摘要：本文从工程实际需要出发,在介绍无线收发一体芯片nRF2401的基础上，采用微处理器芯片PIC18F6621、交流采样技术和带有串行接口的功率/电能芯片CS5460，给出了基于nRF2401的高压交流信号无线数据采集系统的整体设计，通过整个系统的仿真测试，其结果完全符合设计要求。
    0引言
    高压电信号的数据采集具有较高的危险性，需要有效的电隔离。这里介绍一种具有实际意义的基于nRF2401的高压交流信号数据采集系统的设计方案。其基本原理是：通过交流信号数据采集系统将捕捉的现场信号转换为电信号，经模/数转换器ADC采样、量化、编码转换为数字信号，并将这些数据进行计算处理。然后，通过高速无线数据传输系统，将采集的数据发送到接收系统进行处理。
    1系统设计
    本系统主要有三部分组成：由以无线收发一体芯片nRF2401为核心构成的无线收发部分、由单片机PIC18F6621作为系统内核的控制部分和由以带有串行接口的功率/电能芯片CS5460作为核心芯片的数据采集与计算部分。这里主要介绍无线收发部分。
    1.1无线收发部分
    nRF2401是Nordic公司推出的单片2.4GHz无线收发一体芯片。它将射频、8051MCU、9通道12位ADC、外围元件、电感和滤波器全部集成到单芯片中，并采用2.4GHz频带和0.18μｍ工艺，可提供ShockBurstTM、片上CRC、DuoCeiverTM以及地址计算编码等功能。它工作在2.4GHz自由频段，能够在全球畅通无阻。它采用SoC方法设计，只需少量外围元件便可组成射频收发电路。所以nRF2401是业界体积最小、功耗最少、外围元件最少的低成本射频系统级芯片。
    这里主要介绍nRF2401收发模式中的ShockBurstTM模式。在此模式下，使用片内的先入先出堆栈区，数据低速从微控制器送入，高速(1Mbps)发射。与射频协议相关的所有高速信号处理都在片内进行，其好处是：尽量节能；低的系统费用；数据在空中停留时间短，抗干扰性高。
    1.发射流程：ShockBurstTM发射主要通过MCU接口引脚CE, CLKl和DATA来完成。
    2.接收流程: ShockBurstTM接收主要使用MCU接口引脚CE、DRl、CLK1和DATA(接收通道1)来实现。
    nRF2401电源电压范围为1.9-3.6V，功耗很低。可工作在－40－＋85℃的温度范围内，灵敏度为－90dbm。
    1.2系统控制与数据采集部分
    1.2.1系统控制部分
    本设计采用单片机PIC18F6621作为系统控制内核，它是一种具有分散作用（多任务）功能的CPU。其串行外围接口SPI可允许同时同步传送和接收8位数据，用以下3个引脚来完成通信：串行数据输出SDO、串行数据输入SDI和时钟SCK。nRF2401无线收发器与单片机PIC18F6621的接口电路。
    1.2.2数据采集部分
    数据采集部分采用CRYSTAL公司推出的带有串行接口的单相双向功率/电能计量集成电路芯片CS5460。并采用全周波付立叶算法，将电压U和电流I的有效值离散化，以一个周期内有限个（N）采样电压和电流数字量来代替该周期内连续变化的电压和电流值，则一个周期内电压、电流的有效值和单项有功功率分别为U= 、I= 和P= 。式中 和 为同一时刻电流和电压的采样值。

     采样部分的外部电路与CS5460的接口。
     2系统构成
     基于芯片nRF2401的高压交流信号数据采集系统完全达到了预期的设计目标：
    （1)采用nRF2401设计电力无线传感器，实现了高压隔离，同时也实现了高压电力数据的无线传输。
    （2）采用PIC8位单片机PIC18F6621作为仪表内核，实现了对高速数据采集和数据处理的控制。
    （3）采用芯片CS5460作为数据采集和数据计算的核心芯片，实现了对数据的采集处理和高精度计算。
    3结束语
    这是一个"黑龙江省教育厅科学技术研究项目"，该系统已经获得成功。由于nRF2401芯片具有丰富的内部资源和良好的稳定性，使系统外围电路得到了最简化，从而降低了成本，提高了可靠性。目前，该系统已经应用于野外电力设备的电力测量，在恶劣的高低温条件下工作可靠，实际应用取得了很好的效果。
                                                                                                    （责任编辑：谢斌）


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