基于nRF24L01无线通讯的信号采集电路的制作方法

基于nrf24l01无线通讯的信号采集电路
技术领域
1.本实用新型涉及一种信号采集电路，特别涉及一种基于无线通讯的信号采集电路。


背景技术：

2.随着电子技术和微处理器的发展，电力自动化设备广泛应用在社会的各行各业中，相较于有线通讯时的必须架设电缆造成的工程周期长，无法在地理环境特殊的场所应用，且后期扩展和维护较难实现的情况，目前各行业均朝着无线通讯发展，随着计算机网络技术、无线通讯技术以及传感器技术的相互发展，这就使得工业现场的数据可以高效、远距离安全可靠的进行传输。使得数据能够通过无线链路直接在网络上传输和共享，无线通信技术能够在一些特殊环境下有效地弥补了有线网络的不足。
3.信号采集系统结合无线通讯的问题，最重要的是保证采集数据的准确及无线数据传输的高效率两大问题，同时信号采集系统中系统的功耗问题往往也是制约系统设计的主要环节，不合理设计会造成的系统损坏，目前，有关无线通讯的方法很多，如蓝牙、wifi及zigbee等。一般而言zigbee主要适合用于低成本的自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。蓝牙技术采用简单的gfsk调制，拥有极低的运行和待机功耗。wifi的传输距离在50至100米，功耗略大，一般应用于无线上网等领域。上述三种方式各有优劣，在工业控制、医疗、汽车电子都广泛的应用。
4.而nrf24l01无线模块是由一单片射频收发模块，其核心芯片由nordic公司开发。该模块具即时性强、超低耗、高速传输率等特点。可以应用在多种无线拓扑场合。同时近年来stm32由于超低功耗技术且编程灵活性的优点，在工业中应用十分的广泛。stm32 系列产品基于超低功耗的 arm cortex
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m4处理器内核，采用 130 nm 专用低泄漏电流制造工艺和优化的节能架构，提供业界领先的节能性能，全系列产品共用大部分引脚、软件和外设，优异的兼容性为开发人员带来最大的设计灵活性。
5.为了进一步的扩展无线通讯的适用范围，增加无线通讯的选择种类，降低无线通讯的成本。显然需要在结合stm32低功耗微处理器及nrf24l01无线模块的高效及灵活性设计了一种基于更具有通用形式且低成本的带无线通讯功能的信号采集电路，满足了无线通讯数据高效及实时性需求同时，也保证了采集数据的准确性，进一步提升无线通讯在智能家居、安防系统、工业监测等场合的作用。


技术实现要素：

6.本实用新型的目的是提供一种基于nrf24l01无线通讯的信号采集电路，使得采集数据可靠，降低电路成本，延长电路使用寿命。
7.本实用新型的目的是这样实现的：一种基于nrf24l01无线通讯的信号采集电路，包括发送端及接收端；
8.所述发送端包括微处理器及外围电路、电源电路、nrf24l01通讯模块及触摸屏，其
中处理器及外围电路分别与电源电路、触摸屏、nrf24l01通讯模块电连接；
9.所述接收端包括微处理器及外围电路、电源电路、nrf24l01通讯模块以及信号调理电路，所述微处理器及外围电路分别与电源电路、信号调理电路、nrf24l01通讯模块电连接，所述信号调理电路还与电源电路电连接；
10.所述发送端和接收端采用结构相同的微处理器及外围电路，包括微处理器、启动方式选择电路、复位电路以及程序烧写电路，所述电源电路包括24伏特转5伏特电源转换电路、5伏特转3.3伏特电源转换电路及数字地与模拟地连接电路，所述信号调理电路包括电压信号采集电路、电流信号采集电路。
11.相对于现有技术，本实用新型取得了以下有益效果：本实用新型通过在外围电路中设计启动方式选择电路，保证微处理器对应的启动模式均可通过跳线帽连接不同引脚来实现，增加后续系统使用的功能；在外围电路中设计复位电路，确保系统能够外部复位，确保这段时间内让微处理器保持复位状态，而不是刚通电完毕就微处理器工作，防止微处理器发出错误的指令、执行错误操纵；通过在外围电路中设计程序烧写电路，调试时仅需4个引脚，降低布线难度，且下载速率更快；此外设计数字地与模拟地连接电路，主要是考虑到，系统中数字信号与模拟信号之间会互相干扰，模拟信号中可能存在高频或强电信号而数字信号中可能存在为矩形谐波，从而相互干扰，为此通过零欧姆磁珠进行隔离，抑制数字信号与模拟信号上的高频噪声和尖峰干扰。
12.作为本实用新型的进一步改进，所述微处理器采用意法半导体的stm32f030c8t6芯片。此芯片能在
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40至 85
°
c的温度范围内工作，且成本和功耗均较低，能在各种情况下保证a/d采样均能达到最佳的转换效率，且波特率不受唤醒时间的影响。
13.作为本实用新型的进一步改进，所述信号调理电路与所述微处理器的gpio信号接口电连接，所述nrf24l01通讯模块与所述微处理器通过spi接口电连接，所述触摸屏与所述微处理器通过usart接口电连接。nrf24l01通讯模块中通讯协议，协议中包括设备号、状态码、校验码等，这样既可准确定位需要接收的的nrf24l01的模块，且通过协议中的校验码和数据段结束符确保通讯数据的完整和准确性，从而确保网络中数据顺利地传送到正确的地方。
14.作为本实用新型的进一步改进，所述电源电路中24伏特转5伏特电源转换电路采用lm2576
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5芯片，所述5伏特转3.3伏特电源转换电路采用as1117
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3.3芯片，所述触摸屏采用tjc3224t022_011rn串口触摸屏。选用lm2576
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5降压开关型集成稳压电路，此芯片电流带载能力强，电能转换效率可达85%以上，且lm2576
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5芯片成本较低，lm2576
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5芯片外部辅助电子器件较少，使用方便；选用as1117
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3.3低压差线性稳压器，as1117
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3.3芯片通常具有极低的自有噪声和较高的电源抑制比，且芯片自带负载短路保护、反接保护、过流保护等，安全性较高，且成本也较低。
15.作为本实用新型的进一步改进，所述信号调理电路中，电压信号采集电路采用精密电阻分压形式，获取测量的电压信号；所述电流信号采集电路选用两级运算放大器差分输入的形式，并在两级运放中接入二阶巴特沃斯低通滤波器获取测量电流信号。电压信号采集电路采用精密电阻分压形式，仅需要简单的无源电子器件就能准确获取测量的电压信号；电流信号采集电路选用两级运算放大器差分输入的形式，并在两级运放中接入二阶巴特沃斯低通滤波器，保证数据准确无误。
附图说明
16.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
17.图1为本实用新型结构框图。
18.图2为本实用新型中微处理器和外围电路原理图。
19.图3为本实用新型中电源电路原理图。
20.图4为本实用新型中信号调理电路原理图。
21.图5为本实用新型中通讯协议示意图。
22.图6为本实用新型使用时工作流程图。
23.其中，11微处理器及外围电路，12电源电路，13信号调理电路，14 nrf24l01通讯模块，15触摸屏，111微处理器，112启动方式选择电路，113复位电路，114程序烧写电路，211 24伏特转5伏特电源转换电路，212 5伏特转3.3伏特电源转换电路，213数字地与模拟地连接电路，311电压信号采集电路，312电流信号采集电路。
具体实施方式
24.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
25.如图1所示的一种基于nrf24l01的无线通讯信号采集电路，电路具体分成发送端及接收端，发送端具体包括微处理器及外围电路11、电源电路12、nrf24l01通讯模块14及触摸屏15；接收端具体包括微处理器及外围电路11、电源电路12、信号调理电路13、nrf24l01通讯模块14；电源电路与微处理器及外围电路11通过3.3伏特电压及数字地信号电连接，信号调理电路13采集系统电压及电流信号，分别经过分压及运算放大器差分处理后与微处理器111的gpio接口中pa1引脚及pa2引脚电连接。nrf24l01通讯模块选用艾克穆科技nrf24l01p 2.4g无线收发无线射频模块，nrf24l01通讯模块14与微处理器111通过1号外围设备接口(spi接口)电连接，具体的nrf24l01通讯模块14的1、2号引脚分别与数字地及3.3伏特电压电连接，nrf24l01通讯模块14的3至7号引脚分别与微处理器111中1号spi接口电连接，具体分别与微处理器111的pb0、pb12、pb13、pb15、pb14引脚电连接，nrf24l01通讯模块14的8号引脚与微处理器111的pb1引脚及4.7k欧姆电阻串联电连接。触摸屏15选用2.4寸usart hmi 串口触摸屏，具体型号为tjc3224t022_011rn，触摸屏15与微处理器111通过串行1号接口(usart接口)电连接；具体的通过pa9作为发送端，pa10作为接收端。
26.图2为本实用新型一种基于nrf24l01无线通讯的信号采集电路的微处理器及外围电路图。微处理器111选用stm32f030c8t6，芯片共计48个引脚，其中微处理器1号、24号及48号引脚与3.3伏特电压信号电连接，8号、23号及47号引脚与数字地信号电连接；启动方式选择电路112的boot0引脚下拉，下拉电阻为10k，且与微处理器111的44号引脚电连接，另一端与一两孔排针sw1的1号引脚电连接，sw1的2号引脚与3.3伏特电压信号电连接。同时设计有
复位电路113，复位电路中两孔排针sw2的1号引脚上拉，上拉电阻为10k，2号引脚下拉接数字地，且微处理器111的7号引脚与sw2的1号引脚电连接，并与sw2的2号引脚通过0.1uf电容串联电连接。程序烧写电路114有一四孔排针构成，四个引脚以此与3.3伏特电压信号、微处理器37号引脚、数字地信号、微处理器34号引脚电连接。
27.微处理器111采用意法半导体的stm32f030c8t6，此芯片能在
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40至 85
°
c的温度范围内工作，且成本和功耗均较低，能在各种情况下保证a/d采样均能达到最佳的转换效率，且波特率不受唤醒时间的影响，并且启动方式选择电路112设计保证stm32对应的三种启动模式均可通过跳线帽连接不同引脚来实现，增加后续系统使用的功能；复位电路113的设计确保系统能够外部复位，确保这段时间内让微处理器保持复位状态，而不是刚通电完毕就微处理器工作，防止微处理器发出错误的指令、执行错误操纵；程序烧写电路114采用串行线调试(swd)模式进行设计，考虑到常用的jtag模式烧写程序需要20个引脚，对于stm32f0系列芯片而言，太多的引脚的使用会导致硬件电路板很拥挤，增加布线难度且存在硬件不够用的可能性，而swd模式仅需4个引脚且下载速率更快。
28.图3为本实用新型一种基于nrf24l01无线通讯的信号采集电路的电源电路；电源电路12具体包括24伏特转5伏特电源转换电路211、5伏特转3.3伏特电源转换电路212、数字地与模拟地连接电路213；24伏特转5伏特电源转换电路211由lm2576
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5及相关无源器件构成，24伏特电源的正负极分别与电路输入端的v_in 及v_in
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电连接，输出端与5伏特转3.3伏特电源转换电路212的输入端电连接；5伏特转3.3伏特电源转换电路212由as1117
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3.3芯片及相关无源器件构成；数字地与模拟地连接电路213由两个零欧姆磁珠及0.1uf的电容构成。
29.选用lm2576
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5降压开关型集成稳压电路，此芯片电流带载能力强，电能转换效率可达85%以上，且lm2576
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5芯片成本较低，lm2576
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5芯片外部辅助电子器件较少，使用方便；选用as1117
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3.3低压差线性稳压器，as1117
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3.3芯片通常具有极低的自有噪声和较高的电源抑制比，且芯片自带负载短路保护、反接保护、过流保护等，安全性较高，且成本也较低；此外设计数字地与模拟地连接电路，主要是考虑到，系统中数字信号与模拟信号之间会互相干扰，模拟信号中可能存在高频或强电信号而数字信号中可能存在为矩形谐波，从而相互干扰，为此通过零欧姆磁珠进行隔离，抑制数字信号与模拟信号上的高频噪声和尖峰干扰。
30.图4为本实用新型一种基于nrf24l01无线通讯的信号采集电路的信号调理电路图。图中311为电压信号采集电路，电压采集两端分别与vin 及vin
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电连接，测量电压信号通过r18及r19电阻串联分压，两串联电阻中间与微处理器pa1引脚电连接。图中312为电流信号采集电路，电流信号采集电路通过差分信号输入的形式，采样电阻r20的两端分别与运算放大器u12d的两输入端相连，运算放大器u12d的输出端通过相互串联的电阻r25和电阻r26，两串联电阻与运算放大器u12b的同相输入端相连，电阻r26与模拟地agnd之间连接有电容c18，电阻r25与运算放大器u12b的输出端之间连接有电容c23，运算放大器u12b的输出端与运算放大器u12a的同相输入端相连，运算放大器u1a的输出端pvioutadc与微处理器的pa2引脚电连接连。
31.信号调理电路13中，电压信号采集电路311采用精密电阻分压形式，仅需要简单的无源电子器件就能准确获取测量的电压信号。电流信号采集电路312选用两级运算放大器
差分输入的形式，并在两级运放中接入二阶巴特沃斯低通滤波器，保证数据准确无误。此外电流和电压信号分别经过采样电流信号采集电路312、电压信号采集电路311处理后均经过微处理器111相应的gpio接口电连接，并经过微处理器111的a/d转换模块转换成数字量存入对应寄存器。
32.图5为本实用新型一种基于nrf24l01无线通讯的信号采集电路的通讯协议示意图，通讯协议一共12个字节，包括4个字节的数据，分别为2个字节的电压信号数据及2个字节的电流信号数据，显然无线通讯中不仅要确保期望数据顺利地发送，还需要保证数据能够正确的发送到指定地点，为此在通讯协议中定义1个字节的发送设备号，表示发送数据的通讯装置。定义1个字节的接收设备号，表示接收数据的通讯装置。定义1个字节的状态码，表示采集数据的装置的状态。定义1个字节的校验码，定义为即从通讯的第一个字节开始直到校验码前一个字节的所有字节的无符号求和，需要注意的是校验码仅由stm32产生，在无线通讯的接收方进行校验，进行校验的接收方收到错误的数据段，将该段丢弃，并要求重新发送。最后四个字节为十六进制的aa aa aa ab为数据段结束符，用于无线通信接收方判断数据段的结束。这样既可准确定位需要接收的nrf24l01通讯模块14，且通过协议中的校验码和数据段结束符确保通讯数据的完整和准确性，从而确保网络中数据顺利地传送到正确的地方。
33.图6为本实用新型一种基于nrf24l01无线通讯的信号采集电路的工作流程图。从系统开始上电工作开始到执行控制程序为止，stm32需要经过变量的定义，中断禁止，stm32系统各个模块、nrf24l01通讯模块及触摸屏初始化，设置中断及配置中断向量表，配置时钟频率，设置定时器，使能相对应的中断，完成后程序可以进入循环状态，等待中断的到来从而执行相对应的程序。当发送端触摸屏按键动作系统获得数据采集指令后，接收端的a/d模块工作采集对应的电压电流信号，并通过nrf24l01通讯模块进行发送，发送端获取数据采集内容，进行校验，正确无误后在触摸屏上显示状态和数据，完成一个循环周期内所有工作，再次使能中断，等待下一次指令。
34.以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。