無線大容量數(shù)據(jù)采集記錄系統(tǒng)論文

1、無線低功耗大容量數(shù)據(jù)采集記錄系統(tǒng)論文摘要充分考慮地理?xiàng)l件的限制因素，解決工作人員對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并提取數(shù)據(jù)的問題，設(shè)計(jì)了一種基于無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的低功耗無線手持式數(shù)據(jù)記錄儀。該低功耗無線手持式數(shù)據(jù)記錄儀，由鋰電池供電，可以對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、顯示及分析。其最大的優(yōu)越性是，不用局限于某特定地方采集數(shù)據(jù)，用戶可以通過自己實(shí)際的情況，在一定的范圍了，隨時(shí)隨地的對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，然后選擇所需要的信息，系統(tǒng)可以自動(dòng)的對此信息進(jìn)行處理、分析，將分析的結(jié)果在液晶上顯示出來，同時(shí)系統(tǒng)可以對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，便于幾次采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。由于采用具有超低功耗優(yōu)點(diǎn)的MSP430F149和MSP430F247

2、單片機(jī)進(jìn)行控制，使得其耗電量特少，系統(tǒng)穩(wěn)定，一次充電長期使用。關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集 無線通信 MSP430 數(shù)據(jù)分析 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)1目錄1引言- 1 -2方案設(shè)計(jì)- 1 -2.1總體方案描述- 1 -2.2方案選擇- 1 -2.2.1數(shù)據(jù)發(fā)生模塊- 1 -2.2.2單片機(jī)選擇- 2 -3硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)- 3 -3.1 鋰電池電源管理模塊- 3 -3.1.1鋰電池概述- 3 -3.1.2鋰電池電源管理- 3 -3.2數(shù)據(jù)生成模塊- 4 -3.3無線通訊模塊- 6 -3.4數(shù)據(jù)發(fā)送模塊- 6 -3.5數(shù)據(jù)接收模塊- 6 -3.6液晶模塊- 6 -3.7按鍵模塊- 6 -3.8阻頻轉(zhuǎn)化模塊- 7 -4系統(tǒng)軟件

3、設(shè)計(jì)- 8 -4.1MSP430F247控制系統(tǒng)- 8 -4.2MSP430F149控制系統(tǒng)- 9 -4.3 上位機(jī)軟件系統(tǒng)- 9 -5作品性能測試分析- 10 -5.1性能測試- 10 -5.1.1測試儀器- 10 -5.1.2測試方法- 11 -5.1.3測試結(jié)果- 11 -5.2測試結(jié)果分析- 11 -6結(jié)論- 12 -參考文獻(xiàn)- 13 -1無線低功耗大容量數(shù)據(jù)采集記錄系統(tǒng)1引言隨著網(wǎng)絡(luò)及通信技術(shù)的飛速發(fā)展，無線通信以其成本低廉、擴(kuò)展性好、受地理?xiàng)l件限制較少、安裝施工簡便靈活等特點(diǎn)，被廣大領(lǐng)域所青睞。為了便于對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，分析和存儲(chǔ)，我們設(shè)計(jì)了一種新型的手持式無線數(shù)據(jù)記錄儀，該數(shù)據(jù)記錄

4、儀解決的以往的數(shù)據(jù)記錄裝置體積大，不易攜帶的缺點(diǎn)，同時(shí)又利用無線通信技術(shù)，利用具有有集成度高、外圍設(shè)備豐富、超低功耗的優(yōu)點(diǎn)的MSP430系列的單片機(jī)進(jìn)行控制，使得其功能齊全，并且系統(tǒng)穩(wěn)定，便于攜帶，同時(shí)其操作簡單，使用方便，是一款很有發(fā)展?jié)摿Φ臄?shù)據(jù)記錄器。2方案設(shè)計(jì)2.1總體方案描述本系統(tǒng)包括鋰電池電源管理、數(shù)據(jù)發(fā)生裝置、無線通信模塊、控制模塊、液晶顯示模塊、按鍵模塊等組成。根據(jù)惠斯通電橋原理，通過改變電橋電阻的阻值，使得運(yùn)算放大器INA128E及其外圍電路的處理，是INA128E輸出的電壓發(fā)生變化，然后通過運(yùn)算放大器OPA335對INA128E輸出的電壓進(jìn)行處理，得到穩(wěn)定的電壓輸出，再由第一

5、個(gè)控制器MSP430F247 對輸出的電壓進(jìn)行采集，處理后，將電壓的變化轉(zhuǎn)化為電阻的阻值，并在LCD1602上顯示出電橋電阻的阻值，通過觀察LCD1602界面上的電阻的阻值，節(jié)省了對電阻阻值變化的測量；同時(shí)控制器MSP430F247又將信息通過無線通信模塊傳送至第二個(gè)控制器MSP430F149和上位機(jī)。通過MSP430F149的處理和轉(zhuǎn)化，一方面通過液晶將電阻的阻值顯示出來，并對其保存；一方面通過AD9850將電阻的阻值轉(zhuǎn)化為頻率輸出?？傮w方案如圖2-1所示。2.2方案選擇2.2.1數(shù)據(jù)發(fā)生模塊方案一：利用應(yīng)變片式力傳感器（橋式電路）的原理，用電壓源驅(qū)動(dòng)電阻電橋，通過對電橋臂施加外力來改變電阻

6、應(yīng)變片的阻值，從而將力轉(zhuǎn)化為電壓變化量輸出，通過采集電壓信號(hào)而得到所要的數(shù)據(jù)信息。方案二：根據(jù)惠斯通電橋原理，用電壓源驅(qū)動(dòng)電阻電橋，其中電阻電橋的一個(gè)橋臂使用電位器，通過電位器阻值變化引起的電壓變化，采集電壓信號(hào)而得到所要的數(shù)據(jù)信息。方案選擇：由于應(yīng)變片受到外力時(shí)，阻值變化量非常小，輸出的電壓變化范圍也小，而且不易控制，價(jià)格又高，但電位器阻值變化范圍大，便于操作，采集的數(shù)據(jù)量大，所以我們選用方案二。圖2-1總體方案2.2.2單片機(jī)選擇方案一：采用MCS51系列的單片機(jī)。方案二：采用MSP430系列的單片機(jī)。方案選擇：雖然MCS51系列的單片機(jī)功能比較齊全，成本較低，但是MSP430系列單片機(jī)具

7、有集成度高、外圍設(shè)備豐富、超低功耗的優(yōu)點(diǎn)，故采用方案二。3硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1 鋰電池電源管理模塊3.1.1鋰電池概述鋰電池是一類由鋰金屬或鋰合金為負(fù)極材料、使用非水電解質(zhì)溶液的電池。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，小型化的設(shè)備日益增多，對電源提出了很高的要求。由于鋰電池的自放電率極低，放電電壓平緩。使得起搏器植入人體長期使用成為可能。 鋰電池一般有高于3.0伏的標(biāo)稱電壓，更適合作集成電路電源。1992年Sony成功開發(fā)鋰離子電池。它的實(shí)用化，使人們的移動(dòng)電話、筆記本電腦等便攜式電子設(shè)備重量和體積大大減小。使用時(shí)間大大延長。由于鋰離子電池中不含有重金屬鉻，與鎳鉻電池相比，大大減少了對環(huán)境的污染。3.1.2

8、鋰電池電源管理由于我們不能直觀的看出電池的電量，因此，就需要我們對電池實(shí)際的電量進(jìn)行分析，并直觀的顯示出來，方便用戶及時(shí)充電或者更換電池，避免因?yàn)殡娫次垂╇姡到y(tǒng)無法工作而造成的損失，所以，我們設(shè)計(jì)了電池電源的管理模塊。在此模塊中，我們通過單片機(jī)的ADC12數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，對電源電壓進(jìn)行采樣并計(jì)算出當(dāng)前電壓值所占的比例，通過液晶上的電源圖標(biāo)表示出來，當(dāng)電量不足時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出提醒信號(hào)，通知用戶采取相應(yīng)的措施。圖3-1為鋰電源管理模塊電路圖。圖3-1鋰電源管理模塊電路3.2數(shù)據(jù)生成模塊為了方便簡單的得到數(shù)據(jù)信息，我們應(yīng)用惠斯通電橋原理，通過改變電位器的阻值，從而引起電壓的變化，采集電壓信號(hào)，得到我

9、們所需要的數(shù)據(jù)信息。如圖3-2所示，當(dāng)電阻R1=R2=R3=R4時(shí)，電橋輸出電壓VF3=VF4，電橋處于平衡狀態(tài)，則VF1=0，整個(gè)電路的輸出電壓VF2=0；而當(dāng)我們改變?nèi)我庖粋€(gè)電阻的阻值時(shí)，電橋的平橫就被打破，輸出的電壓VF3將不與VF4相等，VF1和VF2也將不再為0。在實(shí)際應(yīng)用中，我們改變電阻R3的阻值，使其的阻值變化范圍為02K之間，如果我們直接采集VF3和VF4輸出電壓的差值，以此電壓差值的變化作為數(shù)據(jù)信息來采集，操作起來比較困難。因?yàn)閂F3和VF4輸出電壓的差值較小，而我們在此范圍內(nèi)要采集的數(shù)據(jù)很多，因此直接采集這個(gè)范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)是不能滿足我們的要求的，我們需要在此之間加入運(yùn)算放大器

10、進(jìn)行放大處理，便于我們對數(shù)據(jù)的采集分析。通過對各種性能運(yùn)算放大器的分析，我們最終決定使用差動(dòng)運(yùn)算放大器INA128E。圖3-2模擬數(shù)據(jù)產(chǎn)生放大電路圖在設(shè)計(jì)電路中，為什么會(huì)選擇INA128E，主要的原因是INA128是低功耗、高精度的通用儀表放大器，它體積小巧使其應(yīng)用范圍廣泛，反饋電流（Current-feedback ）輸入電路即使在高增益條件下(G = 100時(shí) 200kHz)也可提供較寬的帶寬。單個(gè)外部電阻可實(shí)現(xiàn)從1至10000的任一增益選擇。INA128提供工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的增益等式（gain equation）。INA128用激光進(jìn)行修正微調(diào)，具有非常低的偏置電壓 (50mV) 溫度漂移 0.

11、5µV/°C 和高模抑制（在 G=100 時(shí)，120dB ）其電源電壓低至±2.25V，且靜態(tài)電流只有700uA是電池供電系統(tǒng)的理想選擇，內(nèi)部輸入保護(hù)能經(jīng)受±40V電壓而無損壞。INA128E的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-3所示。圖3-3 INA128E內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖INA128E無論輸出的VF1的值是正是負(fù)，都會(huì)在恒定的電壓值范圍擺動(dòng)，這樣能獲得最大的動(dòng)態(tài)范圍，但是，需要使用一個(gè)低阻抗的電壓源驅(qū)動(dòng)Vref腳，否則容易造成電阻網(wǎng)絡(luò)的不匹配，從而影響輸出電壓值的準(zhǔn)確性，因此，需要將INA128E的輸出引腳和Vref引腳接入自歸零的CMOS運(yùn)放OPA335，減少INA128

12、E的失調(diào)誤差的影響。運(yùn)放OPA335連接為電壓跟隨器模式，主要是因?yàn)殡妷和ㄟ^INA128E放大之后已經(jīng)能夠滿足我們采集數(shù)據(jù)的需要，所以不需要再次進(jìn)行放大。由仿真圖3-4,可以看出，最終的輸出達(dá)到我所預(yù)期的目的，輸出電壓變化范圍在03V內(nèi)變化， 電路在經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證后也可以使用。圖3-4 仿真圖3.3無線通訊模塊 本系統(tǒng)采用了三塊無線通訊模塊，其中一塊為發(fā)射端，兩塊為接收端。其中放射端連接控制器MSP430F247。當(dāng)信號(hào)通過控制器MSP430F247的處理后，通過無線通訊的發(fā)射端發(fā)送出去，使接收端接收到信息。其中的一個(gè)接收端通過串行口通訊與上位機(jī)來接，當(dāng)收到信息時(shí)，信息也是通過串口通訊將數(shù)據(jù)傳送給

13、控制器，通過控制器管理，將信息顯示在LCD1602上。傳送至控制器MSP430F247單片機(jī)時(shí)，控制器將對信號(hào)進(jìn)行采集、處理，并通過無線通信模塊的發(fā)射端將信號(hào)傳送出去。3.5數(shù)據(jù)接收模塊通過無線通信模塊的接收端，將發(fā)射端傳送過來的信息接收，并通過控制器MSP430F149的處理，將接收到的信息顯示在LCD12864上。其中控制器MSP430F149將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，并將電橋電路中電阻的阻值通過LCD12864顯示出來。3.6液晶模塊第一個(gè)控制器MSP430F247將運(yùn)算放大器OPA335輸出端輸出的電壓信號(hào)，通過內(nèi)部的ADC模塊，并通過軟件程序的編程將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電橋中變化的電阻

14、的實(shí)際阻值，顯示在液晶平面上。第二個(gè)控制器MSP430F247也是將接收到的信息，通過編程、分析后將數(shù)據(jù)信息顯示在液晶平面上。液晶模塊的實(shí)質(zhì)是將信號(hào)很直觀的顯示，便于分析，避免時(shí)間的浪費(fèi)。3.7按鍵模塊通過系統(tǒng)完善的程序編寫，當(dāng)用戶操作數(shù)據(jù)記錄儀時(shí)，可以通過按鍵模塊，選擇自己要進(jìn)行的操作，圖3-5為按鍵模塊的原理圖。當(dāng)有按鍵按下時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入相應(yīng)的中斷，相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息將會(huì)在液晶平面上顯示出來。圖3-5 按鍵模塊3.8阻頻轉(zhuǎn)化模塊 本系統(tǒng)采用了美國模擬器件公司采用先進(jìn) DDS 直接數(shù)字頻率合成技術(shù)生產(chǎn)的高集成度產(chǎn)品 AD9850 芯片。當(dāng)AD9850系統(tǒng)時(shí)鐘為 180MHz 時(shí)，在參考時(shí)鐘輸入端，

15、只需輸入 30MHz 的參考時(shí)鐘即可。AD9850 是由數(shù)據(jù)輸入寄存器、頻率/相位寄存器、具有6倍參考時(shí)鐘倍乘器的DDS芯片、10位的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、內(nèi)部高速比較器這幾個(gè)部分組成。能夠直接作為基準(zhǔn)信號(hào)源，或通過其內(nèi)部高速比較器轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)方波輸出，作為靈敏時(shí)鐘發(fā)生器來使用。此模塊是將電阻的阻值通過AD9850及其外圍模塊搭建的系統(tǒng)，將電橋中電阻的阻值從1K 到2K之間的轉(zhuǎn)化信號(hào)用相應(yīng)的1KHz到2KHz頻率的正選波表示出來，便于對采集到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)一步的分析、處理。4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1 MSP430F247控制系統(tǒng)當(dāng)電壓信號(hào)從OPA335的輸出端輸出后，控制器MSP430F247將電壓信號(hào)采集，并

16、通過數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，將電壓信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)化處理，通過LCD1602顯示出來。同時(shí)控制器MSP430F247將轉(zhuǎn)化的信息通過無線模塊傳送出去。如圖4-1所示。開始AD采樣轉(zhuǎn)化為頻率顯示傳送結(jié)束圖4-1 MSP430F247軟件流程圖4.2 MSP430F149控制系統(tǒng) 圖4-2 MSP430F149軟件流程圖4.3上位機(jī)軟件系統(tǒng)當(dāng)無線通信模塊的一個(gè)接收端收到發(fā)射端發(fā)出的信號(hào)后，通過串行口通訊系統(tǒng)，將接收到的信息傳送至上位機(jī)，上位機(jī)將接收到的信息顯示出來，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。如圖4-3所示為上位機(jī)系統(tǒng)原理圖。NY開始提示用戶設(shè)置串口串口接收數(shù)據(jù)串口設(shè)置正確？數(shù)據(jù)處理確定打點(diǎn)位置是否有控件進(jìn)行調(diào)節(jié)？Y打點(diǎn)N

17、圖4-3上位機(jī)軟件流程圖5作品性能測試分析5.1性能測試5.1.1測試儀器測試儀器如表5.1所示。表5-1 測試儀器測試儀器臺(tái)數(shù)波形發(fā)生器1數(shù)字萬用表1示波器1低功耗無線手持式數(shù)據(jù)記錄儀15.1.2測試方法當(dāng)?shù)凸氖殖质綌?shù)據(jù)記錄儀處于正常工作狀態(tài)時(shí)，在電橋輸入端接入波形發(fā)生器，改變電橋中電阻的阻值，并用萬用表測試電阻的阻值，判斷測量的結(jié)果與發(fā)送端液晶及接收端液晶顯示的數(shù)據(jù)是否一致；用示波器檢測從AD9850端輸出信號(hào)的頻率，判斷頻率變化是否隨著電阻的阻值成線性變化。5.1.3測試結(jié)果表5-2測量數(shù)據(jù)記錄表實(shí)測電阻值（K）發(fā)射端液晶顯示的阻值（K）接收端液晶顯示的阻值（K）示波器顯示的頻率（Hz）11.11.21.31.41,51.61.71.81.92.05.2測試結(jié)果分析發(fā)射端液晶顯示阻值的誤差：接收端液晶顯示阻值的誤差：測試頻率的線性度：6結(jié)論由于條件的限制因素，在制作過程中，我們用LCD12864代替單色點(diǎn)陣LCD（帶觸摸），其他題目中所要求的性能指標(biāo)我們都已經(jīng)完成了，在此基礎(chǔ)之上，我們還添加了AD9850及其外圍模塊，將阻值的變化處理為頻率的變化，并且其成線性的關(guān)系，通過這個(gè)模塊，對采集到的信號(hào)做進(jìn)一步的處理分析，使我們的數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)為用戶解決實(shí)際問題提供更多的