基于SX1212的剛體轉動慣量無線數傳系統

王學水，魯守寶

（山東科技大學 理學院，山東 青島266590）

1 引 言

在實驗教學、科學研究以及工業生產等領域中，經常需要將采集到的數據傳送給上位機進行處理［1］，而目前的數據遠傳往往都是通過RS-232，RS-485，TCP等有線傳輸方式，很多情況下都要面對繁雜的布線，以及連線周邊的環境干擾，不管是在人力還是物力上都額外地增加了成本，而且在維護上也存在很大的難度.因此，在很多數據傳輸上應該使用無線傳輸方式，無線傳輸數據的方式主要有藍牙、紅外線、微波、GPRS和3G等.藍牙和紅外線雖然成本低，但傳輸距離太近，一般只有10m左右，而且還受方向的限制；GPRS和3G雖然不受距離限制，但所需設備的成本更加昂貴，并且還需定期向服務商交納流量費；較常用的就是微波無線傳輸方式，其使用成本低、安裝方便.

本文使用Semtech公司的SX1212芯片和TI公司的單片機MSP430F149組成低功耗數據無線遠傳收發器，不僅傳輸距離遠，而且非常穩定，現已將其應用在轉動慣量實驗儀上，經證明具有非常理想的傳輸效果.

2 系統設計方案

轉動慣量的測定，在涉及剛體轉動的機電制造、航空、航天、航海、軍工等工程技術和科學研究中具有十分重要的意義，它也是大學物理實驗中必做的項目，本系統主要用來傳輸測量的角加速度值.系統如圖1所示，由1臺主機和多臺從機構成，每臺從機包括1個轉動慣量實驗儀和1個無線收發器（MCU＋SX1212），每臺轉動慣量實驗儀都具有唯一的機器號，兩者之間通過UART接口進行數據傳輸，并且通過CRC方式校驗數據，無線收發器的MCU和無線通信芯片通過SPI接口進行通信，也通過CRC方式校驗數據，當收到來自轉動慣量實驗儀傳來的實驗數據時，能夠自動將數據轉發給主機，并且回饋給從機確認接收成功的信號.主機部分包括1個無線收發器、電腦以及相應的軟件平臺，收發器通過USB接口將數據傳送給電腦，電腦上運行相應的軟件對所有接收來的數據進行分析與處理.主機和從機之間采用經過優化處理的低功耗通信協議，采用高效的循環交織糾檢錯編碼，抗干擾和靈敏度都大大提高，同時使整個系統功耗降到最低.

圖1 系統總體結構圖

3 硬件設計方案

3.1 無線收發器硬件結構

剛體轉動慣量無線數據系統在兼顧成本的同時，盡量采用集成度高、功耗低、速度快的器件.無線收發器部分主要包括SX1212芯片、電源芯片、MSP430F149單片機以及周邊器件.SX1212的頻率范圍從300MHz到510MHz可調，具有非常低的接收功耗，典型接收電流僅為2.6mA，可以應用在需要電池工作6～10a的系統，遠小于同類收發器的接收電流，同時還能夠保持較高的接收靈敏度，工作電壓為2.1～3.6V，最大發射功率為＋12.5dBm［2］.SX1212的集成度非常高，因此外圍只需要很少的器件即可正常工作，設計的關鍵在于元件的布局與匹配.要使電路中電源線、地線以及其他信號線的走線方向平行，以提高抗干擾能力；盡量縮短元器件之間的連線，以降低相互間的電磁干擾.

美國TI公司生產的MSP430F149為16bit RISC架構，具有60kFlash ROM和2kRAM，最高運算速度為8MIPS單芯片微控制器，工作電壓范圍為1.8～3.6V，它將大量的外圍模塊整合到片內，具有串行在線編程能力以及強大的中斷功能，專為目前業界低功耗應用需求而設計［3-4］.SX1212與MSP430F149之間的通訊采用高速的SPI接口，單片機與外部的通信采用UART接口.

SX1212的外圍電路如圖2所示，圖中的SAW Filter（聲表面濾波器）是利用壓電材料的壓電特性，利用輸入與輸出換能器將電波的輸入信號轉換成機械能，經過處理后，再把機械能轉換成電的信號，用于級間耦合和濾波，衰減規定頻帶以外的信號，比傳統的LC濾波器安裝更簡單、體積更小；L4，C9，C5是阻抗匹配網絡，用來提高帶負載能力；L1，L2為壓控振蕩器電感，調整其參量值，即可以改變系統的工作頻率；C1，R1，C2是鎖相環電路，用來穩定鎖住輸入信號的相位；Q1為具有溫度補償的有源晶振，這里選取的晶振頻率為12.800MHz；天線選取高增益的棒狀天線，以最大程度地延長通信距離.

圖2 SX1212外圍電路

3.2 串口傳輸部分硬件電路

主機接收部分除了包含從機的所有器件外，還包括串口接收芯片，這里選用Prolific公司生產的PL-2303芯片.PL2303是一種高度集成的RS0232-USB接口轉換器，可編程的通訊波特率最高可達6Mb／s，工作電壓為3～5V，具有512Byte的雙向數據緩存，支持從遠程輸入相關調制信號進行喚醒功能，在工作模式和休眠模式時都具有較低的功耗，啟動時可以將配置存儲于外部的EEPROM，還具有IIC接口，提供支持Windows和Mac OS，Linux和 WinCE的驅動程序.該器件只需外接幾只電容就可實現USB信號與RS232信號的轉換，可以使接收機和微機之間實現全雙工異步串行通信.在設計上通過USB接口與電腦直接相連，簡化了硬件結構，方便為單片機供電，無需外接電源.電源部分選用AMS公司生產的AMS1117-3.3芯片，其最高輸出電流可以達到1A，電壓精度高達2%，使用該芯片時需要注意的是應盡量減小輸入與輸出的壓差以降低其自身功耗，這里的輸入電壓是USB口提供的＋5V.串口轉換電路如圖3所示，C7和C9為電源濾波電容，取值為0.1μF，用于濾除中頻噪聲，C8電容值取10μF；晶振使用12MHz的石英晶振，其負載電容C5和C6值為20pF.R2，R3為限流電阻，阻值為27Ω，R4阻值為1.5kΩ.

圖3 串口轉換電路

4 軟件設計

單片機軟件采用C語言編寫，簡化了程序結構，清晰明了.單片機MSP430F149的UART口接收的數據主要分為3部分，包括1Byte的機器號、720Byte的實驗數據、2Byte的CRC校驗碼，接收到數據之后，單片機首先對前721Byte進行CRC校驗，然后將得到的校驗碼與接收到的最后2Byte作比對，如果兩者相等就校驗成功.單片機程序絕大部分是對SX1212的寄存器進行配置，SX1212有4種工作模式，分別是正常模式、喚醒模式、省電模式、休眠模式，在程序中通過對配置寄存器寫入相應的命令，即可使SX1212工作在相應的模式.軟件開發環境為IAREmbedded-Workbench，發送端的軟件流程如圖4所示.

圖4 軟件流程圖

部分程序源代碼如下：

5 結束語

本文所設計的系統具有體積小、超低功耗、編程方便、通信可靠性高的特點.不僅可以應用在教學實驗儀器上，還可以在無線計量和無線智能電網、家庭和樓宇自動化、無線警報和安全系統、工業監控和控制、無線醫療應用、無線傳感器網絡等多個領域使用.

［1］蘇維嘉，王旭輝.基于MSP430單片機的數據采集系統［J］.現代電子技術，2007（23）：117-119.

［2］SEMTECH Company.SX1212transceiver data-sheet［Z］.2010.

［3］魏小龍.MSP430系列單片機接口技術及系統設計實例［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2002.

［4］李娜，鄭善賢，黎福海.基于MSP430的數據采集技術在電力無線監測系統中的應用［J］.中國儀器儀表，2003（12）：4-5.

［5］黃智偉.單片機無線數據通信IC原理與應用［M］.北京：北京航天航空大學出版社，2004.

［6］張浩，馬世偉，高守瑋，等.基于CC1110的電力負荷無線數據通信系統設計［J］.測控技術，2011，30（6）：16-20.