物联网智能无线节点自动监控数据采集系统设计

蔡泽利+谭振江

摘 要： 在物联网环境下进行无线节点自动监控数据采集，提高数据检测和诊断分析能力，提出基于动态增益控制和DSP高速信号处理的物联网智能无线节点自动监控数据采集系统设计方法。基于微机总线技术进行无线节点自动监控数据采集系统的总体设计，系统主要包括DSP处理器和PCI总线两大功能模块设计，数据采集的传感器基阵由多传感信息融合的无线监测节点组成，设计收发转换电路和功率放大电路实现采集数据的信号放大和数/模转换。采用动态增益控制方法实现采集数据的放大和滤波处理，基于DSP信号处理器进行自动监控数据采集系统的集成设计。测试结果表明，采用该系统进行物联网智能无线节点自动监控数据采集，能实现持续的大于15 MB/s的实时数据采集和记录，总线持续数据传输速率超过20 MB/s，峰值传输速率也可超过33 MB/s，满足实时记录无线节点自动监控数据的需求。

关键词： 物联网； 无线节点； 监控数据； 采集系统； DSP； 数模转换

中图分类号： TN915?34； TN911 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）04?0183?04

Abstract： The automatic monitoring data acquisition of wireless nodes under the environment of Internet of Things （IoT） can improve the capability of data detection and diagnosis analysis. Therefore， a dynamic gain control and DSP high?speed signal processing based design method of automatic monitoring data acquisition system for IoT intelligent wireless nodes is proposed. During the overall design of automatic monitoring data acquisition system for wireless nodes based on the computer bus technology， two functional modules of DSP processor and PCI bus are designed. The sensor array of data acquisition is composed of multi?sensor information fused wireless monitoring nodes. The transceiver circuit and power amplifier circuit are designed to realize signal amplification and digital?to?analogue conversion （DAC） for data acquisition. The dynamic gain control method is used to achieve the amplification and filtering of data acquisition. The integrated design of automatic monitoring data acquisition system based on DSP signal processor is performed. The test results show that the system for automatic monitoring data acquisition of IoT intelligent wireless nodes can realize over 15 MB/s continuous real?time data acquisition and recording， with the continuous data transmission rate of the bus higher than 20 MB/s， and the peak transmission rate higher than 33MB/s， which can meet the requirement of real?time recording of automatic monitoring data for wireless nodes.

Keywords： IoT； wireless node； monitoring data； acquisition system； DSP； DAC

0 引 言

研究物聯网智能无线节点自动监控数据采集系统的优化设计方法，在信号检测、计量、测控等领域具有广阔的应用前景。传统方法设计物联网监控数据数据采集系统存在数据采集实时性不好，不适用于外场测试、现场检测等应用需求，需要进行系统改进设计[1]。对此，提出基于动态增益控制和DSP高速信号处理的智能无线节点自动监控数据采集系统设计方法，并进行系统测试分析，得出有效性结论。

1 数据采集系统总体设计

1.1 原理分析及系统总体构架

本文设计的数据采集系统是采用多节点分布的传感器网络进行监控数据采集，数据采集系统建立在物联网体系结构基础上，首先采用物联网环境下的无线传感通信组网技术进行节点分布式设计，构建数据感知层，实现对原始监控数据的实时读取[2]，采用时钟控制电路进行数据采集过程中的中断控制和增益放大控制，对采集原始数据输入到匹配滤波器中进行噪声和干扰的滤波检测，进行匹配放大。确定动态增益范围，将放大输出的采集数据和原始信号进行增益放大和多模控制，以高速DSP信号处理芯片为内核，进行采集数据分析加工和信号处理[3]，并经过PCI总线及桥接电路实现系统的触发控制。系统的电源设计采用I/O电源、实时电源和时钟电源三种模式，设计掉电复位电路，防止电源中断导致信息数据丢失[4]。基阵接收的无线节点自动监控数据一般都是几微伏到几百毫伏不等，因此在进行数据采集过程中必须通过模拟信号预处理机进行放大，因此选择合适的放大器即可，用动态增益控制方法实现采集数据的放大和滤波处理，采用微机总线技术进行无线节点自动监控数据采集系统的总体设计。根据上述设计分析，构造物联网智能无线节点自动监控数据采集系统的总体设计框图如图1所示。endprint

根据图1分析得知，本文设计的数据采集系统的核心控制模块部分主要包括了DSP信号处理器、模拟信号预处理机、外部I/O设备、数据存储器等，物联网无线传感器基阵接收的监控数据通过模拟信号预处理机放大、滤波后，进行数字FIR滤波，接收信号处理、频谱分析、自动增益控制等信息处理方法，实现监控数据的自动增益放大、数/模转换和数据存储等[5]。

1.2 系统的技术指标分析

物联网环境下无线节点自动监控数据采集系统采用高速A/D芯片AD9225进行采样信息调制，其采样频率为12 MHz，采用32位VME总线扩展技术构建无线节点自动监控数据的采集系统的可编程专用集成总线，设计的无线节点自动监控数据系统具有12通道DMA，0.8～1.2 V的核心电压，3.3 V的I/O电压，采用2线制接口作为输出接口电路，在ARM Cortex?M3内核中进行控制系统的嵌入式开发，本文设计的数据采集系统的技术指标描述如下：

1） 自动监控数据的调幅动态范围为-40～40 dB，宽带基阵阻抗匹配滤波的放大量为80 dB，输出采集数据的频谱幅度为[±10 V]；

2） 监控数据的采样通道：12通道同步、异步输入；

3） 读取监控数据A/D采样值采样率：大于100 MHz；

4） D/A转换器的频谱控制分辨率：12位（至少）；

5） PCI总线接收自动监控数据的D/A分辨率：12位（至少）；

6） D/A转换器进行数/模转换速率：大于100 kHz。

2 系统硬件开发设计

2.1 器件选择

本文采用模块化的硬件电路设计方法进行数据采集系统开发设计。在物联网自动监控数据采集硬件实现中，需要借助于专用的高速信号硬件，如DSP、现场可编程门逻辑阵列FPGA等实现信号集成处理系统主要包括了DSP处理器和PCI总线两大功能模块设计，根据数据采集运算量的要求，DSP的最低速度应大于[25×20=500 MHz]，整机功耗不大于12 W，应选择低压低功耗DSP芯片，因此在数据采集系统DSP设计中，选用高速STC89C52芯片进行无线监控数据采集的基线漂移控制，选择ADI公司的ADSP21160处理器系统作为核心处理器件，该芯片具有16位定点DSP内核，具备40位移位器，支持片外同步或异步存储器，暂存数据的输出模式为SRAM。外围器件主要是对A/D转换器和D/A转换器的选择，本文选择ADI公司的高速A/D芯片作为外围器件进行自动监控数据的A/D采集，其采样频率为12 MHz， 晶体电路ADI的串行D/A转换选择AD5545作为外围器件，通过晶体电路设计，使输出时钟频率精确、稳定[6]。

2.2 硬件电路的模块化设计

根据对系统总体构架与技术指标分析，在进行器件优选的基础上，进行物联网环境下无线节点自动监控数据采集系统的硬件模块化设计。其采用32位VME总线扩展技术构建无线节点自动监控数据的采集系统的可编程专用集成总线，用16位DSP和32位DSP进行系统硬件电路的模块化开发，本文设计的数据采集系统主要包括物联网无线节点数据A/D模块、模拟信号预处理模块、时钟控制模块、收发转换模块、自动增益控制模块以及功率放大模块等[7]，对各个模块的电路设计描述如下：

1） A/D模块。A/D模块是实现对物联网无线节点数据的A/D采样和数/模转换控制，A/D电路采用2片AD5545芯片组成D/A收发装置，采集系统的AD5545采用单5 V供电。为了减少数字电路和模拟电路之间的相互干扰，在数据采集系统的I/O输出终端设计功率放大器，完成无线终端智能通信信号的数/模转换；为了减少噪声，采用10[μF，]0.1[μF]和0.001[μF]的电容进行滤波处理，输出的VAA为5 V电压。A/D电路设计见图2。

2） 模拟信号预处理模块。模拟信号预处理是实现对无线节点监控数据采集后的滤波、放大和检波等预处理的功能，该模块由一款16位分辨率的可编程逻辑芯片组成[8]，输出接口为同步多片AD5545，電路设计如图3所示。

3） 时钟控制模块。时钟控制模块是实现监控数据采集的时钟控制和周期采样控制功能，采用通用PPI模式构造时钟控制模块[9]，实现多样化的数据捕捉和信号获取，设置DMA参数实现最高65 MHz的监控数据时钟采样，时钟控制模块电路设计如图4所示。

4） 自动增益控制模块和功率放大模块的集成设计。利用同步多片AD5545进行自动增益控制设计，放大模块采用DSP进行信号处理和核心控制设计，设计收发转换电路和功率放大电路实现采集数据的信号放大和数/模转换[10]。结合CPLD编程技术将DSP发送的物联网环境下无线终端智能通信并行数据进行模块化并行处理，在D/A输出端加滤波器，采用动态增益控制方法实现采集数据的放大和滤波处理，最后得到自动监控数据采集系统的集成电路。

3 实验测试分析

为了测试本文设计的物联网智能无线节点自动监控数据采集系统在实现数据采集和无线节点自动监控信息实时记录中的性能，进行系统测试和仿真实验分析，实验平台搭建在软件仿真器（Simulator）、硬件仿真器（Emulator）基础上，使用Matlab Simulator是软件仿真分析数据采集输出性能，并执行信号处理程序的初期调试和仿真，设定信号采集系统的工作频率为250 MHz，DSP工作到600 MHz产生中断信号，锁相环输出频率为400 MHz，倍频数为10，配置串口0发送数据的时钟频率，设定SPORT0_TCLKDIV为4，根据上述测试环境设定，得到自动监控数据采集输出如图5所示。

分析图5结果得知，采用本文方法设计自动监控数据采集系统，能实现持续大于15 MB/s的实时数据采集和记录，总线持续数据传输速率超过20 MB/s，峰值传输速率也可超过33 MB/s，满足实时记录无线节点自动监控数据的需求。endprint

4 结 论

本文提出基于动态增益控制和DSP高速信号处理的物联网智能无线节点自动监控数据采集系统设计方法。研究结果表明，采用改进物联网智能无线节点自动监控数据采集，数据的实时数据采集性能较好，能实现数据的正确采样，满足实时记录无线节點自动监控数据的需求。

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