基于PSoC的飛艇智能無(wú)線(xiàn)溫度采集系統設計

由于飛艇具有航程遠、續航能力強、載荷量大等特點(diǎn)，成為人們越來(lái)越青睞的運輸工具。飛艇的特點(diǎn)就是用充滿(mǎn)氦氣的氣囊來(lái)產(chǎn)生巨大的浮力以便于承載物體的重量。但是,由于飛艇受太陽(yáng)光直射、環(huán)境溫度變化等原因，隨著(zhù)飛艇氣囊內浮升氣體溫度的升高，飛艇會(huì )逐漸升高，氣壓也會(huì )隨著(zhù)溫度的升高而發(fā)生變化，從而使氣囊體積發(fā)生變化。并且，由于溫度升高、浮力上升，會(huì )使飛艇偏離原來(lái)已經(jīng)設定好的高度，無(wú)法精確地實(shí)現對飛艇的控制。因此，需使用多個(gè)溫度傳感器采集飛艇內部的溫度并用無(wú)線(xiàn)傳輸模塊發(fā)送給飛艇飛控中心，再用數據鏈發(fā)送到地面站，以便于地面站工作人員對飛艇進(jìn)行控制,使飛艇運行在安全可靠的高度。

1 系統工作原理及硬件結構

基于PSoC的飛艇艇內溫度采集系統的硬件部分主要包括溫度采集、節點(diǎn)組網(wǎng)和數據發(fā)送三部分。由于飛艇內部空間比較大，通常由幾個(gè)隔艙組成，其各部分的溫度是不一樣的，因此，飛艇的靜升力也會(huì )有所不同，飛艇首尾各部分所受到的升力也會(huì )不一樣，飛艇的穩定性就會(huì )受到一定的影響。通過(guò)溫度傳感器采集艇內各節點(diǎn)的溫度，與PSoC芯片和無(wú)線(xiàn)發(fā)射模塊組成一個(gè)個(gè)從節點(diǎn)，再通過(guò)從節點(diǎn)把數據發(fā)送給總節點(diǎn)，從而達到測量飛艇內部不同點(diǎn)溫度的目的。

1.1 系統總體框架

基于PSoC的飛艇艇內溫度采集系統中，在飛艇內部要測量溫度的地方布上從節點(diǎn)，從節點(diǎn)主要由PSoC芯片、溫度傳感器DS18B20和無(wú)線(xiàn)傳輸模塊nRF24L01組成。一個(gè)從節點(diǎn)可以?huà)鞄讉€(gè)溫度傳感器。由各個(gè)從節點(diǎn)組成一個(gè)大的總節點(diǎn)，把各個(gè)從節點(diǎn)測量到的溫度數據通過(guò)各自的無(wú)線(xiàn)傳輸模塊發(fā)送到總節點(diǎn),再由總節點(diǎn)把各個(gè)溫度傳感器采集到的數據通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸模塊發(fā)送到飛艇飛控中心，由飛控中心通過(guò)下行數據鏈把數據發(fā)送到地面站去處理，通過(guò)分析處理得到飛艇的高度、溫度等數據，再通過(guò)上行數據鏈把控制指令發(fā)送給飛控中心，調整飛艇的姿態(tài)、俯仰、舵機，從而控制飛艇的高度，使飛艇內部壓力減小、溫度降低，從而對飛艇的穩定性進(jìn)行控制。飛艇溫度采集與處理的框架圖如圖1所示。

1.2 系統溫度采集與數據發(fā)送

PSoC模塊是整個(gè)溫度采集系統的控制核心，除了要對溫度采集進(jìn)行控制外，還要通過(guò)發(fā)射模塊把采集到的從節點(diǎn)的數據發(fā)送給總節點(diǎn)并通過(guò)UATR把采集到的所有數據發(fā)送給飛控中心進(jìn)行處理分析。

PSoC(Programmable System-on-Chip)是Cypress公司生產(chǎn)的一種可編程片上系統，它是在一個(gè)專(zhuān)有的MCU內核周?chē)闪丝膳渲玫哪M和數字外圍器件陣列PSoC塊，利用芯片內部的可編程互聯(lián)陣列，有效地配置芯片上的模擬和數字塊資源，達到可編程片上系統的目的。PSoC集MCU的可編程序、部分可編程邏輯運算功能、可編程模擬陣列于一體。PSoC的數字資源(如定時(shí)器、PWM、UART等)和模擬資源(如放大器、比較器、濾波器等)以數字模塊和模擬模塊的方式給出。不同型號的PSoC芯片的差異主要在于其擁有的數字模塊和模擬模塊的數量不同[1，2]。PSoC最顯著(zhù)的特征是可以把芯片內集成的基本數字單元和模擬單元配置成用戶(hù)所需要的多種形式的數字、模擬或混合信號模塊。

PSoC應用系統是指以PSoC單片機為核心，配以一定的外部功能擴展和外圍電路以及軟件，能夠完整地實(shí)現某種或多種功能。PSoC應用系統設計應包括系統硬件設計、PSoC接口配置、PSoC軟件設計、系統調試與程序下載。然后將調試成功的程序固化到芯片[2]。各部分詳細內容及流程圖如圖2所示。

本系統采用的是28管腳的CY8C24533芯片，它有16 KB的Flash;5種類(lèi)型的AD，精度可達14 bit，5種類(lèi)型的DA，精度可達8 bit，并且管腳可配置;5種放大器以及2種濾波器;還擁有IrDA、SPI、UART等。

溫度采集芯片主要采用DALLAS公司生產(chǎn)的單總線(xiàn)數字溫度傳感器DS18B20，可把溫度信號直接轉換成串行數字信號。DS18B20在與微處理器連接時(shí)僅需要一條線(xiàn)即可實(shí)現微處理器與DS18B20的雙向通信;支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，測溫范圍為-55 ℃~+125 ℃，固有分辨率為0.5 ℃,而且價(jià)格也比較便宜,性能穩定[3，4]。

發(fā)送模塊nRF24L01是整個(gè)系統的紐帶。nRF24L01是一款低成本無(wú)線(xiàn)收發(fā)器，內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調制器等功能模塊。芯片具備自動(dòng)應答和自動(dòng)重發(fā)功能，速度可達2 Mb/s，其輸出功率、頻道選擇以及協(xié)議設置都可以通過(guò)SPI口進(jìn)行設置。nRF24L01有收發(fā)、配置、空閑和關(guān)機4種工作模式，從而實(shí)現了數據從微控制器的低速傳入和高速發(fā)送，降低了系統功耗[4]。