计算机近距离无线数据采集系统设计

　　引言

　　针对某医疗装置中的人体生理信号采集和传输问题，本文设计了计算机近距离无线数据采集系统。采用Nodic公司的nRF2401作为无线收发核心器件。系统由一台PC、无线数据接收模块和无线数据采集发射模块组成。无线数据发射模块以C8051F021单片机为处理核心，采用单片机内部的12位ADC对现场的模拟信号进行采集和发送；无线数据接收模块以C8051F021单片机作为处理核心，接收与发射模块由nRF2401无线收发芯片完成，采用MAX5591实现12位D/A转换，采用 RS-485|0">RS-485总线与PC进行通信，它负责现场数据的接收和初步处理，并转发给PC以供显示和监控，同时将数字量转换为模拟量，供示波器显示；PC有良好的人机界面，利用NI的虚拟示波器显示远端现场采集的数据，并可以向现场的采集模块发送控制命令，同时可以实现保存采集数据、打印、回放历史数据等功能。

　　系统分析及设计

　　计算机短距离无线数据采集系统组成如图1所示。

图 1 系统组成框图

　　系统分析及硬件设计

　　由于现场要采集的数据为医学人体实验数据，幅值大约在-1.0V~+1.0V之间，频率为300Hz，要求测量误差低于10mV，C8051F021自带的12位ADC在精度上可以满足要求；但是单片机中的ADC要求输入为正电压，同时考虑到转换精度要求，故需要对信号进行转换，将原信号转换为幅值在0～3V、频率300Hz左右的信号。可以利用MAX4194组成信号转换电路，将模拟信号的零参考电平抬升到1.0V。这样，原先-1.0V~0V之间的电压信号转换为0~1.0V之间的电压，而原先0V~1.0V之间的电压转换为1.0V~2.0V之间的电压。这样就完成了原始信号的转换，适应了单片机的输入要求。单片机A/D转换参考电压选择外部3.3V，由MAX6013提供。

　　考虑到无线数据的发送与接收特点，故选用Nordic 公司的nRF2401芯片。nRF2401是单片射频收发芯片，工作于2.4GHz~2.5GHz ISM频段，芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置。芯片功耗非常低，以-5dBm的功率发射时，工作电流只有10.5mA，接收时工作电流只有18mA。其独有的DuoCeiver技术使nRF2401可以使用同一天线，同时接收两个不同频道的数据。nRF2401使用跳频技术，在2400MHz~2527MHz之间设立了128个频道(每个频道带宽1MHz)，频道间的切换时间小于200ms。此外，nRF2401内置CRC编解码模块，可以在不增加编程难度的条件下减小误码率。

　　无线数据接收后，要进行D/A转换，供示波器观看；考虑到数据的采集精度要求，故采用了 MAX5591作为转换器件，一方面可以方便地与C8051F021单片机SPI接口连接，另一方面，它是12位DAC，与采集端的ADC匹配，可减小转换误差。

　　无线数据接收到终端后，要求能直观地观看，并且可以对现场的数据采集次数、采集启停时间进行控制，故需要将数据传到PC，进行显示；同时，通过人机界面，对现场进行远程控制。PC采用VC++编写程序，利用NI 的虚拟示波器和其它控件实现友好的人机界面，数据显示、存储和打印功能。

　　系统中的主要软件模块

　　系统软件主要由上位机软件和下位机软件组成。

　　上位机软件主要实现与单片机通信、波形显示、数据存储、数据回放、打印等功能。下位机的主要功能有：系统初始化、数据采集(A/D转换)、无线数据发射、无线数据接收、数据D/A转换、与PC串口通信等。下面重点介绍下位机的无线发射与接收部分软件。

　　无线数据收发主要通过对nRF2401进行操作实现，包括器件配置、发送数据、接收数据等。nRF2401的工作模式通过引脚PWR_UP、CE和CS选择。在RX/TX模式下，有两种工作方式：ShockBurs和Direct Mode。本系统选用了ShockBurst模式，这种模式下需要配置的内容有：接收数据长度、接收通道地址、CRC校验、工作方式、发送频率、传送速率、接收与发送等。需要15字节的配置内容，下面给出了16进制的配置内容：0x80,0x80,0x00,0xcc,0xcc,0xcc,0x00,0xcd,0xcd,0xcd,0xcd,0x83,0x4f,0x05。

　　难点分析及解决方法

　　nRF2401半双工通信方式与C8051全双工通信接口的转换

　　在数据的采集端，单片机与射频模块是双向通信，可以直接采用单片机自带的SPI 接口与射频模块单向通信，包括配置射频模块的工作方式、接收通道地址、接收数据长度、接收频率、发送功率等参数和要发送的采集数据；当单片机要读取远端发送的控制命令时，要将SPI模式关闭，同时将MOSI、DR1端口定义为输入方式，然后将射频模块接收的控制命令读到单片机内部，并根据控制命令进行相应的操作，如采集通道选择、采集次数设定、开始采集、停止采集、发送数据等。