn)ARM處理器集成A/D12位無需外加IC，電路簡單?？煽啃圆桓撸蓸宇l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(jié)構(gòu)較復(fù)雜。GPRS傳輸設(shè)備GPRS傳輸設(shè)備GPRS傳輸設(shè)備基站電纜控制中心基站電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)和優(yōu)良的兼容性是其最大的特點(diǎn)，但在本設(shè)計(jì)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(lǐng)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(diǎn)，因此選擇RS-485接口與PC機(jī)連接。其各自的優(yōu)缺點(diǎn)見表2.4.1。接口簡單電路結(jié)構(gòu)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(diǎn)缺點(diǎn)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(qiáng)。電路較復(fù)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(jié)構(gòu)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(chǎn)的工業(yè)級ARM7內(nèi)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(jù)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(jī)與下位機(jī)采用半雙工通信模式。本設(shè)計(jì)在A/D采集部分使用低功耗模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片CS1160，其有效分辨率可達(dá)16位。系統(tǒng)具體硬件方案選定見表2.5.1。電平轉(zhuǎn)換器電纜電平轉(zhuǎn)換器RS232通信差分接收器差分接收器RS485通信電路結(jié)構(gòu)TXDRXDRXDTXDTXDRXDRXDTXDUSB控制器USB控制器電纜USB通信電路結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)線D+DD+D電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)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(diǎn)控制器ARM控制器LPC2131內(nèi)部資源豐富，處理迅速，適合于工業(yè)控制領(lǐng)域。無線通信433MHz單片無線收發(fā)ICIA4421無需調(diào)試，容許快速調(diào)頻，兼容SPI串行接口。PC機(jī)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(zhuǎn)換器專用A/DCS1160高精度、低功耗模數(shù)轉(zhuǎn)換，有效分辨率達(dá)16位，PGA及自校正功能?；鶞?zhǔn)源芯片高精度基準(zhǔn)源LM285D-2.5能提供精確基準(zhǔn)源，減少誤差。電源設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)在圖2.6.1中的下位機(jī)結(jié)構(gòu)方框圖中，輸入的0V5V電流信號依次經(jīng)過過流、過壓保護(hù)電路，輸入衰減電路，抗混疊濾波電路后進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，控制器對轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行軟件濾波處理并存入緩沖區(qū)，最后數(shù)據(jù)通過無線通信模塊以反饋形式發(fā)送給上位機(jī)。上位機(jī)可根據(jù)需要發(fā)送控制信號控制下位機(jī)執(zhí)行器工作。下位機(jī)在第一次使用前需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)，這個(gè)校準(zhǔn)的過程是通過下位機(jī)的RS-232接口連接到PC機(jī)，并通過專門的校準(zhǔn)軟件來完成的。下位機(jī)在長時(shí)間使用時(shí)，也需要每隔一段時(shí)間對下位機(jī)校準(zhǔn)一次，保證采集數(shù)據(jù)的精確可靠。圖2.6.1下位機(jī)結(jié)構(gòu)框圖A/D變換CS1160模擬信號過流、過壓保護(hù)ARM7控制器LPC2131無線模塊PC機(jī)校準(zhǔn)隔離輸出RS-232接口執(zhí)行器EEPROMI2C總線電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)第7頁共88頁上位機(jī)在接受到數(shù)據(jù)后通過RS-485接口傳輸給PC機(jī)，并會(huì)將一些重要數(shù)據(jù)寫入EEPROM進(jìn)行保護(hù)存儲(chǔ)。PC機(jī)通過專門設(shè)計(jì)的監(jiān)控軟件完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的顯示和存儲(chǔ)。設(shè)計(jì)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(jī)結(jié)構(gòu)方框圖見圖2.6.2。圖2.6.2上位機(jī)結(jié)構(gòu)方框圖如圖2.6.3所示在無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方框圖中PC機(jī)通過無線局域網(wǎng)（802.11b/g）方式實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)與PC數(shù)據(jù)交換。最大范圍的實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一監(jiān)控，統(tǒng)一控制。單、多個(gè)節(jié)點(diǎn)的損壞并不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的正常使用。圖2.6.3無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方框圖ARM7控制器LPC2131無線模塊PC機(jī)RS-485接口EEPROMI2C總線采集分機(jī)1RF模塊采集分機(jī)2RF模塊采集分機(jī)16RF模塊RF模塊上位機(jī)PC采集分機(jī)1RF模塊采集分機(jī)2RF模塊采集分機(jī)16RF模塊RF模塊上位機(jī)PCLANPC電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)第8頁共88頁3硬件開發(fā)工具、特點(diǎn)、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(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)的一個(gè)新版本，是業(yè)界第一款也是唯一一種完整的板級設(shè)計(jì)解決方案。AltiumDesigner是業(yè)界首例將設(shè)計(jì)流程、集成化PCB設(shè)計(jì)、可編程器件設(shè)計(jì)和基于處理器設(shè)計(jì)的嵌入式軟件開發(fā)功能整合在一起的產(chǎn)品，一種同時(shí)進(jìn)行PCB和FPGA設(shè)計(jì)以及嵌入式設(shè)計(jì)的解決方案，具有將設(shè)計(jì)方案從概念轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)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(dāng)中，比如一些網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號，一頁圖紙的BOM表，都可以拷貝粘貼到原理圖當(dāng)中。原理圖文件切片，多個(gè)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(dòng)，總線走線，自動(dòng)網(wǎng)標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)的支持之外，還支持對Pspice模型的電路仿真。對FPGA設(shè)計(jì)提供了豐富的IP內(nèi)核，包括各種處理器、存儲(chǔ)器、外設(shè)、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(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)第9頁共88頁圖3.1.2AltiumDesigner6.0原理圖開發(fā)界面AltiumDesigner6.0在PCB設(shè)計(jì)上除擁有實(shí)時(shí)的阻抗控制布線、SitusTM自動(dòng)布線等新功能以外，還著重在：差分對布線，F(xiàn)PGA器件差