基于CC1101的风速仪无线采集系统

Abstract：The paper introduces the design of anemometer transformed by using single-chip microcomputer，discussesthe system composition and working principle，and provides the wind speed acquisition system and wireless receiving sys-tern chart.The wireless communication module makes the anemometer ran better is employed to play a beter role in hoistingmachinery。

Keywords：anemometer；wind speed acquisition system；wireless receiving system1 国家标准的相关要求风速仪是起重机械中常见的-种安全防护装置，主要用于室外作业的高大起重机上。相关的法规标准均有相应的要求 ，如 GB/T 381.12008中对风速仪的要求是：9.7.6.1.1对于室外作业的高大起重机应安装风速仪，风速仪应安装在起重机上部迎风处。9.7.6.1.2对于室外作业的高大起重机应装有显示瞬时风速的风速报警器，且当风速大于工作状态的计算风速设定值时，应能发出报警信号。GB 6067-2010的要求是：风级风速报警器，应保证在露天工作的起重机，当风力大于6级时能发出报警信号并宜有显示风速风级的显示能力。在沿海工作的起重机，可定为当风力大于 7级时能发出报警信号。TSG Q7o15-20o8《起重机械定期检验规则》对风速仪的要求是：检查起升高度大于 50 In的露天工作起重机是否安装风速仪，并且是否安装在起重机顶部至吊具最高位置问的不电处，当风速大于工作极限风速时，是否能够发出停止作业的警报。

传统的风速仪是将风速传感器输出的脉冲信号直接通过电缆传输给显示仪器进行处理，为了保证信号在传输过程中不会衰减，采用的是带屏蔽层的专用 l2芯电缆。由于是专用电缆，所以，在安装过程中风速仪的安装位置受到了限制，特别是对于-些司机室随小车运动的起重机，风速《起重运输机械》 2013(3)仪往往不能安装在更为合适的位置。为此，本文提出-种风速仪的改进方案。

2 系统组成原理整个系统由风速采集系统和无线接收系统 2部分组成。

2.1 风速采集系统风速采集系统主要由改进的风速传感器、主控 MCU (ATmega8L)和 RF收发芯片 (CC1101)组成，见图 1。ATmega8L通过定时器将风速传感器采集到的风速频率信号，利用SPI与CC1101进行通讯，将数据发送。

l (A挠Tme№ga8uL) (c萧1到 传感器 /1 o1)l图 1 风速采集系统框图2.2 无线接收系统无线接收系统主要由主控 MCU (ATmega8L)、RF收 发 芯 片 (CC1101) 和 接 口转 换 芯 片(MAX232) 等 组 成，见 图 2。 主 控 MCU(ATmega8L)和 RF收发芯片 (CC1101)的功能与风速采集系统部分类似，通过接口转换芯片与上位机进行通讯。

图2 无线接收系统框图- 99 - 3 硬件电路3.1 风速采集系统1)风速传感器风速传感器采用的是三风杯结构，具有响应快、起动风速低的特点。转换器是装在风速传感器转轴上的永磁铁，配合下层电路板上能检测磁信号的霍尔传感器。当轴转动-周，若干个磁铁经过霍尔传感器从而输 出-高-低的脉冲信号，此脉冲信号的频率和风速成正比。风速传感器采集的风速频率信号与 ATmega8L的PD4 (定时计数器 TO)连接，记录外部脉冲的个数。

2)主控 MCUATmega8L基于增强 的 AVR结构 的高性能、低功耗 8位 CMOS微控制器。由于其先进的 RISC指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega8L的数据吞吐率高达 1 MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。具有 8 K字节的系统内可编程 Flash，512字节 EEPROM和 1 K字节 SRAM，是性价比极高的 MCU，见图3。

(RESET)PC6口1(RXD)PD0口2(TXD)PD1 d 3(INT0)PD2口4(INTI)PD3口5(XCK/T0)PD4口6VCCd 7GND口8(XTAL1厂rosc1)PB6q9(XTAL2/TOSC2)PB7 q 10(T1)PD5q11(AIN0)PD6q 12(AIN1)PD7q 13 iIbi PBoq 14PC5(ADC5/SCL)PC4(ADC4/SDA、PC3(ADc3)PC2(ADC21PC1fADCPCO(ADCO)GNDAREFAVCCPB5(SCK)PB4(MISO)PB3(MOSI/OC2)PB2(SS/OC 1 B、PBlfOC1A1图 3 ATmega8L3)CC1101无线传输CC1101是 TI公司生产的-种单片低成本的1 GHz以下的无线收发器，是 CC1100的改进版本，电路主要设计为 ISM (工业、科学和医疗)和 SRD (短距离设 备)，频段 315/433/868/915MHz。但是，可以很容易的编程，使之工作在其他频率，女Ⅱ300～348 MHz、387～464 MHz和779～928 MHz频段。该芯片具有数据包处理、数据缓冲、突发数据传输、清晰信道评估、连接质量指示、电磁波激发和无线 电唤醒 (WOR)等功能。

CC1101的主要操作参数和 64位传输/接收 FIFO(先进先出堆栈)可通过 SPI接 口控制， 采用芯片内频率合成器 ，无需外部滤波器或 RF转换，所以外部元件极少，是真正的单片UHF RF收发器。受发射功率和天线结构限制，CC1 101的有效传输距离在 300～500 In范围内，对于安装在起重机上的风速仪足够。CC1101使用时只需很少的外部元件，其典型的433 MHz的应用电路如图4所示。

图4 CC1101的典型应用电路CC1101通过4线的 SPI接口实现与 MCU的通讯 ，GDO0、GDO2与 ATmega8L的 PD2和 PD3相连，用于指示判断是否 已完整接收-个数据包。

为了减少系统设计时间，直接采用市面上现成的CC1101无线通讯拈，见图5。

图5 CC1101无线通讯拈3.2 无线接收电路无线接收电路除了主控 MCU和 CC1101无线通讯拈，使用了 MAX232进行电平转换，实现与上位机的串口通讯 ，见图6。

4 软件部分软件的开发环境采用 Winavr，采用 c语言编程。定时器 工作在 16位计数模式，记录外部脉冲的个数。无线通讯采用半双工方式，利用中断《起重运输机械》 2013(3)拍 ∞ 加 擂”TXDRXD3-.ICI Vsc1- v 6匿 熟图 6 无线接收电路 RS232通讯接 口部分的形式进行接收和发送数据。

4.1 系统初始化ATmega8L和 CC1 101程序初始化流程如图7关闭MCU所有中'MCU端口初始化ICCI1o1复位ItCI 101进入空闲状；I鸵置CC1 10l寄存韶C1 1O1进入接收状；I开启Mcu中断I图 7 程序初始化流程图所示。在程序初始化时，要对 CC1101进行配置。

在不同的速率下使用不同的配置，以便获得最佳性能。但是 CC1 101的寄存器众多，手动配置很容易出错，对初学者更是难以下手。因此，TI公司提供了 SmartRF Studio射频系统仿真软件。该软件可以针对设计需求，自动给出-组最佳的寄存器配置参数。值得注意的是，CC1101只有在处于idle状态时才能进行寄存器配置。

4.2 中断服务程序CC1101的接收由中断方式实现，由 CC1101的 GDO0与 INTO相连，引发中断。中断服务程序中要读扔受到的数据，并进行 CRC校验，然后通过串口发送上位机。

5 结束语通过采用无线采集系统，可以大大提高风速仪的适用范围，并且可以直接实现和上位机的通讯。如果在此基础上进行更深入的研究开发，最终将组建-个强大的起重机械无线监测系统。