無線低功耗大容量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計

鄔毅松

關(guān)鍵詞：無線傳輸；數(shù)據(jù)采集；數(shù)據(jù)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(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，國家正在進行數(shù)字化的改造，而數(shù)字化改造的核心是數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的采集，精確的提取，可靠的傳輸和安全存儲都是數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵指標[1-3]，在無線通信技術(shù)高速發(fā)展的今天，無線傳輸?shù)目煽啃栽絹碓礁撸瑹o線數(shù)據(jù)發(fā)送與存儲技術(shù)日趨完善，給無線手持設(shè)備的開發(fā)和應(yīng)用帶來了前所未有的機遇[4-7]。

但是，由于數(shù)據(jù)的安全依然受到各種環(huán)境因素的干擾，在數(shù)據(jù)處理的各個環(huán)節(jié)依然還有很大的改進空間[8-11]，基于此，本文擬設(shè)計一種基于無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的低功耗無線手持式數(shù)據(jù)采集裝置。為了方便用戶的移動應(yīng)用，設(shè)計采用鋰電池供電，不受使用地域的限制，隨時進行數(shù)據(jù)的采集，提取去傳輸處理等。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

該系統(tǒng)的整體設(shè)計框圖如圖1所示。主要包含數(shù)據(jù)接受模塊、ADC數(shù)據(jù)處理模塊、MSP430單片機數(shù)據(jù)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(shè)備等組成。

其工作原理是：設(shè)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(chǎn)生一個與電阻值變化相對應(yīng)的輸出電壓，將變化的電壓值經(jīng)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(wěn)定的電壓輸出，最終通過測試穩(wěn)定電壓輸出與電阻值的變化的關(guān)系，則可實現(xiàn)信號的有效檢測，達到裝置設(shè)計的要求。

2 硬件核心單元電路設(shè)計

2.1 電源管理模塊的設(shè)計

系統(tǒng)采用鋰電池供電，主要目的是能夠方便用戶進行移動應(yīng)用，手持式設(shè)備一般采用鋰電池供電。因此設(shè)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(jiān)測，并且能把監(jiān)測的結(jié)果通過液晶顯示出來，當電量不足時，系統(tǒng)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(shù)據(jù)生成模塊

根據(jù)前面工作原理的分析，設(shè)計完成的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(xiàn)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(xù)對信號進行相應(yīng)處理。

如上圖中，VF1的值具有最大的動態(tài)范圍，會在恒定的電壓值范圍內(nèi)擺動，其值正負都有可能，與此同時，設(shè)計一個低阻抗的電壓源驅(qū)動Vref腳，使得電阻網(wǎng)絡(luò)匹配，確保輸出電壓值的準確性。

通過設(shè)計，對電路圖進行仿真，仿真結(jié)果如圖4所示，符合設(shè)計預(yù)期的目的，輸出電壓變化范圍在0～3V 內(nèi)變化，驗證了設(shè)計的可行性。

2.3 無線通訊模塊

該系統(tǒng)使用三個無線通信模塊，其中一個是發(fā)射器，兩個是接收器。輻射端連接控制器MSP430F247。信號采集以后，經(jīng)過控制器進行處理，然后無線通信發(fā)射機進行發(fā)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(tǒng)軟件設(shè)計

軟件設(shè)計部分主要包含兩個部分的內(nèi)容，其一是下位機的主程序設(shè)計，其二是上位機軟件程序設(shè)計。

3.1 主程序設(shè)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(shù)據(jù)，如果沒有收到數(shù)據(jù)，設(shè)備一直保持在低功耗狀態(tài)，確保設(shè)備的低功耗屬性。如果檢測到數(shù)據(jù)，則對數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的處理后[17-18]，傳輸?shù)揭壕线M行顯示，設(shè)備還對電池的狀態(tài)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(tǒng)

上位機的軟件設(shè)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(fā)送給液晶屏進行顯示，上位機還兼具對數(shù)據(jù)進行存儲的功能。

4 試驗測試與結(jié)果

4.1 測試方法

根據(jù)原理分析，按照原理分析的過程進行試驗測試。平衡狀態(tài)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(yīng)的電阻的阻值，來判斷發(fā)射端和接收端的數(shù)據(jù)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(guān)系的規(guī)律進行總結(jié)。

4.2 測試數(shù)據(jù)與分析

通過具體的測試，得到的測試數(shù)據(jù)如表1所示。

5 結(jié)論

本論文在分析現(xiàn)有數(shù)據(jù)采集器和處理器存在問題的基礎(chǔ)上，針對數(shù)據(jù)處理的重要性，設(shè)計了一種基于無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的低功耗無線手持式數(shù)據(jù)采集設(shè)備。設(shè)備移動應(yīng)用方便，具有完善的電池管理系統(tǒng)，完成后進行了典型的實驗室實驗測試，采集的數(shù)據(jù)可存儲，可根據(jù)采集的數(shù)據(jù)進行分析比對，測試結(jié)果顯示，該設(shè)備功耗低、運行穩(wěn)定、精度高，達到了設(shè)計要求。