來源：電子設計應用 作者：北京航空航天大學 王珍華 劉亞斌 彭麗梅

    摘 要：本文設計并實現(xiàn)了基于2.4ghz ism頻段射頻收發(fā)芯片nrf2401的計算機短距離無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用pc作為系統(tǒng)控制中心，以c8051f021單片機為核心構成數(shù)據(jù)采集傳送的前端，并且采用nrf2401芯片進行數(shù)據(jù)無線發(fā)射與接收。

    關鍵詞：ism頻段； 射頻； c8051f021單片機； nrf2401

    引言

    針對某醫(yī)療裝置中的人體生理信號采集和傳輸問題，本文設計了計算機近距離無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。采用nodic公司的nrf2401作為無線收發(fā)核心器件。系統(tǒng)由一臺pc、無線數(shù)據(jù)接收模塊和無線數(shù)據(jù)采集發(fā)射模塊組成。無線數(shù)據(jù)發(fā)射模塊以c8051f021單片機為處理核心，采用單片機內(nèi)部的12位adc對現(xiàn)場的模擬信號進行采集和發(fā)送；無線數(shù)據(jù)接收模塊以c8051f021單片機作為處理核心，接收與發(fā)射模塊由nrf2401無線收發(fā)芯片完成，采用max5591實現(xiàn)12位d/a轉換，采用 rs-485總線與pc進行通信，它負責現(xiàn)場數(shù)據(jù)的接收和初步處理，并轉發(fā)給pc以供顯示和監(jiān)控，同時將數(shù)字量轉換為模擬量，供示波器顯示；pc有良好的人機界面，利用ni的虛擬示波器顯示遠端現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)，并可以向現(xiàn)場的采集模塊發(fā)送控制命令，同時可以實現(xiàn)保存采集數(shù)據(jù)、打印、回放歷史數(shù)據(jù)等功能。

    系統(tǒng)分析及設計

    計算機短距離無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成如圖1所示。

    圖 1 系統(tǒng)組成框圖

    系統(tǒng)分析及硬件設計

    由于現(xiàn)場要采集的數(shù)據(jù)為醫(yī)學人體實驗數(shù)據(jù)，幅值大約在-1.0v~+1.0v之間，頻率為300hz，要求測量誤差低于10mv，c8051f021自帶的12位adc在精度上可以滿足要求；但是單片機中的adc要求輸入為正電壓，同時考慮到轉換精度要求，故需要對信號進行轉換，將原信號轉換為幅值在0～3v、頻率300hz左右的信號�？梢岳胢ax4194組成信號轉換電路，將模擬信號的零參考電平抬升到1.0v。這樣，原先-1.0v~0v之間的電壓信號轉換為0~1.0v之間的電壓，而原先0v~1.0v之間的電壓轉換為1.0v~2.0v之間的電壓。這樣就完成了原始信號的轉換，適應了單片機的輸入要求。單片機a/d轉換參考電壓選擇外部3.3v，由max6013提供。

    考慮到無線數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收特點，故選用nordic 公司的nrf2401芯片。nrf2401是單片射頻收發(fā)芯片，工作于2.4ghz~2.5ghz ism頻段，芯片內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。芯片功耗非常低，以-5dbm的功率發(fā)射時，工作電流只有10.5ma，接收時工作電流只有18ma。其獨有的duoceiver技術使nrf2401可以使用同一天線，同時接收兩個不同頻道的數(shù)據(jù)。nrf2401使用跳頻技術，在2400mhz~2527mhz之間設立了128個頻道(每個頻道帶寬1mhz)，頻道間的切換時間小于200ms。此外，nrf2401內(nèi)置crc編解碼模塊，可以在不增加編程難度的條件下減小誤碼率。

    無線數(shù)據(jù)接收后，要進行d/a轉換，供示波器觀看；考慮到數(shù)據(jù)的采集精度要求，故采用了 max5591作為轉換器件，一方面可以方便地與c8051f021單片機spi接口連接，另一方面，它是12位dac，與采集端的adc匹配，可減小轉換誤差。

    無線數(shù)據(jù)接收到終端后，要求能直觀地觀看，并且可以對現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集次數(shù)、采集啟停時間進行控制，故需要將數(shù)據(jù)傳到pc，進行顯示；同時，通過人機界面，對現(xiàn)場進行遠程控制。pc采用vc++編寫程序，利用ni 的虛擬示波器和其它控件實現(xiàn)友好的人機界面，數(shù)據(jù)顯示、存儲和打印功能。

    系統(tǒng)中的主要軟件模塊

    系統(tǒng)軟件主要由上位機軟件和下位機軟件組成。

    上位機軟件主要實現(xiàn)與單片機通信、波形顯示、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)回放、打印等功能。下位機的主要功能有：系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)采集(a/d轉換)、無線