1、1无线低功耗大容量数据采集记录系统论文摘要充分考虑地理条件的限制因素，解决工作人员对数据进行采集，并提取数据的问题，设计了一种基于无线通信网络技术的低功耗无线手持式数据记录仪。该低功耗无线手持式数据记录仪，由锂电池供电，可以对采集到的数据进行存储、显示及分析。其最大的优越性是，不用局限于某特定地方采集数据，用户可以通过自己实际的情况，在一定的范围了，随时随地的对数据进行采集，然后选择所需要的信息，系统可以自动的对此信息进行处理、分析，将分析的结果在液晶上显示出来，同时系统可以对采集的数据进行存储，便于几次采集的数据进行对比分析。由于采用具有超低功耗优点的 MSP430F149 和 MSP430
2、F247 单片机进行控制，使得其耗电量特少，系统稳定，一次充电长期使用。关键词：数据采集 无线通信 MSP430 数据分析 数据存储1目录1 引言 - 1 -2 方案设计 - 1 -2.1 总体方案描述 .- 1 -2.2 方案选择 .- 1 -2.2.1 数据发生模块 - 1 -2.2.2 单片机选择 - 2 -3 硬件系统设计 - 3 -3.1 锂电池电源管理模块 - 3 -3.1.1 锂电池概述 - 3 -3.1.2 锂电池电源管理 - 3 -3.2 数据生成模块 .- 4 -3.3 无线通讯模块 .- 6 -3.4 数据发送模块 .- 6 -3.5 数据接收模块 .- 6 -3.6 液
3、晶模块 .- 6 -3.7 按键模块 .- 6 -3.8 阻频转化模块 .- 7 -4 系统软件设计 - 8 -4.1 MSP430F247 控制系统 - 8 -4.2 MSP430F149 控制系统 - 9 -4.3 上位机软件系统 - 9 -5 作品性能测试分析 - 10 -5.1 性能测试 .- 10 -5.1.1 测试仪器 - 10 -5.1.2 测试方法 - 11 -5.1.3 测试结果 - 11 -5.2 测试结果分析 .- 11 -6 结论 - 12 -参考文献 .- 13 -无线低功耗大容量数据采集记录系统- 1 -1 引言随着网络及通信技术的飞速发展，无线通信以其成本低廉、扩
4、展性好、受地理条件限制较少、安装施工简便灵活等特点，被广大领域所青睐。为了便于对数据进行采集，分析和存储，我们设计了一种新型的手持式无线数据记录仪，该数据记录仪解决的以往的数据记录装置体积大，不易携带的缺点，同时又利用无线通信技术，利用具有有集成度高、外围设备丰富、超低功耗的优点的 MSP430 系列的单片机进行控制，使得其功能齐全，并且系统稳定，便于携带，同时其操作简单，使用方便，是一款很有发展潜力的数据记录器。2 方案设计2.1 总体方案描述本系统包括锂电池电源管理、数据发生装置、无线通信模块、控制模块、液晶显示模块、按键模块等组成。根据惠斯通电桥原理，通过改变电桥电阻的阻值，使得运算放大
5、器 INA128E 及其外围电路的处理，是 INA128E 输出的电压发生变化，然后通过运算放大器 OPA335 对 INA128E 输出的电压进行处理，得到稳定的电压输出，再由第一个控制器 MSP430F247 对输出的电压进行采集，处理后，将电压的变化转化为电阻的阻值，并在 LCD1602 上显示出电桥电阻的阻值，通过观察 LCD1602 界面上的电阻的阻值，节省了对电阻阻值变化的测量；同时控制器 MSP430F247 又将信息通过无线通信模块传送至第二个控制器 MSP430F149 和上位机。通过 MSP430F149 的处理和转化，一方面通过液晶将电阻的阻值显示出来，并对其保存；一方面
6、通过 AD9850 将电阻的阻值转化为频率输出。总体方案如图 2-1 所示。2.2 方案选择2.2.1 数据发生模块方案一：利用应变片式力传感器（桥式电路）的原理，用电压源驱动电阻电桥，通过对电桥臂施加外力来改变电阻应变片的阻值，从而将力转化为电压变化量输出，通过采集电压信号而得到所要的数据信息。方案二：根据惠斯通电桥原理，用电压源驱动电阻电桥，其中电阻电桥的一个桥臂使用电位器，通过电位器阻值变化引起的电压变化，采集电压信号而得到所要的数据信息。方案选择：由于应变片受到外力时，阻值变化量非常小，输出的电压变化范围也小，而且不易控制，价格又高，但电位器阻值变化范围大，便于操作，采集的数据量无线低
7、功耗大容量数据采集记录系统- 2 -大，所以我们选用方案二。图 2-1 总体方案2.2.2 单片机选择方案一：采用 MCS51 系列的单片机。方案二：采用 MSP430 系列的单片机。方案选择：虽然 MCS51 系列的单片机功能比较齐全，成本较低，但是 MSP430系列单片机具有集成度高、外围设备丰富、超低功耗的优点，故采用方案二。3 硬件系统设计3.1 锂电池电源管理模块3.1.1 锂电池概述锂电池是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。随着微电子技术的发展，小型化的设备日益增多，对电源提出了很高的要求。由于锂电池的自放电率极低，放电电压平缓。使得起搏器植入人体长期使用成
8、为可能。 锂电池一般有高于 3.0 伏的标称电压，更适合作集成电路电源。1992 年 Sony 成功开发锂离子电池。它的实用化，使人们的移动电话、笔记本电脑等便携式电子设备重量和体积大大减小。使用时间大大延长。由于锂离子电池中不含有重金属铬，与镍铬电池相比，大大减少了对环境的污染。3.1.2 锂电池电源管理由于我们不能直观的看出电池的电量，因此，就需要我们对电池实际的电量进行分析，并直观的显示出来，方便用户及时充电或者更换电池，避免因为电源未供电，系统无法工作而造成的损失，所以，我们设计了电池电源的管理模块。在此模块中，我们通过单片机的 ADC12 数模转换模块，对电源电压进行采样并计算出当前
9、电压值所占的比例，通过液晶上的电源图标表示出来，当电量不足时，系统就会发出提醒信号，通知用户采取相应的措施。图 3-1 为锂电源管理模块电路图。图 3-1 锂电源管理模块电路3.2 数据生成模块无线低功耗大容量数据采集记录系统- 3 -为了方便简单的得到数据信息，我们应用惠斯通电桥原理，通过改变电位器的阻值，从而引起电压的变化，采集电压信号，得到我们所需要的数据信息。如图 3-2 所示，当电阻 R1=R2=R3=R4 时，电桥输出电压 VF3=VF4，电桥处于平衡状态，则VF1=0，整个电路的输出电压 VF2=0；而当我们改变任意一个电阻的阻值时，电桥的平横就被打破，输出的电压 VF3 将不与
10、 VF4 相等，VF1 和 VF2 也将不再为 0。在实际应用中，我们改变电阻 R3 的阻值，使其的阻值变化范围为 02K之间，如果我们直接采集 VF3 和 VF4 输出电压的差值，以此电压差值的变化作为数据信息来采集，操作起来比较困难。因为 VF3 和 VF4 输出电压的差值较小，而我们在此范围内要采集的数据很多，因此直接采集这个范围内的数据是不能满足我们的要求的，我们需要在此之间加入运算放大器进行放大处理，便于我们对数据的采集分析。通过对各种性能运算放大器的分析，我们最终决定使用差动运算放大器 INA128E。图 3-2 模拟数据产生放大电路图在设计电路中，为什么会选择 INA128E，主
11、要的原因是 INA128 是低功耗、高精度的通用仪表放大器，它体积小巧使其应用范围广泛，反馈电流（Current-feedback ）输入电路即使在高增益条件下(G = 100 时 200kHz)也可提供较宽的带宽。单个外部电阻可实现从 1 至 10000 的任一增益选择。INA128 提供工业标准的增益等式（gain equation） 。INA128 用激光进行修正微调，具有非常低的偏置电压 (50mV) 温度漂移 0.5V/C 和高模抑制（在 G=100 时，120dB ）其电源电压低至2.25V，且静态电流只有 700uA 是电池供电系统的理想选择，内部输入保护能经受 40V 电压而无
12、损坏。INA128E 的内部结构如图 3-3 所示。无线低功耗大容量数据采集记录系统- 4 -图 3-3 INA128E 内部结构图INA128E 无论输出的 VF1 的值是正是负，都会在恒定的电压值范围摆动，这样能获得最大的动态范围，但是，需要使用一个低阻抗的电压源驱动 Vref 脚，否则容易造成电阻网络的不匹配，从而影响输出电压值的准确性，因此，需要将 INA128E 的输出引脚和 Vref 引脚接入自归零的 CMOS 运放 OPA335，减少 INA128E 的失调误差的影响。运放 OPA335 连接为电压跟随器模式，主要是因为电压通过 INA128E 放大之后已经能够满足我们采集数据的
13、需要，所以不需要再次进行放大。由仿真图 3-4,可以看出，最终的输出达到我所预期的目的，输出电压变化范围在03V 内变化， 电路在经实践验证后也可以使用。图 3-4 仿真图TInput resistance (ohms)1.00k 1.25k 1.50k 1.75k 2.00kOutput-3.00-1.500.001.503.00 a b无线低功耗大容量数据采集记录系统- 5 -3.3 无线通讯模块 本系统采用了三块无线通讯模块，其中一块为发射端，两块为接收端。其中放射端连接控制器 MSP430F247。当信号通过控制器 MSP430F247 的处理后，通过无线通讯的发射端发送出去，使接收端
14、接收到信息。其中的一个接收端通过串行口通讯与上位机来接，当收到信息时，信息也是通过串口通讯将数据传送给控制器，通过控制器管理，将信息显示在 LCD1602 上。传送至控制器 MSP430F247 单片机时，控制器将对信号进行采集、处理，并通过无线通信模块的发射端将信号传送出去。3.5 数据接收模块通过无线通信模块的接收端，将发射端传送过来的信息接收，并通过控制器MSP430F149 的处理，将接收到的信息显示在 LCD12864 上。其中控制器 MSP430F149将接收到的数据进行分析、处理，并将电桥电路中电阻的阻值通过 LCD12864 显示出来。3.6 液晶模块第一个控制器 MSP430
15、F247 将运算放大器 OPA335 输出端输出的电压信号，通过内部的 ADC 模块，并通过软件程序的编程将电压信号转换为电桥中变化的电阻的实际阻值，显示在液晶平面上。第二个控制器 MSP430F247 也是将接收到的信息，通过编程、分析后将数据信息显示在液晶平面上。液晶模块的实质是将信号很直观的显示，便于分析，避免时间的浪费。3.7 按键模块通过系统完善的程序编写，当用户操作数据记录仪时，可以通过按键模块，选择自己要进行的操作，图 3-5 为按键模块的原理图。当有按键按下时，系统进入相应的中断，相应的数据信息将会在液晶平面上显示出来。无线低功耗大容量数据采集记录系统- 6 -图 3-5 按键
16、模块3.8 阻频转化模块 本系统采用了美国模拟器件公司采用先进 DDS 直接数字频率合成技术生产的高集成度产品 AD9850 芯片。当 AD9850 系统时钟为 180MHz 时，在参考时钟输入端，只需输入 30MHz 的参考时钟即可。AD9850 是由数据输入寄存器、频率 /相位寄存器、具有 6 倍参考时钟倍乘器的 DDS 芯片、10 位的模 /数转换器、内部高速比较器这几个部分组成。能够直接作为基准信号源，或通过其内部高速比较器转换成标准方波输出，作为灵敏时钟发生器来使用。此模块是将电阻的阻值通过 AD9850 及其外围模块搭建的系统，将电桥中电阻的阻值从 1K 到 2K之间的转化信号用相
17、应的 1KHz 到 2KHz频率的正选波表示出来，便于对采集到的数据信息进一步的分析、处理。4 系统软件设计4.1 MSP430F247 控制系统当电压信号从 OPA335 的输出端输出后，控制器 MSP430F247 将电压信号采集，无线低功耗大容量数据采集记录系统- 7 -并通过数模转换模块，将电压信号进行转化处理，通过 LCD1602 显示出来。同时控制器 MSP430F247 将转化的信息通过无线模块传送出去。如图 4-1 所示。图 4-1 MSP430F247 软件流程图4.2 MSP430F149 控制系统开始AD 采样转化为频率显示传送结束无线低功耗大容量数据采集记录系统- 8
18、-图 4-2 MSP430F149 软件流程图4.3 上位机软件系统当无线通信模块的一个接收端收到发射端发出的信号后，通过串行口通讯系统，将接收到的信息传送至上位机，上位机将接收到的信息显示出来，并对数据进行存储。如图 4-3 所示为上位机系统原理图。NY开始提示用户设置串口串口接收数据串口设置正确？数据处理确定打点位置是否有控件进行调节？Y打点N无线低功耗大容量数据采集记录系统- 9 -图 4-3 上位机软件流程图5 作品性能测试分析5.1 性能测试5.1.1 测试仪器测试仪器如表 5.1 所示。表 5-1 测试仪器测试仪器 台数波形发生器 1数字万用表 1无线低功耗大容量数据采集记录系统-
19、 10 -示波器 1低功耗无线手持式数据记录仪 15.1.2 测试方法当低功耗手持式数据记录仪处于正常工作状态时，在电桥输入端接入波形发生器，改变电桥中电阻的阻值，并用万用表测试电阻的阻值，判断测量的结果与发送端液晶及接收端液晶显示的数据是否一致；用示波器检测从 AD9850 端输出信号的频率，判断频率变化是否随着电阻的阻值成线性变化。5.1.3 测试结果表 5-2 测量数据记录表实测电阻值（K）发射端液晶显示的阻值（K）接收端液晶显示的阻值（K）示波器显示的频率（Hz）11.11.21.31.41,51.61.71.81.92.05.2 测试结果分析发射端液晶显示阻值的误差：接收端液晶显示阻
20、值的误差：测试频率的线性度：6 结论由于条件的限制因素，在制作过程中，我们用 LCD12864 代替单色点阵 LCD（带触摸） ，其他题目中所要求的性能指标我们都已经完成了，在此基础之上，我们还添加无线低功耗大容量数据采集记录系统- 11 -了 AD9850 及其外围模块，将阻值的变化处理为频率的变化，并且其成线性的关系，通过这个模块，对采集到的信号做进一步的处理分析，使我们的数据记录系统为用户解决实际问题提供更多的参考数据。另外，我们在设计当中，使用了三块无线通讯模块，相当于模拟了多机之间的无线通讯。无线手持式数据记录仪应该还具有更多强大的功能，我们可以充分发挥想象力，可以用多种方法去实现它
21、的功能，并在实践中改进它的功能，使它变得更加完美。 参考文献1 黄 争 .德 州 仪 器 高 性 能 单 片 机 和 模 拟 器 件 在 高 校 中 的 应 用 和 选 型 指 南 M.德 州 仪 器半 导 体 技 术 有 限 公 司 大 学 计 划 部 ,2010.2 康 华 光 ， 陈 大 钦 ， 张 林 .电 子 技 术 基 础 M.5版 高 等 教 育 出 版 社 ,20066 松 井 邦 彦 .OP放 大 器 应 用 技 巧 100例 M.科 学 出 版 社 ， 2006.7 彭 军 .运 算 放 大 器 及 其 应 用 M.科 学 出 版 社 ， 2008.无线低功耗大容量数据采集记录系统- 12 -
