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本文主要使用Philips公司16/32位微控制器LPC2148[2?3]作为核心控制元件，通过与nRF24L01[4]结合使用，实现数据的采集、存储以及发送。
1 系统原理 整个测试系统由模拟适配电路、外部晶振、微控制器、存储器模块、电源管理模块、无线收发模块以及接口电路组成，如图1所示。 图1 系统原理框图 1.1 电源模块 对电源模块的设计是实现整个系统省电的核心部分。即电源只需要在电路各个模块需要的时候给其供电，在不需要的时候断电来减小系统的无效耗电量。可以使用单电池电源供电实现多分枝电源网络管理，使得系统各个模块的电源相对独立供电。但此时要注意带电部分和不带电部分的兼容问题。 1.2 模拟适配电路 由于由传感器测量的信号十分微弱，需要经过适当的放大滤波等修正后才能够进行一系列处理。 1.3 微控制器 本测试系统选用Philips公司16/32位微控制器LPC2148作为核心控制元件。它内部自带10位A/D转换器，无需外加A/D转换器，即可以减小体积，又可以节省成本。同时它还具有掉电模式和空闲模式两种省电模式，合理设计可以减小系统功耗。 1.4 接口电路以及无线收发部分 本测试系统有两种方法与上位机进行通信，一种是通过无线收发模块nRF24L01来实现，另一种是通过特定的接口电路来实现，这样即使无线传输部分出现错误还可以保证事后回收数据。 |
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2 系统主要部分的硬件与软件介绍
2.1 内部A/D转换器的开发 LPC2148内部有两个10位逐次逼近式模数转换器，8个引脚复用为输入脚（ADC0和ADC1），它具有掉电模式，测量范围是0 V~VREF,10位的转换时间≥2.44 μs，具有一个或者多个输入的突发转换模式，可选择由输入跳变或定时器匹配信号触发转换。它的基本时钟由VPB（VLSI外围总线）时钟提供，每个转换器包含一个可编程分频器，可将时钟调整至逐步逼近转换所需的4.5 MHz（最大），完全满足精度要求的转换需要11个这样的时钟。本文用LPC2148的I/O端口来实现，使用ADC模块的通道3 进行电压的测量，定义I/O端口P0.30为AD0.3，通过定时器中断的到来而对电压进行采样，对ADC寄存器的设置如下： AD0CR=（1<<3）| //SEL=8,选择通道3 （（Fpclk/1000000?1）<<8）| //CLKDIV= Fpclk/1000000?1，转换时钟为 1 MHz （0<<16）| //BURST=0,软件控制转换操作 （0<<17）| //CLKS=0,使用11clock转换 （1<<21）| //PDN=1,正常工作模式 （0<<22）| //TEST1:0=00,正常工作模式 （1<<24）| //START=1,直接启动A/D转换 （0<<27）| //直接启动A/D转换时此位无效 DelayNS（10）; ADC_Data=AD0DR；//读取A/D转换结果，并清除DONE标志位 while（1）{ AD0CR|=1<<24; //进行第一次转换 while（（AD0STAT&0x80000000）==0）;//等待转换结束 AD0CR|=1<<24;//再次启动转换 while（（AD0STAT&0x80000000）==0）;//等待转换结束 ADC_Data=AD0DR；//读取A/D转换结果 } 2.2 SPI与nRF24L01模块的通信 SPI是一个全双工的串行接口。它设计成可以处理在一个给定总线上多个互联的主机和从机。在给定的数据传输过程中，接口上只能有一个主机和一个从机进行通信。在一次数据传输过程中，主机总是向从机发送数据的8~16位，而从机也总是向主机发送一个字节数据。图2 为SPI的4种不同数据的传输格式的时序。 图2 SPI数据传输格式 在设置寄存器的过程中要注意CPOL为0和1时的不同以及SSEL、CPHA之间的关系。 SPI初始化的部分代码如下： void MSIP_Init（void）{ PINSEL0=（PINSEL0&（~（0xff<<8）））|（0x55<<8）; //设置引脚连接SPI SPCCR=0x52;//设置SPI时钟分频 SPCR=（0<<3）| //CPHA=0,数据在SCK的第一个时钟沿采样 （1<<4）| //CPOL=1,SCK为低有效 （1<<5）| //MSTR=1,SPI处于主模式 （0<<6）| //LSBF=0,SPI数据传输MSB（位7）在先 （0<<7）; //SPIE=0,SPI中断被禁止 } 图3接口电路 嵌入式微控制器与NRF24L01接口电路如图3所示。 这8个引脚分别和微控制器的GPIO口相连，微控制器在初始化是设置成相应的功能。GND为电源地；VDD为正电源1.9~3.6 V输出；CE为工作模式的选择，RX或TX模式；SS为SPI片选使能，低电平使能；SCK为SPI时钟；MOSI 为SPI输入；MISO为SPI输出；IRQ为中断输出。 接收端部分代码如下： #include "NRF24L01.h" unsigned int RxBuf[5]; //接收缓冲，保存接收到的数据 int main（）{ NRF24L01_Initial（）; //nRF24L01初始化 while（（NRF24L01_RxStatus（））！=1）{//nRF24L01没有数据请求 *P_Watchdog_Clear=0x0001; } NRF24L01_ReceiveByte（RxBuf）;//接收数据 while（1）{ *P_Watchdog_Clear=0x0001; } } |
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3 实验数据与验证
图4是用本测试系统所测得的两条实验曲线。该曲线所测的是引信电池[8]的电压量。曲线可以分成两部分，一部分是电池电压随着时间的增加而增加，另一部分是随着时间的增加电压量保持不变。这是由引信的特殊结构所致。 经过实验论证，本测试系统在误差允许的范围内可以达到测量精度要求，从而验证了本测试系统具有较强的应用性。 4 展望 未来的嵌入式产品是软硬件紧密结合的设备，为了降低功耗和成本，需要设计者尽量精简系统内核，只保留和系统功能紧密相关的软硬件，利用最低的资源实现最适当的功能，通常都具有低功耗、体积小、集成度高等特点[9]。嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品同步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期和巨大的市场潜力。 图4 实验曲线 |
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