一种无线数据采集模块的设计

引 言
    人们在日常生产、生话中，对于采集数据的传输大多数采用有线方式，因为有线方式的传输距离、数据传输速率以及抗干扰能力都要优于无线方式；而对于在野外或者不便于铺设线缆的地区进行数据传输时，采用有线方式就受到了限制。针对这一特点，设计了采用无线传输方式的无线数据采集模块。模块选用Philips公司的P89LPC933单片机作为微控制器，单元集参数采集、数据存储、无线传输为一体，其整体结构框图如图l所示。

1 采集单元硬件电路的设计
    由于模块采用电池供电，其能量是有限的，所以模块应选用低的工作电压以及低功耗的外围电路器件。
1．1 单片机的选取
    采集模块选用Philips公司的P89LPC933单片机作为微控制器，其工作电压为2．4～3．6V。P89LPC933单片机采用了高性能的处理器结构，指令执行时间只需2～4个时钟周期，6倍于标准80C51器件；以抗干扰能力强、功耗低等优点而被应用于多种嵌入式系统中。同时P89LPC933集成了许多系统级的功能，如1个8位、4路逐步逼近式模／数转换模块和1个DAC模块，400 kHz字节方式I2C通信端口，SPI接口，键盘中断，片内看门狗定时器。这样可大大减少元件的数目，减小电路板面积，并降低系统的成本，因此适合于许多要求高集成度、低成本的场合，可以满足多方面的性能要求。
    为降低微控制器的功耗，模块采用低频外部32．768kHz的晶体振荡器，工作电压为3V。在采集工作完成后，控制器关闭A／D使能进入空闲模式。
1．2 传感器的选取
    模块以采集空气温／湿度及光照度数据为例，实际应用中可以根据需要采集的参数更换传感器。
    ①温度传感器。选用美国Dallas公司的可编程单总线数字式温度传感器DS18820实现空气温度信号的采集。该传感器体积小，外形如普通三极管，其内部集成有测温传感器及逻辑控制电路。DSl8820有很多优点，例如：直接输出数字信号，省去了后继的信号放大及模／数转换部分；外围电路简单，成本低；单总线接口，只有一根信号线作为单总线与CPU连接，且每一只都有自己唯一的64位系列号存储在其内部的ROM存储器中，故在一根信号线上可以挂接多个DSl8820，便于多点测量且易于扩展。
    ②湿度传感器。选用法国Humirel公司的HSll01电容式相对湿度传感器。此传感器与其他产品相比。有着显著的优点：不需要校准的完全互换性，高可靠性和长期稳定性，响应时间快，适用于线性电压输出和频率输出两种电路；模块中选用频率输出电路，经CMOS TLC555振荡器输出稳定的频率信号，经单片机采集后可以转换成湿度值。湿度值与输出频率关系如表l所列。

    ③光照度传感器。采用硅光敏二极管3DU050C，光谱范围为450 nm～1150 nm，用于可见光、红外光检测，光电流IL(10001x，10V)≥5 mA，暗电流Id(Olx，10V)≤O．1μA，击穿电压VCEO>30 V，耗散功率Pd=150 mW，封装φ5黑胶。
    通过运算放大器输出电压信号，经单片机内部A／D转换电路，将电压转换成数字信号，计算出光照强度。运算放大器选用TI公司的TLC2272CP。该运放具有低功耗、低电压、高精度等优点，适用于电池供电的设备中(硬件电路参见图4)。图2为输出电压与光照强度的关系曲线。

1．3 无线收发单元
    采用PTR8000无线收发模块，带有外置天线，可直接与单片机连接，无须外接其他器件，实现数据的无线转发；最大发射功率为+10 dBm，高抗干扰的GFSK调制，传输频率为5O kHz。该模块使用nRF905收发芯片，可工作在433／868／915MHz频段，专为点对多点无线通信设计；工作电压为1．9～3．6V，待机功耗为2μA，适用于低电压、低功耗系统中；内置完整的通信协议和CRC，只需通过SPI即可完成所有的无线收发传输。
1.4 存储单元
    FM24CL64是Ramtron公司的一款低电压铁电存储器芯片，用于存储采集的数据。其工作电压为2．7～3．6V，适合在低功耗的单片机系统中应用。由于采用了铁电体技术，该芯片的数据交换速度极高，数据线可以支持的频率最高达到l MHz，因此单片机向FM24CL64写入数据时一般无须加延时，并且使用寿命没有限制。FM24CL64芯片的引脚排列如图3所示。

    其中SDA和SCL引脚是数据交换线，用作CPU与FM24CL64之间的数据交换和命令写入；WP为写保护口，WP为高时写禁止，WP为低时写允许；A2、Al、A0是器件地址选择引脚，在同一总线上允许同时挂接8个同类器件。整个采集模块的电路简图如图4所示。

2 系统软件设计
    为了降低系统的能量消耗，软件设计是至关重要的，简洁的程序能有效地节省单片机的运行时间，从而降低能耗；使CPU工作在掉电或者空闲模式下，也能有效降低功耗。掉电模式时功耗要比空闲模式更低，但由于掉电模式需要硬件复位唤醒，所以设计中选用CPU空闲模式。
    软件整体设计流程：上电后单片机初始化各个设置，进入节能模式；定时时间到唤醒处理器，依次使能内部A／D转换模块，配置无线模块，执行数据采集程序，进行数据处理和存储，转发数据，结束后关A／D，设置无线模块进入待机模式，最后单片机进入空闲模式。这样使能量消耗降到最低。
    在测量程序中，如果某一项参数出现异常，就调用参数报警程序，通过无线模块发送报警信息。程序在Keil的uVision2环境下编译调试通过。程序流程如图5和图6所示。

结语
    本采集模块能够监测参数，当某一项或多项参数出现异常时，处理器调用报警程序通过无线收发模块发送报警信息。通过使处理器处于空闲模式及无线收发模块处于待机状态，有效地降低了模块的功耗。采集单元每隔特定时间采集一次参数信息进行存储和转发。对于整个采集系统，上位机可以通过无线模块发送指令，实现实时数据的观测。本文只涉及单个采集模块。
    本模块单元有较强的可移植能力，通过更换测量单元传感器的类型，可以应用于工业数据采集、无线抄表、智能家电等领域。