基于ARM7的數據采集與無線傳輸模塊設計

摘要 提出了一種基于ARM7嵌入式系統的數據采集與無線傳輸模塊的設計方案，實現高精度、快速、實時的數據采集與傳輸。介紹了基于LPC220芯片的數據采集系統，給出了由嵌入式LPC2220微處理器和射頻收發芯片nRF905組成的無線傳輸模塊設計。當其工作在868 MHz頻段時，數據傳輸速率可達1 Mbit·s-1，采用高增益天線，使得傳輸距離可達800 m以上，且表現出良好的穩定性。最終實現高精度、快速、實時的數據采集與傳輸。
關鍵詞 嵌入式系統；LPC2220；nRF905；數據采集；無線傳輸

隨著數據監測、無線通信和EDA技術等應用領域的不斷擴展，人們對數據采集系統的采集精度、采集速度以及數據存儲量都提出了更高的要求。針對當前數據采集系統的不足，提出了一種基于ARM7處理器LPC2220的嵌入式高速數據采集系統設計，以滿足系統高速、實時，數據存儲量大的需求。此外，由于模擬信號的抗干擾能力差而不利于傳輸，因此通常利用數字信號進行傳輸。利用無線通信方式，系統結構輕巧、維護方便。適用于防汛防旱等災難預警中的數據檢測，例如降雨量采集、水文站水位監測等。

1 數據采集模塊設計
1．1 概述
所謂數據采集，就是通過傳感器把一些物理量轉換成模擬電信號，經過處理后再轉換成計算機能識別的數字量，送入計算機。數據采集的關鍵問題是采集速度和精度。采集速度主要與采樣頻率和A／D轉換速度有關，采集精度主要與A／D轉換器的位數有關。高速數據采集系統的設計需要解決的是系統在速度、精度、數據存儲方面的矛盾。文中介紹的數據采集系統采用飛利浦公司的LPC2220微處理器。數據采集系統(DAS)按照功能可分為：模擬信號調理電路、模數轉換器、數據采集和存儲、時鐘電路、系統時序及邏輯控制電路。如圖1所示。

1．2 系統時鐘電路設計
時鐘信號的穩定性決定了采樣系統的性能。而相位噪聲和抖動是反映時鐘信號穩定性的兩個主要指標。其中，相位噪聲用來描述時鐘信號的頻譜純度，相位抖動則直接影響時鐘的過零點。時鐘信號相位抖動對模數轉換信噪比的影響，可通過式(1)計算得出

其中，fs為采樣時鐘頻率；N為模數轉換器的位數；△clk為時鐘信號相位抖動量。因此，取樣時鐘的穩定性與信噪比的性能之間也存在著密切的關系。
1．3 系統抗干擾設計
高速數據采集系統存在較大的干擾問題，例如信號連線上的延遲、串擾、器件內部過度干擾和熱噪聲、電源干擾、地噪聲等。不僅會影響著運算放大器與A／D轉換器等模擬器件的精度，嚴重時還將影響系統的正常工作。因此在高速數據采集系統設計中，整個系統的采集精度主要取決于系統的抗干擾設計，盡可能減小或者消除干擾源。文中主要從以下幾個方面進行考慮：
(1)電源設計方面。根據高速電路設計理論，A／D采集系統中的電源應當采用線性電源，以避免開關電源引入噪聲。為降低電源阻抗，減小噪聲對電源的干擾，通常采用電源層設計，盡可能增大電源面積。在設計每個芯片的供電電路時，在每個芯片的電源附近并聯去耦電容和旁路電容。去耦電容為芯片提供局域化的直流；旁路電容可以消除高頻輻射噪聲和一直高頻干擾。
(2)接地技術方面。高速數據采集系統的模擬地和數字地應嚴格分開，最后單點共地。共地點通常選擇在ADC芯片管腳所需電流最大的位置，這樣可以使大電流對地回流最近。以避免對模擬電路的干擾，提高系統的采集精度。模擬地和數字地可以通過磁珠連接，由于磁珠的高頻阻抗大，而直流電阻為零，能夠濾除高頻電流減少地線上的高頻噪聲。

2 無線傳輸模塊硬件設計
無線傳輸模塊采用單片射頻收發芯片nRF905，負責將工作在433／868／915 MHz國際通用的ISM頻段，頻段間的轉換時間650μs。GMSK ／GFSK調制和解調，抗干擾能力強。采用DDS+PLL頻率合成技術，頻率穩定性好。數據速率可達100 kbit·s-1，170個頻道，傳輸有效半徑達500～1 000 m。
nRF905無線通信芯片采用抗干擾能力強的GMSK調制方式，工作頻率穩定可靠，其顯著特點是外圍元件少、工作電壓低，功耗小，接收待機狀態僅為2．5μA，可滿足低功耗設備的要求。靈敏度高，達到-100 dBm，最大發射功率達+10 dBm。該芯片在設計上充分考慮了用戶編程和使用的方便，它可以直接連接單片機串口并可進行發送和接收數據，而無需對數據進行曼徹斯特編碼。由于采用了低發射功率、高接收靈敏度的設計，使用無需申請許可證，在發射功率+10 dBm情況下，開闊地的使用距離可達1 000 m。