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【摘要】针对极端环境下数据采集难以解决的问题，传统的方法难以适用强干扰下的数据采集。采用高性能单片机AT89C52与低成本RF收发芯片CC1100相结合，基于无线射频技术，设计了一种无线数据采集系统。详细介绍了无线收发模块硬件电路及其功能，重点阐述了CC1100射频芯片发送与接收采集数据的过程。在整个系统设计中，采取合理的抗干扰措施，实现极端环境下的数据采集与测量。整个系统通用性强、可靠性高、便于测量。
【关键词】无线；数据采集；CC1100芯片；单片机
1.引言
传统的数据测量系统是通过传感器将采集的现场信号转换为电信号，经模/数转换器采样、量化、编码后，成为数字信号，存入数据存储器或送给微处理器进行处理[1，4]。但在强干扰或恶劣的条件下，这种方式很难满足测量的需要。因此，建立一种能在强干扰背景下提取有效信号，能够通过无线传输的方式对数据进行采集的系统是十分必要的。
无线传输就是通过无线通信技术把传感器测得的模拟电信号经过模数转换转化成数字信号传输到接收设备[2]。在此基础上，本文提出将传感器所输出带有干扰信号的微弱信号经过信号调理电路进行提取，去除干扰信号，然后将有效信号经无线传输到接收设备，再经过上位机系统进行分析处理，从而满足极端环境下的数据采集。
2.系统总体设计
本系统主要由以下几个部分构成：信号调理模块、无线收发模块、上位机处理模块。信号调理模块主要是将传感器输出的微弱信号进行放大、送入相关器中进行去除干扰信号，提取出较为纯净的有效信号。无线收发模块主要是将信号调理模块中输出的信号经单片机与无线收发芯片进行无线传输，经MAX232接口将数据送入上位机中。上位机模块主要是对采集到信息进行显示、处理及数据存储。系统组成结构框图如图1所示。
3.信号调理模块
对传感器端输出的信号采用的INA114集成仪表放大器进行放大，它是一种精密、低功耗集成仪表放大器，采用放大器的虚地技术[6，7]，可以阻断在环境中部分干扰信号的进入，提高放大器的电磁兼容能力。将两路放大后的信号输入数字相关器[5]中进行信号的去干扰，然后将相关器输出的有效信号输入无线收发模块。数字相关器由交流放大器、开关式乘法器、低通滤波器、积分器等组成，利用互相关[3]的原理进行同步相干检测。
4.无线收发模块
4.1 无线收发模块硬件设计与分析
由单片机AT89C52和射频芯片CC1100一起实现无线数据收发模块，并由单片机来控制射频芯片的收发过程。AT89C52是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM）。CC1100是一种低成本真正单片的UHF收发器[10]，为低功耗无线应用而设计，体积小、灵敏度高（1.2kbps下110dBm，1％数据包误差率），能应用于极端环境条件下的无线数据传输。如图2所示，由于AT89C52本身没有SPI串行总线接口，所以用P2口来模拟SPI接口与CC1100进行通信。CC1100的SI为连续配置端口，为数据输入脚；SCLK引脚为时钟输入端口；SO口为数据输出口，当CSn为高电平时可选为一般输出脚；GDO0和GDO2为数字I/O脚，可连续输入TX数据；CSn为连续配置端口，用来选择芯片，以上几个端口在本系统中由单片的P2口控制来实现无线收发的目的，其中4线SPI为SI，SO，SCLK和CSn端口。其通信过程如下：单片机将接收的A/D转换后的数据通SPI接口送给处于发射状态下的CC1100，再由CC1100转换成数据帧发送出去，处于接收状态下的CC1100芯片收接有效的数据后，将数字信号通过SPI接口送给单片机，再通过接口电路将数据送入PC机，进行实时分析和处理。这个模块无线传输数字信号，避免模拟信号带来的干扰，在实际应用中，工作在极端环境下的发射模块部分，由单片机构成的微控制器和射频发射模块之间的干扰也需要抑制，尤其是射频电路对电源噪声相当敏感，因此在集成电路电源引脚处分别采用去耦合[8]的方法来抑制干扰。
4.2 无线收发模块软件分析
本文中所设计的数据采集系统中无线数据传输是通过单片机控制射频芯片来完成的，因而在上位机中可利用软件编程来实现单片机的控制，测量数据传输系统软件流程图如图3。
单片机通过SPI接口来与射频CC1100通信，因此也需配置好射频芯片的寄存器以满足数据的发射与接收，CC1100配置寄存器[10]位于SPI地址从0x00到0x2F之间。所有的配置寄存器均能读和写，读/写位控制寄存器是读或者写。当对寄存器写时，每当一个待写入的数据字节传输到SI脚时，状态字节将被送至SO脚。通过在地址头设置突发位，连续地址的寄存器能高效地被访问，这个地址在内部计数器内设置起始地址。每增加一个新的字节（每8个时钟脉冲），计数器值增加1。在发送数据时，采用字模式方式传送，从缓冲寄存器中一次取8位到移位寄存器，经过调制发射出去，当移位寄存器空时，再从缓冲寄存器中取8位，而缓冲寄存器的数据装入是由单片机中断引发的，在接收数据时，射频芯片接到数据后，经过低噪声放大器、滤波处理、解调处理后被送进移位寄存器中，然后再存入缓冲寄存器，再经处理器把数据取出。寄存器的配置参数（在SmartRF Studio中配置）如图4。
5.上位机模块
在数据采集与处理系统中，可采用基于LabVIEW的PC机软件通过MAX232接口与单片机通信，从而控制串口和无线模块的收发，并通过LabVIEW来处理接收到的数据，在其操作面上显示实时测得数据信号。LabVIEW用VISA节点[9]来实现串行通信，单片机和上位机之间是用MAX232串口通信[8]，LabVIEW中可以用VISA接口模块进行串行通信。
6.结束语
本文基于RF CC1100收发芯片，设计了无线数据采集系统，实现了短距离数据无线接收功能，代替传统有线测量。在系统前端设计了合理的信号调理电路，实现了对微弱信号的提取，去除有效信号中的干扰，且在电路设计中采取了一系列的抗干扰措施，如使放大器虚地、集成电路去耦合化等，提取较好有用信号，提高测量精度，且便于测量。经测试表明：此测量系统能有效抑制干扰，外围电路少，通用性强，成本低且便于测量和显示，具有较大的实用价值。
参考文献
[1]夏均忠,刘远宏等.微弱信号检测方法的现状分析[J].噪声与振动控制.2011(6):156-161.
[2]Y.Wang,W.H.Siew.Digital Wireless Data Acquisition System for Measurement in High Voltage Substations[R].IEEE International Conference on Automation,5,2006.
[3]高晋占.微弱信号检测[M].北京:清华大学出版社,2004.
[4]黄锐,李琳琳,刘易.用nRF2401实现的高速无线测量系统[J].单片机与嵌入式系统应用,2005.1:77-78.
[5]单巍,昂志敏.基于AD603的一种微弱信号宽带放大器设计[J].淮北煤炭师范学院学报,2009.12:16-19.
[6]陈德海,梁毓明.低功耗温室无线测量节点的设计[J].自动化仪表,2010(5):65-69.
[7]孙嘉兴,刘艳侠.数据采集中微弱信号处理[J].仪器仪表学报,2001(8):21-22.
[8]李念强等.数据采集与系统设计[M].北京:机械工业出版社,2009.
[9]张桐,陈国顺,王正林.精通LabVIEW程序设计[M].电子工业出版社,2008.
[10]CC1100 Datasheet [DB/OL].http://cn.alldatasheet.com/data sheet-pdf/pdf/162166/ETC1/CC1100.html.
作者简介：刘旭飞（1977—），男，四川人，硕士，重庆广播电视大学助教，主要研究方向：无线通信、3G通信，电子技术等。
【关键词】无线；数据采集；CC1100芯片；单片机
1.引言
传统的数据测量系统是通过传感器将采集的现场信号转换为电信号，经模/数转换器采样、量化、编码后，成为数字信号，存入数据存储器或送给微处理器进行处理[1，4]。但在强干扰或恶劣的条件下，这种方式很难满足测量的需要。因此，建立一种能在强干扰背景下提取有效信号，能够通过无线传输的方式对数据进行采集的系统是十分必要的。
无线传输就是通过无线通信技术把传感器测得的模拟电信号经过模数转换转化成数字信号传输到接收设备[2]。在此基础上，本文提出将传感器所输出带有干扰信号的微弱信号经过信号调理电路进行提取，去除干扰信号，然后将有效信号经无线传输到接收设备，再经过上位机系统进行分析处理，从而满足极端环境下的数据采集。
2.系统总体设计
本系统主要由以下几个部分构成：信号调理模块、无线收发模块、上位机处理模块。信号调理模块主要是将传感器输出的微弱信号进行放大、送入相关器中进行去除干扰信号，提取出较为纯净的有效信号。无线收发模块主要是将信号调理模块中输出的信号经单片机与无线收发芯片进行无线传输，经MAX232接口将数据送入上位机中。上位机模块主要是对采集到信息进行显示、处理及数据存储。系统组成结构框图如图1所示。
3.信号调理模块
对传感器端输出的信号采用的INA114集成仪表放大器进行放大，它是一种精密、低功耗集成仪表放大器，采用放大器的虚地技术[6，7]，可以阻断在环境中部分干扰信号的进入，提高放大器的电磁兼容能力。将两路放大后的信号输入数字相关器[5]中进行信号的去干扰，然后将相关器输出的有效信号输入无线收发模块。数字相关器由交流放大器、开关式乘法器、低通滤波器、积分器等组成，利用互相关[3]的原理进行同步相干检测。
4.无线收发模块
4.1 无线收发模块硬件设计与分析
由单片机AT89C52和射频芯片CC1100一起实现无线数据收发模块，并由单片机来控制射频芯片的收发过程。AT89C52是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM）。CC1100是一种低成本真正单片的UHF收发器[10]，为低功耗无线应用而设计，体积小、灵敏度高（1.2kbps下110dBm，1％数据包误差率），能应用于极端环境条件下的无线数据传输。如图2所示，由于AT89C52本身没有SPI串行总线接口，所以用P2口来模拟SPI接口与CC1100进行通信。CC1100的SI为连续配置端口，为数据输入脚；SCLK引脚为时钟输入端口；SO口为数据输出口，当CSn为高电平时可选为一般输出脚；GDO0和GDO2为数字I/O脚，可连续输入TX数据；CSn为连续配置端口，用来选择芯片，以上几个端口在本系统中由单片的P2口控制来实现无线收发的目的，其中4线SPI为SI，SO，SCLK和CSn端口。其通信过程如下：单片机将接收的A/D转换后的数据通SPI接口送给处于发射状态下的CC1100，再由CC1100转换成数据帧发送出去，处于接收状态下的CC1100芯片收接有效的数据后，将数字信号通过SPI接口送给单片机，再通过接口电路将数据送入PC机，进行实时分析和处理。这个模块无线传输数字信号，避免模拟信号带来的干扰，在实际应用中，工作在极端环境下的发射模块部分，由单片机构成的微控制器和射频发射模块之间的干扰也需要抑制，尤其是射频电路对电源噪声相当敏感，因此在集成电路电源引脚处分别采用去耦合[8]的方法来抑制干扰。
4.2 无线收发模块软件分析
本文中所设计的数据采集系统中无线数据传输是通过单片机控制射频芯片来完成的，因而在上位机中可利用软件编程来实现单片机的控制，测量数据传输系统软件流程图如图3。
单片机通过SPI接口来与射频CC1100通信，因此也需配置好射频芯片的寄存器以满足数据的发射与接收，CC1100配置寄存器[10]位于SPI地址从0x00到0x2F之间。所有的配置寄存器均能读和写，读/写位控制寄存器是读或者写。当对寄存器写时，每当一个待写入的数据字节传输到SI脚时，状态字节将被送至SO脚。通过在地址头设置突发位，连续地址的寄存器能高效地被访问，这个地址在内部计数器内设置起始地址。每增加一个新的字节（每8个时钟脉冲），计数器值增加1。在发送数据时，采用字模式方式传送，从缓冲寄存器中一次取8位到移位寄存器，经过调制发射出去，当移位寄存器空时，再从缓冲寄存器中取8位，而缓冲寄存器的数据装入是由单片机中断引发的，在接收数据时，射频芯片接到数据后，经过低噪声放大器、滤波处理、解调处理后被送进移位寄存器中，然后再存入缓冲寄存器，再经处理器把数据取出。寄存器的配置参数（在SmartRF Studio中配置）如图4。
5.上位机模块
在数据采集与处理系统中，可采用基于LabVIEW的PC机软件通过MAX232接口与单片机通信，从而控制串口和无线模块的收发，并通过LabVIEW来处理接收到的数据，在其操作面上显示实时测得数据信号。LabVIEW用VISA节点[9]来实现串行通信，单片机和上位机之间是用MAX232串口通信[8]，LabVIEW中可以用VISA接口模块进行串行通信。
6.结束语
本文基于RF CC1100收发芯片，设计了无线数据采集系统，实现了短距离数据无线接收功能，代替传统有线测量。在系统前端设计了合理的信号调理电路，实现了对微弱信号的提取，去除有效信号中的干扰，且在电路设计中采取了一系列的抗干扰措施，如使放大器虚地、集成电路去耦合化等，提取较好有用信号，提高测量精度，且便于测量。经测试表明：此测量系统能有效抑制干扰，外围电路少，通用性强，成本低且便于测量和显示，具有较大的实用价值。
参考文献
[1]夏均忠,刘远宏等.微弱信号检测方法的现状分析[J].噪声与振动控制.2011(6):156-161.
[2]Y.Wang,W.H.Siew.Digital Wireless Data Acquisition System for Measurement in High Voltage Substations[R].IEEE International Conference on Automation,5,2006.
[3]高晋占.微弱信号检测[M].北京:清华大学出版社,2004.
[4]黄锐,李琳琳,刘易.用nRF2401实现的高速无线测量系统[J].单片机与嵌入式系统应用,2005.1:77-78.
[5]单巍,昂志敏.基于AD603的一种微弱信号宽带放大器设计[J].淮北煤炭师范学院学报,2009.12:16-19.
[6]陈德海,梁毓明.低功耗温室无线测量节点的设计[J].自动化仪表,2010(5):65-69.
[7]孙嘉兴,刘艳侠.数据采集中微弱信号处理[J].仪器仪表学报,2001(8):21-22.
[8]李念强等.数据采集与系统设计[M].北京:机械工业出版社,2009.
[9]张桐,陈国顺,王正林.精通LabVIEW程序设计[M].电子工业出版社,2008.
[10]CC1100 Datasheet [DB/OL].http://cn.alldatasheet.com/data sheet-pdf/pdf/162166/ETC1/CC1100.html.
作者简介：刘旭飞（1977—），男，四川人，硕士，重庆广播电视大学助教，主要研究方向：无线通信、3G通信，电子技术等。