论文部分内容阅读
摘要：无线倾角传感器是利用无线方式传输工业现场中测量被测端面倾斜度数值的测量仪器。文中介绍了一种以nR，F903无线数传芯片为核心，利用集成倾角传感器和温度传感器设计出带有温度补偿功能的倾角传感器硬件电路，并以$3C2410为核心设计出数据接收端，对前端采集的数据进行处理。该系统稳定性好，通信效率高，可广泛应用于工业现场测控领域。
关键词：nRF903；$3C2410；无线传感器；倾角传感器
中图分类号：TP274+.2 文献标识码：A
无线倾角传感器是无线传感器网络中用于测量被测端面倾斜角度的传感器节点，主要有传感器模块、处理器模块、无线传输模块、接收机模块四个部分组成。由于传感器节点通常是一个完备的嵌入式系统，而且倾角传感器敏感元件本身易受温度等环境条件的影响，必须加入温度补偿，所以依据其特点设计了一种基于nRF903射频芯片的无线倾角传感器。
1 nRF903简介
nRF903是NORDIC公司最新推出的单片无线收发一体的芯片，采用蓝牙核心技术设计，在一个32脚的芯片中包括三段高频发射、高频接收、PLL合成、I/Q调制与解调、多频道切换、异步通信接口等，是目前集成度最高的无线数传产品。
nRF903采用抗干扰能力强的GMSK调制方式，工作频率稳定可靠，外围元件少，便于设计生产，功耗极低，工作在国际通用ISM频段，特别适用多频段多频点的应用场合，是目前无线数传的理想选择。
2 设计方案
根据需要，将整个系统分为测量站和主控站两部分，分别对应传感器数据的采集和终端处理部分。测量站主要完成对现场信号的采集、存储、接收遥控指令并发送数据。主控站的主要工作是发送遥控指令，接受数据信息，进行数据处理和数据管理，随即显示、打印等。
3 测量站硬件设计
3．1传感器组
传感器组包括倾角传感器敏感元件和温度传感器敏感元件两部分以及以敏感元件为中心的传感器测量组件单元。
3．1．1倾角传感器
倾角传感器敏感元件是对角度信号敏感的电子元器件，可将被测端面的角度转化为相对应的电信号。在这里为了测量较大的角度，降低系统的成本，我们采用了通用性比较强的集成电路式的倾角传感器敏感元件SCA100T(芬兰VTI公司产品)。
SCA100T为双轴测量的倾角传感器敏感元件，内置温度补偿，零点温漂少于0.1mg/℃，尺寸11.3x15.6x5.1mm，属于VTI产品中的高精度系列，可根据需要测量30或者90度量程范围内的角度，敏感元件本身带有SPI数字接口，也可使用0.5－4.5V电压模拟输出，最高分辨率为0.0008度。
3．1．2温度传感器
增加温度传感器的目的是为了对系统中采集到的角度传感器信号进行线性校正，使得数据拟合后的主传感器参数更加接近真实的测量值。
虽然SCA100T内部带有温度补偿功能，但其补偿后的温度拟合曲线仍旧不能够满足更高精度的倾角测量，所以对其进行二次补偿、拟合是必要的。在此选用了通用性较强的AD590(ADI公司)作为温度传感器。
3．2数据采集单元
因为系统中采用的倾角传感器是双路信号输出，再加上使用到的温度传感器，整个信号采集单元就必须多路复用，增加多路模拟转换开关，形成了以AD转换器为核心的多路数据采集单元。
要实现数据多路复用的目标，就必须采用多通道的同步数据采集装置。目前多通道同步数据采集装置通常是由多组采样保持单元(T/H)、1个多路转换开关(MUL)和1个带输出锁存模数转换器(A/D)组成。
3．3单片机控制系统
单片机采用AT89S51，可以通过该单片机拥有的ISP(可在线编程)功能，实现软件的在线编写、调试、修改，使用起来十分方便。对于单片机系统来说，这是一种十分方便的选择。
单片机除了处理采集到的传感器物理数据外，还要对采集到的传感器数据进行线性校正和拟合，在温度漂移比较大阶段，采用查表的方式对采集到的传感器数据进行相应的线性数据的查询和替代，从而得到比较准确的测量参数。
此外，单片机控制系统要对其后续的无线传输设备进行控制。系统中为无线收发模块nRF903提供相应的控制指令，并传输符合标准的测量数据。
3．4无线传输设备
无线传输设备在本系统中采用了无线通信集成模块，当模块收到单片机串行口的数据后，首先判断收到的数据是命令还是发送数据，若是命令则执行相应的命令；若是发送数据则先将要发送的数据送到发送缓冲区EEROM中，并同时将模块的状态由接受状态转换成发射状态；状态转换完成后启动发送打包程序，并将这个数据包的数据送到模块的数据调试口，以GMSK的方式调制成模拟信号；然后与锁相环中的振荡信号一起送到混频器，上变频后的射频信号再经过发射放大器、功率放大器放大后通过天线发送出去。这里的数据打包要遵循预先定义好的传输协议，这样才可以使接收双方有规可循，而且避免其它信号的干扰。
无线数传模块的性能在很大程度上决定了无线通信系统的性能，根据传输距离和数据传输速度应该选用不同的RF收发芯片。本系统中我们选用了nRF903作为无线数传模块。
在主控站的无线数传模块也采用相同的芯片和接口模式，简化了设计的难度，提高了信号的匹配性。
在无线数据单元中一个很重要的硬件就是天线，考虑到实际应用场合的复杂性，我们拟采用多种不同的天线形式进行试验，因为尚未有成熟的天线方案可借鉴，天线最终方案的确定还需要实际的调试结果出来后才能确定。
4 主控站硬件设计
主控站是一个集信号采集、存储、遥控、信号处理、数据显示、打印功能于一体的嵌入式系统。
核心处理模块选用基于RISC指令集的ARM9核心微处理器S3C2410，S3C2410是SAMSUNG公司出品的一款低价、低功耗、高性能的32位系统微处理器，在嵌入式应用领域有着良好的表现。S3C2410具有丰富的接口资源，能够满足本系统的设计需求。处理器内部除了集成了ARM920T处理器核的32位微控制器，还有丰富资源，带独立的16KB的指令Cache和16KB数据Cache、LCD控制器、RAM控制器、NAND闪存控制器、3路UART、4路DMA、4路带PWM的Timer、并行I/O口、8路10位ADC、Touch Screen接口、12C接口、12S接口、2个USB接口控制器、2路SPI，主频最高可达203MHz。在处理器丰富资源的基础上，还必须进行相关的配置和扩展，使得平台配置了16MB16位的Flash和64MB 32位的SDRAM。
通过天线接收到角度的射频信号，信号解调模块将采集到的射频信号进行收发判断，并将判断为正确的信号进行相应的放大、校正，并存睹在微处理器S3C2410本身所带的数据存储器上。
S3C2410处理后的角度信号通过两种方式显示在处理终端的彩色LCD屏幕上：一种是以数字式的显示被测物体的倾斜角度，另一种是图像式的模拟被测物的姿态。两种方式可以根据用户的使用习惯单独显示或同时显示在屏幕上。
通过微处理器驱动的微型打印机，可以将角度信号、环境信息、时钟信号等按照用户需要的格式打印出来。
被测端面的零位可以通过处理终端上的复零按钮进行临时调零，以满足用户测量时实时记录倾角变化量的需求。
5 系统软件设计
在接收终端中，为了便于角度测量与相关数据管理，我们采用了免费、开源的Linux操作系统作为接收终端系统软件的操作平台，对系统资源和外接硬件进行管理。
Linux具有内核小，效率高，源代码开放，内核直接提供网络支持等优点。但嵌入式系统的硬件资源毕竟有限，因此不能直接把Linux作为操作系统，需要针对具体的应用通过配置内核、裁减shell和嵌入式C库对系统定制，使整个系统能够存放到容量较小的Flash中。Linux的动态模块加载，使Linux的裁减极为方便，高度模块化的部件使添加非常容易。正因为Linux的上述优点，在本系统中，使用的操作系统是对Linux进行了优化、定制的armlinux。它启用了MMU(内存管理单元)，是针对支持MMU的处理器(S3C2410微处理器)设计的。
在测量站中，因为需要对采集到的传感器数据进行处理和线性拟合，并将拟合的数据调制成可无线发送的数据形式发送到射频模块中，所以必须使用单片机软件进行数据的分析与处理。在此使用了单片机C51语言结合单片机汇编语言的形式进行程序的编制，可以最高效的处理数据，减少系统死机的机会，增强可靠性。
关键词：nRF903；$3C2410；无线传感器；倾角传感器
中图分类号：TP274+.2 文献标识码：A
无线倾角传感器是无线传感器网络中用于测量被测端面倾斜角度的传感器节点，主要有传感器模块、处理器模块、无线传输模块、接收机模块四个部分组成。由于传感器节点通常是一个完备的嵌入式系统，而且倾角传感器敏感元件本身易受温度等环境条件的影响，必须加入温度补偿，所以依据其特点设计了一种基于nRF903射频芯片的无线倾角传感器。
1 nRF903简介
nRF903是NORDIC公司最新推出的单片无线收发一体的芯片，采用蓝牙核心技术设计，在一个32脚的芯片中包括三段高频发射、高频接收、PLL合成、I/Q调制与解调、多频道切换、异步通信接口等，是目前集成度最高的无线数传产品。
nRF903采用抗干扰能力强的GMSK调制方式，工作频率稳定可靠，外围元件少，便于设计生产，功耗极低，工作在国际通用ISM频段，特别适用多频段多频点的应用场合，是目前无线数传的理想选择。
2 设计方案
根据需要，将整个系统分为测量站和主控站两部分，分别对应传感器数据的采集和终端处理部分。测量站主要完成对现场信号的采集、存储、接收遥控指令并发送数据。主控站的主要工作是发送遥控指令，接受数据信息，进行数据处理和数据管理，随即显示、打印等。
3 测量站硬件设计
3．1传感器组
传感器组包括倾角传感器敏感元件和温度传感器敏感元件两部分以及以敏感元件为中心的传感器测量组件单元。
3．1．1倾角传感器
倾角传感器敏感元件是对角度信号敏感的电子元器件，可将被测端面的角度转化为相对应的电信号。在这里为了测量较大的角度，降低系统的成本，我们采用了通用性比较强的集成电路式的倾角传感器敏感元件SCA100T(芬兰VTI公司产品)。
SCA100T为双轴测量的倾角传感器敏感元件，内置温度补偿，零点温漂少于0.1mg/℃，尺寸11.3x15.6x5.1mm，属于VTI产品中的高精度系列，可根据需要测量30或者90度量程范围内的角度，敏感元件本身带有SPI数字接口，也可使用0.5－4.5V电压模拟输出，最高分辨率为0.0008度。
3．1．2温度传感器
增加温度传感器的目的是为了对系统中采集到的角度传感器信号进行线性校正，使得数据拟合后的主传感器参数更加接近真实的测量值。
虽然SCA100T内部带有温度补偿功能，但其补偿后的温度拟合曲线仍旧不能够满足更高精度的倾角测量，所以对其进行二次补偿、拟合是必要的。在此选用了通用性较强的AD590(ADI公司)作为温度传感器。
3．2数据采集单元
因为系统中采用的倾角传感器是双路信号输出，再加上使用到的温度传感器，整个信号采集单元就必须多路复用，增加多路模拟转换开关，形成了以AD转换器为核心的多路数据采集单元。
要实现数据多路复用的目标，就必须采用多通道的同步数据采集装置。目前多通道同步数据采集装置通常是由多组采样保持单元(T/H)、1个多路转换开关(MUL)和1个带输出锁存模数转换器(A/D)组成。
3．3单片机控制系统
单片机采用AT89S51，可以通过该单片机拥有的ISP(可在线编程)功能，实现软件的在线编写、调试、修改，使用起来十分方便。对于单片机系统来说，这是一种十分方便的选择。
单片机除了处理采集到的传感器物理数据外，还要对采集到的传感器数据进行线性校正和拟合，在温度漂移比较大阶段，采用查表的方式对采集到的传感器数据进行相应的线性数据的查询和替代，从而得到比较准确的测量参数。
此外，单片机控制系统要对其后续的无线传输设备进行控制。系统中为无线收发模块nRF903提供相应的控制指令，并传输符合标准的测量数据。
3．4无线传输设备
无线传输设备在本系统中采用了无线通信集成模块，当模块收到单片机串行口的数据后，首先判断收到的数据是命令还是发送数据，若是命令则执行相应的命令；若是发送数据则先将要发送的数据送到发送缓冲区EEROM中，并同时将模块的状态由接受状态转换成发射状态；状态转换完成后启动发送打包程序，并将这个数据包的数据送到模块的数据调试口，以GMSK的方式调制成模拟信号；然后与锁相环中的振荡信号一起送到混频器，上变频后的射频信号再经过发射放大器、功率放大器放大后通过天线发送出去。这里的数据打包要遵循预先定义好的传输协议，这样才可以使接收双方有规可循，而且避免其它信号的干扰。
无线数传模块的性能在很大程度上决定了无线通信系统的性能，根据传输距离和数据传输速度应该选用不同的RF收发芯片。本系统中我们选用了nRF903作为无线数传模块。
在主控站的无线数传模块也采用相同的芯片和接口模式，简化了设计的难度，提高了信号的匹配性。
在无线数据单元中一个很重要的硬件就是天线，考虑到实际应用场合的复杂性，我们拟采用多种不同的天线形式进行试验，因为尚未有成熟的天线方案可借鉴，天线最终方案的确定还需要实际的调试结果出来后才能确定。
4 主控站硬件设计
主控站是一个集信号采集、存储、遥控、信号处理、数据显示、打印功能于一体的嵌入式系统。
核心处理模块选用基于RISC指令集的ARM9核心微处理器S3C2410，S3C2410是SAMSUNG公司出品的一款低价、低功耗、高性能的32位系统微处理器，在嵌入式应用领域有着良好的表现。S3C2410具有丰富的接口资源，能够满足本系统的设计需求。处理器内部除了集成了ARM920T处理器核的32位微控制器，还有丰富资源，带独立的16KB的指令Cache和16KB数据Cache、LCD控制器、RAM控制器、NAND闪存控制器、3路UART、4路DMA、4路带PWM的Timer、并行I/O口、8路10位ADC、Touch Screen接口、12C接口、12S接口、2个USB接口控制器、2路SPI，主频最高可达203MHz。在处理器丰富资源的基础上，还必须进行相关的配置和扩展，使得平台配置了16MB16位的Flash和64MB 32位的SDRAM。
通过天线接收到角度的射频信号，信号解调模块将采集到的射频信号进行收发判断，并将判断为正确的信号进行相应的放大、校正，并存睹在微处理器S3C2410本身所带的数据存储器上。
S3C2410处理后的角度信号通过两种方式显示在处理终端的彩色LCD屏幕上：一种是以数字式的显示被测物体的倾斜角度，另一种是图像式的模拟被测物的姿态。两种方式可以根据用户的使用习惯单独显示或同时显示在屏幕上。
通过微处理器驱动的微型打印机，可以将角度信号、环境信息、时钟信号等按照用户需要的格式打印出来。
被测端面的零位可以通过处理终端上的复零按钮进行临时调零，以满足用户测量时实时记录倾角变化量的需求。
5 系统软件设计
在接收终端中，为了便于角度测量与相关数据管理，我们采用了免费、开源的Linux操作系统作为接收终端系统软件的操作平台，对系统资源和外接硬件进行管理。
Linux具有内核小，效率高，源代码开放，内核直接提供网络支持等优点。但嵌入式系统的硬件资源毕竟有限，因此不能直接把Linux作为操作系统，需要针对具体的应用通过配置内核、裁减shell和嵌入式C库对系统定制，使整个系统能够存放到容量较小的Flash中。Linux的动态模块加载，使Linux的裁减极为方便，高度模块化的部件使添加非常容易。正因为Linux的上述优点，在本系统中，使用的操作系统是对Linux进行了优化、定制的armlinux。它启用了MMU(内存管理单元)，是针对支持MMU的处理器(S3C2410微处理器)设计的。
在测量站中，因为需要对采集到的传感器数据进行处理和线性拟合，并将拟合的数据调制成可无线发送的数据形式发送到射频模块中，所以必须使用单片机软件进行数据的分析与处理。在此使用了单片机C51语言结合单片机汇编语言的形式进行程序的编制，可以最高效的处理数据，减少系统死机的机会，增强可靠性。