计算机近距离无线数据采集系统设计

发布时间:2008/6/3 0:00:00 访问次数:556

来源：电子设计应用作者：北京航空航天大学王珍华刘亚斌彭丽梅

摘要：本文设计并实现了基于2.4ghz ism频段射频收发芯片nrf2401的计算机短距离无线数据采集系统。该系统采用pc作为系统控制中心，以c8051f021单片机为核心构成数据采集传送的前端，并且采用nrf2401芯片进行数据无线发射与接收。

关键词：ism频段；射频； c8051f021单片机； nrf2401

引言

针对某医疗装置中的人体生理信号采集和传输问题，本文设计了计算机近距离无线数据采集系统。采用nodic公司的nrf2401作为无线收发核心器件。系统由一台pc、无线数据接收模块和无线数据采集发射模块组成。无线数据发射模块以c8051f021单片机为处理核心，采用单片机内部的12位adc对现场的模拟信号进行采集和发送；无线数据接收模块以c8051f021单片机作为处理核心，接收与发射模块由nrf2401无线收发芯片完成，采用max5591实现12位d/a转换，采用 rs-485总线与pc进行通信，它负责现场数据的接收和初步处理，并转发给pc以供显示和监控，同时将数字量转换为模拟量，供示波器显示；pc有良好的人机界面，利用ni的虚拟示波器显示远端现场采集的数据，并可以向现场的采集模块发送控制命令，同时可以实现保存采集数据、打印、回放历史数据等功能。

系统分析及设计

计算机短距离无线数据采集系统组成如图1所示。

图 1 系统组成框图

系统分析及硬件设计

由于现场要采集的数据为医学人体实验数据，幅值大约在-1.0v~+1.0v之间，频率为300hz，要求测量误差低于10mv，c8051f021自带的12位adc在精度上可以满足要求；但是单片机中的adc要求输入为正电压，同时考虑到转换精度要求，故需要对信号进行转换，将原信号转换为幅值在0～3v、频率300hz左右的信号。可以利用max4194组成信号转换电路，将模拟信号的零参考电平抬升到1.0v。这样，原先-1.0v~0v之间的电压信号转换为0~1.0v之间的电压，而原先0v~1.0v之间的电压转换为1.0v~2.0v之间的电压。这样就完成了原始信号的转换，适应了单片机的输入要求。单片机a/d转换参考电压选择外部3.3v，由max6013提供。

考虑到无线数据的发送与接收特点，故选用nordic 公司的nrf2401芯片。nrf2401是单片射频收发芯片，工作于2.4ghz~2.5ghz ism频段，芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置。芯片功耗非常低，以-5dbm的功率发射时，工作电流只有10.5ma，接收时工作电流只有18ma。其独有的duoceiver技术使nrf2401可以使用同一天线，同时接收两个不同频道的数据。nrf2401使用跳频技术，在2400mhz~2527mhz之间设立了128个频道(每个频道带宽1mhz)，频道间的切换时间小于200ms。此外，nrf2401内置crc编解码模块，可以在不增加编程难度的条件下减小误码率。

无线数据接收后，要进行d/a转换，供示波器观看；考虑到数据的采集精度要求，故采用了 max5591作为转换器件，一方面可以方便地与c8051f021单片机spi接口连接，另一方面，它是12位dac，与采集端的adc匹配，可减小转换误差。

无线数据接收到终端后，要求能直观地观看，并且可以对现场的数据采集次数、采集启停时间进行控制，故需要将数据传到pc，进行显示；同时，通过人机界面，对现场进行远程控制。pc采用vc++编写程序，利用ni 的虚拟示波器和其它控件实现友好的人机界面，数据显示、存储和打印功能。

系统中的主要软件模块

系统软件主要由上位机软件和下位机软件组成。