中心議題：
- PCB電鍍電流的無線傳感器網絡監(jiān)測系統(tǒng)設計
解決方案：
- NRF9E5單片機系統(tǒng)
- 無線通信單元設計
- 傳感器單元設計
- 指示燈報警電路設計
- 無線傳感器網絡的軟件設計
利用計算機、傳感器技術和無線通信，本文設計了用于PCB電鍍電流檢測的無線傳感器網絡監(jiān)測系統(tǒng)。該監(jiān)控系統(tǒng)以NRF9E5單片機為無線傳感器節(jié)點核心，運用霍爾電流傳感器和檢測電路的設計，實現了無線傳感器節(jié)點與計算機的無線通信。
PCB板的主要功能是使各種電子零組件形成預定電路的連接，其質量的好壞將直接影響整個機電產品的性能.PCB電鍍電流是影響PCB板質量的重要因素之一，目前PBC電鍍電流的檢測是由操作人員拿著手持的監(jiān)測設備、間隔一定時間進行檢測;因此存在不少缺點，如非實時檢測，容易漏檢和誤檢，長期在電鍍環(huán)境里工作會損害人體健康等.鑒于人工檢測已不能適應當今制造技術發(fā)展的需要，本文提出PCB電鍍電流的無線傳輸方案，即在需要檢測電鍍電流的地方安放傳感器節(jié)點，并由監(jiān)控中心對采集的電流數據進行統(tǒng)一實時的監(jiān)測和控制.
1 系統(tǒng)框架
基于無線傳感器網絡的PCB電鍍電流監(jiān)測系統(tǒng)架構如圖1所示，它可以分為3層：數據采集層、系統(tǒng)通信層和管理層.
數據采集層是整個系統(tǒng)的最底層，它由安放在工作環(huán)境中的傳感器節(jié)點和匯聚節(jié)點組成.通過內置的數據采集單元，傳感器節(jié)點可以采集流過PCB板的電流信號，進行數據整理后，以無線通信的方式發(fā)送給匯聚節(jié)點;匯聚節(jié)點將傳感器節(jié)點發(fā)送來的數據進行匯聚、分析和儲存，并等待計算機的命令，準備好與計算機之間的通信.
系統(tǒng)通信層是指匯聚節(jié)點與計算機之間的通信，采用RS232串口通信方式.通過設置P0_ALT.1=1，P0_DIR.1=l，選擇NRF9E5的P01與P02引腳的第二功能作為串口的RXD與TXD，通過芯片MAX232進行電平轉換與計算機的串口連接來處理從各節(jié)點采集回來的數據，并通過主模塊發(fā)送控制指令和有效數據完成對各個節(jié)點的設置，實現對現場設備的控制.管理層是計算機對采集上來的電鍍電流數據進行分析處理的過程.計算機能根據管理者的需要采集安裝霍爾傳感器節(jié)點的電流數據，并完成數據處理、圖表顯示、控制和儲存等多種管理功能;當流過PCB板的電流超過或低于給定值范圍，系統(tǒng)給出聲光報警.
2 系統(tǒng)硬件及設計
無線傳感器節(jié)點是整個無線網絡的基本組成單元，它的主要任務是采集PCB電鍍電流數據，對數據進行前期處理，并對來自上位機的命令做出回應，進而向上位機發(fā)送采集到的電流數據.無線傳感器節(jié)點由NRF9E5單片機系統(tǒng)、無線通信單元、傳感器單元和指示燈報警電路等組成。
2.1 NRF9E5單片機系統(tǒng)
NRF9E5無線單片機是NordicVLSI公司于2004年推出的無線單片機芯片，它是真正的系統(tǒng)級芯片，內置的433MHz、868MHz、915MHz收發(fā)器與NRF905芯片的收發(fā)器一樣.內嵌的微8051控制器，帶有4輸入10位80kS/s的A/D轉換器，工作電壓較寬(1.9～3.6V)，可以工作于ShockBurst方式，即自動處理前綴、地址和CRC方式;CPU還擴展了2個數據指針以方便從片外RAM讀取數據.NRF9E5的微處理器中有256bit的數據RAM和512bit的ROM.上電復位或軟件復位后，處理器自動執(zhí)行ROM引導區(qū)中的代碼.用戶程序通常是在引導區(qū)的引導下，從EEROM加載到1個4kbit的RAM中，這個4kbit的RAM也可用作存儲數據.整個單片機系統(tǒng)的建立需要極少的外圍元器件，節(jié)約資源，對實現低功耗十分有利.
2.2 無線通信單元
由于NRF9E5無線單片機內置了NRF905的433MHz、868MHz、915MHz收發(fā)器，從而使整個系統(tǒng)的設計更加簡潔可靠.通過軟件編程，收發(fā)器可自動完成發(fā)送、接收和監(jiān)聽等功能，從系統(tǒng)設計角度講，只需對數據包中的數據進行軟件解釋和控制即可.
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2.3 傳感器單元
傳感器單元主要負責電流信息的采集，它是保證整個系統(tǒng)性能的基礎.首先需要將電流信號轉換為電壓信號，這里用TBC-LTA系列霍爾電流傳感器，其工作電源電壓±(12～15)V，工作溫度-40～85℃.為了提高測量精度，結合實際被測電流大小值，本文選取TBC-LTA系列直流電流傳感器中的TDC503LTA傳感器.
NRF9E5內含一個10位線性AD轉換器，其轉換速率為80kS/s，AD轉換器參考電壓可以通過軟件選擇Aref輸入或內部帶隙參考電壓1.22V.AD轉換器有5個輸入可以通過軟件進行選擇，其典型應用是啟動/停止模式，采樣時間由軟件控制.默認狀態(tài)下它是10位的，如有需要可以通過軟件設置為6位、8位或12位.同時，AD轉換器也可以在差分模式下應用，當AIN0作為負輸入端時，AIN1～3作為正輸入端.
2.4 指示燈報警電路
當流過電路板電流低于下限值或高于上限值時，指示燈報警電路將產生聲光報警，以便管理人員立即采取應對措施.在本設計中，利用紅色LED 燈和揚聲器作為指示燈報警電路.
3 系統(tǒng)軟件設計
3.1 下位機軟件設計
在現代無線通信中，數據都是以數據包的方式來進行傳輸的.對NRF9E5這樣的無線片上系統(tǒng)，每次發(fā)送和接收數據也是以數據包的方式進行的.數據包格式是通信協(xié)議的重要部分，NRF9E5的無線數據包格式有：Preamble、ADDR、PAYLOAD、CRC.其中，Preamble是前導碼，由硬件自動加上去;ADDR則發(fā)送32～40位地址碼;PAYLOAD是有效數據(最大為32bit);CRC是循環(huán)冗余碼校驗和，可以由內置CRC糾檢錯硬件電路自動加上，可設為0位、8位或16位.傳感器節(jié)點最重要的工作就是將采集到的數據發(fā)送出去.要實現數據的無線發(fā)送，必須使處理器中的無線收發(fā)器工作在發(fā)送模式下.NRF9E5的收發(fā)器(NRF905)共有3種工作模式：ShockBurst接收(RX)方式、Shock Burst發(fā)送(TX)方式和節(jié)能方式，其發(fā)送數據流程如圖3所示.
3.2 上位機軟件設計
上位機軟件設計利用VisualC++進行編程，設計了電流實時顯示面板和用于數據儲存的數據庫.無線傳感器網絡布置完成后，眾多傳感器節(jié)點的數據上傳到計算機，計算機程序即上位機程序將這些數據存儲起來，為以后的數據查詢和處理提供方便.VisualC++為用戶提供了ODBC、DAO和OLEDB等3種數據庫訪問方式.ODBC提供了應用程序接口(API)，任何一個數據庫都可以通過這些API達到管理數據庫的目的.使用MFCAppWizard提供的ODBC數據庫的一般過程是：
1)用數據庫工具例如Access建立一個數據庫;
2)在Windows中為1)建立的數據庫定義一個ODBC數據源;
3)在創(chuàng)建數據庫處理的文檔應用程序向導中選擇上面定義的數據源;
4)設計界面，并使控件與數據表字段關聯.
本設計中，首先建立了一個數據庫，并根據傳感器節(jié)點數目建立了若干個數據表，然后利用MFC提供的ODBC類：記錄集類、數據庫類和可視記錄集類進行編程，把各個無線傳感器節(jié)點上傳的數據按照它們的節(jié)點號存儲在各個數據表中.
4 結語
本系統(tǒng)的無線傳感器節(jié)點以低功耗的NRF9E5單片機為核心，利用TBC-LTA系列霍爾電流傳感器，并且融合計算機技術和無線傳感器網絡技術，對PCB電鍍電流進行實時數據采集和A/D轉換，并對采集到的電流數據進行分析和存儲，為監(jiān)控PCB電鍍電流的生產提供了良好的操作環(huán)境，改善了PCB板的質量，提高了產品的競爭力.本系統(tǒng)具有低成本、低功耗、較高的檢測精度、操作簡單和人性化等特點，能夠很好地解決PCB電鍍電流監(jiān)測的問題，具有良好的應用和發(fā)展前景.
