测控技术与仪器 毕业论文范文——无线转发技术的研究.doc

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1、第 1 页 共 41 页无线转发技术的研究摘要 :油井测压系统存在于各个油井设施当中。普通的测试却无法比较精确的测出油井的压力。本课题通过对这个问题的研究,提出使用微控制器 MSP430 控制nRF2401 无线收发芯片的方法,来实现测量数据的无线传输,进而方便地测出数据。论文分析了该系统的硬件电路和软件设计。介绍了工作于 2.4GHz ISM 频段的射频收发芯片 nRF2401 的主要特性和工作模式。 nRF2401 在单片机 MSP430 的控制下,工作在 ShockBurstTM 突发模式。在现有硬件电路的基础上,利用 MSP430单片机控制收发芯片 nRF2401,编写相应的程序来实现

2、 nRF2401 的无线转发发送接收功能。设计适用于油井测压器的数据无线转存发射及接收模块,实现油井测压器的无线控制;结合采集电路进行调试和设计优化。该设计与现有的无线发送系统结合起来,实现了无线数据通信可靠稳定,可应用于油井的数据采集系统。关键词:无线转发,nRF2401 ,MSP430第 2 页 共 41 页The research of wireless transmitted technologyAbstract:Well pressure system exists in the various facilities of the oil well. The general test

3、 is not more precise measure of the pressure well. The topic of this issue through research this problem, advancing the way of using MSP430 MCU control nRF2401 radio transceiver chip approach to achieve the wireless transmission of measurement data, thus easily measured the data.The paper analyze ha

4、rdware and software design of the system. Introduce the band radio transceiver chip nRF2401 the main characteristics and work patterns when works in the 2.4 GHz ISM frequnce. nRF2401 under the control of MSP430 MCU, working in the ShockBurstTM burst mode. On the basis of the existing hardware circui

5、t,by using MSP430 MCU control transceiver chip nRF2401, the preparation of the corresponding procedures to achieve the send and take-over function of the nRF2401.Designed the modules of wireless data transfer of launching and receiving which suitable to pressure oil wells,combining the collection ci

6、rcuit debugging and design optimization. The design with the existing wireless transmitter system, achieve the stable and reliable of wireless data communications, can be applied to the oil wells data acquisition system.Key words:Wireless E,nRF2401,MSP4301 引言近 10 年来,微电子技术的不断进步极大地推动了计算机和通信设备的普及和发展,一些

7、电子产品如 PC 机、掌上电脑、打印设备等逐步进入人们的日常生活,成为人们生活中不可缺少的一部分。然而这些设备之间的数据传输往往通过电缆进行,限制了其使用的灵活性,因此人们开发了能够取代电缆的短距离无线通信技术以解决此问题。随着现代科学技术的快速发展,无线通信功能的实现越来越容易,数据传输速率也越来越高,抗干扰能力也越来越强。因此,越来越多的场第 3 页 共 41 页合采用了无线传输技术,它与有线技术相比主要有成本低、携带方便、适应性好、设备维护容易、省去布线的烦恼等特点。1.1 无线数据传输的应用背景及本课题的意义国际上测量信号通常采用的方法有集流器传输和无线传输两种 1。集流器传输方法包括

8、拉线式、感应式和电刷式三种。拉线式集流器使用时易磨损,适用于低速旋转部件的信号测量;感应式集流器工作时其动静线圈之间的间隙变化会引起磁阻的变化,从而影响测量结果,而且其测量的旋转部件转速不高;电刷式集流器工作性能比较好,可用于较高转速下信号测量,但高速旋转时,电刷集流器定子/转子发热会导致信号漂移,从而出现测量误差。在这个时候,就需要采用带有无线数字传输系统的动态应变仪,解决传统应变仪带来的问题,以便将旋转信号输出 12。在监测系统中,数据从采集设备到处理终端,监测控制指令从处理终端到采集设备,均需经过传输过程这一重要环节。当数据采集点处于运动状态,或者所处的环境不允许铺设电缆,采集设备必须与

9、终端设备分离,此时也只能通过无线方式进行数据传输 3。无线传输方法包括红外传输和无线电传输两种 3。红外传输的载体是红外线,由于红外线有一定的方向性且不能穿越障碍物,因此红外传输只适合于应用在近距离、小角度、无障碍物场合的数据传输。无线电传输按基带信号的形式可以分为两类:模拟信号传输和数字信号传输。模拟信号传输由于基带信号是连续的,混入噪声干扰后不易清除,抗干扰能力差;数字信号传输所传送的信号是数字量,即使收到的信号出现一定的失真,仍可以通过纠错算法恢复出正确的原始信号,因此数字信号传输的抗干扰能力强。由于旋转构件的工作环境一般都比较恶劣,干扰源较多,因此本系统采用抗干扰能力强的无线数字传输技

10、术,应用 TI 公司的MSP430 单片机控制 Nordic 公司的无线数字传输芯片 nRF2401,通过无线方式进行数据传输。1.2 无线数据传输概述现在无线电技术广泛应用于无线电通信、广播、电视、雷达、导航系统等几个主要方面,尽管在传递信息形式、工作方式、设备等方面有差别,但它们的共同特点都是利用高频无线电波来传递信息,因此设备中产生和接收、检测高频信第 4 页 共 41 页号的基本功能电路大都是相同的。随着各种近距离无线技术的出现,不可避免的在一些应用领域内存在重叠和竞争。从 1864 年证明电磁波的存在到 1904 年发明真空二极管,开始进入无线电电子学时代。1907 年真空三极管,用

11、它组成具有放大、振荡、变频、调制、检波和波形变换等重要功能的电子线路,为现代千变万化的电子线路提供了“心脏”器件。因而电子管的出现,是电子技术发展史上第一个重要的里程碑。1948 年晶体三极管的发明,成为电子技术发展史上的第二个重要的里程碑。20 世纪 60 年代开始出现的将“管” 、 “路”结合起来的集成电路,几十年来已取得极其巨大的成就,中、大规模乃至超大规模集成电路的不断涌现出来,可以说集成电路是电子技术发展史上的第三个重要的里程碑。从无线电技术的诞生到现在,它对人类的生活和生产活动产生了非常深刻的影响 7。1.2.1 国内外无线技术发展现状由于生产和生活中的控制应用往往是限定到一定地域

12、范围内,比如:主机设备和周边设备的互联互通,房间内智能电器的控制,餐厅或饭店内的无线点菜系统,厂房内生产设备的管理和监控等,因此随着无线通信设备的迅速增长,各种短距离无线通信技术也得到了广泛的发展。目前,短距离无线通信技术主要有IrDA、蓝牙技术、Wi-Fi 技术、低功率短距离无线通信技术和 UWB 技术五种。1、IrDA 技术IrDA 技术是一种比较成熟的短距离无线传输技术,采用人眼看不到的红外光传输信息,它利用红外光的通断表示计算机中的 0-1 逻辑,通常有效作用半径 2米,发射角一般不超过 20 度,传统速度可达 4Mbit/s10。2、蓝牙(Bluetooth) 技术蓝牙技术是一种通用

13、的短距离无线电技术,可将手机、掌上电脑和笔记本电脑等设备实现无线连接,有效距离可达 10 米,传输速度每秒达 720Kbps。该技术诞生于 1994 年,Ericsson 当时决定开发一种低功耗、低成本的无线接口,以建立手机及其附件间的通信。该技术还陆续获得 PC 行业,如: IBM、英特尔、东芝等业界巨头的支持。这种近距离无线通信技术标准最大的好处,就是能够取代各种电线或电缆。3、Wi-Fi 技术Wi-Fi(Wireless Fidelity,无线高保真)也是一种无线通信协议,正式名称是第 5 页 共 41 页IEEE802.11b,与蓝牙一样,同属于短距离无线通信技术。Wi-Fi 速率最高

14、可达11Mb/s。虽然在数据安全性方面比蓝牙技术要差一些,但在电波的覆盖范围方面却略胜一筹,可达 100m 左右 15。4、低功率短距离无线通信技术一般使用数字信号单片射频收发芯片,加上微控制器和少量外围器件即可构成专用或通用无线通信模块。一般射频芯片采用 FSK 调制方式,工作于 ISM 频段,通信模块一般包含简单透明的数据传输协议或使用简单的加密协议,用户不用对无线通信原理和工作机制有较深的了解,只要依据命令字进行操作即可实现基本的数据无线传输功能,因其功率小,开发简单快速而应用广泛。但数据传输速度、流量都较小,较适合搭建小型网络。在工业,民用领域使用较广,其中较典型的就是 Nordic

15、公司生产的 nRF2401 芯片。nRF2401 是 Nordic 与其亚太地区最佳代理迅通科技在中国首次发布 2.4GHz单片 SOC 无线产品,nRF2401 为 2.4GHz 全球开放频段产品,采用 0.18m 工艺设计,具有高集成度和极具竞争力的成本优势。nRF2401 的优异性能可应用在无线标签、无线终端、无线耳机、无线鼠标、无线键盘等产品设计,在大多数场合可以替代蓝牙的设计 16。5、UWB(超宽带无线技术)技术UWB 无线技术又称脉冲无线电技术,与传统通信技术不同的是,UWB 是一种无载波通信技术,即它不采用载波,而是利用纳秒至微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据,因此其所占的频谱范围

16、很宽 11。UWB 被允许在 3.110.6GHz 的波段内工作,它主要应用在小范围、高分辨率、能够穿透墙壁、地面和身体的雷达和图像系统中。1.2.2 发展趋势数字通信因要求严格,故设备复杂、体积较大。随着数字集成技术的发展,各种大规模、超大规模集成器件的不断出现,加上数字压缩技术的不断完善,数字通信设备的体积将会越来越小。随着科学技术不断发展,数字通信无疑是目前和今后通信技术的主要发展方向。近距离无线传输系统的研究主要是为了改变由于架线引起的不便,而利用数字通信能使信息更加准确 17。无线数据传输系统可分为微波数据传输方式、电台数据传输方式、GSM 和第 6 页 共 41 页GPRS 网络数

17、据传输方式。其中,微波数据传输造价昂贵,电台数据传输投资高,并且它们的维护费用也比较大。GSM 和 GPRS 网络数据的短信息(SMS) 传输,由于其覆盖率较高,费用低,稳定性高,已逐渐成为数据传输的发展趋势 18。2 无线转发系统的总体设计思路2.1 系统设计思路由于油井测压系统存在于各个油井设施当中。普通的测试无法比较精确的测出油井的压力。本课题通过对这个问题的研究,提出使用MSP430单片机控制无线收发芯片的方法,来实现测量数据的无线传输,进而方便地测出数据。无线数据传输是区别于传统的有线传输的新型传输方式,即通过空气或真空实现数据的传送。相比于传统的有线数据传输方式,无线传输方式可以不

18、考虑传输线缆的安装第 7 页 共 41 页问题,从而节省大量线缆,并且降低施工难度和系统成本,是一个很有发展潜力的研究课题。无线数据传输系统的核心是无线收发控制电路。我们可以采用无线收发芯片来构成无线收发控制电路。常见的无线收发芯片有nRF2401、RF2915、BCA18、XC1201、MICRF007及CC400等,它们的工作电压大都在2.4V至5.5 V之间。如何在设计中选择所需要的芯片非常关键,正确的选择可以使工作少走弯路,考虑到各种因素,本课题最终选用挪威Nordic公司推出的单片机无线收发一体的芯片nRF2401 。nRF2401 是单片射频收发芯片,工作于2.42.5GHz IS

19、M频段,芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块,输出功率和通信频道可通过程序进行配置。芯片能耗非常低,以-5dBm的功率发射时,工作电流只有10.5mA,接收时工作电流只有18mA,多种低功率工作模式,节能设计更方便。其DuoCeiver 技术使 nRF2401可以使用同一天线,同时接收两个不同频道的数据。nRF2401 内置地址解码器、先人先出堆栈区、解调处理器、时钟处理器、GFSK滤波器、低噪声放大器、频率合成器,功率放大器等功能模块,工作频率稳定可靠。它采用SoC方法设计,只需少量外围元件便可以组成射频收发电路,并且能够直接和单片机的串口相连,传输的数据无需曼彻斯特

20、编码,效率高,支持多点间通信,最高传输速率超过1Mb/s,而且比蓝牙具有更高的传输速度。与蓝牙不同的是,nRF2401 没有复杂的通信协议,它完全对用数据采集 单片机数据采集、发射部分无线收发模块单片机 无线收发模块图 2.1 无线收发系统框图接收部分存储器静态随机存储器第 8 页 共 41 页户透明,同种产品之间可以自由通信,因此使用起来非常方便。在油井测压系统使用的是TI公司推出的微控制器MSP430,这种型号的控制器在电池供电的低功耗应用中具有独特的优势。其工作电压在1.836V 之间,正常工作时功耗可控制在200A左右,低功耗模式时可实现2A甚至0.1A 的低功耗。MSP430具有非常

21、高的集成度,通常在单个芯片上集成有12位的A D 、比较器、多个定时器、片内USART、看门狗、片内振荡器、大量的IO端口及大容量的片内存储器,一般单片就可以满足大多数的应用需要。在低功耗应用中设计程序时,最好采用以下方法:CPU 在初始化完成后,处于低功耗工作模式,在有外部事件发生时唤醒进入中断服务程序,完成后重新进入低功耗模式,照此循环往复,可以最大限度地降低功耗。较差等。同样,在油井测压系统中使用N04L163WC2A静态随机存储器作为数据的存储器鉴于系统设计思路,要实现数据的无限转发系统功能,最后设计该无线通信系统由发射和接收两大部分够成,发射部分由数据采集、单片机、nRF2401 无

22、线收发模块组成;接收部分由 nRF2401 无线收发模块、单片机等部分组成。2.2 硬件接口示意图在系统的功能实现中,微控制器 MSP430 先从 N04L163WC2A 中读取存储的数据,当静态随机存储器的 CE1 置低 CE2 置高 OE 置低 LB、UB 置低时,MSP430 从 N04L163WC2A 中读取存储的数据,如图 2.3。然后通过微控制器的SPI 口发送给芯片 nRF2401,nRF2401 通过 SPI 口与 MCU 微控制器相连。nRF2401 只有一个 SPI 口 DATA,该引脚与 MCU 的 SPI 数据收发引脚 SlMO和 SOMI 相连,同时 MCU 的 SP

23、I 串接 10K 电阻。 DR1 为接收数据的准备引脚,nRF2401 置位 DR1,表示有数据到来,然后将 DRl 管脚电压拉低,DR1 与 P1.2相连,同时 MCU 的 P1 口具有中断功能,只有当数据准备好后,MCU 即退出中断服务程序,执行相应的数据收发通讯。 单片机设置 nRF2401 的 PWR_UP=1,CE=0,CS=0。等待 3 毫秒后进入配置状态,对 nRF2401 进行配置,在此将 144 位配置字分成 18 个字节,则该状态循环 18 次。配置完成后单片机将 CE 置高,nRF2401 进入等待数据状态。此时单片机对 DR1 进行循环判断,当 DR1=1 时单片机进入

24、数据加载状态。数据加载完毕,第 9 页 共 41 页随后 nRF2401 再进入等待状态,等待下一个数据的到来。在数据发送完毕后,nRF2401 进入空闲模式,等待下一个工作循环的开始。P1.0P1.1P1.2CECSPWR_UPP1.2P3.2P3.3 DATAMSP43010K10K10KnRF2401图 2.3 静态随机存储器的时序波形读周期3 硬件电路设计3.1 总体电路设计根据系统的设计思路,硬件电路图如图 3.1 所示。nRF2401 芯片的 CE、CS、DR1 和 PWR_UP 管脚分别与 MSP430 单片机的P1.0、P1.1、P1.2 和 P1.3 管脚进行连接。由于 SP

25、I 口的 2 个数据管脚都连接到图 2.2 系统原理图第 10 页 共 41 页nRF2401 芯片的 DATA 管脚,因此 MSP430 单片机的 SPI 口的数据管脚都需要串接 10K 的电阻。由于 DR1 是高电平有效,因此需要将 P1.2 管脚拉低。nRF2401外接一个 16M 的晶振。图 3.1 硬件电路图3.2 无线模块电路分析根据本课题的总体设计思路,nRF2401 通过外接晶体为它提供工作所用的时钟。nRF2401 还必须有天线电路这样才能进行数据的收发。MSP430 的 USART 模块可通过寄存器配置为通用异步串行口或 SPI 模块功能,这里配置为 SPI 模块。nRF2401 通过 SPI 口与 MSP430 单片机进行连接,由于 nRF2401 的 SPI 口只有一个数据管脚(DATA 管脚),所以该管脚直接与 MSP430 单片机的 SPI 口的数据

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