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作者簡介：凌志浩（1957-），男，博士，華東理工大學教授，博士生導師。兼任教育部高等學校自動化專業(yè)教學指導分委員會委員，中國儀器儀表學會過程檢測控制分會常務理事，中國自動化學會儀表與裝置專業(yè)委員會委員，上海市信息學會常務理事，上海市自動化學會理事。主要從事智能儀表、無線傳感器網(wǎng)絡、現(xiàn)場總線和嵌入式系統(tǒng)應用等方面的教學和科研工作。
摘 要：嵌入式系統(tǒng)和無線通信技術(shù)的發(fā)展，為無線傳感器網(wǎng)絡的工業(yè)應用提供了技術(shù)支持。本文基于ZigBee協(xié)議，以無線溫度變送器的設計為實踐背景，從硬件和軟件兩個方面介紹采用K型熱電偶、CC2430嵌入式系統(tǒng)來研發(fā)無線變送器的方法，討論無線傳感器網(wǎng)絡終端節(jié)點的組成結(jié)構(gòu)、實施技術(shù)，分析其核心模塊的設計和實現(xiàn)細節(jié)。
關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡；溫度變送器；嵌入式系統(tǒng)
Abstract：The development of the embedded system and wireless communication technique provides a good technical support for the application of wireless sensor networks in industry.In this paper，based on the ZigBee protocal and practical background of the designation of wireless temperature transducer，the design and implement method of wireless transducer using K-Thermocouple and CC2430 embedded system is given from both hardware and software.We discuss the architecture of wireless sensor networks’terminal nodes and implementation technique.Finally，we make an analysis of the details of the core module design and realization of the wireless temperature transducer.
Key words：Wireless Sensor Networks；Temperature Transducer；Embedded System
近年來，短程無線通信的RF嵌入式芯片不斷涌現(xiàn)，適用于工業(yè)應用的相關(guān)協(xié)議及其標準紛紛推出，為無線變送器等設計和無線傳感器網(wǎng)絡的工業(yè)應用提供了技術(shù)支持和實現(xiàn)手段。針對工業(yè)應用場合在線采集和傳輸實時數(shù)據(jù)、工藝參數(shù)、設備狀態(tài)等需求，本文以測溫裝置的設計為背景，探討一種以K型熱電偶為溫度傳感器、結(jié)合無線傳輸技術(shù)、采用CC2430嵌入式系統(tǒng)來設計和制作無線溫度變送器的方法。
1 CC2430及其應用電路設計
1.1 Zigbee協(xié)議
IEEE 802.15.4是IEEE確定的低速率、無線個域網(wǎng)標準，它定義了物理層和介質(zhì)訪問層。物理層規(guī)范確定了在2.4GHz以250 kbps的基準傳輸率工作的低功耗展頻無線電信號標準；介質(zhì)訪問層規(guī)范定義了在同一區(qū)域工作的多個符合IEEE 802.15.4標準的無線電信號如何共享空中通道。然而，僅定義物理層和介質(zhì)訪問層并不能保證不同設備間的對話。而建立在IEEE 802.15.4標準之上的ZigBee，建立了基于IEEE 802.15.4標準研制開發(fā)的有關(guān)組網(wǎng)、安全和應用軟件方面的技術(shù)標準，其標準滿足國際標準化組織（ISO）開放系統(tǒng)互連（OSI）參考模型，包括IEEE 802.15.4協(xié)議制定的物理層和介質(zhì)訪問層標準、由ZigBee聯(lián)盟所制定的網(wǎng)絡層和部分應用層標準以及由用戶定義的用戶層。以此允許不同廠商制造的設備在符合標準的前提下可以實現(xiàn)相互對話。
1.2 CC2430嵌入式芯片
CC2430是符合IEEE 802.15.4規(guī)范的2.4 GHz射頻收發(fā)器芯片，它將射頻單元與工業(yè)級加強版8051內(nèi)核、Flash存儲器集成在一塊SoC芯片內(nèi)部，提高了集成度、減小了芯片間干擾。其主要參數(shù)為：8KB RAM、32～128KB FLASH、工作頻帶范圍2.400～2.4835 GHz、工作電壓2.1V-3.6V；采用直序擴頻方式、O-QPSK調(diào)制、最高數(shù)據(jù)傳輸率可達250 kbps；超低電流消耗（RX：27mA TX：27mA）、高接收靈敏度（-99 dBm）、高抗鄰頻道干擾能力（39 dB）；內(nèi)部集成有VCO、LNA、PA以及AES128處理器、8路A/D轉(zhuǎn)換器、電池監(jiān)控器、溫度傳感器、雙串口、看門狗、CSMA/CA等模塊。非常適合要求低功耗、低成本的開發(fā)項目選用。另外，它以強大的集成開發(fā)環(huán)境作為支持，內(nèi)部線路的交互式調(diào)試以遵從IDE的IAR工業(yè)標準為支持，得到嵌入式機構(gòu)的認可。它結(jié)合全球先進的ZigBee協(xié)議棧、工具包和參考設計，展示了其有效的ZigBee解決方案。
1.3 基于CC2430的應用電路設計
1.3.1 CC2430應用電路
CC2430的應用電路如圖1所示。CC2430的PIN1-6、8-9、11-18、43-46、48為21個可編程的I/O引腳，其中P0、P1是完整的8位口，而P2口只有5個可使用的位，通過軟件設定一組SFR寄存器的位和字節(jié)，可使P2口的這些引腳作為通常的I/O口或作為連接ADC、計時器或USART部件的外圍設備I/O口使用。PIN7、20、23、41、47為電源引腳，接至VCC。PIN24為1.8V電壓輸出端，連接至PIN25、27-29、30、31、33、35-38、39、40、42引腳，分別為模擬部分的前置放大、功放、壓腔振蕩器、濾波器、預定標器、混頻器等提供精準的電源電壓。PIN21-21腳連接MCU的32 MHz的主晶振，PIN43-44引腳連接32.768 kHz輔助晶振。PIN32和34分別為射頻發(fā)射和接收引腳。PIN10為復位引腳，PIN22連接偏置電阻。
圖1 CC2430的應用電路
在實際應用時，需要注意：
（1）調(diào)試端口不能僅僅連接P2.1和P2.2，還須將復位引腳、電源、地皆引出方可。
（2）該芯片本振頻率為32MHz，比常規(guī)51芯片高，且存在2.4 GHz射頻信號，故電源去耦相當關(guān)鍵。去耦電容值不能照搬51系列取0.1 uF，而應根據(jù)相應管腳的耦合頻率取值，每一路電源都應有相應的去耦電容。
（3）晶振的取值應在考慮寄生電容后予以調(diào)整。
（4）CC2430片內(nèi)雖集成有溫度傳感器，但這個溫度傳感器誤差高達±2℃，只適用于要求較低的民用測量，如建筑內(nèi)溫度測量等。
（5）CC2430片內(nèi)的8路A/D精度雖然達到了14 bit無誤碼輸出，但其輸入阻抗較低。
（6）CC2430芯片底部為屏蔽地，必須嚴格接地。繪制PCB板時應打孔以便焊接時接地。
1.3.2 射頻天線的選擇和參數(shù)匹配
CC2430可使用PCB板載天線或單極天線。PCB板載天線是指通過計算直接在PCB板上繪制相應的圖形來感應電波、接收信息，也稱微帶天線。單極天線是一種諧振天線，可以把它看作是偶極天線的一臂，而另一臂則是假設的地平面。由一個在有線導體的地平面上具有 波長的垂直元件構(gòu)成。
從理論上說，在不帶外殼的情況下，微帶天線可以達到更好的效果。但是需要設計相應的BALUN電路和對銅箔進行精確的計算和布局。通常，工業(yè)儀表一般安裝在金屬殼體內(nèi)，微帶天線的效果將大打折扣。而使用單極天線，其電路簡單、比較容易實現(xiàn)，并可使用中間連接導線引出至表殼外的合適位置。
射頻輸入/輸出電路中的信號屬于2.4GHz頻段，在阻抗匹配方面要求較高，設計的電路需要符合天線的阻抗匹配。圖2所示電路中的電感、電容參數(shù)依次為：L2使用5.6nH，L3、L1使用7.5nH，C20、C21均為5.6pF，C22、C19均為0.5pF，以這樣的電路設計可以匹配阻抗50Ω的天線。
圖2 射頻天線連接圖
2 無線溫度變送器組成及其接口設計
2.1 無線溫度變送器的基本組成
無線溫度變送器的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。傳感器將采集到的信號經(jīng)放大電路放大后，傳送至A/D轉(zhuǎn)換芯片，電壓基準為A/D芯片提供比較的基準。A/D將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后送MCU，MCU視需要對照溫度補償端測得的參數(shù)對A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)給予溫度補償。在實際的無線傳感器網(wǎng)絡應用時，無線溫度變送器在接收到協(xié)調(diào)器相關(guān)指令后，通過射頻天線發(fā)送至上級路由節(jié)點或協(xié)調(diào)器。存儲單元負責存儲查表法修正曲線所需的數(shù)據(jù)表格。
將組成無線溫度變送器的PCB架構(gòu)設計成兩塊堆疊式，上部是由MCU、射頻部分和天線組成的母板，下部是由采樣、放大、A/D轉(zhuǎn)換部分等組成的數(shù)據(jù)采集板，中間以接插件連接。如此布置的考慮有三：首先2.4 GHz高頻容易產(chǎn)生干擾，空間的隔離有助采樣、A/D部分處于較好的工作環(huán)境；其次分離式的結(jié)構(gòu)可在以后替換不同種類的前置電路，再者市場所提供外殼橫向安裝面積較狹小，用縱向空間擴展來彌補橫向之不足。考慮到今后擴展的便利以及MCU口線的節(jié)省，系統(tǒng)內(nèi)部所有芯片選用SPI片間總線方式連接，多余的口線連至PCB板接插件。
圖3 節(jié)點的硬件設計結(jié)構(gòu)框圖
2.2 K型熱電偶A/D數(shù)據(jù)采集板設計
K型熱電偶將測量端和冷端之間的溫度差轉(zhuǎn)化為毫伏級的輸出信號，如溫度變送器的溫差采集范圍為-60～920℃，則對應的電壓毫伏信號為-2.200～38.080mV。
圖4 數(shù)據(jù)采集板電路原理圖
電源芯片采用的是低壓降，150mA線性整流芯片ADP1710，可從2.5V～5.5V電壓輸入得到150mA輸出電流，輸出可為0.8～5.0V調(diào)節(jié)輸出，或者是3.3V固定輸出。考慮到電路設計和采用電池供電等情況，在此采用其3.3V固定輸出的用法。數(shù)據(jù)采集板與CC2430母板的接口有兩個作用：一個是3.3V供電接地，另一個是SPI數(shù)據(jù)總線接口。
CC2430母板上的核心芯片CC2430通過對數(shù)據(jù)采集板上的AD7792和AD7814進行操作得到溫度信號。SPI總線上以CC2430為主控芯片，AD7792和AD7814為附屬芯片。定義CC2430的P1口為SPI總線選用接口，其中的P1.0為MISO主入/從出信號；P1.1為SCLK時鐘信號；P1.2為AD7814片選信號；P1.3為MOSI主出/從入信號；P1.4為AD7792片選信號。圖4示意了數(shù)據(jù)采集板的基本電路原理。
2.2.1 放大電路設計
傳統(tǒng)設計方式是在A/D前端設置信號調(diào)理電路，現(xiàn)代微電子技術(shù)的發(fā)展使諸如濾波、零點校正、線性化處理、溫度補償、誤差修正、量程切換等原屬信號調(diào)理電路完成的工作都可用軟件實現(xiàn)，以簡化設計、降低成本。從考量放大電路本身的信號放大功能、阻抗和精度等綜合考慮，選用運放AD627。其供電電壓+2.2 V～±18 V，最大工作電流85 μA。僅需一個電阻即可實現(xiàn)5～1000倍增益，增益精度0.1%。最大輸入失調(diào)電壓125 μV，最大溫漂1 μ/℃，最大輸入偏置電流10 nA，共模抑制比CMRR=77 dB（G=+5）。其實際應用如圖5所示。
選用AD627作為運放的主要原因是其使用上的靈活，AD627可在使用單電源的情況下接入雙路差分信號。其PIN6為調(diào)整腳，外接偏置電壓，通過對PIN6引腳偏置電壓的設置，可以使輸出電平位移，調(diào)整至A/D的最佳輸入范圍。AD627的增益放大倍數(shù)可依照公式Gain=5+（200*kΩ/RG）計算，其中RG為增益調(diào)整電阻阻值。
圖5 AD627應用電路
2.2.2 溫度補償電路和基準電路
考慮到傳感器需要進行溫度補償，在設計中增添了一塊10 bit數(shù)字溫度傳感芯片AD7814，可直接通過SPI總線輸出二進制數(shù)字溫度信號。其測溫精度±0.25℃，測量誤差±2℃，可滿足一般的溫度補償需求。
基準芯片是A/D比較的基礎(chǔ)，直接影響到A/D的轉(zhuǎn)換精度，故應選擇精度較高、溫漂較小的型號。本設計中選用AD127，精度0.12%，最大溫漂10 PPM/℃，可輸出穩(wěn)定的1.25 V基準電壓。并采用兩個電容分別為基準信號至A/D和運放基準端之間的去耦電容。
3 軟件結(jié)構(gòu)和工作流程
3.1 軟件總體結(jié)構(gòu)
變送器的工作程序是在Figure8的ZigBee協(xié)議棧基礎(chǔ)上編寫的。此協(xié)議棧是以一個OSAL操作系統(tǒng)為核心，結(jié)合大量API運行的。OSAL是一種任務調(diào)度機制，它是通過對任務的事件觸發(fā)來實現(xiàn)任務調(diào)度的。每個任務都包含若干個事件，每個事件都對應一個事件號。當一個事件產(chǎn)生時，對應任務的Event就被設置為相應的事件號，這樣事件調(diào)度就會調(diào)用相應的任務處理程序。系統(tǒng)任務調(diào)度流程如圖6所示。
3.2 軟件工作流程
CC2430通用接口和AD7792的初始化在系統(tǒng)的初始化中完成，而對溫度信號的采集、數(shù)據(jù)處理和無線傳輸則可由一個事件形式驅(qū)動完成。系統(tǒng)以固定的時間為周期循環(huán)運行此事件。在其程序中使用查表法處理數(shù)據(jù)，其基本方法是根據(jù)熱電偶毫伏信號與溫度值對應表在內(nèi)存中建立一個一維的A/D轉(zhuǎn)換代碼值與溫度值的對應數(shù)組，通過程序?qū)?shù)組單元的操作完成數(shù)據(jù)處理。
圖6 OSAL任務調(diào)度機制
接口和AD7792的初始化在所設計的void TemperTrt_Init（byte task_id）程序中進行，對溫度的數(shù)據(jù)處理和發(fā)送在void TemperTrt_SendTheTemper（void）程序中進行，程序流程圖如圖7所示。程序按照設定的固定周期執(zhí)行此事件，循環(huán)將數(shù)字量的溫度進行發(fā)送，實現(xiàn)了無線溫度變送器的功能。
通過在實驗室中對無線溫度變送器進行的溫度測試，在溫差采集范圍為-60℃～920℃范圍內(nèi)，其測量誤差小于±5‰，達到設計要求；通過與所組成的ZigBee網(wǎng)絡通信，其效果達到了無線通信的可靠性、正確性要求。
圖7 采集發(fā)送事件程序流程
4 結(jié)語
針對目前工業(yè)現(xiàn)場中無線短程傳感器網(wǎng)絡的不斷發(fā)展和工業(yè)上對無線變送器的需求，本文結(jié)合現(xiàn)有的無線短程通信協(xié)議和嵌入式系統(tǒng)，設計基于無線短程協(xié)議ZigBee技術(shù)的K型熱電偶的無線溫度變送器。該無線溫度變送器將無線短程通信技術(shù)與工業(yè)用的溫度采集技術(shù)結(jié)合，通過數(shù)據(jù)處理技術(shù)的優(yōu)化，提高了溫度采集精度，并降低了無線溫度變送器的功耗。相信，隨著無線傳感器網(wǎng)絡的工業(yè)應用，必將對信息化和工業(yè)化的兩化融合和節(jié)能減排起到積極作用。
參 考 文 獻
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——轉(zhuǎn)自《自動化博覽》
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號