对无线抄表终端机的科学研究

论文摘要

nRF24E1是一个具有兼容8051 MCU并带有9路10 bit A/D变换器的低成本系统级RF SoC芯片。本文从SoC芯片nRF24E1内部结构、引脚功能、A/D转换器、无线收发器、无线端口等硬件结构,从SoC芯片nRF24E1的数据包格式、猝发模式等通信协议以及猝发配置、普通RF配置等配置方式,对无线抄表终端机进行详细介绍,并且实现其硬件电路的方案设计和实用程序的设计。主要论述nRF24E1芯片及其新技术在无线抄表系统终端机的实际应用。本文研究的终端机是以SoC芯片nRF24E1特有的ShockBurstTM技术、射频技术、程序引导技术、配置方式等新技术在无线抄表上的应用研究。终端机将置于无线抄表表具的内部,执行计数、处理、储存数据,接受指令,传输地址与数据。利用Keil C51对终端机进行软件编程并编译出代码,写入片外程序存储器。终端机的地址可以在编程时写入,不易修改,不利于大批量生产、随机使用,鉴于此,专门研制一种简易写码器。通过一精密的100微安电流源在一电阻网络上产生的电压,利用nRF24E1的ADC把输入的代表数字0～9和A～F的模拟电压值转换为表具终端机的二进制地址码作为用户表具的身份。这样终端机的本机地址编码的确定就有两种方式。第一种是在软件编程时直接在程序里赋予地址码;第二种是在生产出终端机成品后,利用专用的简易编码器随时随地进行编写地址码,尤其适用于现场按照既定的地址分配规划配置地址码。由于存储器空间不够大,可以劈作数据存储区的空间有限,因此将数据存储区定位于nRF24E1内部RAM区,这样也充分利用了nRF24E1的内部资源,其地址分配由编译系统指定。还以能够实现分组集中抄表为目的,进行实验,分析验证分组数量、通信距离等对无线抄表过程中数据传输的可靠性的影响。对大于、小于20个表具终端机分组的情况也做了试验。大于20的(25个一组)70米距离时数据传输无错误,传输时间无明显延迟;120米距离时数据传输偶尔错误,传输时间无明显延迟;30以上的限于设备条件未做。小于20的(10个一组)70米距离时数据传输无错误,传输时间瞬间完成,无明显提前;120米距离时数据传输无错误,传输时间瞬间完成,无明显提前。对于开阔场地的无线监测、检测,150米距离未见数据传输错误。考虑到现场实际和空中电磁干扰,确定50米为无线抄表的可靠通信距离。实例证明分组集中无线抄表是可行的。经实验室模拟试验、分组验证和模拟现场距离试验,通过与上位机通信建立数据库的实验,实现了50米左右,20个表具为一组的中近程无线监测、检测和无线抄表功能。通过研究和实践证明:充分利用SoC芯片nRF24E1特有的新技术,可以实现分组集中无线抄表,以及中近程无线监测、检测。该研究和实践揭示无线抄表能够执行一组20个以上的分组集中无线抄表。它将使无线抄表领域更加功能化,更加实用化。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 绪论
• 第1章 nRF24E1芯片简介
• 1.1 nRF24E1的内部结构
• 1.2 引脚功能
• 1.3 微处理器
• 1.4 RTC唤醒定时器、WTD（看门狗）和RC振荡器
• 1.5 晶振
• 1.6 A/D转换器
• 1.7 无线收发器
• 1.8 无线端口
• 1.9 开发系统
• 第2章 终端机的通信协议及其工作过程
• 2.1 数据包格式
• 2.2 猝发模式
• 2.2.1 猝发发射
• 2.2.2 猝发接收
• 第3章 终端机内部芯片的配置
• 3.1 猝发配置
• CTRL）'>3.1.1 锁相环控制（PLL_CTRL）
• W）'>3.1.2 数据包宽度（DATAx_W）
• 3.1.3 地址（ADDRx）
• W）和校验（CRC）'>3.1.4 地址宽度（ADDR_W）和校验（CRC）
• 3.2 普通RF配置
• 3.2.1 模式（Modes）
• EN）'>3.2.1.1 双频道接收模式（RX2_EN）
• 3.2.1.2 通信模式（CM）
• SB）'>3.2.1.3 RF数据速率（RFDR_SB）
• F）'>3.2.1.4 晶振频率（XO_F）
• PWR）'>3.2.1.5 RF输出功率（RF_PWR）
• 3.2.2 RF信道和方向
• 3.2.2.1 发射模式信道频率
• 3.2.2.2 接收机1信道频率
• 3.2.2.3 接收机2信道频率
• 3.2.2.4 通信方向
• 第4章 无线抄表系统终端机的设计
• 4.1 无线抄表系统的设计方案
• 4.2 终端机的硬件电路设计
• 4.2.1.数据采集与处理
• 4.2.2.本机地址编码
• 4.2.3.模式和信道控制
• 4.2.4.A/D变换
• 4.2.5.信号传输
• 4.2.6.程序存储器
• 4.3 终端机的软件程序设计
• 4.3.1 配置字定义为结构类型
• 4.3.2 配置字的的处理及初始化
• 4.3.3 串行外部接口处理
• 4.3.4 模拟数字转换处理
• 4.3.5 数据发送处理
• 4.3.6 数据接收处理
• 4.3.7 延时及初始化处理
• 4.3.8 数据采集与处理
• 4.3.9 地址控制码控制
• 4.3.10 信道控制码控制
• 4.3.11.通播和确认控制
• 第5章 总结
• 附录
• 结束语
• 参考文献
• 致谢
• 发表论文
• 学位论文评阅及答辩情况表