基于SoC單片機(jī)的無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：本文結(jié)合凌陽單片機(jī)SPCE061A和無線通信模塊PTR8000的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出了數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)耐ㄐ?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/系統(tǒng)">系統(tǒng)．從系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)出發(fā)，分析了各個(gè)模塊的基本功能及如何實(shí)現(xiàn)．在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了上位機(jī)接收數(shù)據(jù)的監(jiān)控軟件，并給出了部分采集的數(shù)據(jù)及分析結(jié)果．
關(guān)鍵詞：SPCE061A; PTR8000;無線通信Wuhan ,430081,Hubei Province)

Abstract: Combined with the characters of SPCE061A Singlechip and wireless communication model PTR8000 , the wireless communication system is introduced in this paper, which starts with the system structure, then analyzes the basic function of every model and how to realize them . Furthermore, the monitor software system is designed and the acquired data and the analysis results are given.

Keywords: SPCE061A; PTR8000; wireless communication.

0 引 言

數(shù)據(jù)采集是工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中應(yīng)用最廣的技術(shù)之一．如工礦企業(yè)等用電單位在生產(chǎn)時(shí)，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電網(wǎng)中的電壓值；化工部門在生產(chǎn)時(shí)需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)物質(zhì)的溫度、壓力、流量變化；交管部門在管理當(dāng)中需要實(shí)時(shí)監(jiān)控交通燈、路燈是否正常工作等．若依靠人工到現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)，針對(duì)不同的部門會(huì)存在不同的問題：對(duì)于監(jiān)測(cè)電壓、溫度、壓力等部門會(huì)面臨現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境比較惡劣，人工記錄會(huì)出現(xiàn)一定的誤差，且費(fèi)時(shí)、費(fèi)力等問題；對(duì)于遠(yuǎn)距離采集數(shù)據(jù)的部門若通過有線方式把采集的數(shù)據(jù)傳到監(jiān)控室中的上位機(jī)，成本會(huì)比較高．

SoC技術(shù)是當(dāng)今超大規(guī)模集成電路的發(fā)展趨勢(shì)，它是一種高度集成化的系統(tǒng)集成技術(shù)，SoC從系統(tǒng)的整體功能及性能出發(fā)，把微處理器和計(jì)算機(jī)常用的一些數(shù)字和模擬外設(shè)等全部放置在一塊芯片中，使它成為一個(gè)完整的數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)。 與傳統(tǒng)功能單一的MCU芯片相比，SoC不僅增加了多種功能，而且減少了體積，降低了功耗，提高了系統(tǒng)的抗電磁干擾性和可靠性等．

本文基于SoC單片機(jī)SPCE061A設(shè)計(jì)了一種多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)的采集、顯示，并通過無線通信模塊PTR8000，將采集的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的傳到遠(yuǎn)端的上位機(jī)中，利用上位機(jī)的軟件進(jìn)行在線監(jiān)控．

1 硬件的組成結(jié)構(gòu)及基本功能

本系統(tǒng)由核心控制模塊、無線通信模塊和用于在線監(jiān)控的PC機(jī)三部分組成．其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示．

核心控制模塊是基于凌陽單片機(jī)SPCE061A實(shí)現(xiàn)的，其主要功能為：先將0~5v的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成SPCE061A所能識(shí)別的0~3.3v的電壓信號(hào)，單片機(jī)首先采集第一路的電壓信號(hào)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，進(jìn)行LED顯示，并將轉(zhuǎn)換后的值通過模擬的SPI口傳給PTR8000．當(dāng)PTR8000把單片機(jī)傳過來的數(shù)據(jù)發(fā)射之后，相應(yīng)的狀態(tài)指示燈閃爍．然后再采集第二路的電壓信號(hào)，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，LED顯示等．

無線通信模塊采用的是Nordic公司生產(chǎn)的PTR8000，通過PTR8000，可以將現(xiàn)場(chǎng)采集的多路電壓值傳送到監(jiān)控室，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線通信．

PC機(jī)負(fù)責(zé)接收、處理傳過來的數(shù)據(jù)，通過VC所編的上位機(jī)軟件進(jìn)行在線監(jiān)控．

圖1 無線通信系統(tǒng)框圖

2 核心控制模塊的實(shí)現(xiàn)

由于該系統(tǒng)最基本的功能之一是采集多路模擬信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，因此需要選用具有多通道A/D轉(zhuǎn)換功能的微處理器CPU內(nèi)核．該系統(tǒng)采用的是凌陽公司生產(chǎn)的一款16位單片機(jī)SPCE061A．該芯片不僅在內(nèi)部已經(jīng)集成了8通道10位A／D轉(zhuǎn)換模塊，而且還具有如下特點(diǎn)：工作電壓為3.0～3.6 V；工作頻率為0.32～ 49.152 MHz；2 K 的SRAM 和32 K的FALSH ROM；32位可編程的多功能I／O 端口；2 個(gè)16位定時(shí)器／計(jì)數(shù)器；32 768 Hz實(shí)時(shí)時(shí)鐘；內(nèi)置自動(dòng)增益控制功能的麥克風(fēng)輸入方式；雙通道10位DAC方式的音頻輸出功能；通用異步全雙工串行通信接口UART；串行設(shè)備輸入輸出接口SIO，可與外圍設(shè)備進(jìn)行串行數(shù)據(jù)通信等．該芯片不僅功耗低、工作電壓范圍大，且具有較高的處理速度^[1]。此外，廠家提供的編程環(huán)境支持C語言和匯編語言的程序設(shè)計(jì)，以及C語言與匯編語言的混合編程，大大方便了用戶的程序設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)開發(fā)效率．

核心控制模塊軟件流程如圖2所示，其中(a)為主程序(以兩路AD為例)；(b)為一路AD轉(zhuǎn)換子程序．

2.1 A/D轉(zhuǎn)換

SPCE061A有8路可復(fù)用10位ADC通道，其中一路通道（MIC_IN）用于語音輸入，其余七路通道（Line_IN）和IOA0~IOA6引腳復(fù)用，用于將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，由于通常我們所采集的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)是0~5V，而SPCE061A能夠轉(zhuǎn)換的電壓范圍只有0~3.3V，所以該系統(tǒng)通過采用分壓的方式把0~5V的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變成0~3.3V的電壓信號(hào)．

2.2 LED顯示

通過CD4511擴(kuò)展輸出口，數(shù)碼管交替的顯示多路電壓值，在每一次的顯示當(dāng)中，都會(huì)顯示相應(yīng)的路數(shù)和電壓值．

2.3 模擬SPI口通信

由于PTR8000的接口是SPI口，而SPCE061A沒有標(biāo)準(zhǔn)的SPI口，只能通過模擬SPI口來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸．而模擬SPI口的關(guān)鍵點(diǎn)在于模擬SPI的讀寫時(shí)序，單片機(jī)只有在正確的時(shí)序下對(duì)PTR8000進(jìn)行配置后，PTR8000才能正常工作。其讀寫時(shí)序?yàn)椋寒?dāng)CSN從高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，SPI口開始等待一條指令，當(dāng)SCK從高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，單片機(jī)往PTR8000中寫或者從中讀取一位數(shù)據(jù)．

圖2 核心控制模塊流程圖

3 無線通信模塊的實(shí)現(xiàn)

無線通信模塊采用的是Nordic公司生產(chǎn)的PTR8000．該芯片具有三大功能模塊：模式控制（TX_EN、TRX_CE、PWR）；SPI接口（CSN、SCK、MOSI、MISO）；狀態(tài)輸出接口（CD、AM、DR）．在配置模式下，單片機(jī)通過SPI接口配置PTR8000的工作參數(shù)．在發(fā)射/接收模式下，單片機(jī)通過SPI接口發(fā)射和接收數(shù)據(jù)^[3]。并通過DR的輸出狀態(tài)來檢測(cè)是否發(fā)射/接收成功,由于篇幅有限，這里只給出接收端的流程，如圖3所示．

4 上位機(jī)軟件的應(yīng)用

當(dāng)PC機(jī)接收數(shù)據(jù)時(shí)，通過串口精靈可以顯示轉(zhuǎn)換的電壓值，但是不直觀。鑒于此，該系統(tǒng)用VC編了一個(gè)串口通訊程序，可移植性強(qiáng)．

5 數(shù)據(jù)采集與分析

由于電壓采集模塊本身具有一定的阻值，所以采集的電壓值小于實(shí)際的電壓值，本系統(tǒng)利用軟件，將采集的電壓值乘以一個(gè)系數(shù)(多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果為1.03)，使采集的電壓接近實(shí)際的電壓值．由于篇幅有限，這里僅以第一路采集的電壓為例，如表1所示．

表1 A/D轉(zhuǎn)換對(duì)照表 電壓?jiǎn)挝唬簐 時(shí)間單位：s

圖3 接收模塊流程圖

6 結(jié)束語

本系統(tǒng)通過對(duì)凌陽單片機(jī)SPCE061A和Nordic公司生產(chǎn)的PTR8000無線通信模塊的應(yīng)用，設(shè)計(jì)出了一套多路數(shù)據(jù)采集及無線傳輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)．該系統(tǒng)功耗低、體積小、運(yùn)行可靠．本文敘述了數(shù)據(jù)采集的基本控制電路和原理，并用0~5V的信號(hào)完成了模擬實(shí)驗(yàn)，實(shí)際應(yīng)用中，來源于傳感器．

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創(chuàng)新點(diǎn)：基于SoC系列單片機(jī)SPCE061A設(shè)計(jì)了一種多通道數(shù)據(jù)采集及無線通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)功耗低、體積小、電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳輸數(shù)據(jù)的誤碼率低