基于ARM7的數(shù)據(jù)采集與無線傳輸模塊設(shè)計

摘要 提出了一種基于ARM7嵌入式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與無線傳輸模塊的設(shè)計方案，實現(xiàn)高精度、快速、實時的數(shù)據(jù)采集與傳輸。介紹了基于LPC220芯片的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，給出了由嵌入式LPC2220微處理器和射頻收發(fā)芯片nRF905組成的無線傳輸模塊設(shè)計。當其工作在868 MHz頻段時，數(shù)據(jù)傳輸速率可達1 Mbit·s-1，采用高增益天線，使得傳輸距離可達800 m以上，且表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。最終實現(xiàn)高精度、快速、實時的數(shù)據(jù)采集與傳輸。
關(guān)鍵詞 嵌入式系統(tǒng)；LPC2220；nRF905；數(shù)據(jù)采集；無線傳輸

隨著數(shù)據(jù)監(jiān)測、無線通信和EDA技術(shù)等應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴展，人們對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采集精度、采集速度以及數(shù)據(jù)存儲量都提出了更高的要求。針對當前數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的不足，提出了一種基于ARM7處理器LPC2220的嵌入式高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計，以滿足系統(tǒng)高速、實時，數(shù)據(jù)存儲量大的需求。此外，由于模擬信號的抗干擾能力差而不利于傳輸，因此通常利用數(shù)字信號進行傳輸。利用無線通信方式，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)輕巧、維護方便。適用于防汛防旱等災(zāi)難預(yù)警中的數(shù)據(jù)檢測，例如降雨量采集、水文站水位監(jiān)測等。

1 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計
1．1 概述
所謂數(shù)據(jù)采集，就是通過傳感器把一些物理量轉(zhuǎn)換成模擬電信號，經(jīng)過處理后再轉(zhuǎn)換成計算機能識別的數(shù)字量，送入計算機。數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵問題是采集速度和精度。采集速度主要與采樣頻率和A／D轉(zhuǎn)換速度有關(guān)，采集精度主要與A／D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)有關(guān)。高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計需要解決的是系統(tǒng)在速度、精度、數(shù)據(jù)存儲方面的矛盾。文中介紹的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用飛利浦公司的LPC2220微處理器。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS)按照功能可分為：模擬信號調(diào)理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)采集和存儲、時鐘電路、系統(tǒng)時序及邏輯控制電路。如圖1所示。

1．2 系統(tǒng)時鐘電路設(shè)計
時鐘信號的穩(wěn)定性決定了采樣系統(tǒng)的性能。而相位噪聲和抖動是反映時鐘信號穩(wěn)定性的兩個主要指標。其中，相位噪聲用來描述時鐘信號的頻譜純度，相位抖動則直接影響時鐘的過零點。時鐘信號相位抖動對模數(shù)轉(zhuǎn)換信噪比的影響，可通過式(1)計算得出

其中，fs為采樣時鐘頻率；N為模數(shù)轉(zhuǎn)換器的位數(shù)；△clk為時鐘信號相位抖動量。因此，取樣時鐘的穩(wěn)定性與信噪比的性能之間也存在著密切的關(guān)系。
1．3 系統(tǒng)抗干擾設(shè)計
高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)存在較大的干擾問題，例如信號連線上的延遲、串擾、器件內(nèi)部過度干擾和熱噪聲、電源干擾、地噪聲等。不僅會影響著運算放大器與A／D轉(zhuǎn)換器等模擬器件的精度，嚴重時還將影響系統(tǒng)的正常工作。因此在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計中，整個系統(tǒng)的采集精度主要取決于系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計，盡可能減小或者消除干擾源。文中主要從以下幾個方面進行考慮：
(1)電源設(shè)計方面。根據(jù)高速電路設(shè)計理論，A／D采集系統(tǒng)中的電源應(yīng)當采用線性電源，以避免開關(guān)電源引入噪聲。為降低電源阻抗，減小噪聲對電源的干擾，通常采用電源層設(shè)計，盡可能增大電源面積。在設(shè)計每個芯片的供電電路時，在每個芯片的電源附近并聯(lián)去耦電容和旁路電容。去耦電容為芯片提供局域化的直流；旁路電容可以消除高頻輻射噪聲和一直高頻干擾。
(2)接地技術(shù)方面。高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的模擬地和數(shù)字地應(yīng)嚴格分開，最后單點共地。共地點通常選擇在ADC芯片管腳所需電流最大的位置，這樣可以使大電流對地回流最近。以避免對模擬電路的干擾，提高系統(tǒng)的采集精度。模擬地和數(shù)字地可以通過磁珠連接，由于磁珠的高頻阻抗大，而直流電阻為零，能夠濾除高頻電流減少地線上的高頻噪聲。

2 無線傳輸模塊硬件設(shè)計
無線傳輸模塊采用單片射頻收發(fā)芯片nRF905，負責(zé)將工作在433／868／915 MHz國際通用的ISM頻段，頻段間的轉(zhuǎn)換時間650μs。GMSK ／GFSK調(diào)制和解調(diào)，抗干擾能力強。采用DDS+PLL頻率合成技術(shù)，頻率穩(wěn)定性好。數(shù)據(jù)速率可達100 kbit·s-1，170個頻道，傳輸有效半徑達500～1 000 m。
nRF905無線通信芯片采用抗干擾能力強的GMSK調(diào)制方式，工作頻率穩(wěn)定可靠，其顯著特點是外圍元件少、工作電壓低，功耗小，接收待機狀態(tài)僅為2．5μA，可滿足低功耗設(shè)備的要求。靈敏度高，達到-100 dBm，最大發(fā)射功率達+10 dBm。該芯片在設(shè)計上充分考慮了用戶編程和使用的方便，它可以直接連接單片機串口并可進行發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，而無需對數(shù)據(jù)進行曼徹斯特編碼。由于采用了低發(fā)射功率、高接收靈敏度的設(shè)計，使用無需申請許可證，在發(fā)射功率+10 dBm情況下，開闊地的使用距離可達1 000 m。