羅小妮 高立
摘要:現(xiàn)代科學技術(shù)水平的提升,各項智能化的控制系統(tǒng)出現(xiàn)在各個領(lǐng)域當中。但不論是何種智能化控制系統(tǒng),均不能夠離開數(shù)據(jù)信息之間的傳輸。其中無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)與傳統(tǒng)有線傳輸具備一定差別,主要優(yōu)點為不需要傳輸線纜、成本低廉以及施工簡單。該文將電容測微儀作為主要的研究對象,在此測量儀器之上實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計與實施,旨在解決動態(tài)環(huán)境當中無法測量的問題。
關(guān)鍵詞:電容測微儀;無線數(shù)據(jù)傳輸;數(shù)字濾波
中圖分類號:TP311 文獻標識碼:A 文章編號:1009-3044(2015)04-0185-03
電容測微儀在進行航空、航天以及工業(yè)生產(chǎn)過程中被廣泛應(yīng)用,主要是用于測量微小位移、微小振動等相應(yīng)內(nèi)容。并且電容測微儀呈現(xiàn)出精度高、溫度穩(wěn)定、速度快、分辨率高以及時間穩(wěn)定等諸多優(yōu)點。傳統(tǒng)的電容測微儀只能夠在靜態(tài)環(huán)境下進行測量,但由于現(xiàn)代需求的影響,動態(tài)下實現(xiàn)電容測微儀的測量至關(guān)重要。因此,該文對電容測微儀無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)進行設(shè)計,保證在動態(tài)環(huán)境下時間數(shù)據(jù)的精準測量。
1 電容測微儀無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)硬件設(shè)計
1.1無線收發(fā)芯片
系統(tǒng)硬件設(shè)計的核心內(nèi)容為無線收發(fā)芯片的選擇,通過無線收發(fā)芯片構(gòu)成整個無線收發(fā)電路,在目前市場當中常見的無線收發(fā)芯片包括nRF401、RF2915、BC418、XC1201、MICRF007及CC400等,并且每一個收發(fā)芯片的工作環(huán)境電壓大小規(guī)范在2.5V-5.5V之間。該文在進行無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計過程中,選用的無線收發(fā)芯片為nRF401芯片,該芯片是挪威NORDIC公司推出的單片機無線收發(fā)一體的芯片,并且采用藍牙核心技術(shù)進行設(shè)計。該芯片為20引腳的表貼式芯片,在整個芯片當中包含了高頻發(fā)射、高頻接收、PLL合成、FSK調(diào)制、FSK解調(diào)和多頻道切換電路,體現(xiàn)出高度集成的特點。芯片具備的抗干擾能力較強,應(yīng)用FSK調(diào)制方式,工作構(gòu)成中穩(wěn)定性較高。并且在運行過程中,涉及的外圍環(huán)境下的輔助器件較少。在系統(tǒng)接口方面能夠與單片機的串口相連,并需要通過特定的編碼進行數(shù)據(jù)傳輸,效率較高。通過上述nRF401芯片優(yōu)點的分析,說明本次研究過程中選擇該芯片的正確性,為系統(tǒng)的設(shè)計奠定良好基礎(chǔ)。
1.2微控制芯片選擇
由于電容測微儀主要是測量微小固件的儀器,在進行無線傳輸系統(tǒng)的設(shè)計過程中,在硬件方面同樣需要對微控制芯片進行選擇,該文主要選取STR711FR2T6是ST公司基于ARM7TDMI內(nèi)核的ARM芯片,該芯片當中集成了256+16KB的Flash存儲器以及64KB的片內(nèi)RAM,滿足一般應(yīng)用的存儲需求。在整個芯片的集成方面,PLL能夠允許16MHz的系統(tǒng)主時鐘倍頻所產(chǎn)生的系統(tǒng)時鐘,并且滿足用戶在一定頻段內(nèi)的測量需求,通過相應(yīng)的需求進行控制PLL輸出。并且在該芯片當中能夠具備快速的終端響應(yīng),包含多個中斷向量以及優(yōu)先級的內(nèi)容,具備功能多樣化。同時,STR711FR2T6擁有兩個帶緩沖同步串口(BSPI)、4個RS232串口和集成片上USB Device控制器[1]。
1.3 A/D轉(zhuǎn)換芯片
為了滿足系統(tǒng)運行高效性以及測量的準確性,保證系統(tǒng)采集精度以及轉(zhuǎn)換速率的要求,對于A/D轉(zhuǎn)換芯片應(yīng)該采用BB公司具備16位框架的A/D轉(zhuǎn)換芯片,型號為ADS7809,所采用的頻率能夠高達100kHz,能夠?qū)崿F(xiàn)與SPI結(jié)構(gòu)與STR711FR2T6實現(xiàn)通信。
1.4 STR711FR2T6與nRF401連接電路
STR711FR2T6通過SPIO口與nRF401進行數(shù)據(jù)方面的通信。并且在CE端方面的電平在一定程度上決定著發(fā)送模式或者是接受模式。其中IRQ的內(nèi)容能夠屏蔽電路圖當中的引腳,當數(shù)據(jù)接受重點或者是數(shù)據(jù)發(fā)送完成中斷發(fā)生時,應(yīng)該講管腳置低。
2 電容測微儀無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)軟件設(shè)計
2.1無線數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計
STR711對無線收發(fā)的控制是通過對SPI口讀寫nRF401的配置存儲器來實現(xiàn)的,保證兩者的工作模式、通信速率、通信地址等各個方面的參數(shù)配置好之后進行數(shù)據(jù)通信。為縮短數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間,采集模塊將10次采樣得到的20字節(jié)的數(shù)據(jù)進行連同nRF401自動生成CRC校驗碼打包一次性發(fā)出,發(fā)送成功后完整狀態(tài)指令的內(nèi)容,并按照模塊對接收到的數(shù)據(jù)包進行抵制以及CRC碼進行校驗。數(shù)據(jù)校驗無誤后通過串口傳至上位機進行處理。
采集模塊的集體流程為:系統(tǒng)運行開始,STR711進行初始化操作,然后進行無線收發(fā)芯片的處理,將其配置成為發(fā)送模式,進一步執(zhí)行A/D的轉(zhuǎn)換,詢問轉(zhuǎn)換的次數(shù)是否為10次,如果判定正確則執(zhí)行下一個步驟,如果判定失敗繼續(xù)執(zhí)行上一步驟。繼續(xù)將20字節(jié)的數(shù)據(jù)寫入到無線接收芯片當中,并發(fā)送到緩存區(qū)。這一步驟完成后,繼續(xù)執(zhí)行下一個步驟,判定無線收發(fā)芯片是否產(chǎn)生中斷,這一過程存在判定因素,判定成功執(zhí)行下一步驟,判定失敗返回上一個步驟當中重新執(zhí)行這一步驟。當執(zhí)行成功過進入到中斷源為發(fā)送成功中斷的判定,判定正確點亮LED燈,并進行系統(tǒng)的重新操作。判定過程失敗,進入到無線接收芯片當中進行錯誤處理[2]。
接收模塊的流程內(nèi)容:系統(tǒng)開始運行,STR711進行初始化操作,下一步配置無線收發(fā)芯片為接受模式。繼續(xù)執(zhí)行無線收發(fā)芯片產(chǎn)生接收終端的內(nèi)容,并對此步驟進行實際的判定,判斷錯誤返回上一步驟的操作中,如果判定正確可執(zhí)行下一個步驟,即點亮LED燈,讀取無線收發(fā)芯片緩存區(qū)的具體數(shù)據(jù),并且通過此種方式向UART借口傳輸數(shù)據(jù),進而進行循環(huán)操作。
2.2上位機軟件設(shè)計
上位機軟件方面的設(shè)計在整個系統(tǒng)當中具有重要作用,上位機程序是在VC++環(huán)境下完成的,并且能夠利用MFC進行上位機顯示方面的編寫,以便于將數(shù)據(jù)繪制成為波形圖,通過此種方式顯示測量數(shù)據(jù)方面的動態(tài)性特征。
由于電容測微儀測量的過程中主要是測量微小的元件,為了防止在進行測量的過程中出現(xiàn)各種干擾,上位機軟件在進行設(shè)計的同時,需要給出相應(yīng)的濾波算法,保證計算值能夠準確。在脈沖干擾較為嚴重的場合,如果能夠采用一般的平均值法,則干擾將“平均”到計算結(jié)果當中。因此,運用平均值的方法將不容易消除由于脈沖干擾所引起的采樣值變差的問題。中值平均濾波方法能夠?qū)⒈粶y信號進行多次操作,并按照具體結(jié)果與數(shù)據(jù)之間的內(nèi)容進行分析,保證有效剔除最大值與最小值,并取得剩余的N-2個數(shù)據(jù)的平均值作為本次濾波的輸出,相應(yīng)的算法為:Y=[1N-2Σn-1k=2X(K)]。其中,X(1) ≤X(2) ≤...≤X(N),N≥3。此種濾波算法能夠?qū)徛兓^程中的脈沖干擾信號進行有效的抑制,并具有良好的抑制效果,具有計算方便、速度快以及存數(shù)量較小的特點。在實際的運用過程中,對于公式當中的N值可以取任何數(shù)值,但為了加快測量的具體效率與速度,N值一般不能夠太大,在本次設(shè)計的過程中,為求得出具的準確性,將N值取為4,即四取二再取平均值法[3]。
3 無線數(shù)據(jù)傳輸過程中的可靠性保障措施
在進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中,如果以為數(shù)據(jù)在發(fā)送出去或者被接受的這一段時間之內(nèi)發(fā)生變化,則說明無線數(shù)據(jù)傳輸過程出現(xiàn)差錯。并且這種差錯出現(xiàn)的原因可能是由于熱噪聲或者是沖擊噪聲。熱噪聲(thermal noise),又稱為白噪聲,
主要是由于導體內(nèi)部電子進行熱運動所形成,存在于所有的設(shè)備以及傳輸媒體當中,其中對于熱噪聲是可以進行預測的內(nèi)容,具有較為固定的強度;對于沖擊噪聲(impulse noise)則是非連續(xù)性的內(nèi)容,其中由不規(guī)則的脈沖以及持續(xù)時間短而振幅大的噪聲尖峰組成,或者是由于外部的雷電形態(tài)所產(chǎn)生。為了保證無線數(shù)據(jù)的良好傳輸,避免外部的干擾與影響,需要保證傳輸系統(tǒng)可靠性的提升,方式在通信過程中發(fā)生錯誤,常用的校驗方法有奇偶校驗、校驗和和循環(huán)冗余校驗[4]。
nRF401在沒有數(shù)據(jù)接受的情況之下,能夠在DOUT引腳下輸出系統(tǒng)的隨機數(shù)據(jù),嚴重的干擾正常的通信內(nèi)容,為了接受更為穩(wěn)定的數(shù)據(jù),需要對于此方面的內(nèi)容進行有效的解決,進行編碼傳輸,具體的規(guī)則內(nèi)容如下:
1) 對于數(shù)據(jù)在進行發(fā)送的過程中,采用具體查詢的方式,保證數(shù)據(jù)接受能夠采用中斷的方式;
2) 在信號以及信息發(fā)送的過程中,需要在數(shù)據(jù)發(fā)送之前連續(xù)發(fā)送十六進制的AA、BB、CC、DD,這一過程完成后,并進行有效的數(shù)據(jù)的發(fā)送;
3) 接收方在接收到系統(tǒng)發(fā)送的AA、BB、CC、DD信號之后,應(yīng)該講下一個數(shù)據(jù)進行和保存,并通過相應(yīng)的方式進行處理,否則不進行任何的處理。直到等待接收終端,收到連續(xù)的十六進制的AA、BB、CC、DD。
通過此種方式,能夠有效地進行編碼的設(shè)計,避免數(shù)據(jù)傳輸過程中的不必要的干擾內(nèi)容,保證無線通信的正??煽康倪\行。
4 系統(tǒng)實現(xiàn)
測試的過程中,將電容測微儀的傳感器測量頭固定于BCT-5C型號的測量臺架上,無線測微儀系統(tǒng)對測頭與臺架上量塊之間的微小位移量進行測量,并將結(jié)果通過無線傳輸?shù)姆绞絺髦辽衔粰C。并且為了測試干擾信號的影響,用橡膠錘敲打測量臺架,以此來干擾測量過程中出現(xiàn)的干擾信號,通過原始采樣以及中值平均濾波的方法實現(xiàn)波形方面的對比,檢驗濾波器的實際運行,通過此種方式計算測量的結(jié)果。當測量過程中出現(xiàn)了脈沖干擾時,中值平均濾波器可以將其濾除,使采樣值較為平滑,提高了數(shù)據(jù)的可靠性。
5 結(jié)論
綜上所述,由nRF401于STR711FR2T6兩者構(gòu)成的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)當中,在具體的設(shè)計與實現(xiàn)過程中得出相應(yīng)的結(jié)果,具有傳輸速率快以及可靠性較高的特點,能夠在傳輸過程中抵抗干擾的影響。同時,系統(tǒng)設(shè)計完成后,在進行電容測微儀測量的過程中,能夠取得良好的測量效果,有效的拓寬了電容測微儀的使用范圍。
參考文獻:
[1] 張東亮,鄧湘.基于無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾娙轀y微儀系統(tǒng)[J].航空精密制造技術(shù),2011,11(3):154-156.
[2] 尹慧,李輝.帶以太網(wǎng)接口的GSM無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),2012,11(11):147-150.
[3] 王韋偉.基于ZigBee的智能家居無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].宿州學院學報,2014,4(7):80-83.
[4] 王躍,侯毅,孫卓,等.司馬礦無線數(shù)據(jù)傳輸管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].煤礦現(xiàn)代化,2013,11(5):101-102.