基于CC2430的無線溫度檢測終端的設計

       引 言

        在現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，常常需要對環(huán)境溫度進行檢測。傳統(tǒng)的方法往往費時、費力，效率低下，不便應用在對較大環(huán)境的溫度檢測中。

        本文設計了一種基于無線射頻技術(shù)的溫度檢測終端，它以RF(射頻)芯片CC2430為核心，在溫度傳感器DS1822的配合下，能夠高效地完成對環(huán)境溫度的無線檢測。

        1 CC2430芯片概述

        CC2430芯片為Chipcon公司生產(chǎn)的2.4 GHz射頻系統(tǒng)單芯片，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。



  

       該單芯片上整合了ZigBee RF前端，內(nèi)存，微控制器。其主要特點如下：高性能和低功耗的8051微控制器核；集成符合IEEE 802.15.4標準的2.4 GHz的RF無線電收發(fā)機；優(yōu)良的無線接收靈敏度和強大的抗干擾性；在休眠模式時僅0.9μA的流耗，外部的中斷或RTC(實時時鐘)喚醒系統(tǒng)，在待機模式時少于0.6μA的流耗，外部的中斷能喚醒系統(tǒng)；硬件支持CSMA/CA(具有檢測沖擊的載波偵聽多路接人)功能；較寬的電壓范圍(2.O V～3.6 V)；數(shù)字化的RSSI(接收信號強度指示)/LQI(鏈路質(zhì)量指示)支持和強大的DMA(直接存儲器存取)功能；具有電池監(jiān)測和溫度感測功能；集成了14位ADC(A/D轉(zhuǎn)換器)；集成AES(高級加密標準)安全協(xié)處理器；帶有2個強大的支持幾組協(xié)議的USART(通用異步同步收發(fā)器)，以及1個符合IEEE 802.15.4規(guī)范的MAC(媒體訪問控制)層計時器，1個常規(guī)的16位計時器和2個8位計時器；21個可編程的I/O引腳，P0、P1口是完全8位口，P2口只有5個可使用位，可以由軟件設定一組SFR(專用寄存器)的位和字節(jié)，使這些引腳作為通常的I/O口或作為連接ADC、計時器、USART等部件的外圍設備口使用。

       2 DS1822結(jié)構(gòu)特點與基本操作指令

       DS1822是一種一線數(shù)字溫度計，它用一根信號線來實現(xiàn)互連通信，其內(nèi)部電路的核心是一個直接數(shù)字輸出的溫度傳感器。它可以將-55℃～125℃范圍內(nèi)的溫度值按9位、10位、11位、12位的分辨率進行量化，其最高分辨率為0.625℃，工作電壓范圍為3.0 V～5.5 V。每一片DS1822都有一個唯一的且不可改寫的ROM ID(標識碼，即電子序列號)，在實際應用中可以通過指令方便地進行查詢。

        DS1822的主要操作指令如下：

       a)Search ROM指令(代碼為FOh)：用以讀取在線的DS1822的序列號。

       b)write Scratchpad指令(代碼為4Eh)：將溫度報警上、下限值分別寫入DS1822便箋式存儲器的TH與TL字節(jié)中。

       c)Convert T指令(代碼為44h)：啟動DS1822進行溫度A/D轉(zhuǎn)換。

       d)：Read Scratchpad指令(代碼為BEh)：讀取便箋式寄存器中的溫度值。

       3 終端硬件設計

        CC2430芯片只需少量外圍部件配合就能實現(xiàn)信號的收發(fā)功能。圖2為該溫度檢測終端的硬件結(jié)構(gòu)。 

 
  

       電路使用一個非平衡天線，連接非平衡變壓器可使天線性能更好。電路中的非平衡變壓器由電容C1和電感L1、L2、L3以及一個PCB(印制板)微波傳輸線組成，整個結(jié)構(gòu)滿足RF輸入/輸出匹配電阻(50 Ω)的要求。內(nèi)部T/R交換電路完成LNA和PA之間的交換。R1和R2為偏置電阻，R1主要用來為32 MHz的晶振提供一個合適的工作電流。用1個32 MHz的石英諧振器(XTAL1)和2個電容(C2和C3)構(gòu)成一個32 MHz的晶振電路。用1個32.768 kHz的石英諧振器(XTA12)和2個電容(C4和C5)構(gòu)成一個32.768kHz的晶振電路。電壓調(diào)節(jié)器為所有要求1.8 V電壓的引腳和內(nèi)部電源供電，電容C6和C7是去耦電容，用來為電源濾波，以提高芯片工作的穩(wěn)定性。溫度傳感器DS1822的數(shù)據(jù)輸入／輸出端DQ接P0_0引腳，該 引腳具有4 mA的輸出驅(qū)動能力。

        4 終端軟件設計

       軟件部分需要解決的問題包括：溫度及報警信號采集、ZigBee協(xié)議棧(z-Stack)、ZigBee通信等。

       溫度及報警信號的采集可由CC2430芯片內(nèi)部的MCU完成。

       ZigBee協(xié)議棧運行在一個OSAL(操作系統(tǒng)抽象層)操作系統(tǒng)上。該操作系統(tǒng)基于任務調(diào)度機制，通過對任務的事件觸發(fā)來實現(xiàn)任務調(diào)度。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，對應任務的事件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。OSAL中的任務可以通過任務API將其添加到系統(tǒng)中，這樣就可以實現(xiàn)多任務機制。OSAL任務調(diào)度流程如圖3所示。

       NextActive Task()是一個任務事件查詢函數(shù)，返回任務的事件狀態(tài)Active Task。軟件設計時，可通過ActiveTask的值來決定是否需執(zhí)行對應的任務函數(shù)ActiveTask()。 

 
  

        ZigBee的通信或數(shù)據(jù)傳輸涉及到兩種通信幀格式：KVP(關鍵值偶)幀格式、消息(Message)幀格式。在發(fā)送數(shù)據(jù)量較大時選擇Message方式；當只需要發(fā)送1個字節(jié)或幾個字節(jié)的命令或數(shù)據(jù)時，可以使用KVP格式，該格式是ZigBee協(xié)議定義好的一種通信方式，操作比較簡單，調(diào)用相應的信息發(fā)送函數(shù)即可實現(xiàn)兩點問的通信。該終端設計中采用后一種通信幀格式，在充分利用開發(fā)工具CC2430ZDK Pro內(nèi)部現(xiàn)有的協(xié)議棧的情況下，可以方便地完成通信部分的軟件開發(fā)工作。

      5 終端工作原理

       該終端系統(tǒng)設計中采用DMA向存儲器內(nèi)部寫終端控制程序。正式使用時，終端控制程序被啟動，終端首先完成其內(nèi)部系統(tǒng)的初始化，即通信協(xié)議的初始化，各端口使能與初始化，確認溫度傳感器連接完好，向DS1822中TH/TL位寫入最高/最低溫度門限，讀取該溫度傳感器的身份標志碼(該標志碼亦代表該終端設備的身份)，并將該終端標志碼傳回管理中心，以示該終端處于就緒狀態(tài)，并準備隨時接受管理中心的啟動指令。啟動后，終端由自己內(nèi)部的MCU(即CC2430內(nèi)部的MCU)控制，定期向溫度傳感器DS1822發(fā)送溫度轉(zhuǎn)換指令，DS1822在完成溫度轉(zhuǎn)換后會自動將溫度值和TH/TL寄存器中的觸發(fā)門限相比較，如比較結(jié)果表明測量溫度高于TH或低于TL中的門限值，則設置報警標志位。隨后，MCU在讀取溫度值的同時也讀取報警標志位，并將這些數(shù)據(jù)信號傳回管理中心。這樣，終端就完成了溫度的檢測與報警功能。

       該終端也可隨時接收來自管理中心的查詢指令。

       由于該類終端每一片都有自己唯一的身份標志碼，所以，一個管理中心可以管理多個這樣的終端，并能準確區(qū)分它們。利用多個此類終端可對較大環(huán)境的溫度實現(xiàn)實時、無線、多點的檢測。

       6 結(jié)束語

       本文設計的溫度檢測終端，其外圍 設備簡單、功耗低，傳輸無線化，可以用在諸如溫室、倉庫等場合。