無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計方案

摘　要：在工業(yè)控制領域，常常需要采集大量的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，然后傳輸給主機進行處理。而目前數(shù)據(jù)傳輸通常使用的是RS485或者是CAN等網(wǎng)絡。這些網(wǎng)絡均基于有線傳輸，他們在使用中不僅要考慮成本因素，還要考慮數(shù)據(jù)傳輸中的干擾因素。而無線傳輸相對具有一定的優(yōu)勢，成本相對低，并且傳輸中的干擾也較少，這也在一定程度上提高了傳輸?shù)目煽啃浴ＴO計了一個基于PTR2000無線傳輸模塊的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該實例對其他相類似的無線數(shù)據(jù)采集、無線數(shù)據(jù)傳輸應用具有一定的參考價值。

　
1　引　言

　　在工業(yè)控制現(xiàn)場，常常需要采集大量的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，如電壓、電流、溫度、濕度、氣壓等，并將這些數(shù)據(jù)采集模塊采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鳈C進行處理，由主機根據(jù)處理的結果，將控制信號傳輸給現(xiàn)場執(zhí)行模塊進行各種操作。目前數(shù)據(jù)的傳輸基本是基于有線的網(wǎng)絡，如RS485，CAN等。這些有線的網(wǎng)絡一般具有成本比較高、維護不方便等缺點。而無線傳輸相對具有一定的優(yōu)勢，如成本低、可靠性高、維護方便等。本文介紹一個基于PTR2000無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。通過本系統(tǒng)，不僅能了解數(shù)據(jù)采集的一般過程以及一般數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構成，還能了解PTR2000模塊、ADUC812單片機、USB100模塊的功能。該系統(tǒng)最高傳輸速度可達19．2 kb/s。

2　系統(tǒng)原理

　　該系統(tǒng)由工控機、USB100、AT89C51單片機、PTR2000(2塊)、ADUC812單片機構成。

2．1　ADUC812高性能單片機  

　　Anolog Device公司的ADUC812高性能單片機由與 8051兼容的內核［1］、片內外圍設備、電源單元和模擬單元組成。8051兼容的內核額定的工作頻率是12 MHz(最大可達16 MHz)，3個16 b定時計數(shù)器，功能包括看門狗定時器、電源監(jiān)視PSM、高速ADC以及DMA控制器。片內有8 kB的閃速/電可擦除程序存儲器，640 B的閃速/電可擦除數(shù)據(jù)存儲器和256 B的片內數(shù)據(jù)RAM，支持16 MB的外部數(shù)據(jù)存儲空間和64 kB的外部數(shù)據(jù)尋址空間，為多處理器接口和I/O擴展提供了32條可編程的I/O口線，端口3有高電流驅動能力，同時具有標準的UART接口和可配置的I2 C端口或SPI端口。模擬單元包括8通道、高速(200 kb/s)自校準12 b ADC、片內4OPPM/C電壓基準、2個電壓輸出DAC和片內溫度傳感器等，可構成一個強大的12 b數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

2．2　USB100通用串行總線協(xié)議模塊

　　USB100是基于ASIC設計的，內部封裝了USB1．1全部協(xié)議以及多達384 B的發(fā)送緩沖區(qū)和128 B的接收緩沖接口，對USB接口的操作如同對外部存儲器操作一樣方便，由USB100模塊完成全部協(xié)議的轉換和封裝，使開發(fā) 過程變得十分簡單。

　　各管腳說明如下：

　　P1～P9，P16，NC：空腳。

　　P10，VCC：輸出，＋5 V輸出，提供給外部MCU使用，最大400 mA。

　　P11，USBVCC：輸入，USB接口的電源腳。P12～P13，D＋，D－：輸入/輸出，USB數(shù)據(jù)線。P14～P15，GND：電源地。

　　P17，RXE：輸出，高表示模塊沒有數(shù)據(jù)輸出；低表示模塊有數(shù)據(jù)輸出，可以讀數(shù)據(jù)。

　　P18，TXE：輸出，高表示模塊發(fā)送緩沖區(qū)已滿；低表示發(fā)送緩沖區(qū)為空，可以發(fā)送數(shù)據(jù)。

　　P19，WR：輸入，將8 b并行總線上的數(shù)據(jù)鎖存入內部緩沖區(qū)。

　　P20，RD：輸入，允許內部接收緩沖區(qū)數(shù)據(jù)通過8 b并行總線讀出。

　　P28～P21，D0～D7：8 b雙向數(shù)據(jù)線，他是一個8 b并口，USB100通過他與單片機交換數(shù)據(jù)。

　　USB100模塊的控制時序：

　　發(fā)送時序　當單片機檢測到USB100模塊TXE為低時，表示內部發(fā)送緩沖區(qū)允許發(fā)送數(shù)據(jù)到USB端口，可以 將數(shù)據(jù)通過8 b數(shù)據(jù)總線發(fā)給USB100模塊，發(fā)送數(shù)據(jù)鎖存由WR控制，USB100模塊TXE為高時，禁止發(fā)送數(shù)據(jù)。

　　接收時序　當單片機檢測到USB100模塊RXF為低時，表示內部接收緩沖區(qū)有來自USB端口的數(shù)據(jù)，可以通過8 b數(shù)據(jù)總線將數(shù)據(jù)讀入發(fā)給USB100模塊，接收數(shù)據(jù)鎖存由RD控制，接收時序如圖5所示。

2．3　PTR2000無線傳輸模塊

　　PTR2000是一個小型、超低功耗無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊。 該模塊工作頻率為國際通用的數(shù)傳頻段433 MHz［3］，采用了FSK調制，抗干擾能力強，采用了DDS＋PLL頻率合成技術，頻率穩(wěn)定性極好，靈敏度達到－105 dPm，最大發(fā)射功率為＋10 dPm，工作電壓2．7～5．25 V，具有2個工作頻道，工作最高速度可達19．2 kb/s(也可工作在其他頻率，如9 600 b/s)，可直接與CPU串口使用如8031等，也可以接計算機RS232串口，軟件編程非常方便。由于該模塊采用了低發(fā)射功率、高靈敏度設計，使用無需申請許可證。

　各管腳說明如下：
　　P1：VCC，電源輸入端，接2．7～5．25 V。

　　P2：CS，頻道選擇，CS＝0選擇工作頻道1，即433．92 MHz；CS＝1選擇工作頻道2，即434．33 MHz。

　　P3：DO，數(shù)據(jù)輸出。

　　P4：DI，數(shù)據(jù)輸入。

　　P5：GND，接地端。

　　P6：PWR，節(jié)能控制，PWR＝1，正常工作狀態(tài)；PWR＝0，待機微功耗狀態(tài)。

　　P7：TXEN，發(fā)射接收控制，TXEN＝1模塊處于發(fā)射狀態(tài)，TXEN＝0模塊處于接收狀態(tài)。

3　采集系統(tǒng)的編程

3．1　單片機ADUC812編程 

　　程序在初始化了各種參數(shù)以后，開始不斷循環(huán)，查詢A/D端口，將各路A/D端口的數(shù)據(jù)不斷采集，并通過串口輸入PTR2000，由PTR2000將數(shù)據(jù)傳輸出去；同時該模塊不斷查詢串口，若有由PTR2000通過串口輸入的數(shù)據(jù)，及時將數(shù)據(jù)輸出到D/A端口。本程序采用C語言編程，主程序為main()。

　　注：FFH開始采集數(shù)據(jù)標志；EEH結束標志。

3．2　AT89C51單片機編程   

　　AT89C51負責傳輸數(shù)據(jù)，一方面他通過PB口與USB100的并行數(shù)據(jù)口相連，負責從USB100接收或者將數(shù)據(jù)傳輸給USB100模塊；另一方面AT89C51通過串口與另一塊PTR2000相連，負責將從USB100模塊接收的數(shù)據(jù)傳給PTR2000，或者將從PTR2000模塊接收的數(shù)據(jù)傳給USB100模塊。他的程序與ADUC812的程序相似，區(qū)別在于他沒有開始和結束標志，并且他查詢的是USB100模塊是否有數(shù)據(jù)輸出和串口是否接收到PTR2000傳來的數(shù)據(jù)。

3．3　工控機編程

　　在工控機上安裝好USB100模塊的專用驅動程序后，USB100即可作為一個標準的設備來編程，可以按照與串口完全一樣的方法進行編程。在本次設計中采用了VC編程，在VC中采用MSComm控件，將USB接口作為一個標準的串口使用。程序分為兩部分：一部分是USB接口程序；另一部分是應用程序部分。將由ADUC812采集到的A/D數(shù)據(jù)用直觀的圖像的方法顯示出來。

4　結　語

　　本設計介紹的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對于其他無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽镁哂幸欢ǖ膮⒖純r值，通過適當改變硬件配置，以及適當修改程序，可以應用于遠程抄表、遠程監(jiān)控等領域。