李 靜,黃 崢

(中北大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院,山西 太原 030051)

0 引 言

在實(shí)際測試過程中,往往要對多個傳感器或多源的觀測信息進(jìn)行分析、綜合處理,也要求將來自多個傳感器的信息和人機(jī)界面的觀測事實(shí)進(jìn)行信息融合[1],數(shù)據(jù)量隨之增大,處理速度要求也越來越高.考慮到空間、安全等因素限制,往往用嵌入式系統(tǒng)替代傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)完成數(shù)據(jù)的采集、存儲、傳輸.針對車輛性能參數(shù)測試系統(tǒng)傳感器參數(shù)多、信息量大、人身安全保障等問題[1],本文以 ARM微處理器為核心搭建數(shù)據(jù)采集器平臺,采集數(shù)據(jù)通過無線傳輸?shù)姆绞絺鬏斨翑?shù)據(jù)采集器平臺,使系統(tǒng)具有高度的智能化.中央硬件平臺可以存儲采集數(shù)據(jù),也可通過網(wǎng)絡(luò)電臺傳輸數(shù)據(jù).

1 設(shè)計(jì)思想

數(shù)據(jù)采集電路主要由傳感器信號、放大器、濾波器、A/D轉(zhuǎn)換、單片機(jī)等組成.多路采集數(shù)據(jù)如何傳輸存儲是本文介紹的重點(diǎn),提出無線傳輸方案,數(shù)據(jù)采集器平臺采用 TinyARMT23模塊 T2387I.采用 LPC2387微控制器,LPC2387微控制器是基于一個支持實(shí)時(shí)仿真的 16位 /32位 ARM7TDMI-S CPU,運(yùn)行頻率為 72 MHz,其功能強(qiáng)大且成本效率高,支持 10/100Ethernet,全速(12 Mbps)USB 2.0,CAN 2.0B和 SD/MMC存儲卡等接口[2].

目前,主流的幾種近距離無線通信技術(shù)有[3]：藍(lán)牙技術(shù)(Bluetooth Technology),ZigBee(IEEE 802.15.4),IrDA(Infrared)紅外技術(shù) ,Wi-Fi(IEEE 802.11)：Wireless Fidelity,UWB(Ultra-Wideband),nRF2401L單片射頻收發(fā)芯片.

各種無線技術(shù)都有各自的優(yōu)點(diǎn)和不足,不同的技術(shù)適合于不同的用戶.在近距離內(nèi)(10 m),以無線方式代替線纜的應(yīng)用場合,藍(lán)牙與 IrDA有很大的優(yōu)勢.IrDA技術(shù)成熟,數(shù)據(jù)傳輸速率比藍(lán)牙高,但 Ir-DA屬視距離技術(shù),也就是說 IrDA接口的設(shè)備之間傳輸數(shù)據(jù),中間不能有阻礙物,并且總體實(shí)現(xiàn)成本并不比藍(lán)牙低;藍(lán)牙最初提出和今后的發(fā)展方向都是以低成本為目的,比較適合應(yīng)用低成本無線傳輸場合.從目前來看,在一段時(shí)間內(nèi),這些技術(shù)將處于并存階段.各種標(biāo)準(zhǔn)都是根據(jù)不同的使用場合、不同的用戶需求而制定的.有的是為了增加帶寬和傳輸距離,有的則是考慮移動性和經(jīng)濟(jì)性,局部最優(yōu)不等于全局最優(yōu).因此,用戶應(yīng)視實(shí)際需求選擇適合自己的標(biāo)準(zhǔn).

2 測試方案設(shè)計(jì)

圖1 PTR6000M外形圖Fig.1 External form of PT R6000M configuration

Tiny ARM模塊 T2387I,具有 I2C接口、SSP接口、SD/MMC總線接口、以太網(wǎng)接口電路等.數(shù)據(jù)采集電路與數(shù)據(jù)采集器平臺可以選擇其中任何一種接口實(shí)現(xiàn)其數(shù)據(jù)傳輸.同時(shí)就要求數(shù)據(jù)采集電路具有相應(yīng)接口.下面就上文中提出的無線傳輸方案作具體分析.

無線傳輸方案藍(lán)牙技術(shù)(Bluetooth Technology),ZigBee(IEEE 802.15.4),IrDA(Infrared)紅外技術(shù),Wi-Fi(IEEE 802.11)：Wireless Fidelity,UWB(Ultra-Wideband),nRF2401L單片射頻收發(fā)芯片中,IrDA(Infrared)紅外傳輸波長短,對障礙物的衍射能差;Wi-Fi覆蓋范圍很廣,可達(dá) 100 m,但其電波易受干擾速度較快;目前,UVB技術(shù)只有在美國官方承認(rèn);ZigBee技術(shù)和藍(lán)牙接近,但大多時(shí)候處于睡眠模式,適合于不需實(shí)時(shí)傳輸或連續(xù)更新的場合[3];nRF2401L單片射頻收發(fā)芯片,2.4 GHz頻段,125個頻道,采用GFSK調(diào)制時(shí)的數(shù)據(jù)速率為高速率2 Mbps,高于藍(lán)牙,具有高數(shù)據(jù)吞吐量,程序開發(fā)簡單.考慮到車輛實(shí)際環(huán)境油污等影響,且要求實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù),選擇基于nRF2401L的收發(fā)模塊PTR6000M[4,5]作為數(shù)據(jù)傳輸方案,PTR6000M外型尺寸如圖1所示.

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

PTR6000M測試系統(tǒng)原理框圖如圖 2所示.數(shù)據(jù)采集器平臺硬件由 TinyARM模塊 T2387I,網(wǎng)絡(luò)接口單元,SD/MMC總線接口單元,PT R6000M傳輸模塊接口單元組成[6];數(shù)據(jù)采集電路 1～n通過PTR6000M實(shí)現(xiàn),和數(shù)據(jù)采集器平臺無線數(shù)據(jù)交換.

2.2 數(shù)據(jù)采集器平臺硬件設(shè)計(jì)

2.2.1 數(shù)據(jù)采集器以太網(wǎng)接口電路設(shè)計(jì)

T2387I提供了以太網(wǎng) PHY接口芯片,因此只需外接狀態(tài)指示燈、網(wǎng)絡(luò)變壓器、匹配電阻、高壓電容和 RJ45插座即可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信[7-8].網(wǎng)絡(luò)變壓器選用 HR601680.接口電路如圖 3所示.

圖3 以太網(wǎng)接口電路Fig.3 Interface circuit of ethernet

2.2.2 SD/MMC總線接口電路

T2387I其內(nèi)部集成了 SD/MMC卡控制器,因此設(shè)計(jì) SD/MMC卡接口電路時(shí),只需將這些接口相應(yīng)地接到 SD/MMC卡座.接口電路如圖 4所示.

圖4 SD/MM C總線接口電路Fig.4 Interface circuit of SD/MMC

2.2.3 PTR6000M接口電路

PTR6000M模塊的 CE,CLK,DAT A,CS,DR引腳與 T2387I的 IO口相連,實(shí)現(xiàn) T2387I對無線傳輸模塊的控制.接口電路如圖 5所示.

2.3 數(shù)據(jù)采集器平臺軟件設(shè)計(jì)

在 Tiny ARM T2387I工控模塊中已經(jīng)固化了文件系統(tǒng)、TCP/IP協(xié)議棧、USB協(xié)議棧、Tiny ARM T23基礎(chǔ)驅(qū)動庫以及μC/OS-II操作系統(tǒng)等.基于μ C/OS-II的軟件部分是系統(tǒng)的主要部分,用來完成接收地面站發(fā)出的采集開始、暫停、結(jié)束等命令,并轉(zhuǎn)發(fā)給采集電路、調(diào)整信號放大倍數(shù)、管理數(shù)據(jù)的存儲、傳輸?shù)热蝿?wù).系統(tǒng)主任務(wù)軟件流程如圖 6所示.

圖5 PT R6000M接口電路Fig.5 Interface circuit of PT R6000M

3 試驗(yàn)與調(diào)試

數(shù)據(jù)采集器平臺硬件的 TinyARM模塊 T2387I處理器發(fā)出采集開始、結(jié)束等指令控制數(shù)據(jù)采集電路,采集數(shù)據(jù)通過 PTR6000M傳輸,存儲在 SD卡.另外,根據(jù)實(shí)際情況也可以在車外設(shè)置移動控制臺(pc機(jī)加網(wǎng)絡(luò)電臺),通過移動控制臺控制數(shù)據(jù)采集器平臺將數(shù)據(jù)傳出車外,工作人員無需在車內(nèi)操控儀器.模擬試驗(yàn)測試表明：數(shù)據(jù)采集電路能夠正確接收相應(yīng)的控制指令,網(wǎng)絡(luò)電臺與數(shù)據(jù)采集器平臺通信正常.實(shí)際應(yīng)用中數(shù)據(jù)采集電路 12路,采樣率 1 ksps,每個工況采樣時(shí)間 30 s,5 min內(nèi)完成 7個工況的數(shù)據(jù)采集,數(shù)據(jù)總量不足 50 MB,SD卡容量為 2 GB,足夠存儲多次反復(fù)工況測試,實(shí)現(xiàn)了車內(nèi)測試裝置無人值守,保障了人身安全.采集到的數(shù)據(jù)曲線圖如圖 7所示.

圖7是某工況下 12路采集數(shù)據(jù)曲線圖.分別對12路數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)頻分析,其頻率信號及出現(xiàn)的時(shí)間與實(shí)際工況相符,能夠正確反映車輛工作狀態(tài),測試數(shù)據(jù)正確可用.

圖7 某工況下采集數(shù)據(jù)曲線Fig.7 Practical data curve

4 結(jié) 論

數(shù)據(jù)采集技術(shù)是信息科學(xué)的重要組成部分,已廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)的各個領(lǐng)域,并且隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,數(shù)據(jù)采集技術(shù)將有廣闊的發(fā)展前景.本文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)自帶 6通道 10位 ADC,采集頻率可達(dá) 400 ksps,也可以使用外部自選 ADC芯片,具有較高的數(shù)據(jù)傳輸效率,可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理、連續(xù)快速采集和記錄等高級數(shù)采功能.由于其具有小型化易攜帶的特點(diǎn),此數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可方便地用適用于車輛野外和室內(nèi)試驗(yàn).

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