无线数据采集系统

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1、无线数据采集系统内容提要:针对多点数据采集电路与数据采集平台之间的数据传输问题提出 近距离无线传输方案-基于STM32的无线数据采集系统的方案。该方案采用STM32作为核心控 制器并利用无线射频收发模块nRF24L01实现8路数据的实时采集。在软件上应用LZO算法对数 据进行无损压缩在信号处理部分应用LM6152ACN进行放大处理应用开关电容滤波集成电路 MAX7410E进行滤波处理AD转换部分应用12位模数转换器MAX1304。 关键词:STM32、数据采集、LZO算法、nRF24L01Wireless data acquisition system 作者姓名 单位 英文Abstract:

2、Multi-point circuits for data acquisition and data acquisition platform for data transmission isproposed short-range wireless transmission programs - STM32-based wireless data acquisition systemprogram. The program uses STM32 as the core controller, and using radio frequency transceiver to achieve 8

3、nRF24L01 real time data acquisition. Apply LZO algorithm in the software for lossless compression of data.In signal processing I apply LM6152ACN for zoom processing, apply switch capacitor MAX7410E as filter,apply12-bit ADC MAX1304 as AD conversion the part.Keywords: STM32, data acquisition, LZO alg

4、orithm, nRF24L011 题目介绍传统的数据采集系统很多都是有线的数据采集系统。但是很多时候我们只是临 时对某些数据进行采集，如果用有线数据采集系统要进行一次布线，或者有些地方 不宜布线。这给数据采集带来了一些不便。无线数据采集系统，在进行数据采集时，只需把采集端按放在要采集的地点， 而无需进行布线，采集的数据通过无线传输的方式传给监控端。这样可以免去布线 的麻烦。特别是给一些临时性的数据采集，带来很大的方便。在实际测试过程中，往往要对多个传感器或多源的观测信息进行分析、综合处 理，也要求将来自多个传感器的信息和人机界面的观测事实进行信息融合，数据量 随之增大，处理速度要求也越来越高

5、。考虑到空间、安全等因素限制，往往用嵌入式系统 替代传统的计算机完成数据的采集、存储、传输。本文以STM32为核心设计无线数据采 集系统，采集数据通过无线传输的方式传输至数据采集器系统，使系统具有高度的智能化。2 方案论证数据采集电路主要由传感器、放大器、滤波器、A/D转换、STM32等组成。多 路采集数据如何进行实时的无损数据压缩传输是本文介绍的重点，提出无线传输方 案。数据采集系统采用STM32作为核心控制器，应用LZO算法对数据进行无损压缩，并 利用无线射频收发模块nRF24L01实现数据的收发。STM32系列基于专为要求高性能、 低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex

6、-M3内核，运行频率为72 M Hz,其功能强大且成本效率高，支持10/ 100E therne t,全速(12 M bps) USB 2.0, CAN 2.0B和SD/MMC存储卡等接口。目前，主流的几种近距离无线通信技术有:蓝牙技术(Blue toothTethnology)， ZigBee( IEEE 802. 15. 4) ， IrDA ( Infrared)红外技术，Wi- Fi( IEEE 802. 11) : WirelessUWB( Ultra Wideband)，nRF2401L 单片射频收发芯片。Fidelity, 各种无线技术都有各自的优点和不足，不同的技术适合于不同的用

7、户。在近距 离内(10m),以无线方式代替线缆的应用场合，蓝牙与IrDA有很大的优势。IrDA 技术成熟，数据传输速率比蓝牙高，但Ir-DA属视距离技术，也就是说IrDA接目 的设备之间传输数据，中间不能有阻碍物，并且总体实现成本并不比蓝牙低;蓝牙 最初提出和今后的发展方向都是以低成本为目的，比较适合应用低成本无线传输场 合。nRF2401L单片射频收发芯片，2.4GHz频段，125个频道，采用GFSK调制时的 数据速率为高速率2 M bps，高于蓝牙，具有高数据吞吐量，程序开发简单。考虑 实际环境等影响，目前要求实时采集数据，选择无线射频收发模块nRF2401L收发 模块作为数据传输方案。从

8、目前来看，在一段时间内，这些技术将处于并存阶段。各种标准都是根据不 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，局部最优不等于全局最优。因此，用户应视实际需求选 择适合自己的标准。该数据采集系统由数据采集发送模块和数据接收模块两个单元组成，系统框图 如图1所示。数据采集发送模块完成数据信号的采集、调理、AD转换、数据压缩 以及数据发送。数据接收模块完成数据信号的接收并传送到PC机上，以便进行数 据处理。AD转换信MAX1304主控芯片24L01 STM32无线模块号调理(a) 数据采集发送模块24L01无线模块STM32 PC(b) 数据接

9、收模块图1数据采集系统框图3 硬件电路的设计数据采集器以STM32F103ZE为主体，通过LM6152ACN完成信号放大，MAX74104E完成信号滤波，MAX1304完成A/D转换，STM32微控制器完成数据压 缩。发送数据部分数据通过FSMC接口由MAX1304送到STM32微控制器进行压缩， 由SPI接口送到一片24L01。接收数据部分数据由一片24L01接收，通过SPI接口 送到另一片STM32，通过USB接口与PC机相连接。3.1 信号调理3.1.1 信号放大电路信号放大电路中采用高速/低功率、75Hz带宽的I/O运算放大器LM6152ACN。其电路图如图2所示，为反向放大电路。 2

10、2pF10kVCCSingal1K2SIN01LM6152ACN(8)1K1K22pFVCC图2 信号放大电路3.1.2 滤波电路滤波电路采用开关电容滤波集成电路MAX7410E，其电路图如图3所示。MAX7410E将滤波器的设计任务简化到仅仅是对时钟频率的选择，采用8脚MAX封 装，尺寸仅有3.0mmX5mm，具有微功耗、低噪声等特点，可理想地应用于D/A转 换器的后滤波及D/A转换器抗混叠。C042AGAG104C043U0427P18COMCLKSIN027INSHDNA5V36AGGNDOSR04145CH0A5VVccOUT10KC041MAX7410E104AG图3 滤波电路3.2

11、 A/D转换电路本设计A/D转换电路应用MAX1304，如图4。MAX1304为12位模数转换器(ADC)，具有独立的8、4或2路输入通道。独立的采样/保持(T/H)电路能为每个通 道提供同时采样。MAX1304提供0至+5V的输入范围，能够承受?6V过压输入。 MAX1304两路通道ADSTACS转换时间为0.9卩s,八通道转换时间为1.98卩s,八通道上每通道的吞吐量 为456ksps,本AWRARDEOLC设计采用八通道转换。EOCD11CHSHDN48SHDNCONVST47CLK464544CS43WREOLC42RD41EOC40DGNDU1039DVdd38D1137C100 1

12、136D10AVddD10AG235D9104AGAGNDD9334D8AGNDD8433CH0D7CH0D7532CH1D6CH1D6631 D5MSVD5730CH2D4CH2D4829CH3D3CH3D3928CH4D2CH4D21027CH5D1CH5D11126D0CH6CH6 D01225CH7CH7DVdd3V3M1002磁珠 ICK/ECKC1002C1003C1015C1016MAX1304ECM2u2TA10410410313AGND14AVddAG15AGNDAGAGAGC101716AVddA5V3V3100uFTAREFms17M1001C1004C 1013C100

13、518 磁珠 2u2TA104100uFTAREFC100919REF+RD01RD02201K470AGC1014C1007C1008104COM21REF104103103C1010C100622AGNDAG23DGNDD01D021022u2TA24REDREDA5VAGAGC1012C1011 104AG104AGAG图4 A/D转换电路3.3 射频模块射频模块采用nRF24L01来实现数据的无线传输。nRF24L01为单片射频收发芯 片，工作于2.4 GHz全球开放的ISM频段，最高工作速率为2Mbit/s,片内集成了 频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块，采用高效的

14、QFSK调 制,抗干扰能力非常强,特别适用于工业控制场合。其具有126个频道,满足多点 通信和跳频通信的需要，内置硬件CRC校验和点对多点通信地址控制，功耗在掉电 模式下只有900nA，非常适用于手持设备，其电路如图5所示。该电路经过实际测试，有效传输距离可达0.51.5 km。 VCC33nF22K10nF1nF15pF7.9nH天线1.5pFVSSDVDDCE12nHCEVDDVCCCSNCSNVSSVDDSCKSCKANT2VSSIREFMOSIMOSIANT1IRQ2. 2pF4.7pFMISOMISOVDD_PAVDDIFQVSS2.3nHXC2XC116M22pF22pFVcc1M

15、图5射频模块nRF24L01的收发模式有3种，分别是Enhanced Shock Burst TM模式、ShockBurst TM模式、直接收发模式。本系统采用Enhanced Shock Burst TM模式，在 该模式下，nRF24L01自动处理字头和CRC校验码，在接收数据时自动将字头和CRC 校验码移去，在发送数据时自动加上字头和CRC校验码。nRF24L01还集成了自动 应答功能，即接收端收到数据后自动发送一个应答信号，发送端收到应答信号后确 认完成这次数据的发送;在默认的发送时间内如果没有收到应答信号，发送端的MAX_RT位置1,触发发送端的中断信号，并停止数据的发送。使用这种技术

16、可以明 显降低该射频模块的工作电流，提高系统的稳定性和可靠性。3.4 主控电路本设计采用STM32F103ZE作为主控芯片，其电路图如图6所示。12位模数转换 器(ADC) MAX1304转换的数据与STM32的FSMC 口相连，实现数据的无损压缩处 理，射频模块的CE、CLK、DATA、CS、DR引脚与STM32的SPI 口相连，实现STM32 对无线传输模块的控制。a- ；- * -*iirur3B3ttFbfiATftRAW:Htn1l I!3W iffE”fi .1 ?!- FIIMTMT 皿 tufmc nn HlSTWlnr與.电rn TUd L L.43M- VWFiEEns i

17、f*r- Ti,k-jI. *!二 liks-：C:FWFIULfniAX JL2nt*Tit 少,：订* R图6主控电路3.5 STM32与PC机接口电路STM32与PC机接口电路如图7所示，采用USB接口电路，数据传输速度快、兼性好、不占用中断、可支持热插拔。3V3R1106R1105105105USBM11021R1103232143334R1104ACM7060-701-2PL533CON53V3M1101C1104C1105C1103 磁珠 U12104103100TASP0503BAHT1423R1107C1106105104图7 STM32与PC机接口4 软件部分的设计软件部分是

18、系统的主要部分，主要用来完成数据的压缩以及数据传输的控制。 系统主程序由发送和接收两部分组成。4.1 发送主程序发送主程序框图如图 8 所示。开始初始化N发送标志位大于0YY数据缓存标志位等于1N 压缩缓存区 1Y 数据缓存标志位等于2压缩缓存区 2 发送N 发送图 8 发送主程序框图发送主程序主要实现的流程:首先初始化系统程序所用的各种变量及参数定 义，接着判断发送标志位是否大于 0，如果小于 0 则返回继续判断，如果大于 0则 接着判断数据缓存标志位的值，如果为 1 则把数据压缩到数据缓存区 1，并发送给 无线接收模块，如果为 2 则把数据压缩到数据缓存区 2，并发送给无线接收模块。 最后

19、继续判断发送标志位的大小，重复上述过程。其中数据缓存标志位是在中断程 序中赋值，中断程序还实现了把采集到的数据交替的存储到两个缓存区中，实现数 据的实时传输处理。中断程序框图如图9所示。中断缓存标志位Y等于1N缓存标志位Y等于2缓存区缓存区11赋赋缓存区缓存区22赋赋满数据满数据 满数据 满数据缓存标志赋缓存标志赋N缓存标志赋缓存标志赋值为值为22值为值为11图9 中断程序框图4.1 接收主程序接收主程序如图10所示。开始判断24L01是否接收数Y据 N 数据传到PC机判断PC机是否发送指令YN 控制相关操作图10 接收主程序框图接收主程序主要实现的功能是接收无线采集端发送过来的数据，把数据通

20、过USB 口传送到PC机进行数据的解压，并进行相关的处理。同时也实现了通过PC机 发送指令来控制相关操作。4.2 主要算法 软件设计中对数据的无损压缩算法是软件设计重点及难点。该设计主要采用了LZO压缩算法4.1.1 LZO压缩算法LZO是词典编码无损压缩技术的一种。词典编码无损压缩技术主要有LZ77、LZSS、LZ78、LZW等几种基本算法，它们一起垄断了当今的通用数据压缩领域，我 们日常使用的许多通用压缩工具，像ARJ，PKZip，WinZip，LHArc, RAR，GZip， ACE，ZOO，Tur-boZip，Compress，都源自于这几种基本算法。LZ78和LZW两种算 法的编译码

21、方法较为复杂，在STM32 上实现起来较为困难，而LZ77的压缩率又相 对较低，比较而言LZSS算法在STM32 上实现起来较为理想，其压缩率较高，编译 码算法也较为简单。LZO算法是由LZSS算法改进的一种算法，相比LZSS算法LZO 的优点是实现了高速压缩和解压缩。LZSS是根据LZ77的原理加以改进，而LZSS原理改进了 LZ77的压缩率，使得 改进后的LZSS压缩率变高，接着的压缩演算法LZO是根据LZ77的原理加以改进， LZO最大改进的地方在于LZSS的压缩速度，而LZO也是目前压缩速度最快的压缩 方式。LZO是最适合用于即时压缩方式，LZO算法具有如下优点:压缩速度很快，压缩 所

22、需要的工作记忆体需求小，而且很有弹性，解压缩速度极快，而且不需要额外的 工作记忆体，较适合与压缩重复性少、重复性数据之间距离较长的资料类型。4.1.2 LZO压缩程序LZO编码算法的具体执行步骤如下：(1) 首两字节不需压缩直接输出。(2) 初始化输入输出数据流指针为2。(3) 在输入数据流的前向缓冲区中查找与窗口中最长的匹配串:? Poin ter:二匹配串指针。? Leng th:二匹配串长度。(4 )判断匹配串长度Leng th是否大于或等于最小匹配串长度 (Length?THRESHOLD)? 如果“是”:输出标志位“1”、匹配串指针和长度，即“1+Poin ter+Leng th，然

23、后把编码位置向前移动Leng th个字符。? 如果“否”:输出标志位“0”和编码位置的当前字符，即 “0+character，然后把编码位置向前移动一个字符。(5)如果输入数据流的前向缓冲区不是空的，就返回到步骤3。LZO压缩编码流程图如图11所示。初始动作处理输入字串更新字串位址到记忆体内，出现新符号个数加一次判断返回距离是否超过49K的长度或是输入字串是否为新符号或是第二次hash依然准备做第二次没有找到空记忆体hash的动作判断是否有匹配的字串得到匹配字串位址，把之前的新符号传出去，开始计算重复次数依据重复次数跟返回距离判断适用的压缩格式，编码后送出，处理下一个字串程序结束图11 LZO

24、压缩编码流程图4.1.3 LZO解压程序由于压缩时采用了固定长度窗口的编码算法，单片机的解码程序就相当简单，LZO解码算法的具体执行步骤如下:(1) 从入口地址表取得压缩文件块的首地址和文件长度。(2) 直接取出未压缩的首两字节。(3) 判断压缩标志位:?如果是“0”：直接输出后面字符，然后把译码位置向前移动9个bit位。?如果是“l”：取出后面的匹配串指针(11bit)和长度(4bit),然后从已译码的字符中取出匹配字符串输出，并将译码位置向前移动16个bit位。(4) 根据文件长度判断是否完成全部解压，未完重复步骤3。5 实验数据采集系统的STM32F103ZE处理器发出采集开始、结束等指令控制数据采集 电路并对数据压缩处理，采集数据通过nRF24L01传输，传输的数据经PC机解压处 理，还原成原数据。实时采集数据曲线图如图12所示。图 12 实时采集数据曲线图。6 心得体会通过本次多路无线数据采集系统设计，使我们很好的把软件设计和硬件设计结 合到了一起，其中软件部分对无损压缩数据的算法的设计，由于考虑到系统对实时 性的要求我们选择了 LZO,它是目前压缩实时性中最高的。对于硬件部分，主要的 选择依据就是在完成指定功能的同时，尽可能的降低系统的功耗和成