基于nRF401無線通信的實時監控告警系統設計

楊 寧， 張志偉1,2,

（1. 中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室， 山西太原 030051； 2. 中北大學電子測試技術重點實驗室，山西太原 030051；3. 中北大學 信息與通信工程學院，山西太原 030051）

0 引言

在自動測量系統、報警和安全系統、遙控裝置、車輛安全系統、工業控制、無線通信、電信終端等應用領域，無線數傳以其較為成熟的技術，傳輸線的節省，使用方便的優勢越來越被廣泛關注。無線數傳技術可以和傳感等技術很好的銜接，各類傳感器采集到的信號經過微控制器處理，無線收發裝置進行傳輸。然而由于通信的空間復雜性，無線通信系統收發容易產生錯誤，接收到錯誤信息甚至在未發送數據的情況下也可能接收到干擾數據和隨機數據信息。為及時發現該問題，解決該問題，本文設計一個監控告警系統。監控收發過程中的信息。該設計可實時監測數據，實時發現漏碼信息和錯誤信息，找到故障點，及時停止發送錯誤信息，予以糾正后重新發送，以滿足信息傳輸要求的準確性和可靠性。

1 無線數傳通訊系統模塊介紹

該模塊包括基于nRF401芯片和AT89C51為微控制器的無線通訊模塊和天線模塊。

1.1 無線通訊模塊

在眾多無線收發芯片的比較中發現，nRF401芯片以其成本低，穩定性強，可靠性高，電路設計簡單而廣受歡迎。該芯片是一個為433MHZISM頻段和315MHZISM頻段設計的真正UHF無線收發芯片，它采用FSK調制解調技術，抗干擾能力強；其解調器是DC平衡的，因此可以使用任何一種協議，也可以使用各種'0'、'1'序列，因而無需進行曼徹斯特編碼。可直接與微控制器接口；最高工作速率可達到20K bit/s，無需對數據進行曼徹斯特編碼。該芯片采用PLL 頻率合成技術，頻率穩定性極好 ，具有兩個信號通道，適合需要多信道工作的特殊場合；靈敏度高達-105 dBm,完全滿足設計要求。其功耗小，發射時電源電流為8 mA，接收狀態電流250 μA，待機狀態僅為8 μA，發射功率可以調整，最大可達到+10 dBm。而且使用無需申請，開闊地的使用距離最遠可達到1000m。圖2即其典型應用電路圖。

其結構如圖1，芯片包含晶體振蕩器（OSC），鎖相環（PLL），壓控振蕩器（VCO），功率放大器（PA），低噪聲接收放大器（LNA），在LNA與相乘器之間接有混頻器（MIXER）等。

圖1 nRF401芯片結構圖

圖2 nRF401應用電路圖

從圖3 收發流程圖看到，在接收模式中，輸入射頻信號被低噪聲放大器放大，經由混頻器變換成中頻信號，這個被變換的信號經過放大和濾波后送入解調器（DEM），經解調器解調，解調后的數字信號在DOUT 端輸出，送入微控制器處理。而在發射模式中，壓控振蕩器的輸出信號是直接送入到功率放大器，DIN 端輸入的數字信號被頻移鍵控后饋送到功率放大器輸出。由于采用了晶體振蕩和PLL 合成技術，頻率穩定性極好。

圖3 收發流程圖

1.2 天線設計介紹

天線是一種轉能器。發射時，它把發射機的高頻電流轉化成空間電磁波；接收時，它又把從空間截獲的電磁波轉換為高頻電流送入接收機。良好的天線系統可使設計達到最佳通信距離。

如圖4所示的差動到單端匹配網絡，ANT1和ANT2是接收時LNA的輸入，以及發送時功率放大器的輸出，連接nRF401的天線是以差分方式連接的，天線端設計阻抗為400 Ω。

圖4 差動到單端匹配網絡（315 MHz）

2 監測系統設計

實時監測、控制工作狀態，排除故障。接收模塊信息缺失或出現錯誤時，進行報警，提示故障可能發生的原因、部位，及時糾錯。初始狀態時，設置芯片為接收模式，判斷其接收的信號是否正確，監測，糾錯，不正確或者未接到信號重新接收；信號正確再將其發送。

具體而言，把要監測的信號輸入到信號監測單元，由信號監測單元完成監測，信號監測單元同時輸出監測到的信號至告警模塊。當信號出現中斷或錯誤信息時，信號監測單元疊加告警信息到輸出的信號中，同時輸出告警信息到告警模塊，告警模塊則根據告警監測單元的地址，將告警信息顯示出來，具體流程圖見圖5。

圖6 監測系統流程圖

2.1 數據采樣的實現

當接收到微控制器的采集指令，將采集的模擬量值和開關量狀態實時傳送出去。

2.1.1 模擬量的采樣

大信號取樣需要進行濾波處理，主要采取的措施是LC濾波+有源濾波，LC濾波主要是濾除射頻信號，有源濾波主要是濾除音頻信號，從而有效地濾除疊加在模擬量上的射頻及調制。具體單元電路如圖7所示。2.1.2開關量的取樣

圖7 LC濾波+有源濾波

接收微控制器的控制指令，解析識別后，把相應的指令通過開關量輸出傳送給收發模塊。

在開關量取樣中，有些需采集的狀態量是模擬信號，需將輸入的各模擬監測信號轉換成高低電平的開關量信號。其高電平H≈15 V，低電平L≈0 V。將這些變換后的開關量信號送出，進行傳輸、控制和故障顯示。由于采集的信號常為瞬間脈沖狀態，為了保證數據的準確，需經過一定時間延時，一般向脈沖計數器輸出一個脈沖寬度為400ms左右時間的脈沖計數指令，從而保證相應的脈沖計數器正常工作。開關量取樣經LC濾波后，加到功率驅動電路。

2.2 系統構成

根據裝置原理、特點及自動化系統擬實現的目標，我們可選模擬量取樣點、開關狀態量取樣，設計取樣電路、濾波隔離電路等。再加上監測模塊、告警模塊等構成監測報警系統。

接收到的信號送入信號監測模塊，若未收到信號則報警，若信號不一致或發生中斷亦告警。將告警模塊和監測單元相連，并在其上運行設置程序和信號監測程序，設置程序用來對監測單元進行設置，信號監測程序則負責接收告警信息，發出報警。利用信號監測程序可以對監測單元進行具體報警設置。找到故障點，重新發送信號。圖8為實際電路工作原理圖。圖中上支路電路為音頻信號檢測報警。圖中下支路電路為載波檢測報警。

3 實驗原理分析

圖8中，每路采用一片單電源四運算放大器LM324，共作在電壓比較器狀態，供電電壓+5 V。

3.1 音頻信號檢測報警

圖8上支路電路為音頻信號檢測報警。音頻信號經整流后作為調幅度的參考電平。經電路分析及實驗，音頻信號經過C1、C2、D1、D2、R1組成的倍壓整流加于U1A的反相端，和同相端比較，當輸入為高調幅時，輸出則為0V，當輸入為低調幅時，輸出則為5 V。R2、C3組成延時電路，當連續低調幅20 s，U1A的5 V輸出對C3充電使U2A的同相端電壓高于反相端，輸出5 V，點亮D4異態指示并觸發報警器，從而響鈴。D3的作用是高調幅信號到來，U1A輸出為0 V，C3可通過D3快速放電，運行時只要調幅正常C3始終建不起足夠的電壓，U2A輸出為0 V，不報警。其中延時時間由R3、C3的時間常數及反相端電壓決定。

3.2 載波檢測報警

圖8下支路電路為載波檢測報警。經電路分析及實驗，調諧或者AGC電壓經過R7、C4、C5濾波后加在U3A的反相端，與同相端比較，當全功率時反相端電壓高，輸出為0V。無功率時，反相端電壓低，輸出為5 V，點亮D6異態指示并觸發報警器，從而響鈴。其中，調整RV2可提高靈敏度，D5、D7起隔離作用。

4 結論

本文基于已較為成熟nRF401和單片機組合而成的收發模塊，重點設計一監控告警模塊。當信號出現故障時，可及時報警，發現糾錯實現實時監控，以免已完成傳送錯誤信號，影響整個系統可靠性。實驗證明，出現故障時，該系統電路導通，觸發報警器，響鈴。達到了可實時發現故障，報警，從而糾正錯誤的目的。該方法可有效減少糾錯時間，提高整個系統運行穩定性和可靠性。

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