分布式无线数据采集系统的实现方法
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分布式无线数据采集系统的实现方法 李振华, 等
分布式无线数据采集系统的实现方法
Im plem entation of D istributed W ireless D ata A cquisition System
李振华 王志新 张华强
(上海交通大学电子信息与电气工程学院, 上海 200240)
摘 要: 针对工控领域中数据采集具有分散性的特点, 采用无线通信技术进行分布式数据采集。该系统采用星型拓扑结构的无线网
0 引言
1 无线网络的结构
以无线技术作为节点设备间的通信媒介, 其优点非 常明显, 比如可以灵活移动、可以不受工作环境限制, 非 常适合分 布 式数 据采 集 的情 况。本文 提 出一 种 基于
ARM 和 nRF905的分 布式无线数 据采集系统 的实现方 案, 可以实现短距离内计算机与数据采集单元之间的数 据传输。采集系统建立在已有的测量条件下, 待采集的 物理量已转化为 0~ 10 V 的模拟电压信号。
系统由 PC机、数据接收中心和数据采集单元 3部 分组成。数据采集单 元分布 于工作 现场, 以单片 机为 核心, 具有 多 通 道 数 据 采集 能 力。 数据 接 收 中 心 由 ARM 微控制器 LPC2104 组成, 通过 RS 232串 口与 PC 机连接, 负责发起数 据采 集链接 和传输 数据。本 文将 从 3个方面对系统进行阐述, 即无线网络结构、硬件设 计和软件设计。
中图分类号: TP274
文献标志码: A
A bstract: A mi ing at the decentra lized feature o f data acquisition in industrial control area, by adopting the technology ofw ire less comm unica
3 软件设计
3. 1 nRF905的配置与使用 通过 SP I接口发送指令, 对 nRF905进行初始化 [ 3]。
将 nRF905配 置 为 工作 在 433 MH z 频 段, 发 射 功 率为 6 dBm, 收发地址均为 4 B, 有效 RX 数据宽度为 32 B, 有 效 TX数据宽度为 32 B, 主节点地址为 0xcccccccc, 使用 16位 CRC校验, 配置字为 0x4c08442020ccccccccd8。
按照所起作用, 无线 通信 节点分 为数 据采集 单元 通信节点和数据接收中心通信节点 2类。在硬件实现 上, 数 据 采 集 单 元 和 数 据 接 收 中 心 的 通 信 均 采 用 nRF905无线模块。无线网络的结构如图 1 所示。
中国博士后基金项目 ( 编号: 20080440088); 上海市博士后基金项目 (编号: 08R 214134); 上海市科技发展基金项目 ( 编号: 09195802900); 上海市教育发展基金项目 ( 编号: 09LM 37、09LM 30) 。 修改稿收到日期: 2009- 10- 21。 第一作者李振华, 男, 1983年生, 现为上海交通大学电气工程系在读 硕士研究生; 主要从事风力发电等方面的研究。
表 1 nRF905工作模式的设置 Tab. 1 Se tting the operatin gm od es of nRF905
PW R _U P
0 1 1 1
TR X _CE
0 1 1
TX _EN
0 1
工作模式
掉电模式 待机模式 Shock Bu rst RX Sh ock Burs t TX
注: 表示该引脚取逻辑 0 或者取逻辑 1均可。
2. 2 nRF905无线通信模块 nRF905是 Nord ic公 司推 出的 无线收 发芯 片。该
芯片工 作于 433 / 868 /915 MH z这 3 个频段, 可自 动产 生前导码和 CRC校 验码, 自动 完成 曼彻 斯特 编码 /解 码, 从而降低了对 M CU 存储 器的要 求, 缩 短了开 发时 间。本系统 采用 的 nRF905 无 线 通信 模块, 有 效 通信 距离可达到 200 m, 最大速率达到 100 kb it/ s, 多点通信 的地址可以有 232种组合, 非常适合组成无线网络。
2. 4 数据采集单元 数据采集节点位于工作现场, 利用 C8051F330 自带
的 A /D 转换模 块, 可实 现 8 路模 拟电 压信 号 的采 集。 C8051F330是由 S ilicon Lab公司推出的 8位 SoC型单片 机, 其带有 10位 ADC, 转换速率可以达到 200 kS / s, 最多 16个输入通道。信号调理电路对输入电压进行变换, 使 电压 变 换 范 围 为 0 ~ 2. 4 V, 以 便 进 行 A /D 转 换。 C8051F330的 I/O 串 口与 nRF905 模 块的 引 脚 直 接相 连, 并以 I/O 模拟方式进行 SPI通信。
除去电源引脚, 在无线通信中被使 用的 nRF905模 块引脚包括: 由 PWR _UP、TRX _CE和 TX _EN 控制位进 行模式控制, 工作模式的设置如表 1所示; 由 M ISO、MO S I、SCK 以及 CSN 组成 SP I接口, 配置 nRF905的工作参 数 和读写 数据; 数 据就绪 指示 位 DR 作 为硬件 握手信 号, 在 nRF905接收或发送数据包完毕时置位。
次就自我删除; LPC2104 定时 器 1 给操 作系 统提 供时 钟中断源, 配置时钟节拍 T ick = 100 H z; 串口通 信任 务, 接收上位机指令, 并 传达 给对应 的从节 点, 建 立数 据采集链接; 无线通 信任 务, 接收 无线数 据, 校 验后 传送给上位机; 状态指示任 务, 通过 LED 显 示, 直观 地监视 CPU 是否正常工作; 系统监控任务, 定时 喂 狗 , 防止程序跑飞。
络, 在软件设计中移植了 C /OS II操作系统; 主节点采用 ARM 微控制器构建, 从节点采用 C8051F330完成数据采集; 同时, 主节点通
过 nRF905无线模块与从节点进行数据交换。在测试中, 系统工作稳定, 数据传输安全可靠。结果表明, 该系统满足分布式数据采集
等工控领域的需要。
关键词: 分布式数据采集 无线网络结构 星型拓扑 C /OS II nRF905无线模块
73
分布式无线数据采集系统的实现方法 李振华, 等
集相对应, 无线网络采用有中心的星型拓扑, 星型拓扑 的优点是结构简 单、建 网容易、控制 相对简 单。因此, 以数据接收中心为主节点、数据采集单元为从节点, 建 立星型结 构的 通 信链 路。主 节点 作为 整个 网 络 的核 心, 负责发起各项链 接, 从节 点只 与主节 点进行 通信。 当然, 这种拓扑结构的主节点必须足够健壮, 这主要从 主节点的软硬件方面来保证 [ 1]。
so ftw are design, the C /OS II operating system is transplanted; the m aster node is bu ilt by using ARM m icro contro ller, wh ile the slave nodes
are com posed o f C8051F330 for da ta acquisition. T he data exchange betw een m aster node and slave nodes is v ia nRF905 w ire less m odule. In
2. 1 ARM 微控制器 LPC2104 LPC2104是 NXP公司专 为嵌入式应用提供的高性
价比微控制器解决方 案。它采 用 32位 R ISC 结构内核 ARM 7TDM I S, CPU 操作频 率可达 到 60 MH z, 并且具有 128 kB F lash 程序存 储器和 16 kB静态 RAM, 片上集成 了 2个 UART 串行接口、1个 I2C 串行接口、1 个 SPI串 行接口、2 个 通 用 定 时 器、PWM 模 块 和 实 时 时 钟 等。 LPC2104主要 应用 于工业 控 制、通信 网 关和 访问 控制 等, 能够与常用的外围设备实现无缝集成, 功能强大。
tests, the system is runn ing stably, the data transm ission is safety and reliable. The results show tha t this system m eets the requirem ents of d is
2. 3 数据接收中心 LPC2104 的 I/O 口 工 作 电 压 为 3ห้องสมุดไป่ตู้ 3 V, 可 与
nRF905模块兼容, 引 脚直 接相 连, 并 以 I/O 模拟 方式 进 行 SPI通 信 [ 2] 。数 据 就 绪指 示 位 DR 经 过反 相 器
图 2 硬件连接示意图 F ig. 2 Connec tions of hardwa re
tributed data acquisition in industrial contro l area.
K eyw ords: D istributed data acqu isition W ire less network structure Star topology C /OS II nRF905 w irelessm odule
自动化仪表 第 31卷第 5期 2010年 5月
图 1 无线数据采集系统网络结构示意图 F ig. 1 Schema tic o f the netwo rk structure of
w ire less data acqu isition sy stem
要设计一个无线通 信网 络, 需要 考虑 网络的 拓扑 结构以及系统的稳健性等。无线局域网的结构大体上 分为无中心拓扑和有中心拓扑 2类。与分布式数据采
tion, the distributed data acquisition system has been designed. In this system, the w ire less netw orkw ith star topolog ic structure is used, and in
2 硬件设计
与 /EINT0 引脚相连。当接收或发送数据包完毕时, DR 引脚 置 位 ( 这 可 以 当 作 硬 件 握 手 信 号 使 用 )。 在 nRF905接收数据时, 使 能外部 中断, /EINT0 引脚 工作 在中断方式; nRF905接收到正确的数据包后会将 DR 置 位并使 /EINT0引脚为低, 从而触发外部中断, 通知 MCU 读取 数 据; 当 nRF905 发 送 数 据 时, 禁 止 外 部 中 断, /EINT0引 脚工 作在 查询 方式。 LPC2104、C8015F330 和 nRF905模块的硬件连接如图 2 所示。
nRF905采用 Shock Burst TX 模式 来发 送 数据, 此 时, 发送前禁止外部中断, 设置 /E INT0 引脚工作在查询 方式。首先将 TRX _CE 引脚置 低, 进 入待机模式, 低速 写入接收节点的地址和待发送的数据; 然后将 TRX _CE 引脚置高、TX _EN 引脚置低, 进入发送模式, 将整个数据 包高速发送出去, 发送完成时 DR 脚自动置位。数据发 送流程如图 3( a)所示。 nRF905采用 Shock Bu rst RX 模 式来接收数据, 这时, 使能外部中断, 设置 /EINT0 引脚工 作在中断方式。首先配置本机地址, 然后将 TRX _CE和 TX_EN 引脚置高, nRF905进入监视状态, 等待数据的到
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PRO CESS AUTOMATION IN STRUMENTAT ION Vol 31 N o 5 M ay 2010
分布式无线数据采集系统的实现方法 李振华, 等
来。当接收到正确的数据包后, DR 脚自动置位, 触发外 部 中 断, 并 通 知 M CU 读 取 数 据; 读 取 数 据 完 毕 后, nRF905将 DR 引 脚置低。数 据接收 流程如 图 3 ( b )所 示。
分布式无线数据采集系统的实现方法
Im plem entation of D istributed W ireless D ata A cquisition System
李振华 王志新 张华强
(上海交通大学电子信息与电气工程学院, 上海 200240)
摘 要: 针对工控领域中数据采集具有分散性的特点, 采用无线通信技术进行分布式数据采集。该系统采用星型拓扑结构的无线网
0 引言
1 无线网络的结构
以无线技术作为节点设备间的通信媒介, 其优点非 常明显, 比如可以灵活移动、可以不受工作环境限制, 非 常适合分 布 式数 据采 集 的情 况。本文 提 出一 种 基于
ARM 和 nRF905的分 布式无线数 据采集系统 的实现方 案, 可以实现短距离内计算机与数据采集单元之间的数 据传输。采集系统建立在已有的测量条件下, 待采集的 物理量已转化为 0~ 10 V 的模拟电压信号。
系统由 PC机、数据接收中心和数据采集单元 3部 分组成。数据采集单 元分布 于工作 现场, 以单片 机为 核心, 具有 多 通 道 数 据 采集 能 力。 数据 接 收 中 心 由 ARM 微控制器 LPC2104 组成, 通过 RS 232串 口与 PC 机连接, 负责发起数 据采 集链接 和传输 数据。本 文将 从 3个方面对系统进行阐述, 即无线网络结构、硬件设 计和软件设计。
中图分类号: TP274
文献标志码: A
A bstract: A mi ing at the decentra lized feature o f data acquisition in industrial control area, by adopting the technology ofw ire less comm unica
3 软件设计
3. 1 nRF905的配置与使用 通过 SP I接口发送指令, 对 nRF905进行初始化 [ 3]。
将 nRF905配 置 为 工作 在 433 MH z 频 段, 发 射 功 率为 6 dBm, 收发地址均为 4 B, 有效 RX 数据宽度为 32 B, 有 效 TX数据宽度为 32 B, 主节点地址为 0xcccccccc, 使用 16位 CRC校验, 配置字为 0x4c08442020ccccccccd8。
按照所起作用, 无线 通信 节点分 为数 据采集 单元 通信节点和数据接收中心通信节点 2类。在硬件实现 上, 数 据 采 集 单 元 和 数 据 接 收 中 心 的 通 信 均 采 用 nRF905无线模块。无线网络的结构如图 1 所示。
中国博士后基金项目 ( 编号: 20080440088); 上海市博士后基金项目 (编号: 08R 214134); 上海市科技发展基金项目 ( 编号: 09195802900); 上海市教育发展基金项目 ( 编号: 09LM 37、09LM 30) 。 修改稿收到日期: 2009- 10- 21。 第一作者李振华, 男, 1983年生, 现为上海交通大学电气工程系在读 硕士研究生; 主要从事风力发电等方面的研究。
表 1 nRF905工作模式的设置 Tab. 1 Se tting the operatin gm od es of nRF905
PW R _U P
0 1 1 1
TR X _CE
0 1 1
TX _EN
0 1
工作模式
掉电模式 待机模式 Shock Bu rst RX Sh ock Burs t TX
注: 表示该引脚取逻辑 0 或者取逻辑 1均可。
2. 2 nRF905无线通信模块 nRF905是 Nord ic公 司推 出的 无线收 发芯 片。该
芯片工 作于 433 / 868 /915 MH z这 3 个频段, 可自 动产 生前导码和 CRC校 验码, 自动 完成 曼彻 斯特 编码 /解 码, 从而降低了对 M CU 存储 器的要 求, 缩 短了开 发时 间。本系统 采用 的 nRF905 无 线 通信 模块, 有 效 通信 距离可达到 200 m, 最大速率达到 100 kb it/ s, 多点通信 的地址可以有 232种组合, 非常适合组成无线网络。
2. 4 数据采集单元 数据采集节点位于工作现场, 利用 C8051F330 自带
的 A /D 转换模 块, 可实 现 8 路模 拟电 压信 号 的采 集。 C8051F330是由 S ilicon Lab公司推出的 8位 SoC型单片 机, 其带有 10位 ADC, 转换速率可以达到 200 kS / s, 最多 16个输入通道。信号调理电路对输入电压进行变换, 使 电压 变 换 范 围 为 0 ~ 2. 4 V, 以 便 进 行 A /D 转 换。 C8051F330的 I/O 串 口与 nRF905 模 块的 引 脚 直 接相 连, 并以 I/O 模拟方式进行 SPI通信。
除去电源引脚, 在无线通信中被使 用的 nRF905模 块引脚包括: 由 PWR _UP、TRX _CE和 TX _EN 控制位进 行模式控制, 工作模式的设置如表 1所示; 由 M ISO、MO S I、SCK 以及 CSN 组成 SP I接口, 配置 nRF905的工作参 数 和读写 数据; 数 据就绪 指示 位 DR 作 为硬件 握手信 号, 在 nRF905接收或发送数据包完毕时置位。
次就自我删除; LPC2104 定时 器 1 给操 作系 统提 供时 钟中断源, 配置时钟节拍 T ick = 100 H z; 串口通 信任 务, 接收上位机指令, 并 传达 给对应 的从节 点, 建 立数 据采集链接; 无线通 信任 务, 接收 无线数 据, 校 验后 传送给上位机; 状态指示任 务, 通过 LED 显 示, 直观 地监视 CPU 是否正常工作; 系统监控任务, 定时 喂 狗 , 防止程序跑飞。
络, 在软件设计中移植了 C /OS II操作系统; 主节点采用 ARM 微控制器构建, 从节点采用 C8051F330完成数据采集; 同时, 主节点通
过 nRF905无线模块与从节点进行数据交换。在测试中, 系统工作稳定, 数据传输安全可靠。结果表明, 该系统满足分布式数据采集
等工控领域的需要。
关键词: 分布式数据采集 无线网络结构 星型拓扑 C /OS II nRF905无线模块
73
分布式无线数据采集系统的实现方法 李振华, 等
集相对应, 无线网络采用有中心的星型拓扑, 星型拓扑 的优点是结构简 单、建 网容易、控制 相对简 单。因此, 以数据接收中心为主节点、数据采集单元为从节点, 建 立星型结 构的 通 信链 路。主 节点 作为 整个 网 络 的核 心, 负责发起各项链 接, 从节 点只 与主节 点进行 通信。 当然, 这种拓扑结构的主节点必须足够健壮, 这主要从 主节点的软硬件方面来保证 [ 1]。
so ftw are design, the C /OS II operating system is transplanted; the m aster node is bu ilt by using ARM m icro contro ller, wh ile the slave nodes
are com posed o f C8051F330 for da ta acquisition. T he data exchange betw een m aster node and slave nodes is v ia nRF905 w ire less m odule. In
2. 1 ARM 微控制器 LPC2104 LPC2104是 NXP公司专 为嵌入式应用提供的高性
价比微控制器解决方 案。它采 用 32位 R ISC 结构内核 ARM 7TDM I S, CPU 操作频 率可达 到 60 MH z, 并且具有 128 kB F lash 程序存 储器和 16 kB静态 RAM, 片上集成 了 2个 UART 串行接口、1个 I2C 串行接口、1 个 SPI串 行接口、2 个 通 用 定 时 器、PWM 模 块 和 实 时 时 钟 等。 LPC2104主要 应用 于工业 控 制、通信 网 关和 访问 控制 等, 能够与常用的外围设备实现无缝集成, 功能强大。
tests, the system is runn ing stably, the data transm ission is safety and reliable. The results show tha t this system m eets the requirem ents of d is
2. 3 数据接收中心 LPC2104 的 I/O 口 工 作 电 压 为 3ห้องสมุดไป่ตู้ 3 V, 可 与
nRF905模块兼容, 引 脚直 接相 连, 并 以 I/O 模拟 方式 进 行 SPI通 信 [ 2] 。数 据 就 绪指 示 位 DR 经 过反 相 器
图 2 硬件连接示意图 F ig. 2 Connec tions of hardwa re
tributed data acquisition in industrial contro l area.
K eyw ords: D istributed data acqu isition W ire less network structure Star topology C /OS II nRF905 w irelessm odule
自动化仪表 第 31卷第 5期 2010年 5月
图 1 无线数据采集系统网络结构示意图 F ig. 1 Schema tic o f the netwo rk structure of
w ire less data acqu isition sy stem
要设计一个无线通 信网 络, 需要 考虑 网络的 拓扑 结构以及系统的稳健性等。无线局域网的结构大体上 分为无中心拓扑和有中心拓扑 2类。与分布式数据采
tion, the distributed data acquisition system has been designed. In this system, the w ire less netw orkw ith star topolog ic structure is used, and in
2 硬件设计
与 /EINT0 引脚相连。当接收或发送数据包完毕时, DR 引脚 置 位 ( 这 可 以 当 作 硬 件 握 手 信 号 使 用 )。 在 nRF905接收数据时, 使 能外部 中断, /EINT0 引脚 工作 在中断方式; nRF905接收到正确的数据包后会将 DR 置 位并使 /EINT0引脚为低, 从而触发外部中断, 通知 MCU 读取 数 据; 当 nRF905 发 送 数 据 时, 禁 止 外 部 中 断, /EINT0引 脚工 作在 查询 方式。 LPC2104、C8015F330 和 nRF905模块的硬件连接如图 2 所示。
nRF905采用 Shock Burst TX 模式 来发 送 数据, 此 时, 发送前禁止外部中断, 设置 /E INT0 引脚工作在查询 方式。首先将 TRX _CE 引脚置 低, 进 入待机模式, 低速 写入接收节点的地址和待发送的数据; 然后将 TRX _CE 引脚置高、TX _EN 引脚置低, 进入发送模式, 将整个数据 包高速发送出去, 发送完成时 DR 脚自动置位。数据发 送流程如图 3( a)所示。 nRF905采用 Shock Bu rst RX 模 式来接收数据, 这时, 使能外部中断, 设置 /EINT0 引脚工 作在中断方式。首先配置本机地址, 然后将 TRX _CE和 TX_EN 引脚置高, nRF905进入监视状态, 等待数据的到
74
PRO CESS AUTOMATION IN STRUMENTAT ION Vol 31 N o 5 M ay 2010
分布式无线数据采集系统的实现方法 李振华, 等
来。当接收到正确的数据包后, DR 脚自动置位, 触发外 部 中 断, 并 通 知 M CU 读 取 数 据; 读 取 数 据 完 毕 后, nRF905将 DR 引 脚置低。数 据接收 流程如 图 3 ( b )所 示。