基于CC1100的無線數據采集系統設計

重慶廣播電視大學 劉旭飛 李曉輝

重慶公安局治安總隊 梁新宇

1.引言

傳統的數據測量系統是通過傳感器將采集的現場信號轉換為電信號，經模/數轉換器采樣、量化、編碼后，成為數字信號，存入數據存儲器或送給微處理器進行處理[1，4]。但在強干擾或惡劣的條件下，這種方式很難滿足測量的需要。因此，建立一種能在強干擾背景下提取有效信號，能夠通過無線傳輸的方式對數據進行采集的系統是十分必要的。

無線傳輸就是通過無線通信技術把傳感器測得的模擬電信號經過模數轉換轉化成數字信號傳輸到接收設備[2]。在此基礎上，本文提出將傳感器所輸出帶有干擾信號的微弱信號經過信號調理電路進行提取，去除干擾信號，然后將有效信號經無線傳輸到接收設備，再經過上位機系統進行分析處理，從而滿足極端環境下的數據采集。

2.系統總體設計

本系統主要由以下幾個部分構成：信號調理模塊、無線收發模塊、上位機處理模塊。信號調理模塊主要是將傳感器輸出的微弱信號進行放大、送入相關器中進行去除干擾信號，提取出較為純凈的有效信號。無線收發模塊主要是將信號調理模塊中輸出的信號經單片機與無線收發芯片進行無線傳輸，經MAX232接口將數據送入上位機中。上位機模塊主要是對采集到信息進行顯示、處理及數據存儲。系統組成結構框圖如圖1所示。

3.信號調理模塊

對傳感器端輸出的信號采用的INA114集成儀表放大器進行放大，它是一種精密、低功耗集成儀表放大器，采用放大器的虛地技術[6，7]，可以阻斷在環境中部分干擾信號的進入，提高放大器的電磁兼容能力。將兩路放大后的信號輸入數字相關器[5]中進行信號的去干擾，然后將相關器輸出的有效信號輸入無線收發模塊。數字相關器由交流放大器、開關式乘法器、低通濾波器、積分器等組成，利用互相關[3]的原理進行同步相干檢測。

4.無線收發模塊

4.1 無線收發模塊硬件設計與分析

圖1 系統結構框圖

圖2 無線收發模塊電路

圖3 數據傳輸流程

圖4 寄存器配置參數圖

由單片機AT89C52和射頻芯片CC1100一起實現無線數據收發模塊，并由單片機來控制射頻芯片的收發過程。AT89C52是美國ATMEL公司生產的低電壓、高性能CMOS 8位單片機，片內含8k bytes的可反復擦寫的Flash只讀程序存儲器和256 bytes的隨機存取數據存儲器（RAM）。CC1100是一種低成本真正單片的UHF收發器[10]，為低功耗無線應用而設計，體積小、靈敏度高（1.2kbps下110dBm，1%數據包誤差率），能應用于極端環境條件下的無線數據傳輸。如圖2所示，由于AT89C52本身沒有SPI串行總線接口，所以用P2口來模擬SPI接口與CC1100進行通信。CC1100的SI為連續配置端口，為數據輸入腳；SCLK引腳為時鐘輸入端口；SO口為數據輸出口，當CSn為高電平時可選為一般輸出腳；GDO0和GDO2為數字I/O腳，可連續輸入TX數據；CSn為連續配置端口，用來選擇芯片，以上幾個端口在本系統中由單片的P2口控制來實現無線收發的目的，其中4線SPI為SI，SO，SCLK和CSn端口。其通信過程如下：單片機將接收的A/D轉換后的數據通SPI接口送給處于發射狀態下的CC1100，再由CC1100轉換成數據幀發送出去，處于接收狀態下的CC1100芯片收接有效的數據后，將數字信號通過SPI接口送給單片機，再通過接口電路將數據送入PC機，進行實時分析和處理。這個模塊無線傳輸數字信號，避免模擬信號帶來的干擾，在實際應用中，工作在極端環境下的發射模塊部分，由單片機構成的微控制器和射頻發射模塊之間的干擾也需要抑制，尤其是射頻電路對電源噪聲相當敏感，因此在集成電路電源引腳處分別采用去耦合[8]的方法來抑制干擾。

4.2 無線收發模塊軟件分析

本文中所設計的數據采集系統中無線數據傳輸是通過單片機控制射頻芯片來完成的，因而在上位機中可利用軟件編程來實現單片機的控制，測量數據傳輸系統軟件流程圖如圖3。

單片機通過SPI接口來與射頻CC1100通信，因此也需配置好射頻芯片的寄存器以滿足數據的發射與接收，CC1100配置寄存器[10]位于SPI地址從0x00到0x2F之間。所有的配置寄存器均能讀和寫，讀/寫位控制寄存器是讀或者寫。當對寄存器寫時，每當一個待寫入的數據字節傳輸到SI腳時，狀態字節將被送至SO腳。通過在地址頭設置突發位，連續地址的寄存器能高效地被訪問，這個地址在內部計數器內設置起始地址。每增加一個新的字節（每8個時鐘脈沖），計數器值增加1。在發送數據時，采用字模式方式傳送，從緩沖寄存器中一次取8位到移位寄存器，經過調制發射出去，當移位寄存器空時，再從緩沖寄存器中取8位，而緩沖寄存器的數據裝入是由單片機中斷引發的，在接收數據時，射頻芯片接到數據后，經過低噪聲放大器、濾波處理、解調處理后被送進移位寄存器中，然后再存入緩沖寄存器，再經處理器把數據取出。寄存器的配置參數（在SmartRF Studio中配置）如圖4。

5.上位機模塊

在數據采集與處理系統中，可采用基于LabVIEW的PC機軟件通過MAX232接口與單片機通信，從而控制串口和無線模塊的收發，并通過LabVIEW來處理接收到的數據，在其操作面上顯示實時測得數據信號。LabVIEW用VISA節點[9]來實現串行通信，單片機和上位機之間是用MAX232串口通信[8]，LabVIEW中可以用VISA接口模塊進行串行通信。

6.結束語

本文基于RF CC1100收發芯片，設計了無線數據采集系統，實現了短距離數據無線接收功能，代替傳統有線測量。在系統前端設計了合理的信號調理電路，實現了對微弱信號的提取，去除有效信號中的干擾，且在電路設計中采取了一系列的抗干擾措施，如使放大器虛地、集成電路去耦合化等，提取較好有用信號，提高測量精度，且便于測量。經測試表明：此測量系統能有效抑制干擾，外圍電路少，通用性強，成本低且便于測量和顯示，具有較大的實用價值。

[1]夏均忠,劉遠宏等.微弱信號檢測方法的現狀分析[J].噪聲與振動控制.2011(6):156-161.

[2]Y.Wang,W.H.Siew.Digital Wireless Data Acquisition System for Measurement in High Voltage Substations[R].IEEE International Conference on Automation,5,2006.

[3]高晉占.微弱信號檢測[M].北京:清華大學出版社,2004.

[4]黃銳,李琳琳,劉易.用nRF2401實現的高速無線測量系統[J].單片機與嵌入式系統應用,2005.1:77-78.

[5]單巍,昂志敏.基于AD603的一種微弱信號寬帶放大器設計[J].淮北煤炭師范學院學報,2009.12:16-19.

[6]陳德海,梁毓明.低功耗溫室無線測量節點的設計[J].自動化儀表,2010(5):65-69.

[7]孫嘉興,劉艷俠.數據采集中微弱信號處理[J].儀器儀表學報,2001(8):21-22.

[8]李念強等.數據采集與系統設計[M].北京:機械工業出版社,2009.

[9]張桐,陳國順,王正林.精通LabVIEW程序設計[M].電子工業出版社,2008.

[10]CC1100 Datasheet [DB/OL].http://cn.alldatasheet.com/data sheet-pdf/pdf/162166/ETC1/CC1100.html.