基于nRF24E1的多通道数据采集系统的设计

第２４卷第３期　２００５年９月　中南民族大学学报（自然科学版）　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｓｏｕｔｈ—Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｆｏｒ　Ｎａｔｉｏｎａｌｉｔｉｅｓ（Ｎａｔ．Ｓｃｉ．Ｅｄｉｔｉｏｎ）　ＶｏＩ．２４　ＮＯ．３　Ｓｅｐ．２００５　基于ｎＲＦ　２　４Ｅ　１的多通道数据采集系统的设计　彭其圣　波　彭建盛　（中南民族大学电子信息工程学院，武汉４３００７４）　摘要设计了以系统芯片ｎＲＦ２４Ｅ１为核心的多通道数据采集系统，对该系统的软硬件结构进行了详细的描述．　该系统能提取强噪声背景下的弱电信号，并以短距离无线通信的方式传送数据，具有使用方便、操作简单、可移动　等特点．　关键词数据采集；无线传输；片上系统　ＴＰ３３６　文献标识码Ａ文章编号　１６７２—４３２１（２００５）０３—００５４—０４　中图分类号Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｍｕｌｔｉ—Ｃｈａｎｎｅｌ　Ｄａｔａ　Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　Ｐｅｎｇ　Ｑｉｓｈｅｎｇ　Ｃｈｅｎ　Ｊｕｎｂｏ　Ｐｅｎｇ　Ｊｉａｎｓｈｅｎｇ　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ａ　ｍｕｌｔｉ—ｃｈａｎｎｅｌ　ｄａｔａ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ—ｏｎ—ｃｈｉｐ　ｎＲＦ２４Ｅ　１。ａｎｄ　ｄｅｔａｉｌｅｄｌｙ　ｅｘｐａｔｒｉａｔｅ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ａｎｄ　ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｉｔ　ｃａｎ　ｄｅｔｅｃｔ　ｗｅａｋ　ｓｉｇｎａｌｓ　ｔｈａｔ　ｅｘｉｓｔ　ｉｎ　ｓｔｒｏｎｇｅｒ　ｎｏｉｓｅ　ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ，ａｎｄ　ｔｒａｎｓｍｉｔ　ｔｈｅ　ａｃｑｕｉｒｅｄ　ｄａｔａ　ｂｙ　ｓｈｏｒｔ—ｒａｎｇｅ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ．Ｔｈｉｓ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｅａｓｙ　ｔｏ　ｕｓｅ　ａｎｄ　ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔ　ｔｏ　ｏｐｅｒａｔｅ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ　ｄａｔａ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ；ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ；ｓｙｓｔｅｍ－ｏｎ—ｃｈｉｐ　Ｐｅｎｇ　Ｑｉｓｈｅｎｇ　Ａｓｓｏｃ　Ｐｒｏｆ，Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ａｎｄ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳＣＵＦＮ，Ｗｕｈａｎ　４３００７４．Ｃｈｉｎａ　数据采集系统的首要任务是采集工业或实验现　成数据采集系统的设计【３］．该系统能采集多通道信　场的各种参数，然后将数据送入计算机进行进一步　的处理．采集系统与计算机之间的通信接口以前一　般采用基于ＲＳ２３２串行总线或ＰＣＩ总线．ＲＳ２３２串　行总线虽然连接简单，但速度较慢；ＰＣＩ总线支持即　号并以１Ｍｂ／ｓ的传输速度无线地传送给上位机．　１　无线数据采集系统的硬件设计　采用Ｎｏｒｄｉｃ　ＶＩ　ＳＩ公司新推出的片上系统芯片　ｎＲＦ２４Ｅ１为核心的多通道数据采集系统主要包括３　插即用功能，但存在插拔烦琐的缺陷以及受计算机　ＰＣＩ扩展槽数目的，不适合用于便携式仪器中．　ＵＳＢ具有传输速度高、支持即插即用和易于扩展的　优点，使其成为分析仪器与ＰＣ机通信接口的理想选　择．但是基于ＵＳＢ接口的数据通信依然是一种有线　个部分：信号提取与调理、信号的Ａ／Ｄ变换和数据　的无线传输，其硬件的结构框图如图１所示．　接入的方式，在需要移动式数据采集的场合下会给　操作和使用带来不便【１］．随着短距离无线通信技术　的发展以及无线通信在可靠性、可操作性方面的优　Ｐｃ机）Ｊ　Ｌ—Ｊ　势，在数据采集系统中以无线接入代替有线接入已　成为一种发展趋势【２Ｊ．　图１　无线传输的多通道数据采集系统框图　将由传感器提取的弱电信号经过输入保护电路　作电压限幅后，通过滤波、前置放大、光电隔离和后　为此，我们采用集无线收发、多路Ａ／Ｄ变换、５１　内核微控制器等于一体的系统级芯片ｎＲＦ２４Ｅ１完　收稿日期　２００４—０３—０５　作者简介彭其圣（１　９６７一），男，副教授，研究方向；电路与系统设计，计算机应用，Ｅ—ｍａｉｌ：ｑｓｐｅｎｇ＠ｔｏｍ．ｃｏｍ　维普资讯 http://www.cqvip.com

第３期　彭其圣，等：基于ｎＲＦ２４Ｅ１的多通道数据采集系统的设计　级放大等调理过程后，送ｎＲＦ２４Ｅ１的片内Ａ／Ｄ进行　位或１２位精度，ＡＤＣ采样系统由片内微控制器的４　个特殊功能寄存器控制．寄存器ＡＤＣＣＯＮ用于控制　ＡＤＣ转换的启停以及参考电压和转换通道的选择；　寄存器ＡＤＣＳＴＡＴＩＣ用于选择ＡＤＣ转换的精度以　及转换的分频时钟；寄存器ＡＤＣＤＡＴＡＨ和　ＡＤＣＤＡＴＡＩ　分别用于存放ＡＤＣ转换的结果．ＡＤＣ　采样；根据需要对信号做简单的数字处理后，通过片　内集成的２．４ＧＨｚ收发器传送信号．在上位机ＰＣ端　采用Ｎｏｒｄｉｃ　ＶＩ　ＳＩ公司的２．４ＧＨｚ无线收发芯片　ｎＲＦ２４０１、微控制器ＡＴ８９Ｃ５１和ＵＳＢ接口芯片　ＰＤＩＵＳＢＤ１２开发的无线ＵＳＢ接口接收数据．　１．１　片上系统ｎＲＦ２４Ｅ１的特点　转换器的９个输入可通过软件进行选择．通道０～７　可以把对应引脚ＡＩＮ０～ＡＩＮ７上的电压值转换为　数字值，通道８用于对ｎＲＦ２４Ｅ１工作电压进行监控．　１．３信号调理电路的设计　ｎＲＦ２４Ｅ１是Ｎｏｒｄｉｃ公司推出的一款嵌入了高　性能单片机内核、Ａ／Ｄ转换器和集收发于一体的系　统芯片．ｎＲＦ２４Ｅ１内部集成２．４ＧＨｚ无线内核　ｎＲＦ２４０１，工作于全球开放的２．４Ｇ　ＩＳＭ频段，１２５　个频道，可满足多频及调频需要．其内部还有电压调　整器（工作电压１．９～３．６Ｖ）和ＶＤＤ电压监视，通道　开关时间小于２００／￣ｓ，数据速率１Ｍｂ／ｓ，不需要外接　通过电极传感器提取淹没在强噪声背景下的弱　信号时，会呈现出不稳定的内阻源性质．源阻抗的不　稳定将导致放大器电压增益的波动，从而造成测量　的误差．为了克服源阻抗给系统测量带来的误差，在　ＳＡＷ滤波器．与蓝牙相比，ｎＲＦ２４Ｅ１没有复杂的通　信协议，完全对用户开放，同种产品之间可以自由　前置级放大电路中必须使用高输入阻抗、高共模抑　制比以及低噪声特性的放大器　．　为此，在前置级放大电路中，本系统选用了精密　仪表放大器ＩＮＡ１２８，它的特点是高共模抑制比　（１０６ｄＢ，Ｇ一１０），高输入阻抗（１０７ｋＱ），低噪声，其　通信．　ｎＲＦ２４Ｅ１片内还嵌入增强型８０５１微控制器内　核，９路采样速率为１００ｋＨｚ的１０位ＡＤＣ，内置电压　基准、电源检测；可配置ＰＷＭ输出，ＵＡＲＴ异步串　行通信接口，ＳＰＩ同步通信串口；内置ＣＲＣ校验和　静态电流只有７００／￣Ａ，功耗较低，非常适合于电池供　电系统．ＩＮＡ１２８通过外部电阻来调节增益，增益公　多点通信控制，适合点对多点通信．　１．２　ＡＤＣ采样系统　式为：Ｇ一１十５Ｏ（ｋｎ）／Ｒ“．　由于极化电压的影响，第一级放大电路的增益　不能过高，取前置放大倍数为１１，此时外部电阻尺　ｎＲＦ２４Ｅ１的ＡＤＣ采样子系统部分由１２位模数　转换器、模拟多路开关、参考基准电压和控制逻辑等　单元组成，ＡＤＣ转换器可分别配置为６位、８位、１０　取近似值５ｋｆ１．二级放大由Ｉ　Ｍ３２４构成，增益取为　１０．前置放大电路如图２所示．　图２前置放大电路　２无线数传模块的设计　ｎＲＦ２４Ｅ１可以在２．４ＧＨｚ　ＩＳＭ频段实现无线　通信，片内收发器包含１个完全集成的分频器、放大　器、调节器和２个收发单元，其无线收发系统与单片　射频收发器ｎＲＦ２４０１具有相同的功能，该功能由外　部并行接口或ＳＰＩ接口启动．收发器的运行由射频　制，８位射频寄存器ＲＡＤＩＯ对应于ｎＲＦ２４０１的不同　的引脚，用于收发模式的确定，ＳＰＩ　ＣＴＲＩ　用于ＳＰＩ　接口的使能和收发单元的选择．当ｎＲＦ２４Ｅ１为接收　读模式时，读ＲＡＤＩＯ寄存器（表１状态），可以获取　对应收发单元的射频信息；当ｎＲＦ２４Ｅ１为传输模式　时，写ＲＡＤＩＯ寄存器（表２状态），将待传送的数据　由对应的收发单元发送出去．ＳＰＩ　ＣＴＲＩ　一１０，ＳＰＩ　接口连接到收发单元１；ＳＰＩ　ＣＴＲＩ　一ｌ１，ＳＰＩ接口　连接到收发单元２．　寄存器ＲＡＤＩＯ和特殊功能寄存器ＳＰＩ　ＣＴＲＩ　控　维普资讯 http://www.cqvip.com

５６　中南民族大学学报（自然科学版）　表１读射频寄存器ＲＡＤＩＯ　第２４卷　在激活状态下，ｎＲＦ２４Ｅ１有ＳｈｏｃｋＢｒｕｓｔ　和　振荡器等全部集成在芯片内部，仅需极少的外围电　Ｄｉｒｅｃｔ　Ｍｏｄｅ　２种工作模式．对射频寄存器ＲＡＤ１０　路就可完成收发系统硬件的设计，而发射功率、工作　频率等所有的工作参数全部通过软件设置完成．　ｎＲＦ２４Ｅ１连接单端５０Ｑ天线的射频电路和存储器　扩展的原理图如图３所示．　编程，使其ＤＲ１（通道１接收数据准备）、ＣＩ　Ｋ１（通道　１接收数据时钟）、ＤＡＴＡ（接收数据）引脚，构成三　线通信接口，工作于ＳｈｏｃｋＢｒｕｓｔ　模式．　ｎＲＦ２４Ｅ１射频模块所需的高频元件包括电感、　图３射频电路和存储器扩展原理图　３　系统软件的设计　该系统软件主要完成以ｎＲＦ２４Ｅ１为核心的多　道进行巡回采样，并将采样结果保存在存储器中，当　规定的存储区满后，将数据通过片内的无线收发器　发送出去．ＡＤＣ采样的工作流程如图４所示．　通道弱信号的采集和无线传输．采用模块化程序设　计方法，将系统软件的设计主要分为初始化模块、　ＡＤＣ采样与数据存储模块和数据的无线发送模块．　初始化模块主要完成ｎＲＦ２４Ｅ１端口配置、设置定时　当ｎＲＦ２４Ｅ１工作在ＳｈｏｃｋＢｒｕｓｔ　。Ｍ模式时，置ＣＥ　（ＲＡＤＩＯ．６）为高，经２００￣ｓ后ｎＲＦ２４Ｅ１处于通信监　测状态．ｎＲＦ２４Ｅ１自动将待发送数据的地址和数据打　包，并计算数据包的ＣＲＣ校验码；置ＣＥ为低，　ｎＲＦ２４Ｅ１在数据包前加载同步码（ｐｒｅａｍｂｌｅ）并发送　数据包．控制ｎＲＦ２４０１接收数据的流程如图５所示．　器／计数器的初值、以及中断优先权寄存器等的设　定．ＡＤＣ采样采用巡回检测的方法，依次对不同通　维普资讯 http://www.cqvip.com

第３期　彭其圣，等：基于ｎＲＦ２４Ｅｌ的多通道数据采集系统的设计　５７　图４　ＡＤＣ采样流程图、　４　结语　与传统的数据采集系统相比较，以系统级芯片　图５数据无线传送流程图　ｎＲＦ２４Ｅ１完成的该数据采集系统减少了ＡＤＣ转换　参　考　文　献　器和通信接口等外设，不仅减少了电路布板的面积、　降低了开发成本，而且使可靠性能大大增加．该系统　［１］　崔岩松．ＵＳＢ接口的高速数据采集卡的设计与实现　适用于移动式数据采集的场合，使用方便、性能稳　［Ｊ］．电子技术应用．２００３．（３）：２ｏ～２２　定．可提取强噪声背景下的弱电信号，并以无线的方　Ｅ２３杨　湘，王跃科，乔纯捷．蓝牙短距离无线通信技术　式快速地将数据传送给上位机．能广泛用于恶劣环　［Ｊ］．仪器仪表学报．２００２．（６）：２７１～２７２　Ｅ３３　田建君．基于ＵＳＢ接口的移动式弱电信号数据采集系　境下工业现场的数据采集和远程监护系统中病人生　统［Ｊ］．电测与仪表，２００３，（１２）：５１～５４　理参数的提取，具有很高的实用价值．　（上接第５３贞）　还有方便的外设端口以及先进的ＶＩ　Ｔｗ并行高效指　同用户，选择最佳的工作频段和工作模式，并利用与　令集．ＤＳＰ是软件无线电收发机实验平台的控制中　用户相适配的功能同用户进行信息交换，从而极大　心，其主要用来完成信号的调制、解调、滤波、载波的　地提高了通信质量和服务质量．相信随着微电子技　恢复、码同步和自动增益控制等　ｊ．　术的不断发展，软件无线电在未来的移动通信中会　由ＡＤ６６４４、ＡＤ９７５４、ＡＤ６６２０、ＡＤ６６２２和　有着更加广泛的应用前景．　ＴＭｓ３２０Ｃ６７０１构成的软件无线电收发机实验平　台，提供了增加信道和系统特性的简便方法，具有较　参　考　文　献　大的中频处理的带宽和较高的数字信号处理的速　［１］　Ｍｉｔｏｌａ　Ｊ．Ｔｈｅ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｒａｄｉｏ　ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ　ＥＪ］．ＩＥＥＥ　度，也便于以后系统的升级和改进．　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　Ｍａｇａｚｉｎｅ，１９９５，（５）：２６～３８　Ｅ２３　Ｍｉｔｏｌａ　Ｊ．Ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｒａｄｉｏ　ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ：ａ　ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ　４　结束语　ｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　Ｍａｇａｚｉｎｅ，　目前的ＧＳＭ移动通信系统中，作为３Ｇ乃至４Ｇ　１９９９，（４）：５１４～５３８　移动通信关键技术的软件无线电技术的研究，主要　［３］Ｓａｌｋｉｎｔｚｉｓ　Ａ　Ｋ．ＡＤＣ　ａｎｄ　ＤＳＰ　ｃｈａｌｌｅｎｇｅｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅ—　ｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｒａｄｉｏ　ｂａｓｅ　ｓｔａｔｉｏｎｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　集中在如何利用现有的技术和器件，最大限度地实　Ｐｅｒｓｏｎａｌ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，１　９９９，（８）：４７～５５　现软件无线电所要求的通用性和灵活性，以及将软　［４］杨小牛，楼才义，徐建良．软件无线电原理及其应用　件化、智能化的设计思想体现到具体的应用中．比如　［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２００１．１２２～ｌ４７　利用中频数字化软件无线电技术研制一种多模式、　［５］Ｊｅｆｆｒｅｙ　Ｈ　Ｒ．软件无线电——无线电工程的现代方法　多频段的移动通信系统，实现各种标准下的通信体　［Ｍ］．陈强译．北京：人民邮电出版社，２００４．２３６～　制的兼容和互连，它可根据不同时间、不同环境、不　２５７