無線低功耗大容量數據采集系統的設計

鄔毅松

關鍵詞：無線傳輸；數據采集；數據提取；低功耗；電阻值測試

中圖分類號：TP334.3 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）21-0094-03

0 引言

隨著科技的進步和產業的轉型升級，國家正在進行數字化的改造，而數字化改造的核心是數據。數據的采集，精確的提取，可靠的傳輸和安全存儲都是數據處理的關鍵指標[1-3]，在無線通信技術高速發展的今天，無線傳輸的可靠性越來越高，無線數據發送與存儲技術日趨完善，給無線手持設備的開發和應用帶來了前所未有的機遇[4-7]。

但是，由于數據的安全依然受到各種環境因素的干擾，在數據處理的各個環節依然還有很大的改進空間[8-11]，基于此，本文擬設計一種基于無線通信網絡技術的低功耗無線手持式數據采集裝置。為了方便用戶的移動應用，設計采用鋰電池供電，不受使用地域的限制，隨時進行數據的采集，提取去傳輸處理等。

1 系統整體設計

該系統的整體設計框圖如圖1所示。主要包含數據接受模塊、ADC數據處理模塊、MSP430單片機數據處理中心模塊[12]、鋰電池電源管理、無線通信模塊、液晶顯示模塊、輸入輸出設備等組成。

其工作原理是：設計一個惠斯通平衡電橋，然后通過改變平衡電橋中某一橋臂的電阻值使電橋失去平衡，從而產生一個與電阻值變化相對應的輸出電壓，將變化的電壓值經過運算放大器INA128E進行處理后 [13-16]，再通過OPA335對其進行處理，得到穩定的電壓輸出，最終通過測試穩定電壓輸出與電阻值的變化的關系，則可實現信號的有效檢測，達到裝置設計的要求。

2 硬件核心單元電路設計

2.1 電源管理模塊的設計

系統采用鋰電池供電，主要目的是能夠方便用戶進行移動應用，手持式設備一般采用鋰電池供電。因此設計鋰電池電源管理模塊是十分必要的，主要是能直觀地對鋰電池的電量進行監測，并且能把監測的結果通過液晶顯示出來，當電量不足時，系統能進行報警提示，通過用戶進行充電。其具體的電路原理圖如圖2所示。

2.2 數據生成模塊

根據前面工作原理的分析，設計完成的數據采集和數據放大電路的原理圖如圖3所示。前半部分是惠斯通電橋電路，后半部分是運算放大器電路。

在實際數據采集過程中，通過改變電阻R3的阻值，從而在輸出端得到一個電橋失衡后的電壓值，在圖中可以體現在VF3和VF4輸出電壓的差值。但是該電壓值太小，容易受到干擾，因此，需要對該信號進行有效地放大，在此之間增加了兩級運算放大器來對信號進行有效放大，方便后續對信號進行相應處理。

如上圖中，VF1的值具有最大的動態范圍，會在恒定的電壓值范圍內擺動，其值正負都有可能，與此同時，設計一個低阻抗的電壓源驅動Vref腳，使得電阻網絡匹配，確保輸出電壓值的準確性。

通過設計，對電路圖進行仿真，仿真結果如圖4所示，符合設計預期的目的，輸出電壓變化范圍在0～3V 內變化，驗證了設計的可行性。

2.3 無線通訊模塊

該系統使用三個無線通信模塊，其中一個是發射器，兩個是接收器。輻射端連接控制器MSP430F247。信號采集以后，經過控制器進行處理，然后無線通信發射機進行發送，接收端的一端通過串口與上位機連接，可以通過上位機顯示接收到的信息，并對其進行存儲。

另一個接收端則與控制器相連，接收到信息后，可以將其顯示在液晶上。通訊方式也是采用串口通訊進行。

3 系統軟件設計

軟件設計部分主要包含兩個部分的內容，其一是下位機的主程序設計，其二是上位機軟件程序設計。

3.1 主程序設計

下位機主程序流程圖如圖5所示。通過初始化后，一直掃描是否有收到數據，如果沒有收到數據，設備一直保持在低功耗狀態，確保設備的低功耗屬性。如果檢測到數據，則對數據進行相應的處理后[17-18]，傳輸到液晶上進行顯示，設備還對電池的狀態進行檢測，如果提示電量低，則會提醒用戶進行充電。

3.2 上位機軟件系統

上位機的軟件設計流程圖如圖6所示。控制器端與上位機端采用串行口通訊，上位機接收到信號后，發送給液晶屏進行顯示，上位機還兼具對數據進行存儲的功能。

4 試驗測試與結果

4.1 測試方法

根據原理分析，按照原理分析的過程進行試驗測試。平衡狀態下通過改變電橋中電阻R3的阻值，測試輸出端的電壓，并進行準確的記錄，同時用萬用表測試好電壓所對應的電阻的阻值，來判斷發射端和接收端的數據是否一致；此外，對輸出端輸出信號的頻率進行測量，判斷其變化關系的規律進行總結。

4.2 測試數據與分析

通過具體的測試，得到的測試數據如表1所示。

5 結論

本論文在分析現有數據采集器和處理器存在問題的基礎上，針對數據處理的重要性，設計了一種基于無線通信網絡技術的低功耗無線手持式數據采集設備。設備移動應用方便，具有完善的電池管理系統，完成后進行了典型的實驗室實驗測試，采集的數據可存儲，可根據采集的數據進行分析比對，測試結果顯示，該設備功耗低、運行穩定、精度高，達到了設計要求。