王曉麗 于 躍 姜 川

(吉林建筑大學(xué)電氣與電子信息學(xué)院，長春 130118)

0 引言

隨著通信技術(shù)不斷的發(fā)展，無線通信已經(jīng)應(yīng)用在生活的各個(gè)方面．常用的無線通信技術(shù)包括藍(lán)牙、WSN，wifi，無線個(gè)域網(wǎng)、紅外線、GSM等［1］．但在數(shù)據(jù)采集過程中仍然存在很多問題，如重復(fù)的人工工作、復(fù)雜的線纜連接、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)處理和電磁干擾等．考慮到不同技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)某杀尽踩翱煽啃缘纫蛩?，藍(lán)牙通信和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是短距離線通信和數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖詈线m的方法，而且，藍(lán)牙技術(shù)能解決如上提出的問題．

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)使用了藍(lán)牙通信技術(shù)進(jìn)行無線的數(shù)據(jù)傳輸，使用了多個(gè)傳感器來接收數(shù)據(jù)，同時(shí)使用虛擬儀器軟件監(jiān)控和處理所有節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)．本系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是多通道數(shù)據(jù)采集，以及采用了基于短程無線數(shù)據(jù)采集運(yùn)行速度較快的軟件．

1 無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的原理

無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包含兩個(gè)部分:數(shù)據(jù)采集部分和主機(jī)數(shù)據(jù)處理部分．傳感器電路的數(shù)據(jù)采集部分主要負(fù)責(zé)接收外部信號(hào)，通過放大器電路可以放大這些不斷變化的信號(hào)．可以使用微處理器STM32外圍的12位高分辨率ADC把放大的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，根據(jù)PC軟件的要求，被轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)能被采集到，從而進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸，或者儲(chǔ)存進(jìn)閃存，等待主機(jī)的讀?。疅o線采集系統(tǒng)還能提供I2C串行總線接口，該接口主要用于連接總線傳感器．經(jīng)過STM32的內(nèi)部倍頻后，外部8M晶振的頻率可達(dá)到72M．?dāng)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)的電源為3．3V電源．PC具有主要負(fù)責(zé)接收所有從下位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)的藍(lán)牙串口接收器模塊．USB電路負(fù)責(zé)USB與PC串口之間的通信［2］．無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的框圖如圖1所示．

圖1 無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的框圖

2 無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

本文使用STM32微處理器作為主控芯片，該處理器芯片具有

144個(gè)引腳．該處理器具有一個(gè)FSMC控制器，該控制器的數(shù)據(jù)線和位址線是分開的．FMSC控制器可以輕松完成讀取和寫入NAND閃存操作．為了長時(shí)間存儲(chǔ)ADC轉(zhuǎn)換后的大量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集模塊將通過一個(gè)外部128MB NAND閃存存儲(chǔ)數(shù)據(jù)．STM32有一個(gè)16通道12位分辨率ADC轉(zhuǎn)換器，其最高轉(zhuǎn)換時(shí)間約為1．17us．主控制器具有5個(gè)用于串行通信的USART異步串行端口．藍(lán)牙串行模塊是CSR的藍(lán)牙控制芯片——BlueCore4-External，其標(biāo)準(zhǔn)是藍(lán)牙2．0協(xié)議，而且具有緊湊的尺寸、高效的天線和簡單易懂的串口．還可以配合藍(lán)牙適配器和藍(lán)牙手機(jī)或配置成主從模式使用．根據(jù)實(shí)際需要，我們可以選擇適合的傳感器或具有I2C串行接口的傳感器作為傳感器電路和單放大電路［3］．在測(cè)試期間，選擇的溫濕度傳感器是SHT10，其成本低、反應(yīng)快、質(zhì)量好、抗干擾性強(qiáng)．工作電壓為2．4～5．5V．

2．1 主控制器MUC，NAND閃存和藍(lán)牙串行模塊的連接圖

主控制器使用三星的K9F1G08

閃存，并與NAND閃存相連．藍(lán)牙串行模塊已經(jīng)固化了與外部環(huán)境連接的接口，所以我們能簡單的將模塊和主控制器STM32的串口連接起來．主控制器的接口、串行模塊、FSMC控制及NAND閃存如圖2所示．

圖2 MUC，NAND閃存和藍(lán)牙串行模塊的連接

藍(lán)牙串行模塊是無線通信系統(tǒng)核心部分，在整個(gè)無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中起到至關(guān)重要的作用．我們?cè)谒{(lán)牙模塊中使用CSR的BlueCore4-External芯片．該芯片提供了USB，UART，SPI和外部閃存的接口．在硬件設(shè)計(jì)中，這是為藍(lán)牙和主控制電路進(jìn)行的模塊設(shè)計(jì)．主控制電路可以通過串口與藍(lán)牙芯片通信．

2．2 USB 串口模塊

在整個(gè)無線通信系統(tǒng)中，有一個(gè)藍(lán)牙模塊與PC機(jī)連接作為主機(jī)節(jié)點(diǎn)．從屬藍(lán)牙節(jié)點(diǎn)可以得到傳感器電路通過串口采集到的數(shù)據(jù)，然后通過藍(lán)牙主機(jī)將信息傳送出去．藍(lán)牙節(jié)點(diǎn)將從從屬設(shè)備上接收信息，并將其轉(zhuǎn)換成串口信息．為了實(shí)現(xiàn)PC串口與藍(lán)牙串口之間的通信，我們進(jìn)行了一個(gè)轉(zhuǎn)換．共同電路是MAX232變換器．無論如何，在本次設(shè)計(jì)中，我們使用了PL2303芯片，它可以通過USB接口實(shí)現(xiàn)PC串口與藍(lán)牙串口之間的通信．該方法也可以為藍(lán)牙主機(jī)節(jié)點(diǎn)提供電源．正如圖中PL2303接口的結(jié)構(gòu)所示，我們只需要連接USB數(shù)據(jù)線纜和PL2303D．整個(gè)模塊電路如圖3所示．

本文設(shè)計(jì)了兩個(gè)電源，分別是USB接口電源和AC/DC適配器電源．如圖4所示，這兩個(gè)電源都將采用調(diào)整電路．調(diào)整器芯片ASM117可以將電源從5V轉(zhuǎn)換為3．3V．4個(gè)電容器就可以實(shí)現(xiàn)電源電壓信號(hào)的過濾．

圖3 USB串口模塊連接

圖4 電源

3 軟件設(shè)計(jì)

無線數(shù)據(jù)采集軟件包括兩個(gè)部分．第一部分是包括硬件在內(nèi)的驅(qū)動(dòng)，主要有數(shù)字傳感器驅(qū)動(dòng)、STM32及外圍設(shè)備的驅(qū)動(dòng)、FSMC控制器驅(qū)動(dòng)的配置，以及藍(lán)牙串行模塊的驅(qū)動(dòng)的配置［4］．每個(gè)硬件的驅(qū)動(dòng)都要得到合適的配置．最復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)是FSMC的驅(qū)動(dòng)和藍(lán)牙芯片的驅(qū)動(dòng)．第二部分是虛擬儀器PC軟件對(duì)PC端的編程程序．主機(jī)計(jì)算機(jī)軟件可以控制每個(gè)藍(lán)牙節(jié)點(diǎn)，并使能數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理．在PC軟件的設(shè)計(jì)中，核心部分是VISI硬件接口驅(qū)動(dòng)．無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用VISI的串口驅(qū)動(dòng)與無線傳輸模塊進(jìn)行通信．

虛擬儀器程序作為無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的頂層部分，主機(jī)計(jì)算機(jī)軟件的特點(diǎn)是處理PC硬件采集的數(shù)據(jù)．為了加快軟件的開發(fā)過程，我們已經(jīng)采用虛擬儀器［5］來建立軟件．對(duì)于虛擬儀器復(fù)雜的體系結(jié)構(gòu)，VISI可以連接常用總線，如GPIB，USB，串口和以太網(wǎng)等．虛擬儀器還可以提供總線VISI驅(qū)動(dòng)．主機(jī)軟件的整個(gè)設(shè)計(jì)過程如下:①配置PC串口;②選擇數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn);③通過底層硬件使能數(shù)據(jù)傳輸和讀取儲(chǔ)存器;④處理數(shù)據(jù)并保存．

該程序包括兩層疊套結(jié)構(gòu)．第一層如圖5所示，我們初始化了VISI串行的一些參數(shù)．需要注意的是，PC串行率、藍(lán)牙串行模塊率及主控制器的STM32外部設(shè)備USART率應(yīng)該是一致的，以便保證數(shù)據(jù)的傳送和接收的正確性．本文配置的串口率為115 200bps，而且測(cè)試顯示，該串口率下的數(shù)據(jù)傳輸是穩(wěn)定可靠的．第二個(gè)程序的框架如圖6所示，應(yīng)用了循環(huán)事件結(jié)構(gòu)．這些事件包括:打開串口、選擇節(jié)點(diǎn)、啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集、接收數(shù)據(jù)、保存文件和關(guān)閉VI．

圖5 PC串行配置的虛擬儀器程序

圖6 主機(jī)計(jì)算機(jī)保存數(shù)據(jù)事件的框圖

4 結(jié)果

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的傳感器部分與溫濕度傳感器SHT10相連．如圖7所示，Labview界面會(huì)顯示測(cè)出的溫度及測(cè)量過程中出現(xiàn)溫度的最大值和最小值．根據(jù)該項(xiàng)目的實(shí)際需要，無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)裝有多個(gè)用于數(shù)據(jù)采集的傳感器．由于STM32具有16個(gè)ADC和多個(gè)I2C，所以可以輕松連接傳感器和整個(gè)系統(tǒng)．同理，對(duì)于虛擬儀器主機(jī)計(jì)算機(jī)軟件程序，通過增加基礎(chǔ)軟件程序中相應(yīng)處理事件，可以快速升級(jí)系統(tǒng)．

圖7 LabVIEW實(shí)時(shí)顯示

5 結(jié)語

本文將STM32和STH10溫濕度傳感器相連，將采集到的溫度數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)，并在LabVIEW界面上顯示出具體溫度數(shù)據(jù)．校園能耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的建成具有十分重要的意義，能夠?qū)π@的能源消耗進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，成本低、性能好、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠、可行性高，從而對(duì)其進(jìn)行科學(xué)有效的管理，讓全校師生參與到建設(shè)節(jié)約型校園中來，培養(yǎng)大家節(jié)能減排的意識(shí)，充分發(fā)揮學(xué)校在倡導(dǎo)低碳生活中的宣傳和教育作用，也可以廣泛應(yīng)用到與工業(yè)實(shí)時(shí)信息采集、無線通訊、數(shù)據(jù)采集讀數(shù)與處理技術(shù)方面．

［1］張士兵，包志華，徐 晨．近距離無線通信及其關(guān)鍵技術(shù)［J］．電視技術(shù)，2006(6):1-3．

［2］廖義奎．ARM Cortex-M4嵌入式實(shí)戰(zhàn)開發(fā)精解-基于STM32F4［M］．北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2013:43-45．

［3］曹圓圓．基于STM32的溫度測(cè)量系統(tǒng)［J］．儀器與儀表分析檢測(cè)，2010(1):1-3．

［4］丁珍紅．基于STM32的高速大容量數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［D］．上海:上海交通大學(xué)，2011．

［5］白 云，高育鵬．基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)［M］．西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2009:8-38．