嵌入式无线数据采集系统的设计

第 1 页 共28页 1引言 1.1课题研究的目的和意义 本文研究嵌入式无线数据采集系统的主要目的是，针对现有设备状态监测系统因采用有线传输方式而存在的布线困难、信号易受干扰、升级维护不方便等问题，在传统数据采集器的基础上引入无线通讯技术，对设备状态监测中常见的振动和温度状态量进行数据采集，从而为故障诊断提供依据。本系统适合于对设备进行巡检，特别是在设备处于工作状态时，人员不能接近的场合。 随着现代科学技术的进步与发展，设备越来越大型化，功能越来越多，结构越来越复杂，自动化程度越来越高。随之而来的问题是，一旦关键设备发生故障，不仅会造成巨大的经济损失，而且可能危及人身安全，产生重大的社会影响。因此，人们对设备的安全、稳定、长周期，满负荷运行的要求也越来越迫切，希望能及时了解设备运行状态、预防故障、杜绝事故、延长设备运行周期、缩短维修时间，最大限度地发挥设备的生产潜力[1]。设备状态监测与故障诊断技术的实质就是了解和掌握设备在运行过程中的状态，评价、预测设备的可靠性，早期发现故障，并对其原因、部位、危险程度等进行识别，预报故障的发展趋势，并针对具体情况做出决策。可见如何有效地对设备进行状态监测直接关系到企业的生产效率和经济效益。 状态监测和故障诊断系统可分为在线和离线两种。前者主要用于对大型设备或关键机组的监测和诊断。这类系统一般一次安装,可实现对机组的连续状态监测和诊断，并且能够保存设备运行的历史信息，但是由于工况环境、监测和诊断的实时性要求、被监测设备的多样性等苛刻的技术要求，在线监测和故障诊断系统一般灵活性差并且价格昂贵。离线状态监测和故障诊断系统则正好弥补了其不足。现有的状态监测系统多采用有线传输方式，常用传统的电缆实现传感器和中心采集单元的通讯，存在成本高、布线困难、环境对传输信号的影响较大等缺点。如对于某些测控系统，由于测量点比较分散，远程线路铺设及维护均需较高的代价:此外，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不可靠、甚至不可能。如采用无线传输则可以有效地克服上述缺点。可见无线传输与传统的有线传输方式相比，具有安装方便、维护和升 第 2 页 共28页

级费用低等优势，非常适合用于对布线困难的区域、人员不能到达的区域进行状态监测。故采用无线传输技术进行数据通信己经是现代数据采集系统的发展趋势[2]。数据采集是设备状态监测与故障诊断技术的重要组成部分。数据采集系统是

计算机与外部世界之间联系的桥梁，是获取信息的重要途径。数据采集技术是信息科学的重要组成部分，己广泛应用于国民经济和国防建设的各个领域，并且随着科学技术的发展，尤其是计算机技术的发展与普及，数据采集技术将有广阔的发展前景。 1.2 嵌入式无线数据采集系统的现状与发展趋势 1.2.1 短距离无线通信技术的现状与发展趋势 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上工艺的进步、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。同样，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。 无线数据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，通用分组无线传输技术等。二是基于局域网的技术，如WLAN，蓝牙技术，红外通信技术以及微功率短距离无线通信技术等。 与目前已经具备相当规模的无线长距离通信网络 (如蜂窝移动通信网)相比，短距离无线通信系统在基本结构、服务范围、应用层次及通信业务 (数据、话音)上，均有很大的不同。 1)红外通信技术 红外通信技术采用人眼看不到的红外线传输信息，是目前使用最广泛的短距离无线通信技术。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2米，传统速度可达4Mbp( Million Bit persecond)，后将通信速率扩展到16kbps。红外技术采用点到点的连接方式，发射、接收均具有方向性，其具有体积小、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、成本低等特点。因此广泛应用于各种遥控器，笔记本电脑，移动电话，PDA等移动设备[3]。但红外技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，传输数据时两台设备之间不 第 3 页 共28页

能有阻挡物，而且只能限于两台设备通信，无法灵活构成网络，更无法用于处于移动状态下的工作设备。此外，DA设备中的核心部件LED易磨损. 2)蓝牙技术 蓝牙技术作为一种近距离无线连接的全球性开放规范，已经得到了全球众多大企业的支持。其使用全球统一开放的2.4GE的工业、科学及医疗设备(LSM)频段，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。采用蓝牙技术通讯时可以通过无线方式连成一个微微网，而多个微微网之间还可以形成分布式网络，从而方便、快速的实现各类设备之间的通信。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，但蓝牙设备也存在不足之处，其价格昂贵，通讯距离近。 3)IEEE802.11b IEEE802.11b技术标准是无线局域网的国际标准，使用2.4G的ISM频段，采用直接序列扩频DSSS技术进行调制解调增强了抗干扰能力，提高了传输速度。即802.11b无线网络的最大优点是兼容性，只要在原有网络上装上AP(Acecss Point)，就可以提供无线网络服务，而终端设备只要装上无线网卡，就可以访问所有网络资源，像使用有线局域网一样方便，却免除了布线的麻烦。即2.11b通过线等价保密机制来确保数据安全。因其具有穿透能力，全方位传送，建网速度快，可用来组建大型无线网络。此外，其具有运营成本低，投资回报快等特点，故正逐渐受到电信制造商和运营商的青睐。目前此种设备还比较昂贵，妨碍了其推广和应用。更多新的wi.Fi(wireless Fidelity)标准正在制定之中[4]。 4)微功率短距离无线通信技术 近年来，随着大规模集成电路技术的发展，短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，加上微控制器和少量外围器件即可构成专用或通用的无线通信模块。其所有高频元件包括电感、振荡器等已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。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，而且发射功率、工作频率等所有工作参数均可通过软件设置完成，用户不用对无线通信原理和工作机制有较深的了 第 4 页 共28页

解，只需依据命令字进行操作即可实现基本的数据无线传输功能。新一代短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，因此比较适合搭建小型网络，从而在工业、民用领域得到了较为广泛的应用。 1.2.2嵌入式系统概述 嵌入式应用系统大多以智能控制器的形式使用，在这种控制器中，单片机被嵌入在硬件设备中，与周围元器件直接组合在一起，接受并处理这些元器件所发出的信息。为满足应用系统的要求，应选用最合适的单片机，建立“单片式”高可靠、低功耗、外型小巧的嵌入系统。嵌入式应用系统软件的设计方法可以说不拘一格，灵活异常，不仅与功能要求、规模、简单或复杂等因素有关，即使同一应用系统，也会因个人的编程风格不同而异。合理的程序结构是设计出一个性能优良的嵌入式应用系统软件的基础，必须充分重视。 近几年，随着计算机、通讯、消费电子的一体化趋势日益明显，嵌入式技术己成为一个研究热点。纵观嵌入式技术的发展过程，大致经历4个阶段: 第一阶段是以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统，具有与监测、伺服、指示设备相配合的功能，其特点是系统结构和功能相对单一，处理效率较低，存储容量较小，几乎没有用户接口； 第二阶段是以嵌入式CPU为基础，以简单操作系统为核心的嵌入式系统，其主要特点是CPU种类繁多，通用型比较弱，系统开销小，效率高； 第三阶段是以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统，其主要特点是嵌入式操作系统能运行于各种不同类型的微处理器上，兼容性好，操作系统内核小、效率高，并且具有高度的模块化和扩展性，具有文件和目录管理、多任务、网络支持、图形窗口以及用户界面等功能;第四阶段是以Intetnet为标志的嵌入式系统，这是一个正在迅速发展的阶段，可以说嵌入式设备与Intetnet的结合将代表嵌入式系统的未来[5]。 20世纪90年代，嵌入式技术开始全面发展，目前己成为通信和消费类产品的共同发展方向。嵌入式系统技术应用范围非常广阔，在工业控制、交通管理、信息家电、智能小区、电子商务、环境检测及机器人等领域都有广泛的应用。随着市场对嵌入式应用技术和产品的需求不断增长，以及半导体技术和系统设计方 第 5 页 共28页

法的不断进步，嵌入式系统呈现出以下几大发展趋势: 1)精简系统内核、算法 嵌入式产品的软、硬件结合非常紧密，为了降低功耗和成本，需要根据实际应用需求对系统内核进行合理的剪裁，只保留和系统功能紧密相关的软硬件，同时还需要改进和优化算法，提高代码质量。 2)为功能多样化、结构复杂化 实际应用要求在嵌入式芯片上集成更多的功能，如集成USB，CANBUS 等串行通信模块，加强对多媒体、图形等的处理能力，采用实时多任务操作系统以满足性能和实时性方面越来越高的要求。 3)支持网络互连 为了适应网络发展的要求，必然要求在未来的嵌入式设备上提供各种网络通信接口，如以太网，IEEE1934，CAN总线，Bluetooth等，甚至在设备上嵌入Web浏览器，实现利用各种设备上网[6]。 1.3 本论文所要完成的主要内容 本论文的题目是嵌入式无线数据采集系统我们设计的重点集中到系统的硬件部分。因此我们主要完成的内容是： 1. 要完成嵌入式无线数据采集系统总体构造框图，并且要对元器件进行合理选用 2．对该系统所构成的各个模块的介绍 3. 要完成对近距离无线收发芯片的选择 4．对ARM微处理器的体系结构和其应用开发流程的介绍 5．要完成嵌入式无线数据采集系统硬软件的设计