基于CC1101的无线压力检测系统的设计

赵驭阳　程勇

摘要： 数据采集模块的设计以实现低功耗和高压力检测精度为目标，选用内部自带24位[Δ-Σ]型ADC模块（SD_24A）的16位低功耗微处理器MSP430AFE231为控制核心。数据采集模块设计了电源低功耗管理、单电源信号放大和调理电路、单电源低通滤波电路。以TI公司的低功耗Sub-GHz RF收发器CC1101为核心，设计了应用于433MHz的CC1101无线数据传输模块。以TI公司的16位微处理器MSP430F122为核心，设计了数据通信模块，实现了多个数据采集模块与上位机的通讯。

关键词：压力检测；24位[Δ-Σ]型ADC模块；CC1101；低功耗

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）27-6546-02

Abstract： The design of data acquisition module to achieve low power consumption and high pressure detection accuracy， selection of internal 24 bit ADC module （SD_24A） 16 bit low power microprocessor MSP430AFE231 as the control core. The data acquisition module design， single power supply low power management signal amplifying and conditioning circuit， single supply low pass filter circuit. With low power Sub-GHz transceiver CC1101 the TI of RF company as the core， the design of the CC1101 wireless data transmission module used in 433MHz. On 16 bit microprocessor MSP430F122 of TI company as the core， the design of data communication module， the realization of a plurality of data acquisition module and PC communication.

Key words： pressure detection； 24 ADC module； CC1101； low power consumption

1 论文研究背景

压力是冶金、采矿、制造、化工等行业生产过程中的重要参数，应用广泛。所以实现实时压力检测是个行业现代生产和管理的必要手段。煤矿安全生产“十二五”规划发布后，虽然重特大事故大大减少，但因全国煤矿数据巨大，伴随的事故总量仍然过大，且重特大事故时有发生。煤矿事故，严重危害生命安全和财产损失严重，煤矿安全生产面临的形势依然十分严峻。矿压是造成煤矿安全事故和人员伤亡的主要原因之一。

生产现场中压力参数的检测一般都采用现场安装压力表的方式，由检测人员按时巡检各安装点的压力参数。这样的检测方式，检测人员劳动强度大，且无法做到随时能检测设备运行过程中各点压力参数的变化，难以预测或预防突发事故。或是使用有线的信息传输网络进行压力数据的检测。有线的信息传输网络以工业CAN总线为基础，压力检测系统与信息处理和管理中心通过电缆连接。此种网络布线复杂、工作强度大；通信线路维护成本较高，容易被破坏、并且线路被破坏后恢复周期长；网络结构灵活性差，检测点固定，易出现检测盲区；检测参数固定，不能随时加入新的检测对象。现有的矿山压力检测系统的费用昂贵、安装复杂、可靠性差以及精度低[2]。

论文结合传感器技术、信息处理技术和无线通讯技术，以矿山工作面支架压力数据采集为研究对象，设计了基于CC1101的低功耗压力检测系统，有效解决了矿山有线压力检测系统线路故障频繁、维护难度大的问题。

2 基于CC1101的低功耗压力检测系统的设计分析

系统由多个数据采集模块和一个数据通信模块组成。数据采集模块和数据通信模块分别连接CC1101无线数据传输模块，进行无线数据传输。

多个数据采集模块将采集到的压力数据通过CC1101无线数据传输模块，传输给数据通信模块。数据通信模块将接收到的数据传送给上位机，在上位机上完成数据保存、绘图以及打印压力数据等功能。系统整体框图如图1所示。

3 压力检测系统设计的主要内容

基于CC1101的低功耗压力检测系统的设计中，压力检测的高精度和数据采集模块的低功耗是设计的主要内容。

压力检测系统设计的主要内容如下：

3.1硬件部分

以模块化方式进行硬件设计，实现系统的硬件连接。

1） CC1101无线数据传输模块：设计应用于433MHz的CC1101无线数据传输电路；设计接口电路，从而方便CC1101无线数据传输模块的安装。

2） 数据采集模块：以16位的微控制器MSP430AFE221为控制核心；设计单电源供电的信号放大电路和低通滤波电路，对压力传感器输出信号进行处理；通过MSP430AFE221内部24位ADC模块（SD_24A）进行模数转换；设计电源电路，应用于低功耗情况。设计与CC1101无线数据传输模块连接的接口电路。

3） 数据通讯模块：以16位的微控制器MSP430F122为控制核心；设计与CC1101无线数据传输模块连接的接口电路；设计RS232串行通讯电路，与上位机进行通讯。

3.2 软件部分

在IAR的专门针对于MSP430系列单片的EW430软件平台上，用C语言进行了压力检测系统程序的编写和调试。

1） 数据采集模块：完成MSP430AFE221内部24位ADC模块（SD_24A）程序的编写，在适当的速度采样压力传感器的数据。完成MSP430AFE221对CC1101的控制程序的编写。完成MSP430AFE221的低功耗模式和电源管理程序的编写。完成数据采集模块主程序的编写。

2） 数据通讯模块：完成MSP430F122对CC1101的控制程序的编写。完成MSP430F122异步串行通讯程序的编写。完成数据通讯模块主程序的编写。

4研究难点和拟解决的技术关键

4.1 研究难点

1） 数据采集模块要求低功耗和高转换精度；2） 无线通讯距离要求达到200米；3） 数据传输模块要求至少可与20个数据采集模块进行通讯，且能有效传输数据。数据传输模块与PC之间的232通讯数据量大，通讯速率要求高。

4.2 拟解决的技术关键

4.2.1数据采集模块的低功耗和高转换精度设计

采用电阻应变式压力传感器采集压力数据。设计单电源供电的信号放大和调理电路、单电源供电的低通滤波电路来对信号进行调理。滤除压力传感器的输出信号中含有的较高频率的噪声，提高信噪比。

选用TI（Texas Instruments）公司推出的MSP430系列超低功率微控制器中的MSP430AFE221作为数据采集模块的CPU，主要完成以下功能：1） 负责对整个数据采集模块的工作进行协调、控制及管理。2） 进行ADC转换。3） 负责通过CC1101无线数据收发模块，发送数据和接收指令。4） 负责数据采集模块的电源管理。

4.2.2 无线通讯设计

设计应用于433MHz的CC1101无线数据传输电路，距离可达300米。同时设计接口电路，从而方便CC1101无线数据传输模块的安装。

CC1101无线数据传输模块的电源、地、SPI接口和通用数字输出引脚通过一个2*5的插座引出。数据采集模块和数据通讯模块通过该2*5的插座，给CC1101无线数据传输模块供电；配置CC1101的功能；传送和接收数据。

4.2.3 数据传输模块设计

使用集成电路芯片MAX3232设计异步串行通讯电路，MAX3232收发器内部有专用的低压差发送器输出级，利用双电荷泵在3.0V至5.5V电源供电时实现RS232性能。整个电路只需四个0.1uF的外部电容。并且MAX3232芯片能够确保在130kbps数据速率下维持RS232的稳定输出电平。

参考文献：

[1] 熊志华.基于ARM的压力检测系统的研究[D]. 西安，西安科技大学，2009.

[2] 李潞斌. 基于无线传感器网络的矿山压力监测系统设计及应用[J].煤炭工程，2013（12）：127-129.

[3] CC1101 Data Sheet. TI，2013.

[4] 刘芳. 基于射频收发芯片CC1100的TPMS系统[D].合肥：合肥工业大学，2008.

[5] 杜泳锋. 基于CC1101的数字双工对讲机的设计[D].西安：西安科技大学，2012.