邬毅松

关键词：无线传输；数据采集；数据提取；低功耗；电阻值测试

中图分类号：TP334.3 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2023）21-0094-03

0 引言

随着科技的进步和产业的转型升级，国家正在进行数字化的改造，而数字化改造的核心是数据。数据的采集，精确的提取，可靠的传输和安全存储都是数据处理的关键指标[1-3]，在无线通信技术高速发展的今天，无线传输的可靠性越来越高，无线数据发送与存储技术日趋完善，给无线手持设备的开发和应用带来了前所未有的机遇[4-7]。

但是，由于数据的安全依然受到各种环境因素的干扰，在数据处理的各个环节依然还有很大的改进空间[8-11]，基于此，本文拟设计一种基于无线通信网络技术的低功耗无线手持式数据采集装置。为了方便用户的移动应用，设计采用锂电池供电，不受使用地域的限制，随时进行数据的采集，提取去传输处理等。

1 系统整体设计

该系统的整体设计框图如图1所示。主要包含数据接受模块、ADC数据处理模块、MSP430单片机数据处理中心模块[12]、锂电池电源管理、无线通信模块、液晶显示模块、输入输出设备等组成。

其工作原理是：设计一个惠斯通平衡电桥，然后通过改变平衡电桥中某一桥臂的电阻值使电桥失去平衡，从而产生一个与电阻值变化相对应的输出电压，将变化的电压值经过运算放大器INA128E进行处理后 [13-16]，再通过OPA335对其进行处理，得到稳定的电压输出，最终通过测试稳定电压输出与电阻值的变化的关系，则可实现信号的有效检测，达到装置设计的要求。

2 硬件核心单元电路设计

2.1 电源管理模块的设计

系统采用锂电池供电，主要目的是能够方便用户进行移动应用，手持式设备一般采用锂电池供电。因此设计锂电池电源管理模块是十分必要的，主要是能直观地对锂电池的电量进行监测，并且能把监测的结果通过液晶显示出来，当电量不足时，系统能进行报警提示，通过用户进行充电。其具体的电路原理图如图2所示。

2.2 数据生成模块

根据前面工作原理的分析，设计完成的数据采集和数据放大电路的原理图如图3所示。前半部分是惠斯通电桥电路，后半部分是运算放大器电路。

在实际数据采集过程中，通过改变电阻R3的阻值，从而在输出端得到一个电桥失衡后的电压值，在图中可以体现在VF3和VF4输出电压的差值。但是该电压值太小，容易受到干扰，因此，需要对该信号进行有效地放大，在此之间增加了两级运算放大器来对信号进行有效放大，方便后续对信号进行相应处理。

如上图中，VF1的值具有最大的动态范围，会在恒定的电压值范围内摆动，其值正负都有可能，与此同时，设计一个低阻抗的电压源驱动Vref脚，使得电阻网络匹配，确保输出电压值的准确性。

通过设计，对电路图进行仿真，仿真结果如图4所示，符合设计预期的目的，输出电压变化范围在0～3V 内变化，验证了设计的可行性。

2.3 无线通讯模块

该系统使用三个无线通信模块，其中一个是发射器，两个是接收器。辐射端连接控制器MSP430F247。信号采集以后，经过控制器进行处理，然后无线通信发射机进行发送，接收端的一端通过串口与上位机连接，可以通过上位机显示接收到的信息，并对其进行存储。

另一个接收端则与控制器相连，接收到信息后，可以将其显示在液晶上。通讯方式也是采用串口通讯进行。

3 系统软件设计

软件设计部分主要包含两个部分的内容，其一是下位机的主程序设计，其二是上位机软件程序设计。

3.1 主程序设计

下位机主程序流程图如图5所示。通过初始化后，一直扫描是否有收到数据，如果没有收到数据，设备一直保持在低功耗状态，确保设备的低功耗属性。如果检测到数据，则对数据进行相应的处理后[17-18]，传输到液晶上进行显示，设备还对电池的状态进行检测，如果提示电量低，则会提醒用户进行充电。

3.2 上位机软件系统

上位机的软件设计流程图如图6所示。控制器端与上位机端采用串行口通讯，上位机接收到信号后，发送给液晶屏进行显示，上位机还兼具对数据进行存储的功能。

4 试验测试与结果

4.1 测试方法

根据原理分析，按照原理分析的过程进行试验测试。平衡状态下通过改变电桥中电阻R3的阻值，测试输出端的电压，并进行准确的记录，同时用万用表测试好电压所对应的电阻的阻值，来判断发射端和接收端的數据是否一致；此外，对输出端输出信号的频率进行测量，判断其变化关系的规律进行总结。

4.2 测试数据与分析

通过具体的测试，得到的测试数据如表1所示。

5 结论

本论文在分析现有数据采集器和处理器存在问题的基础上，针对数据处理的重要性，设计了一种基于无线通信网络技术的低功耗无线手持式数据采集设备。设备移动应用方便，具有完善的电池管理系统，完成后进行了典型的实验室实验测试，采集的数据可存储，可根据采集的数据进行分析比对，测试结果显示，该设备功耗低、运行稳定、精度高，达到了设计要求。