基于CC1000的多路無線溫度采集系統(tǒng)設(shè)計

1.引言

隨著科技的不斷進(jìn)步，在多數(shù)領(lǐng)域中有線連接的方式已經(jīng)不能滿足科技高速發(fā)展的要求，無線通信正進(jìn)入到我們生活中的各個領(lǐng)域，它與有線連接方式相比，具有攜帶方便、使用靈活、不必考慮走線等優(yōu)點。在無線報警、工業(yè)數(shù)據(jù)采集、遙控、遙測射頻IC卡、手持PDA、無線圖像傳輸、不停車收費(fèi)、無線抄表等各個方面有著極其廣泛的應(yīng)用。本文所介紹的測溫系統(tǒng)也是無線通訊系統(tǒng)的應(yīng)用之一。它以SOC單片機(jī)C8051F020為中央控制器，以CC1000為無線傳送模塊和溫度測量電路構(gòu)成了多路無線溫度采集系統(tǒng)。

將8路的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，通過無線方式送給主機(jī)C8051F020進(jìn)行處理。

調(diào)制解調(diào)由CC1000完成，系統(tǒng)采用頻移鍵控調(diào)制(FSK)，載波頻率為433MHz,帶寬64kHz,數(shù)據(jù)采用差分曼徹斯特編碼發(fā)送，空中發(fā)送數(shù)據(jù)速率可以根據(jù)需要設(shè)置。在發(fā)送時控制器C8051F020單片機(jī)從用戶接口接收采集命令，進(jìn)行8路溫度信號的采集，并將采集到的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行打包轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)幀傳送給CC1000,控制CC1000進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。

在接收時，控制器C8051F020接收從CC1000傳送過來的溫度數(shù)據(jù)，進(jìn)行簡單處理后把這些數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)進(jìn)行詳細(xì)的分析處理。硬件框圖如圖1和圖2所示。

2.系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 無線收發(fā)模塊

本設(shè)計的無線收發(fā)模塊采用了ChipconComponent公司的高性能RF收發(fā)芯片CC1000,它是一種單片高頻無線收發(fā)IC,電流損耗低，通信速率可調(diào)，最高可達(dá)72.8kbit/s,接收靈敏度為-109dB.m,發(fā)射信號功率在-20~10dB.m內(nèi)可調(diào)，設(shè)計時電路簡單，所用的外圍器件較少，編碼簡單，改變電路和器件參數(shù)可以使其工作的頻率范圍在300~1000MHz內(nèi)變化。同時該器件內(nèi)部集成了發(fā)射功率放大器、FSK調(diào)制/解調(diào)、低噪聲接收放大器、混頻器、壓控振蕩器、鑒相器等電路，是一款集成度極高的芯片，可直接與單片機(jī)進(jìn)行通信。該IC極適合嵌入到各種低功耗要求較高的測量或控制系統(tǒng)中，我們在該系統(tǒng)中選則433MHz的頻段，CC1000內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

2.2 主控芯片C8051F020及控制電路

C8051Fxxx是Cygnal公司推出的一系列8位高速片上系統(tǒng)(SOC)單片機(jī)，C8051F020是其中的一款，它的CIP-51與MCS-51指令集完全兼容，具有以下優(yōu)點：(1)速度高，最大處理速度可達(dá)25MIPS;完全滿足本設(shè)計中的實時性要求。(2)集成度高，片內(nèi)集成了極其豐富的模擬及數(shù)字外設(shè)：兩個多通道模/數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，包括一個8位ADC和一個12位ADC,以及兩個可編程增益放大器和兩個模擬多路選擇器;兩個12位數(shù)/模轉(zhuǎn)換系統(tǒng);兩個模擬比較器：一個片內(nèi)溫度傳感器;豐富的總線接口包括SMBus總線接口、通用異步串行總線接口UART、SPI總線接口;5個16位通用定時器;8個8位I/O端口;一個64K的FLASH和一個256B的內(nèi)部RAM一個4096B外部RAM(XRAM);以及看門狗電路等;這些片內(nèi)資源大大減化了本設(shè)計的硬件電路設(shè)計，極大的縮短了開發(fā)周期。(3)交叉開關(guān)使I/O端口分配更加靈活。

基于C8051F020的片內(nèi)資源，可以完全滿足對多點的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行實時采集及處理。C8051F020對CC1000的控制電路如圖4所示。

如圖4微控制器C8051F020使用P3.0、P3.1、P3.2與CC1000的PDATA(編程數(shù)據(jù))、PCLK(編程時鐘)、PALE(編程允許)連接對CC1000進(jìn)行編程配置和校準(zhǔn)，使其工作在433MHz,帶寬64kHz,數(shù)據(jù)采用差分曼徹斯特編碼發(fā)送。單片機(jī)C8051F020的P0.2、P0.3與CC1000的DIO和DCLK連接進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收，單片機(jī)將采集到的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行打包經(jīng)P0.2引腳送給CC1000的DIO引腳，DIO引腳輸入的數(shù)字信號被頻移鍵控(FSK)后送到功率放大器，再通過CC1000的天線發(fā)射出去;CC1000天線接收到的射頻信號經(jīng)低噪聲放大器(LNA)放大后送給混頻器，再由解調(diào)器(DEMCO)解調(diào)成數(shù)字信號由DIO腳輸出，單片機(jī)的P0.2引腳將DIO引腳的數(shù)字信號接收后傳送給上位機(jī)進(jìn)行分析處理。

2.3 測溫電路

測溫放大電路如圖5所示，測溫部分由8路K型熱電偶進(jìn)行，使溫度信號轉(zhuǎn)成電壓信號，熱電偶的變化范圍是40.7uV/C,由于熱電偶的變化范圍很小，因此要進(jìn)行放大，放大電路采用集成運(yùn)放LM224構(gòu)成同向比例運(yùn)算電路進(jìn)行放大。將采集到的模擬量Vi經(jīng)放大器LM224放大Vo=(1+605/4.99)*Vi,8路放大后的模擬信號Vo接SOC單片機(jī)C8051F020的8路12位A/D的模擬輸入端AIN0.0~AIN0.7進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，然后換算成溫度值儲存并等待無線發(fā)送。