基于CC2430和DS18B20的無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)
本文從低功耗、小體積、使用簡(jiǎn)單等方面考慮,基于射頻SoCCC2430和數(shù)字溫度傳感器DS18B20設(shè)計(jì)了一個(gè)無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng),整個(gè)系統(tǒng)由多個(gè)無(wú)線節(jié)點(diǎn)和1個(gè)基站組成。無(wú)線節(jié)點(diǎn)工作在各個(gè)測(cè)溫地點(diǎn),進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)采集和無(wú)線發(fā)送?;九c多個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線通信,并通過(guò)數(shù)碼管將數(shù)據(jù)顯示出來(lái),同時(shí)可以通過(guò)RS-232串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給PC。
CC2430簡(jiǎn)介
CC2430是TI/ChipconAs公司最新推出的符合2.4GIEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的射頻收發(fā)器.利用此芯片開(kāi)發(fā)的無(wú)線通信設(shè)備支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸率高達(dá)250kbit/s可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的快速組網(wǎng)。CC2430的主要性能參數(shù)如下:
(1)工作頻帶范圍:2.400~2.4835GHz; (2)采用IEEE802.15.4規(guī)范要求的直接序列擴(kuò)頻方式;
(3)數(shù)據(jù)速率達(dá)250kbit/s碼片速率達(dá)2MChip/s;
(4)采用o-QPSK調(diào)制方式;
(5)超低電流消耗(RX:19.7mA,TX:17.4mA)高接收靈敏度(-99dBm);
(6)抗鄰頻道干擾能力強(qiáng)(39dB);
(7)內(nèi)部集成有VCO、LNA、PA以及電源整流器 采用低電壓供電(2.1~3.6V);
(8)輸出功率編程可控;
(9)IEEE802.15.4MAC層硬件可支持自動(dòng)幀格式生成、同步插入與檢測(cè)、16bitCRC校驗(yàn)、電源檢測(cè)、完全自動(dòng)MAC層安全保護(hù)(CTR,CBC-MAC,CCM);
(10)與控制微處理器的接口配置容易(4總線SPI接口);
(11)采用QLP-48封裝,外形尺寸只有77mm。CC2430只需要極少的外圍元器件,其典型應(yīng)用電路如圖2所示。它的外圍電路包括晶振時(shí)鐘電路、射頻輸入/輸出匹配電路和微控制器接口電路3個(gè)部分。
芯片本振信號(hào)既可由外部有源晶體提供,有晶振1為基于CC2430芯片的ZigBee在智能交通系統(tǒng)中的應(yīng)用32MHz,晶振2為32.768kHz。射頻輸入/輸出匹配電路主要用來(lái)匹配芯片的輸入輸出阻抗,使其輸入輸出阻抗為60Ω,同時(shí)為芯片內(nèi)部的PA及LNA提供直流偏置。
CC2430可以通過(guò)4線SPI總線(SI、SO、SCLK、CSn)設(shè)置芯片的工作模式 并實(shí)現(xiàn)讀/寫緩存數(shù)據(jù) 讀/寫狀態(tài)寄存器等。通過(guò)控制FIFO和FIFOP管腳接口的狀態(tài)可設(shè)置發(fā)射/接收緩存器。注意:在SPI總接口上進(jìn)行的地址和數(shù)據(jù)傳輸大多是MSB優(yōu)先的。
CC2420片內(nèi)有33個(gè)16比特狀態(tài)設(shè)置寄存器,在每個(gè)寄存器的讀/寫周期中,SI總線上共有24比特?cái)?shù)據(jù),分別為:1比特RAM/寄存器選擇位(0:寄存器,1:RAM),1比特讀/寫控制位(0:寫,1:讀),6比特地址選擇位、16比特?cái)?shù)據(jù)位。在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中CSn必須始終保持低電平。另外,通過(guò)CCA管腳狀態(tài)的設(shè)置可以控制清除通道估計(jì),通過(guò)SFD管腳狀態(tài)的設(shè)置可以控制時(shí)鐘/定時(shí)信息的輸入。這些接口必須與微處理器的相應(yīng)管腳相連來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)射頻功能的控制與管理。CC2430先將要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流進(jìn)行變換,每個(gè)字節(jié)被分組為兩個(gè)符號(hào),每個(gè)符號(hào)包括4個(gè)比特LSB優(yōu)先傳輸。每個(gè)被分組的符號(hào)用32碼片的偽隨機(jī)序列表示,共有16個(gè)不同的32碼片偽隨機(jī)序列。經(jīng)過(guò)DSSS擴(kuò)頻變換后,碼片速率達(dá)到2Mchips/s,此碼片序列再經(jīng)過(guò)O-QPSK調(diào)制,每個(gè)碼片被調(diào)制為半個(gè)周期的正弦波。碼片流通過(guò)I/Q通道交替?zhèn)鬏?兩通道延時(shí)為半個(gè)碼片周期。
CC2430為IEEE802.15.4的數(shù)據(jù)幀格式提供硬件支持。其MAC層的幀格式為 頭幀+數(shù)據(jù)幀+校驗(yàn)幀;PHY層的幀格式為,同步幀+PHY頭幀+MAC幀,幀頭序列的長(zhǎng)度可以通過(guò)寄存器的設(shè)置來(lái)改變??梢圆捎?6位CRC校驗(yàn)來(lái)提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。發(fā)送或接收的數(shù)據(jù)幀被送入RAM中的128字節(jié)的緩存區(qū)進(jìn)行相應(yīng)的幀打包和拆包操作。
DS18B20概述
DS18B20是美國(guó)DALLAS公司的“單總線”數(shù)字溫度傳感器,它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、功耗低、無(wú)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)?!皢慰偩€”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(cè)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(cè)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。
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(guò)DS18B20功能命令對(duì)RAM進(jìn)行操作。
DS18B20的測(cè)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(cè)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(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)組成及硬件設(shè)計(jì)
無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)主要可分為基站和無(wú)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。
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MAX3221芯片實(shí)現(xiàn)RS-232電平與TTL電平之間的轉(zhuǎn)換。MAX3221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(guò)數(shù)碼管(或液晶顯示屏)顯示出來(lái),根據(jù)需要,還可以通過(guò)RS-232接口與PC進(jìn)行通信。為簡(jiǎn)化系統(tǒng),本設(shè)計(jì)直接用CC2430的I0口驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管,但是I0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(guò)設(shè)定范圍時(shí),鳴叫報(bào)警。射頻天線采用單鞭天線。
無(wú)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CC2430、天線及電池組成。在實(shí)際應(yīng)用中,可以有多個(gè)無(wú)線節(jié)點(diǎn),它們與基站之間通過(guò)射頻進(jìn)行無(wú)線通信。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D1腳由上拉電阻置為高電平。無(wú)線節(jié)點(diǎn)的天線根據(jù)實(shí)際需要可選用單鞭天線,陶瓷天線或PCB印制天線
基于CC2430和DS18B20的無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)工作原理及ZigBee網(wǎng)絡(luò)
在系統(tǒng)中的工作架構(gòu)無(wú)線溫度信號(hào)控制系統(tǒng)的管理模式就是集中管理,分級(jí)控制,充分利用現(xiàn)有設(shè)施,按實(shí)際現(xiàn)狀先進(jìn)行單個(gè)用戶的自適應(yīng)協(xié)調(diào),然后是主干線的協(xié)調(diào)控制,實(shí)現(xiàn)分布式協(xié)調(diào)的分級(jí)控制,最終達(dá)到區(qū)域控制的系統(tǒng)最優(yōu)。
基于CC2430和DS18B20的無(wú)線測(cè)溫的系統(tǒng),系統(tǒng)具有以下幾個(gè)特點(diǎn):
(1)整個(gè)控制系統(tǒng)的各個(gè)模塊具有高集成度、高可靠性和低功耗、低成本、體積小等優(yōu)點(diǎn),維護(hù)保養(yǎng)十分方便,只需更換相應(yīng)節(jié)點(diǎn)即可,避免了傳統(tǒng)控制線路本身帶來(lái)許多麻煩,從而大大減少了設(shè)備購(gòu)置成本,建設(shè)安裝成本和系統(tǒng)維護(hù)成本。
?。?)卓越的物理性能,整個(gè)網(wǎng)絡(luò)所使用的無(wú)線頻率是國(guó)際通用的免費(fèi)頻段(2.4~2.48GHzISM),傳輸?shù)姆绞绞强垢蓴_能力強(qiáng)的直序擴(kuò)頻方式(DSSS),特別適合在干擾較大的環(huán)境中使用。
?。?)網(wǎng)絡(luò)的自組織、自愈能力強(qiáng),ZigBee的自組織功能:無(wú)需人工干預(yù),網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能夠感知其他節(jié)點(diǎn)的存在,并確定連接關(guān)系,組成結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)絡(luò);ZigBee自愈功能:增加或者刪除一個(gè)節(jié)點(diǎn),節(jié)點(diǎn)位置發(fā)生變動(dòng),節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障等,網(wǎng)絡(luò)都能夠自我修復(fù),并對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)地調(diào)整,無(wú)需人工干預(yù),保證整個(gè)系統(tǒng)仍然能正常工作。
結(jié)束語(yǔ)
通過(guò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和對(duì)于CC2430芯片的使用,感覺(jué)到ZigBee無(wú)線溫度傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用前景非常廣闊,CC2430芯片是真正意義上的SOC芯片,使得我們開(kāi)發(fā)ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)會(huì)更加方便,產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期會(huì)大大縮短。
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