一种高精度数据采集无线传输系统硬件设计
2006年 4月 重庆大学学报 (自然科学版 ) Apr. 2006
第 29卷第 4期 Journal of Chongqing University(Nɑturɑl Science Edition) Vol. 29 No. 4
文章编号 : 1000 - 582X (2006) 04 - 0009 - 03
一种高精度数据采集无线传输系统硬件设计 3
尧 鹏 1 ,谢 志 江 2 ,余 中 云 3
(重庆大学 机械传动国家重点实验室 ,重庆 400030)
摘 要 :考虑到移动设备运行中状态信号采集和传输的难度 ,提出了一种新的故障诊断监控系统.
该系统通过基于 W77E58高速单片机的数据采集终端对移动设备的状态信号进行采集 ,采用无线传输
方式快速传递数据 ,并可对数据信号进行故障诊断和精密分析. 它具备快速获取大量数据、高精度数据
转换、程控放大、程控五阶低通滤波等功能. 该系统在国内某大型钢铁企业炼铁厂运料小车的振动状态
监测项目实际应用中得以验证.
关键词 :单片机 ;数据采集 ;无线传输 ;电路设计
中图分类号 : TP273 文献标识码 : A
数据采集系统是工程测试系统中常用的环节 ,通
常由信号调理、A /D 转换、数据存储、数据分析、显示
等几个功能模块组成 [ 1 ] . 然而 ,由于具体工况千差万
别 ,对数据采集系统的要求也各有不同 ,上述数据采集
系统并不能满足所有工程实践的需求. 在需要对运动
构件上被测设备的振动量进行采集从而监测其运行状
况时. 由于被测设备上的传感器安装位置不固定 ,使得
用电缆直接引出信号变得很不可靠 ,甚至根本不可能 ,
例如输煤系统移动设备 [ 2 ] 和炼钢厂的高炉上料小车
等. 此种特殊的工况复杂、采集困难的场合下 ,可采用
高速单片机来构建数据采集无线传输系统 ,不但可解
决信号采集和传输的困难 ,同时还具有体积小、功耗
低、数据传输准确可靠、成本低廉等优点 [ 3 ] .
1 系统方案设计
根据 W77E58单片机卓越的内部硬件结构和增强
的数据传输处理功能 ,系统测试给定的技术要求以及
实现较高速度的数据采集、数据无线传输、采用参数的
查询及保存等功能要求 ;设计出基于华邦 W77E58单
片机的数据采集无线传输系统的总体硬件结构 [ 4 ] .
系统硬件总体结构框图如图 1所示 ,系统由信号
差分放大、程控五阶低通滤波、程控放大、A /D 转换、
W77E58单片机核心处理单元、EPROM、高速缓存、无
线模块、上位机等主要功能模块构成.
图 1 系统硬件总体结构框图
2 系统硬件设计
2. 1 系统硬件选型
1) CPU选型 :W77E58
W77E58是台湾华邦公司生产的与 MCS51系列
单片机兼容的可多次编程的快速微处理器在它内部集
成有 32 K的可重复编程的 flashRAM、256字节的片内
存储器、1 K的用 movx指令访问的 SRAM、可编程的看
门狗定时器、3个 16位定时器、2个增强型的全双工串
行口、片内 RC振荡器、双 16位数据指针等功能 ,支持
多达 6个外部中断源. 采用全静态 CMOS设计 ,在相同
的指令吞吐量下比起普通的 8051 具有更好的节电
性能.
2) A /D芯片选型 : ADS7805
3 收稿日期 : 2005 - 11 - 16
作者简介 :尧鹏 (1979 - ) ,男 ,四川内江人 ,重庆大学硕士研究生 ,从事 DSP及嵌入式计算机测控技术研究.
? 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
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在现代的数据采集系统中 , ADC的转换精度决定
了仪器的转换精度. 为了满足对数据采集精度的要求 ,
系统采用了 BB公司的 16位高精度转换器 ADS7805.
ADS7805性价比高 ,连续两次采样仅间隔 10μs,
最高转换频率可达 100 kHz,芯片内部含有采样保持、
电压基准和时钟等电路 ,简化用户电路设计的同时提
高了系统的稳定性. ADS7805功耗低 (最大功耗为 100
mW ) ,转换精度高 (最大线性误差 ±3. 0 LSB, 16位无
误码 ) ,信噪比低 (20 kHz信号输入最小信噪比为 86
dB) ,转换结果由 16位数据线并行输出 ,启动转换和
读取上次转换的结果可同时进行.
3) 无线传输模块选型 : DTD462A
最大发射功率 10 mW , ISM频段 ,载频频率可设置
为 433 /315 /868 /915 MHz载频. 基于 FSK的调制方
式 ,提高了数据抗突发干扰和随机干扰的能力. 可靠传
输距离可达 300 m,标准配置提供 8个信道.
4) 低 通 滤 波 芯 片 : MAX280. 数 据 缓 存 芯
片 : UT621024.
2. 2 硬件电路设计
系统硬件电路设计包括 :单片机核心电路设计、程
控滤波电路设计、程控放大电路设计、A /D 转换电路
设计、数据缓存电路设计、无线发射接收模块与 CPU
接口电路的设计及系统工作参数保存电路设计. 以下
主要介绍 A /D转换电路和 CPU接口电路设计和使用
MAX280构成的五阶低通滤波电路设计.
1) A /D转换电路与 W77E58的接口电路设计
系统中 W77E58外接 22. 1184 MHz的晶振 ,工作
时钟控制模式选为 ×1,此时可将 ADS7805的 /CS脚
接到 W77E58的 P15信号引脚 ,接单片机的 P17口 ,
而 /BUSY信号只需连接到普通的输入输口 P16 即
可 [ 5 ] . 图 2 是一个 ADS7805 与 W77E58 的典型接口
电路.
2) 程控滤波电路设计
系统中 ,使用由模拟多路开关 AD7502 (由单片机
控制选通 ) 和单片集成 5 阶巴特沃斯低通滤波器
MAX280组成的 4档程控低通滤波器 [ 6 ] ,电路的工作
原理如图 3所示. AD7502的 A0、A1脚接单片机 P0口
的 P0. 0脚和 P0. 1,单片机的 P0口输出不同的值 ,控
制多路开关 AD7502不同通道的接通 ,从而选择不同
组合的电阻 ,使 555振荡电路产生不同振荡的频率 ,这
样就可以得到不同的低通截止频率.
图 2 A /D与单片机接口电路原理图
图 3 程控滤波电路原理图
3 系统基本工作原理
系统采用锂电池供电 ,传感器信号经由程控放大
模块、程控滤波模块、然后通过 A /D 转换由 W77E58
拾取 ,存入数据缓存芯片 ,信号数据通过串口传递给无
线传输模块进行发送 ,再由地面无线传输模块接受 ,并
且通过串口送入上位 PC机 ,进行时域波形显示 ,并可
对数据信号进一步进行故障诊断和精密分析.
系统各个状态参数和工作参数 ,例如信号增益倍
数和低通滤波截止频率等参数均可通过上位机进行程
控修改 ,并且保存在 EEPROM 里面 ,便于电池更换之
后恢复工作状态和程序查询当前状态. 上位机同时也
可将控制命令以无线传输的方式送到采样模块 ,实现
对采样模块的各种控制.
系统可以根据需要对无线模块进行简单配置 ,以
确定信道、接口方式和数据格式. DTD462的右上角有
一组 5位的短线跳线组 (JP2) ,分别定义为 ABCDE,假
设跳线开路 (不插短路器 )为状态 1,跳线短路 (插入短
路器 )为状态 0,则配置方法如下 : JP2的 ABC 3位跳
线提供 8种选择 ,可以通过 ABC 3 位跳线选择使用
0～7号信道 ,在 1个通信小网中 ,只要 ABC的跳线方
式相同 ,就可以相互通信. DTD462提供的 8个信道可
01 重庆大学学报 (自然科学版 ) 2006年
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满足 8路信号的无线传输. 本系统选择 : D = 0 (跳线短
路 )接口方式为 RS - 232, E = 1 (跳线开路 )偶校验.
4 小 结
课题主要设计并且实现了一种以 W77E58单片机
为核心 ,采用 A /D芯片和无线传输模块构成的高精度
数据采集无线传输系统. 系统将基于单片机的数据采
集系统的应用领域作了一定程度的拓展. 为无线网络
化的数据采集系统的研究提供了有益的理论探索和工
程实践 ,并做了相关应用技术和经验方面的积累. 针对
现场条件复杂、工况特殊、布线困难等情况下对被测设
备的各类监测数据进行实时采集和可靠传输的难题 ,
提出并实现了一种切实可行的解决方案 ,有一定的工
程实用意义.
参考文献 :
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[ 6 ] 严楣辉. 集成运算放大器分析与应用 [M ]. 成都 :电子科
技大学出版社 , 1992.
Electro2circuit Design About the Data Acquisition and
W ireless Transm ission System Based on High2speed SCM
YAO Peng1 , X IE Zhi2jiang2 , YU Zhong2yun3
( State Key Laboratory ofMechanical Transm ission, Chongqing University, Chongqing 400030, China)
Abstract: Considering the difficult of acquiring and transm ission the signal from the moving equipment, a new fault
diagnosis monitoring system is presented. The system acquires the state signal from the moving equipment by data acqui2
sition module that based inW77E58 high2speed SCM, and transm its the data fast by wirelessmode. The signal data can
be use for fault diagnosis and precise analysis. The system has the ability for acquiring abundance of data with a high
speed, the ability for high accuracy data conversion, and has a function of programme controlling gain and p rogramme
controlling low2pass filtering. The successful application of this system on the vibration monitor about the material2trans2
porting bogie in an iron works of a domestic steel enterprise proves the stability and credibility about the design project,
also testifies its practical value and versatility.
Key words: SCM; data acquisition; wireless transm ission; electro2circuit design
(编辑 成孝义 )
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