基于无线传输技术的数据采集系统方案设计.doc

1、基于无线传输技术的数据采集系统方案设计摘要工业控制现场，常常需要采集大量的现场数据，并将其传给计算机实时处理。为了克服传统有线传输易干扰、使用不灵活等缺点，本文设计了一种基于无线射频芯片 nRF24L01 和单片机 ATmega8515 的无线数据传输系统。本文以一种基于 RF 的无线数据采集系统验证过程为主要内容，详细阐述了利用无线收发芯片 nRF24L01 设计的数据采集系统的设计流程、开发方法和开发过程，给出了具体的实验方案设计。无线数据采集系统由采样和接收两部分组成，采样端将传感器的输出信号进行模数转换，利用无线数字传输技术将数据发送到接收端，在接收端对数据进行存储和显示。关键词：无线

2、数据采集，nRF4L01，ATmega8515Design of a data acquisition system based on wireless transmission technologyAbstractIn the industrial control， usually 1arge quantity of data needed to be collected and sent to a computer to process timely.In order to overcome the disadvantage of the traditioml wire data tran

3、smission such as inconvenience and bad antHamming，this paper designs a kind of wireless data transmission system based on a wireless RF chipnRF24L01 and a single chip microcomputerATmega8515.The paper contains content with a kind of wireless data acquisition system based on RF,which designed by the

4、receiving and dispatching chip nRF24L01.The paper explains detailedly the design approach,method and procedure,provides the specific experimental design.A wireless data acquisition system is made up of two separated parts: sampling and receiving. The sampling part digitalizes the signal from the sen

5、sor and sends it out using wireless digital transmission technology.Keyword：Wireless Data Acquisition, nRF4L01, ATmega8515第 I 页 共 页目录1 绪论 11.1 问题的提出 .11.2 近距离无线通信技术的现状与发展趋势 .11.3 本论文拟解决的问题 .51.4 本章小结 .52 无线数据采集系统方案设计 62.1 设计要求分析 .62.2 系统方案设计 .72.2.1 无线数据传输方案设计 72.2.2 与 PC 机通信接口方式 .102.3 总体方案设计 .112.

6、4 系统工作原理 .122.5 本章小结 .123 系统硬件电路设计 133.1 射频电路设计 .133.1.1 nRF24L01.133.1.2 电路设计 183.1.3 工作时序分析 193.2 放大滤波电路设计 .203.2.1 放大电路设计 203.2.2 滤波电路设计 213.3 模数转换电路设计 .213.3.1 ADC0804213.3.2 电路设计 233.4 单片机制电路设计 .243.4.1 ATmega8515 253.4.2 SPI 通信原理 .26第 II 页 共 页3.4.3 控制电路设计 283.5 USB 接口电路设计 293.5.1 CH375.293.5.2

7、 USB 接口电路设计 .303.6 系统总电路图 .313.6.1 采集发射部分 313.6.2 接收电路 323.7 本章小结 .334 系统软件设计 344.1 A/D 转换程序设计 .344.2 发射、接收模块程序设计 .354.3 USB 接口程序设计 364.3.1 单片机向 USB 接口写数据步骤 364.3.2 单片机向 USB 接口写数据流程 374.4 本章小结 .375 总结 38参 考 文 献 39致 谢 41第 1 页 共 41 页1 绪论1.1 问题的提出数据采集系统是科学试验中经常用到的测量环节，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

8、成。随着计算机技术的发展，很多公司,如 National Instruments、四川拓普等都推出了基于 PC 机的数据采集系统。这些数据采集系统一般由数据采集卡和专用的软件构成,具有集成度高、性能可靠的优点，且集数据采集、处理、分析于一体，界面友好，操作简便，大大简化了试验过程，因而在工程测试中得到了十分广泛的应用 1。然而，由于具体试验环境千差万别，对数据采集系统的要求也有很大不同，数据采集卡并不能满足所有工程测试的需求，例如对于运动构件上的传感器信号的采集，由于传感器空间位置不固定，使得通过电缆引出信号变得很不可靠，甚至根本不可能。这种情况下。比较好的解决方案就是采用无线数据传输技术，用

9、电磁波来传输传感器信号，也就是构造无线数据采集系统 2。无线通信技术与有线通信技术相比，具有许多突出的优点：首先，无线通信技术可降低投资成本，支持冗余连接配置，数据可达性强，且数据有多条通道可以抵达目的地；其次，它具有成熟可靠的系统安全体系，不会因系统增大而出现不可预料的故障；接着，它可实现远程访问、远程诊断，具有互操作性等等。尤其是在有线网络不通畅或者现场环境因素的限制不便架设线路的情况下，使用无线通信技术进行数据采集、传输则显得更加实用、高效、快捷 3。正是无线通信技术所具备的这些优点使其在各行各业得到了广泛的应用，并取得了引人瞩目的成果，本文描述的就是这样一套无线数据采集系统，该系统具有

10、体积小、传输可靠、数据处理灵活方便等优点，在实际数据采集的传感器信号的试验中，取得了理想的效果。1.2 近距离无线通信技术的现状与发展趋势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，不可避免的第 2 页 共 41 页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，用它组成具有放大、振荡、变

11、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 4。随着移动通信需求和远程数据采集量的增加，加之有线传输的费用日益增长，人们正逐渐认识到在许多测试领域采用无线传

12、输的必要性。在过去的几年中，无线通讯领域取得了很大的进展，这其中包括数字电路和射频电路制作工艺的进步、低功耗电路、高能电池以及微电子技术的采用。以上诸多方面的发展使移动通信设备更加灵巧、经济、可靠 5。与上述技术一样，数字通信技术和数字调制技术的发展也发挥了很大的作用，它们使无线通信网络向更加经济、更加容易操作的方向发展。所以如果我们能够很好地了解无线通信的基本原则以及这些技术的特点，就能更好地理解并完成测试数据的无线传输。无线通信技术可分为两大类：一是基于蜂窝的接入技术，如蜂窝数字分组数据(CDPD)、通用分组无线传输技术(GPRS)、EDGE 等。二是基于局域网的技术，如IEEE802.1

13、1 WLAN、 Bluetooth、IrDA 、RF 、微功率短距离无线通信技术等 6，7。（1） 红外通信技术（IrDA）红外通信技术采用人眼看不到的红外线传输信息，是使用最广泛的近距离无线通信技术 8。它利用红外线的通断表示计算机中的0-1逻辑，通常有效作用半径为2米，传统速度可达4Mbit/s，1995年IrDA将通信速率扩展到高达 16Mbit/s。红外技术采用点到点的连接方式，发射、接收具有方向性，具有体积小、功耗低、连接方便、简单易用、数据传输干扰少、速度快、保密性强、成本低廉的特点，因此广泛应用于各种遥控器、笔记本电脑、PDA、移动电话等移动设备。但红外技第 3 页 共 41 页

14、术只是一种视距传输技术，有效距离近，发射角度较小，一般不超过20度，两台相互通信的设备之间必须对准，而且传输数据时两台设备之间不能有阻挡物，只能限于两台设备通信，无法灵活构成网络，且无法用于边移动边使用的设备，另外，IrDA 设备中的核心部件LED 易磨损。（2） 蓝牙技术（Bluetooth）蓝牙技术使用全球统一开放的2.4GHz的ISM频段，有效范围大约在l0m半径内，传输速度为1Mbit/s 。它采用跳频、扩频技术实现设备之间的无线互连，有穿透能力，能够全方位传送，主要面对网络中各种数据和语音设备，通过无线方式将它们连成一个微微网(Piconet)。多个微微网之间也可以形成分布式网络 (

15、Scatternet)，从而方便、快速的实现各类设备之间的通信 9，10，11，12 。蓝牙技术作为一种新兴的技术，主要具有以下特点：规范的开放性、产品的互操作性及兼容性、公用通信频段以及提供大容量的语音和数据网络。（3） IEEE802.l1b(Wi-Fi)IEEE802.11b技术标准是无线局域网的国际标准，使用2.4GHz 的ISM频段，采用直接序列扩频技术（DSSS）进行调制解调，从而增强了抗干扰能力，提高了传输速度 13。802.l1b无线网络的最大优点是兼容性，只要在原有网络上装上AP(Access Point)，就可以提供无线网络服务，终端设备只要装上无线网卡，就可以访问所有网络

16、资源，像使用有线局域网一样方便，却免除了布线的麻烦 14。802.l1b具有有线等价保密机WEP(Wired Equivalent Privacy)确保数据安全，并具有穿透能力、全方位传送、建网速度快、可用来组建大型无线网络、运营成本低、投资回报快等特点，因而受到电信制造商和运营商的青睐。由于该设备比较昂贵，进而妨碍了其推广和应用，目前更多新的Wi-Fi标准正在制定之中。速度更快的802.l1g使用与802.l1b相同的正交频分多路复用（OFDM）调制技术，它同样工作在2.4GHz频段，速率达 54Mbit/s，比目前通用的802.l1b 快了5倍，并且完全向后兼容802.l1b。802.l1

17、g将有可能被大多数无线网络产品制造商选择作为产品标准，下一代的Wi-Fi标准802.l1n可望达到100Mbit/s。（4） 微功率近距离无线通信技术近年来，随着大规模集成电路技术的发展，近距离无线通信系统的大部分功能都可以集成到一块芯片内部，一般使用单片数字信号射频收发芯片，加上微控第 4 页 共 41 页制器和少量外围器件构成专用或通用无线通信模块，所有高频元件包括电感、振荡器等己经全部集成在芯片内部，一致性良好，性能稳定且不受外界影响 15。射频芯片一般采用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，发射功率、工作频率等所有工作参数全部通

18、过软件设置完成，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。新一代近距离无线数据通信系统具有体积小、功耗低、稳定性好、抗干扰能力强等优点，而且开发简单快速，可以方便地嵌入到各种设备中，实现设备间的无线连接，因此，较适合搭建小型网络，在工业、民用领域得到较为广泛的应用。（5） UWB技术UWB(Ultra Wide Band)是一种新发展起来的无线通信技术 ，通过基带脉冲作用于天线的方式发送数据。窄脉冲(小于1ns)产生极大带宽的信号 ，采用脉位调制(Pulse Position Modulation, PPM)或二进制移相键控(Bi-Ph

19、ase Shift Keying, BPSK)调制 16。UWB被允许在3.110.6GHz的波段内工作，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。其中，最具特色的应用将是视频消费娱乐方面的无线个人局域网(PANs)。UWB有可能在10m 范围内，支持高达110Mb/s 的数据传输率，且不需要压缩数据，可以快速、简单、经济地完成视频数据处理。从以上介绍可以看出，各种不同的近距离无线通信标准都是根据不同的使用场合、不同的用户需求而制定的。有的是为了增加带宽和传输距离，有的则是考虑移动性和经济性。因此，应用者可视实际需求考虑采用性价比最高的解决方案。表1.1为以上五种

20、近距离无线通信技术的对比。表1.1 几种短距离无线通信技术的对比比较列表 红外技术 蓝牙技术 802.11b 微功率无线技术 UWB传输介质 980nm红外光 2.4G射频 2.4G射频 视无线芯片而定 3.1-10.6G通信距离 2Mb/s 。表3.1 L01工作模式模式 PWR_UPPRIM_RXCE FIFO 状态接收 1 1 1 发射 1 0 1 待发射数据缓存在发射堆栈中发射 1 0 1 0 CE 有下降沿到来时，数据发射出去待机 2 1 0 1 发射堆栈空待机 1 1 - 0 此时没有数据要发射掉电 0 - - (3)Enhanced ShockBurstTML01主要有两种数据处

21、理方法：ShockBurst TM和Enhanced ShockBurst TM。ShockBurstTMShockBurstTM是Nordic公司的专利 ，它使用片上FIFO，使输入比特率低的数据先在其内存储，然后以短时高速的方式发射出去。这项技术的发明使L01不需要MCU的参与就能够凭借自身的高速传输率去处理数据或者恢复时钟。又与射频协议相关的所有高速信号处理都在片内进行，为此L01 为MCU 提供了SPI接口，二者之间的数据传输属SPI通信，且通信速率是由MCU设定。ShockBurstTM接收模式下，当L01收到数据包后便让 IRQ引脚变低，以告诉MCU数据已经接收完毕，接着MCU便在

22、同步时钟作用下从接收堆栈中取出数据。ShockBurst发射模式下，L01内部自动产生字头和CRC校验码。当发射成功时，L01同样会让IRQ引脚变低，以告诉MCU数据已经成功发射，可以进行下一次传输。这样做不但可以降低MCU的占用率，更重要的是可以缩短软件的开发时间。Enhanced ShockBurstTMEnhanced ShockBurstTM较 ShockBurstTM多了一项功能：自动应答和自动重发。在一个典型的双向链接中，当接收方收到数据包后，需要向发送方回传一个应答信号，以告诉发送方可以进行下一次通信；若发送方迟迟未收到应答信号，则认为发送失败，需要重新发送此包数据直至收到对方的

23、应答为止。Enhanced ShockBurstTM技术使得L01具备自动应答和自动重发功能，不但有效的降低了误码第 16 页 共 41 页率，而且降低了MCU的占用率。(4)中断L01共有三个中断源，即TX_DS、RX_DR和MAX_RT 。当它们当中的任何一个变高，都会使IRQ引脚变低，MCU一旦查询到IRQ变低，则执行相关操作。RX_DR它是接收中断标志位。当收到有效的数据包（正确的地址和CRC）后，接收机一方面将其存储在接收堆栈中，另一方面置接收中断标志位RX_DR为高，紧接着IRQ变低，通知MCU取出数据。TX_DS它是发射中断标志位，分两种情况讨论。禁止自动应答：当一包数据发射完毕

24、后，发射机就置中断标志位TX_DS为高，紧接着IRQ变低，MCU执行下一步操作。启用自动应答：当一包数据发射完毕后，发射机立即进入接收模式等待对方的应答信号，只有在收到应答信号时才会置中断标志位TX_DS为高，紧接着IRQ变低，MCU 则执行下一次发射操作。MAX_RT它是重发次数溢出中断标志位。当一包数据发射完毕后，发射机立即进入接收模式等待对方的应答信号,若未在规定时间内（编程决定）收到应答，则发射机继续重发此包数据（前提是开启自动重发功能） ；当重发次数达到所允许的重发上限时（编程决定） ，发射机还未收到应答，则置中断标志位MAX_RT为高，接着IRQ变低，这表示发送失败。唯一的复位方式

25、是使 PWR_UP变低，方可再执行发射操作。(5)SPI接口指令SPI接口由SCK、MOSI、MISO和CSN 组成。在待机或掉电模式下，单片机可通过SPI 接口配置L01的工作参数；在发射或接收模式下，单片机可通过SPI接口发送和接收数据。用于SPI接口的常用指令如表3.2所示。当CSN变低时，SPI 接口开始等待一条指令，任何一条新指令均由CSN由高到低的转换开始。表3.2 常用SPI接口指令指令名称 指令格式 相关操作R_REGISTER 000A 读配置寄存器。AAAAA指出读操作的寄存器地址。第 17 页 共 41 页AAAAW_REGISTER 001A AAAA写配置寄存器。AA

26、AAA指出写操作的寄存器地址。R_RX_PAYLOAD0110 0001读RX有效数据：132字节。读操作全部从字节0开始，当读RX有效数据完成后，FIFO寄存器中有效数据被清除。该指令用于接收模式。W_TX_PAYLOAD1010 0000写TX有效数据：132字节。写操作从字节 0开始。该指令用于发射模式。FLUSH_TX 1110 0001 清除TX FIFO 寄存器，用于发射模式。FLUSH_RX 1110 0010清除RX FIFO寄存器，用于接收模式。在传输应答信号过程中不能执行此指令。REUSE_TX_PL1110 0011重新使用上一包发射的有效数据。该功能直到W_TX_PAY

27、LOAD或FLUSH_TX之后才会被激活。若此时CE保持为高，数据就被不断重新发射。在发射数据包过程中必须禁止数据包重利用功能。NOP 1111 1111 空操作，也可以用来读状态寄存器。(6)配置寄存器由于L01内部集成了与RF协议相关的高速信号处理部分，如：无线数据发送/接收功能、自动应答功能、自动重发功能、数据包识别功能、保存未发送成功数据包功能、CRC校验功能、载波检测功能等。若要使用这些功能必须对L01 的工作参数进行配置，而L01的所有配置字均由配置寄存器来定义，单片机可通过 SPI接口进行访问。L01的配置寄存器共有25个，现列举一些常用的，如表 3.3所示。表 3.3 常用配置

28、寄存器第 18 页 共 41 页(7)数据帧格式Preamble Address Flag bits Payload CRCPreamble：为数据包头，长度为 8bits。它的值与 Address 第 1 位有关。当Address 第 1 位为 0 时，包头取值为“01010101“ ，反之则为 “10101010“。Address：指接收机地址。长度为 35 字节，具体可由配置设定。Flag：包识别位，长度为 9bits。其中，高 7 位未用。Payload：为有效数据，长度为 132 字节，可由配置字决定。CRC：校验位，长度为 02 字节，可由配置字决定。当有效数据写入TX_FIFO后

29、，L01内部自动为Payload添加字头和CRC校验码，打包完成后经天线发射出去；接收机在收到数据包后，首先进行地址和CRC校验，正确无误后自动删除字头和CRC校验码，并将有效数据送入RX_FIFO中，等待MCU来取。3.1.2 电路设计系统的射频电路由 nRF24L01和一些外围元件构成，在分析 L01参考电路的基础上，所设计的射频电路如图3.2所示。地址（H）寄存器名称 描述00 CONFIG 配置寄存器，可用来设置 L01 的工作模式01 EN_AA EnhancedShockBurstTM用于接收通道的设置，使能接收通道的自动应答功能。此功能禁止后，可与 nRF 系列射频模块通信。02

30、 EN_RXADDR 使能接收通道地址03 SETUP_AW 设置地址宽度（适合所有通道）04 SETUP_RETR 设置自动重发07 STATUS 状态寄存器0A0FRX_ADDR_P0RX_ADDR_P5设置接收通道的地址，最大长度为 5 字节。先写低字节，所写字节数量由 SETUP_AW 寄存器定义。10 TX_ADDR设置发射机地址。在增强型 ShockBurstTM 发射模式下，设置RX_ADDR_P0 与此地址相同可接收应答信号。1116 RX_PW_P0RX_PW_P5 设置接收通道的有效数据长度第 19 页 共 41 页图3.2 射频电路设计原理图图3.2中，单片机对CE、SC

31、K、CSN 、MISO、MOSI和IRQ这六个引脚的控制可实现数据的无线传输；VDD是射频电路的供电电源，本系统采用3.3V供电；C15、 C16是去耦合电容；C11、C12 、C13、C14、 L1、L2、L3 组成50匹配网络。其中，PCB 设计对 L01的整体性能影响很大，是无线传输系统开发的重要工作之一。在设计过程中，要考虑到各种电磁干扰，注意调整电阻、电容和电感的位置，特别要注意电容的位置。L01的 PCB 板一般都是双层板，底层一般不放置元件，为地层。顶层的空余地方一般都敷上铜，这些敷铜通过过孔与底层的地相连，铺铜时应该把天线处避开，不能把天线包括在内，否则天线将不能发射信号。直流

32、电源及电源滤波电容应尽量靠近 VDD 引脚， L01的供电电源应通过电容隔开，这样有利于为 L01提供稳定的电源。另外，在 PCB 设计中应尽量多打一些通孔，使顶层和底层的地能够充分接触。第 20 页 共 41 页3.1.3 工作时序分析一个完整的通信过程应包括：发送、接收、回传应答、收到应答四个过程。在通信过程中必须严格按照既定的时序进行，否则会造成通信失败。图3.3为 L01收发某数据包（1Byte 字头5Byte 地址1Byte 有效数据1ByteCRC 校验码）的工作时序。图3.3 L01工作时序图在0时刻，收发双方都处于待机模式。当双方要进行通信时，PRX 的 CE 先置高，这表示接

33、收机在发射机还未发射数据时要先进入接收模式等待。接着，发射机 CE 再置高，以启动发射。经过130us 延迟后，数据从天线发射出去。37us 过后，发射机进入接收模式等待应答。6us 之后接收机收到数据（表明数据从天线发射出去到接收机收到数据只用了43us） ，并使 RX_DR 置高以通知 MCU 来取数据，与此同时进入发射模式以回传应答信号，经过128us 延迟后，应答信号从天线发射出去。又过了39us，发射机收到应答。到此为止，双方第一次通信完毕，历时 339 us（2 12837612839339） 。之后，接收机又进入接收模式，发射机则进入发射模式，第二次通信即将开始。 3.2 放大滤

34、波电路设计3.2.1 放大电路设计本文设计的放大电路是三运放差分放大电路，如图3.4所示。电路中输入级由U1、U2两个同相输入运算放大器电路并联，再与 U3差分输入串联的三运放差动第 21 页 共 41 页放大电路构成。电路优点：差模信号按差模增益放大，远高于共模成分（噪声） ；决定增益的电阻（R1、R2、R4）理论上对共模抑制比 Kcmr 没有影响，因此电阻的误差不重要。图3.4 三运放差分放大电路三运放差分放大电路特点：1)高输入阻抗。被提取的信号是不稳定的高内阻源的微弱信号，为了减少信号源内阻的影响，必须提高放大器输入阻抗。一般情况下，信号源的内阻为100k，则放大器的输入阻抗应大于1M

35、。2)高共模抑制比 CMRR。信号工频干扰以及所测量的参数以外的作用的干扰，一般为共模干扰，前置级须采用 CMRR 高的差动放大形式，能减少共模干扰向差模干扰转化。3)低噪声、低漂移。主要作用是对信号源的影响小，拾取信号的能力强，以及能够使输出稳定。电路对共模输入信号没有放大作用，共模电压增益接近于零。这不仅与实际的共模输入有关，而且也与 A3和 A4的失调电压和漂移有关。如果 A3和 A4有相等的漂移速率，且向同一方向漂移，那么漂移就作为共模信号出现，没有被放大，第 22 页 共 41 页还能被第二级抑制。这样对于 A3和 A4的漂移要求就会降低。A3和 A4前置放大级的差模增益要做得尽可能

36、高，相比之下，第二级（A5 ）的漂移和共模误差就可以忽略，对放大器的要求就可以大大降低。当 R3=R4，R5=R6时，两级的总增益为两个差模增益的乘积，即：Avd=(（Rp+2R1）/Rp)(R6/R4)由此可知，上述电路具有输入阻抗高，共模抑制比高等优点，可作为通用仪用放大器使用。3.2.2 滤波电路设计本设计的滤波电路采用的是四阶低通巴特沃斯滤波器，如图 3.5 所示。图3.5 四阶巴特沃斯低通滤波电路电路中，U5、U6以及电阻、电容构成四阶低通滤波放大器，U4组成的是调节放大电路，它使得整个电路的增益为1，若按图示元件值，本电路为增益为1，截止频率为1kHz 的四阶低通滤波器。3.3 模

37、数转换电路设计本文选用的模数转换芯片是 ADC0804，本节首先介绍了 ADC0804功能和特点，然后再介绍模数转换电路设计。3.3.1 ADC0804ADC0804是一个8位、单通道、低价格 A/D 转换器，该芯片内有输出数据锁存器，当与计算机连接时，转换电路的输出可以直接连接在 CPU 数据总线上，无须附加逻辑接口电路。主要特点是：摸数转换时间大约100us；方便的 TTL 或CMOS 标准接口；可以满足差分电压输入；具有参考电压输入端；内含时钟发生器；单电源工作时（0V5V）输入信号电压范围是0V5V；不需要调零，等等。第 23 页 共 41 页（1）引脚介绍ADC0804是 一 个 2

38、0引 脚 的 芯 片 ， 引 脚 排 列 如 图 3.6所 示 。图3.6 ADC0804引脚图CS： 片 选 信 号 。 低 电 平 有 效 ， 高 电 平 时 芯 片 不 工 作 。RD： 外 部 读 数 据 控 制 信 号 。 此 信 号 低 电 平 时 ADC0804把 转 换 完 成 的数 据 加 载 到 DB 口 。WR： 外 部 写 数 据 控 制 信 号 。 此 信 号 的 上 升 沿 可 以 启 动 ADC0804的A/D 转 换 过 程 。CLKI： 时 钟 输 入 引 脚 。 ADC0804使 用 RC 振 荡 器 作 为 A/D 时 钟 ，CLK IN 是 振 动 器

39、的 输 入 端 。INTR： 转 换 结 束 输 出 信 号 。 ADC0804完 成 一 次 A/D 转 换 后 ， 此 引 脚 输出 一 个 低 脉 冲 。 对 单 片 机 可 以 称 为 中 断 触 发 信 号 。Vin（ +） ： 输 入 信 号 电 压 的 正 极 。Vin（ -） ： 输 入 信 号 电 压 的 负 极 。 可 以 连 接 到 电 源 地 。AGND： 模 拟 电 源 地 线 。Vref/2： 参 考 电 源 输 入 端 。 参 考 电 源 取 输 入 信 号 电 压 （ 最 大 值 ） 的 二 分之 一 。 例 如 输 入 信 号 电 压 是 0V 5V 时 ，

40、参 考 电 源 取 2.5V； 输 入 信 号 电 压是 0V 4V 时 ， 参 考 电 源 取 2V。DGND： 数 字 电 源 地 线 。DB7 DB0： 数 字 信 号 输 出 口 ， 连 接 单 片 机 的 数 据 总 线 。CLKR： 时 钟 输 入 端 。VCC： 5V 电 源 引 脚 。(2)工 作 时 序ADC0804 转换器的工作时序如图3.7 所示。第 24 页 共 41 页图3.7 ADC0804工作时序（ 3） 工 作 原 理模 数 转 换 器 ADC0804的 工 作 分 为 三 个 过 程 ： 复 位 中 断 触 发 信 号复 位 信 号 表 明 ADC0804转

41、换 已 经 结 束 ， 它 提 示 单 片 机 随 时 可 以 读 取 转 换结 果 ， 是 ADC0804的 一 个 输 出 信 号 。 一 般 情 况 下 ， 启 动 A/D 转 换 前 应 该复 位 这 个 信 号 ， 以 等 待 新 的 转 换 完 成 后 ADC0804发 出 新 的 信 号 ， 这 样 才 可以 读 到 新 的 转 换 结 果 。 启 动 ADC0804的 A/D 转 换ADC0804中 的 A/D 转 换 器 在 满 足 一 定 条 件 时 开 始 一 个 转 换 过 程 ， 这 个 条件 就 是 ： 在 实 现 片 选 （ CS 0） 的 前 提 下 ， 引 脚

42、 上 出 现 的 一 个 上 升 沿 。 读 取 转 换 结 果在 A/D 转 换 结 束 以 后 ， ADC0804的 引 脚 将 给 出 一 个 低 脉 冲 ， 如 果 把 这个 引 脚 直 接 连 接 到 单 片 机 的 外 部 中 断 引 脚 ， 这 个 低 脉 冲 将 引 起 单 片 机 中 断 ，单 片 机 可 以 在 中 断 处 理 程 序 中 读 取 ADC0804的 转 换 结 果 。3.3.2 电路设计图3.8所示为 A/D 转换电路，ADC0804的输出引脚与单片机的数据 I/O 口直接相连，CS=0表示芯片始终处于被选中状态，RD、 WR 与单片机相连控制中断和读写。V

43、in（+）为模拟信号输入端。当单片机向 ADC0804 发 WR (启动转换)、RD (读取结果)信号时，模拟信号经转换变为数字信号传到单片机中。第 25 页 共 41 页图3.8 A/D 转换电路3.4 单片机制电路设计控制电路是实现无线数据传输的重要环节，同时也是系统功能实现的重要组成部分，而控制电路的设计离不开单片机，包括测试数据的获取、内部处理及无线转发、无线接收以及回传计算机等在内的一切工作都由微处理器负责完成，因此选择微处理器就成为一个首要问题。由于与 RF 协议相关的高速信号处理部分已经嵌入在 L01内部，L01 既可与各种单片机配合使用，也可与 DSP 等高速处理器使用。仅从成

44、本和开发难易的因素考虑，这里选择使用单片机来实现。本文的微控制器选用的是 ATmega8515单片机，本节首先介绍 ATmega8515的功能特点以及 SPI 接口的工作原理，然后介绍控制电路的设计。3.4.1 ATmega8515（1）ATmega8515的特点第 26 页 共 41 页ATmega8515是基于增强的 AVR RISC 结构的低功耗8位 CMOS 微控制器。由于其所有的寄存器都直接与算逻单元(ALU) 相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的 CISC 微控制器最高至10 倍的数据吞吐率，高达1 MIPS

45、/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。ATmega8515 有如下特点：8K 字节的系统内可编程 Flash(具有同时读写的能力，即 RWW)，512 字节 EEPROM，512 字节 SRAM，一个外部存储器接口，35 个通用 I/O 口线，32 个通用工作寄存器，两个具有比较模式的灵活的定时器/计数器(T/C)，片内/外中断，可编程串行 USART，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个 SPI 串行端口，以及三个可以通过软件进行选择的省电模式。工作于空闲模式时 CPU 停止工作，而 SRAM、T/C、SPI 端口以及中断系统继续工作；掉电模式时晶体振荡器停止振荡，所有功

46、能除了中断和硬件复位之外都停止工作；Standby 模式下只有晶体或谐振振荡器运行，其余功能模块处于休眠状态，使得器件只消耗极少的电流，同时具有快速启动能力。本芯片是以 Atmel 高密度非易失性存储器技术生产的。片内 ISP Flash 允许程序存储器通过 ISP 串行接口，或者通用编程器进行编程，也可以通过运行于 AVR内核之中的引导程序进行编程。引导程序可以使用任意接口将应用程序下载到应用 Flash 存储区 (Application Flash Memory)。在更新应用 Flash 存储区时引导 Flash区(Boot Flash Memory)的程序继续运行，实现了 RWW 操作。通过将8 位 RISC CPU 与系统内可编程的 Flash 集成在一个芯片内， ATmega8515成为一个功能强大的单片机，为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的解决方案。（2）ATmega8515引脚图ATmega8515单片机有40引脚 PDIP 封装、44引脚 TQFP 封装、44引脚 PLCC封装与44 引脚 MLF 封装四种封装形式，本设计选用40引脚 PDIP 封装，其引脚图如图3.9所示。