基于ARM7 LPC2220的嵌入式高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

隨著數(shù)據(jù)監(jiān)測、無線通信和EDA技術(shù)等應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴展，人們對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采集精度、采集速度以及數(shù)據(jù)存儲量都提出了更高的要求。針對當(dāng)前數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的不足，提出了一種基于ARM7處理器LPC2220的嵌入式高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計，以滿足系統(tǒng)高速、實時，數(shù)據(jù)存儲量大的需求。此外，由于模擬信號的抗干擾能力差而不利于傳輸，因此通常利用數(shù)字信號進行傳輸。利用無線通信方式，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)輕巧、維護方便。適用于防汛防旱等災(zāi)難預(yù)警中的數(shù)據(jù)檢測，例如降雨量采集、水文站水位監(jiān)測等。

1 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計

1．1 概述

所謂數(shù)據(jù)采集，就是通過傳感器把一些物理量轉(zhuǎn)換成模擬電信號，經(jīng)過處理后再轉(zhuǎn)換成計算機能識別的數(shù)字量，送入計算機。數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵問題是采集速度和精度。采集速度主要與采樣頻率和A／D轉(zhuǎn)換速度有關(guān)，采集精度主要與A／D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)有關(guān)。高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計需要解決的是系統(tǒng)在速度、精度、數(shù)據(jù)存儲方面的矛盾。文中介紹的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用飛利浦公司的LPC2220微處理器。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS）按照功能可分為：模擬信號調(diào)理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)采集和存儲、時鐘電路、系統(tǒng)時序及邏輯控制電路。如圖1所示。

1．2 系統(tǒng)時鐘電路設(shè)計

時鐘信號的穩(wěn)定性決定了采樣系統(tǒng)的性能。而相位噪聲和抖動是反映時鐘信號穩(wěn)定性的兩個主要指標。其中，相位噪聲用來描述時鐘信號的頻譜純度，相位抖動則直接影響時鐘的過零點。時鐘信號相位抖動對模數(shù)轉(zhuǎn)換信噪比的影響，可通過式（1）計算得出

其中，fs為采樣時鐘頻率；N為模數(shù)轉(zhuǎn)換器的位數(shù)；△clk為時鐘信號相位抖動量。因此，取樣時鐘的穩(wěn)定性與信噪比的性能之間也存在著密切的關(guān)系。

1．3 系統(tǒng)抗干擾設(shè)計

高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)存在較大的干擾問題，例如信號連線上的延遲、串?dāng)_、器件內(nèi)部過度干擾和熱噪聲、電源干擾、地噪聲等。不僅會影響著運算放大器與A／D轉(zhuǎn)換器等模擬器件的精度，嚴重時還將影響系統(tǒng)的正常工作。因此在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計中，整個系統(tǒng)的采集精度主要取決于系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計，盡可能減小或者消除干擾源。文中主要從以下幾個方面進行考慮：

（1）電源設(shè)計方面。根據(jù)高速電路設(shè)計理論，A／D采集系統(tǒng)中的電源應(yīng)當(dāng)采用線性電源，以避免開關(guān)電源引入噪聲。為降低電源阻抗，減小噪聲對電源的干擾，通常采用電源層設(shè)計，盡可能增大電源面積。在設(shè)計每個芯片的供電電路時，在每個芯片的電源附近并聯(lián)去耦電容和旁路電容。去耦電容為芯片提供局域化的直流；旁路電容可以消除高頻輻射噪聲和一直高頻干擾。

（2）接地技術(shù)方面。高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的模擬地和數(shù)字地應(yīng)嚴格分開，最后單點共地。共地點通常選擇在ADC芯片管腳所需電流最大的位置，這樣可以使大電流對地回流最近。以避免對模擬電路的干擾，提高系統(tǒng)的采集精度。模擬地和數(shù)字地可以通過磁珠連接，由于磁珠的高頻阻抗大，而直流電阻為零，能夠濾除高頻電流減少地線上的高頻噪聲。

2 無線傳輸模塊硬件設(shè)計

無線傳輸模塊采用單片射頻收發(fā)芯片nRF905，負責(zé)將工作在433／868／915 MHz國際通用的ISM頻段，頻段間的轉(zhuǎn)換時間《650μs。GMSK ／GFSK調(diào)制和解調(diào)，抗干擾能力強。采用DDS+PLL頻率合成技術(shù)，頻率穩(wěn)定性好。數(shù)據(jù)速率可達100 kbit·s-1，170個頻道，傳輸有效半徑達500～1 000 m。

nRF905無線通信芯片采用抗干擾能力強的GMSK調(diào)制方式，工作頻率穩(wěn)定可靠，其顯著特點是外圍元件少、工作電壓低，功耗小，接收待機狀態(tài)僅為2．5μA，可滿足低功耗設(shè)備的要求。靈敏度高，達到-100 dBm，最大發(fā)射功率達+10 dBm。該芯片在設(shè)計上充分考慮了用戶編程和使用的方便，它可以直接連接單片機串口并可進行發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，而無需對數(shù)據(jù)進行曼徹斯特編碼。由于采用了低發(fā)射功率、高接收靈敏度的設(shè)計，使用無需申請許可證，在發(fā)射功率+10 dBm情況下，開闊地的使用距離可達1 000 m。

2．1 nRF905芯片工作模式

nRF905有4種工作模式，即接收和發(fā)送兩種Shock Burst TM模式，關(guān)機和空閑兩種節(jié)能模式。nRF905的工作模式由TRX_CE，TX_EN和PWR_UP 3個引腳決定。如表1所示。

Shock Burst TM模式：與射頻數(shù)據(jù)包有關(guān)的高速信號處理都在nRF905片內(nèi)進行，數(shù)據(jù)在微控制器中低速處理，但在nRF905中高速發(fā)送，因此中間有較長時間的空閑，這很有利于節(jié)能。由于nRF905工作于ShockBurst TM模式，因此使用低速的微控制器也能得到較高的射頻數(shù)據(jù)發(fā)射速率。在Shock Burst TM接收模式下，當(dāng)一個包含正確地址和數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包被接收到后，地址匹配（AM）和數(shù)據(jù)準備好（DR）兩引腳通知微控制器。在Shock Burst TM發(fā)送模式，nRF905自動產(chǎn)生字頭和CRC校驗碼，當(dāng)發(fā)送過程完成后，數(shù)據(jù)準備好引腳通知微處理器數(shù)據(jù)發(fā)射完畢。由以上分析可知，nRF905的Shock Burst TM收發(fā)模式有利于節(jié)約存儲器和微控制器資源，同時也減小了編寫程序的時間。

2．2 LPC2220與無線收發(fā)模塊的連接

nRF905無線收發(fā)器電路模塊與LPC2220開發(fā)板連接的硬件框圖如圖2所示，LPC2220處理器可以通過SPI接口及相關(guān)指令訪問nRF905的寄存器。LPC2220中具有兩個完全獨立的SPI控制器：SPI0和SPI1。此處采用SPI0，其可配置為SPI主機或從機，支持全雙工數(shù)據(jù)通信，最大數(shù)據(jù)率為外設(shè)時鐘的1／8。電路天線部分使用高增益天線，在理想狀況下，傳輸距離可達800 m以上。

當(dāng)ARM有數(shù)據(jù)要發(fā)送時，通過SPI接口，按時序把接收機的地址和要發(fā)送的壓縮數(shù)據(jù)傳輸?shù)絥RF905無線收發(fā)芯片中，再通過天線發(fā)送出去，這樣完成了對1幀壓縮數(shù)據(jù)的傳輸。SPI接口的速率在通信協(xié)議和器件配置時確定。ARM置高nRF905的TRX_CE，TX_EN管腳，激發(fā)nRF905的Shock Burst TM發(fā)送模式。P0.13管腳與DR管腳相連，通知ARM數(shù)據(jù)己發(fā)送完，P0.7管腳與CSN管腳相連，由主機ARM激活，決定從機nRF905是否開始讀取數(shù)據(jù)。

nRF905與LPC2220兩個這樣的模塊連接即可組成一個無線數(shù)據(jù)收發(fā)系統(tǒng)，如圖3所示。串口通信時，通信雙方必須要求相同的波特率才不會丟幀；同時也必須要求一致的通信數(shù)據(jù)格式，這都是通過LPC2220芯片的UART通信接口模塊進行設(shè)置的。

3 實驗結(jié)果分析

基于nRF905的無線傳輸模塊最終實現(xiàn)了低功耗遠距離的數(shù)據(jù)傳輸。經(jīng)實驗分析表明：當(dāng)傳輸模塊工作在868 MHz頻段時，數(shù)據(jù)傳輸速率可達1 000 kbit·s-1；若采用高增益天線，則可使傳輸距離達到800 m以上，且表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語

嵌入式系統(tǒng)以其本身體積小巧便攜、實時性高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，成為多領(lǐng)域共同研究的熱點。文中采用ARM7作為控制器，其結(jié)構(gòu)小巧，與外設(shè)連接提供了穩(wěn)定可靠的硬件架構(gòu)、功耗小、性能穩(wěn)定、維護方便；不僅降低了成本，并且有效實現(xiàn)了高精度、高速、實時的數(shù)據(jù)采集，提高了系統(tǒng)的可靠性和實時性。此外，設(shè)計的無／線收發(fā)模塊，采用nR9905通過SPI接口同微拉制器進行數(shù)據(jù)傳送，通過ShoekBurstTM收／發(fā)模式進行無線數(shù)據(jù)發(fā)送，收／發(fā)可靠，實現(xiàn)簡單。當(dāng)工作在868 MHz頻段時，數(shù)據(jù)發(fā)送／接收速率為1 000 kbit·s-1，收／發(fā)距離可達十幾m，表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，實現(xiàn)高速傳輸。