王學(xué)水，魯守寶

（山東科技大學(xué) 理學(xué)院，山東 青島266590）

1 引 言

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)、科學(xué)研究以及工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域中，經(jīng)常需要將采集到的數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)進(jìn)行處理［1］，而目前的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳往往都是通過RS-232，RS-485，TCP等有線傳輸方式，很多情況下都要面對(duì)繁雜的布線，以及連線周邊的環(huán)境干擾，不管是在人力還是物力上都額外地增加了成本，而且在維護(hù)上也存在很大的難度.因此，在很多數(shù)據(jù)傳輸上應(yīng)該使用無線傳輸方式，無線傳輸數(shù)據(jù)的方式主要有藍(lán)牙、紅外線、微波、GPRS和3G等.藍(lán)牙和紅外線雖然成本低，但傳輸距離太近，一般只有10m左右，而且還受方向的限制；GPRS和3G雖然不受距離限制，但所需設(shè)備的成本更加昂貴，并且還需定期向服務(wù)商交納流量費(fèi)；較常用的就是微波無線傳輸方式，其使用成本低、安裝方便.

本文使用Semtech公司的SX1212芯片和TI公司的單片機(jī)MSP430F149組成低功耗數(shù)據(jù)無線遠(yuǎn)傳收發(fā)器，不僅傳輸距離遠(yuǎn)，而且非常穩(wěn)定，現(xiàn)已將其應(yīng)用在轉(zhuǎn)動(dòng)慣量實(shí)驗(yàn)儀上，經(jīng)證明具有非常理想的傳輸效果.

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的測(cè)定，在涉及剛體轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)電制造、航空、航天、航海、軍工等工程技術(shù)和科學(xué)研究中具有十分重要的意義，它也是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中必做的項(xiàng)目，本系統(tǒng)主要用來傳輸測(cè)量的角加速度值.系統(tǒng)如圖1所示，由1臺(tái)主機(jī)和多臺(tái)從機(jī)構(gòu)成，每臺(tái)從機(jī)包括1個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量實(shí)驗(yàn)儀和1個(gè)無線收發(fā)器（MCU＋SX1212），每臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量實(shí)驗(yàn)儀都具有唯一的機(jī)器號(hào)，兩者之間通過UART接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并且通過CRC方式校驗(yàn)數(shù)據(jù)，無線收發(fā)器的MCU和無線通信芯片通過SPI接口進(jìn)行通信，也通過CRC方式校驗(yàn)數(shù)據(jù)，當(dāng)收到來自轉(zhuǎn)動(dòng)慣量實(shí)驗(yàn)儀傳來的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，能夠自動(dòng)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給主機(jī)，并且回饋給從機(jī)確認(rèn)接收成功的信號(hào).主機(jī)部分包括1個(gè)無線收發(fā)器、電腦以及相應(yīng)的軟件平臺(tái)，收發(fā)器通過USB接口將數(shù)據(jù)傳送給電腦，電腦上運(yùn)行相應(yīng)的軟件對(duì)所有接收來的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理.主機(jī)和從機(jī)之間采用經(jīng)過優(yōu)化處理的低功耗通信協(xié)議，采用高效的循環(huán)交織糾檢錯(cuò)編碼，抗干擾和靈敏度都大大提高，同時(shí)使整個(gè)系統(tǒng)功耗降到最低.

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

3 硬件設(shè)計(jì)方案

3.1 無線收發(fā)器硬件結(jié)構(gòu)

剛體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量無線數(shù)據(jù)系統(tǒng)在兼顧成本的同時(shí)，盡量采用集成度高、功耗低、速度快的器件.無線收發(fā)器部分主要包括SX1212芯片、電源芯片、MSP430F149單片機(jī)以及周邊器件.SX1212的頻率范圍從300MHz到510MHz可調(diào)，具有非常低的接收功耗，典型接收電流僅為2.6mA，可以應(yīng)用在需要電池工作6～10a的系統(tǒng)，遠(yuǎn)小于同類收發(fā)器的接收電流，同時(shí)還能夠保持較高的接收靈敏度，工作電壓為2.1～3.6V，最大發(fā)射功率為＋12.5dBm［2］.SX1212的集成度非常高，因此外圍只需要很少的器件即可正常工作，設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于元件的布局與匹配.要使電路中電源線、地線以及其他信號(hào)線的走線方向平行，以提高抗干擾能力；盡量縮短元器件之間的連線，以降低相互間的電磁干擾.

美國(guó)TI公司生產(chǎn)的MSP430F149為16bit RISC架構(gòu)，具有60kFlash ROM和2kRAM，最高運(yùn)算速度為8MIPS單芯片微控制器，工作電壓范圍為1.8～3.6V，它將大量的外圍模塊整合到片內(nèi)，具有串行在線編程能力以及強(qiáng)大的中斷功能，專為目前業(yè)界低功耗應(yīng)用需求而設(shè)計(jì)［3-4］.SX1212與MSP430F149之間的通訊采用高速的SPI接口，單片機(jī)與外部的通信采用UART接口.

SX1212的外圍電路如圖2所示，圖中的SAW Filter（聲表面濾波器）是利用壓電材料的壓電特性，利用輸入與輸出換能器將電波的輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，經(jīng)過處理后，再把機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電的信號(hào)，用于級(jí)間耦合和濾波，衰減規(guī)定頻帶以外的信號(hào)，比傳統(tǒng)的LC濾波器安裝更簡(jiǎn)單、體積更?。籐4，C9，C5是阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，用來提高帶負(fù)載能力；L1，L2為壓控振蕩器電感，調(diào)整其參量值，即可以改變系統(tǒng)的工作頻率；C1，R1，C2是鎖相環(huán)電路，用來穩(wěn)定鎖住輸入信號(hào)的相位；Q1為具有溫度補(bǔ)償?shù)挠性淳д?，這里選取的晶振頻率為12.800MHz；天線選取高增益的棒狀天線，以最大程度地延長(zhǎng)通信距離.

圖2 SX1212外圍電路

3.2 串口傳輸部分硬件電路

主機(jī)接收部分除了包含從機(jī)的所有器件外，還包括串口接收芯片，這里選用Prolific公司生產(chǎn)的PL-2303芯片.PL2303是一種高度集成的RS0232-USB接口轉(zhuǎn)換器，可編程的通訊波特率最高可達(dá)6Mb／s，工作電壓為3～5V，具有512Byte的雙向數(shù)據(jù)緩存，支持從遠(yuǎn)程輸入相關(guān)調(diào)制信號(hào)進(jìn)行喚醒功能，在工作模式和休眠模式時(shí)都具有較低的功耗，啟動(dòng)時(shí)可以將配置存儲(chǔ)于外部的EEPROM，還具有IIC接口，提供支持Windows和Mac OS，Linux和 WinCE的驅(qū)動(dòng)程序.該器件只需外接幾只電容就可實(shí)現(xiàn)USB信號(hào)與RS232信號(hào)的轉(zhuǎn)換，可以使接收機(jī)和微機(jī)之間實(shí)現(xiàn)全雙工異步串行通信.在設(shè)計(jì)上通過USB接口與電腦直接相連，簡(jiǎn)化了硬件結(jié)構(gòu)，方便為單片機(jī)供電，無需外接電源.電源部分選用AMS公司生產(chǎn)的AMS1117-3.3芯片，其最高輸出電流可以達(dá)到1A，電壓精度高達(dá)2%，使用該芯片時(shí)需要注意的是應(yīng)盡量減小輸入與輸出的壓差以降低其自身功耗，這里的輸入電壓是USB口提供的＋5V.串口轉(zhuǎn)換電路如圖3所示，C7和C9為電源濾波電容，取值為0.1μF，用于濾除中頻噪聲，C8電容值取10μF；晶振使用12MHz的石英晶振，其負(fù)載電容C5和C6值為20pF.R2，R3為限流電阻，阻值為27Ω，R4阻值為1.5kΩ.

圖3 串口轉(zhuǎn)換電路

4 軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)軟件采用C語言編寫，簡(jiǎn)化了程序結(jié)構(gòu)，清晰明了.單片機(jī)MSP430F149的UART口接收的數(shù)據(jù)主要分為3部分，包括1Byte的機(jī)器號(hào)、720Byte的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、2Byte的CRC校驗(yàn)碼，接收到數(shù)據(jù)之后，單片機(jī)首先對(duì)前721Byte進(jìn)行CRC校驗(yàn)，然后將得到的校驗(yàn)碼與接收到的最后2Byte作比對(duì)，如果兩者相等就校驗(yàn)成功.單片機(jī)程序絕大部分是對(duì)SX1212的寄存器進(jìn)行配置，SX1212有4種工作模式，分別是正常模式、喚醒模式、省電模式、休眠模式，在程序中通過對(duì)配置寄存器寫入相應(yīng)的命令，即可使SX1212工作在相應(yīng)的模式.軟件開發(fā)環(huán)境為IAREmbedded-Workbench，發(fā)送端的軟件流程如圖4所示.

圖4 軟件流程圖

部分程序源代碼如下：

5 結(jié)束語

本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有體積小、超低功耗、編程方便、通信可靠性高的特點(diǎn).不僅可以應(yīng)用在教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器上，還可以在無線計(jì)量和無線智能電網(wǎng)、家庭和樓宇自動(dòng)化、無線警報(bào)和安全系統(tǒng)、工業(yè)監(jiān)控和控制、無線醫(yī)療應(yīng)用、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等多個(gè)領(lǐng)域使用.

［1］蘇維嘉，王旭輝.基于MSP430單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2007（23）：117-119.

［2］SEMTECH Company.SX1212transceiver data-sheet［Z］.2010.

［3］魏小龍.MSP430系列單片機(jī)接口技術(shù)及系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002.

［4］李娜，鄭善賢，黎福海.基于MSP430的數(shù)據(jù)采集技術(shù)在電力無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.中國(guó)儀器儀表，2003（12）：4-5.

［5］黃智偉.單片機(jī)無線數(shù)據(jù)通信IC原理與應(yīng)用［M］.北京：北京航天航空大學(xué)出版社，2004.

［6］張浩，馬世偉，高守瑋，等.基于CC1110的電力負(fù)荷無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.測(cè)控技術(shù)，2011，30（6）：16-20.