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嵌入式系統的存儲測試技術及無線傳輸應用

單片機與嵌入式系統應用

孫婷婷，馬鐵華，沈大偉

摘要： 存儲測試技術是在特殊環境下記錄運動物體參數的最有效的手段。本文介紹了基于ARM7 LPC21xx開發存儲測試系統的方法。NXP公司16/32位微控制器LPC21xx是基于支持實時仿真和嵌入式跟蹤的16/32位ARM7TDMISCPU的微控制器，它具有掉電和空閑兩種節電模式，可用電池供電并且長期工作。利用微控制器內部自帶的10位A/D轉換器來采樣，用SPI與nRF24L01模塊通信。

關鍵詞： 微處理器|微控制器 LPC2148 存儲測試 ARM7 無線傳輸

Abstract：

Key words :

引言

存儲測試技術^[1]方法是記錄在特殊環境下運動物體參數的行之有效的方法。它是先將測試數據存入存儲器，待裝置回收后通過特定接口與上位機進行通信，還原數據信息。在許多消費類電子產品中，對數據采集存儲系統的實時性和功耗提出了更高的要求，不僅要同時滿足低功耗和微型化設計，還要實時地反映現場采集數據的變化。這樣，就必須對系統的采樣速率、功耗等提出更高的要求。隨著半導體技術的發展，各種技術的進步使得高速度、低功耗的數據采集系統能夠實現。

本文主要使用NXP公司16/32位微控制器LPC2148^[2-3]作為核心控制元件，通過與nRF24L01[4]結合使用，實現數據的采集、存儲以及發送。

1 系統原理

整個測試系統由模擬適配電路、外部晶振、微控制器、存儲器模塊、電源管理模塊、無線收發模塊以及接口電路組成，如圖1所示。

圖1 系統原理框圖

1.1 電源模塊

對電源模塊的設計是實現整個系統省電的核心部分。即電源只需要在電路各個模塊需要的時候給其供電，在不需要的時候斷電來減小系統的無效耗電量。可以使用單電池電源供電實現多分枝電源網絡管理，使得系統各個模塊的電源相對獨立供電。但此時要注意帶電部分和不帶電部分的兼容問題。

1.2 模擬適配電路

由于由傳感器測量的信號十分微弱，需要經過適當的放大濾波等修正后才能夠進行一系列處理。

1.3 微控制器

本測試系統選用NXP公司16/32位微控制器LPC2148作為核心控制元件。它內部自帶10位A/D轉換器，無需外加A/D轉換器，即可以減小體積，又可以節省成本。同時它還具有掉電模式和空閑模式兩種省電模式，合理設計可以減小系統功耗。

1.4 接口電路以及無線收發部分

本測試系統有兩種方法與上位機進行通信，一種是通過無線收發模塊nRF24L01來實現，另一種是通過特定的接口電路來實現，這樣即使無線傳輸部分出現錯誤還可以保證事后回收數據。

2 系統主要部分的硬件與軟件介紹

2.1 內部A/D轉換器的開發

LPC2148內部有兩個10位逐次逼近式模數轉換器，8個引腳復用為輸入腳（ADC0和ADC1），它具有掉電模式，測量范圍是0 V~VREF,10位的轉換時間≥2.44 μs，具有一個或者多個輸入的突發轉換模式，可選擇由輸入跳變或定時器匹配信號觸發轉換。它的基本時鐘由VPB（VLSI外圍總線）時鐘提供，每個轉換器包含一個可編程分頻器，可將時鐘調整至逐步逼近轉換所需的4.5 MHz（最大），完全滿足精度要求的轉換需要11個這樣的時鐘。本文用LPC2148的I/O端口來實現，使用ADC模塊的通道3 進行電壓的測量，定義I/O端口P0.30為AD0.3，通過定時器中斷的到來而對電壓進行采樣，對ADC寄存器的設置如下：

AD0CR=（1<<3）| //SEL=8,選擇通道3

（（Fpclk/10000001）<<8）| //CLKDIV= Fpclk/10000001，轉換時鐘為 1 MHz

（0<<16）| //BURST=0,軟件控制轉換操作

（0<<17）| //CLKS=0,使用11clock轉換

（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,直接啟動A/D轉換

（0<<27）| //直接啟動A/D轉換時此位無效

DelayNS（10）;

ADC_Data=AD0DR；//讀取A/D轉換結果，并清除DONE標志位

while（1）{

AD0CR|=1<<24; //進行第一次轉換

while（（AD0STAT&0x80000000）==0）;//等待轉換結束

AD0CR|=1<<24;//再次啟動轉換

while（（AD0STAT&0x80000000）==0）;//等待轉換結束

ADC_Data=AD0DR；//讀取A/D轉換結果

}

2.2 SPI與nRF24L01模塊的通信

SPI是一個全雙工的串行接口。它設計成可以處理在一個給定總線上多個互聯的主機和從機。在給定的數據傳輸過程中，接口上只能有一個主機和一個從機進行通信。在一次數據傳輸過程中，主機總是向從機發送數據的8~16位，而從機也總是向主機發送一個字節數據。圖2 為SPI的4種不同數據的傳輸格式的時序。

圖2 SPI數據傳輸格式

在設置寄存器的過程中要注意CPOL為0和1時的不同以及SSEL、CPHA之間的關系。

SPI初始化的部分代碼如下：

void MSIP_Init（void）{

PINSEL0=（PINSEL0&（~（0xff<<8）））|（0x55<<8）; //設置引腳連接SPI

SPCCR=0x52;//設置SPI時鐘分頻

SPCR=（0<<3）| //CPHA=0,數據在SCK的第一個時鐘沿采樣

（1<<4）| //CPOL=1,SCK為低有效

（1<<5）| //MSTR=1,SPI處于主模式

（0<<6）| //LSBF=0,SPI數據傳輸MSB（位7）在先

（0<<7）; //SPIE=0,SPI中斷被禁止

}

圖3接口電路

嵌入式微控制器與NRF24L01接口電路如圖3所示。

這8個引腳分別和微控制器的GPIO口相連，微控制器在初始化是設置成相應的功能。GND為電源地；VDD為正電源1.9~3.6 V輸出；CE為工作模式的選擇，RX或TX模式；SS為SPI片選使能，低電平使能；SCK為SPI時鐘；MOSI 為SPI輸入；MISO為SPI輸出；IRQ為中斷輸出。

接收端部分代碼如下：

#include "NRF24L01.h"

unsigned int RxBuf[5]; //接收緩沖，保存接收到的數據

int main（）{

NRF24L01_Initial（）; //nRF24L01初始化

while（（NRF24L01_RxStatus（））！=1）{//nRF24L01沒有數據請求

*P_Watchdog_Clear=0x0001;

}

NRF24L01_ReceiveByte（RxBuf）;//接收數據

while（1）{

*P_Watchdog_Clear=0x0001;

}

3 實驗數據與驗證

圖4是用本測試系統所測得的兩條實驗曲線。該曲線所測的是引信電池[8]的電壓量。曲線可以分成兩部分，一部分是電池電壓隨著時間的增加而增加，另一部分是隨著時間的增加電壓量保持不變。這是由引信的特殊結構所致。

經過實驗論證，本測試系統在誤差允許的范圍內可以達到測量精度要求，從而驗證了本測試系統具有較強的應用性。

4 展望

未來的嵌入式產品是軟硬件緊密結合的設備，為了降低功耗和成本，需要設計者盡量精簡系統內核，只保留和系統功能緊密相關的軟硬件，利用最低的資源實現最適當的功能，通常都具有低功耗、體積小、集成度高等特點[9]。嵌入式系統和具體應用有機地結合在一起，它的升級換代也是和具體產品同步進行，因此嵌入式系統產品一旦進入市場，具有較長的生命周期和巨大的市場潛力。