基于nRF401無線通信的實(shí)時(shí)監(jiān)控告警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊 寧， 張志偉1,2,

（1. 中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山西太原 030051； 2. 中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原 030051；3. 中北大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，山西太原 030051）

0 引言

在自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)、報(bào)警和安全系統(tǒng)、遙控裝置、車輛安全系統(tǒng)、工業(yè)控制、無線通信、電信終端等應(yīng)用領(lǐng)域，無線數(shù)傳以其較為成熟的技術(shù)，傳輸線的節(jié)省，使用方便的優(yōu)勢(shì)越來越被廣泛關(guān)注。無線數(shù)傳技術(shù)可以和傳感等技術(shù)很好的銜接，各類傳感器采集到的信號(hào)經(jīng)過微控制器處理，無線收發(fā)裝置進(jìn)行傳輸。然而由于通信的空間復(fù)雜性，無線通信系統(tǒng)收發(fā)容易產(chǎn)生錯(cuò)誤，接收到錯(cuò)誤信息甚至在未發(fā)送數(shù)據(jù)的情況下也可能接收到干擾數(shù)據(jù)和隨機(jī)數(shù)據(jù)信息。為及時(shí)發(fā)現(xiàn)該問題，解決該問題，本文設(shè)計(jì)一個(gè)監(jiān)控告警系統(tǒng)。監(jiān)控收發(fā)過程中的信息。該設(shè)計(jì)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)漏碼信息和錯(cuò)誤信息，找到故障點(diǎn)，及時(shí)停止發(fā)送錯(cuò)誤信息，予以糾正后重新發(fā)送，以滿足信息傳輸要求的準(zhǔn)確性和可靠性。

1 無線數(shù)傳通訊系統(tǒng)模塊介紹

該模塊包括基于nRF401芯片和AT89C51為微控制器的無線通訊模塊和天線模塊。

1.1 無線通訊模塊

在眾多無線收發(fā)芯片的比較中發(fā)現(xiàn)，nRF401芯片以其成本低，穩(wěn)定性強(qiáng)，可靠性高，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單而廣受歡迎。該芯片是一個(gè)為433MHZISM頻段和315MHZISM頻段設(shè)計(jì)的真正UHF無線收發(fā)芯片，它采用FSK調(diào)制解調(diào)技術(shù)，抗干擾能力強(qiáng)；其解調(diào)器是DC平衡的，因此可以使用任何一種協(xié)議，也可以使用各種'0'、'1'序列，因而無需進(jìn)行曼徹斯特編碼?？芍苯优c微控制器接口；最高工作速率可達(dá)到20K bit/s，無需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行曼徹斯特編碼。該芯片采用PLL 頻率合成技術(shù)，頻率穩(wěn)定性極好 ，具有兩個(gè)信號(hào)通道，適合需要多信道工作的特殊場(chǎng)合；靈敏度高達(dá)-105 dBm,完全滿足設(shè)計(jì)要求。其功耗小，發(fā)射時(shí)電源電流為8 mA，接收狀態(tài)電流250 μA，待機(jī)狀態(tài)僅為8 μA，發(fā)射功率可以調(diào)整，最大可達(dá)到+10 dBm。而且使用無需申請(qǐng)，開闊地的使用距離最遠(yuǎn)可達(dá)到1000m。圖2即其典型應(yīng)用電路圖。

其結(jié)構(gòu)如圖1，芯片包含晶體振蕩器（OSC），鎖相環(huán)（PLL），壓控振蕩器（VCO），功率放大器（PA），低噪聲接收放大器（LNA），在LNA與相乘器之間接有混頻器（MIXER）等。

圖1 nRF401芯片結(jié)構(gòu)圖

圖2 nRF401應(yīng)用電路圖

從圖3 收發(fā)流程圖看到，在接收模式中，輸入射頻信號(hào)被低噪聲放大器放大，經(jīng)由混頻器變換成中頻信號(hào)，這個(gè)被變換的信號(hào)經(jīng)過放大和濾波后送入解調(diào)器（DEM），經(jīng)解調(diào)器解調(diào)，解調(diào)后的數(shù)字信號(hào)在DOUT 端輸出，送入微控制器處理。而在發(fā)射模式中，壓控振蕩器的輸出信號(hào)是直接送入到功率放大器，DIN 端輸入的數(shù)字信號(hào)被頻移鍵控后饋送到功率放大器輸出。由于采用了晶體振蕩和PLL 合成技術(shù)，頻率穩(wěn)定性極好。

圖3 收發(fā)流程圖

1.2 天線設(shè)計(jì)介紹

天線是一種轉(zhuǎn)能器。發(fā)射時(shí)，它把發(fā)射機(jī)的高頻電流轉(zhuǎn)化成空間電磁波；接收時(shí)，它又把從空間截獲的電磁波轉(zhuǎn)換為高頻電流送入接收機(jī)。良好的天線系統(tǒng)可使設(shè)計(jì)達(dá)到最佳通信距離。

如圖4所示的差動(dòng)到單端匹配網(wǎng)絡(luò)，ANT1和ANT2是接收時(shí)LNA的輸入，以及發(fā)送時(shí)功率放大器的輸出，連接nRF401的天線是以差分方式連接的，天線端設(shè)計(jì)阻抗為400 Ω。

圖4 差動(dòng)到單端匹配網(wǎng)絡(luò)（315 MHz）

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、控制工作狀態(tài)，排除故障。接收模塊信息缺失或出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，進(jìn)行報(bào)警，提示故障可能發(fā)生的原因、部位，及時(shí)糾錯(cuò)。初始狀態(tài)時(shí)，設(shè)置芯片為接收模式，判斷其接收的信號(hào)是否正確，監(jiān)測(cè)，糾錯(cuò)，不正確或者未接到信號(hào)重新接收；信號(hào)正確再將其發(fā)送。

具體而言，把要監(jiān)測(cè)的信號(hào)輸入到信號(hào)監(jiān)測(cè)單元，由信號(hào)監(jiān)測(cè)單元完成監(jiān)測(cè)，信號(hào)監(jiān)測(cè)單元同時(shí)輸出監(jiān)測(cè)到的信號(hào)至告警模塊。當(dāng)信號(hào)出現(xiàn)中斷或錯(cuò)誤信息時(shí)，信號(hào)監(jiān)測(cè)單元疊加告警信息到輸出的信號(hào)中，同時(shí)輸出告警信息到告警模塊，告警模塊則根據(jù)告警監(jiān)測(cè)單元的地址，將告警信息顯示出來，具體流程圖見圖5。

圖6 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)流程圖

2.1 數(shù)據(jù)采樣的實(shí)現(xiàn)

當(dāng)接收到微控制器的采集指令，將采集的模擬量值和開關(guān)量狀態(tài)實(shí)時(shí)傳送出去。

2.1.1 模擬量的采樣

大信號(hào)取樣需要進(jìn)行濾波處理，主要采取的措施是LC濾波+有源濾波，LC濾波主要是濾除射頻信號(hào)，有源濾波主要是濾除音頻信號(hào)，從而有效地濾除疊加在模擬量上的射頻及調(diào)制。具體單元電路如圖7所示。2.1.2開關(guān)量的取樣

圖7 LC濾波+有源濾波

接收微控制器的控制指令，解析識(shí)別后，把相應(yīng)的指令通過開關(guān)量輸出傳送給收發(fā)模塊。

在開關(guān)量取樣中，有些需采集的狀態(tài)量是模擬信號(hào)，需將輸入的各模擬監(jiān)測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換成高低電平的開關(guān)量信號(hào)。其高電平H≈15 V，低電平L≈0 V。將這些變換后的開關(guān)量信號(hào)送出，進(jìn)行傳輸、控制和故障顯示。由于采集的信號(hào)常為瞬間脈沖狀態(tài)，為了保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確，需經(jīng)過一定時(shí)間延時(shí)，一般向脈沖計(jì)數(shù)器輸出一個(gè)脈沖寬度為400ms左右時(shí)間的脈沖計(jì)數(shù)指令，從而保證相應(yīng)的脈沖計(jì)數(shù)器正常工作。開關(guān)量取樣經(jīng)LC濾波后，加到功率驅(qū)動(dòng)電路。

2.2 系統(tǒng)構(gòu)成

根據(jù)裝置原理、特點(diǎn)及自動(dòng)化系統(tǒng)擬實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，我們可選模擬量取樣點(diǎn)、開關(guān)狀態(tài)量取樣，設(shè)計(jì)取樣電路、濾波隔離電路等。再加上監(jiān)測(cè)模塊、告警模塊等構(gòu)成監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)。

接收到的信號(hào)送入信號(hào)監(jiān)測(cè)模塊，若未收到信號(hào)則報(bào)警，若信號(hào)不一致或發(fā)生中斷亦告警。將告警模塊和監(jiān)測(cè)單元相連，并在其上運(yùn)行設(shè)置程序和信號(hào)監(jiān)測(cè)程序，設(shè)置程序用來對(duì)監(jiān)測(cè)單元進(jìn)行設(shè)置，信號(hào)監(jiān)測(cè)程序則負(fù)責(zé)接收告警信息，發(fā)出報(bào)警。利用信號(hào)監(jiān)測(cè)程序可以對(duì)監(jiān)測(cè)單元進(jìn)行具體報(bào)警設(shè)置。找到故障點(diǎn)，重新發(fā)送信號(hào)。圖8為實(shí)際電路工作原理圖。圖中上支路電路為音頻信號(hào)檢測(cè)報(bào)警。圖中下支路電路為載波檢測(cè)報(bào)警。

3 實(shí)驗(yàn)原理分析

圖8中，每路采用一片單電源四運(yùn)算放大器LM324，共作在電壓比較器狀態(tài)，供電電壓+5 V。

3.1 音頻信號(hào)檢測(cè)報(bào)警

圖8上支路電路為音頻信號(hào)檢測(cè)報(bào)警。音頻信號(hào)經(jīng)整流后作為調(diào)幅度的參考電平。經(jīng)電路分析及實(shí)驗(yàn)，音頻信號(hào)經(jīng)過C1、C2、D1、D2、R1組成的倍壓整流加于U1A的反相端，和同相端比較，當(dāng)輸入為高調(diào)幅時(shí)，輸出則為0V，當(dāng)輸入為低調(diào)幅時(shí)，輸出則為5 V。R2、C3組成延時(shí)電路，當(dāng)連續(xù)低調(diào)幅20 s，U1A的5 V輸出對(duì)C3充電使U2A的同相端電壓高于反相端，輸出5 V，點(diǎn)亮D4異態(tài)指示并觸發(fā)報(bào)警器，從而響鈴。D3的作用是高調(diào)幅信號(hào)到來，U1A輸出為0 V，C3可通過D3快速放電，運(yùn)行時(shí)只要調(diào)幅正常C3始終建不起足夠的電壓，U2A輸出為0 V，不報(bào)警。其中延時(shí)時(shí)間由R3、C3的時(shí)間常數(shù)及反相端電壓決定。

3.2 載波檢測(cè)報(bào)警

圖8下支路電路為載波檢測(cè)報(bào)警。經(jīng)電路分析及實(shí)驗(yàn)，調(diào)諧或者AGC電壓經(jīng)過R7、C4、C5濾波后加在U3A的反相端，與同相端比較，當(dāng)全功率時(shí)反相端電壓高，輸出為0V。無功率時(shí)，反相端電壓低，輸出為5 V，點(diǎn)亮D6異態(tài)指示并觸發(fā)報(bào)警器，從而響鈴。其中，調(diào)整RV2可提高靈敏度，D5、D7起隔離作用。

4 結(jié)論

本文基于已較為成熟nRF401和單片機(jī)組合而成的收發(fā)模塊，重點(diǎn)設(shè)計(jì)一監(jiān)控告警模塊。當(dāng)信號(hào)出現(xiàn)故障時(shí)，可及時(shí)報(bào)警，發(fā)現(xiàn)糾錯(cuò)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，以免已完成傳送錯(cuò)誤信號(hào)，影響整個(gè)系統(tǒng)可靠性。實(shí)驗(yàn)證明，出現(xiàn)故障時(shí)，該系統(tǒng)電路導(dǎo)通，觸發(fā)報(bào)警器，響鈴。達(dá)到了可實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，報(bào)警，從而糾正錯(cuò)誤的目的。該方法可有效減少糾錯(cuò)時(shí)間，提高整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性。

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