CN102779399A

CN102779399A - 一种基于无线收发的现场加速度采集系统

Info

Publication number: CN102779399A
Application number: CN2012102666164A
Authority: CN
Inventors: 叶凡; 井冰; 马顺利; 李宁; 任俊彦
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2012-07-30
Filing date: 2012-07-30
Publication date: 2012-11-14

Abstract

本发明属于传感器技术和无线通信技术领域，具体是一种基于无线收发的加速度采集系统。该系统由现场加速度采集系统和无线收发系统组成，利用MMA7260、CC1100和ATmega48构成的无线加速度采集仪，可以实现加速度数据实时高效的无线采集，并能传输到电脑的上位机软件中进行分析。在此基础上可以进行更深层次的开发，构建一个强大的无线检测系统。本发明具有低成本、低功耗、灵敏度高、易操作等特点，可以广泛应用于电子消费产品、自动控制、无线警报、安全系统等各个领域。

Description

一种基于无线收发的现场加速度采集系统

技术领域

本发明属于传感器技术和无线通信技术领域，具体涉及一种基于无线收发的加速度采集系统。

背景技术

近年来，传感器技术和无线通信技术发展迅速，应用广泛，并有着集成化、低功耗、易操作的发展趋势。这些技术广泛应用于电子消费产品、自动控制、无线警报、安全系统等各个领域。

ATmega48是高性能、低功耗的8位微处理器，采用哈佛总线结构，先进的RSIC指令系统，运行速度接近1Mips/MHz，具有4K字节的Flash程序存储器，256字节的EEPROM，512字节的片内SRAM。ATmega48功能强大，价格低廉，是一款性价比极高的MCU。

CC1100是一款低成本单片超高频（UHF）射频（RF）收发器，为低功耗无线应用而设计，具有体积小、工作电压低、功耗低、灵敏度高等特点。整个应用电路的无线频率主要设定在315MHz、433MHz、868MHz和915MHz四个ISM（工业、科学和医学）和SRD（短距离设备）频率波段，也可以方便地设置为300~348MHz、400~464MHz和800~868HMz等其它频率行。RF收发器集成了一个高度可配置的调制解调器，这个调制解调器支持不同的调制格式，可编程控制的数据传输速率最高可达500kbps，通过开启集成在调制解调器上的前向误差校正选项能使性能得到提升。在发射状态下，其发射功率可编程调节，其最大发射功率达到+10dBm。

MMA7260是美国Freescale公司生产的一款低成本单芯片三轴加速度传感器。该微型电容式传感器融合了信号调理、单极低通滤波器和温度补偿技术，同时提供了4种加速度测量范围，分别是：±1.5g、±2g、±4g和±6g。MMA7260还具有很高的灵敏度，当选择±1.5g的测量范围时，灵敏度高达800mV/g。而且，MMA7260提供休眠模式，是电池充电的手持设备产品的理想之选。

本系统正是基于这个方面的考虑，利用高灵敏度、低成本的加速度传感器MMA7260和单片RF收发芯片CC1100设计了无线加速度采集仪。

发明内容

本发明的目的在于针对现有加速度采集系统进行改进，提供了一种高灵敏度、低成本、低功耗并且简单易行的基于无线收发的加速度采集系统。

本发明提供的基于无线收发的加速度采集系统，由现场加速度采集系统和无线接收系统组成，其中：

所述的现场加速度采集系统包括以下三部分：主控MCU模块、加速度传感器和RF收发芯片；所述主控MCU模块采用Atmega48，加速度传感器采用MMA7260，RF收发芯片采用CC1100；Atmega48通过片内AD采集MMA7260测得的数据，利用SPI接口与CC1100通信，实现加速度数据的发送；

所述的无线接收系统包括以下三部分：主控MCU模块、RF收发芯片和显示模块；其中，主控MCU模块采用Atmega48，RF收发芯片采用CC1100；Atmega48和CC1100通信部分与现场加速度采集系统一致；显示模块负责将C1100接收到的数据进行处理，通过液晶显示器或者通过UART接口将其发送到PC上位机软件中进行分析，实现加速度数据的接收。

所述的主控MCU模块，是在ATmega48中编写用户服务程序。主要是包括初始化程序和中断服务程序。在该模块中，使用了ATmega48的许多内部资源，包括通用IO口，SPI接口，UART接口和INT0、INT1等，在初始化程序中须将这些资源合理配置。中断服务程序包括接收中断服务和发送中断服务。

所述接收中断服务，其中断源是MCU的外部中断0，当CC1100接收到一个完整的数据包，GDO0就会产生一个电平跳变，从而引发MCU产生外部中断。在中断服务程序中，首先读出CC1100接收到的数据，进行CRC校验，然后将通过校验的数据通过UART口发送到PC端上位机软件中。具体流程如图1所示。

进入接收中断后，MCU首先关闭全局中断，消除其它中断的影响。此时，CC1100已经完成无线接收功能并将接收到的数据输出到RXFIFO，CC1100进入了空闲状态。MCU读取RXFIFO中的数据，包括数据长度，数据部分和数据校验，当MCU读取RXFIFO中的数据后，将清除RXFIFO，用以初始化下一次接收。接下来，MCU将通过CRC校验来验证接收到的数据。若CRC校验正确，则将数据部分传输给上位机，同时开启CC1100的接收功能，开启全局中断，进入下一次接收。若CRC校验有误，则在丢弃这一帧数据后，开启CC1100的接收功能，开启全局中断，进入下一次接收。

所述发送中断服务，其中断源是ATmega48的ADC中断，当ATmega48通过ADC采集到加速度数据时，就会产生一个ADC中断。在中断服务程序中，首先将AD转换的数据进行处理，得到加速度值，然后通过CC1100将数据发送出去。具体流程如图2所示。

进入发送中断后，MCU首先关闭全局中断，消除其它中断的影响。MCU根据AD转换后数据计算出加速度值，接着将加速度值作为数据部分并通过CC1100发送出去。此时，CC1100处在空闲状态，等待发送数据。MCU通过将数据长度和数据部分写入TXFIFO来开启发送过程。启动发送过程后，MCU将对数据进行CRC校验，若校验无误，MCU将数据输出给CC1100后清空发送缓冲区，而CC1100接收到数据后，进入发送状态。若校验有误，MCU继续进行CRC校验，直到无误，接着完成整个发送过程。

所述的无线射频收发芯片，是由射频收发器CC1100进行数据的传送。实现这一功能，需要对CC1100进行配置。不同速率下的CC1100有不同的配置，为了获得最佳性能，有些配置必须经过复杂的计算才能获得。Chipcon公司提供了SmartRF Studio软件对有关寄存器进行最佳配置，针对某一速率，该软件会自动提供一组最佳的寄存器配置参数，程序只在初始化时把这些配置写入相应的寄存器即可，配置只能在CC1100出去IDLE状态下才能进行。

所述的加速度传感器MMA7260，是将加速度的信号转换成模拟的电信号传输给主控MCU模块。

本发明中，主控MCU模块通过IO口采集加速度传感器输出的电信号，并将数据送入加速度传感器进行模数转化，得到数字信号，进而通过无线射频收发模块将加速度数据发送出去。在接收端，无线射频收发模块接收到数据后，送到主控MCU模块中进行CRC校验，若数据校验无误，则通过串口将数据发送到PC端。从而实现了无线加速度数据采集的功能。

本发明中，RF无线收发模块的引入大大扩展了加速度采集仪的应用，使其应用范围扩展到某些无法接触控制的领域。同时，数据实时地传给PC端，充分利用了PC大存储容量的特点，解决数据采集系统中大量数据存储的问题。

本发明的特点是高灵敏度，无线数据收发，低成本，能耗低，易操作，稳定性强等。

本发明的有益效果是，可以进行长时间的加速度数据采集，并将采集的加速度数据实时传输给上位机软件，便于在工业生产和科学研究中对离线数据进行统计分析。可以无线数据收发，实现了某些非接触环境下的加速度数据采集，大大增加了加速度数据采集系统的应用范围，为某些特殊环境下的加速度数据采集提供了解决方案。

附图说明

图1为接收中断服务流程图。

图2为发送中断服务流程图。

图3为MCU控制模块。

图4为CC1100无线传输单元。

图5为MMA7260加速度采集单元。

图6为无线接收电路的RS232部分。

图7为现场加速度采集系统框图。

图8为无线接收系统框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

本发明的MCU控制模块如图3所示。MCU选择ATmega48，其时钟源选用7.3728MHz外部晶体振荡器（编程时应注意ATmega48的熔丝位设置），电容C1和电容C2选用22pF，ISP是系统的编程接口。

本发明的CC1100无线传输单元如图4所示。CC1100只需要少量的外部元件，CC1100通过4线SPI兼容接口（SI、SO、SCLK、CSn）实现与MCU的通信，对CC1100的配置、控制和数据收发都通过该SPI接口进行。CC1100的GDO0和GDO2与ATmega48的标准IO口PD2、PD3相接，用于指示是否已完整地接收了一个数据包，它们可以作为ATmega48的外部中断源信号。在缺省的情况下，GDO0会输出一个晶体振荡频率（192Hz）的方波，在调试时，这可以作为判断CC1100是否正常工作的依据。

加速度传感器MMA7620的设计如图5所示。只需要在输出端口加一级电阻和电容组成的RC滤波器即可。其中控制端口GS1和GS2是灵敏度选择段。EN是休眠模式的选择端。

无线接收电路的串口电平转换部分如图6所示。LM1117是一款5V到3.3V的电压转换芯片，属于低压差稳压芯片系列，输出电压的文波较小，可以满足CC1100的供电要求，在输入和输出端都需要接地电容进行退耦。MAX232是串口的电平转换芯片，用于将MCU发出的高低电平信号转换为RS232协议的电平，根据芯片手册上的参考电路放置电容C34~C38，芯片的供电电源为3.3V。将MAX232的R1IN和T1OUT连接DB-9的标准接口，R1OUT和T1IN接MCU串口的RX和TX，即可实现串口功能。

Claims

1. 一种基于无线收发的现场加速度采集系统，其特征在于由现场加速度采集系统和无线接收系统组成，其中：

所述的无线接收系统包括以下三部分：主控MCU模块、RF收发芯片和显示模块；其中，主控MCU模块采用Atmega48，RF收发芯片采用CC1100；Atmega48和CC1100通信部分与现场加速度采集系统一致；显示模块负责将C1100接收到的数据进行处理，通过液晶显示器或者通过UART接口将其发送到PC上位机软件中进行分析，实现无线加速度数据的接收。

2. 根据权利要求1所述的基于无线收发的现场加速度采集系统，其特征在于：

所述的主控MCU模块，是在ATmega48中编写用户服务程序，用户服务程序包括初始化程序和中断服务程序；在该模块中，使用了ATmega48的许多内部资源，包括通用IO口，SPI接口，UART接口和INT0、INT1，在初始化程序中将这些资源合理配置；中断服务程序包括接收中断服务和发送中断服务；

所述接收中断服务，其中断源是MCU的外部中断0，当CC1100接收到一个完整的数据包，GDO0产生一个电平跳变，从而引发MCU产生外部中断；在中断服务程序中，首先读出CC1100接收到的数据，进行CRC校验，然后将通过校验的数据通过UART口发送到PC端上位机软件中；

所述发送中断服务，其中断源是ATmega48的ADC中断，当ATmega48通过ADC采集到加速度数据时，产生一个ADC中断；在中断服务程序中，首先将AD转换的数据进行处理，得到加速度值，然后通过CC1100将数据发送出去。

3. 根据权利要求1所述的基于无线收发的现场加速度采集系统，其特征在于：

所述主控MCU模块通过IO口采集加速度传感器输出的电信号，并将数据送入加速度传感器进行模数转化，得到数字信号，进而通过无线射频收发模块将加速度数据发送出去；在接收端，无线射频收发模块接收到数据后，送到主控MCU模块中进行CRC校验，若数据校验无误，则通过串口将数据发送到PC端，实现无线加速度数据采集。