基于nRF9E5和DS18B20的無線測溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目前，很多場合的測溫系統(tǒng)采用的還是有線測溫設(shè)備，由溫度傳感器、分線器、測溫機(jī)和監(jiān)控機(jī)等組成，各部件之間采用電纜連接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。這種系統(tǒng)布線復(fù)雜、維護(hù)困難、成本高，可采用無線方案解決這些問題。無線測溫系統(tǒng)是一種集溫度信號(hào)采集、大容量存儲(chǔ)、無線射頻發(fā)送、LED（或LCD）動(dòng)態(tài)顯示、控制與通信等功能于一體的新型系統(tǒng)。

本文從低功耗、小體積、使用簡單等方面考慮，基于射頻SoC nRF9E5和數(shù)字溫度傳感器DS18B20設(shè)計(jì)了一個(gè)無線測溫系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)由多個(gè)無線節(jié)點(diǎn)和1個(gè)基站組成。無線節(jié)點(diǎn)工作在各個(gè)測溫地點(diǎn)，進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)采集和無線發(fā)送。基站與多個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線通信，并通過數(shù)碼管將數(shù)據(jù)顯示出來，同時(shí)可以通過RS-232串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給PC。

nRF9E5簡介

nRF9E5是Nordic公司推出的射頻片上系統(tǒng)，內(nèi)嵌8051兼容微控制器、RF收發(fā)器和4通道10位A/D轉(zhuǎn)換器，是真正的系統(tǒng)級(jí)芯片，其功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 nRF9E5功能結(jié)構(gòu)框圖

nRF9E5的片內(nèi)微控制器與標(biāo)準(zhǔn)8051兼容，指令時(shí)序與標(biāo)準(zhǔn)8051稍有區(qū)別。中斷控制器支持5個(gè)擴(kuò)展中斷源：ADC中斷、SPI中斷、喚醒中斷和兩個(gè)無線收發(fā)中斷。此外，還擴(kuò)展了兩個(gè)數(shù)據(jù)指針，使得片外RAM存取數(shù)據(jù)更為方便。微控制器內(nèi)有256B的數(shù)據(jù)RAM和512B的ROM。上電復(fù)位或軟件復(fù)位后，控制器自動(dòng)執(zhí)行ROM引導(dǎo)區(qū)中的代碼，用戶程序通常在引導(dǎo)區(qū)的引導(dǎo)下，從E2PROM加載到1個(gè)4KB的RAM中，該RAM也可用來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。當(dāng)進(jìn)行批量生產(chǎn)時(shí)，可要求廠家代理將程序固化到片內(nèi)，這樣可省去E2PROM的費(fèi)用并進(jìn)一步減小系統(tǒng)體積。

nRF9E5內(nèi)置收發(fā)器具有與單片射頻收發(fā)器nRF905相同的功能，可通過片內(nèi)MCU的并行口或SPI口與微控制器通信。收發(fā)器由頻率合成器、功率放大器、調(diào)制器和接收單元組成。輸出功率、頻道和其他射頻參數(shù)可通過對(duì)特殊功能寄存器RADIO編程進(jìn)行控制。發(fā)射模式（TX）下，最小工作電流僅為9mA（輸出功率-10dBm），接收(RX)模式下的工作電流為12.5mA，掉電模式下的工作電流僅為2.5μA?？梢姡琻RF9E5的功耗很低。

nRF9E5采用Nordic公司的ShockBurst技術(shù)(自動(dòng)處理前綴、地址和CRC)，實(shí)現(xiàn)低速數(shù)據(jù)輸入，高速數(shù)據(jù)輸出，從而降低了系統(tǒng)的平均功耗。另外，nRF9E5還具有載波檢測功能。在ShockBurst接收方式下，當(dāng)工作信道內(nèi)有射頻載波出現(xiàn)時(shí)，載波檢測引腳(CD)被置高。也就是說，當(dāng)收發(fā)器準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，它首先進(jìn)入接收模式并檢測所工作的信道是否可以發(fā)送數(shù)據(jù)（信道是否空閑），這是一種簡單的傳輸前監(jiān)聽協(xié)議。這個(gè)特性很好地避免了同一工作頻率下不同發(fā)射器數(shù)據(jù)包之間的碰撞。

DS18B20概述

DS18B20是美國DALLAS公司的“單總線”數(shù)字溫度傳感器，它具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、功耗低、無須外接元件、用戶可自行設(shè)定預(yù)警上下限溫度等特點(diǎn)。“單總線”結(jié)構(gòu)獨(dú)特而且經(jīng)濟(jì)，采用一根I/O數(shù)據(jù)線既可供電又可傳輸數(shù)據(jù)，使用戶可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，為測量系統(tǒng)的構(gòu)建引入全新概念。

3引腳封裝的DS18B20形如一只三極管，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。主要由四部分組成：64位光刻ROM、溫度傳感器、非易失性的溫度報(bào)警觸發(fā)器和配置寄存器。此外，還有電源檢測模塊、存儲(chǔ)和控制邏輯器、中間結(jié)果緩存器和8位循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（CRC）發(fā)生器。

圖2 3引腳DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)

ROM中的64位序列號(hào)是出廠前被光刻好的，可以看作該DS18B20的地址序列碼，每個(gè)DS18B20的64位序列號(hào)均不相同，這樣就可以實(shí)現(xiàn)一根總線上掛接多個(gè)DS18B20的目的。DS18B20內(nèi)部的RAM由9個(gè)字節(jié)的高速緩存器和E2PROM組成，數(shù)據(jù)先寫入高速緩存器，經(jīng)校驗(yàn)后再傳送給E2PROM。通過DS18B20功能命令對(duì)RAM進(jìn)行操作。

DS18B20的測量溫度范圍為-55℃～125℃,在-10℃～85℃范圍內(nèi)，精度為0.5℃，可編程設(shè)定9～12位的分辨率，默認(rèn)值為12位，轉(zhuǎn)換12位溫度信號(hào)所需時(shí)間為750ms（最大）。檢測溫度由2字節(jié)組成，字節(jié)1的高5位S代表符號(hào)位，字節(jié)0的低4位是小數(shù)部分，中間7位是整數(shù)部分。

無線測溫系統(tǒng)組成及硬件設(shè)計(jì)

無線測溫系統(tǒng)主要可分為基站和無線節(jié)點(diǎn)兩大部分。每套系統(tǒng)一般只有1個(gè)基站，包括微控制器及射頻收發(fā)單元、顯示單元、報(bào)警單元、電源模塊及接口單元，主要硬件連接如圖3所示。

圖3 基站主要部件原理圖

接口單元是為了方便射頻模塊和PC的通信，通?？刹捎肦S-232接口、USB接口、以太網(wǎng)接口等，其中，RS-232接口是目前PC與通信工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一種串行接口。本文使用RS-232接口，采用MAX3232芯片實(shí)現(xiàn)RS-232電平與TTL電平之間的轉(zhuǎn)換。MAX3232是MAXIM公司生產(chǎn)的一種RS-232接口芯片，使用單一電源電壓供電，電源電壓在3.0～5.5V范圍內(nèi)都可以正常工作。

基站接收到數(shù)據(jù)后，將溫度信息通過數(shù)碼管（或液晶顯示屏）顯示出來，根據(jù)需要，還可以通過RS-232接口與PC進(jìn)行通信。為簡化系統(tǒng)，本設(shè)計(jì)直接用nRF9E5的P0口驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管（未在圖中給出），但是P0口不具備數(shù)據(jù)保持能力，需要外接一定大小的上拉電阻，顯示方法采用掃描法。采用一個(gè)蜂鳴器作為報(bào)警裝置，當(dāng)溫度超過設(shè)定范圍時(shí)，鳴叫報(bào)警。射頻天線采用單鞭天線。

無線節(jié)點(diǎn)分布在溫度采集點(diǎn)，由數(shù)字溫度傳感器DS18B20、射頻SoC nRF9E5、天線及電池組成。在實(shí)際應(yīng)用中，可以有多個(gè)無線節(jié)點(diǎn)，它們與基站之間通過射頻進(jìn)行無線通信。無線節(jié)點(diǎn)的電路結(jié)構(gòu)如圖4所示，其中，25AA320為E2PROM程序存儲(chǔ)器。DS18B20有寄生電源和外部電源兩種供電方式，本文采用外部供電方式，VDD引腳直接連接外部電源。DS18B20在空閑時(shí)，其DQ腳由上拉電阻置為高電平。無線節(jié)點(diǎn)的天線根據(jù)實(shí)際需要可選用單鞭天線或PCB印制天線。

圖4 無線測溫節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡圖

無線測溫系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，整個(gè)軟件系統(tǒng)的流程如圖5所示，主要有以下幾個(gè)關(guān)鍵函數(shù)：DS18B20初始化及溫度采集函數(shù)、nRF9E5初始化及射頻發(fā)送（接收）函數(shù)、數(shù)據(jù)顯示函數(shù)、串口通信函數(shù)等。

圖5 無線測溫系統(tǒng)軟件流程

限于篇幅，各個(gè)函數(shù)的詳細(xì)流程圖不再給出，僅列出幾個(gè)函數(shù)片斷供參考，程序采用C語言編寫，用Keil C51進(jìn)行編譯。

DS18B20采用單總線數(shù)據(jù)傳輸方式，對(duì)讀寫的操作時(shí)序要求嚴(yán)格。DS18B20提供了一系列指令來控制傳感器的工作，利用這些指令就可以對(duì)DS18B20進(jìn)行操作了。為了操作方便，可編寫兩個(gè)操作函數(shù)，源碼如程序清單1所示。

程序清單1：
//-------------------
//啟動(dòng)DS18B20的1次溫度轉(zhuǎn)換
//-------------------
void ConvertT(void)
{
RST18B20( ); //初始化
WR18B20(0xcc); //跳過多傳感器識(shí)別
WR18B20(0x44); //啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換
}
//-------------------
//讀取DS18B20
//-------------------
int ReadT(void)
{
RST18B20( ); //初始化
WR18B20(0xcc); //跳過多傳感器識(shí)別
WR18B20(0xbe); //讀DS18B20緩存器
DPL=RD18B20( ); //溫度低位
DPH=RD18B20( ); //溫度高位
return(DPTR); //返回讀出的溫度值
}

在開始進(jìn)行無線通信前，必須對(duì)nRF9E5進(jìn)行初始化配置，這個(gè)配置是通過對(duì)配置寄存器的設(shè)置來完成的。nRF9E5有一個(gè)144位的配置字，規(guī)定了無線收發(fā)器的接收地址、收發(fā)頻率、發(fā)射功率、無線傳輸頻率、無線收發(fā)模式、CRC校驗(yàn)和的長度及有效數(shù)據(jù)的長度等。nRF9E5的初始化工作，可根據(jù)具體要求對(duì)照數(shù)據(jù)手冊(cè)進(jìn)行配置。

數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收是無線收發(fā)器的主要功能，當(dāng)有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，首先通過SPI接口把所要發(fā)送的數(shù)據(jù)送給nRF905模塊，設(shè)置TRX_CE、TXEN為高以激活nRF9E5進(jìn)入發(fā)送狀態(tài)。無線系統(tǒng)自動(dòng)上電，數(shù)據(jù)自動(dòng)加前導(dǎo)碼和CRC校驗(yàn)，然后發(fā)送數(shù)據(jù)包。具體過程如程序清單2所示。

程序清單2：
//-------------------
//發(fā)送數(shù)據(jù)包
//-------------------
void TransmitPacket(INT8U *pBuf)
{
INT8U i;
RACSN = 0;
SpiReadWrite(WTP);
for (i=0; iNrf9e5Config[10]; i++)
{
SpiReadWrite(pBuf[i]); //寫入發(fā)送緩沖區(qū)
}
RACSN = 1;
TXEN = 1;
TRX_CE = 1; //使能發(fā)送
Delay100us(1);
TRX_CE = 0; //發(fā)送完畢
}

當(dāng)要接收數(shù)據(jù)時(shí)，通過設(shè)置TRX_CE為高、TXEN為低，使nRF9E5進(jìn)入接收狀態(tài)。當(dāng)nRF9E5監(jiān)測到和接收頻率相同的載波時(shí)，載波檢測（CD）被置高；當(dāng)接收到有效的地址時(shí)，地址匹配（AM）被置高；當(dāng)接收到有效的數(shù)據(jù)包（CRC校驗(yàn)正確）時(shí)，數(shù)據(jù)就緒（DR）置高。接收數(shù)據(jù)的具體程序清單不再列出。

當(dāng)需要將接收到的數(shù)據(jù)通過RS-232串口輸出時(shí)，首先要進(jìn)行串口初始化，開啟nRF9E5管腳P0.1、P0.2的第二功能，具體過程見程序清單3。

程序清單3：
//-------------------
//串口初始化
//-------------------
void InitUart(void)
{
TH1=243;
CKCON|=0x10;
PCON=0x80; // 設(shè)置波特率
SCON=0x52; // 模式1，使能接收
TMOD=～0x30;
TMOD|=0x20;
TR1=1; //定時(shí)器1開啟
P0_ALT|=0x06; //串口使能
P0_DIR|=0x02; //P0.1 輸入
P0_DIR=0xfb; //P0.2輸出
ES=0;
}

結(jié)束語

本文基于nRF9E5和DS18B20設(shè)計(jì)了一個(gè)無線測溫系統(tǒng)，具有體積小、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，適用于采油廠、發(fā)電廠、鉆井施工等不宜進(jìn)行有線測溫的場合，應(yīng)用前景廣闊。