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1、無線低功耗大容量數(shù)據(jù)采集記錄系統(tǒng)論文 摘要 充分考慮地理條件的限制因素，解決工作人員對數(shù)據(jù)進行采集，并提取數(shù)據(jù)的問題，設計了一種基于無線通信網(wǎng)絡技術的低功耗無線手持式數(shù)據(jù)記錄儀。該低功耗無線手持式數(shù)據(jù)記錄儀，由鋰電池供電，可以對采集到的數(shù)據(jù)進行存儲、顯示及分析。其最大的優(yōu)越性是，不用局限于某特定地方采集數(shù)據(jù)，用戶可以通過自己實際的情況，在一定的范圍了，隨時隨地的對數(shù)據(jù)進行采集，然后選擇所需要的信息，系統(tǒng)可以自動的對此信息進行處理、分析，將分析的結(jié)果在液晶上顯示出來，同時系統(tǒng)可以對采集的數(shù)據(jù)進行存儲，便于幾次采集的數(shù)據(jù)進行對比分析。由于采用具有超低功耗優(yōu)點的MSP430F149和MSP430

2、F247單片機進行控制，使得其耗電量特少，系統(tǒng)穩(wěn)定，一次充電長期使用。 關鍵詞：數(shù)據(jù)采集 無線通信 MSP430 數(shù)據(jù)分析 數(shù)據(jù)存儲 目錄 1引言 - 1 - 2方案設計 - 1 - 2.1總體方案描述 - 1 - 2.2方案選擇 - 1 - 2.2.1數(shù)據(jù)發(fā)生模塊 - 1 - 2.2.2單片機選擇 - 2 - 3硬件系統(tǒng)設計 - 3 - 3.1 鋰電池電源管理模塊 - 3 - 3.1.1鋰電池概述 - 3 - 3.1.2鋰電池電源管理 - 3 - 3.2數(shù)據(jù)生成模塊 - 4 - 3

3、.3無線通訊模塊 - 6 - 3.4數(shù)據(jù)發(fā)送模塊 - 6 - 3.5數(shù)據(jù)接收模塊 - 6 - 3.6液晶模塊 - 6 - 3.7按鍵模塊 - 6 - 3.8阻頻轉(zhuǎn)化模塊 - 7 - 4系統(tǒng)軟件設計 - 8 - 4.1 MSP430F247控制系統(tǒng) - 8 - 4.2 MSP430F149控制系統(tǒng) - 9 - 4.3 上位機軟件系統(tǒng) - 9 - 5作品性能測試分析 - 10 - 5.1性能測試 - 10 - 5.1.1測試儀器 - 10 - 5.1.2測試方法 - 11 - 5.1.3測試結(jié)果 - 11 - 5.2測試結(jié)果分析 - 11 - 6結(jié)論 - 12 -

4、 參考文獻 - 13 - 1引言 隨著網(wǎng)絡及通信技術的飛速發(fā)展，無線通信以其成本低廉、擴展性好、受地理條件限制較少、安裝施工簡便靈活等特點，被廣大領域所青睞。為了便于對數(shù)據(jù)進行采集，分析和存儲，我們設計了一種新型的手持式無線數(shù)據(jù)記錄儀，該數(shù)據(jù)記錄儀解決的以往的數(shù)據(jù)記錄裝置體積大，不易攜帶的缺點，同時又利用無線通信技術，利用具有有集成度高、外圍設備豐富、超低功耗的優(yōu)點的MSP430系列的單片機進行控制，使得其功能齊全，并且系統(tǒng)穩(wěn)定，便于攜帶，同時其操作簡單，使用方便，是一款很有發(fā)展?jié)摿Φ臄?shù)據(jù)記錄器。 2方案設計 2.1總體方案描述 本系統(tǒng)包括鋰電池電源管理、數(shù)據(jù)發(fā)生裝置、無

5、線通信模塊、控制模塊、液晶顯示模塊、按鍵模塊等組成。根據(jù)惠斯通電橋原理，通過改變電橋電阻的阻值，使得運算放大器INA128E及其外圍電路的處理，是INA128E輸出的電壓發(fā)生變化，然后通過運算放大器OPA335對INA128E輸出的電壓進行處理，得到穩(wěn)定的電壓輸出，再由第一個控制器MSP430F247 對輸出的電壓進行采集，處理后，將電壓的變化轉(zhuǎn)化為電阻的阻值，并在LCD1602上顯示出電橋電阻的阻值，通過觀察LCD1602界面上的電阻的阻值，節(jié)省了對電阻阻值變化的測量；同時控制器MSP430F247又將信息通過無線通信模塊傳送至第二個控制器MSP430F149和上位機。通過MSP430F14

6、9的處理和轉(zhuǎn)化，一方面通過液晶將電阻的阻值顯示出來，并對其保存；一方面通過AD9850將電阻的阻值轉(zhuǎn)化為頻率輸出。總體方案如圖2-1所示。 2.2方案選擇 2.2.1數(shù)據(jù)發(fā)生模塊 方案一：利用應變片式力傳感器（橋式電路）的原理，用電壓源驅(qū)動電阻電橋，通過對電橋臂施加外力來改變電阻應變片的阻值，從而將力轉(zhuǎn)化為電壓變化量輸出，通過采集電壓信號而得到所要的數(shù)據(jù)信息。 方案二：根據(jù)惠斯通電橋原理，用電壓源驅(qū)動電阻電橋，其中電阻電橋的一個橋臂使用電位器，通過電位器阻值變化引起的電壓變化，采集電壓信號而得到所要的數(shù)據(jù)信息。 方案選擇：由于應變片受到外力時，阻值變化量非常小，輸出的電壓變化范圍也小

7、，而且不易控制，價格又高，但電位器阻值變化范圍大，便于操作，采集的數(shù)據(jù)量大，所以我們選用方案二。 圖2-1總體方案 2.2.2單片機選擇 方案一：采用MCS—51系列的單片機。 方案二：采用MSP430系列的單片機。 方案選擇：雖然MCS—51系列的單片機功能比較齊全，成本較低，但是MSP430系列單片機具有集成度高、外圍設備豐富、超低功耗的優(yōu)點，故采用方案二。 3硬件系統(tǒng)設計 3.1 鋰電池電源管理模塊 3.1.1鋰電池概述 鋰電池是一類由鋰金屬或鋰合金為負極材料、使用非水電解質(zhì)溶液的電池。隨著微電子技術的發(fā)展，小型化的設備日益增多，對電源提出了很高的要求。。由于鋰

8、電池的自放電率極低，放電電壓平緩。使得起搏器植入人體長期使用成為可能。 鋰電池一般有高于3.0伏的標稱電壓，更適合作集成電路電源。1992年Sony成功開發(fā)鋰離子電池。它的實用化，使人們的移動電話、筆記本電腦等便攜式電子設備重量和體積大大減小。使用時間大大延長。由于鋰離子電池中不含有重金屬鉻，與鎳鉻電池相比，大大減少了對環(huán)境的污染。 3.1.2鋰電池電源管理 由于我們不能直觀的看出電池的電量，因此，就需要我們對電池實際的電量進行分析，并直觀的顯示出來，方便用戶及時充電或者更換電池，避免因為電源未供電，系統(tǒng)無法工作而造成的損失，所以，我們設計了電池電源的管理模塊。在此模塊中，我們通過單片機的

9、ADC12數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，對電源電壓進行采樣并計算出當前電壓值所占的比例，通過液晶上的電源圖標表示出來，當電量不足時，系統(tǒng)就會發(fā)出提醒信號，通知用 戶采取相應的措施。圖3-1為鋰電源管理模塊電路圖。 圖3-1鋰電源管理模塊電路 3.2數(shù)據(jù)生成模塊 為了方便簡單的得到數(shù)據(jù)信息，我們應用惠斯通電橋原理，通過改變電位器的阻值，從而引起電壓的變化，采集電壓信號，得到我們所需要的數(shù)據(jù)信息。如圖3-2所示，當電阻R1=R2=R3=R4時，電橋輸出電壓VF3=VF4，電橋處于平衡狀態(tài)，則VF1=0，整個電路的輸出電壓VF2=0；而當我們改變?nèi)我庖粋€電阻的阻值時，電橋的平橫就被打破，輸出的電壓VF3將不

10、與VF4相等，VF1和VF2也將不再為0。在實際應用中，我們改變電阻R3的阻值，使其的阻值變化范圍為0~2K?之間，如果我們直接采集VF3和VF4輸出電壓的差值，以此電壓差值的變化作為數(shù)據(jù)信息來采集，操作起來比較困難。因為VF3和VF4輸出電壓的差值較小，而我們在此范圍內(nèi)要采集的數(shù)據(jù)很多，因此直接采集這個范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)是不能滿足我們的要求的，我們需要在此之間加入運算放大器進行放大處理，便于我們對數(shù)據(jù)的采集分析。通過對各種性能運算放大器的分析，我們最終決定使用差動運算放大器INA128E。 圖3-2模擬數(shù)據(jù)產(chǎn)生放大電路圖 在設計電路中，為什么會選擇INA128E，主要的原因是INA128是

11、低功耗、高精度的通用儀表放大器，它體積小巧使其應用范圍廣泛，反饋電流（Current-feedback ）輸入電路即使在高增益條件下(G = 100時 200kHz)也可提供較寬的帶寬。單個外部電阻可實現(xiàn)從1至10000的任一增益選擇。INA128提供工業(yè)標準的增益等式（gain equation）。INA128用激光進行修正微調(diào)，具有非常低的偏置電壓 (50mV) 溫度漂移 0.5μV/°C 和高模抑制（在 G=100 時，120dB ）其電源電壓低至±2.25V，且靜態(tài)電流只有700uA是電池供電系統(tǒng)的理想選擇，內(nèi)部輸入保護能經(jīng)受±40V電壓而無損壞。INA128E的內(nèi)部結(jié)構如圖3-3所示

12、。 圖3-3 INA128E內(nèi)部結(jié)構圖 INA128E無論輸出的VF1的值是正是負，都會在恒定的電壓值范圍擺動，這樣能獲得最大的動態(tài)范圍，但是，需要使用一個低阻抗的電壓源驅(qū)動Vref腳，否則容易造成電阻網(wǎng)絡的不匹配，從而影響輸出電壓值的準確性，因此，需要將INA128E的輸出引腳和Vref引腳接入自歸零的CMOS運放OPA335，減少INA128E的失調(diào)誤差的影響。運放OPA335連接為電壓跟隨器模式，主要是因為電壓通過INA128E放大之后已經(jīng)能夠滿足我們采集數(shù)據(jù)的需要，所以不需要再次進行放大。 由仿真圖3-4,可以看出，最終的輸出達到我所預期的目的，輸出電壓變化范圍在0~3V

13、內(nèi)變化， 電路在經(jīng)實踐驗證后也可以使用。 圖3-4 仿真圖 3.3無線通訊模塊 本系統(tǒng)采用了三塊無線通訊模塊，其中一塊為發(fā)射端，兩塊為接收端。其中放射端連接控制器MSP430F247。當信號通過控制器MSP430F247的處理后，通過無線通訊的發(fā)射端發(fā)送出去，使接收端接收到信息。其中的一個接收端通過串行口通訊與上位機來接，當收到信息時，信息也是通過串口通訊將數(shù)據(jù)傳送給控制器，通過控制器管理，將信息顯示在LCD1602上。 傳送至控制器MSP430F247單片機時，控制器將對信號進行采集、處理，并通過無線通信模塊的發(fā)射端將信號傳送出去。 3.5數(shù)據(jù)接收模塊 通過無線通信模塊的

14、接收端，將發(fā)射端傳送過來的信息接收，并通過控制器MSP430F149的處理，將接收到的信息顯示在LCD12864上。其中控制器MSP430F149將接收到的數(shù)據(jù)進行分析、處理，并將電橋電路中電阻的阻值通過LCD12864顯示出來。 3.6液晶模塊 第一個控制器MSP430F247將運算放大器OPA335輸出端輸出的電壓信號，通過內(nèi)部的ADC模塊，并通過軟件程序的編程將電壓信號轉(zhuǎn)換為電橋中變化的電阻的實際阻值，顯示在液晶平面上。第二個控制器MSP430F247也是將接收到的信息，通過編程、分析后將數(shù)據(jù)信息顯示在液晶平面上。液晶模塊的實質(zhì)是將信號很直觀的顯示，便于分析，避免時間的浪費。 3.

15、7按鍵模塊 通過系統(tǒng)完善的程序編寫，當用戶操作數(shù)據(jù)記錄儀時，可以通過按鍵模塊，選擇自己要進行的操作，圖3-5為按鍵模塊的原理圖。當有按鍵按下時，系統(tǒng)進入相應的中斷，相應的數(shù)據(jù)信息將會在液晶平面上顯示出來。 圖3-5 按鍵模塊 3.8阻頻轉(zhuǎn)化模塊 本系統(tǒng)采用了美國模擬器件公司采用先進 DDS 直接數(shù)字頻率合成技術生產(chǎn)的高集成度產(chǎn)品 AD9850 芯片。當AD9850系統(tǒng)時鐘為 180MHz 時，在參考時鐘輸入端，只需輸入 30MHz 的參考時鐘即可。AD9850 是由數(shù)據(jù)輸入寄存器、頻率/相位寄存器、具有6倍參考時鐘倍乘器的DDS芯片、10位的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、內(nèi)部高速比較器這幾個

16、部分組成。能夠直接作為基準信號源，或通過其內(nèi)部高速比較器轉(zhuǎn)換成標準方波輸出，作為靈敏時鐘發(fā)生器來使用。此模塊是將電阻的阻值通過AD9850及其外圍模塊搭建的系統(tǒng)，將電橋中電阻的阻值從1K? 到2K?之間的轉(zhuǎn)化信號用相應的1KHz到2KHz頻率的正選波表示出來，便于對采集到的數(shù)據(jù)信息進一步的分析、處理。 4系統(tǒng)軟件設計 4.1 MSP430F247控制系統(tǒng) 當電壓信號從OPA335的輸出端輸出后，控制器MSP430F247將電壓信號采集，并通過數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，將電壓信號進行轉(zhuǎn)化處理，通過LCD1602顯示出來。同時控制器MSP430F247將轉(zhuǎn)化的信息通過無線模塊傳送出

17、去。如圖4-1所示。 開始 AD采樣 轉(zhuǎn)化為頻率 顯示 傳送 結(jié)束 圖4-1 MSP430F247軟件流程圖 4.2 MSP430F149控制系統(tǒng) 圖4-2 MSP430F149軟件流程圖 4.3上位機軟件系統(tǒng) 當無線通信模塊的一個接收端收到發(fā)射端發(fā)出的信號后，通過串行口通訊系統(tǒng)，將接收到的信息傳送至上位機，上位機將接收到的信息顯示出來，并對數(shù)據(jù)進行存儲。如圖4-3所示為上位機系統(tǒng)原理圖。 N

18、 Y 開始 提示用戶設置串口 串口接收數(shù)據(jù) 串口設置正確？ 數(shù)據(jù)處理 確定打點位置 是否有控件進行調(diào)節(jié)？ Y 打點 N 圖4-3上位機軟件流程圖 5作品性能測試分析 5.1性能測試 5.1.1測試儀器 測試儀器如表5.1所示。 表5-1 測試儀器 測試儀器 臺數(shù) 波形發(fā)生器 1 數(shù)字萬用表 1 示波器 1 低功耗無線手持式數(shù)據(jù)記錄儀 1 5.1.2測試方法 當?shù)凸氖殖质綌?shù)據(jù)記錄儀處于正常工作狀態(tài)時，在電橋輸入端接入波

19、形發(fā)生器，改變電橋中電阻的阻值，并用萬用表測試電阻的阻值，判斷測量的結(jié)果與發(fā)送端液晶及接收端液晶顯示的數(shù)據(jù)是否一致；用示波器檢測從AD9850端輸出信號的頻率，判斷頻率變化是否隨著電阻的阻值成線性變化。 5.1.3測試結(jié)果 表5-2測量數(shù)據(jù)記錄表 實測電阻值（K?） 發(fā)射端液晶顯示的阻值（K?） 接收端液晶顯示的阻值（K?） 示波器顯示的頻率（Hz） 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1,5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0

20、 5.2測試結(jié)果分析 發(fā)射端液晶顯示阻值的誤差： 接收端液晶顯示阻值的誤差： 測試頻率的線性度： 6結(jié)論 由于條件的限制因素，在制作過程中，我們用LCD12864代替單色點陣LCD（帶觸摸），其他題目中所要求的性能指標我們都已經(jīng)完成了，在此基礎之上，我們還添加了AD9850及其外圍模塊，將阻值的變化處理為頻率的變化，并且其成線性的關系，通過這個模塊，對采集到的信號做進一步的處理分析，使我們的數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)為用戶解決實際問題提供更多的參考數(shù)據(jù)。另外，我們在設計當中，使用了三塊無線通訊模塊，相當于模擬了多機之間的無線通訊。 無線手持式數(shù)據(jù)記錄儀應該還具有更多強大的功能，我們可以充分發(fā)揮想象力，可以用多種方法去實現(xiàn)它的功能，并在實踐中改進它的功能，使它變得更加完美。 參考文獻 [1] 黃爭.德州儀器高性能單片機和模擬器件在高校中的應用和選型指南[M].德州儀器半導體技術有限公司大學計劃部,2010. [2] 康華光，陳大欽，張林.電子技術基礎[M].5版．高等教育出版社,2006.. [6] 松井邦彥.OP放大器應用技巧100例[M].科學出版社，2006. [7] 彭軍.運算放大器及其應用[M].科學出版社，2008.