无线数据采集系统的设计
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作者: 熊科 高涌
摘要：数据采集是指从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采集信息的过程。数据采集系统是结合基于计算机的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统。随着网络技术及通信技术的飞速发展，短距离无线通信以其特有的抗干扰能力，高可靠性，安全性好，受地理条件限制少，安装简便灵活的优点，在许多领域都有广阔的应用前景。
关键词：ISM 频段 射频 AVR ATmega16 单片机 nRF2401
引言
过去五十年，随着微电子技术和数字信号处理技术的发展，数据采集系统得到了广泛的应用。在工业生产和控制中，应用这一系统可以采集工业现场的温度、湿度、电压、电流、压力、流量等诸多工艺参数，在将这些模拟信号转变成数字量并进行相 应的计算处理后，所得的结果可以反馈给用户或控制系统，为提高产品质量、降低成 本提供信息和手段。
在科学研究上，数据采集系统可以为我们提供大量的动态信息，成为探索科学奥 秘的重要手段。在数据传输方式上，目前数据采集系统基本上是通过有线方式进行连 接，有线方式的数据传输速度快，可靠性高且运行稳定，能满足大多数情况的需要， 但是其应用受现场环境和应用对象的限制。如果采集系统工作在地理条件复杂导致线 路架设困难或腐蚀、爆炸等场合，或者采集对象是运动物体时，有线方式的应用受到 了限制，在这种情况下，无线方式是一种有效的替代方式。
近年来，伴随着短距离、低功率无线数据传输技术的成熟，无线数据传输被越来 越多地应用到新的领域。与有线通信方式相比，无线通信以其不需铺设明线，使用便 捷等一系列优点，在现代通信领域占据重要地位。无线通信的实现越来越容易，传输 速度越来越快，可靠性越来越高，并且逐渐达到可以和有线网络相媲美的水平。
本文设计了计算机近距离无线数据采集系统。采用 nRF2401 作为无线收发核心 器件。系统由一台 PC、无线数据接收模块和无线数据采集发射模块组成。无线数据 发射模块以 AVR ATmega16 单片机为处理核心，采用单片机内部的 12 位 ADC 对现 场的模拟信号进行采集和发送；无线数据接收模块以 AVR ATmega16 单片机作为处理核心，接收与发射模块由 nRF2401无线收发芯片完成，采用 MAX5591 实现12位D/A 转换，采用 RS-485 总线与PC进行通信，它负责现场数据的接收和初步处理，并转发给 PC 以供显示和监控，同时将数字量转换为模拟量，供示波器显示；PC 有 良好的人机界面，利用NI的虚拟示波器显示远端现场采集的数据，并可以向现场的 采集模块发送控制命令，同时可以实现保存采集数据、打印、回放历史数据等功能。
1、绪论
短距离无线技术已经在我们的日常生活中得到了广泛的应用，与目前已经具备相 当规模的无线长距离网络(如蜂窝移动通信网)相比，短距离无线系统在基本结构、服 务范围、应用层次及通信业务(数据、话音)上，均有很大的不同。我们特别来说以下 “低功率短距离无线技术”。该技术一般采用单片数字信号收发芯片，加上微控制器和 少量外围器件构成专用或通用无线通信模块。一般射频芯片采用 FSK 调制方式，工作于ISM 频段，一些必要的外围模块都已经集成在芯片内部，并且提供了简单透明的数据传输协议或使用简单的加密协议，用户不用对无线通信原理和工作机制有较深的了解，只要依据芯片提供的操作接口进行操作即可实现基本的数据无线传输功能。由于其功率小、价格低廉、开发简单快速因而在工业、民用领域得到了广泛的应用。但数据传输速度、流量都较小，因此比较适合搭建对数据传输速度要求不高的小型网 络。目前，很多公司推出了这种类型的单片无线收发芯片，其中比较典型的是 NORDIC 公司推出的 nRF 系列芯片。
本设计主要是利用无线收发电路，加上单片机控制与液晶显示、传感器等制成一 套完整的无线数据收发系统。本系统选用的是挪威NORDIC公司出品的nRF2401无线收发芯片，该芯片是近两年比较流行的、应用比较广泛的一种无线收发芯片。
2、系统总体方案设计
2.1系统分析及设计
图 2-1 系统组成框图
本作品主要通过在被测位置安装传感器，从而使从机位置的单片机通过传感器采 集到信息数据，经过单片机处理数据，经过无线传输模块nRF2401，传送给从机的传 输模块nRF2401，主机的单片机通过无线传输模块nRF2401接收信息数据，再由CPU（Central Processing Unit，中央处理器）根据当前控制对像，把数据处理为与其相关 的数据或信息，显示在液晶显示屏上，从而达到监控等目的。
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