馬臣崗,孟立凡

(中北大學 儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室,太原 030051)

馬臣崗(碩士研究生),主要研究方向為測試計量技術(shù)及儀器。

隨著科學技術(shù)的發(fā)展,簡單、方便、實用的東西越來越受到人們的喜愛。無線通信技術(shù)的發(fā)展為人們的生活、生產(chǎn)帶來了極大的改變,節(jié)省了大量的人力、物力資源?，F(xiàn)在,無線通信技術(shù)已經(jīng)應用到生活的方方面面。在一些不利于有線通信的場所,無線通信技術(shù)更是起到了不可替代的作用。小到對講機,大到移動通信網(wǎng)絡,它們無疑在改變著人們的生活方式。比如在生產(chǎn)環(huán)境惡劣的生產(chǎn)車間,工作人員不能長時間停留在現(xiàn)場觀察設備是否運行正常,就需要將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭粋€環(huán)境相對好的控制室內(nèi),工作人員可以在這里觀察整個生產(chǎn)線的一舉一動。由于廠房大、監(jiān)測點多等原因,需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)多,使用傳統(tǒng)的有線數(shù)據(jù)傳輸方式就需要鋪設很多很長的線纜,浪費資源,占用空間,可操作性差,出現(xiàn)錯誤時換線困難。顯然,采用有線數(shù)據(jù)傳輸弊端很多,因此采用無線數(shù)據(jù)傳輸方式可大大改觀有線方式的不足。又如在冷庫等不利于工作人員天天進出的場所,采用無線數(shù)據(jù)發(fā)射方式可以避免進出困難,同時無線發(fā)射裝置的移植性好,可隨時安裝或拆除?；谝陨峡紤],本文設計探討了基于TDK5110與TDA 5220的無線溫度采集系統(tǒng)。

1 無線數(shù)據(jù)傳輸原理

系統(tǒng)由兩部分組成,通過無線方式聯(lián)系在一起。第一部分作為溫度采集與發(fā)射部分,置于被測環(huán)境中。這部分上電后開始測量溫度,并將測得的溫度數(shù)據(jù)實時發(fā)送出去。第二部分作為溫度接收和處理部分,上電后開始接收第一部分發(fā)射過來的溫度數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)送給計算機進行存儲和處理。系統(tǒng)的整體設計硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

圖1的上側(cè)為溫度采集與發(fā)射部分原理框圖,該部分通過發(fā)射芯片TDK 5110向下側(cè)的溫度接收與處理部分發(fā)送溫度數(shù)據(jù),同時通過接收芯片 TDA5220接收上側(cè)溫度采集與發(fā)射部分發(fā)送過來的溫度值,通過主控器AT89C52把溫度值送給計算機。

2 發(fā)射/接收芯片參數(shù)及電路設計

2.1 發(fā)射芯片

英飛凌TDK 5110是一塊工作頻段在434/868 MHz的單芯片ASK/FSK發(fā)送器。芯片具有相當高的系統(tǒng)集成度,片上完全集成了PLL合成器和一個高效率功放以驅(qū)動天線,所以使用時只需要非常少的外圍電路,適合電路的微型要求。另外其獨到的電路和功放模塊設計以及睡眠、PLL起振和發(fā)射三種模式的設置使得芯片具有很好的低功耗特性。

對于FSK調(diào)制電路的設計,需要分析圖2所示電路對發(fā)送信號頻率的影響。

圖2 FSK調(diào)制局部結(jié)構(gòu)圖

其中,CL表示晶振的負載電容;Csw是FSK開關的對地電容,包括了布線時的分布電容,一般可以3 pF計入;對于13.56 MHz的晶振,R=100Ω;L=4.6μH 。該電路是通過外接的Cv1、Cv2值改變晶振負載電容來實現(xiàn)頻率變化的。當FSKDTA=0,開關閉合,Cv2和Csw都被短路,Cv1和 L構(gòu)成等效負載電容;當開關打開時,Csw、Cv2都計入回路,Cv1、Csw、Cv2和 L構(gòu)成等效負載電容。晶振振蕩頻率與負載電容之間的關系為:

其中:

CL為晶體振蕩在中心頻率 f時所要求的負載電容。

C0、C1為晶振內(nèi)部等效電容值。

f′=32f,為晶振振蕩在中心頻率f時的發(fā)射頻率。

Δf為想要實現(xiàn)的距離晶振中心振蕩頻率的頻偏。

當采用 TDK5110推薦的NX6035SA晶振時,f=13.568 75 MHz,C0=1.5 pF,C1=5.8 pF,CL=12 pF。

假設為實現(xiàn)“0”的發(fā)射 Δf,計算得到CL0值。但由于芯片內(nèi)部等效電感的存在,需要修正Cv1值,此時開關閉合,所以修正式子:

其中ω0為發(fā)射“0”時晶振振蕩角頻率。

在晶振f=13.568 75 MHz時,芯片等效電感L=4.6 μH,所以計算可得Cv1=10 pF。

同樣實現(xiàn)“1”的發(fā)射Δf,計算得到CL1值為此時晶振回路中Cv2和Csw并聯(lián)后再與Cv1、L串聯(lián)后的等效電容值。即

其中ω1為發(fā)射“1”時晶振振蕩角頻率。計算得到

從中可以看出,在Cv1不變情況下,增大Cv2的取值可以減小表示“1”的發(fā)送信號頻率;在Cv2不變的情況下,增大Cv1也可以減小發(fā)射頻率。

本設計采用FSK調(diào)制模式,其時序圖如圖3所示,根據(jù)此時序圖,發(fā)射端單片機選擇Atmel公司的AT 89C52,用單片機的控制口P0.1、P0.2分別作為發(fā)射芯片的FSKDTA和ASKDTA進行數(shù)據(jù)的調(diào)制控制。根據(jù)前面計算,設計發(fā)射芯片部分電路如圖4所示。

圖3 TDK5110時序圖

圖4 發(fā)射電路設計

2.2 接收芯片

與TDK5110相對應的接收芯片為TDA5220,TDA5220是低功耗的單片F(xiàn)SK/ASK超外差接收芯片,工作在ISM 的810～870 MHz以及400～440 MHz頻段。接收端選擇與發(fā)射端相同的FSK數(shù)據(jù)調(diào)制方式,此時電流的消耗為5.9 m A,接收靈敏度為100 dBm,在低功耗模式下電流消耗為50 nA。接收天線選擇鞭狀天線,其長度為λ/4(λ為其接收信號的波長),接收信號的頻率為434 MHz,故天線長度大約為17.3 cm,此天線接收信號很靈敏。信號通過天線接收到以后,通過1個LC濾波器進入LNA(低噪聲放大器),把微弱的信號放大。由于LNA本身具有噪聲,故需要通過第2個LC濾波網(wǎng)絡進行濾波,然后進入混頻器,與晶振通過鎖相環(huán)倍頻的信號進行混頻。混頻后的信號通過中頻濾波器(IF filter)進入限幅器,再經(jīng)過數(shù)字濾波器、數(shù)據(jù)限制器送入單片機作進一步的解碼處理。

在接收端晶振電路的設計需要考慮以下因素:晶振頻率的大小依據(jù)fQU=(fRF-10.7 MHz)/r計算,其中,fQU為晶振的頻率,fRF為接收到的信號頻率,r為鎖相環(huán)的倍頻系數(shù),10.7 MHz為中頻濾波器的中心頻率。根據(jù)發(fā)射信號的頻率為434 MHz的實際情況,本例中,fRF=434 MHz,r=32,故晶振頻率 fQU=(434 MHz-10.7 MHz)/32=13.234 MHz。晶振的負載電容為C l,所需要的電容C S的計算公式為CS=1/(1/C1+2πfxL)。例如,晶振頻率為 13.4 MHz時,Cl=12 pF,XL=1 010Ω,CS=5.94 pF,所以通過兩個電容串聯(lián)而成。兩個電容的電容值不一樣,這有利于晶振的起振。實際應用中兩電容分別選擇為22 pF和8.2 pF。

接收端的單片機同樣選擇Atmel公司的AT 89C52。接收芯片的外圍接口電路如圖5所示。

圖5 接收芯片外圍接口電路

接收端要同時接收來自不同溫度傳感器的數(shù)據(jù)信息,要區(qū)分數(shù)據(jù)信息來自于哪個DS18B20傳感器,就需要給DS 18B20傳感器編上序號。Dallas公司的溫度傳感器芯片DS18B20就為每一個傳感器編了惟一的序號,在提取每一個傳感器的相關信息時首先讀取該傳感器的序號,據(jù)此就可以確定傳感器的位置。

3 軟件設計與調(diào)試

系統(tǒng)啟動后,通過發(fā)射模塊內(nèi)的單片機讀取溫度傳感器芯片DS18B20所測量到的溫度值。溫度傳感器芯片與單片機之間的數(shù)據(jù)傳輸主要通過單總線協(xié)議完成,這樣為連接多個溫度傳感器提供了有利條件。單片機在接收到數(shù)據(jù)后通過SPI總線協(xié)議方式發(fā)送給發(fā)射模塊TDK5110,發(fā)射模塊TDK5110把溫度信息和溫度傳感器的序號發(fā)送出去。接收端上電開始工作,通過接收發(fā)射端傳輸過來的相關溫度數(shù)據(jù)信息,接收芯片通過SPI總線協(xié)議將數(shù)據(jù)暫存在單片機AT 89C52中,單片機通過RS-232總線方式將數(shù)據(jù)傳送到計算機上,實時地監(jiān)測工作場內(nèi)的溫度變化情況。當溫度低于某個設定的閾值時,通過警報方式提醒工作人員的注意,以便采取相應的措施。該系統(tǒng)中,無線數(shù)據(jù)傳輸問題是整個系統(tǒng)的關鍵部分,本設計在實驗室條件下已經(jīng)取得了預期的效果。由于實際的環(huán)境條件遠比實驗室復雜,所以要在實際的生產(chǎn)中使用,還需要更多實驗以及現(xiàn)場調(diào)試,并在此基礎上作一些調(diào)整與改進。

結(jié) 語

本文提出了一種基于發(fā)射模塊TDK 5110以及無線接收模塊TDA5220設計的無線溫度監(jiān)控系統(tǒng),具體討論了各模塊的參數(shù)設計。該系統(tǒng)與PC機相連實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲、處理等,還可以連接調(diào)溫裝置實現(xiàn)溫度的實時控制等。該系統(tǒng)裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、抗干擾性強、性能穩(wěn)定等特點,可應用于各種惡劣的測溫環(huán)境中。

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