張玲玲，王建中，石 磊

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第58研究所，江蘇 無(wú)錫 214035）

1 前言

隨著物聯(lián)網(wǎng)概念的日漸普及，傳感器市場(chǎng)再次迎來(lái)快速發(fā)展的機(jī)遇。傳感器主要包括壓力傳感器、溫度傳感器、流量傳感器、水平傳感器、無(wú)線傳感器和生物傳感器等等。傳感器是信息產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，可以應(yīng)用于航天、軍工、醫(yī)療和汽車電子等方面。目前國(guó)際上集成化智能傳感器技術(shù)發(fā)展迅速，然而由于我國(guó)技術(shù)和資金等方面的不足，導(dǎo)致在傳感器的研究上落后于國(guó)外。

溫度是和人類生活環(huán)境密切相關(guān)的物理量，是工業(yè)過(guò)程三大參量（流量、壓力、溫度）之一，溫度測(cè)量是一個(gè)經(jīng)典的話題，長(zhǎng)久以來(lái)，在這方面已有多種測(cè)溫元件和傳感器得到普及，但是對(duì)于一些特殊行業(yè)或特定環(huán)境應(yīng)用，傳統(tǒng)的測(cè)量方式已不能滿足其需求。

因此，我們針對(duì)電力部門配電柜測(cè)溫監(jiān)控系統(tǒng)，從傳統(tǒng)的溫度傳感器入手，通過(guò)結(jié)合無(wú)線收發(fā)技術(shù)，研制開(kāi)發(fā)了無(wú)線溫度傳感器。本文主要講述該無(wú)線溫度傳感器硬件結(jié)構(gòu)及軟件處理過(guò)程。

2 無(wú)線溫度傳感器整體方案

2.1 整體方案框架

高精度無(wú)線數(shù)字化溫度傳感器應(yīng)該包含兩個(gè)主要部分：一部分是高精度的溫度測(cè)量（含發(fā)射）電路，另一部分是溫度信息處理（含接收）電路。溫度測(cè)量部分主要由高精度傳感器、MCU、電源控制電路和無(wú)線發(fā)射模塊構(gòu)成，見(jiàn)圖1。溫度處理部分主要由無(wú)線接收模塊、MCU、通訊接口電路和顯示模塊構(gòu)成，見(jiàn)圖2。

圖1 溫度測(cè)量電路框圖

圖2 溫度處理電路框圖

2.2 高精度傳感器的選擇

溫度傳感器的種類非常多，選擇的空間也很廣闊。傳統(tǒng)傳感元件可以使用熱電偶、熱電阻等測(cè)溫元件，也可以選用集成溫度傳感器。

對(duì)于傳統(tǒng)的傳感元件，由于測(cè)量精度比較低，因此只能使用在一些要求不高的場(chǎng)合。另外在使用時(shí)，傳統(tǒng)傳感元件還需要搭建額外的電路，需要進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換才能與控制器連接，因此不便于集成和小型化。在此，本文不對(duì)傳統(tǒng)傳感元件進(jìn)行深入探討。

本設(shè)計(jì)選擇的溫度傳感器是集成溫度傳感器，以下給出了兩種選擇：DS18B20和Tic。

表1 兩種溫度傳感器參數(shù)比較

從表1中可以看出，與DS18B20相比，Tic具有精度高、測(cè)量范圍寬、同等分辨率下轉(zhuǎn)換速度快、操作簡(jiǎn)單、支持模擬輸出等優(yōu)點(diǎn)。因此，本文選用Tic作為了高精度溫度傳感器。

2.3 MCU的選擇

目前，工程應(yīng)用比較主流的單片機(jī)是89C51系列。但是由于受到單片機(jī)指令運(yùn)行速度的影響，89C51單片機(jī)不能滿足數(shù)據(jù)高速采集的要求，同時(shí)它也不具備低功耗的要求，所以舍棄不用；此外可供選擇的還有高速數(shù)字信號(hào)處理器（DSP），它的特點(diǎn)是速度快、硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、I/O端口豐富、軟件編程靈活，但是由于其價(jià)格昂貴，對(duì)于批量生產(chǎn)的產(chǎn)品來(lái)說(shuō)沒(méi)有價(jià)格優(yōu)勢(shì)。

基于低功耗的設(shè)計(jì)要求以及價(jià)格方面的考慮，本設(shè)計(jì)中采用了PIC系列單片機(jī)作為微處理器單元，PIC系列擁有各種型號(hào)，選型靈活，其指令非常精簡(jiǎn)，執(zhí)行效率高，而且還具有低功耗睡眠模式。通訊的I/O端口也非常豐富，在大多數(shù)場(chǎng)合下基本可以滿足要求。

2.4 無(wú)線收發(fā)模塊

2.4.1 無(wú)線發(fā)射模塊

無(wú)線發(fā)射采用ASK調(diào)制方式，另外，由于目前系統(tǒng)都要求小型化，因此發(fā)射模塊不能采用市場(chǎng)上傳統(tǒng)的發(fā)射電路，需要應(yīng)用微帶天線技術(shù)將發(fā)射部分整合從而減小系統(tǒng)體積。詳細(xì)電路圖見(jiàn)圖3。

振蕩源采用聲表諧振器SAW穩(wěn)頻技術(shù)，頻率穩(wěn)定度極高。所謂SAW（Surface Acoustic Wave）器件是指利用壓電材料將高頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為表面彈性波，再用壓電材料反轉(zhuǎn)為高頻信號(hào)的器件。高頻三極管T1的基極通過(guò)SAW諧振器接地并通過(guò)R1接控制信號(hào)；高頻三極管T1的集電極連接阻抗匹配電路并通過(guò)電感L1接電源正極Vcc，電感L1和電源正極Vcc之間通過(guò)電容C1、C2接地，分別用于低頻（控制信號(hào)）和高頻（載波）去耦；高頻三極管T1的發(fā)射極通過(guò)電阻R2和電容C4接地。振蕩源的頻率輸出由SAW決定，常用的是315MHz或433.92MHz。

圖3 無(wú)線發(fā)射模塊

匹配網(wǎng)絡(luò)起到振蕩源與發(fā)射部分的橋梁作用。從振蕩源輸出的功率通過(guò)匹配網(wǎng)絡(luò)輸入到天線部分發(fā)射，但如何進(jìn)行有效的功率傳輸是硬件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，因?yàn)楦哳l三極管有效T1的S參數(shù)是隨頻率變化而改變的，即振蕩源輸出阻抗是隨頻率變化而變化的，對(duì)于不同的頻率（315 MHz、433.92 MHz、868 MHz等），其匹配電路是不同的。失配的電路工作電流大且輸出功率小，而匹配的電路在合理的電流下能輸出最大的功率。

2.4.2 無(wú)線接受模塊

本設(shè)計(jì)中無(wú)線模塊采用超外差接收模式，接收芯片是Infineon公司的TDA5201，通過(guò)選頻接收、混頻、比較實(shí)現(xiàn)有效數(shù)字信號(hào)的輸出。由于該芯片的應(yīng)用技術(shù)已較為成熟，在這里不再贅述，外圍配置電路見(jiàn)圖4。

圖4 無(wú)線接收模塊

2.5 數(shù)據(jù)編碼方式

數(shù)據(jù)的輸出一共有三個(gè)字節(jié)。第一個(gè)字節(jié)的8位和第二個(gè)字節(jié)的高4位是地址碼。第二個(gè)字節(jié)的低4位和第三個(gè)字節(jié)組成了溫度數(shù)據(jù)位。在每個(gè)數(shù)據(jù)包發(fā)送之前都有一個(gè)同步碼。當(dāng)檢查到正確溫度后，MCU將控制發(fā)射模塊連續(xù)發(fā)送3幀。圖5給出了同步碼、邏輯1和邏輯0的電平占空比。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 解碼原理

從數(shù)據(jù)編碼方式可以看出，每一幀之間都有同步碼隔開(kāi)，所以如果使用單片機(jī)軟件解碼，那么程序只要判斷出同步碼，然后對(duì)后面的字碼進(jìn)行脈沖寬度識(shí)別即可。以下給出了兩種解碼方法，并且假設(shè)已經(jīng)檢測(cè)出了同步碼。

（1）方法一：從第一個(gè)上升沿開(kāi)始延時(shí)450μs左右，檢測(cè)電平高低，高即為邏輯1，低即為邏輯0。重復(fù)上述方法，連續(xù)檢測(cè)，直到檢出所有碼位。

（2）方法二：從第一個(gè)上升沿開(kāi)始記時(shí)，并不斷檢測(cè)電平變化，一旦發(fā)現(xiàn)電平改變，立即記錄電平寬度，再繼續(xù)記時(shí)直到出現(xiàn)第二個(gè)上升沿，此時(shí)記錄下了兩次電平變化的脈沖寬度。重復(fù)以上步驟，判斷脈沖寬度是否符合邏輯1和邏輯0的占空比要求，正確則繼續(xù)譯碼，否則認(rèn)為誤碼，應(yīng)丟棄。連續(xù)正確檢測(cè)，直到譯碼結(jié)束。

圖5 數(shù)據(jù)編碼的占空比

兩種解碼方式的優(yōu)缺點(diǎn)如下：

方法一程序體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，MCU的開(kāi)銷小，但是精度差，當(dāng)MCU的時(shí)鐘頻率發(fā)生變化時(shí)容易產(chǎn)生誤操作；方法二程序解碼精度高，誤操作少，但是程序體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)MCU 的程序空間和內(nèi)存空間要求比較高，MCU的開(kāi)銷也比較大。

不過(guò)，為了滿足高精度解碼的需要，本文還是采用了方法二，以避免無(wú)線頻段中大量干擾信號(hào)以及毛刺引起的誤解碼。

3.2 可供參考的C語(yǔ)言代碼

以下給出了C語(yǔ)言解碼代碼，包括了同步碼和邏輯0（邏輯1識(shí)別類似于邏輯0）的識(shí)別。此外，需要注意的是，實(shí)際接收到的信號(hào)往往第一幀都是不完整的，所以在編寫(xiě)解碼代碼時(shí)需要考慮進(jìn)去。

MCU配置在4MHz的時(shí)鐘頻率上，High_line()，low_line()為高低電平計(jì)時(shí)函數(shù)。

（1）同步碼的識(shí)別：

4 板級(jí)調(diào)試

板級(jí)調(diào)試時(shí)，我們參照前期EDA工具的仿真結(jié)果，PIC單片機(jī)選擇了dsPIC30F4011和PIC12F629，顯示模塊選擇了MAX7219。

圖6是實(shí)驗(yàn)時(shí)使用的在線調(diào)試平臺(tái)，即Microchip MPLAB IDE。

圖6 Microchip調(diào)試平臺(tái)

圖7給出了實(shí)際在線調(diào)試的結(jié)果，并且在調(diào)試時(shí)已經(jīng)加入了無(wú)線發(fā)射模塊，以驗(yàn)證在無(wú)線發(fā)射的情況下，整個(gè)系統(tǒng)的正確性和可靠性。

由圖7中可以看出，調(diào)試時(shí)得到的地址是56，溫度是26.5999℃。因此，設(shè)計(jì)方案的性能達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。并且通過(guò)測(cè)試，發(fā)射和接受能夠在15米以上，由于在解碼時(shí)已經(jīng)考慮了軟件容錯(cuò)功能，所以后期只要稍微修改發(fā)射模塊，就可以實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的傳輸。

圖7 在線調(diào)試結(jié)果

5 結(jié)論

本文探討了采用價(jià)格低廉的PIC系列單片機(jī)、高精度溫度傳感器和無(wú)線收發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)了無(wú)線溫度傳感器的功能。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)前期論證、仿真和后期的板級(jí)調(diào)試，該款無(wú)線溫度傳感器具有較高的測(cè)量精度，無(wú)線傳輸?shù)墓β始熬嚯x也完全滿足設(shè)計(jì)要求。因此，該無(wú)線溫度傳感器具有一定的實(shí)用價(jià)值。通過(guò)后續(xù)的完善和擴(kuò)展，其以較低的成本和高精度將開(kāi)拓出更廣闊的應(yīng)用空間。

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