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物联网智能无线节点自动监控数据采集系统设计
资料介绍
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.
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（完整内容请下载后查看）2018年 2月 15日
第 41卷第 4期
Feb. 2018
现代电子技术
ModernElectronicsTechnique
Vol. 41 No. 4
183
DOI：10.16652/j.issn.1004-373x.2018.04.047
物联网智能无线节点自动监控数据采集系统设计
蔡泽利 1，谭振江 2
（1.琼台师范学院，海南 海口 571127；2.吉林师范大学，吉林 四平 136000）
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
Design of automatic monitoring data acquisition system for IoT intelligent wireless nodes
1
2
CAI Zeli，TAN Zhenjiang
（1. Qiongtai Normal University，Haikou 571127，China；2. Jilin Normal University，Siping 136000，China）
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 sig-
nal processing based design method of automatic monitoring data acquisition system for IoT intelligent wireless nodes is pro-
posed. 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 com-
posed of multi-sensor information fused wireless monitoring nodes. The transceiver circuit and power amplifier circuit are de-
signed 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 da-
ta 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
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。
0
引
言
研究物联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，
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，
收稿日期：2017-05-30
修回日期：2017-08-03
基金项目：国家青年科学基金项目（10804036）
Project Supported by National Youth Science Foundation（10804036）
万方数据
现代电子技术
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2018年第 41卷
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。
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 100kHz。
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]。
图 1 数据采集系统的总体结构构架
Fig. 1 Overall architecture framework of data
acquisition system
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]。
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
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：
万方数据
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