嵌入式系统的存储测试技术及无线传输应用

引言

    存储测试技术方法是记录在特殊环境下运动物体参数的行之有效的方法。它是先将测试数据存入存储器，待装置回收后通过特定接口与上位机进行通信，还原数据信息。在许多消费类电子产品中，对数据采集存储系统的实时性和功耗提出了更高的要求，不仅要同时满足低功耗和微型化设计，还要实时地反映现场采集数据的变化。这样，就必须对系统的采样速率、功耗等提出更高的要求。随着半导体技术的发展，各种技术的进步使得高速度、低功耗的数据采集系统能够实现。

   本文主要使用16/32位微控制器LPC2148作为核心控制元件，通过与nRF24L01结合使用，实现数据的采集、存储以及发送。

1 系统原理

整个测试系统由模拟适配电路、外部晶振、微控制器、存储器模块、电源管理模块、无线收发模块以及接口电路组成，如图1所示。

图1 系统原理框图

1.1 电源模块

对电源模块的设计是实现整个系统省电的核心部分。即电源只需要在电路各个模块需要的时候给其供电，在不需要的时候断电来减小系统的无效耗电量。可以使用单电池电源供电实现多分枝电源网络管理，使得系统各个模块的电源相对独立供电。但此时要注意带电部分和不带电部分的兼容问题。

1.2 模拟适配电路

由于由传感器测量的信号十分微弱，需要经过适当的放大滤波等修正后才能够进行一系列处理。

1.3 微控制器

本测试系统选用NXP公司16/32位微控制器LPC2148作为核心控制元件。它内部自带10位A/D转换器，无需外加A/D转换器，即可以减小体积，又可以节省成本。同时它还具有掉电模式和空闲模式两种省电模式，合理设计可以减小系统功耗。

1.4 接口电路以及无线收发部分

本测试系统有两种方法与上位机进行通信，一种是通过无线收发模块nRF24L01来实现，另一种是通过特定的接口电路来实现，这样即使无线传输部分出现错误还可以保证事后回收数据。

2 系统主要部分的硬件与软件介绍

2.1 内部A/D转换器的开发

LPC2148内部有两个10位逐次逼近式模数转换器，8个引脚复用为输入脚（ADC0和ADC1），它具有掉电模式，测量范围是0 V~VREF,10位的转换时间≥2.44 μs，具有一个或者多个输入的突发转换模式，可选择由输入跳变或定时器匹配信号触发转换。它的基本时钟由VPB（VLSI外围总线）时钟提供，每个转换器包含一个可编程分频器，可将时钟调整至逐步逼近转换所需的4.5 MHz（最大），完全满足精度要求的转换需要11个这样的时钟。本文用LPC2148的I/O端口来实现，使用ADC模块的通道3 进行电压的测量，定义I/O端口P0.30为AD0.3，通过定时器中断的到来而对电压进行采样，对ADC寄存器的设置如下：

AD0CR=（1<<3）| //SEL=8,选择通道3

（（Fpclk/10000001）<<8）| //CLKDIV= Fpclk/10000001，转换时钟为 1 MHz

（0<<16）| //BURST=0,软件控制转换操作

（0<<17）| //CLKS=0,使用11clock转换

（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,直接启动A/D转换

（0<<27）| //直接启动A/D转换时此位无效

DelayNS（10）;

ADC_Data=AD0DR；//读取A/D转换结果，并清除DONE标志位

while（1）{

AD0CR|=1<<24; //进行第一次转换

while（（AD0STAT&0x80000000）==0）;//等待转换结束

AD0CR|=1<<24;//再次启动转换

while（（AD0STAT&0x80000000）==0）;//等待转换结束

ADC_Data=AD0DR；//读取A/D转换结果

}

2.2 SPI与nRF24L01模块的通信

SPI是一个全双工的串行接口。它设计成可以处理在一个给定总线上多个互联的主机和从机。在给定的数据传输过程中，接口上只能有一个主机和一个从机进行通信。在一次数据传输过程中，主机总是向从机发送数据的8~16位，而从机也总是向主机发送一个字节数据。图2 为SPI的4种不同数据的传输格式的时序。

图2 SPI数据传输格式

在设置寄存器的过程中要注意CPOL为0和1时的不同以及SSEL、CPHA之间的关系。

SPI初始化的部分代码如下：

void MSIP_Init（void）{

PINSEL0=（PINSEL0&（~（0xff<<8）））|（0x55<<8）; //设置引脚连接SPI

SPCCR=0x52;//设置SPI时钟分频

SPCR=（0<<3）| //CPHA=0,数据在SCK的第一个时钟沿采样

（1<<4）| //CPOL=1,SCK为低有效

（1<<5）| //MSTR=1,SPI处于主模式

（0<<6）| //LSBF=0,SPI数据传输MSB（位7）在先

（0<<7）; //SPIE=0,SPI中断被禁止

}

图3接口电路

嵌入式微控制器与NRF24L01接口电路如图3所示。

这8个引脚分别和微控制器的GPIO口相连，微控制器在初始化是设置成相应的功能。GND为电源地；VDD为正电源1.9~3.6 V输出；CE为工作模式的选择，RX或TX模式；SS为SPI片选使能，低电平使能；SCK为SPI时钟；MOSI 为SPI输入；MISO为SPI输出；IRQ为中断输出。

接收端部分代码如下：

#include "NRF24L01.h"

unsigned int RxBuf[5]; //接收缓冲，保存接收到的数据

int main（）{

NRF24L01_Initial（）; //nRF24L01初始化

while（（NRF24L01_RxStatus（））！=1）{//nRF24L01没有数据请求

*P_Watchdog_Clear=0x0001;

}

NRF24L01_ReceiveByte（RxBuf）;//接收数据

while（1）{

*P_Watchdog_Clear=0x0001;

}

}

3 实验数据与验证

图4是用本测试系统所测得的两条实验曲线。该曲线所测的是引信电池[8]的电压量。曲线可以分成两部分，一部分是电池电压随着时间的增加而增加，另一部分是随着时间的增加电压量保持不变。这是由引信的特殊结构所致。

经过实验论证，本测试系统在误差允许的范围内可以达到测量精度要求，从而验证了本测试系统具有较强的应用性。

4 展望

未来的嵌入式产品是软硬件紧密结合的设备，为了降低功耗和成本，需要设计者尽量精简系统内核，只保留和系统功能紧密相关的软硬件，利用最低的资源实现最适当的功能，通常都具有低功耗、体积小、集成度高等特点[9]。嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品同步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期和巨大的市场潜力。

图4 实验曲线