无线遥控遥测系统的设计与实现

李 武, 资 员, 荣 军, 陈 松

(湖南理工学院 信息与通信工程学院, 湖南 岳阳 414006)

无线遥控遥测系统的设计与实现

李 武, 资 员, 荣 军, 陈 松

(湖南理工学院 信息与通信工程学院, 湖南 岳阳 414006)

设计了一个无线电遥感信号发送与接收系统. 系统主要由发送端和接收端两部分组成, 整个系统以AT89S52单片机为控制核心. 发送模块采用A/D转换芯片TLC549进行模拟信号的采集, 将采集的模拟信号转化成为数字信号, 并对其进行格雷码编码, 通过SP多用途无线数据发送模块进行ASK调制, 然后通过天线发送出去. 接收模块通过SP多用途无线数据接收模块接收数据, 并对接收的数据进行解码, 然后通过三位LED显示所测得的模拟信号. 测试结果表明, 遥测信号范围为0～2.5V DC, 发射距离100～200米.

遥感信号; 单片机; ASK; 格雷码; A/D转换

引言

早期的无线遥测遥控系统主要用于航空航天和军事领域. 近些年来, 随着应用成本的降低, 这项技术正逐渐向民用方向发展, 并且已被许多工矿和企事业单位所使用, 因而研究先进而且实用的无线遥测遥控系统对工农业生产具有重要的现实意义. 文[1, 2]设计的遥感信号接发送系统, 由于无线信道资源的有限性以及无线传输中的信道衰落和外部噪声干扰问题, 造成系统实时性和可靠性不高. 文[3, 4]设计的无线遥测遥控系统共性为使用范围比较窄, 而且系统比较复杂, 价格过于昂贵. 针对以上问题, 本文设计一种结构简单, 能够适用于各种不同现场的通用性无线遥测遥控系统. 该无线遥测遥控系统具有性价比高、抗干扰能力强的特点.

1 系统结构框图及实现

无线遥测遥控系统总体结构框架如图1所示. 数据采集部分通过A/D转换芯片TLC549进行外部模拟信号的采集, 然后通过单片机AT89S52控制在LED上对所采集的数据进行显示, 单片机AT89S52对其进行信号加密的同时, 通过无线数据发送模块把信号发送出去. 在接收端通过数据接收模块接收数据, 并对所收集的数据进行解码, 最终通过单片机输送到LED上显示. 本设计的无线数据发送与接收模块均采用SP(Service Provider)多用途无线数据收发模块, 通过SP进行ASK(Amplitude Shift Keying)调制. 它支持数据的收发, 能实现双工通信. 本文把这一部分设计成一个单独的模块, 以接插件的形式与单片机相连, 方便其功能扩展与应用.

图1 系统总体结构框图

2 系统软硬件设计

2.1 供电模块电路设计

本设计中由于单片机与A/D转化芯片TLC549共用VCC(+5V)电源, 而SP无线收发模块的工作电压为3～12V, 虽然它也可以工作在+5V, 但高频通信部分很容易受其他部分干扰, 因此设计独立的电源可以达到更好的抗干扰要求. 但在供电电路设计中, 通过检测发现SP无线收发模块同单片机共用电源并没有产生明显的高频干扰. 为了节省成本, 在本设计中采用同一模块电源供电, 其工作电路原理图如图2所示[5].

图2 供电模块电路图

2.2 A/D转换模块电路设计

A/D转换电路是数据控制的核心. 在本设计中选用A/D转换芯片TLC549. 它为8位串行A/D转换器芯片. 该芯片有一个模拟输入端口, 3态的数据串行输出接口可以方便地和微处理器或外围设备连接. 由于TLC549是串行A/D转换芯片, 它与单片机AT89S52通信是串行的, 因此在通信时, 单片机首先给/CS一个有效的低电平信号使TLC549选通,并启动A/D转换开始, 置/CS端为高电平并延时17μs等待A/D转换结束; 当A/D转换结束,置/CS端为低, 再次调用读入8位转换结果子程序, 即可读入本次A/D转换结果. 其中基于TLC549的A/D转换模块电路图如图3所示[6].

图3 基于TLC549 的A/D转换模块电路图

2.3 SP发送与接收模块电路设计

无线遥测遥控系统设计的关键是SP接发收电路的设计, 其中SP发送和接收模块电路分别如图4和图5所示.在图4所示的SP发送模块设计中, 需要考虑在高电平传输过程中, 容易造成接收模块的误判, 因此三极管Q2应设计为PNP型三极管, 将输出信号反相, 从而使接收模块能够方便和准确地接收信号.

在图5所示的SP接收模块电路设计中, 通过在信号输出端接9013NPN型三极管, 使输出端数据进行反相,还原发送信号, 通过单片机AT89S52控制LED进行显示.

图4 SP发送模块电路原理图

图5 SP接收模块原理图

2.4 LED显示模块电路设计

数码显示有静态显示和动态显示两种显示方法. 在静态显示电路中, 当显示位数较多时其占用的I/O口较多, 从而会影响处理器的处理速度. 因此在本设计中采用动态显示方式, CPU定时对LED进行扫描,各LED轮流地显示各自的字符. 虽然在同一时间只有一位显示, 但由于人眼的视觉暂留效应和发光二极管熄灭时的余辉效应, 看到的是各LED同时显示不同的字符, 这样便可以大大节省I/O资源, 提升系统效率. LED显示模块电路原理图如图6所示[7].

图6 LED显示模块电路原理图

2.5 软件程序设计

根据系统应用程序模块化结构设计理论和模拟信号遥测系统实现的功能, 数据采集系统的应用软件设计分为系统管理程序、模数转换子程序、键盘显示子程序和通讯子程序四个软件设计, 其程序设计总体原理框图如图7所示. 在图7中的系统管理程序的主要作用是在系统完成初始化后, 系统根据用户的输入和设置转入相应的功能子程序, 主要控制和管理子程序,并完成系统在各功能模块间的切换. 模数转换子程序的主要功能是进行数据采集、模数变换和保存. 键盘显示子程序作为人机交互最主要的部分, 它主要功能是负责输出信号的正确显示. 通讯子程序主要功能是响应单片机的串行口中断, 把采集到的信号通过射频芯片发送出去.

图7 程序设计总体原理框图

3 实验结果及分析

在完成遥感信号发射与接收系统的软硬件设计后, 对其进行了实际测量, 测试结果为在单片机的发送端将模数转换得到的数据进行显示, 同时进行格雷码编码并通过SP发送模块发送, 其数据发送端测试结果如图8所示[8]. 接收端将SP接收模块收到的数据进行解码, 解码后的数据通过LED显示, 其数据接收端测试结果如图9所示, 从图8和图9 可以很清晰地看到显示结果都为1.95V, 接收端与发送端的数据完全一致, 实现了无线遥测遥控的功能.

图8 数据发送端测试情况(显示为1.95V)

图9 数据接收端测试情况(显示为1.95V)

4 结论

综上所述, 无线遥测遥控系统的实现从整体设计开始, 对方案选择、原理设计、器件选型以及工艺功耗等多方面进行了仔细考虑. 以降低系统的设计成本和运行维护费用为主要出发点, 并考虑整个系统的应用场合和抗干扰能力, 最后完成了整个系统的硬件电路设计和软件程序编写, 并顺利通过测试, 测试结果完全符合设计要求.

[1] 邵志龙. 无线实时遥测遥控系统的硬件实现[D]. 杭州: 浙江大学硕士学位论文, 2004

[2] 周 畅. 无线实时遥测遥控系统的软件实现[D]. 杭州: 浙江大学硕士学位论文, 2004

[3] 吕永祥. 基于无线传感网络的三峡库区变动回水区航道航标遥测遥控系统研究[J]. 水运工程, 2013, 3(3): 176～183

[4] 钟 伟, 王 瑛. 基于扩频的无线遥测遥控系统的研究与实现[J]. 黑龙江大学自然科学学报, 2002, 19(2): 67～69

[5] 胡国珍, 马学军, 陆小洲, 等. 一种两级式LED恒流驱动电源设计[J]. 计算技术与自动化, 2015, 34(1): 44～47

[6] 吴允平, 蔡声镇, 刘华松, 等. 航标遥测遥控信息系统的设计与实现[J]. 计算机工程. 2006, 6(12): 253～254, 260

[7] 黄智伟. 无线遥测遥控系统的设计与应用[J]. 自动化与仪表, 1993, 8(1): 33～35

[8] 刘文涛. 单片机语言C51典型应用设计[M]. 北京: 人民邮电出版社, 2005

Design and Implementation of Wireless Remote Control and Telemetry System

LI Wu, ZI Yuan, RONG Jun, CHEN Song
(College of Information and Communication Engineering, Hunan Institute of Science and Technology, Yueyang 414006, China)

The paper designs a transmitting and receiving system of radio remote sensing signal, and the system is composed of the sender and the receiver, and the whole system takes the AT89S52 microcontroller as the control core. The sending modular uses A/D transformation chip TLC549 to collect the analog signal, and transforms the analog signal into the digital signal, and also puts them into the gray code. The system makes for ASK modulating through the SP multi-purpose wireless data transmission module, and then they are sent by antenna. The receiver modular receives the data through SP multipurpose wireless data, and decodes the received data, and then displays the measured analog signal through LED of three bit. After the system finishes the hardware and software and the system is measured, and the range of the telemetry signal is 0 to 2.5DC, and the transmission distance ranges from100 to 200 meters.

telemetry signal; SCM; ASK; gray code; A / D conversion

TM391.9

A

1672-5298(2015)02-0044-04

2015-05-07

电子信息工程国家专业综合改革试点项目(教高司函[2013]5号); 电子信息与通信技术国家级实验教学示范中心建设项目(教高函[2013]10号)

李 武(1977− ), 男, 湖南平江人, 博士, 湖南理工学院信息与通信工程学院副教授. 主要研究方向: 复杂系统建模与优化