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无线传输智能测风系统:经纬仪数据收发板设计
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更新于2024-06-23
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"基于无线传输的智能双经纬仪小球测风系统-经纬仪数据收发板设计-本科论文.doc" 本文主要探讨了一种创新的智能双经纬仪小球测风系统,该系统利用无线传输技术,提高了高空风测量的效率和准确性。传统方法中的双经纬仪小球测风依赖于人工记录和录入数据,不仅耗时且易出错。为了解决这些问题,本设计引入了自动化数据采集和处理机制,提升了系统的实时性和同步性。 本系统的核心是经纬仪数据收发板,其主要功能是接收来自电子测风经纬仪的数据,并通过无线方式将其发送到数据采集板,最终由移动终端设备(如笔记本电脑)进行处理和控制。数据收发板的设计包括了硬件和软件两大部分,其中硬件部分采用了Silabs公司的C8051F310微控制器和TI公司的CC1020无线通信芯片。C8051F310是一款高性能的微控制器,能够处理系统中的各种控制任务;而CC1020则是一个专为低功耗无线应用设计的射频芯片,能实现远距离、高效率的数据传输。 在软件设计上,文章详细阐述了C8051F310的应用程序开发,包括程序流程图,确保数据的有效接收和发送。通过无线数据收发模块,系统能够实时接收经纬仪的测量数据,经过处理后,这些数据被发送至主机端的数据采集板。此外,该系统还具备远程控制功能,允许通过主机对系统状态进行调整和监控。 关键词:C8051F310;CC1020;无线传输;测风系统 这个基于无线传输的智能双经纬仪小球测风系统旨在克服传统测风方法的局限性,提高风力测量的精度和实时性,减少人为错误,降低操作成本。通过集成微控制器和无线通信技术,系统实现了自动化数据处理和远程控制,对气象监测、风能评估等领域具有重要的实用价值。
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图 2.4 基线测量示意图
实际测量中在使用经纬仪准线对准气球时,由于气球有一定的体积同时位置不断变
化,如果两台经纬仪对准气球的不同位置或者读数的时候并未完全对准气球,就会产生
误差,使得计算坐标和实际坐标偏离。图中 P 点处两经纬仪视轴偏差越大,误差就越大。
这种偏差同时会因为信道切换产生的大约 10-20ms 的延时而加大,两台经纬仪传回的角
度数据就只是近似同时采集,对于风力较大的状况下会加大误差。对于这种误差,在精
度要求较低的情况下可以忽略不计,但是对于大风力和精度要求较高的情况下可以通过
电子经纬仪的内存进行数据备份,在测量完成后一并传回主机,以减小误差。或者根据
事先设定的测风误差来处理数据,例如偏差范围为 5-10 米的时候可以接受,如果超过这
个限制,就应剔除相关数据。经纬仪测角和激光测距仪测距的误差也会影响测风数据的
准确性,应当尽量采用精度较高的仪器。
2.3 系统中无线数据传输部分设计
本课题主要是做基于无线传输的智能双经纬仪小球测风系统中的经纬仪数据收发板
的设计。在该数据收发板的设计中,无线收发芯片用的是 Chipcon 公司(现被 TI 公司收
购)生产的 CC1020,微控制器用的是 Cygnal 公司(现已被 Silicon Laboratories 公司收
购)的完全集成的混合信号片上系统型(System On Chip,SOC)MCU 芯片 C8051F310,
天线用简单的 1/4 波长单极天线就可以符合本设计的要求了。电源部分一般用干电池或
充电电池供电,便于携带。无线数传模块与外界设备的通信方式用的是 UART0 串行通
讯。无线数传模块内部 C8051F310 与 CC1020 之间的通信用的是 SPI(增强型串行外设
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接口)方式。无线数传模块硬件结构框图如图 2.5 所示。
单片机C8051F310
RS232串口
无线射频接口
CC1020
电源
处理
模块
C2接口
(JTAG调
试模块)
UART
SPI
图 2.5 无线数传模块硬件结构框图
2.3.1 无线传输的选择
采用电子经纬仪代替光学经纬仪之后,采集到的数据传输到上位机的方式可以采用
有线和无线方式。无线双经纬仪测风系统经常应用于野外特定地区的气象数据测量,而
且在两台经纬仪之间要求有 500 到 1000 米的距离以保证测风数据的准确性。野外架设
有线数据传输线路会增加人力和时间的花费,而且当遇到一些特殊的应用环境,比如山
地、湖泊、林区等特殊的地理环境时,布线比较困难,将会对有线传输带来很大的制约,
适应性差。另外当希望给系统中添加新设备的时候也会比较麻烦,当系统出现故障的时
候也很难确定出现问题的位置,维修时耗力多。而采用无线数据传输的方法可以有效的
降低成本、提高效率,并且不受地理环境和地面状况的影响,当系统中添加新设备时只
要采取时分复用、频分复用或者址分复用就可以方便的把新设备加入到系统中。系统无
线通路发生故障时可以直接更换无线数传模块,立刻恢复系统的数据传输通路,维修方
便。
目前,无线数据通信技术可分为两大类:一是基于蜂窝的接入技术,如蜂窝数字分
组数据(CDPD),通用分组无线传输技术(CPRS)、EDGE 等。二是基于局域网的技术,
如 IEEE802.11 WLAN、Bluetooth、IrDA、Home-RF、短距离无线通信技术等。本设计采
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用短距离无线通信技术(RF 技术)来进行无线数据传输。
随着大规模集成电路技术的发展,短距离无线通信系统的大部分功能都可以集成到
一块芯片内部。一般使用单片数字射频收发芯片,加上微控制器和少量外围器件即可构
成专用或通用的无线通信模块,有的射频收发芯片甚至集成了微控制器。由于所有高频
元件包括电感、振荡器等已经全部集成在射频芯片内部,由其构成的无线模块一致性良
好,性能稳定且不易受外界影响。射频芯片一般采用 ASK,FSK,OOK,GFSK 等调制
方式。通信模块一般包含简单透明的数据传输协议和使用简单的加密协议,其发射功率、
工作频率、工作状态等可以通过软件配置完成。用户无需对无线通信原理和工作机制有
较深的了解,只要依据命令字进行操作即可实现基本的无线数据传输功能。新一代短距
离无线数据通信系统具有体积小、功耗低、稳定性好、抗干扰能力强等优点,而且开发
简单快速、易于实现,可以方便地嵌入到各种设备中,实现设备间的无线互连。目前微
功率短距离射频通信技术在无线抄表、小区传呼、工业数据采集、非接触智能卡、安全
防火系统、区域报警系统等领域有广泛应用。
无线数据传输可以采用建立专用无线数传网或借用 GSM、GPRS、CDMA 等公共网
信息平台的方法。对于使用 GSM、GPRS、CDMA 等公共网信息平台的方法,不如无线
专用网简单易用,而且受公网业务开通状况及信号覆盖范围的影响,能否在某处使用,
完全取决于运行商的系统建设情况,不如无线专网灵活,另外它的运行费用较高,GPRS
是按流量计费,一些无用的信息也会被计费,在节假日时公网系统的负荷会达到高峰
(如短信、彩信等成倍增长),系统及网络堵塞严重,信息不畅,不能及时发送或接收有
用信息,实时性较差。
专用的无线网经常采用 ISM(Industrial Scientific Medical)频段,此频段主要是开放给
工业、科学、医学三个机构使用的,主要包括 315、433、868、915MHz 等频段,目前
也开发了工作在 2.4GHz ISM 的蓝牙收发电路。但是如果选择 3-30MHz 的高频(短波)段,
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其优点是使用适当的发射功率可以得到较远的工作距离,因为有源元件在此频段的效率
比更高频段的效率要高。印制板的布局设计也不是很严格,寄生电容与所用元件相比较
小,寄生耦合也比较容易避免。缺点是要求的天线尺寸大。短波频段最大的缺点是此频
段还有大量的公共服务信道,比如短波广播、电视通信网络等,频率资源相当拥挤。然
而对于 2.4GHz 频段,在给定的发射功率下,由于自由空间传播损耗大以及有源元件的
效率差,其工作距离比 UHF 频段短。综合考虑,本设计选定 ISM 的 433MHz 工作频段。
工作在 ISM 频段的无线数传模块大多工作在低电压微功率条件下。一方面,低电压
微功率可以节省能源,因为测风常常在野外进行,电池是系统的主要电力来源,低电压
和微功率可以延长电池的连续工作时间,避免了频繁更换电池或充电的麻烦;另外无线
设备工作于低电压微功率条件下可以缩小体积,减轻重量,有利于设备的微型化,这对
于便携式移动通信设备尤为重要;另一方面,对于工作在免证使用的 ISM 频段的无线通
信设备,各个国家的技术规范(比如美国的 FCC、欧洲的 EN 标准)对其发射功率都有
很严格的限制。同时低电压微功率的数传设备还能保护工作人员在工作时不受或减小无
线电波辐射的伤害。
2.3.2 无线收发芯片的选择
采用 ISM 通用数传频率 433MHz 的无线数传模块传送采集到的数据,成本较低且适
应性较强。不必占用稀缺的频谱资源,可以节省很大的初始投资,也不发生后期使用费
用。
目前,各大从事无线通讯类产品开发的公司,如 Microchip,TI,Motorola,Nordic VLSI,
Chipcon AS,RFMD,Maxim 等都有自己的 RF IC 产品。市场上的无线数字收发芯片分
为两类:一类是单独的接收或发射芯片,另一类为集成的数字收发芯片(一块芯片上集发
射与接收于一体的半双工射频芯片)。
由于自己设计的射频发射接收电路,电路复杂,而且调试困难,在本射频模块电路
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的设计中采用了数字收发射频芯片。而目前无线模块中应用较多的无线收发芯片主要有
Nordic 公司生产的 nRF 系列和 Chipcon 公司(现被 TI 公司收购)生产的 CC 系列。适用
于本课题的芯片分别为 nRF905 和 CC1020,比较而言两者最大发射功率均为+10dBm,
应用范围都很广泛,但是 nRF905 芯片的灵敏度为-100dBm,而 CC1020 芯片的灵敏度为
-118dBm,从而在同样设计良好的无线收发模块中由 CC1020 作为无线收发芯片的模块
数据传输距离较远,更能适合本课题的需求。
CC1020
[20]
是基于 Chipcon’s Smart RF-02 技术,在 0.35μm CMOS 工艺下制造出来的
一款窄带、低功耗、低电压的单片半双工 UHF(Ultra High Frequency)超高频收发芯片,
主要用于 ISM(Industrial,Scientific and Medical)频带和在 426/429/433/868/915MHz 频
带 的 SRD(Short Range Device - 近 距 离 设 备 ) 中 , 也 可 经 编 程 后 用 于 频 率 为
402MHz-470MHz 和 804MHz-940MHz 的多信道设备中。CC1020 的特点有:灵敏度最高
达-118dBm;低耗电流;低电压;输出功率可以设定;不需要外部的 IF 滤波器;尺寸小
(QFN 32 封装); 单 点 天线连 接 ; 数 据速率 高 达 153.6KBaud; 数 据 调 制 方式 有
OOK/ASK、 FSK 和 GFSK; 具 有 数 字 接 收 信 号 强 度 指 示 器 RSSI ( Received Signal
Strength Indicator)、载波检测指示器(Carrier Sense Indicator)和镜像抑制混频器(Image
Rejection Mixer);并且 CC1020 主要的工作参数能够经由一个串行接口编程设定,外围
电路简单,使用容易并且具有灵活性。
CC1020 内部结构框图如图 2.6 所示。
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