PCB电镀电流的无线传感器网络监测系统设计

中心议题：

• PCB电镀电流的无线传感器络监测系统设计

解决方案：

• NRF9E5单片机系统
• 无线通信单元设计
• 传感器单元设计
• 指示灯报警电路设计
• 无线传感器网络的软件设计

利用计算机、传感器技术和无线通信，本文设计了用于PCB电镀电流检测的无线传感器网络监测系统。该监控系统以NRF9E5单片机为无线传感器节点核心，运用霍尔电流传感器和检测电路的设计，实现了无线传感器节点与计算机的无线通信。

PCB板的主要功能是使各种电子零组件形成预定电路的连接，其质量的好坏将直接影响整个机电产品的性能.PCB电镀电流是影响PCB板质量的重要因素之一，目前PBC电镀电流的检测是由操作人员拿着手持的监测设备、间隔一定时间进行检测;因此存在不少缺点，如非实时检测，容易漏检和误检，长期在电镀环境里工作会损害人体健康等.鉴于人工检测已不能适应当今制造技术发展的需要，本文提出PCB电镀电流的无线传输方案，即在需要检测电镀电流的地方安放传感器节点，并由监控中心对采集的电流数据进行统一实时的监测和控制.

1 系统框架

基于无线传感器网络的PCB电镀电流监测系统架构如图1所示，它可以分为3层：数据采集层、系统通信层和管理层.

数据采集层是整个系统的最底层，它由安放在工作环境中的传感器节点和汇聚节点组成.通过内置的数据采集单元，传感器节点可以采集流过PCB板的电流信号，进行数据整理后，以无线通信的方式发送给汇聚节点;汇聚节点将传感器节点发送来的数据进行汇聚、分析和储存，并等待计算机的命令，准备好与计算机之间的通信.

系统通信层是指汇聚节点与计算机之间的通信，采用RS232串口通信方式.通过设置P0_ALT.1=1，P0_DIR.1=l，选择NRF9E5的P01与P02引脚的第二功能作为串口的RXD与TXD，通过芯片MAX232进行电平转换与计算机的串口连接来处理从各节点采集回来的数据，并通过主模块发送控制指令和有效数据完成对各个节点的设置，实现对现场设备的控制.管理层是计算机对采集上来的电镀电流数据进行分析处理的过程.计算机能根据管理者的需要采集安装霍尔传感器节点的电流数据，并完成数据处理、图表显示、控制和储存等多种管理功能;当流过PCB板的电流超过或低于给定值范围，系统给出声光报警.

2 系统硬件及设计

无线传感器节点是整个无线网络的基本组成单元，它的主要任务是采集PCB电镀电流数据，对数据进行前期处理，并对来自上位机的命令做出回应，进而向上位机发送采集到的电流数据.无线传感器节点由NRF9E5单片机系统、无线通信单元、传感器单元和指示灯报警电路等组成。

2.1 NRF9E5单片机系统
NRF9E5无线单片机是NordicVLSI公司于2004年推出的无线单片机芯片，它是真正的系统级芯片，内置的433MHz、868MHz、915MHz收发器与NRF905芯片的收发器一样.内嵌的微8051控制器，带有4输入10位80kS/s的A/D转换器，工作电压较宽(1.9～3.6V)，可以工作于ShockBurst方式，即自动处理前缀、地址和CRC方式;CPU还扩展了2个数据指针以方便从片外RAM读取数据.NRF9E5的微处理器中有256bit的数据RAM和512bit的ROM.上电复位或软件复位后，处理器自动执行ROM引导区中的代码.用户程序通常是在引导区的引导下，从EEROM加载到1个4kbit的RAM中，这个4kbit的RAM也可用作存储数据.整个单片机系统的建立需要极少的外围元器件，节约资源，对实现低功耗十分有利.

2.2 无线通信单元
由于NRF9E5无线单片机内置了NRF905的433MHz、868MHz、915MHz收发器，从而使整个系统的设计更加简洁可靠.通过软件编程，收发器可自动完成发送、接收和监听等功能，从系统设计角度讲，只需对数据包中的数据进行软件解释和控制即可.

2.3 传感器单元
传感器单元主要负责电流信息的采集，它是保证整个系统性能的基础.首先需要将电流信号转换为电压信号，这里用TBC-LTA系列霍尔电流传感器，其工作电源电压±(12～15)V，工作温度-40～85℃.为了提高测量精度，结合实际被测电流大小值，本文选取TBC-LTA系列直流电流传感器中的TDC503LTA传感器.

NRF9E5内含一个10位线性AD转换器，其转换速率为80kS/s，AD转换器参考电压可以通过软件选择Aref输入或内部带隙参考电压1.22V.AD转换器有5个输入可以通过软件进行选择，其典型应用是启动/停止模式，采样时间由软件控制.默认状态下它是10位的，如有需要可以通过软件设置为6位、8位或12位.同时，AD转换器也可以在差分模式下应用，当AIN0作为负输入端时，AIN1～3作为正输入端.

2.4 指示灯报警电路
当流过电路板电流低于下限值或高于上限值时，指示灯报警电路将产生声光报警，以便管理人员立即采取应对措施.在本设计中，利用红色LED 灯和扬声器作为指示灯报警电路.

3 系统软件设计

3.1 下位机软件设计
在现代无线通信中，数据都是以数据包的方式来进行传输的.对NRF9E5这样的无线片上系统，每次发送和接收数据也是以数据包的方式进行的.数据包格式是通信协议的重要部分，NRF9E5的无线数据包格式有：Preamble、ADDR、PAYLOAD、CRC.其中，Preamble是前导码，由硬件自动加上去;ADDR则发送32～40位地址码;PAYLOAD是有效数据(最大为32bit);CRC是循环冗余码校验和，可以由内置CRC纠检错硬件电路自动加上，可设为0位、8位或16位.传感器节点最重要的工作就是将采集到的数据发送出去.要实现数据的无线发送，必须使处理器中的无线收发器工作在发送模式下.NRF9E5的收发器(NRF905)共有3种工作模式：ShockBurst接收(RX)方式、Shock Burst发送(TX)方式和节能方式，其发送数据流程如图3所示.

3.2 上位机软件设计
上位机软件设计利用VisualC++进行编程，设计了电流实时显示面板和用于数据储存的数据库.无线传感器网络布置完成后，众多传感器节点的数据上传到计算机，计算机程序即上位机程序将这些数据存储起来，为以后的数据查询和处理提供方便.VisualC++为用户提供了ODBC、DAO和OLEDB等3种数据库访问方式.ODBC提供了应用程序接口(API)，任何一个数据库都可以通过这些API达到管理数据库的目的.使用MFCAppWizard提供的ODBC数据库的一般过程是：
1)用数据库工具例如Access建立一个数据库;
2)在Windows中为1)建立的数据库定义一个ODBC数据源;
3)在创建数据库处理的文档应用程序向导中选择上面定义的数据源;
4)设计界面，并使控件与数据表字段关联.

本设计中，首先建立了一个数据库，并根据传感器节点数目建立了若干个数据表，然后利用MFC提供的ODBC类：记录集类、数据库类和可视记录集类进行编程，把各个无线传感器节点上传的数据按照它们的节点号存储在各个数据表中.

4 结语

本系统的无线传感器节点以低功耗的NRF9E5单片机为核心，利用TBC-LTA系列霍尔电流传感器，并且融合计算机技术和无线传感器网络技术，对PCB电镀电流进行实时数据采集和A/D转换，并对采集到的电流数据进行分析和存储，为监控PCB电镀电流的生产提供了良好的操作环境，改善了PCB板的质量，提高了产品的竞争力.本系统具有低成本、低功耗、较高的检测精度、操作简单和人性化等特点，能够很好地解决PCB电镀电流监测的问题，具有良好的应用和发展前景.