1、引言
目前我国的很多工业现场，设备状态监测数据仍采用有线传输方式，有线传输虽然在传输速率和可靠性方面有一定的优势，但在生产条件比较恶劣的环境中，存在很大的局限性。比如大型回转窑，通常处于露天环境中，且长达几十米甚至上百米，这种情况下布线便成为一大难题，成本较高且不利于维护;此外对于某些旋转构件或空间位置不确定的机械臂上的传感器，根本不能采用有线传输方式来采集数据。基于此，本文采用无线传输方式来实现工业现场的数据采集。
2、系统构成
该数据采集系统主要包括数据采集、数据无线收发以及数据处理三大模块。由于现场需要监测的参数多种多样，比如温度、压力和转速等，此外每个参数的监测点也不止一个，因此该系统需要实现点对多点无线通讯。设计过程中也可以将其分成主机与分站两大部分，各分站的硬件结构完全相同。
3、现场信号特点及系统要求
现场信号有几个主要特点：首先，很多工业现场使用的传感器，比如压阻式、应变桥式、热电偶、热电阻、电容式以及压电式传感器，输出的一般是模拟信号，而且有些很弱，有些很强，即动态范围较大;其次，由于现场工作条件非常恶劣，环境温度的变化和其他一些因素会在信号输入端引入零点漂移和噪声等干扰信号，这样一来便会对数据采集精度产生较大的影响;再次，现场的许多干扰信号为共模干扰。
针对工业现场的信号特点，认为本系统应该满足以下几个要求：(1) A/D转换器应该具有程控放大功能，以实现对宽动态范围信号的测量，从而使系统更具通用性;(2) 信号采集部分采用差分电路，利用其电路的对称性，削弱和抑制由环境温度等引起的共模干扰，提高信号采集精度;(3) 对信号进行A/D转换后，还可进行数字滤波，以消除A/D转换过程中产生的噪声，进一步提高采集精度;(4) 对系统中采用的器件进行校准，消除器件内部误差与零点漂移等影响数据采集精度的因素;(5) 能实现点对多点通信。
4、系统解决方案
根据现场信号特点与系统需要实现的功能，本课题对市场上的各种器件进行了广泛调研，最终选用AD公司生产的AD7705进行A/D转换，选用挪威Nordic公司推出的nRF905芯片实现数据无线收发，单片机则选用Atmel公司生产的AT89LV51，单片机与PC机之间采用MAX232电平转换芯片，系统的3V电压通过调压器LM1117得到。
4.1 AD7705及其校准
AD7705包含增益可编程放大器(PGA)，其增益可在0～128之间编程，从而可将来自传感器不同摆幅范围内的微弱信号直接放大到接近A/D转换器的满标度电压后再进行A/D转换。AD7705还内置低通数字滤波器，用来处理Σ-Δ调制器的输出信号，因此AD7705不但具备模数转换功能，还具有一定的滤波能力，由于数字滤波发生在模数转换后，所以它能消除模数转换过程中产生的噪声。
AD7705还具有自校准和系统校准选项，以消除器件本身或系统的增益和偏移误差。但是，在现场的实际应用过程中，由于环境温度等外部因素不断变化，因此仅仅使用自校准和系统校准并不能满足现场的使用需求，下面作者就结合自己的实际使用经验，介绍一种现场校准方法。
该方法可以在执行完系统校准后，消除由现场温度变化所引起的漂移误差。其步骤如下：执行自校准，令偏移=Z0，增益=G0;进行系统校准，令偏移=ZS，增益=GS;将系统校准系数加载到AD7705中，便可在现场使用，如果温度发生变化，继续执行下列步骤：保持增益和输出更新速率不变，进行自校准，命偏移=Z1，增益=G1;根据公式(1)计算新的校准系数，并将得到的ZN和GN写入校准寄存器，至此便可消除温度变化所引起的漂移误差。
(1)
由于AD7705集放大、滤波和A/D转换单元于一体，因此它可节省成本、缩小体积和简化系统，而且抗干扰能力也明显提高，此外AD7705还可选用自校准、系统校准以及现场校准等功能，从而可实现高精度数据采集。
4.2 nRF905简介
目前市场上的无线产品各种各样，本文选用挪威Nordic VLSI公司推出的具较高性价比的nRF905芯片。nRF905工作于433/868/915MHz三个ISM(工业、科学和医学)频道，频道之间的转换时间小于650us，工作电压为1.9～3.6V。该芯片的集成度较高，外围元件少，而且采用ShockBurst工作模式，自动处理字头和CRC(cyclic redundancy CODe，循环冗余码校验)，此外它使用SPI接口与微控制器通讯，配置非常方便。
nRF905芯片主要包括3大功能：工作模式控制、SPI接口以及状态输出接口。其中状态输出接口主要提供载波检测输出CD(Carrier Detect)、地址匹配输出AM(Address Match)以及数据就绪输出DR(Data Ready)，该接口对于点对点通讯的建立以及数据的正确收发具有重要的意义。
5、系统硬件设计
5.1 电压转换模块设计
nRF905的工作电压为1.9～3.6V， 而目前市场上的电压输出模块基本上为5V电压，如果将nRF905直接与5V信号相连，则5V电源将向其充电，从而损坏元件。为了得到比较稳定和可靠的3V电压，设计中采用了低压差线性调压器LM1117，如图2所示，图中所示的+3VV电压已经经过去耦处理，可以直接为nRF905供电，+3V可以为系统中的其它器件供电。
5.2 数据采集与发射模块设计(分站)
由于工业现场所采集原始信号动态范围宽，微弱信号经过远距离传输后衰减很快。传统的数据采集系统是在传感器与A/D转换器之间使用信号调理器，信号调理器通常包括放大器和滤波器，放大器可通过放大信号来提高分辨率并降低噪声，滤波器则可衰减影响测量精度的无用信号。这种方法虽然可实现数据采集，但是它增加了系统复杂性和成本，而且放大器也不可避免会存在漂移等问题，从而影响数据采集精度。
本系统选用AD公司生产的16位Σ-Δ模数转换器AD7705，克服了传统数据采集方法的缺陷，它的两个模拟输入通道和基准输入均为全差分的，能抑止共模干扰信号，因此AD7705可以很好的抑制由外界因素产生的同向漂移，比如温度。此外，nRF905要求与之相连的单片机的供电和逻辑电平均为3V，因此本系统在研发过程中，选用AT89LV51低电压通用单片机。图3所示为分站的硬件连接图。
为了降低对电压稳定性的要求，设计中使用同一个电压源提供传感器桥路激励电压和AD7705基准电压，这样一来，电压变化时它们所受的影响比例相同，便不会产生系统误差。AD7705和单片机之间采用三线连接收发数据，状态信号DRDY为低电平时表示输出数据寄存器的数据准备就绪，设计中将其与AT89LV51的INT0相连，即在AD7705转换结束后产生中断，读取最新转换数据;SCLK与时钟接口TXD相连，提供数据传输的时钟;而DIN与DOUT与数据串口线RXD相连，并接10kΩ的上拉电阻。此外CS直接接地。
电路板的设计对数据采集的精度也有很大影响，设计中应注意：禁止从AD7705下面走线，这样可减少噪声;电源线和地线要比其他线粗，这样可降低线路阻抗;模拟区与数字区应该分开，从而避免模拟信号与数字信号的交叉。
5.3 数据接收与处理模块设计(主机)
单片机在工业控制领域中应用非常普遍，但是它的运算功能并不强大，因此在处理数据方面有着一定的局限性。本系统需要处理的数据量比较大，因此借助PC机来进行数据处理便显得尤为重要。单片机与PC机之间通过MAX232芯片连接，数据采集与处理平台使用Visual Basic语言设计。图4与图5所示分别为主机硬件连接与数据采集平台。
图4 数据接收与处理模块原理图
6、系统调试及应用展望
由于篇幅所限，整个系统的软件设计方法以及程序代码，就不再详细介绍。系统调试过程中，设定主机波特率为1200，分机1中AD7705的增益为128，参考电压为1.63V，测量对象为压力，可测压力范围为0～561.8Kg;分机2中AD7705的增益为1，参考电压为1.63V，测量对象为电压，可测电压范围为0～12.73mV。
笔者将本系统置于北方工业大学数控培训中心的机加工现场进行了多次实验，结果表明：本系统可在室内实现50m范围内的无误码通信，通信稳定可靠，且对电机、砂轮、手机、数控机床、吊车以及电焊机等设备具有较强的抗干扰能力。图5所示为分机1上施加两个100Kg砝码、分机2上输入0.585mV电压时，主机得到的测量结果。
图5 系统调试结果
由现场调试结果可以看出，本系统具有较强的抗干扰能力，数据采集精度较高，每次数据采集的误差基本上低于 0.5%。据此可以预测，本文设计的无线数据采集系统能满足一般工业现场的使用要求，并且在身份识别、环境检测以及无线抄表等中短距离无线应用中具有较为广阔的市场空间。
参考文献
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