基于射频无线的数据采集系统及其应用

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　　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。

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