基于无线通信的数据采集系统的设计

北京交通大学硕士学位论文基于无线通信的数据采集系统的设计姓名：汤文申请学位级别：硕士专业：电气工程指导教师：王毅20090601中文摘要摘要：本文以一种基于RF的无线数据采集系统研制过程为主要内容，详细阐述了利用无线收发芯片nRF2401设计的数据采集系统的设计流程、开发方法和开发过程，给出了具体的实现方案并对设计完成的系统进行了性能测试。在系统设计中采用了模块化的设计思想，按照系统功能划分为三大模块，即数据采集模块、无线通信模块、计算机显示处理模块。数据采集模块主要完成现场数据的采集；无线通信模块是基于Nordic公司的nRF2401无线收发芯片设计的，其设计功能是完成数据的无线传输：计算机处理显示模块是应用VisualC++软件编写的，通过可视化、友好的编程界面实现数据的显示与处理。系统开发的最终硬件成果是一个小巧的数据采集装置，通过USB接口与PC机连接，工作人员在基于WindOWS的图形界面上对各项功能进行操作，方便直观。调试结果表明：本系统可以在无线通信方式下实现数据采集，满足数据采集系统的要求，达到了预定的技术指标。关键词：数据采集；射频；无线传输分类号：ABSTRACTABSTRACT：ThethesiscontainscontentwithakindofwirelessdataacquisitionsvstembasedonRF'whichdesignedbythereceivinganddispatchingchipnRF2401．Thepaperexplainsdetailedlythedesignapproach，method，procedure，providestheconcreterealizationschemeandcarriesOilthetestoftheperformance1ndesignedsystem．Du订ngthedesignprocedure，thesystemisdividedintothreemajormodulesaccordingtothefunctionalstructure，namelydataacquisitionmodule，wirelessconununicationmoduleandcomputerdealingmodule．Dataacquisitionmoduleco瑚【pletesthedataacquisitiononthespot，wirelesscommunicationmoduleismadeupofnRF2401chip，whichmainlyrealizeswireless．datatransmission．Thecomputerdealingmoduledisplaysanddealswiththedatathroughthevisual，friendlyprogramminginterface．FinalachieverIlentofthesystemdesignisacompactdataacquisitiondevice，whichconnectswithPCthroughUSBinterface．systemisoperatedthroughtthegraphicaluseriInerf．acebasedonwindows，whichisveryconvenienttooperate．Debuggingresultindicatedthatthedataacquisitioncouldbeachievedinwirelesswayusingthissystem，datat舢smissionsatisfytherequestofthedataacquisitionsystemandreachthepreconcertedtechnicalindex．KEYWORDS：Dataacquisition；Radiofrequency；WirelesstransmissionCLASSN0：学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，提供阅览服务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。(保密的学位论文在解密后适用本授权说明)、7，’学位论文作者签名：沏乏导师签名：签字日期：沙c}年6月24口!q签字日期：沙。彳年多月独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：勿主签字R期：沙多年石月矽同63致谢本论文的工作是在我的导师王毅教授的悉心指导下完成的，王毅教授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来王毅老师对我的关心和指导。王毅教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予了我很大的关心和帮助，在此向王毅老师表示衷心的谢意。在实验室工作及撰写论文期间，罗礼全、常广、刘思佳，鄢素云等博士师兄和谢将剑、马力、王佳曦、柏泽龙等同学对我论文中的研究设计工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。另外也感谢我的父母，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。引言1引言1．1课题的背景和意义我国lOkV的电力系统大多采用中性点不接地系统或经消弧线圈接地的运行方式，即为小电流接地系统。中性点不接地系统，当发生单相接地时，不构成短路回路，可继续运行一段时间。但此时非接地相对地电压却升高为相电压的√3倍，而且，由于输电线路对地有电容，中性点不接地系统单相接地时，接地点接地电流属容性电流。随着网络的延伸，该电流也愈益增大，完全有可能使接地点电弧不能自行熄灭并引起弧光接地过电压，甚至可能发展成严重的系统性事故。因此，必须及时判断、查找出故障线路，进行处理。单相接地是电力系统最常见的故障，由于接地电流微弱、故障电弧不稳定等原因检测起来困难很多。该类型故障的定位一直是困扰电力部门线路维护人员的难题。故障指示器是目前应用较多的一种产品，当供电线路有短路或接地故障发生时，安装在架空线上的故障指示器的传感器检测出电流电压突变信号。故障指示器内部CPU对信号进行分析比较运算后，进行翻牌显示(转红)，达到设定时间能自动复位，恢复初始指示状态。工作人员通过报警指示信号，能够迅速准确地找到电力线路故障位置而及时排除，大大加快了故障查找和处理速度。然而，在应用过程中，发现部分故障指示器不能正确动作，甚至误动作。究其原因，是由于故障指示器动作值整定不合理，整定值太高，发生故障时指示器不动作；整定值太低，指示器误动作lIJ。因此，为了研究发生故障时电力线路中的故障参数，更加准确地设定故障指示器的整定值，需要研制一套电力线路数据采集系统，收集输电线路正常工作时和发生故障时的参数。本设计将无线通信技术应用于电力线路的数据采集中，旨在改善信号的输出方式。要采集架空线路上电流的参数，并在上位机上显示采集到的数据，使用无线通信方式是最有效和最安全的。如果使用有线方式传输数据，电力线路间以及线路与大地之间的分布电容参数将受到影响，无法获得有效准确的数据。电力线路的高压环境也对数据的传输有一定影响，对设备的绝缘有很高的要求。本系统的应用，将有助于了解线路的实际运行情况，为故障指示器的动作准确性的提高创造了条件，也便于对故障时的参数进行分析。数据采集系统对环境要求低、抗干扰能力强，传输距离较远，灵敏度高、性能稳定，接口方便这些良好的性能特点使得它能广泛应用于多个领域，如车辆监控、无线抄表、无线遥控、生物信号采集、水文气象监控等领域，具有广泛的应用前景。1．2国内外发展状况近年来随着计算机技术、通信技术、集成电子技术的飞速发展，在国内射频(RF)技术也趋于成熟，开发出了种类齐全的射频无线数据传输芯片。这些射频芯片，不仅传输速率快，而且失真度、灵敏度等指标较以前都有较大的提高。如今这些芯片正向集成化，小型化方向发展，使用成本也大大降低，采用射频芯片来开发嵌入式产品有非常广阔的应用前景。目前，国内外知名厂商都非常重视射频传输芯片开发研究以及应用射频芯片的嵌入式系统设计。在无线传输芯片制造方面，由于微电子技术的飞速发展，现在RF无线数据传输的发射与接收电路己经实现了集成化。其组成电路也更趋于简单。如现在应用比较广泛的Nordic公司的NRF系列和Chipcon公司的CC4000无线数传芯片，它们只需要较少的外围辅助元件就可以实现数据的无线收发。用于数据传输的芯片按照数字调制方式分主要包括振幅键控(ASK)，频移键控(FSK)，移相键控(PSK)三种方式，而短距离传输芯片常采用FSK调幅方式。这类芯片发射功率比较小，适合于用于短距离的数据采集，其中国际通用的数传频段433MHz，传输速率多为2400bps，4800bps，9600bps等。现代随着射频技术的发展，无线数传芯片尺寸越来越小，功能也越来越齐全，再加上辅助元件后在性能上更加优越，传输距离更远，信号的稳定性更高，传输速率更快，硬件实现简单，抗干扰能力强，特别适合工业控制场合，现在市场上的无线数据传输芯片主要为FSK调制方式，其频率发生器种类繁多，但基本上分为三类：第一种采用LC振荡器，可靠性低，但是价格便宜；第二种是采用声表振荡器，频率稳定性高于LC振荡器；第三种采用锁相环技术，晶振稳频，性能比较优良，价格也比较昂贵。在国内，应用这些高集成度的芯片嵌入要开发的系统中，广泛应用到国民经济的各个领域中：如无线数据采集传输系统，车辆监控，小型无线网络，无线抄表，工业数据采集系统，无线遥控系统，生物信号采集，水文气象监控，机器人制造，无线232数据通信等等。这些应用为国家和企业节省了大量人力物力，使我们现代办公和生活更加方便安掣41。2引言1．3本文的主要内容本文的主要内容是实现无线数据采集系统的设计。数据采集端对电力线路参数进行测量采集并通过无线方式把数据发送出去，数据接收端对采集端发送的数据进行接收并显示给用户。文章在系统硬件设计上详细阐述系统各个模块的硬件选择与连接，对模块设计中比较重要和需要注意的问题做重点介绍。在软件设计上，总体分为数据无线传输控制和PC机用户界面软件两部分的设计。本设计具体内容如下：1．对应用无线技术的数据采集系统的组成作以概括性的介绍，结合实际情况选择了合适的硬件器件。2．完成基于无线技术的数据采集系统的总体方案设计：主要描述了该数据采集系统的工作原理并给出系统框图；根据要求选择了无线传输方案，确定相关各硬件器件的选型。3．系统硬件电路设计：针对所选方案及选定器件，完成硬件电路的连接蝣并对各部分电路的原理及其在系统中所完成的功能作详细说明。4．系统软件设计：系统软件是基于模块化的设计思路，本文中按照硬件电路所完成不同的功能来设计不同的模块，给出了系统各部分模块的程序流程图。，5．系统调试情况：对仿真环境作简单的介绍，阐述了利用编程环境进行程序调试的步骤和过程，以及应用程序的测试结果。6．总结本论文的研究内容，针对系统在其他更高要求领域中的应用，提出了一些改进完善措施。3无线数据采集系统总体方案设计2无线数据采集系统总体方案设计2．I系统结构综述本装置主要分为两个部分：(1)安装在电力线路上的电量采集发射单元，包含电压、电流互感器，单片机和无线发射单元。(2)无线接收单元和用于显示数据的监测计算机。本设计的数据采集系统工作原理是：在电力线路上需要数据采集的位置点安装电量采集发射单元，通过其中的电压电流互感器采集模拟信号，单片机把采集到的模拟信号进行AD转换，得到的数字信号通过单片机的SPI接口传输给无线发射芯片nRF2401进行数据的发射；在接收端，无线接收芯片收到有效数据后传送给单片机，单片机通过U