无线数据采集器

关键词： 传输技术 采集 无线 数据

无线数据采集器（精选十篇）

无线数据采集器 篇1

根据数据采集器的用途不同, 可将其分为两类:有线数据采集器和无线数据采集器。无线数据采集器是为适应现场数据采集和扫描笨重物体条码等脱机使用场合而设计的。无线数据采集器主要用于生产制造、仓库管理、销售窜货追踪、企业资产管理[1]等领域。随着生产过程、管理、装备信息化步伐的加快, 生产现场数据无线采集终端将得到快速的发展[2,3]。国外应用于生产现场的无线数据采集器主要有具备存储功能的手持数据采集器、无线条码扫描器及数据采集器、LED生产管理显示看板[4]等;国内这种产品还很少。而且面对众多的零、部件加工车间大量的现场数据实时控制如何进行;不同层面上的制造与管理人员如何能实现更好地在线沟通;现场的操作方式与持握方式怎样?等等, 这些问题在现有国内外的产品中均没有得到综合的体现, 本设计正是针对上述问题展开, 从实现在制造物流中的顺利、快捷、体现个性的沟通方面进行了探索。

1 产品形态设计

根据应用人群为工厂中的工人和管理人员, 产品必须赋予抗摔防震、耐脏的功能, 所以在产品形态设计上必须给人予结实有力、浑厚大气的感觉, 作为工厂的建设者还应体现出产品的尊严, 体现持握产品的人的象征感, 这种感觉使他带着自信和积极认真地态度去迎接每一份工作, 故本产品并没有采用一般工业产品的仪器使用的象征感觉。采用富有个性和流行时尚感的造型设计, 增加了造型的亲切感与使用的舒适感, 一种当家作主和被尊重的感觉。在颜色上采用易耐脏并且流行的有时尚感的银灰色和给人以稳重感的深蓝色。如图1所示。

2 产品持握方式设计

根据生产现场数据采集的特点, 在生产现场的工位、检测点、材料、工具的出入口以及巡检人员等配置生产现场无线数据采集器, 实现作业现场数据实时采集与通讯。

对于生产工位的工人, 一般双手经常处于工作状态, 为了不影响工作效率, 又能实时传递生产信息, 所以将采集器设计成戴在的胳膊上, 并尽量靠近头部, 用语音输入生产现场物流传递信息, 在技术交流和临时通知方面提高效率, 如图2所示。

对于工厂管理人员, 可以采用手持、戴在胳膊上两种方式。手持时, 在生产现场通过扫码器快速识别各种部件, 灵活地运用语音、键盘、扫码等功能实现实时的数据在线通讯。

键盘采用推拉式, 屏幕显示方式可以实现纵横向切换。图3所示。

3 无线数据采集信息界面设计

在操作方式的选择上, 避免触摸屏操作易出错、寿命低、成本高等缺点, 采用按键方式。

人在进行操作机器时, 主要受价值和动机目的支配[5], 在设计中要考虑人视觉、思维、动作的习惯过程, 使操作界面的设计符合人的日常习惯, 使产品容易掌握和不易出错。为了减少操作的不确定性, 按钮的设计采用不同执行操作发出相应的声音和光的变化, 以增加人们的操作信心与可驾驭感。

在数据采集的过程中, 可能会遇到同一种零部件重复读入的情况, 还有可能是同一种零部件, 由于不在同一个位置所导致的重复录录情况。在进行易出错界面设计时, 根据用户的使用出错频率改进设计。对输入数据的域值进行设定, 当输入值大于该值时就要对操作员进行提醒, 使之尽量减少出错的发生。

3.1 数据采集的信息界面设计

在界面设计时, 设计师不应当提供过多的选择可能性。录入时只需输入被采集物品的编号, 填上数量即可完成采集。如图4所示。并根据被采集件输入的频次, 决定检索的次序, 使专用部件的搜索快捷、方便。如有临时添加的信息, 通过语音输入与求助键配合使用, 使物流实现准确快捷的传递。整机的物流识别可采用条码扫描录录。数据采集器的操作程序可根据实际的需要进行编制, 充分考虑操作使用过程的方便、灵活和通用性。

3.2 数据传送的信息界面设计

数据传送功能有数据的下载和上传。数据下载时通过要件按钮将需要数据采集器进行确认的零部件信息从计算机中传送到数据采集器中, 如图4所示。

数据上传时将采集到的零部件数据通过发件按钮将数据传送到计算机中去。

数据采集器的菜单, 可以将所要完成的系统功能加入, 如:零部件入库、出库、补货和盘点等。同一批数据, 既作为入库数据又作为出库数据, 给操作带来了方便, 减少了数据的再次读入。

4 耐用与节电功能设计

为了防护采集器的屏幕, 在采集器的两侧和中间屏幕部分装有减震功能的防震橡胶, 可承受一般的撞击, 即使跌落在地板上, 也能正常运作;自动的省电运行模式设计, 10秒无操作自动进入省电运行模式, 按任意键自动“唤醒”。所以, 使用两节普通7号电池能正常使用达一个月以上。如图5所示。

5 小结

占领某领域的市场有两种途径, 一是在激烈的竞争中靠实力取胜;二是去发掘别人尚未发现的市场, 无论哪种方法市场细分定位以及对目标人群的调查了解都是相当重要的。当今时代, 消费者心理普遍要求产品符合自己的身份品位。只有了解消费者的特征和消费心理需求, 才会有准确的市场定位, 产品上市才会受欢迎。中国是工业大国, 尤其是东北是我国的老工业基地, 怎样在能提高工作效率, 作业质量以及使管理更加系统化是刻不容缓的问题。

在设计开发过程中加强对市场和目标人群的分析及研究, 提高设计师对市场的敏锐洞察力。抓住市场同时还要重视产品的使用功能是否体现的人性化程度, 产品款式造型和色彩是否符合现代人审美需求的水平。只有这样才能全面提高产品的市场竞争力, 设计出成功的产品。

摘要：本设计是为某公司的新产品——生产现场无线数据采集器进行产品形态设计和人机界面设计。由于这款产品的应用环境为生产现场的物流信息传递, 所以设计时除了要满足功能对产品的需求以外, 还要考虑到工作环境里的安全性、防污性、防震性, 界面的可操作性、美观性以及与工作人员使用的仪式性, 定位人群的喜好等问题。

关键词：生产现场,无线,数据采集终端,造型设计

参考文献

[1]VCANS公司.固定资产管理条码解决方案.http://www.vbarcode.com/asset.htm, 2006-05-03

[2]通信世界.RFID技术有望在3-5年内成为新利润增长点.http://www.lenx.cn/artSys/newsLIST.ASP?id=333&classid=3&Nclass

[3]上海条码网.http://www.intermeccorp.com/pshu_index.htm.2006-05-03.

[4]上海力象电脑有限公司.http://www.chinabarcode.com/systems/lx wm.htm, 2005-04.

无线数据采集在环境监控系统中应用 篇2

无线数据采集在环境监控系统中应用

随着嵌入式技术、网络技术和监控技术的发展,基于嵌入式技术的.远程环境监控系统在安防领域将得到越来越广泛的应用.该文介绍了基于嵌入式技术的远程环境监控系统前端无线数据采集系统中PT2262/PT2272工作原理.

作 者：陈飞 CHEN Fei 作者单位：安徽广播影视职业技术学院,安徽,合肥,230022刊 名：电脑知识与技术英文刊名：COMPUTER KNOWLEDGE AND TECHNOLOGY年，卷(期)：4(35)分类号：X830关键词：环境监控 PT2262/PT2272

无线数据采集器 篇3

【关键词】无线网络 数据采集 运输系统 设计

一、网络处理器的选型

文章所选用的这种处理器主要为STM32处理器，该处理器是32位Cortex-M3 RISC的CPU，根据片上外设资源的数量、资源以及片内RAM容量与Flash的不同，该处理器主要分为两种系列，即STM32F103xx与STM32F101xx。STM32处理器的内部有CPU高速总线AHB与两条APB总线连接，而这也使得处理器系统与片上外设相联，其内部系统总线为AHB结构。此外，在处理器内部还连接了存储器、时钟以及CPU等。

选用STM32处理器的优点在于：第一，先进的内核结构。STM32采用了ARM公司最新研发的Cortex—M3内核构架。第二，可控制其功耗。在Flash中，代码全速运行为72MHz，在此时所消耗的电流计仅为27mA，而在待机的状态下，其耗电值仅为2uA。同时该芯片还具有三种以上的低功耗模式，其外设时钟控制模式也非常的灵活，使用者可按照其具体节能需求优化配置耗电/性能。第三，片上外设性能强大。APB高速灵活，其运行速度可和CPU运行频率相一致，连接至总线上的这些外设自身运行速度和功能较强，满足不同接口的运行速率。第四，整合集成。STM32处理器实现了系统的集成，在一定程度上减少了对于外设器件的一些速度要求。

二、USART接口和配置

串口作为软件开发的一种重要调试手段，其作用是非常大的，在调试时，可用于查看与输入有关的信息。STM32串口的功能非常的丰富，可提供5路串口，具备DMA功能。下面文章就和串口基本配置有关的寄存器进行简要的介绍：第一，串口时钟主要是由外设时钟使能寄存器来控制的。第二，当外设发生异常时，可通过复位寄存器内所对应的位置，实现该外设的复位，接着再重新进行该外设的配置，以此使其能够重新工作。第三，每一个串口均有属于自己且独立的一个波特率寄存器，通过该寄存器的设置可实现不同波特率的配置。第四，在STM32每一个串口均有三个不同的控制寄存器，串口的很多配置均是由这三个寄存器来进行设置的。在本文设计中，只需用其中一个就可实现其所需功能。第五，数据的发送和接收。STM32的接收以及发送均是通过数据寄存器来实现的，该寄存器包含了RDR与TDR。当对该寄存器写数据时，其串口就会自动进行发送，在接收到数据后，存储与该寄存器中。

三、处理器SPI接口和设置

SPI是一种速度快、同步且全雙工的通信接口总线，所提供的连接机制也较为方便，自身的功能较为强大，适用于不同软件系统。该系统分为主设备与从设备两种，为了便于和不同时序要求外设交换信息，SPI总线制定了四种工作模式。在本文中，所采用的是STM32的SPI主模式。其配置步骤主要如下：第一，进行相关引脚复用功能的配置；第二，SPI工作模式的设置，并将其启动，在启动以后，就可进行SPI通讯。

四、无线传感器网关设计

（一）系统方案的设计

本文所设计的这种无线数据采集系统的结构主要包括两个方面的内容，即无线传感器网关与无线传感器节点。无线接受模块主要负责传感器节点所传数据的接收，接着再由STM32微处理器来进行处理，再利用以太网卡ENC28J60将处理后的数据传输到网络上位机，最后由上位机中的监测软件来完成其接收工作以及显示工作。在本文设计中，其网关设计在应用层上协议转换器中。

（二）上位机监测软件的设计

为了实现无线网络数据的采集和传输，本文所设计的这一系统采用了VC++6.0，在TCP的基础上，利用WinSock技术进行流套接字接口的连接，并和无线传感器网关连接，将多点无线传感器所产生的信号转换成为波形显示，最后将其存储，以此为下一步数据的显示、采集以及反馈等提供相应的技术平台。

在设计上位机时，由于嵌入式以太网这一服务器所发送至网络的数据包括了采集的数据以及无线传感器地址信息。因此，在上位机程序中，应区别数据与地址，把不同地址传感器所产生的数据放于不同缓冲队列进行保存，该程序可实现三个功能：第一，构建和传感器网关之间的网络连接；第二，数据的显示；第三数据的存储。

连接原理为：应该将程序初始化，并对其函数进行进行相应地调整，其次进行套接字的创建，将连接打开，并接受数据，最后再构建一个文本文件，将无线采集到的数据存储到制定的目录中去，利用相关的绘图插件把数据用波形图的方式显示出来，在完成通信后，可调用Close函数将这次连接关闭。

五、结束语

综上所述，该数据采集和传输系统分别在射频导纳液位计测量与温度测量中进行了应用，从其监测结果来看，其数据融合和远程传输的效果均为良好。目前关于这方面内容的研究还处于一种初级阶段，望通过本文内容的阐述，为其以后的发展和研究提供相应的依据。

参考文献：

[1] 骆东松，李琼.基于GPRS的环保数据采集传输系统的研究与设计[J].工业仪表与自动化装置，2011，（2）：22-25.

[2] 付金勇，郭爱文.基于ZigBee网络与GPRS的数据采集传输系统设计[J].电子设计工程，2011，19（14）：163-165.

[3] 高美珍.FC-201在无线数据传输系统中的应用设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2011，11（9）：77-78，81.

无线数据采集与分析 篇4

近几年来,互联网发展趋势越来越趋向于移动端,移动互联网的发展可谓大踏步向前。伴随着移动智能终端设备越来越普及,无线网络Wi Fi设备上网变得更加的自由和开放。普通用户终端设备在连接无线Wi Fi网络环境下,数据传输过程将毫无意识的暴露在公共环境中。由于计算机网络的多样性、开放性和互连性等特征,使得移动互联网络容易受到黑客以及一些病毒的攻击。

当前公共Wi Fi存在三大安全隐患:(1)在未知网络环境中,嗅探者会将我们的上网账号、密码等信息盗走;(2)在未知网络环境中,可能会遭受ARP攻击(中间人攻击),导致文件、照片等私密数据被窃取;(3)在未知网络环境中,可能会遭受DNS,迫使上网者连接钓鱼网站,网银被盗刷等。

为了及早发现并制止Wi Fi上的各种攻击,我们需要对无线数据进行采集和分析并找出问题,提前预防。这也是本文的一个重要目的。通过运用无线数据包抓包抓取工具,抓取无线Wi Fi连接设备的有用的数据包,然后通过对数据包内容通过分类算法进行归类和分析,确定哪些属于恶意的链接或者植入广告的包,以此来达到对网络攻击的预防。

无线数据采集与分析是一种用于采集无线设备接入网络中的有用数据的程序,这些数据来源于用户账号和密码、即时通讯的数据、网上浏览的页面信息等。它运用工具对无线数据进行采集,通过数据分类算法对无线数据报文进行归类和分析。

无线数据采集与分析的主要用处是分析当前接入无线Wi Fi设备无线网络的流量走向,以便找出该无线网络区域中潜在的问题。比如,用户在登录自己的账户信息过程中,输入的账号和密码数据包是否进行过加密处理,用户即时通讯过程中用到的传输协议是否足够安全,用户在访问各种页面的过程中,页面是否存在大量广告信息和恶意链接以及如何避免钓鱼网站发送的数据包入侵用户。

1 无线数据采集与分析总体设计

第一步,搭建无线网络环境。在主机上连接网络,并开启无线Wi Fi热点,用户名伪装成公共场所的名称,然后密码尽可能的简单,或者直接开放Wi Fi,不设置密码。诱导周围能够接收到Wi Fi信号的无线终端设备接入这个热点中来。

第二步,进行无线数据采集工作。这一步需要用到数据采集工具Wireshark,运用Wireshark可以采集到所有连入到这个Wi Fi无线局域网中的任何终端设备的数据流量信息,并且还能够对这些信息进行筛选和保存的功能。

第三步,对采集的无线数据进行规则匹配。规则匹配其实是对数据进行筛选,因为抓包工具是实时进行工作的,任何数据都会被捕获下来,并能够显示。但是很多数据信息其实并没有多少研究的价值,所有只需要采集特定的有研究价值的数据,才可以针对性的进行安全性分析。

第四步,数据分析工作分为两大类:数据分类和安全性分析。数据分类指的是将采集到的有价值的信息按照特定的规则进行分类,然后对不同的规则进行安全性分析。比如:用户的注册和登录,容易泄露敏感信息,所有分为一类;而用户在无线终端上访问某些具有很多广告信息和恶意链接的网站的时候,这些数据包就需要分为另一类了。

2 无线数据采集方法

图1是无线数据采集的流程图,下面对该过程进行简要的概述:

(1)无线数据采集开始之前,先将主机(存在无线网卡)共享无线Wi Fi热点;

(2)将附近的所有能连接无线的终端设备,连入这个Wi Fi热点之中;

(3)开启主机上事先安装成功的抓包工具Wireshark,并开启无线抓包;

(4)设置过滤规则,只过滤有用的信息,并保存这些数据包;

(5)当用户离开热点区域,或者无法连入Wi Fi热点,数据采集结束。

3无线数据分类算法研究及其过程通过程序设计

对无线数据报文,读入文件,然后,通过分类算法,对读入的文件,按照TCP、HTTP、ARP、DNS等协议,进行分类处理,并依次输出不同的文件包,从而针对不同协议类型的文件进行数据分析。然后对HTTP数据包内容做进一步的分析提取其中捕获的Url信息。并将其所有的Url存放在一个统一的数组里面,然后再对这其中的Url根据广告及恶意链接的类型进行区分。从而采集到广告及恶意的链接。

编写程序用到的语言是Java,程序设计与实现的过程如下:

(1)读取无线数据包文件;

(2)分类算法实现过程如图2。

分类算法程序截图如图3。

(1)文件名:用来输入文件名,该文件是数据包的所有文本文件;

(2)确定输入和开始分析:确定输入是让程序运行起来,分析类型并输出结果;

(3)将结果输出到屏幕当中,并分析其广告及恶意链接的比例。

4 无线数据包内容及其解析

通过分类算法,不同协议分类出来的数据,存储在不同的文件当中。其中包括:tcp Data.txt、arp Data.txt和dns Data.txt等三个文件。分类数据结果分析如下。

4.1 TCP 协议数据包解析

展开其中一条数据包传输控制协议层的信息,可以看到TCP内容的详细信息,如图5。

4.2 ARP 协议数据包解析

ARP协议,即地址解析协议。其工作过程如下:

主机A的IP地址:110.83.0.88,MAC地址为:e4:d5:3d:5d:ef:e5

主机B的IP地址:110.83.0.1,MAC地址为:00:18:82:82:26:11

当主机A要与主机B通信时,地址解析协议可以将主机B的IP(110.83.0.1)地址,解析成主机B的MAC(00:18:82:82:26:11)地址。

4.3 DNS 协议数据包解析

DNS为应用层协议,下层传输层采用UDP,再下层网络层是IP协议,然后是数据链路层的以太网帧。UDP(User DatagramProtocol)报文中:DNS的目的端口(Dst Port)是53,IPv4(InternetProtocol Version 4)报文中目的IP是192.168.199.117(局域网路由器),由于IP报文在网络层进行路由选择,他会依次送给路由器而不是直接送给DNS服务器。

5 结论

无线数据采集器 篇5

关键词：SmallRTOS51多任务操作系统数据采集器

引言

随着嵌入式系统的发展，嵌入式软件设计向软件平台靠近，单片机软件设计不再是单一线程结构方式，而是逐步采用多任务的设计思想。实时内核也称为实时操作系统或RTOS.它使得实时应用程序的设计、扩展和维护变得更容易，不需要大的改动就可以增加新的功能。通过应用程序分割成若干独立的任务，RTOS使得应用程序的设计过程大为简化。使用可剥夺性内核时，所有时间要求苛刻的事件都得到了尽可能快捷、有效的处理。通过有效的服务，如信号量、邮箱、队列、延时、超时等，RTOS使得资源得到更好的利用。

浅议自动气象站数据采集器校准方法 篇6

关键词：自动气象站；数据采集器；信号模拟器；校准方法

前言

自动观测站是我国气象局重要的组成部分，其承担着基层气象数据记录的重要使命。周期性的采集数据并对数据进行完善处理是自动观测站的重要使命。近年来，我国气象服务行业不断发展并取得了一系列的成果，气象观测站为我国气象事业作出了巨大贡献。自动观测站的气象采集器中的模拟通道其校准结果往往偏差较大，较大的偏差也进一步限制了气象数据采集的准确性。现有的自动站的气象采集偏差往往超出了相对应传感器的允许误差。新的《综合气象观测系统发展规划（2014—2020年）》对气象数据的准确性提出了明确的要求，要不断完善气象要素的计量核定以及现场校准准则，对程序和技术都不断提出了新的要求，健全现有的计量方法尽全力保证数据的准确真实性。上述相关法规政策也对气象部门提出了很高的要求，基层气象部门也要做出相应的对策以便满足相关法规的要求。

在当前的数据信息采集过程中缺乏一套完善，科学并操作性能稍强的采集器校准方法，因此有必要开发一套科学行之有效且对实验结果稳定的现场校准自动气象站或者数据采集标准法则。

1.校准原則

数据的采集是在自动站的传感器上进行，在自动站的内部设置了微处理器，这些微处理器会按照规定的运算法则将采集的数据进行运算和控制，进而生产气象要素所需的观察值，最后自动站会按照一定的参考格式将上述数据存储到硬盘中。上述过程是整个数据采集的简略过程，笼统地说可以分为数据的采集，数据的传输以及数据的存储。三个过程缺一不可，这三个过程同时构成了自动站的采集过程。采集器通道那作为采集器向下一个环节输出信号的通道，在自动站中占有一席之地，通道可以分为数字量采集通道和模拟量采集通道。校准数据采集器通道的示意差值模拟信号。信号传递通道对信号的传输来说至关重要，他可以影响信号的强弱，例如温度通道可以选择高精度的固定无源电阻器作为标准器，但作为标准器的信号模拟器的准确度等级要高于被校准采集器。

2.校准方法

2.1校准顺序

在进行数据采集器的校准时首先进行外观检查，若是外观出现问题将会直接影响数据的准确性，外观校准合格够才能进行下一步的校准-示意误差校准。一般在进行外观检查校准时首先要进行型号，出厂编号，成产厂家等一些列的校准。外观结构应该没有瑕疵，不影响视觉检查。外边的涂层不应该气泡，皲裂等。塑料和金属钢管应该没有凹痕。

2.2示值校准方法

校准工作要在满足数据采集器和信号模拟器使用条件的环境中进行。以使用JJQ1型信号模拟器校准DT50采集器为例，介绍示值校准流程和方法。在开机前，将信号模拟器、采集器与校准用电脑同时接地，校准时，信号模拟器通常使用内部电池供电，开机后根据需要预热20min。校准时，用通信线将采集器与电脑连接。在信号模拟器的电脑控制软件中新建被校采集器信息，设置通信参数，实现信号模拟器、采集器与管理系统软件之间的通信连接。

在校准点的选择中，各地也可根据所处的地理位置、海拔高度和气象要素年极值等条件选择相应的校准点。风向校准点是根据7位格雷码的全“0”状态和全“1”状态确定的，解决了角度区间的缺测问题[7]。使用其他类型如没有配套管理软件、只有单项或部分要素的信号模拟器校准采集器时，可以使用信号模拟器的调节旋钮或操作面板按钮设定相应的校准点，充分稳定后，使用采集器监控软件或采集器面板显示器读取通道示值结果，后将数据记录到数据记录表中。每个校准点连续读取3次数据（降水数据仅记录每分钟的变化量），读数时间间隔不小于1min。对于新型自动站采集器，如DZZ4型自动气象站，由于其采集系统是由主采集器、温湿分采、地温分采、辐射分采等组成的，且它们分散布置在观测场中不同位置，因此，校准时就要采用对主采集器和分采集器进行分别校准的方法。对于可修改系统时间的采集器（如DT50），建议先修改其系统日期至距当前时间1a以上的某一日。

3.结语

气象自动站的建立是我国气象信息建设的基础，气象信息的收集必须准确无误。此文提出的采集器校准操作方法及其注意事项适用于实验室或现场校准，是多年的采集器校准实践工作的经验总结，可为数据采集器计量校准工作提供技术参考，保证气象探测数据的准确性。

参考文献：

[1]施昌彦.测量仪器特性评定指南[M].北京：中国计量出版社，2003：35-36.

[2]朱乐坤，李林.前向散射能见度仪校准技术[J].气象科技，2013，41（6）：1003-1007.

[3]韩广鲁，孙嫣，边文超，等.CAWS600型自动气象站采集器通道误差修正[J].气象科技，2012，40（5）：755-758.

[4]梁志国，周艳丽，王章全，等.JJF1048数据采集系统校准规范[S].北京：中国航空工业总公司第三○四研究所，1995：4.

[5]李伟雄.自动气象站数据采集器常用校准方法[J].中国计量，2008，（5）：83-84.

[6]刘军，王力，胡林宏，等.CQSSJ-1标准信号发生器在DYYZII型采集器校准中的应用[J].气象水文海洋仪器，2012，（2）：81-83.

[7]郑亮，张天华，张虎，等.自动气象站风向测量系统现场校准方法改进的探讨[J].气象科技，2014，42（4）：593-596.

无线数据采集器 篇7

振动数据采集系统总体设计方案

本文设计的新型振动数据采集系统是无线控制技术、wifi无线传输技术和振动数据采集的融合, 它共分为三部分, 即振动数据采集端、MCU控制部分及wifi无线信息传输。振动数据采集端是对SW - 520D振动传感器输出的微弱电压信号进行采集、转换等操作。数据采集端与MCU控制端是通过无线wifi技术连接, 即所有的控制命令和采集的振动数据都是以wifi通信的方式传输的。具体的流程图如图1、图2 所示。

基于无线传输的硬件电路设计

本系统设计的核心是硬件电路, 新型振动数据采集系统的性能在很大程度上取决于电路的设计。硬件电路的设计包括关键元选器件的选定、根据系统总体设计要并设计电路原理图、确定系统所需扩展的调理电路、A/D电路等相关的一系列外围电路。PCB板制作完成后, 需要对系统的硬件进行测试, 检查系统的硬件电路是否焊接无误, 是否有短路、虚焊现象发生。

本次硬件电路设计中选用了作为A/D转换器, ADS1274 是一款4 通道复用, 24 位差分输入的高性能、单片模/ 数转换器, 具有高速度、高精度、低功耗等特点, 在20KHz的采样频率下能够达到18 位分辨率, 对微弱振动信号有较高的分辨率, 满足微弱振动信号探测的要求, 适合于振动监测应用。本系统依检测脚步声的实际要求, 设定完成AD转换之后的数据以串行的方式进行输出, 从而进一步简化了ADS1274 转换器与STM32F407之间的连接, 进而提高了AD转换电路设计的可靠性。ADS1274 的引脚图如图3 所示。

根据脚步声振动数据采集的实际要求, 振动加速度计的测量范围应为士25g, 为了提高振动传感器的灵敏度, 在硬件设计时中加入了调理电路并选用。AD8628 是将低成本与高精度、低噪声特性融于一体的运放, 且无需外部电容, 采用2.7 V至5 V单电源供电, 同时也可以选择双电源供电。AD8628 运算放大器的在调理电路设计中的应用原理如图4 所示。

基于无线传输的软件设计

本次软件部分根据新型数据采集系统总体设计方案的需求并结合已设计完成的硬件电路, 设计出能够实现振动采集系统预期效果的控制程序。本次软件设计依据模块化设计思想大体上分为两部分, 即振动数据采集部分和上位机或PC端控制部分。应用模块化的设计思想进行软件设计, 分块编程不仅增强了主、子程序程序的可读性, 而且便于系统整体进行软硬件的仿真和调试。

数据采集端的软件设计

装有振动传感器的PCB板上电工作后首先应对其进行初始化, 具体包括与串行口通信的基本配置, 向n RF905 写入配置字等, 然后将单片机的实际运行状态通过异步通行串行口发送至STM32F407 控制芯片, 接下来采集端单片机便处于等待寻址查询的状态。单片机CPU处理器不断发送指令, 实时查询串行端口的现行标志位;当CPU收到串行的现行标志位置位的信息时, 单片机立刻开始从串行端口接收来自上位PC机的指令, 最后根据不同系统指令完成相应的操作, 最后返回相应的状态。

控制部分的软件设计

在主程序开始运行之前, 首先应对MCU进行初始化设定并且向n RF905 写入配置字, 使芯片处在接收状态下, 然后设定初始状态为O并开启中断响应。之后, MCU将不间断访问查询的本机实时运行状态, 当单片机机的运行状态发生变化时, STM32F407 便转入对应的运行状态执行发送的操作命令, 各指令与操作对应关系如下:

采集状态:“采集”命令, MCU发送指令使数据采集端开始工作启;

停止状态:“停止”命令, 此时采集单片机将不进行任何动作, 停止待命。

数据采集系统的软硬件调试工作

新型无线控制振动数据采集系统的调试可以分为软件部分调试和硬件电路仿真两部分。软件部分的调试是通过对已有程序的编译检测手段来查询可能出现的语法等错误。因为本系统软件部分的设计采用分模块的设计流程, 所以在编译时可以对每个子模块逐个调试检测, 确认无误后再进行系统总程序的整合调试。硬件仿真是通J -LINK仿真器与目标板联机进行仿真测试。对于采集系统的硬件仿真调试可以分为四个部分:

1. 微控制器STM32F407ZGT6 与上位机的异步串行通信;

2. 振动数据采集端单片机控制下的电压信号AD转换输出;

3.MCU控制单元与振动数据采集单元之间的wifi无线通信协议;

4. 采集系统的整体运行检测。

全文总结

随着科学技术的不断发展进步, 数据采集技术已逐渐成为人们获取、接收信息的重要途径;在现代化的生产生活中, 无线传输技术则逐渐取代有线传输成为数据与上位机传输的主要手段, 无线传输技术的多方面发展不断影响着现代世界的科技发展与人民的日常生活, 上至楼宇自动化布局, 下到家庭智能无线安防等等。本文将无线技术的两大热门技术即无线控制与无线传输技术与的振动数据采集系统相结合, 充分考虑实际应用情况, 设计出的无线控制采集系统在智能家具安防、公共安全监测等领域具有广阔的应用前景。现将本文的主要工作研究内容总结如下。

1. 结合无线控制与无线wifi传输技术, 设计出新型振动数据采集系统硬件电路, 包括关键元器件的甄别选取、重点信号处理电路的设计以及具体降噪抗干扰的措施。整个系统在各个硬件的选型上以性价比高、低功耗为原则, 无论是AD1274 或是运算放大器比较常见;在设计上也尽可能的简化电路连接, 既方便了系统调试, 同时又降低了研发成本。

2. 系统的软件设计部分采用C语言, 主要包括振动数据采集部分的主控制程序和和MCU控制部分的程序, 以及控制n R905 无线芯片收发数据的程序, 并利用keil uvision4 开发软件XCOM串口调试助手、J - LINK仿真器进行编译调试。

3. 在顺利完成了整体系统的安装布置, 达到预期软硬件设计要求的同时, 对本套采集系统进行仿真调试并达到了预期要求。

无线数据采集器 篇8

根据上述分析, 可以用分布式的无线数据采集来代替集散式的有线数据采集, 本设计拟将Zig Bee (紫蜂协议,一种短距离、低功耗的无线通信技术)无线网络技术应用到汇流箱上,实现汇流箱的无线数据采集。

1 系统整体设计

一个光伏发电站通常划分为多个区域, 每个区域由多条无线链路组成,每条链路有10 多个汇流箱,无线汇流箱作为ZigBee节点(即从站), 由1 个ZigBee主站管理,Zigbee主站通过RS485 接口连接串口服务器。 1 个串口服务器可连接4 个或8 个ZigBee主站, 串口服务器通过局域网连接到后台监控。 传统的汇流箱有线采集采用modbus RTU协议与串口服务器通信,为了与传统的汇流箱有线通信规约保持一致, 将ZigBee节点与主站之间的通信做成透传方式,以方便更换传统的有线采集系统。 为了避免同频干扰,每条无线链路分配一个频道,对于较大的光伏电站,可以采用频分复用方式。

2 ZigBee无线汇流箱节点硬件设计

ZigBee无线汇流箱节点是整个数据采集系统的前端设备, 也是最重要的组件。 测控电路主要由电流采集单元、开关量采集单元、ZigBee模块、微处理器单元、电源管理单元、人机显示单元组成,如图1 所示。

2.1 电流采样

Zigbee无线汇流箱节点具有16 路电流采样电路,光伏组串产生的电流经霍尔传感器感应转变为0~5V的电压信号, 再通过比例运算放大电路得到0~2.5V电压,输入到多路选择模块, 多路选择模每次选1 路信号输出到AD转换器, 考虑到抗干扰的需要,AD转换器与MCU之间采用光电隔离。

直流电流霍尔传感器采用ONT2-05A-LP,其输入电流范围为0~5A, 输出电压为0~5V, 输入输出呈线性关系, 精度≤±0.5% , 供电电压15V。 AD转换器采用MAX1241,MAX1241 是低功耗、12 位串行模数转换器,工作电压为2.7~5.5V, 转换时间为7.5us。 参考稳压源由MAX6008 提供,MAX6008 是超低功耗精准稳压二极管,稳定电压为2.5V, 温度范围为-40℃~85℃。 光藕采用6N137,6N137 是一款单通道高速光藕, 用于隔离单片机到MAX1241 的片选、时钟、输出数据信号。 多路选择模块采用2 片CD4051 级联, 每次从16 路电流中选择一路输入到AD转换器中。

2.2微处理器单元(MCU)

微处理器单元采用的是意法半导体的32 位MCU STM32F103RBT6,该处理器采用Cortex M3 内核, 最高工作频率72MHz, 具有64k字节flash及高达20k字节的SRAM ,3 个USART接口,7 个定时器, 工作环境温度为-40~85℃,工作电压为2.0~3.6V。

2.3 电压采样单元

采集汇流箱总输出电压值,为了节约成本,采用电阻分压方式得到小信号电压,范围为0~5V,再经过比例运算放大电路得到0 ~2.5V电压, 输入到AD转换器MAX1241 中。

2.4 温度监测

汇流箱内的环境温度监测采用DS18B20,DS18B20是一款数字温度传感器, 测温范围为-55~125℃, 误差1℃,采用单总线方式与MCU通信,测量结果以9~12 位数字量方式串行传送。

2.5 开关量采集单元

采集直流断路器、防雷器接点的状态,共17 路,通过光藕TLP629-4 隔离后输入到MCU。

2.6 人机显示单元

由4 个轻触按键及4 位红色数码管组成,用户通过人机单元的轻触按键设置汇流箱地址、 通信波特率等参数。正常工作状态下数码管轮流显示当前电压、各路电流值。

2.7 无线通信单元

Zig Bee通信单元是该系统的一个关键单元, 设计中采用ZM5161P2 模块,ZM5161P2 是一款低功耗、 高性能的Zig Bee模块,它提供一个完整的基于IEEE802.15.4 标准ISM(2.4~2.5GHZ)频段的应用集成方案。 该模块尺寸小, 方便嵌入到汇流箱控制器中, 其视距通信距离为2000m,可提供透明传输数据的功能,通过模块的TTL串口与MCU通信。

另外该模块内置了Fast Zig Bee组网协议, 此协议是基于Zig Bee协议栈开发的一套透传协议,采用全透传组网通讯,可以让用户快速构建多种型态的网络拓扑结构:点对点结构、星型拓扑结构、中断路由结构、多级组网拓扑结构。

由于光伏发电站大部区域呈现四方形方阵, 有少部分呈长方形方阵,四方形方阵约为200m×200m,长方形最长在1000m左右。 ZM5161P2 模块在可视范围的点到点通信距离为2000m, 在工程现场采用2m长的2.4G吸盘天线,实测通信可靠距离为200m左右,对于四方阵采用星形结构完全可满足通信距离要求。 在此种结构中,中心节点即主站放置于方阵中心, 与周围的Zig Bee汇流箱节点的通信距离只有100m左右。对于长方形方阵可采用中断路由结构, 将中间的Zig Bee汇流箱节点设置为路由节点, 远程节点通过中间3~4 个路由节点与主站通信。ZM561P2 模块的工作电压为2.0~3.6V, 工作温度为-40~85℃,满足温度要求。

2.8 电源电路模块

根据以上分析, 系统中需要直流15V、5V、3.3V这3种电压等级,汇流箱的输出电压为高压直流0~600V。 设计中采用PMH15-24 电源模块,PMH15-24 是专为光伏发电设计的开关电源, 其输入电压为直流300~1150V,输出为直流24V/0.7A。 直流24V经过二级模块变换得到15V、5V、3.3V电压。

3 Zig Bee无线汇流箱节点软件设计

3.1 MCU软件设计

Zig Bee无线汇流箱节点从站与主站间的通信规约采用标准modbus RTU协议,从站MCU完成开关量、电压、电流及温度数据的采集,但不主动上传数据,只有当收到主站的请示后再发送数据。 Zig Bee无线汇流箱节点MCU程序由主程序、 定时中断服务程序及串口中断服务程序组成。 主程序完成电压电流、温度采集以及各项任务的处理工作, 定时中断服务程序主要为数码管轮显任务提供一个时间基准, 串口中断服务程序用于接收主站发过来的数据包,并发标志位给主程序,通知主程序进行处理,主程序的程序流程图如图2 所示。

3.2 系统无线参数配置

系统在使用前, 还需对ZigBee无线汇流箱节点及主站的ZM5161P2 模块进行配置, 可以通过无线方式或串口方式配置,配置工具为Zigbee Cfg。 配置内容如下:

(1)设备类型:节点可配置为 “终端模式”或 “路由模式”,主站配置为“终端模式”。

(2)网络号:不同的链路配置为不同的网络号,只有网络号相同的节点及主站才能通信。

(3)目的网络地址:配置为主站的自身地址。

(4)自身地址:各个节点及站站都配置为不同的地址数据。

(5)通道号:从0~25 通道可选,同一条链路的通道号要相同。

(6)发送模式:节点均配置为单播模式,主站配置为广播模式。

(7)波特率:均设为9600bps。

4 结束语

无线数据采集器 篇9

关键词：固定无线接入网络,车载终端,基站,无线通信协议,射频读卡模块,无线通信模块

0 引 言

近些年来, 我国通过高校合并、大学园区和新校区建设等形成了大批高校一校多区的办学格局, 为了让教职员工能够在各校区之间更方便地开展教育教学工作, 很多高校开设了校区间班车, 教职员工可凭校园“一卡通”刷卡乘车, 同时车载读卡器中的数据也作为教职员工上班考勤的依据。目前, 为了得到车载读卡器中记录的信息, 需要专人携带手持式数据采集设备, 待班车停靠后上车采集, 随后再将数据导入后台数据库服务器进行处理[1]。实践表明, 这种数据采集方式既浪费了人力资源, 又容易出现因班车调度而出现的数据采集失败的情况, 给信息的及时处理带来了极大的不便。

无线通信技术的研究与应用为解决车载数据采集问题提供了一条新途径。本文提出了一种校园网固定无线接入解决方案, 利用低成本的射频读卡和无线通信模块以及简易、安全的无线通信协议, 搭建面向无线数据采集的校园网固定无线接入网络, 为基于车载读卡器的无线数据采集系统提供可靠的无线数据传输。

1 无线通信相关技术应用现状

1.1 固定无线接入技术

随着蜂窝移动通信系统和固定无线接入系统的出现和飞速发展, 无线技术在通信网中的地位正在发生根本性的变化。移动接入的方便化、个人化和无处不在的特性使其成为信息时代的宠儿, 发展十分迅猛。而从固定无线接入的角度看, 由于无线接入技术本身具有应用灵活、安装速度快、建设周期短等优势, 以及地理应用环境的无限制特性, 经过几年的准备和商用, 逐渐进入了快速发展阶段, 年增长率达80%左右。当前最为热门的固定无线接入技术主要有LMDS (本地多点分配业务) 、MMDS的3.5 GHz接入、无线局域网等[2]。

1.2 短距离无线通信协议

短距离无线通信以其特有的抗干扰能力强、可靠性高、安全性好、受地理条件限制较少、安装施工简便灵活等特点, 在许多领域都有着广阔的应用前景。最流行的关于短距离无线数据通信的三个标准是蓝牙, 802.11 (Wi-Fi) 和IrDA[3]。

在很多应用领域中, 通过实现短距离无线通信可以绕过主要的无线通信运营商, 从而节约可观的成本, 因此短距离无线通信拥有广阔的应用前景。

2 系统无线网络设计思想

2.1 网络拓扑结构

系统于A、B两校区分别构建无线基站端, 以便班车能够在抵达目的地后立即将数据传至数据中心。无线基站端与数据采集终端的连接采用点对多点星型网络拓扑结构, 另一方面通过校园网接入网络中心数据服务器及CA认证服务器等后台设备。系统网络拓扑结构图如图1所示。

2.2 基本通信原理

该无线通信网络设置一个基站与多个车载终端, 通信方式为点到多点无线通信, 因此采用半双工通信信道的通信模块, 基站为唯一的主站, 车载终端为从站, 所有站都编一个唯一的地址。通信的协调完全由主站控制, 主站采用带地址码的数据帧发送数据或命令, 从站全部都接收, 并将接收到的地址码与本地地址码比较, 不同则将数据全部丢掉, 不做任何响应;地址码相同, 则证明数据是给本地的, 从站根据传过来的数据或命令进行不同的响应[4]。

通信网中只有一个电台处于发送状态, 以免相互干扰, 因此系统采用轮询方式来进行访问控制。主站以循环的方式轮询每个站, 如果该站有需要上传的数据, 则双方开始建立连接并传输数据, 若该站一段时间内没有做出响应, 则顺延询问下一个站, 每一基站最多可以支持1000辆班车, 这样可以避免各从站间上传数据的冲突, 并且可以有效地利用时间, 避免等待。

2.3 无线通信协议

参照OSI分层模型, 该无线通信网络拟设计为包括物理层、数据链路层、传输层的协议栈分层模型, 如图2所示, 其中物理层由无线模块自身实现。

链路层需要确定有效的数据帧格式、帧的确认和重传机制, 以及由于点对多点共享信道而产生的多址访问方式。由于无线网络硬件设施难以实现碰撞检测, 且本系统中的基站与车载终端可看作是主、从结点, 因此本系统拟采用轮询访问协议, 此外还需要通过使用链路层确认/重传 (ARQ) 机制来保证数据帧的准确传输。无线数据帧的设计着重考虑循环冗余校验 (CRC) 字段, 序号、持续期和控制字段等[4]。

传输层需要在底层协议的基础上向用户提供可靠的、有序的、端到端的连接。典型的有线传输层协议是TCP协议, 它通过使用流量控制、序号、确认和定时器等技术确保正确有序地将数据从发送进程交付给接收进程。此外, 传输层还要建立数据包分组模型, 结合实验测试数据来确定数据包分组大小, 既要保证传输效率, 又要控制重传率不能过大。

2.4 传输安全性与身份认证

为了保证无线数据传输的安全可靠, 系统还需要考虑到传输数据的完整性、真实性、机密性和不可抵赖性。传输层协议中通过握手协议和对称加密来实现传输的安全性, 而通信双方的身份认证也采用对称加密来实现。密钥被看作是认定每一台车载终端的唯一标识符, 基站端保存有每一台车载终端的密钥列表, 每一台车载终端也保存有基站的密钥, 通信双方通过互相发起加密请求来实现相互认证, 其中加密算法及密钥长度的确定需要考虑到无线网络资源缺乏的现状[5]。

3 系统设计

3.1 硬件设计

系统分为无线数据采集基站端和无线数据采集车载终端两部分。无线数据采集基站端由无线通信模块和PC服务器组成;无线数据采集车载终端由无线通信模块、读卡模块和ARM芯片组成, 如图3所示。

系统采用的射频读写模块是最新Mifare技术的微型嵌入式非接触式IC卡读写模块。内嵌ISO14443 Type A协议解释器, 并具有射频驱动及接收功能, 可以简单实现对MifareLight和MifareOne等卡片的读写操作, 读写距离最大可达100mm (与卡片及天线设计有关) 。

无线通信模块采用芯片CC1000 是根据Chipcon 公司的SmartRF 技术, 在0.35μm CMOS 工艺下制造的一种理想的超高频单片收发通信芯片。它的工作频带在315、868 及915MHz, 但CC1000 很容易通过编程使其工作在300～1000MHz 范围内。它具有低电压 (2.3～3.6V) , 极低的功耗, 可编程输出功率 (-20～10dBm) 和高灵敏度 (一般-109dBm) 。

3.2 软件设计

3.2.1 车载终端软件

车载软件可划分为以下五个模块, 车载终端软件的数据流图如图4所示。

(1) 卡数据处理

“卡数据处理”控制“一卡通”读写单元对“一卡通”进行读写访问, 并最终形成乘客的刷卡记录。

首先, “卡数据处理”利用存放在配置文件中, 用于读写“一卡通”的密钥读取卡中的卡号信息。最后, “卡数据处理”把读取的卡号和从实时时钟获取的刷卡时间组成刷卡记录。

如果“卡数据处理”读写“一卡通”的过程中没有发生错误 (即刷卡成功) , 则控制蜂鸣器发出读写成功鸣叫音。否则, 输出读写卡失败错误码或身份认证失败错误码。

(2) 记录存取

“记录存取”对保存在Flash中的刷卡记录进行有组织地存取和管理。

考虑到Flash自身的一些特点 (扇区的损耗、擦除速度慢、对同一Bank不能同时进行读写操作) , “记录存取”会采取适合的策略来保证Flash的损耗平衡和读写效率。

如果对Flash的读写操作发生了错误, “记录存取”输出存取错误码。

如果Flash中保存刷卡记录的空间已经满了, 无法再容纳新的记录, “记录存取”输出存储空间满错误码。

(3) 与基站通信

“与基站通信”控制无线通信单元接收、发送数据, 实现和基站之间的安全可靠的通信。

为了保证与基站之间通信的安全性和可靠性, “与基站通信”在和基站进行通信时, 首先会进行身份验证, 保证接收方的合法性。然后, 所有的数据都会在加密之后才会被传输。

“与基站通信”在收到基站的信号时, 控制无线信号指示灯闪烁, 信号愈强, 闪烁频率愈高。

如果与基站通信的过程中出现严重错误, “与基站通信”输出通信异常错误码。

(4) 错误报警

软件运行中发生自身无法解决的错误时, “错误报警”控制蜂鸣器发出不同的错误鸣叫音, 提示操作者采取适当措施予以解决。

“错误报警”对发自其他加工的错误码进行甄别, 然后控制蜂鸣器发出对应的鸣叫音。具体的错误码与鸣叫音的对应关系参见表1。

(5) 上电初始化

“上电初始化”在车载终端刚一启动时对系统的硬件进行初始化。

在“上电初始化”完成后, 会输出记录存储管理初始化消息。该消息会使得“记录存取”进行初始化。

3.2.2 基站端软件

(1) 无线通信模块

无线通信模块的功能是通过连接在基站串口上的无线收发器与车载终端进行通信, 按照自定义无线协议完成数据的可靠传输, 并保证安全性。作为一个对等层, 其具体运行方式可参考前面车载终端软件关于“与基站通信”部分的描述。无线通信模块将接收到的数据交由下面的数据库访问模块存入数据库。

(2) 数据库访问模块

基站端软件使用ADO数据库访问技术实现对后台SQL Server 2000数据库的操作。数据库访问模块主要包括两部分:数据库连接子模块和数据库操作子模块。数据库连接子模块负责传输应用程序与数据库的连接;数据库操作子模块负责传输应用程序对数据库中表的操作。

4 结束语

校园“一卡通”数据采集的无线传输在全国实属首创, 它将从根本上改变目前人工采集校园“一卡通”数据的局面, 既提升了效率, 又节省了人力资源。无线接入网的引入为数据采集的自动化打开了方便之门, 它利用无线通信取代了人工采集传递, 是解决校园“一卡通”数据采集难问题的核心思路。校园网无线接入数据采集系统网络平台的构建, 将为校园网与其它设备的数据通信和远程控制提供一个新的解决方案, 可以在此基础上开发出校园网无线接入的多种应用, 从而加速校园信息自动化管理进程。

与学校班车类似, 目前城市公交系统中POS机的采集方式也多为人工采集, 因此, 本系统应用的成功经验亦可进一步推广到公交系统中, 为运营商带来经济高效的改进实施方案。

参考文献

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[4]王辉, 黄长喜, 徐朝农.一种基于无线数传平台的无线网络协议[J].南昌大学学报, 2003, 25 (4) :97-100.

无线数据采集器 篇10

曼彻斯特码(Manchester)又称双相码,是一种超越传统数字极限的编码/解码方式。常规码型的缺点是缺少定位时钟信息,也就是无法识别收到数据位的开始与结束的宽度。曼彻斯特编码解决了传输数据没有时钟的问题。它对每个二进制代码分别利用两个具有不同相位的二进制新码去取代[1]。与常规非归零二进制码(NRZ)相比,具有很多的优点,它消除了NRZ码的直流成分,具有时钟恢复和更好的抗干扰性能[2]。

由于无线电引信点火信号以尖峰电压的形式输出,最短尖峰电压时间仅为5μs,同时以曼彻斯特码发送数据时是串行的方式,实时性非常高,时序要求非常严格,因而用CPLD实现数据的实时采集和曼彻斯特码发送。

1 硬件结构

本文设计的基于曼彻斯特编码的无线电引信实时数据采集发送模块由衰减网络、调理电路、A/D转换电路、A/D控制及编码、电光信号转换五部分组成,如图1所示。该采集模块实现点火信号的实时采集和传输,模块上电后开始采集点火信号,同时CPLD也将前一次的A/D转换结果以曼彻斯特编码输出,数据采集和传输实现流水线操作,有效地提高了效率。

下面对各个模块电路做以简单介绍。

(1)衰减网络

为了保证测量的带宽和精度,衰减网络采用了阻容分压的结构[3]。一般的电阻都有分布电容,纯电阻衰减网络只能衰减低频的信号,在衰减高频信号时会有失真,因此在电路中加入了电容,实现高频补偿。这样低频信号通过时,电阻起衰减作用;高频信号通过时,电容起衰减作用,从而使得引信点火信号无失真地通过。引信点火信号的电压范围是-30 V~+30 V,按照30:1的比例进行衰减,衰减后的电压范围为:-1 V~+1 V。

阻容分压器的原理如图2所示。设输入为阶跃信号,根据电路理论可得:

从输出信号u0(t)的表达式可以看出,阻容分压器输出电压不发生失真的条件是u0(0)=u0(∞),即。通过化简可得,阻容分压器不发生失真的条件是R1C1+R2C2。

(2)调理电路

调理电路主要是对衰减后的电压进行调理。主要由电压跟随电路和偏置电路组成。点火信号经过前端阻容网络大比例衰减后,带负载能力比较低,需要加电压跟随器以增加其带负载的能力。点火信号为尖峰脉冲,依据傅里叶变换,尖峰脉冲的高频成分比较丰富,为了让衰减后的点火信号不失真地通过,在选择运放时,要选择带宽大、失调电压小的运放,因此,选择AD8065作为电压跟随器。AD8065失调电流小、速度快、+1 G带宽可达145 MHz,能够满足设计的要求。由于后端A/D采样的输入电压是1.5 V~3.5 V,要对点火信号进行采集,就要把点火信号的电压范围变换到这个范围,即要把衰减后的电压范围抬高2.5 V,偏置电路就是将衰减后的电压抬高2.5 V,使点火信号的电压变为1.5 V~3.5 V。偏置电路由精密电压源REF3025、IL072D组成的反向比例放大器和以AD8065组成的反向求和电路组成。调理电路如图3所示。

(3)A/D转换电路

A/D转换电路主要由A/D芯片ADS830E和少量外围电路组成。ADS830E为TI公司的8位高速A/D转换器,它的采样频率为10 k S/s~60 MS/s。ADS830E的输入电压幅度可以通过编程控制,11脚(RSEL)为控制引脚,当11脚置高电平时,ADS830E的输人电压范围是1.5 V~3.5 V,即2 Vpp;当11脚置低电平时,输入电压范围是2 V~3 V,即1 Vpp。本设计选用2 Vpp。

引信点火信号最短尖峰电压时间是5μs。根据耐奎斯特定理,采样频率至少是被测信号最高频率的2倍才能复现出被测信号。而要将信号还原采样频率至少应该是被测信号频率的5倍以上才行。本设计的采样频率选择为2.1 MHz。

(4)A/D控制及编码

A/D控制及编码部分是整个系统的核心,由CPLD完成。CPLD选用的是Altera公司的EPM240T100I5N芯片,该芯片采用新型CPLD构架,功耗低、性能好、体积小、价格低廉,内含240个宏单元,能够完成一般的控制任务。EPM240T100I5N主要完成A/D采样控制和A/D转换结果的编码输出。A/D采样控制比较简单,A/D芯片工作只需要提供一个稳定的时钟信号即可,在CPLD内部将位率时钟分频为2.1 MHz并提供给ADS830E工作,ADS830E在时钟信号的下降沿输出A/D转换结果,CPLD在2.1 MHz时钟的下降沿读取A/D转化结果,并将其编码为曼彻斯特码输出。

(5)电光转换电路

电光转换电路将CPLD编码的电信号转化为光信号输出。光信号不易受干扰、衰减小、传输距离远。电光转化采用的是单模TTL电平单光纤收发一体模块,最高速度可到84 Mb/s。

2 程序设计

程序使用VHDL硬件描述语言编写,主要完成A/D采样控制和曼彻斯特编码输出。由于模块对实时性要求比较强,在一个采样周期内必须完成一次A/D采样的曼彻斯特编码并输出,故程序采取牺牲面积换速度的原则,采用流水线操作[4],在A/D转换数据的过程中把前一次A/D转换结果进行编码输出,有效地提高了速度。

在采用曼彻斯特码的传输系统中,广泛采用数据的帧格式[1]。本设计中一帧数据共有12 bit,其中4 bit同步头(前两位为“0”,后两位为“1”),8 bit数据位。根据曼彻斯特码的特点,每个位都是由高低电平组成,因为在连续传输的有效数据位中不会存在超过一个数据位宽度的高电平或低电平,在每帧数据的前面设一个同步头,高低电平各为2倍位率时钟,这样在接收数据时,只要采样得到的电平满足2倍位率时钟,则认为是同步头,开始接收数据[1]。由于曼彻斯特编码是将NRZ码二进制数据与其位率时钟信号相异或而得,因此,要产生位率时钟信号[5],EPM240T100I5N工作的外部晶振时钟为25 MHz,此外部时钟既作为CPLD的工作时钟,同时也作为位率时钟。在本文中,分频是用计数器来完成的。功能仿真图如图4所示。

从图4中可以看出:在A/D转换时钟“AD_CLK_temp”的下降沿,A/D转换结果“00000011”被存入到CPLD内部寄存器。在计数器“temp=7、8、9、10”时,发送4 bit同步数据;在计数器“temp=11”时,发送第0位数据“1”;在计数器“temp=0”时,发送第1位数据“1”;在计数器“temp=1”时,发送第2位数据“0”,如此直到第7位最高位数据发送完毕,在下一个A/D转换时钟的下降沿依此发送下一次采集的数据。

经过无源衰减网络和调理电路处理,前端输入信号被无损衰减到所需要的范围,用CPLD进行A/D采样控制和曼彻斯特编码,光纤模块将编码后的电信号转化为光信号进行传输,硬件灵活、简单、成本低。此外,本系统时序配合严格,工作安全可靠,在微波暗室做试验时,该模块在强电磁脉冲下也能可靠工作。

参考文献

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