无线测量（通用8篇）
无线测量 篇1
摘要：本系统由控制部分和采集部分组成, 实现对环境温度和湿度数据的采集、传输和监控。控制部分以ATmega16单片机为核, 单片机接收并处理数据, 通过液晶128*64显示当地环境的温度和温度。数据采集部分由ATmega16单片机控制传感器进行数据采集并通过nRF905无线模块进行传输, 传感器采用SHT10数字温湿度传感器。测试表明, 该系统具有较强稳定性和实用性。
关键词：ATmega16,nRF905,SHT10,无线传输
1 引言
随着电子科技的发展, 电子系统的实现方式发生了翻天覆地的变化, 电子系统元件构成由分离元件走向了集成电路, 信号传输方式也由有线传输走向了无线传输。本文以集成电路为核心, 采用无线数据传输方式, 实现了无线温湿度测量系统。
2 系统方案设计
如图1, 图2所示为低功耗无线温湿度测量系统的发送和接收模块的框图。其中图1为无线发送模块, 以Atmega16L[1]为主控制核心, 控制温湿度传感器SHT11采集环境的温湿度, 然后利用nRF905无线传输模块将采集到的温湿度数据发送给温湿度测量无线接收模块进行相应处理。图2为温湿度测量无线接收模块, 以Atmega16L为主控制核心, 利用nRF905无线传输模块接收温湿度数据, 再通过PC模块显示。
3 系统软件设计
系统软件设计包括温湿度测量和无线收发两个部分。对于温度和湿度, 它们并非是急剧变化的物理量, 温湿度的变化往往是缓慢进行的, 因此针对这个特点对于温湿度的测量采集并非需要时时刻刻都在进行。而是每隔T时间 (T根据实际需要而定, 本系统选用1 s) 采集一次, 其余时间由于低功耗的要求使得MCU处于休眠状态。其程序流程如图3所示。其中Atmega16L进入休眠状态是通过对SE编程休眠使能, 并且对SM 2.0编程后进入相应的省电模式状态, 然后通过定时器的计时中断将Atmega16L唤醒, 再进行测量以及数据传输。
对于无线发送而言, 在测量发送数据以后, 应考虑到数据传输的可靠性, 因此加上校验功能, 并且为防止偶然的发送失败带来的不良后果, 采取定时等待, 超时后重发, 收到接收主机命令后才进入休眠的模式。具体流程图如图4所示。对于接收端而言, 所完成的任务是时刻检测无线接收模块, 对于收到的数据进行校验, 如果正确收到数据则无线发送相关指令告知接收端, 使其能够尽快进入休眠省电模式, 并且通过上位机显示温湿度;而接收到错误数据后不做任何处理, 等待接收端再次发送数据。
4 系统测试
本系统分别在A、B、C三个不同环境中测量温湿度, 测量结果和参考数据误差小于1%, 其测试结果和参考数据如下表:
5 结论
该系统采用AVR系列低功耗单片机ATmega16L作为控制芯片, 低功耗芯片nRF905作为无线收发模块, 设计并实现了基于数字温湿度传感器SHT11的温湿度无线测量系统, 由于SHT11具有数字式输出、免调试、免标定、免外围电路及全互换等特点, 不仅节省了单片机I/O口资源, 使系统整体设计成本下降, 还提高了测量精度, 同时大大简化了单片机的程序编写。SHT11还具有更优越的信号质量, 更快的反应时间和更灵敏的抗外部干扰能力, 所以该系统较传统温室测量系统在性能上有了很大的提高。
这些低功耗产品使得该系统耗电量小, 并且又特别适合将该系统小型化, 智能化, 仪表化。无线发射功能又代替了人工抄表的繁琐, 使得本系统有着广泛的应用前景。
参考文献
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无线测量 篇2
关键词：无线通信；采集控制器；时钟同步；中心主站；数据采集单元
中图分类号：TM933文献标识码：A
新建超、特高压输电线路投入运行前，为考核线路的绝缘性能，在线路首端对断路器进行分闸、合闸连续操作，以模拟系统的操作电磁暂态过程。试验过程中测量输电线路的电压、电流信号，以反映线路的绝缘状况＼[1-3＼]。
现有的测量系统通常由电容分压器、电流互感器、光电隔离器和录波仪等组成。为保证试验过程中测量人员人身安全，并给测量仪器进行供电，通常将光电隔离器、录波仪等设备布置于室内，通过电缆将变电站现场电容分压器低压侧电压信号、电流互感器二次侧电流信号与室内仪器相连＼[4＼]。该测量方法异常繁琐，部分大型变电站，电缆长度可达百米，现场布线工作量大，由于受变电站复杂电磁环境的影响，在电缆中可能感应出较高的过电压，影响测量系统安全运行的可靠性＼[5-8＼]。
目前，国内外很多研究者将无线测控技术应用于高压输变电设备的状态监测中，例如应用Zigbee，WiFi，Wimax，UWB，蓝牙等无线通信方法进行电能计量抄表、高压开关柜、变压器运行状态监测等＼[9-12＼]。上述方法各具优缺点和应用范围，例如：Zigbee适用于近距离、低速率、低成本的无线测控和状态监测。针对输电线路调试，电压电流信息采集点通常距离站控室较远（50～100 m），同时需承受变电站复杂电磁环境影响等，目前鲜有无线测控技术应用文献报道。
本文采用2。4 GHz频段高速无线网桥进行数据通信，设计了一套基于无线传输的输电线路调试测量系统。采用基于IEEE1588协议的高精度时钟同步模块以便于多节点数据的同步传输；将传输数据进行双通道异步处理，以提高数据传输速率。使用本文设计的测量系统，在江苏电网某500 kV变电站进行了性能测试，验证了测量方法的可行性。本系统避免了复杂的布线工作，保证测量系统的安全，大大减少试验工作量。
湖南大学学报（自然科学版）2015年
第10期孙秋芹等：基于无线传输的输电线路调试测量系统设计与实现
1测量系统总体结构
基于无线传输的输电线路调试测量系统结构如图1所示。
该测量系统由无线中心主站、无线电流采集传输节点、无线电压采集传输节点组成。其中，无线中心主站面对用户，负责控制采集传输节点和接收采集传输节点数据，同时进行数据存储、波形显示、数据分析、报表自动生成等；无线电压、无线电流采集传输节点与电容分压器、电流探头相连，采集相关数据并通过无线模块将数据实时上传到中心主站。测量过程中，无线电流和无线电压采集传输节点间使用基于IEEE1588协议的时钟同步模块进行时间同步。
图1基于无线传输的输电线路调试测量系统
Fig。1Measurement system for the testing of transmission
lines based on wireless communication
1。1电容分压系统
考虑到测量系统的带宽及测量方案的简易性，测量过程中，利用变电站电流互感器电容式套管和小型电容器共同构成电容分压系统，其结构示意图如图2所示＼[13＼]。电容分压系统等效电路如图3所示＼[4＼]。
图2电容分压系统结构示意图
Fig。2Schematic diagram of capacitive
voltage divider system
图3中，C1为电容式套管等效电容，C2为分压电容器电容，ui（t）为输电线路一次侧电压，uo（t）为分压电容器二次侧电压。
uo（t）ui（t）=C1C1+C2≈C1C2。（1）
为保证测量仪器和试验人员的安全，电容器输出电压信号幅值在100 V内。针对超高压电流互感器电容式套管，其电容量通常为纳法级，综合考虑，将分压电容器的值设为4 μF。
图3电容分压系统等效电路
Fig。3Equivalent circuit of capacitive
voltage divider system
1。2电流分流系统
本文采用霍尔电流传感器，将其安装于电流互感器二次侧，共同构成电流分流系统，其原理如图4所示。
图4霍尔电流传感器
Fig。4Hall current sensor
当原边导线经过电流传感器时，原边电流Ip产生磁力线，磁力线集中在磁芯气隙周围，内置在磁芯气隙中的霍尔电片可产生和原边磁力线成正比的，大小仅为几毫伏的感应电压，通过电子电路将该微小的信号转变成副边电流Is，原边电流Ip与副边电流Is满足如下关系式：
Is×Ns= Ip×Np。（2）
式中：Np为原边线圈匝数；Ns为副边线圈匝数＼[14＼]。
2测量系统硬件设计
2。1无线电压、无线电流采集传输节点
无线电压与无线电流采集传输节点主要由A/D模块、无线通信模块、控制器模块和时钟同步模块等组成，其结构如图5所示。
图5采集传输节点结构
Fig。5Schematic diagram of acquisition
and transmission node
各模块结构如下所述。
1）A/D模块。无线电压、无线电流采集传输节点A/D模块均采用MAX125芯片，可以实现多路信号的同步采集。采样精度设置为16位，单通道的最高采样速率为250 ksps。无线电压、无线电流采集传输节点采用独立电源，以减少变电站电磁干扰。
2）无线通信模块。无线通信模块采用Karlnet2400系列无线网桥，通信频段为2。4 GHz，支持点对点和点对多点的网络通信。由于不采用电缆，可避免空间电磁耦合引入的传导干扰影响。此外，变电站干扰源主要可分为工频与谐波干扰源（50 Hz及其谐波）、少量的甚低频干扰源（30 kHz以下）、载频干扰源（10～300 kHz）、射频及视频干扰源（300 kHz）等。采用2。4 GHz通信频段，可远离工频、谐波、载频等干扰源。
中心主站无线通信模块提供一个10/100 Mb/s网络IP 接口，通过网线与服务器相连。无线电流、无线电压采集传输节点分别提供一个10/100 Mb/s网络IP接口，与采集控制器相连。无线网桥间实现相互通信。
3）采集控制器。采集控制器实现高精度数据采集、通过特定算法确定暂态触发事件、通过无线通信模块实时上传数据到中心主站，本地保存重要数据等。本测量系统采集控制器采用ARM与FPGA相结合的架构方式。其中，ARM系统采用Cortex A8处理器，负责与中心主站进行通信，管理数据的采集和传输，确定触发事件发生。FPGA控制A/D数据的采集、时间同步、时间戳标记。
FPGA获取A/D模块数据，通过时钟同步模块M50获得时钟同步信息，将时间戳标记到每帧数据的帧头，然后将数据放入ARM系统的内存中，由ARM中运行的采集控制软件系统处理，此后通过无线模块上传到中心主站。
4）时钟同步模块。时钟同步模块对采集的数据进行时间戳标记，以便于多节点数据在中心主站上的同步显示和分析。本测量系统采用基于IEEE1588协议的高精度时钟同步模块。上述协议中定义了4种消息Sync，Followup，DelayReq和DelayResp，用来测量前向（主时钟至从时钟）和后向（从时钟至主时钟）路径的通信延迟。消息Sync和Followup由主时钟设备发送，从时钟设备负责接收这些消息，并计算主时钟设备到从时钟设备的通信路径延迟，对应产生的同步精度在无线网络条件下可达微秒级。
时钟同步源采用GPS，由无线中心主站作为授时主钟，对各节点进行时钟同步。时钟同步模块提供精确的秒脉冲、TOD（Time of Day）以及10 MHz脉冲波，其硬件结构如图6所示。
图6M50时钟同步模块结构
Fig。6Schematic diagram of M50
clock synchronization module
2。2中心主站
无线中心主站由服务器和客户机组成，其中：服务器负责处理分布式采集节点的大数据，包括分布式数据接收、对齐、存储、转发等功能。客户机对服务器、采集节点进行设置，监控采集节点行为，显示和分析波形数据等。
本测量系统中服务器采用基于X86平台的工业便携式服务器主机，单核CPU频率为2 GHz，服务器配备无线通信模块负责中心主站与采集节点间的无线通信，采用Unix操作系统；客户机选用X86 PC机器，采用Windows 7操作系统。
3测量系统软件设计
测量系统软件主要包括采集控制器端软件系统与中心主站软件系统。其中，采集控制器端软件系统负责与中心主站通信，接收和执行中心主站命令，进行数据采集、数据本地保存、数据上传等工作。主站软件系统包括数据采集传输节点软件系统、数据接受处理中心软件系统等，进行数据的采集、传输、处理及波形显示与分析等。
3。1采集控制端软件系统
采集控制端软件系统结构如图7所示。
图7采集控制端软件系统结构
Fig。7Structure of acquisition controller
software system
采集控制端软件系统包括普通波形缓冲区与重要波形缓冲区两部分。其中，普通波形缓冲区实时向测量系统上传测量数据，每秒传输速率约为40 k；重要波形缓冲区本地保存测量数据，防止重要数据的丢失。本测量系统中，重要波形缓冲区设置保存10 s的试验数据（约400 k），在传输过程中丢失采样数据时，可在监控端向采集控制端发送命令以获取细节信息。
3。2中心主站软件系统
中心主站软件系统包括电压数据采集传输系统、电流数据采集传输系统、数据接受处理中心系统、波形显示和分析系统。
采集节点传输给中心主站的数据格式是每100 ms一帧的200 k采样格式数据。无线电压、电流采集节点上的数据采集程序运行在QNX上，通过Socket API发送数据包到中心主站。数据汇总程序运行在Web服务器上，网络连接采用Mina库。中心主站的控制是通过在浏览器上输入URL来进行在线配置。
1）数据采集传输节点设计。电压数据采集传输系统和电流数据采集传输系统由采集探头驱动层和数据传输层组成。 采集探头驱动层负责接收探头采集到的原始数据，按照探头特性和探头变比参数进行数据转换。
驱动层转换数据后，经由数据传输层将数据暂存到缓冲区中。为了避免接受缓冲区和发送缓冲区之间的同步延长时间，将接收和发送公用一个缓冲区。为了避免因接收和发送速率不同带来的缓冲区数据堆积，系统缓冲区采用生产者消费者队列模型，一边采集接收数据，一边发送数据。
2）数据处理中心设计。数据处理中心用于接收来自电压、电流数据采集传输系统的同步实时数据。考虑到200 k数据的传输对无线带宽的要求比较高，对传输数据进行压缩和异步处理。将原始的200 k数据分为两个通道进行发送，一个是实时通道，另一个是异步通道。实时通道将数据实时发送到处理中心节点用于动态波形显示；异步通道将数据在后台下载到数据中心中。数据采用压缩且哈希索引的方式进行存储。数据处理中心同步发送策略如图8所示。
图8数据处理中心同步发送策略
Fig。8Strategy of data sending of data processing center
4试验验证
为验证调试测量系统的性能，在江苏电网某500 kV变电站进行了性能测试。试验线路运行方式如图9所示。
图9试验线路运行方式示意图
Fig。9Operation mode of testing transmission lines
输电线路参数： R1=0。001 9 Ω/km，R0=0。167 5 Ω/km，L1=0。913 6 mH/km，L0=2。719 0 mH/km，C1=0。013 8 μF/km，C0=0。008 3 μF/km，输电线路长度为90 km。
试验过程中，西津渡变断路器S2处于分闸状态，对茅山变断路器S1进行分合闸操作，测量线路首端的电压和电流，试验现场电流互感器如图10所示。输电线路调试测量系统如图11所示。试验过程中测录的典型电压、电流波形分别如图12和图13所示。
图10电流互感器
Fig。10Current transformer
图11输电线路调试测量系统
Fig。11Measurement system for the
testing of transmission lines
t/s
图12输电线路电压
Fig。12Voltage of transmission lines
t/s
图13输电线路电流
Fig。13Current of transmission lines
该测量系统可满足变电站现场测试要求，由于采用2。4 GHz频段无线通信，测量过程受变电站电磁干扰影响小。
5结论
本文设计了一套基于无线传输的输电线路调试测量系统，由无线中心主站、无线电流采集传输节点、无线电压采集传输节点组成。利用互感器电容式套管和电容器组成无线电压采集传输节点，基于霍尔电流传感器和电流互感器组成无线电流采集传输节点。采用2。4 GHz频段高速无线网桥进行数据通信，避免了变电站电磁波的干扰影响。基于IEEE1588协议的时钟同步模块实现了多节点数据的时间同步；建立了新的数据同步发送策略，提高了数据传输的效率。本测量系统实现了数据存储、波形显示、数据分析和报表自动生成等功能。在江苏电网某500 kV变电站进行了性能测试，验证了测量系统的有效性。
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无线测量 篇3
1 理论概述
1.1 无线测量仪
无线测量仪是指为了获取目标物某些属性值而通过无线信号切换、传播、编辑进行衡量所需的第三方标准, 仪器设备通常会根据测量需要、特定的测量标准设计刻度、容积等单位。手持无线测量仪操作者手握住主轴使设备沿着轴移动, 注意探头与工件间测量压力、及探头移动因加速度所造成轴产生弯曲导致的测量误差, 即可完成测量操作任务。总的来讲, 仪器设备的控制操作方法不是很难。
1.2 通信测量的技术特点
测量结果参数化、测量操作模块化是移动通信工程测量工作最集中的两大技术特点, 一方面, 随着现代移动通信测量技术的不断发展, 传统的以测量通信基本参数的方法已经无法满足现代通信测量技术的要求, 取而代之的是以测量通信系统参数为主的通信测量技术。因为现代通信系统的构成已经不再仅仅由人们熟知的频率、功率等基本参数构成, 而是依靠移动信号在数据网上嫁接编辑管理。另外, 目前市场上采用最多的模块化仪器是VXI总线技术, 以模块为集合的网路具备通用仪器总线和微机总线两者的特点, 操作起来更能凸显出通信测量网路的应用价值。
2 手持无线测量仪在移动通信工程测量中的具体应用情况
2.1 无线测量仪的应用
目前在市面上存在的手持无线测量仪种类比较多, 有频谱分析的、有与同轴电缆、定向耦合器结合在一起的, 在操作上都需要有源测量仪器的激励源, 信号发生器的组成与手持无线测量仪的准确性要求有直接联系, 以Cell Master系列无线测量仪为例, 它属于手持有源无线测量仪, 除了能够精准的测量天线和频谱等数据信息之外, 还能够定位大功率设备, 接入定向耦合器、同轴电缆等设备机制, 通过计算功率、测量电压波比的方式, 进行移动设备机动性能测量。
2.2 应用问题
手持无线测量仪在接入移动通信工程之后, 相关性移动设备的机动性能会与无线测量仪产生交互影响, 这种影响是电缆、天线的信号源交叉、交互影响产生的, 但这种关联影响也会干扰无线测量仪的应用表现。如:无线测量仪的种类会干扰最终的测量结果, 手持无源测量仪接收信号的能力差, 但是应用路径很广泛, 手持有源测量仪接收信号更具针对性, 但操作起来比较繁琐, 要时刻注意无线测量仪的专用设备条件, 需特别设计信号、频谱标准。由此可见, 手持无线测量仪的种类虽然比较多, 但它们的功能属性各有侧重, 无法做到仅依靠一个集合点, 找准功能定位, 无论是功能属性还是具体操作, 都很难迎合具体现实的应用条件与环境。
2.3 解决办法
针对上文提到的手持无线测量仪在应用上的限制与应用困难, 笔者认为, 手持无线测量仪应该与移动通信工程形成监测配合, 不一定要按照无线测量仪的设备功能属性来定位、定义测量功能, 也可根据具体移动通信工程中移动设备的机动性能来评判、测试管理, 如:采用定向耦合器来跟电缆或者天线进行连接, 大大降低了其他干扰信号源、频谱的入侵、干扰, 又如:根据实际使用需求特别设计的手持无线测量仪器, 以接收机为主, 以移动设备为辅, 创建相互无影响的运转网路, 准确判断无线通信的质量价值与应用表现。总的来看, 创建专用特性、统一规格的手持无线测量仪几乎是不可能, 但只要专注于信号接收能力与范围的扩大, 无论是哪种测量仪器都会在移动通信工程中发挥应用影响价值。
3 无线测量仪的应用发展
未来几年, 手持无线测量仪器在移动通信中的应用会愈加广泛, 无论是产品的类型还是功能都在不断地完善过程中。相信随着人们研究的进一步深入, 手持无线测量仪器一定可以在移动通信领域中发挥更大的作用。如:AN/PRM-34、PRM-34B无线测量仪, 要比原有的手持无线测量仪规格、尺寸要小很多, 测量速度快、便于测量人员在测量工作中随时操作与控制, 节省人力物力。又如:BA-5372/U无线测量仪, 它新增了简单的一键式操作功能, 可以满足、迎合Rx和Tx测量服务需要。可见, 在无线测量仪功能性质改革上, 解决无线测量仪手持空间和操作性质是仪器功能升级改变的基础, 功能优化是无线测量仪改变的重心。
4 结语
综上所述, 无线测量仪在操作上的能动性很强, 与通信测量的技术特点一结合, 二者的操作程序会更加简捷、方便, 适合根据移动设备的机动性能进行随时调节, 技术革新的成本费用比较低。
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无线测量 篇4
1 软件无线电的基本概念
无线电其实就是指在宇宙空间(包括空气和真空)传播的电磁波。无线电技术就是研究如何通过无线电波传播信号的技术。在天文学中无线电波也被称作射电波,简称射电。软件无线电就是通过对软件进行编程的方式,在一个标准且开放的硬件平台中实现无线电台及个人的各种无线通信功能,是在以硬件开发使用为基础、结合面向用途的电台设计方法,应时代需求被开发出来的一种新技术。软件无线电有其自身的体系结构,特别需要重点强化的内容就是它的开放性以及全面可编程性两个关键部分,然后再通过软件更新改变硬件配置结构,实现新功能。软件无线电采用高标准、高性能的开放式构造,非常有利于硬件模块的升级与扩展。
2 研究软件无线电的意义和发展现状
2.1 研究的意义
目前,在通信领域,各通信体系自成一家、各占据一席位置,彼此之间存在较大的竞争趋势和互不兼容的局面,导致频率资源极度紧张。这些矛盾冲突导致各体系之间的客户也无法实现通信共通,而与之相对应的却是无线个人通信系统的迅猛发展与新系统的频频涌现,作为以硬件为主的旧通信体制变得无法适应新时期行业发展。1992年,软件无线电在美国MILTRE公司诞生,从此开始研究使用软件完成各种功能的科学技术,目的是达到可以满足用户最大范围的处于可用的无线电环境中,实现宽带A/D/A转换器的数字化和可编程性。此外,将硬件的结构配置通过对软件的“改朝换代”方式进行突破改变,打造升级版功能系统。软件无线电的出现让无线电台从过去的设计局限中脱离出来并作出改革,从此硬件不再处于核心地位,而是尽可能地通过灵活的软件系统在简化的硬件平台的应用,实现各种新型的无线电功能设计思路。这样用户将能在各个不同时期和各种使用环境下,通过在同一硬件平台上使用不同软件的方式满足多样的功能需求;商家也将在通用的、拥有良好扩展性的硬件平台上不断开发新的应用软件,以满足用户和市场的新要求。甚至有人推断,软件无线电会带动整个无线电产业走向前所未有的发展高度,并迎来电子信息技术的发展大潮,最终在全世界范围内形成巨大的软件无线电产业市场,社会科技随之进步。
2.2 发展现状
软件无线电乘着无限的发展态势迎面而来,不可小觑,世界各国都已吹响软件无线电研究和使用的号角。美国国防部已于1990年8月与Hazektine公司签定了研发易通话(Speakeasy)软件无线电系统的合同,并且已经成功研制出多频段多功能电台[1]。美国麻省理工学院也从软件无线电角度思考引入大量软件成分,并为尝试实现“虚拟”无线电做出着贡献。此外,MMITS论坛(已更名为SDR论坛)也早已经展开了对无线系统的开发利用,标志着软件无线系统开始展现出其商用价值。同时,美国Airnet公司在深入的研究了软件无线电的基站的相关理论以后,已成功研制出具备足够灵活性配置的基站。在欧洲,软件无线电技术同样呈现出迅猛发展的趋势。1998年6月,第一届国际软件无线电研讨会在希腊顺利召开,本次大会是欧洲委员会的软件无线电研究专题组应第三代ACTS移动通信委员会要求举办的,类似的大量项目都在欧洲委员会的计划中着手操作中。亚洲的第一个软件无线电研究组织是于1998年4月在日本庆应义塾大学成立的,之后才开始推广研究软件无线电。然而,研究的内容与范围也远远比不上欧美国家的进程。我国对软件无线电的研究虽然相对迟到很多,但却能尽快的充分意识到其重要性[2]。国家自然科学基金组织和“863计划”都把对软件无线电技术的研究设为一个重要研究课题,而且在很多高校和科研所也已经开始投入精力在软件无线电技术的研究工作方面,并取得了一定的进展和成果。另据报道,中国解放军理工大学和中国电子科技集团公司已经在软件无线电技术中手机应用研究工作中取得了一些可喜的成绩。
3 中波信号正交解调,测量算法研究
3.1 中波信号正交解调算法
进人DSP的数字化的调幅信号表达式为:
为调制信号;φ为载波瞬时相位。对此信号进行正交解调,软件算法实现框图如图1:
如果采用低通采样,设S(n)采样率为5 MHz,则采样后的数据流速率会很高,对于DSP的处理能力和实时性,本方案可以从以下途径减小DSP内的计算量。首先,低通滤波器采用半带滤波器和积分梳状滤波器相结合使用的方案,从而有效减少第一级滤波器的计算量和以后各级滤波器抽头系数的个数;其次,由于中波调幅信号的调制信号带宽较小,完成降速处理窄带信号的采样数据流是完全可行的,多速率信号处理技术为这种实现提供了理论依据[3]。低通滤波器部分采用多级降采样结构的实现框图如图2所示。
3.2 调幅信号场强测量的算法
已知A (n)=A。+m(n),A(n)可以由前面的算法得到,想得到AO,可以构造迭代算法:Ai=P*A (n)+(1-p)*Ai-1,其中P的值可以取接近于1的小数,如0.999,P的值决定Ai收敛于A。的速度和精度,可以根据需要选择P值。
4 硬件实现方案
4.1 处理器简介
在本文的方案中,以TMS320C6202DSP (数字信号处理器)作为运算处理器,这款处理器的芯片的有其自身的优点,它是采用改进的VelociTI、超长指令字(VLIW)结构的高速并行定点数字信号处理器。该芯片工作时的时钟频率可以高达250M,最大处理能力高达2000MIPS。另外,C6202除了处理速度快还拥有丰富的片内资源。其中我们还可以通过32位的扩展总线(XBUS)较方便的连接同步或异步的工业总线器件;通过外部存储器接口(EMIF)较容易的连接异步器件和存储器件。整体看来,这款芯片是相对适合做软件无线电的调制解调的[4]。
4.2 硬件方案框图(图3)
通过C6202实现多速率信号处理的硬件原理框图,如图3所示:
根据C6202的XBUS是32位宽的为基础,我们想要把总线上的带宽加大,需采取两片宽度扩展的FIFO;因为同步FIFO具有速度快且容易与XBUS连接的特点,SN74V225使用XBUS和FIFO接口连接,如图4“XBUS和FIFO接口”:DSP输出端EMIF接口和输出FIFO的接口与输入端类似,不再复述。
5 结语
软件无线电是一门正在不断发展的技术,许多问题还有待研究。本文以软件无线电基础理论为依据,提出了比较简单实用的数字解调测量方案,能够被用作一个开发板,定制软件实现其他调制方式的信号的解调和分析。
摘要：在当前的移动通信领域和军事领域,软件无线电已然成为热门研究内容,它的理论基础其实就是借助硬件平台为辅助支撑作用实现无线通讯,同时将宽带转换器无限接近天线,然后通过软件实现通信功能,从而实现灵敏的、开放的无线通信系统的开发建造。本文通过对软件无线电基础理论与技术的深入研究和探讨,给出具有实用性的中波信号解调测量方案和硬件实现方案。
关键词：软件无线,电中波信号,解调方案
参考文献
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[3]杨小牛,楼才义,徐建良.软件无线电原理与应用[M].北京:电子工业出版社,2013.
无线测量 篇5
Ad Hoc网络是一种不需要中心控制以及基础设施支持, 由移动节点构成的无线网络[1]。它具有组网灵活、快捷等特点, 被认为是将来最有竞争力的通信方式之一。Ad Hoc网络在国防战备、灾难救助、临时性的会议等场合下具有无法比拟的优势, 具有广阔的应用前景。
随着针对Ad Hoc网络的研究逐步深入, 人们发现Ad Hoc网络作为一个独立网络时, 应用十分有限, 不能发挥它的最大优势。如果把它接入有线网作为延伸, 那么对于Ad Hoc网络的应用将有一个质的飞跃。比如:在军事应用中, 高层指挥所的指挥网络通常由高速局域网和Ad Hoc组成;民用的Ad Hoc网络通过无线路由器接入因特网等。如何了解混合网络的性能, 如何发现瓶颈链路等一些问题, 这都对混合网络测量提出了新的要求, 例如从单一的Ad Hoc网络测量拓展到Ad Hoc网络及有线网组成的混合网络测量。
本文对有线网络和Ad Hoc组成的混合网络的带宽测量进行研究, 提出了Ad Hoc TP测量算法并进行了验证。结果表明, 此方法能够快速、准确地测量出路径带宽。
1测量原理
PP模型最早用于网络拥塞控制[2], 后来经过R.Carte, V.Paxson, K.Lai和C.Dovrolis等人对模型的不断完善和发展[3,4,5,6], 使得PP模型成为测量网络带宽最有效的模型之一。Ad Hoc Probe[7]是目前测量Ad Hoc网络路径带宽的最常用方法, 它以PP模型为基础, 继承了Capprobe[8]的优点, 不仅克服了报文对技术在重负载时测量不精确的缺点, 而且保证了测量精度。
在网络负载较轻时, 一般仅仅需要几个报文对就能够获得正确的样本, 但是Ad Hoc Probe仍然固定地进行200次采样来寻找时延和最小的样本, 这样造成测量时间固定且较长, 因而不能适应Ad Hoc网络的动态性。如果能够实时地知道已经获得了正确的样本, 就不需要再继续发送额外的探测报文, 这样既可以缩短测量时间, 又可以减小对带宽资源的浪费。缩短测量时间, 可以更好地适应Ad Hoc网络的动态性, 更好地满足Ad Hoc带宽受限的特点。针对Ad Hoc Probe的缺点, 提出了Ad Hoc TP (Triple-probe Packets) 算法。
先来分析一个报文对的测量:设第二个报文大小为L, 所经过的链路带宽为C0, 则报文对经过这条链路后的时间间隔变为Δ0=L/C0, 在一般情况下, 如果在进入一条容量为Ci的链路前, 报文对的间隔为Δin, 则通过这条链路后, 时间间隔为Δout=max (Δin, L/Ci) 。在报文对经过一条路径上的若干条链路后, 在接收方得到的间隔为
TP算法描述:TP算法在发送端所使用的测量分组不再是单个的分组对, 而是由三个连续数据包组成, 称之为三元组。三元组中每个包的长度分别是L1, L2, L3, 其中L1<L2=L3, 第一个分组的第一个数据包很小, 以保证后面的分组不会因为前一个分组而发生排队。将L1, L2看成是一个分组对, 将L2, L3看成是后一个分组对。在接收端, 计算三元组前一个分组对通过瓶颈链路后的时间间隔为Δ1, 后一个分组对通过瓶颈链路后的时间间隔为Δ2与整个探测报文组的时延和。如果Δ1=Δ2, 再看看时延和是不是最小的。如果是最小的, 则说明根据包对技术的测量其带宽只与分组对中第二个数据包的长度有关, 这在文献[9]中有详细的证明。假设没有受到其他流的干扰, 包头的大小为β, 则所测得的带宽为:
并且向发送端报告结果。发送端收到结果后结束测量, 如果时延和不是最小的, 则继续测量。
测量过程中的问题处理:
(1) 如果两个探测包对中插入相同的背景流量
这里认为当两个探测包对没有受到背景流量的影响时, 在接收端两个探测包对的间隔就会相等。但是还有一种情况, 就是当两个探测包对中插入相同的背景流量时, 在接收端两个探测包对的间隔也是相等的。所以仍保留单向时延和最小的判断标准。这样就可以排查出虽然两个时间间隔相等, 但实际收到相同背景流量影响的样本。
(2) 长时间内一直找不到符合条件的样本
在网络负载较重的情况下, 探测包对受到背景流量的影响概率将会很大, 所以有可能很长时间内一直找不到符合条件的样本。为了减小测量工作对网络的影响, 将设定一个探测报文对发送上限, 以控制测量的时间。将这个上限设置为100, 发送端只发送100组探测报文对, 如果接收端一直没有接收到正确的样本, 则在接收到第100组报文组合后 (根据序列号) , 根据已有的测量数据, 选取时延和最小的那个样本, 并将其作为正确的样本, 计算路径带宽。
(3) 探测报文对发送速率问题
如果探测报文的发送速率过快, 虽然可以缩短测量时间, 但会对网络产生较大的干扰, 并且容易引起网络拥塞, 从而可能影响测量的准确性。相反, 如果发送的速率过慢, 则会延长测量时间, 不能满足Ad Hoc网络拓扑动态性的特点。在Ad Hoc Probe中, 每一组探测报文对由2个报文组成, 其发送速率为4组/s, 改进后的报文对由3个报文组成。参考Ad Hoc Probe并通过实际仿真分析, 探测报文对发送速率定为2组/s。因为设定了探测报文对的发送上限为100组, 所以测量时间最大不超过50 s。
(4) 系统时钟同步问题
Ad Hoc TP算法不需要发送方、接收方的时间同步, 假设他们两者的时间差为u, 对于第i个包来说, 发送时间为Tsend, i。接收时间:第一个包为Trecv1, i, 第二个包为Trecv2, i, 所以测量的时延和为S′i及实际的时延和Si为:
由上式可知, S′i, Si两者的差值恒定为2u。如果Sk最小, 则S′k也是最小, 过滤不是最小值的S′k就可以得到正确的样本, 而计算路径容量时, 用的是差值, 即:
这样就消除了u的差值, 对最终的路径容量的测量没有影响, 因此Ad Hoc TP算法不必在乎发送方和接收方的时间同步, 这对最终的测量结果没有影响。
2仿真验证
2.1 无线Ad Hoc网络带宽的理论分析
Ad Hoc网络路径带宽不同于传统的有线网。在有线网中, 一条路径的带宽是由组成该条路径的所有链路中带宽最“窄”的那段链路所决定的。当一条路径确定后, 其路径带宽就是一个确定的值。但是在Ad Hoc网络中, 路径带宽并不是简单地等于最“窄”的那段链路的带宽。由于所有节点共享无线信道, 所以在多跳的情况下, 必须考虑到无线信道复用对于路径带宽的影响。要对Ad Hoc网络路径带宽的测量技术进行研究, 就必须首先确定Ad Hoc网络路径带宽的理论值, 否则将无法判断测量结果是否正确。
先对链状拓扑的路径带宽进行分析。如图1所示, 节点间距离为200 m, 节点的传输范围均是250 m, 干扰范围是550 m。只有1号节点发送数据, 其他节点只进行接收或是转发。
当场景中只有两个节点, 不存在信道复用, 也就是没有节点冲突的影响时, 则在多跳网络中, 所有节点共享无线信道, 此时, 路径带宽一定会受到影响。由文献[10]中, 对于多跳链路路径带宽进行分析可知:当1号节点发送, 3号节点接收时路径链路带宽也就是一跳路径带宽的1/2;当1号节点发送, 4号节点接收时, 路径链路带宽也就是1跳路径带宽的1/3;当1号节点发送, 5号节点接收时, 路径链路带宽也就是一跳路径带宽的1/4;当1号节点发送, 6号节点接收时, 路径链路带宽也就是一跳路径带宽的1/4;跳数再增大时, 由于距离较远的节点可以同时使用信道, 所以路径带宽的最小理论值就是一跳路径带宽的1/4。
2.2 验证链状混合网络中TP算法的可行性
把这种链状拓扑的Ad Hoc网络接入有线网后, 不难发现, 在Ad Hoc网络内部, 路径带宽并不会受到这种接入的影响, 也就是说路径带宽理论值不会发生变化。下面验证TP算法的可行性。
使用QualNet仿真软件[11]对算法的有效性进行了仿真验证。IEEE 802.11b的传输范围设为250 m, 干扰范围设为550 m。信道衰减模型选择的是TWO-RAY GROUND, 网络负载设置为符合泊松分布的VBR流。
仿真场景如图2所示, 节点1到AP之间为有线网络, 假设为100 Mb/s以太网。Ad Hoc网络部分各节点之间的距离都是200 m, 各链路都基于IEEE 802.11b协议, 传输速率为2 Mb/s, 网络层使用AODV协议, 传输层使用UDP协议。IEEE 802.11协议默认参数值见表1。
当Ad Hoc网络路径为一跳时, 也就是节点1经过AP到节点2这条路径上, 在没有背景流量干扰的情况下, 发起测量的仿真结果如图3, 图4所示。
从图3中可以看到, 从节点1发起的混合网络测量与从AP发起的纯Ad Hoc网络测量基本一致。说明基于包对的路径带宽测量技术能够很好地适用于上述混合网络。随着应用层数据的增大, 路径带宽也随之增大, 但是测量值与理论值之间存在着一定的偏差。经分析认为, 偏差是由于帧间间隔引起的, 在前面的理论值分析过程中忽略了帧间间隔的影响。图4是从无线节点2发起的对混合网络的测量, 从结果看算法仍然有效。综合来看, 该算法不论是从有线网络部分发起测量, 还是从Ad Hoc网络部分发起测量, 在一跳情况下都能够正确测量出网络路径带宽。
再来看看多跳情况下TP算法的效果。网络拓扑如图2不变, 网络各参数保持不变。使用固定大小的探测包对, 设置为1 472 B。在多跳情况下的测量结果如图5, 图6所示。
从图5中可以看出, 在不同跳数的情况下, 从节点1发起的混合网络测量结果与从AP发起的纯Ad Hoc网络测量结果仍然基本保持一致。说明该路径带宽测量算法在混合网络中确实是正确有效的。随着跳数的不断增加, 测量结果也正确地反映了路径带宽的变化趋势, 与前面的理论推导基本吻合。同理从Ad Hoc网络部分发起测量的仿真结果, 如图6所示。从仿真结果看, 在不同跳数的情况下, 从Ad Hoc网络部分发起的测量结果与从有线网络部分发起测量结果基本一致, 都能较为准确地测量出网络路径带宽。
综合以上结果, 当有线网络部分的链路带宽远远大于Ad Hoc网络部分的链路带宽时, 混合网络路径带宽基本不受有线网络部分的影响, 不论是从有线网络部分发起测量, 还是从Ad Hoc网络部分发起测量, 在假设的这种基于IEEE 802.11b的多跳混合网络模型中, 基于包对的路径带宽测量技术完全适用, 能够准确、有效地测量出网络路径带宽。
2.3 改进算法的优势
在不同的网络负载情况下, 分别对一跳和三跳混合网络进行路径带宽测量, 比较Ad Hoc Probe算法与改进后的Ad Hoc TP算法测量结果, 如图7和图8所示。
由仿真结果可以清楚地看到, 在测量精度方面, 改进后的TP算法与Ad Hoc Probe算法基本一致, 证明了对算法改进的正确性。图9, 图10分别给出两种算法的测量所需要的数据包和耗时对比。
显而易见, 改进后的算法在保证测量精确度的前提下, 大大缩短了测量路径带宽所需的时间, 并且减少了探测报文的发送数量, 降低了测量算法对网络的干扰。
2.4 性能分析
由Ad Hoc TP算法原理可知, L1很小, 第一个分组传输很快, 可以有效地解决插入背景流的影响, 仅用式 (1) 就可以快速地过滤出正确的样本, 从而缩短了测量周期, 在保证精度的前提下, 能够快速地得到测量结果。在负载较轻时, 仅需要几个分组就能够快速地测量出带宽值, 从而大大提高了效率。在负载很高的情况下, 也能够在一定程度上减少测量报文的个数, 降低测量算法对网络的干扰, 得到正确的结果。
3结语
本文对基于IEEE 802.11b的Ad Hoc网络链路带宽进行了理论分析, 在此基础之上, 深入研究了路径带宽测量技术, 并将以往的纯Ad Hoc网络测量拓展到由Ad Hoc网络与有线网所组成的混合网络测量。不仅通过仿真验证了基于包对的路径带宽测量技术在混合网络测量中的正确性, 还改进了Ad Hoc Probe测量算法, 使得测量更加快速、高效, 同时还减小了对网络的干扰, 通过多个不同场景的仿真验证了算法, 结果表明算法是有效可行的。
参考文献
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无线测量 篇6
一、无线电波的传播特性
1、无线电波在自由空间的传播特性
随着时间变化而产生变化的电场还有磁场是无线电波的组成部分, 这两部分的电场和磁场之间是相互转化并且两者是相互依存的, 在这种不断的转化和依存的条件下, 进而渐渐的形成了一个既是统一又具有时变性的电磁场体系。
无线电波传播分为两种情况, 一种是自由空间传播, 还有一种是有限空间传播。无线电波在自由空间传播的形式就是无线电波的自由空间传播, 自由空间在严格一点的情况下说就是一种理想的境界, 在实际情况下不可能达不到这种超理想的境界。在微波通信里, 通常情况下电波发射完信号天线辐射之后, 信号的天线辐射里带有的能量是向辐射周围的空间不断扩散的, 因此当辐射的能量到达天线的时候就只有一小部分了, 信号辐射发射的地点距离天线越近, 到达天线的能量就会越多, 相反, 距离越长, 到达天线的能量就会越小, 这种情况的出现就被叫做电波信号在自由空间传播中的衰减, 也有专业的人员称它为自由空间之中电波信号的损耗。
2、无线电波在有限空间之中的传播特性
有限的空间里的无线电波的传播特性是非常复杂的, WIFI无线电波在煤矿井之下的传播形式就可以看做是无线电波在有限的空间环境里传播的一种情况。工人们煤矿井下的采集和挖掘煤炭的通道都是十分狭小的, 通道内的地面有的粗糙还有的坎坷不平, 周围有着煤碳和各种各样的石头, 还有工人挖掘煤块所需要要用到的工具、手脚架、吹风机、钢轨、动力线等等物品, 工人们工作的空间十分的狭小。而工人们工作的巷道又有着不同的物理结构, 它们的巷口形状也是各异的, 有长方形的还有正方形和梯形的, 巷道的表面也是起伏不平的, 有的倾斜, 有的粗糙, 还有的弯曲, 深浅也不一样。所以当无线电波在煤矿井下的有限空间里传播时主要有以下几种方式: (1) 直射波:是指在眼睛可以看到的范围内的没有任何遮拦的传播, 它的损耗就是传播过程之中路径的损耗。 (2) 反射波:任何电波在传播时都会发生不同程度的反射。 (3) 绕射波:有一些不规则的物体和物质会存在于发射机和接收机之间, 这些不规则的物体还有物质会在电波传播过程中使电波发生绕射, 就是会有二次传播的情况在障碍物的表面发生。 (4) 散射波:散射波一般会发生在巷道的壁面, 还有巷道的灰尘之中。
还有就是煤矿井内的有限空间环境十分复杂, 使得WIFI无线电波的信号在传播时会受到些限制, 会发生损耗, 主要有以下几种情况: (1) 路径传播的损耗:就是电波在自由空间传播中的损耗, 它的损耗是接受信号信息平均值的直接反映。 (2) 慢衰落:指的是接收信号的值在较长时间内的缓慢的变化。 (3) 快衰落:主要与井下有限空间的环境还有多路径的效应有关。 (4) 多径效应:在煤矿井下的有限空间里有很多的反射、散射和折射现象, 这使传播的环境更加的复杂多变了, 接收机所接受到的信号是在各个环节过程中的总和量。
二、无线电波在有限空间的测量方法
1、有限空间内WIFI无线信号测量的方法
没有消耗且均匀的物质构成的空间就是我们所说的自由空间, 自由的空间是无限大的空间, 电导率在自由空间里为零, 与之相对的介电常数还有磁导率也都为1, 因此WIFI无线电信号在自由空间里的传播不会产生吸收, 散射还有反射情况和现象。相比之下WIFI无线信号在有限空间里的传播就会有诸如反射、绕射和散射等的情况发生, 所以根据WIFI信号在空间中的分布情况分析得知, 我们要想了解WIFI信号在有限空间的分布情况, 就一定要进行大量的测试。
2、有限空间无线信号测量设备的开发
WIFI无线信号的测量系统设备在煤矿井内的有限空间里主要有下面几种: (1) 定向发射天线:发射的天线型号为HDJ-2400BKC14的定向天线发射, 它有100M的宽带, 是专门用来发射电频信号源的。 (2) 电频信号源:如图1所示, 就是电频信号源的结构, 它的精密电压源为7.2V的电池电压, 把电压源内的直流电转化为直流的电压, 让输出的电压值稳定在5V, 再利用精密的电阻仪器对电压进行分压, 并通过此种方法得到所需要的电压, 然后再通过压控振荡器将输出的信号频率最终定在WIFI的信号频点, 使用功率放大器将放射的信号功率进行无限的放大, 让信号的强度逐渐增加, 以此达到测量的要求。 (3) 功率计:我们要采用虚拟仪器的思想来进行功率计的设计工作, 使设计出的功率计适合于USB的总线, 适合于USB总线的这种功率器具有便携式的优点, 功率器的整体结构主要有硬件系统和上位机软件系统。功率器射频信号的调理以及数据的采集和存储主要由功率计的硬件系统负责, 通过USB接口来完成通信, 采用50欧标准的SMA头作为射频信号的输入接口。由Labview来编写上位机系统的软件, 使用它来接收数据, 并且要对接收到的信号数据进行分析, 还要对功率的显示进行校准, 图2就是基于USB总线便携式功率计的结构示意图。 (4) 硬件系统设计。射频信号在通过SMA接口之后会进入到衰减网络里, 并且在衰减网络里会使射频信号发生衰减, 之后再通过检波电路把射频信号转换为低频信号, 将低频信号在AD电路里实现模块的转换, 再通过微控制器将模块逐渐的转变成模数, 并且将得到的数据存储在外部存储器里, 这样就可以有效地防止采集到的数据发生再次丢失的情况, 最后再将数据从外部存储器里读取到USB的接口, 这样一套工序下来之后, 硬件系统和上位机之间的通信就完成了。其中上位机的结构如图3所示。
三、基于USB功率计校准
功率计是一种测量的设计仪器, 它的测量的准确度是一项十分重要的指标。基于此, 我们必须要采用合适的测量算法, 把采集到的数据转化为对应的功率值, 让测量的精度和我们预定的误差值不会有太大的差别。功率计工作的校准主要是AD采样值还有转换的功率值之间的关系以及转换值的误差等。频率在800M-6GHz范围之内的所有的射频信号都是本功率计的测量范围也就是我们平常所说的-50~+10d Bm之间的射频信号。AD采样的数据功率可以假定为Pad, 实际的功率就可以认为是Pw, 我们运用最小二乘法将采样值的功率和实际的功率拟成这样的关系公式:Pw=k×Pad+B, 其中B是一个定值, 然后再对频响误差进行补偿, 但是不同的功率计其所反映的功率值也不相同, 所以就会有频响误差的存在。
四、有限空间WIFI无线信号的测量
本文之中的设计对于有限空间WIFI信号的测量进行了系统而全面的准备, 使人员可以更好的对无线信号进行系统的测量, 从而得到WIFI信号覆盖的数据, 更好地为我们完善设计做出贡献, 我们还可以通过测量的结果制作出一个宏观的系统的图表, 并且将所得到的数据制成一个折线统计图, 我们可以从图表中得到关于有限空间WIFI无线信号的覆盖结果。图表如4:
五、结语
对于有线空间内的WIFI无线信号覆盖的测量是一项复杂且艰难的工作, 我们一定要做好相应的设计, 把测量的工作系统化, 使有限空间内WIFI无线信号的测量工作的困难可以得到一定的缓解, 为煤矿井下的开采工作提供便利, 使经济和科技得到更好的发展。
摘要：众所周知, 矿井内的环境空间是有限的, 所以要想在有限的矿井空间内将WIFI信号完全覆盖是有很大的问题存在的。所以设计人员就针对这一难题设计了一种在有限空间内WIFI信号覆盖的精确的测量系统。这种系统把单片机硬件的技术还有Labview软件平台结合在一起, 研发出了一种使用USB为总线的便携形式的功率计, 这种设备用来测量WIFI无线信号的强弱度数值, 这种设备的点频信号源是压控振荡器, 而压控振荡器又必须要以精密的电压来进行控制, 把这些集合在一起来完成对WIFI无线信号在有限空间强弱度的测量, 并且把测量得到的数据进行收集、记录并对其进行分析, 有必要时还要进行画图表进行显示。
关键词：有限空间,WIFI无线信号,覆盖测量系统
参考文献
[1]秦刚.有限空间之“无线”办公[J].微电脑世界, 2001 (11)
[2]杨维, 孙继平, 程时昕.矿井无线通信与频率资源利用[J].煤炭学报, 2001 (05)
无线测量 篇7
关键词：汽车姿态测量,nRF51822,MPU6050,LabVIEW,数据采集,无线通信
人们越来越重视汽车行驶的安全性问题, 对汽车运行稳定性的要求也越来越高。汽车运行时的姿态是对车辆运行稳定性、安全性判定的标准之一, 姿态实时准确地测量是汽车动力学研究的基础。本设计主要包括数据采集和分析处理, 将其转换成姿态信息, 并经过无线通信的方式传输到上位机, 然后在Lab VIEW平台上对汽车姿态数据进行实时显示和数据存储。
MPU6050是6轴运动处理传感器, 它集成了3轴陀螺仪、3轴加速度传感器和一个数位运动处理器 (digital motion processor, DMP) , 通过I2C (inter-integrated circuit) 总线串行输出三轴方向上的加速度和角速度。DMP可处理运动感测的复杂数据, 降低了运动处理运算对操作系统的负荷, 测量精度高[1];nRF51822是NORDIC公司设计生产的一款多协议的超低功耗的无线芯片, 它集成了功能强大且低功耗的32位ARM Cortex-M0处理器, 并且支持蓝牙4.0、ANT和专有2.4 GHz等协议的非并行和并行操作[2]。在当下移动终端快速发展, nRF51822在汽车电子技术无线通信领域有着广阔的应用前景。
1 系统硬件设计
系统硬件设计框图如图1所示, 图1中虚线表示无线传输, 实线表示接口传输。硬件电路主要包括两片nRF51822、一片MPU6050和FT232RL芯片。系统采用两种供电方式:3.3 V锂电池和外接5 V电源供电。
1.1 nRF51822与MPU6050硬件接口模块
nRF51822作为系统的控制核心可直接控制MPU6050的工作状态和数据采集, 并将MPU6050采集的数据经过解算处理然后通过无线射频传输给PC端。
nRF51822与MPU6050通过I2C总线接口进行通信, 其电路结构如图2所示。总线拥有二线接口, 包括串行数据线 (SDA) 和串行时钟线 (SCL) 。通过串行数据线和串行时钟线在连接到总线的器件间传递信息, 数据从高位到低位依次传输。接口串行数据传输速率在标准模式下可达100 kbit/s, 快速模式下可达400 kbit/s, 高速模式下可达3.4 Mbit/s[1], 工作模式是主从式, 连接到接口的设备可做主设备或从设备。
设计中nRF51822作为主设备, 拥有一个两线接口 (two wire interface, TWI) 模块, 能够兼容总线[2]。传输速率模式采用快速模式。nRF51822负责向MPU6050写入控制指令, MPU6050作为从设备向nRF51822传送采集的数据和中断事件。
在设计中, MPU6050总是作为从设备。MPU6050通过配置相关寄存器可实现可编程特性, 还可以通过DMP数字运动处理引擎减少复杂的融合演算数据、感测器同步化、姿势感应等的负荷[1]。同时MPU6050对陀螺仪和加速度计分别用了三个16位的模数转换器, 将其测量的模拟量转化为可输出的数字量, 提高了控制端的效率;拥有一个片上1024字节的FIFO, 有助于降低系统功耗;MPU6050和所有设备寄存器之间的通信采用400 k Hz的接口。外部nRF51822对传感器的操作控制就是对功能寄存器的读写。图3为对MPU6050的读写操作时序图。
从图3可以了解, MPU6050的总线数据字节定义为8 bits长度, 每次传送的总字节数量没有限制。开始标志 (S) 发出后, 主设备会传送一个7位的从地址, 并且后面跟着一个第8位, 称为读/写位:0为写;1为读。接着主设备释放SDA线, 等待从设备的应答信号 (ACK) , 每个字节的传输都要跟随一个应答位。应答产生时, 从设备将SDA线拉低并且在SCL为高电平时保持低。数据传输总是以停止标志 (P) 结束, 然后释放通信线路。然而, 主设备也可以产生重复的开始信号去操作另一台从设备, 而不发出结束标志。综上可知, 所有的SDA信号变化都要在SCL时钟为低电平时进行[1]。
当读取MPU6050寄存器的值时, 首先主设备产生开始信号 (S) , 然后发送从设备的地址位和一个写数据位, 然后发送寄存器地址, 才能开始读寄存器。收到应答后, 主设备再发一个开始信号, 然后发送从设备地址位和一个读数据位。然后, 作为从设备的MPU6050产生应答信号, 并开始发送寄存器数据。通信以主设备产生的拒绝应答信号 (NACK) 和结束标志 (P) 结束。拒绝应答信号定义为SDA数据在第9个时钟周期一直为高。
1.2 通信模块
采用两片nRF51822来实现数据采集系统与上位机无线通信功能。nRF51822 Radio模块工作在2.4 GHz频段[2]。根据功能需求对Radio模块进行相应配置, 首先配置工作模式:下位机发送、上位机接收;然后对两芯片Radio模块数据通道进行配对, 保证数据仅在两Radio模块间传输;传输速率均配置为2 Mbit/s;按照nRF51822 Radio模块包配置协议设置数据包索引、模块地址、数据缓冲区地址、数据长度、CRC校验位。模块配置结束后, 在数据传输过程中使能两模块进行数据收发。
nRF51822可以通过串口和上位机之间进行通信, 所以通过无线通信接收的数据可经串口传输到PC端。接收端的nRF51822与上位机之间的通信采用的是串口转USB模块 (FT232RL) 进行连接。大体通信流程可参照图1所示。
2 系统软件设计
2.1 nRF51822程序设计
nRF51822的开发环境采用的是Keil4.72版本, 使用C语言进行编程开发。nRF51822软件设计部分包括主程序和一些相关子程序, 子程序包括接口子程序、中断子程序、串口子程序、Radio子程序等。车辆姿态数据测量主程序如图4 (a) 所示, 数据采集部分中断服务程序流程图如图4 (b) 所示。
图4 (a) 中数据处理部分包括两个部分, 首先通过均值滤波抑制噪声对三轴加速度计和数字陀螺仪数据带来的影响, 然后通过四元数法将原始数据转换成四元数, 最后经过姿态解算将四元数转换成欧拉角, 通过欧拉角的定义反映汽车在参考坐标系下的姿态信息[3—5]。同时由于系统耦合和6轴传感器本身存在零偏与漂移的影响, 使得测量得到的值存在一定误差, 解算后得到的姿态角也产生误差, 而且陀螺仪误差随时间积累, 因此通过将三轴加速度和三轴陀螺仪参数结合对姿态角进行补偿和修正来提高精度。通过Kalman滤波算法完成对陀螺仪和加速度参数的融合, 修正得到汽车姿态角的最优值[6]。
TWI和中断的初始化程序如下:
2.2 上位机Lab VIEW程序设计
2.2.1 Lab VIEW概述
Lab VIEW是一种基于图形化编程语言的测试系统软件开发平台, 与其他的开发平台相比, LabVIEW图形化的编程环境使编程效率大大提高;开发功能高效、通用;支持多种仪器和数采硬件驱动;网络功能强大、开放性强[7]。经过不断改进和完善, 已成为数据采集等方向一种标准的软件开发环境, 广泛应用于航空、航天、通信、汽车等众多领域。
2.2.2 Lab VIEW实现方案设计
总体上Lab VIEW软件设计包括三个部分:串口通信、数据转换、数据显示。
(1) 串口通信。在Lab VIEW中可以使用标准的I/O应用程序接口 (virtual instrument software architecture, VISA) 来完成仪器的控制。VISA是对其他总线驱动统一封装的高层API, 使用相同的函数和类似的方法控制各类不同仪器[7], 包括USB、串口、GPIB等。本设计串口通信主要包括三个节点。
①VISA配置串口节点:对指定的串口按特定设置初始化, 例如配置串口号、波特率、数据比特、停止位等;
②VISA读取节点:从指定的设备或接口读取设置数量的字节, 并将数据返回至读取缓冲区;
③VISA关闭节点:可以关闭VISA资源名称指定的设备会话句柄或事件对象。
(2) 数据转换。在设计中, 从nRF51822发送数据和上位机在Lab VIEW接收数据都是以字符串的形式进行的;而且从nRF51822上传输的每一组数据中是包含了X、Y、Z三轴的加速度原始数据、陀螺仪原始角速度数据和计算姿态角数据, 所以LabVIEW需要先对字符串进行拆分, 然后将拆分后的字符串转成相应的数值形式。
(3) 数据显示。Lab VIEW拥有强大的图像显示功能, 设计采用的是三幅波形图表来分别表示采集的加速度数据、陀螺仪角速度数据和转换后的姿态角数据, 并将数据存储在Excel文档中。
Lab VIEW具体程序实现如图5所示。
3 实验结果
试验时将系统安装在一个立方体小盒中, 将其固定于小车质心位置处, 并保证小车与系统固结与同一坐标轴。采集的加速度实时数据波形如图6 (a) 所示, 陀螺仪实时数据如图6 (b) 所示, 经过解算的姿态角数据波形如图6 (c) 所示。图6中横轴均为时间轴;图6 (a) 纵轴为实际采集的加速度数据值与重力加速度的比值, 图6 (b) 纵轴为实测的数字陀螺仪的角速度, 图6 (c) 纵轴是将三轴加速度和三轴角速度经过四元数法换算得到的姿态角值。图7为实验得到的汽车姿态估计误差曲线, 从图7中可知, 估计误差不大于1°, 能够满足基本汽车运动姿态要求。
4 结束语
汽车姿态测量系统通过MPU6050传感器采集三轴加速度和陀螺仪角速度数据, 经过nRF51822对数据进行处理和解算, 然后通过与另一片nRF51822芯片的无线通信将数据传输到上位机, 并在上位机上通过Lab VIEW平台实现对车辆姿态测量数据的实时显示。实验证明本设计的无线汽车姿态测量系统工作稳定, 显示精确, 实时性好, 能对汽车安全系统挺高提供可靠数据支持。
参考文献
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无线测量 篇8
随着工业生产精细化程度的提高,生产和仓储环节对温湿度的要求也越来越高,但是随着大型仓储设施的建设,原有的总线式温湿度检测系统缺点越来越明显,首先布线繁琐,由于空间的不断扩大,造成探头分布越来越分散,以至于线路长度增加;其次由于线路长度的增加造成信号的衰减,还需要增加信号中继装置;温湿度数据传输主要是弱电信号,在信号传输过程中容易受到强电的干扰而造成数据的失实。因此无线温湿度测量装置的开发显得尤为必要。
2 方案的提出
2.1 温湿度检测
对于较大的生产区域或者仓储区域来说,要确保各个角落的温湿度基本一致,必须使温湿度探头分布均匀,并且使生产设备或者仓储物对检测点的影响最小。以某大型仓储库区为例,该库区采用货架方式来存储货物,货物的存储要求温度在28℃±5℃,湿度要求控制在70%±3%。为了确保库区温湿度检测的准确,温湿度传感器采用BT6B02数字总线温湿度传感器,该传感器选用进口湿敏及感温元件,可同时获得温湿度值,20%~80%RH时修正精度可在±3%RH以内,其测量范围为6m3,由于该库区为大型仓库,因此传感器共有4层分布,每层约有7个,共28个传感器。
2.2 温湿度数据的传输
测量数据的传输技术一般采用RS485通讯的方式,通过RS485通讯模块与数字巡检仪采集现场的温湿度数据传送给PLC进行处理。
无线技术的快速发展在各行各业得到了广泛的应用。基于此技术,笔者试图将无线数据传输技术引入到温湿度数据检测中去。本装置主要通过温湿度传感器检测现场温湿度数据,然后通过无线发送和接收装置传送数据实现数据的存储或者远传到中央控制室,由操作人员对空调设备进行操作以满足不同的工艺要求。
3 无线温湿度检测装置的设计
无线温湿度测量装置是一套电子装置。它的主要功能是将现有的温湿度传感器数据无线远传至显示终端,再将显示终端的数据上传到计算机数据库。其控制原理图如图1所示。
4 硬件线路设计
该电子装置处理器选用AT89S52单片微机,AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8k在系统可编程Flash存储器和256字节RAM,32位I/O口线,看门狗定时器,2个数据指针,三个16位定时器/计数器,一个6向量2级中断结构,全双工串行口,片内晶振及时钟电路。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造,与工业80C51产品指令和引脚完全兼容[1]。片上Flash允许程序存储器在系统可编程,亦适于常规编程器。处理器主要用于收发数据和对数据进行处理。控制器部分功能控制线路示意图如图2所示[2]。
时间芯片采用SD2200时间芯片,输入输出采用RS232串口[3]。温湿度显示采用LED8位电子数码管显示输出[4]。
数据的发送是现场温湿度探头采集数据后,当有无线请求时开始发送检测数据,无请求时则继续检测现场温湿度数据。数据发送控制线路示意图如图3所示。
数据的接收是当系统初始化完成后,开始设置记录数据时间间隔,并发送无线请求信号,请求发出后检测是否有温湿度数据并检查时间并记录间隔,如果有数据并且记时时间已经到,则将数据存储到U盘存储器。数据的接收线路控制示意图如图4所示[5]。
5 软件设计
该装置的功能设计主要包括温湿度检测处理、数据的发送与接收、检测数据的显示、数据的存储,其中关键是数据的发送与接收的设计,首先要对无线收发装置进行设置,这里选择输出功率为10dBm,串口速率9600bit/s,RF速率4800,其次数据量选用每包100B。设置完成后可进行编程,图5、图6分别是部分程序语句和收发流程图。
检测数据的显示主要是由数据接收器LCD屏幕显示,可显示实时时间、实时温度和湿度以及最近5次的数据记录。数据的存储可以由U盘来实现,也可以直接连接到计算机硬盘上,当测量数据结束后可关闭发送和接收装置,由计算机读取已经生成EXCEL表格形式的数据并存储到数据库中,也可根据需要生成相应的历史曲线记录供查询。
整个硬件线路和软件设计完成后,以最大传输距离进行了测试,测试的数据结果如表1所示。
从接收的测试结果与现场实际的数据对比来看,数据传送准确,达到了预期的目的。
6 结束语
本文通过采用无线技术实现了温湿度数据的远传功能,突破了传统的总线传输控制的模式。该装置可广泛应用于大型仓库、生产车间等需要对环境温湿度有工艺要求的场所,并实现数据的自动存储功能,具有较高的推广应用价值。
摘要：随着现代工业技术的发展,越来越多的产品对仓储温湿度有了更高的要求,尤其是在食品加工行业,不仅生产现场对温湿度有新的要求,而且在存储运输的过程中也要求适当的温湿度。本文主要介绍了无线传输技术在温湿度测量装置中的开发和应用。
关键词：无线技术,温湿度,传感器,单片机,自动控制
参考文献
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