1、应变测试数据接收的研究摘 要应变测试是机械制造、造船、航天、水利、土木和生物材料学科等专业必不可少的测试内容，对应变测试所得到的数据如何进行有效地接收是本设计的核心。本文介绍了以单片机 ADC812 和射频收发芯片 nRF905 为核心的数据接收系统，描述了 nRF905 的工作过程，分析研究了数据接收系统所涉及到的天线、串口通信、SPI 技术等诸多关键技术，完成了软、硬件设计。设计的数据接收系统工作频段433MHz、灵敏度-100dBm、工作电压 3V 与 5V、电流消耗低、体积小、成本低、应用性强。关键词：射频，数据接收，ADC812，nRF905第 1 页 共 44 页Research
2、for Strain testing datas receptionAbstractThe strain test is a necessary test content in the machine manufacture, the shipbuilding, astronautics, construction and biological material discipline Specialties and so on. How to receive the data of Strain test is this Layouts core. This article take the
3、monolithic integrated circuit ADC812 and radio frequency receiving and dispatching chip nRF905 as the core data receiving system, it describe the nRF905 work process. The analysis has studied the antenna, the serial port correspondence, the SPI technology which the data receiving system involves and
4、 so on many key technologies and the software and hardware design is completed in this article. The layout of data receiving system operating at 433MHz, sensitivity is -100dBm , working voltage are 3V and 5V, low current consumption, small volume,low cost, utility Characteristic.Keywords: RF，data re
5、ception，ADC812，nRF9051 引言1.1 应变测试数据接收的目的和意义随着我国社会主义建设稳步进行，社会主义生产力得到快速健康发展，人民生活水平显著提高，全国上下以极大热情建设和谐小康社会。城乡建设得到更合理有效的规划，房屋、桥梁、公路、铁路、车站、堤坝、港口等工程建设全面有序展开。为确保工程质量安全，我们需要对工程强度等诸多工程问题进行深入研究，探索有效解决方案。测定构件中应力与应变是实验应力分析学科领域的重要内容，是解决工程强度的主要手段 1。对真实结构的强度、刚度和稳定性的研究都要获得被考察点应变的量值大小。在工程中，我们经常需要研究构件在载荷、温度等条件下内外部应力和变
6、形的分布情况，特别需要确定危险部位的最大应变量。目前已经逐步发展成熟各种实验手段进行应力应变测量。应变测试在对材料的科学实验及实际工程建设中的应用和作用至关重要，而对于应变测试数据的实第 2 页 共 44 页时精确可靠的接收意义重大，它直接关系到工程建设的安全。应变测试是一环节，数据的接收和分析是另 一环节，只有数据得到准确实时的有效接收，我们才能对所测工程建设进行有效的评价，最终拿出确实可行的建设方案。1.2 研究内容概述检索资料，熟悉了解应变测试数据接收的目的和意义，明确数据接收的原理和采用的模块，设计传输系统电路，并进行实际调试和数据分析。随着现代电子技术的发展和科学工程实验的深入扩展进
7、行，对数据接收的速率和精度提出了越来越高的要求。应变（应力）测试是机械制造、造船、航天、水利、土木和生物材料学科等专业必不可少的测试内容，而应变测试数据接收及其实验分析的研究显得尤为重要。数据的接收方式多种多样，对于数据的分析方法也不尽相同。对于数据的接收，可以分为有线及无线传输。在过去数据传输局限在有线时期，采用同轴电缆、双绞线、光纤等。但随着社会的发展，科技的进步，人们已经不满足于有线的数据传输，在保证传输质量和速度的前提下，人们更倾向于无线数据传输，它的的优点是显而易见的。无线数据传输在各项科学研究及日常生活中应用十分广泛，例如汽车轮胎压力监视系统（TPMS）中其采集的温度压力数据需要传
8、送到汽车驾驶室内的主控制器进行处理,而且该收发电路要安装在轮胎里,这就必须要求通过一种无线方式实现数据的传输 2；还有在有害气体监测系统中无线数据传输也扮演着极其重要的角色如果说传感器是人类各种感觉的延伸，那么无线传输就是这些感觉传回人的大脑的神经。本课题对于应变测试数据的接收方式选择无线数据传输。数据接收芯片采用射频收发器nRF905，利用单片机ADC812控制nRF905数据接收，并作相关的实验分析研究。该解决方案成本低、芯片体积小、灵敏度高、电流消耗低、容易实现，应用十分广泛。1.3 无线数据传输技术的发展历史和国内外发展现状最初的电路设计，大约要追溯到18世纪末、19世纪初。当时已经发
9、明了可以连续可靠工作的蓄电池，即伏打电池，它可以驱动最初始的电路提供可靠的直流功率。之后又出现了低频交流电源，它能更有效地输送电力，而只有很小的传输损耗，并且可以利用变压器来改变电能。麦克斯韦1864年在英国皇家学会上发表的一篇文章中提出电场和磁场可以通过其所在的空间中耦合从而实现电磁波传播第 3 页 共 44 页的思想。赫兹于1887年用实验证明了电磁能量可以通过空间发射和接收。该发明预示着无线通信领域的迅速发展。1897年，英国科学家马可尼在陆地和一只拖船之间用无线电实现了人类历史上第一次无线消息的传输，这被认为是无线通信的开端，可以认为从那时起射频技术正式诞生了。1901年马可尼利用电磁
10、波实现了横跨大西洋的无线通信。1947年美国贝尔实验室发明了双机型晶体管，逐步取代了体积大、功率高的真空管电子器件。伴随射频集成电路和微波集成电路的出现，通信设备价格更低廉、体积更小、重量更轻，射频通信电路逐步从军用转向民用，并推动了射频通信技术的进一步发展。现在用于无线通信的模拟电路都已经发展到了GHz波段。全球定位系统（GPS）载波频率在1227.60MHz和1572.42MHz范围内。个人通信系统中用的LNA工作在1.9GHz甚至更高频段 3。射频技术在我国的应用，应该还处于一个起步的阶段。差距首先表现在技术上，虽然在低频和中频产品应用上面，已经有了一定的基础，但在高频领域基本上没有大规
11、模成熟的应用案例。市场化程度越高，越具有竞争性，组织对于效率的要求就会越强烈。射频技术的国产化是刻不容缓的，无论从哪一方面讲，如果长期只依赖国外进口产品，将阻碍射频技术的推广和大规模的使用。在射频国产化的道路上，应用系统的国产化最先起步，目前也是比较有成效的。随着系统应用技术逐渐成熟和市场的壮大，也涌现出了许多优秀的系统集成商，特别是中、低频的非接触产品的应用中。国内外有多家公司生产种类繁多的射频模块，如美国MDS无线数据通信公司提供从130MHz5.8GHz各种频段的射频收发系统，另外还有美国Axelwave公司、深圳华为、北京昆奇等1.4 本文所做的主要工作和本文结构本文主要对应变测试数据
12、实时接收电路结构进行了介绍，对通信接口电路，电压转换电路，以及 SPI 串口通信进行了分析，给出了数据接收电路的硬件结构图。并完成了 433MHz 的射频接收系统的电路设计。本论文共分六章:第一章引言概述了应变测试数据接收的目的和意义、本课题研究内容以及无线数据传输技术的相关描述;第二章介绍系统方案的总体设计及关键技术研究; 第三章芯片的介绍；第四章系统硬件设计; 第五章系统软件设计；第 4 页 共 44 页第六章结束语。2 系统方案的总体设计及关键技术研究2.1 设计要求明确数据接收原理，设计一个数据传输系统电路，该系统能对应变测试数据实时可靠接收。2.2 无线数据传输方式方式选择对于数据的
13、传输接收可分为有线传输和无线传输。在过去数据传输局限在有线时期，采用同轴电缆、双绞线、光纤等。但随着社会的发展，科技的进步，工程实验更加复杂化，人们已经不满足于有线的数据传输，在保证传输质量和速度的前提下，人们更倾向于无线数据传输，它的的优点是显而易见的。目前，无线数据传输有红外、蓝牙、射频等方式。首先，射频（Radio Frequency） ，简称RF。射频就是射频电流，它是一种高频交流变化电磁波的简称。每秒变化小于1000次的交流电称为低频电流，大于第 5 页 共 44 页10000次的称为高频电流，而射频就是这样一种高频电流。在传输距离方面，从几厘米到几百米甚至几千公里都有，有较强的穿透
14、力和抗干扰能力，且价格适中。所以射频技术在无线通信领域具有广泛的、不可替代的作用 4。与现在新兴的红外、蓝牙相比，无线电波射频通信有着悠久的历史和成熟的技术。与红外通信相比，虽然普通射频传输的部分波段需要申请，安全性较低，链路比较复杂，但它也有很多红外通信所没有的特点:如覆盖范围大，有效通信距离长，不受遮挡物的限制等等。与蓝牙相比，普通的射频无线传输方式没有复杂的协议栈，多个频段可供选择，在传输速率上，也可高于蓝牙，且价格低廉。另外，国内外成熟的普通射频无线收发模块比比皆是，大大节约了开发时间和开发成本 5。我们知道红外无线通信是一种采用红外线作为通信载体的通信方式，一般通过波长为850nm的
15、红外线传输数据。有ASK, QPSK, PPM等多种调制方式，其最高传输速率可达到16Mbps，适合于传输容量较大的数据。红外通信方式是电波法规之外的传输方式，在通信速率和调制方式方面有充分的自由空间 6。红外通信在短距离、室内应用中有较大的优势。红外通信如果采用点对点的方式进行数据传输，其发射角度一般不超过30度，通信距离仅为13m。红外链路采用IM/DD (即亮度调制/直接探测)信道，因为载波的波长短，而且探测器面积相对较大，就能有效地避免多径衰落，所以红外链路组网简单。同时，红外通信具有成本低，速度快，带宽几乎不受限制的优势。但是红外通信是一种视距传输，2个相互通信的设备之间必须对准，中
16、间不能被其他物体阻隔，因而一对发射接收装置只能用于2台(非多台)设备之间的连接。另外，红外线易收到环境噪声的影响，如太阳光，电灯等。因此，为了保证红外通信的可靠性，需用厚的窗帘挡光。蓝牙是现在比较流行的短距离无线传输，它是一种无线数据与语音通信开放性全球规范，它是以近距离无线连接为基础，为固定与移动设备通信环境建立一个特别连接的短程无线电技术。其实质内容是建立通用的无线电空中接口及其控制软件的公开标准，使不同厂家生产的便携式设备，在没有电线或电缆相互连接的情况下，能在近距离范围内具有相互操作的性能 7。蓝牙工作在全球通用的2.4GHz ISM(即工业、科学、医学)频段。蓝牙的时分双工传输方案被
17、用来实现全第 6 页 共 44 页双工传输。ISM频带是对所有无线电系统都开放的频带，因此使用其中的某个频段都会遇到不可预测的干扰源。例如某些家电、无绳电话、停车房开门器、微波炉等等，都可能是干扰。为此，蓝牙特别设计了快速确认和跳频方案以确保链路稳定。对于现在流行的蓝牙技术来讲，它的优点是:体积小，抗干扰性强，并且不受位置固定的限制，但传输距离有限。综合价格、传输距离、应用环境、可操作性等因素我们选择射频模块完成本次设计。2.3 接收芯片的选择近几年来无线数据传输技术己经成为小型工业监控系统的主要组成部分，此类无线数据传输和现存的有线数据传输以及其他无线数据传输相比较而言，工业监控中的无线数据
18、传输主要使用射频(RF)技术来发送和接收数据包。整个系统的各个部分都是服务于无线数据传输这个目的，所以在整个系统的软件设计中，无线数据的传输部分(射频模块)就为最主要部分。射频就是射频电流，它是一种高频交流变化电磁波的简称，每秒变化小于1000次的交流电称为低频电流，大于10000次的称为高频电流，而射频就是这样一种高频电流，射频技术在无线通信领域具有广泛的、不可替代的作用。目前常见的射频收发芯片有CC1000、TDA5220、nRF905等。其中CC1000是根据Chipcon公司的SmartRF技术 8，在0.35m CMOS 工艺下制造的一种理想的超高频单片收发通信芯片。它的工作频带在3
19、15、868及915MHz，但CC1000很容易通过编程使其工作在3001000MHz范围内。它具有低电压（2.33.6V） ，极低的功耗，可编程输出功率（-2010dBm） ，高灵敏度（一般-109dBm） ，小尺寸（TSSOP-28封装） ，集成了位同步器等特点。其FSK数据传输可达72.8Kbps，具有250Hz步长可编程频率能力，适用于跳频协议；主要工作参数能通过串行总线接口编程改变，使用非常灵活。而TDA5220是一种低功耗的单片FSK/ASK超外差无线电接收器芯片，其工作频段为810MHz870MHz和400MHz440MHz两种，ASK模式接收灵敏度为-106dBm，FSK模式接
20、收灵敏度为-100dBm；电源电压为5V；电流消耗低（FSK模式时为5.9mA，ASK模式时为5.2mA） ，低功耗模式时电流消耗为50nA 9。nRF905是挪威Nordic公司推出的单片射频收发射器芯片，工作电压为1.9-第 7 页 共 44 页3.6V，32引脚QFN封装（5mm5mm） ，工作于433/868/915MHz 3个ISM频道（可以免费使用） 。nRF905可以自动完成处理字头和CRC（循环冗余码校验）的工作，可由片内硬件自动完成曼彻斯特编码/解码，使用SPI接口与微控制器通信，配置非常方便，其功耗非常低，以-10dBm的输出功率发射时电流只有11mA，在接收模式时电流为1
21、2.5mA 10 11。nRF905 工作在 433/868/915 MHz 国际通用的 ISM 频段，GMSK/GFSK 调制和调解，抗干扰能力强，采用 DDS+PLL 频率合成技术，频率稳定性好，灵敏度可达到-100dBm。该芯片对高频模拟和数字电路进行了大量集成，包括电源管理、晶体振荡器、低噪声放大器、频率合成器、接收解调器、功率放大器和 GFSK 调制器等模块，不需外加声表面波滤波器。外围只需要一个普通晶体、一个电阻，就可以构成一个工作在 433 MHz 和 868930 MHz 的国际通用的 ISM 频道的无线数字通信电路，实现 10 dBm 的无线发射功率，其无线工作距离可以达到几
22、百米，数据传输速度可以达到 100Kbit/s。更重要的是，该芯片实现了自动数据包装传输、自动监听、自动收发数据、CRC 校验等高级功能，非常容易使用。由于无线收发芯片的种类和数量比较多，无线收发芯片的选择在设计中是至关重要的，正确的选择可减小开发难度，缩短开发周期，降低成本，将产品更快推向市场。选择无线收发芯片时应考虑需要几点因素：功耗、发射功率、接收灵敏度、收发芯片所需的外围元器件数量、芯片成本、数据传输是否需要进行曼彻斯特编码等。用来评价无线数据收发的几项重要指标有：接收灵敏度、动态范围、选择性、接收频率稳定度、发射输比功率、效率、发射频率范围、功耗等因素。对于接收和发送数据，满足频段的
23、范围越大，灵敏度越高，在相同条什下的接收电流越小，发射电流越大，所需外围器件越少等条件的收发芯片应用也就越广泛，并且可以适合于多种情况。 综合以上考虑，NRF905 的优越性就很明显了，所以在本设计中选择 NRF905 是最适用的。本课题数据接收电路是基于无线射频收发芯片 nRF905 设计而成的，该芯片能够很好的实现本课题要求的无线接收系统 12。2.4 应变测试数据接收系统阐述应变测试数据经过天线传输到数据接收电路系统，由单片机 ADC812 控制射频收发器 nRF905 对数据进行接收，数据通过接口电路传输到显示器，从而对数据第 8 页 共 44 页进行实验分析。PC 机 ADC812单
24、片机 NRF905 模块RS232 串口 SPI 总线天线图 2.1 系统框架总图3 芯片介绍3.1 单片机 ADC8123.1.1 ADC8XX 系列单片机阐述美国 ADI 公司是一家著名的半导体生产厂商，以生产高性能、高精度的模拟电路而闻名于世，是这一领域的领导者。近几十年来 ADI 公司将精湛的模拟电路技术和数字电路技术有机地结合在一起，推出了一系列功能强大、具有 ADC、DAC转换接口的微控制器。在二十世纪九十年代后期，公司开始生产与 8052 兼容的单片机ADI 微转换器，ADI 早期的产品为 ADC812、816、824 分别具有 12、16和 24 位 ADC。与以往单片机相比，
25、最大最突出的优点：1.率先集成了精密 ADC、DAC 及快闪存储器于微转换器中。这一特点特别适合于测控系统和仪器仪表中使用，迄今为止将众多功能的外设集成在一枚芯片中的第 9 页 共 44 页单片机也不多见。2.用 RS-232 或一根口线实现在线调试和在线编程的功能。只要有一台 PC 机或笔记本电脑，不需要专门的硬件仿真器和 JTAG 接口，是能对系统硬件进行在线调试、编程或对系统升级。这个功能在现有单片机中是独一无二的。3.兼容 8052 内核。由于 ADC8XX 高速微控制器功能强大，因而它的应用也遍及各个领域，例如工业控制与自动化、智能传感器、基站系统、电机控制、精确测量仪器、家用电器、
26、通信设备等 13。3.1.2 ADC812 的总体介绍ADC812 在单个芯片内集成了 8 路 12 位 ADC 采集系统、2 路 12 位DAC、80C52MCU 内核、8KB 的闪速/电可擦除程序存储器、640 字节的闪速/电可擦除数据存储器、看门狗定时器、640 字节的闪速/电可擦除数据存储器、看门狗定时器、电源监视器、I 2 C 兼容的 SPI 和标准的 UART 串行 I/O 模块及灵活的电源管理方案等等，真正实现了单片机应用系统的单片机 14。ADC812 是一种把 8 位微控制器（指令集与 8051 微控制器兼容）和 12 位A/D 转换器以及 12 位 D/A 转换器等外围电路
27、集成在一块芯片上的 12 位数据采集集成电路。芯片中与 8051 兼容的 CPU 由在片 8 kB FLASH/EE 程序存储空间，640 B FLASH/EE 和 256 B SRAM 数据存储空间支持。在模拟信号处理方面，ADC812 提供 8 通道、12 位、200 KSPS 的 A/D 转换器；提供 2 通道、1 2 位的 D/A 转换器。芯片还提供上述转换所需要的参考电源，同时具有转换结果的校准能力。ADC812 其他外围功能包括监视定时、通用定时/计数、电源管理、ADC 转换结果的直接存储（DMA）等功能。在数字信号传输方面，该芯片提供 4 个 8 位并行I/O 接口、与 SPI 兼容的串行接口和标准 UART 串行接口。3.1.3 外部存储器接口ADC812 可以访问 64 K 外部程序存储器和 16 M 外部数据存储器。对外部程序存储器的访问与标准的 8051 芯片相同。对容量达 16 M 外部数据存储器的访问电路图如图 2.3 所示。要访问 1 6 M 数据存储器需要 24 条地址线，ADC812 的数据指针（DPTR）由 3 个特殊存储器（DPP，DPH 和 DPL）组成。在访问数据存储
