郝小雷，劉志強(qiáng)

（1.69016部隊(duì)，新疆　烏魯木齊　830001；2.預(yù)備役192師第575團(tuán)，遼寧 本溪 117000）

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基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集與近距離無(wú)線(xiàn)傳輸系統(tǒng)研究

郝小雷1，劉志強(qiáng)2

（1.69016部隊(duì)，新疆烏魯木齊830001；2.預(yù)備役192師第575團(tuán)，遼寧 本溪 117000）

摘要：近年來(lái)，我國(guó)工業(yè)發(fā)展迅速。在這樣的背景下，自動(dòng)化機(jī)電設(shè)備的應(yīng)用也得到了相應(yīng)的普及。與此同時(shí)，一些自動(dòng)化機(jī)電設(shè)備的規(guī)模、復(fù)雜程度以及智能程度也越來(lái)越高。在自動(dòng)化機(jī)電設(shè)備廣泛應(yīng)用的條件，確保其運(yùn)行的穩(wěn)定性及安全性非常重要。文章對(duì)基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集與近距離無(wú)線(xiàn)傳輸系統(tǒng)進(jìn)行研究，首先對(duì)相關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)要概述，然后對(duì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及功能進(jìn)行分析，進(jìn)一步對(duì)硬件部分的實(shí)現(xiàn)以及軟件部分的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行分析，希望以此使該系統(tǒng)能夠?yàn)樽詣?dòng)化機(jī)電設(shè)備可靠性及安全性的提高提供有效技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；數(shù)據(jù)采集；無(wú)線(xiàn)傳輸系統(tǒng)

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)呈現(xiàn)了快速的發(fā)展勢(shì)態(tài)，在這樣的勢(shì)態(tài)下我國(guó)工業(yè)也快速發(fā)展起來(lái)［1］?；诠I(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，少不了自動(dòng)化機(jī)電設(shè)備的應(yīng)用。而要想使自動(dòng)化機(jī)電設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中的穩(wěn)定性及安全性得到有效保障，為其提供相關(guān)技術(shù)及系統(tǒng)的支持非常關(guān)鍵。而基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集與近距離無(wú)線(xiàn)傳輸系統(tǒng)便能夠提高自動(dòng)化機(jī)電設(shè)備在運(yùn)行期間的穩(wěn)定性及安全性。鑒于此，本文對(duì)“基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集與近距離無(wú)線(xiàn)傳輸系統(tǒng)”進(jìn)行研究意義重大。

1　相關(guān)系統(tǒng)簡(jiǎn)要概述

基于工業(yè)控制系統(tǒng)當(dāng)中，一般的數(shù)據(jù)方式有2類(lèi)：其一為持續(xù)發(fā)生變化的電壓或電流等模擬量藍(lán)齊兒為基于二進(jìn)制模式的開(kāi)關(guān)量。當(dāng)中，持續(xù)發(fā)生變化的模擬量需要多類(lèi)傳感器的支持，才能夠使數(shù)據(jù)得到有效輸出。因此，此類(lèi)數(shù)據(jù)方式相對(duì)于基于二進(jìn)制模式的開(kāi)關(guān)量更為常見(jiàn)。在此次研究中，將模擬量視為采集數(shù)據(jù)的主要途徑［2］。通常條件下，所采集的數(shù)據(jù)需使用導(dǎo)線(xiàn)向控制中心傳輸。此類(lèi)方法需利用專(zhuān)門(mén)使用的電纜進(jìn)行鋪設(shè)，并且在造價(jià)成本上顯得不夠經(jīng)濟(jì)，此外在電纜維修養(yǎng)護(hù)方面難度也較大。綜合考慮，為了解決在造價(jià)成本、電纜維修養(yǎng)護(hù)方面的不足，此次在相關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，使用了AT89S52單片機(jī)作為核心芯片，并使用高性能無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片CC1000、MAX1167多通道A/D變換器以及AD623儀器放大器等芯片，進(jìn)而使數(shù)據(jù)采集與近距離無(wú)線(xiàn)傳輸系統(tǒng)的高速性及穩(wěn)定性得到有效提高。

2　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能分析

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，需對(duì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及功能充分了解，這樣才能夠?yàn)橄到y(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供科學(xué)憑據(jù)。對(duì)于將AT89S52單片機(jī)作為核心芯片的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及系統(tǒng)相關(guān)功能為。

2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

將AT89S52單片機(jī)作為核心芯片的系統(tǒng)主要由兩大組分組成：其一為數(shù)據(jù)接收處理部位；其二為數(shù)據(jù)采集發(fā)送部分。將數(shù)據(jù)接收處理部位稱(chēng)之為上位機(jī)，上位機(jī)又進(jìn)一步細(xì)分為3個(gè)模塊，即單片機(jī)控制系統(tǒng)模塊、無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊以及串行通信模塊。本文將數(shù)據(jù)采集發(fā)送部分稱(chēng)之為下位機(jī)模塊，下位機(jī)模塊組分較多，包括了單片機(jī)控制系統(tǒng)、A/D轉(zhuǎn)換模塊、無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊以及信號(hào)放大模塊等［3］。此外，單從AT89S52單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)來(lái)看，包括了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、程序存儲(chǔ)器、微處理器、控制部件以及特殊功能寄存器等。如圖1所示，為AT89S52單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　AT89S52單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2.2系統(tǒng)功能

要想了解系統(tǒng)的整體功能，需從上位機(jī)和下位機(jī)2個(gè)方面著手：（1）基于上位機(jī)中，單片機(jī)控制系統(tǒng)主要針對(duì)上位機(jī)的其他模塊進(jìn)行控制。而無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊則主要和下位機(jī)保持通信關(guān)系，使短距離的數(shù)據(jù)傳輸?shù)玫接行?shí)現(xiàn)，同時(shí)使信息的傳輸?shù)玫接行Э刂?。?duì)于串行通信模塊來(lái)說(shuō)，主要把無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊所接收的數(shù)據(jù)向設(shè)備控制中心傳輸。（2）基于下位機(jī)中，傳感器主要對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。放大器主要把傳感器傳輸?shù)玫降哪M量進(jìn)一步放大。而模擬量被放大之后，其數(shù)字化則需A/D轉(zhuǎn)換模塊加以實(shí)現(xiàn)。進(jìn)一步在單片機(jī)控制系統(tǒng)的作用下，使數(shù)字化進(jìn)一步向二進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化［4］。此外，單片機(jī)控制系統(tǒng)還起到了對(duì)無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊控制的作用，進(jìn)而以天線(xiàn)為傳輸渠道，通過(guò)電磁波的方式把數(shù)據(jù)向上位機(jī)發(fā)送過(guò)去。

3　系統(tǒng)硬件部分的實(shí)現(xiàn)分析

在上述分析過(guò)程中對(duì)本次設(shè)計(jì)系統(tǒng)的硬件有了一定的認(rèn)識(shí)，為了使系統(tǒng)硬件部分得到有效實(shí)現(xiàn)，下面就對(duì)其相關(guān)硬件進(jìn)行詳細(xì)分析。

3.1AT89S52單片機(jī)分析

在本次系統(tǒng)當(dāng)中，所使用的單片機(jī)即為AT89S52單片機(jī)，由Atmel公司生產(chǎn)，屬于八位CMOS微處理器，主要特點(diǎn)是功耗低以及性能高。其內(nèi)部具備在線(xiàn)可編程Flash存儲(chǔ)器，屬于8K字節(jié)類(lèi)型，此外還包括了看門(mén)狗定時(shí)器以及計(jì)數(shù)器等。基于系統(tǒng)應(yīng)用分析，AT89S2單片機(jī)能夠與工業(yè)上指定的80C51產(chǎn)生充分兼容，進(jìn)而使系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)得到有效保障。

3.2無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊分析

基于無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊當(dāng)中，系統(tǒng)應(yīng)用了CC1000加以實(shí)現(xiàn)，這是一類(lèi)單片無(wú)線(xiàn)收發(fā)一體芯片，由Chipcon公司生產(chǎn)，主要的特點(diǎn)是功耗低以及電壓低。在工業(yè)以及醫(yī)療的一些特定頻率當(dāng)中，該無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊具備顯著應(yīng)用價(jià)值。與此同時(shí)，在不能直接適應(yīng)的頻率中，可采取編程的方式使其間接性地在一些頻率中應(yīng)用。在此次系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，將工作頻率控制在433MHz。在此芯片應(yīng)用的條件下，使得短距離的數(shù)據(jù)傳輸顯得更加穩(wěn)定，同時(shí)還具備接收穩(wěn)定數(shù)據(jù)的功能。

3.3轉(zhuǎn)換器分析

在此次系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，所使用的轉(zhuǎn)換器為MAX1167 A/ D轉(zhuǎn)換器，由MAXIM公司生產(chǎn)。該轉(zhuǎn)換器主要用于模數(shù)的轉(zhuǎn)換，其具備的特點(diǎn)包括功率低、高精度以及多通道等。采樣頻率最高數(shù)值為200K，其內(nèi)部有4V左右的參考電壓集成，與此同時(shí)還包括了參考電壓緩沖器以及自動(dòng)掉電等功能?？傊撧D(zhuǎn)換器在模數(shù)轉(zhuǎn)換中效率高，為系統(tǒng)硬件部分功能的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。

3.4放大器分析

為了使傳感器小信號(hào)的放大得到有效實(shí)現(xiàn)，此次設(shè)計(jì)了AD623放大器，這是一種集成單電源儀表放大器，基于單電源3～12V的條件下能夠使電源幅度的輸出得到有效實(shí)現(xiàn)。與此同時(shí)，該放大器可以進(jìn)行單獨(dú)的增益設(shè)置電阻，進(jìn)一步使增益編程得到有效實(shí)現(xiàn)，這樣便使得放大器的功能的靈活度得到有效提高。基于沒(méi)有外接電阻的情況下，如果該放大器設(shè)置單位增益，則可以使外接電阻值擴(kuò)大數(shù)千倍［5］。并且，該放大器的誤差偏小，能夠使線(xiàn)路可能產(chǎn)生的噪聲得到有效控制?；谡w層面分析，AD623放大器是以單電源的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)的，基于雙電源工作環(huán)節(jié)中，它還是可以發(fā)揮出很好的性能作用。

4　系統(tǒng)控制流程及軟件實(shí)現(xiàn)分析

如前所述，系統(tǒng)做好分為上位機(jī)和下位機(jī)兩大構(gòu)成部分。而本次所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的控制流程便是這兩大構(gòu)成部分的主要工作。與此同時(shí)，軟件的實(shí)現(xiàn)也可系統(tǒng)控制流程有著密不可分的關(guān)系。具體內(nèi)容包括如下。

4.1上位機(jī)控制流程分析

對(duì)于上位機(jī)來(lái)說(shuō)，其控制流程實(shí)現(xiàn)需嚴(yán)格遵循基本原則：首先，通過(guò)上電完成初始化工作，然后由控制無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊對(duì)相關(guān)控制信息進(jìn)行發(fā)送，例如下位機(jī)ID信息、校驗(yàn)荷以及傳感器編號(hào)信息等。其次，通過(guò)串行通信模式把數(shù)據(jù)向設(shè)備控制中心傳輸，當(dāng)接收到與設(shè)定值個(gè)數(shù)相符合的數(shù)據(jù)之后，上位機(jī)再進(jìn)行控制信息的發(fā)送，進(jìn)一步完成其他傳感器數(shù)據(jù)的采集。如果情況較為復(fù)雜，則可利用按鍵對(duì)一些復(fù)雜傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。

4.2下位機(jī)控制流程分析

與上位機(jī)相同，下位機(jī)在控制流程實(shí)現(xiàn)過(guò)程中也需遵循一定的原則：首先，下位機(jī)需保持在初始化狀態(tài)，將上位機(jī)的控制信息接收到之后，以控制信息為依據(jù)，對(duì)MAX1167采集到的不同通道的輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行控制，進(jìn)一步在無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊的作用下，將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送出去［6］。將一定數(shù)量的數(shù)據(jù)發(fā)送之后，再轉(zhuǎn)化為接收方式，對(duì)上位機(jī)的命令進(jìn)行接收，最終對(duì)特定的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集以及發(fā)送?？傊?，無(wú)論是上位機(jī)控制還是下位機(jī)控制，均需要遵循一定的流程，這樣才能夠使軟件功能的實(shí)現(xiàn)得到有效保障。

5　結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本文的探究，認(rèn)識(shí)到在我國(guó)工業(yè)發(fā)展的背景下，相關(guān)技術(shù)也不斷的進(jìn)步，而對(duì)于其中的自動(dòng)化機(jī)電設(shè)備來(lái)說(shuō)，由于復(fù)雜程度、只能程度越來(lái)越高，為此確保其在運(yùn)行過(guò)程中的穩(wěn)定性及安全性便顯得極為重要。在此次研究過(guò)程中，設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集與近距離無(wú)線(xiàn)傳輸系統(tǒng)。筆者認(rèn)為，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先需對(duì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以及功能有足夠的了解，以此為系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，將AT89S52單片機(jī)作為核心芯片，同時(shí)還包括了無(wú)線(xiàn)收發(fā)、轉(zhuǎn)換器、放大器等硬件設(shè)備，每一類(lèi)設(shè)備均具備自身的功能。此外，在系統(tǒng)控制流程方面，主要分為上位機(jī)的控制流程和下位機(jī)的控制流程。本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠提高自動(dòng)化控制設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中的穩(wěn)定性及安全性，進(jìn)一步為相關(guān)工作生產(chǎn)效益的提高奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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Based on Single Chip Microcomputer Data
Acquisition and Wireless Transmission System Closely

Hao Xiaolei1, Liu Zhiqiang2
（1.69016 Units， Urumqi830001， China；2.Reserve 192， 575th Regiment， Benxi 117000， China）

Abstract：In recent years, the industry has developed rapidly in our country. In this context, the application of automated mechanical and electrical equipment is the popularity of the corresponding. At the same time, some degree of automation of mechanical and electrical equipment scale, complex and intelligent degree is becoming more and more high. In the conditions of the automation of mechanical and electrical equipment widely used， to ensure the running stability and security is very important. This paper based on the single-chip microcomputer data acquisition and wireless transmission system is studied from close range， frst to a brief overview of related systems，and then analyzes the structure and function of the system, further to the realization of the realization of the hardware part and software part were analyzed, and hope to make the system can provide automation to improve mechanical and electrical equipment reliability and security of effective technical support.

Key words：single chip microcomputer; data acquisition; the wireless transmission system

作者簡(jiǎn)介：郝小雷（1981-），男，安徽渦陽(yáng)，碩士，助理工程師；研究方向：計(jì)算機(jī)軟件工程，多agent系統(tǒng)。