基于射频无线的数据采集系统及其应用

  1 系统组成及功能
  无线检测系统由上位机(PC或IPC)和下位机(单片机)组成。上位机主要完成上传采集数据的实时处理和显示,并进行判断,若超过设定值,则进行声光报警;下位机主要完成数据采集和数据传输控制。上位机和下位机的信息交换以射频无线的方式实现,采用半双工的工作方式,FSK频率工作在ISM频段,不需要申请,所需时钟频率为4MHz,图1为射频无线数据采集系统组成框图。
  

 

  
 

  2 RF收发器nRF401
  2.1基本结构
  
  nRF401是NORDIC公司的单片UHF收发芯片,工作在433/315MHz ISM频段;具有频移键控(FSK)调制解调功能,采用PLL频率合成技术,频率稳定性好;最高工作速率可达20kbps,最大可调发射功率为10dBm,天线设计为差分方式;功耗低,接收待机状态仅为8μA;工作电压2.7~3.6V。它的内部结构如图2所示。
  
  2.2典型应用
  
  nRF401只需搭配较少的外围元器件即可组成收发一体的无线收发系统,其应用原理图如图3所示,各引脚功能说明如下:脚1(XC1):晶振输入;脚2、8、13(VDD):电源(+5V DC);脚3、7、14、17(VSS):地(0V);脚4(FILT):回路滤波器;5脚(VCO1):外接电感;6脚(VCO2):外接电感;9脚(DIN):数据输入;10脚(DOUT):数据输出;11脚(RFPWR):发射功率设置;12脚(FREQ):通道选择;15脚(ANT1):天线端;16脚(ANT2):天线端;18脚(PWRUP):电源开关;19脚(TXEN):发射接收控制,TXEN=“1”为发射模式,TXEN=“0”为接收模式;20脚(XC2):晶振输出。
  
 

  
 

  

  2.3应用要点
  
  (1)天线的发射和接收
  
  当nRF401为接收模式时,引脚ANT1和ANT2提供射频输入到内部低噪声放大器LNA;当nRF401是发射模式时,从功率放大器提供射频输出到天线。天线连接到nRF401是差动形式,在天线通道推荐的负载阻抗是400Ω。
  
  (2)VCO电感使用高质量的片式电感,Q>45,最大误差±2%。
  
  (3)发射和接收频率
  
  为了得到最好的RF性能,发射和接收频差不能超过70ppm(30kHz),这就要求晶振的稳定度不低于±35ppm。
  
  (4)发射和接收模式之间的转换延时
  
  在实际应用时,应注意模式转换之间的延时,从接收模式转换为发射模式的转换时间至少1ms,从发射模式转换为接收模式的转换时间至少3ms。
  
  3 在煤矿提升系统钢丝绳张力监测中的应用
  在提升系统钢丝绳张力无线实时检测系统中,上下位机与无线收发模块接口电路原理图如图4、图5所示。上位机采用工控机IPC,经串口电平匹配后,与无线收发模块nRF401相连;IPC机内含标准的RS232C串行接口,MAX232用于电平转换,而单片机PD6口与nRF401引脚TXEN连接来控制无线收发模块的发射和接收状态。下位机采用基于RISC结构的ATmega8单片机,用来控制前端数据采集和无线传输模块。
  
  4 数据传输可靠性措施
  射频无线采集系统的一个关键问题是传输的可靠性,即如何保证传输误码率控制在一定的范围内,根据相关理论和实践,可采取以下方法来达到本系统要求。
  
  (1)数据帧结构由1位起始位,8数据位,1位校验位,1位停止位构成,每帧长度为11位;
  
  (2)数据位先通过对信源进行编码,然后采用CRC循环编码技术进行信道编码,最后发射出去;收端接收后,进行信道解码,能够检出2错码和纠正2个错码,可大大提高数据无线传输的可靠性;
  
  (3)结合超短波传播的原理和特点,为更好的接收数据,本系统采用定向发射定向接收,增加数据传输的可靠性。