基于PA及藍牙無線傳輸的電氣參數遠程采集系統設計

樂山師范學院 侯 敏 胡玉旺 蔣 強

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基于PA及藍牙無線傳輸的電氣參數遠程采集系統設計

樂山師范學院 侯 敏 胡玉旺 蔣 強

【摘要】近幾年無線通信技術發展非常迅速，藍牙無線傳輸便是其中一種。本論文研究的是基于PA及藍牙無線傳輸的電氣參數的遠程采集系統，利用CC2500芯片和單片機MK60組成一個PA無線傳輸系統，采用SPI通信將檢測的電氣參數（U、I）傳輸到上位機。無線傳輸方式利用ATK-HC05芯片和單片機MK60芯片組成藍牙模塊，采用串口通信將采集到的電氣參數（U、I）傳輸到手機上。無線傳輸方式方便使用者隨時隨地的查看參數值的變化。

【關鍵詞】電氣參數；無線傳輸；參數采集；手機APP

1　引言

目前電氣參數采用的主要方式都是有線傳輸方式[1]，有線傳輸方式的的最大的優點就是穩定，一般情況下不會出現故障[2].但是也有很多的不足之處，比如：有線傳輸建立需要架設電纜或者挖掘電纜溝；成本大，需要浪費人力物力。本論文采用的是無線傳輸方式（PA傳輸、藍牙傳輸），克服了有線傳輸的不足，可以適應各種地理環境、擴展性好、設備少，維護方便，所以更加完美的實現了電氣參數的傳輸，在電氣參數傳輸中具有廣闊的前景!

本研究采用CC2500芯片實現PA無線傳輸，傳輸距離廣，在空曠的地方可以傳輸一千多米，在地形比較復雜的山區也可以傳輸比較長的距離。并且我們設置了一個蜂鳴器，給采集的電氣參數（U、I）一個上下值，超出范圍，就會由警報的方式超限報警。方便檢測者實時監控數據的變化情況，及時做出應對措施。

2　數據采集系統的設計思路

圖1　電氣參數無線采集系統設計

本論文研究的是無線傳輸，分別是通過藍牙傳輸到手機，通過PA無線傳輸傳輸給電腦。以下就單片機、藍牙（串口通信）、PA無線傳輸這三部分作出說明。

3　單片機芯片MK60的簡介

選用的K60P144M120SF3芯片，32位處理器內核，總線頻率高達200MHz。還具有128KB的RAM和256KB的FLASH。相對于其他主控芯片具有高處理速度，精確處理的特點。

4　PA線無線傳輸

4.1PA線無線傳輸CC2500簡介

圖2　CC2500PA無線數傳模塊功能框圖

CC2500PA遠距離無線傳輸模塊，它是一款工作于2.4-2.5GHz世界通用 ISM頻段的無線收發芯片。它相對于CC2500模塊，又集成了高集成度的射頻前段芯片，使這個模塊最高輸出功率達到了+22dBm。經測試，在空曠地帶可最遠傳輸1500m的距離。這也是本設計的一個最大優點，它不僅傳輸距離遠，數據傳輸精確，而且具有工作穩定抗干擾，價格便宜，實用的優點。

圖3　CC2500PA無線數傳模塊引腳定義

圖4　CC2500PA無線數傳模塊射頻前段芯片控制

以上為CC2500PA無線數傳模塊的引腳定義，以及射頻前段芯片控制，SPI通信是一種高速的，全雙工，同步的通信總線，并且在芯片的管腳上只占用四根線，節約了芯片的管腳，同時為PCB的布局上節省空間[3]，提供方便，正是出于這種簡單易用的特性，現在越來越多的芯片集成了這種通信協議。

4.2CC2500的工作狀態

CC2500四種工作狀態：接收（RX）、發送（TX）、空閑（IDLE）、休眠（SLEEP）。休眠模式就是待機時間長、耗電少。各個模式之間可以自如的切換。CAA能夠指示當前信道是否處于空閑狀態。當芯片要進入發送模式時，會首先檢查信道，只有信道為空閑時，才會進入發送模式，否則會停留在原模式或者由編程設定進入其他模式[4]。

4.3CC2500的數據傳輸方式

CC2500有獨立的64bytes接收/發送緩沖區，可以只通過SPI的接口傳輸相應的命令控制CC2500，收發數據時只需要通過SPI直接操作數據緩沖區即可。

4.4SPI總線

SPI總線系統是一種同步串行外設接口，總共有SCK、SDO、SDI、SS這4根線。 SPI總線只有接一個從設備時，只要用到SCK、SDO、SDI這3根線。

SPI是一個環形總線結構，由ss(cs)、sck、sdi、sdo構成，其時序其實很簡單，主要是在sck的控制下，兩個雙向移位寄存器進行數據交換[5]。

上升沿發送、下降沿接收、高位先發送。

上升沿到來的時候，sdo上的電平將被發送到從設備的寄存器中。

下降沿到來的時候，sdi上的電平將被接收到主設備的寄存器中[6]。

5　藍牙串口通信

5.1藍牙模塊的簡介

藍牙無線傳輸方式近些年發展非常迅速 ，ATKHC05藍牙模塊采用跳頻擴譜技術。ATK-HC05藍牙設備的最大發射功率可分類為3級：100mw(20dB/m)、2smw(4dB/m)、1mw(0dB/m)。

5.2藍牙模塊的工作原理

ATK-HC05藍牙模塊設備在生產的時候就已經有了自身的配對信息，兩個設備之間通電就可以自動連接，采用透明的串口傳輸，不需要外圍電路的干涉。藍牙系統的工作方式是跳頻，可以點對點，點對多點的方式進行連接傳輸。

圖5　ATK-HC05模塊的各引腳功能描述

ATK-HCO5自帶了一個狀態指示燈：STA。這種燈有3種狀態，分別是：

（1）在ATK-HC05模塊通電時，KEY為高電平（接VCC），STA則慢閃(亮的頻率大約是1秒/一次)，表明模塊進入了AT狀態。

（2）在ATK-HC05模塊通電時，KEY接在GND或者懸空狀態時，這時STA會出現快閃（亮的頻率大約是1秒2次），表明ATK-HC05模塊進入了了可以配對的狀態。當然如果這個時候再次將KEY拉高，ATK-HC05模塊也會進入AT的狀態中，但是STA仍然會保持在快閃的狀態。

（3）此刻證明模塊已經屬于配對成功狀態，STA會進行雙閃（亮的頻率大約是一次閃2下，2秒/1次），如圖6所示。

5.3串口通信

當CPU的并行數據字符轉換為持續的串行數據發送出去，再將串行數據轉換成為并行的數據字符提供給CPU器件。

串口按位（bit）發送和接收字節，串行接口工作的特點就是可以將CPU的并行數據字符和串行數據流可以相互轉換。布線少，在實際的生產運用中，可以大大的節約生產成本。

5.4電氣參數無線傳輸

電氣參數無線傳輸系統分為電氣參數采集端和電氣參數接收端兩個部分。采集端是將傳感器采集到的電氣參數傳輸到MK60芯片中，MK60和CC2500組成一個模塊將數據無線發送到另一個MK60和CC2500組成的模塊。接收端是MK60和CC2500模塊將接收的數據儲存于MK60的芯片中，再通過藍牙串口通信傳輸到手機中，或者是通過串口通信傳輸到電腦中。這個方法充分的利用了無線傳輸的方法，將采集到的電氣參數數據傳輸到電腦或者手機上面，方便實時查看其數值的變化。

圖6　ATK-HC05藍牙串口模塊原理圖

圖7　無線傳輸示意圖

6　結束語

本次的模擬裝置主要是可以實現電氣參數和非電氣參數的采集、以及無線傳輸到電腦或者手機上，方便使用者可以實時檢測到采集到的數據值。這次項目設計中，碰到一些疑難問題，在大家的不斷探討和查找資料之后，順利解決。

參考文獻

[1]侯文卓.基于Blackfin的工業智能相機設計[D].哈爾濱理工大學碩士論文,2012.

[2]劉潤.基于STM32精密程控電壓源系統的研究與設計[D].蘇州大學碩士論文,2013.

[3]余川江.基于ARM平臺的μC/OS-Ⅱ的內核分析、擴展及改進[D].西安電子科技大學碩士論文,2010.

[4]張菊.大型機床導軌直線度測量儀設計[D].哈爾濱理工大學碩士論文,2010.

[5]李淵,李巧,劉玉粱.基于RFID電子鉛封管理系統的設計及應用[J].科技創業家,2012.

[6]趙宇杰.一種帶非接觸支付功能的USB Key硬件和固件設計與實現[D].太原理工大學碩士論文,2010.

侯敏（1993－），女，四川閬中人，本科，主要從事基于手機平臺的電氣參數無線采集系統設計。

胡玉旺（1993－），男，安徽淮南人，本科，主要從事基于手機平臺的電氣參數無線采集系統設計。

蔣強，博士，副教授，主要從事電力自動化研究。

通訊作者：

作者簡介：

項目資助：樂山市科技局重點研究項目（項目編號：15NZD100）。