基于CC2430和DS18B20的無(wú)線(xiàn)測溫系統設計
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本文從低功耗、小體積、使用簡(jiǎn)單等方面考慮，基于射頻SoCCC2430和數字溫度傳感器DS18B20設計了一個(gè)無(wú)線(xiàn)測溫系統，整個(gè)系統由多個(gè)無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)和1個(gè)基站組成。無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)工作在各個(gè)測溫地點(diǎn)，進(jìn)行溫度數據采集和無(wú)線(xiàn)發(fā)送?；九c多個(gè)節點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信，并通過(guò)數碼管將數據顯示出來(lái)，同時(shí)可以通過(guò)RS-232串口將數據發(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標準的射頻收發(fā)器.利用此芯片開(kāi)發(fā)的無(wú)線(xiàn)通信設備支持數據傳輸率高達250kbit/s可以實(shí)現多點(diǎn)對多點(diǎn)的快速組網(wǎng)。CC2430的主要性能參數如下：
(1)工作頻帶范圍：2.400～2.4835GHz； (2)采用IEEE802.15.4規范要求的直接序列擴頻方式；
(3)數據速率達250kbit/s碼片速率達2MChip/s；
(4)采用o-QPSK調制方式；
(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(39dB)；
(7)內部集成有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、16bitCRC校驗、電源檢測、完全自動(dòng)MAC層安全保護(CTR,CBC－MAC,CCM)；
(10)與控制微處理器的接口配置容易(4總線(xiàn)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在智能交通系統中的應用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)為芯片內部的PA及LNA提供直流偏置。
CC2430可以通過(guò)4線(xiàn)SPI總線(xiàn)(SI、SO、SCLK、CSn)設置芯片的工作模式 并實(shí)現讀／寫(xiě)緩存數據 讀／寫(xiě)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)行的地址和數據傳輸大多是MSB優(yōu)先的。
CC2420片內有33個(gè)16比特狀態(tài)設置寄存器,在每個(gè)寄存器的讀／寫(xiě)周期中,SI總線(xiàn)上共有24比特數據,分別為:1比特RAM／寄存器選擇位(0:寄存器，1:RAM),1比特讀／寫(xiě)控制位(0:寫(xiě)，1:讀),6比特地址選擇位、16比特數據位。在數據傳輸過(guò)程中CSn必須始終保持低電平。另外,通過(guò)CCA管腳狀態(tài)的設置可以控制清除通道估計,通過(guò)SFD管腳狀態(tài)的設置可以控制時(shí)鐘／定時(shí)信息的輸入。這些接口必須與微處理器的相應管腳相連來(lái)實(shí)現系統射頻功能的控制與管理。CC2430先將要傳輸的數據流進(jìn)行變換,每個(gè)字節被分組為兩個(gè)符號,每個(gè)符號包括4個(gè)比特LSB優(yōu)先傳輸。每個(gè)被分組的符號用32碼片的偽隨機序列表示,共有16個(gè)不同的32碼片偽隨機序列。經(jīng)過(guò)DSSS擴頻變換后,碼片速率達到2Mchips/s，此碼片序列再經(jīng)過(guò)O-QPSK調制,每個(gè)碼片被調制為半個(gè)周期的正弦波。碼片流通過(guò)I/Q通道交替傳輸,兩通道延時(shí)為半個(gè)碼片周期。
CC2430為IEEE802.15.4的數據幀格式提供硬件支持。其MAC層的幀格式為 頭幀＋數據幀＋校驗幀；PHY層的幀格式為,同步幀＋PHY頭幀＋MAC幀,幀頭序列的長(cháng)度可以通過(guò)寄存器的設置來(lái)改變?？梢圆捎?6位CRC校驗來(lái)提高數據傳輸的可靠性。發(fā)送或接收的數據幀被送入RAM中的128字節的緩存區進(jìn)行相應的幀打包和拆包操作。
DS18B20概述
DS18B20是美國DALLAS公司的“單總線(xiàn)”數字溫度傳感器，它具有結構簡(jiǎn)單、體積小、功耗低、無(wú)須外接元件、用戶(hù)可自行設定預警上下限溫度等特點(diǎn)?！皢慰偩€(xiàn)”結構獨特而且經(jīng)濟，采用一根I/O數據線(xiàn)既可供電又可傳輸數據，使用戶(hù)可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò )，為測量系統的構建引入全新概念。
3引腳封裝的DS18B20形如一只三極管，其內部結構如圖2所示。主要由四部分組成：64位光刻ROM、溫度傳感器、非易失性的溫度報警觸發(fā)器和配置寄存器。此外，還有電源檢測模塊、存儲和控制邏輯器、中間結果緩存器和8位循環(huán)冗余校驗碼（CRC）發(fā)生器。
ROM中的64位序列號是出廠(chǎng)前被光刻好的，可以看作該DS18B20的地址序列碼，每個(gè)DS18B20的64位序列號均不相同，這樣就可以實(shí)現一根總線(xiàn)上掛接多個(gè)DS18B20的目的。DS18B20內部的RAM由9個(gè)字節的高速緩存器和E2PROM組成，數據先寫(xiě)入高速緩存器，經(jīng)校驗后再傳送給E2PROM。通過(guò)DS18B20功能命令對RAM進(jìn)行操作。
DS18B20的測量溫度范圍為-55℃～125℃,在-10℃～85℃范圍內，精度為0.5℃，可編程設定9～12位的分辨率，默認值為12位，轉換12位溫度信號所需時(shí)間為750ms（最大）。檢測溫度由2字節組成，字節1的高5位S代表符號位，字節0的低4位是小數部分，中間7位是整數部分。
無(wú)線(xiàn)測溫系統組成及硬件設計
無(wú)線(xiàn)測溫系統主要可分為基站和無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)兩大部分。每套系統一般只有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RS-232電平與TTL電平之間的轉換。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范圍內都可以正常工作。
基站接收到數據后，將溫度信息通過(guò)數碼管（或液晶顯示屏）顯示出來(lái)，根據需要，還可以通過(guò)RS-232接口與PC進(jìn)行通信。為簡(jiǎn)化系統，本設計直接用CC2430的I0口驅動(dòng)數碼管，但是I0口不具備數據保持能力，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)蜂鳴器作為報警裝置，當溫度超過(guò)設定范圍時(shí)，鳴叫報警。射頻天線(xiàn)采用單鞭天線(xiàn)。
無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)分布在溫度采集點(diǎn)，由數字溫度傳感器DS18B20、射頻CC2430、天線(xiàn)及電池組成。在實(shí)際應用中，可以有多個(gè)無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)，它們與基站之間通過(guò)射頻進(jìn)行無(wú)線(xiàn)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(xiàn)節點(diǎn)的天線(xiàn)根據實(shí)際需要可選用單鞭天線(xiàn),陶瓷天線(xiàn)或PCB印制天線(xiàn)
基于CC2430和DS18B20的無(wú)線(xiàn)測溫系統工作原理及ZigBee網(wǎng)絡(luò )
在系統中的工作架構無(wú)線(xiàn)溫度信號控制系統的管理模式就是集中管理，分級控制，充分利用現有設施，按實(shí)際現狀先進(jìn)行單個(gè)用戶(hù)的自適應協(xié)調，然后是主干線(xiàn)的協(xié)調控制，實(shí)現分布式協(xié)調的分級控制，最終達到區域控制的系統最優(yōu)?！ ?
基于CC2430和DS18B20的無(wú)線(xiàn)測溫的系統，系統具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：
(1)整個(gè)控制系統的各個(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)，維護保養十分方便，只需更換相應節點(diǎn)即可，避免了傳統控制線(xiàn)路本身帶來(lái)許多麻煩，從而大大減少了設備購置成本，建設安裝成本和系統維護成本。
?。?）卓越的物理性能，整個(gè)網(wǎng)絡(luò )所使用的無(wú)線(xiàn)頻率是國際通用的免費頻段(2.4~2.48GHzISM)，傳輸的方式是抗干擾能力強的直序擴頻方式（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，ZigBee的自組織功能：無(wú)需人工干預，網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)能夠感知其他節點(diǎn)的存在，并確定連接關(guān)系，組成結構化的網(wǎng)絡(luò )；ZigBee自愈功能：增加或者刪除一個(gè)節點(diǎn)，節點(diǎn)位置發(fā)生變動(dòng)，節點(diǎn)發(fā)生故障等，網(wǎng)絡(luò )都能夠自我修復，并對網(wǎng)絡(luò )拓撲結構進(jìn)行相應地調整，無(wú)需人工干預，保證整個(gè)系統仍然能正常工作。
結束語(yǔ)
通過(guò)系統的設計和對于CC2430芯片的使用，感覺(jué)到ZigBee無(wú)線(xiàn)溫度傳感網(wǎng)絡(luò )應用前景非常廣闊，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(xiàn)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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