新型无线传感器遥测系统设计方案 - 全文

　　1引言

　　近年来，随着无线通信技术的成熟，无线传感器遥测系统呈现出其巨大的优越性。遥测系统在于实现远距离的温度等参数测量，以解决被测地点与仪表室或控制室距离较远，或被测参数地点有害人身安全的问题。本系统利用基于射频芯片CC2420和单片机AT89S53为核心的无线传感器硬件节点设计了一种简单、数据传输精度高、抗干扰能力强的新型遥测系统，本系统主要用于有强电场、强磁场干扰且不便于近距离测量的场合。本文以遥测温度为例来说明设计思想。

　　2 系统总体方案

　　系统主要有四部分组成：数据采集部分;数据处理部分;无线通信部分;接收显示部分。其中数据采集部分由传感器、信号调整电路、光电隔离及A/D转换组成。接收显示电路部分由解码器、七段码译码器、十进制计数器、驱动器、数码显示电路等组成。发送电路中采用了编码器，在接收电路中相应增加了解码器，从而有效控制了由无线信道噪声或干扰造成的差错，同时也扩展了射频电路发送数据的容量。系统设计所选用的器件都具有较强的抗干扰能力，能够适用于有强电场、强磁场干扰的工业场合。

　　本系统是一种通用的遥测系统,只要变换不同的传感器，并调整调理电路结构及参数，修改计算处理软件程序,就可以达到遥测各种测量参数的目的[4]。本设计中，选用的无线通信芯片是CC2420，单片机是AT89S53。系统总体方案流程图如图1所示。

　　

 

　　图1 系统总体方案流程图

　　3系统软硬件设计

　　3.1 硬件设计

　　3.1.1数据采集单元设计

　　本系统选用HD01系列温度变送器。它是一种将温度传感器(热电阻和热电隅信号)，经全隔离放大转换成标准的直流信号，从而实现对被测信号精确测量的仪器。该变送器输入、输出、电源三方全隔离隔离，抗干扰能力强，且输入、输出选择范围宽，对应温度范围-200～1600℃内各量程，准确度高，电源可选择，导轨安装便于检测与维护。

　　温度变送器可对传感器的数据进行处理，包括对测量信号的调理(如滤波、放大等)、数据显示、自动校正和自动补偿等。它能把传感器检测的电信号变成4～20mA的直流信号。信号调整电路负责把温度传感器的4～20mA的标准电流信号转换为电压信号，最简单的方法是在输出端串联一个电阻，但这样的电压零点信号不是0V，所以一般采用I/V转换器，本系统采用了RCV420变换器。

　　现场传感器与A/D转换器之间的模拟信号的线性传送，可用光耦的这种线性区对模拟信号进行隔离。电耦合器隔离性能好，输入端与输出端实现了电隔离;光信号单向传输，输出信号对输入端无反馈，可有效阻断电路或系统之间的电联系，但并不切断他们之间的信号传递;光信号不受电磁干扰，工作稳定可靠;抗共模干扰能力强，能很好地抑制干扰并消除噪音。耦合器因为其独特的原理和结构特点特别使用于有强电场、强磁场干扰的场合。本系统采用Agilent公司的光耦HCNR201。

　　A/D芯片是系统的核心器件之一，测量的精度主要取决于A/D转换器的准确度。本系统采用了MC14433，它具备零漂补偿和采用CMOS工艺制造的3 1/2位单片双积分A/D转换器，具有外接元件少，输入阻抗高，功耗低，抗干扰能力强，电源电压范围宽，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能。由于它的低速转换，因此只能对一些变化缓慢的物理参数如温度、持续压力和拉力进行转化。其采用字位动态扫描BCD码输出方式，即千、百、十、个位BCD码分时在Q0～Q3轮流输出，同时在DS1～DS4端输出同步字位选通脉冲，读书直观，应用于各种仪器仪表。

　　3.1.2编码器及译码器的设计

　　本系统采用摩托罗拉公司的编码器MC145026及译码器MC145027。MC145026/27是Motorola公司生产的用于通信的配对芯片,它是一种低压CMOS编译码器件，具有较强的抗干扰能力，广泛应用于遥控遥测电路[5]。它们的基本特性是：

　　(1)当编码器发送脚TE(14脚)接地(低电平时)，编码器将5位地址及4位数据以不同的脉冲编码方式串行输出，每发送一次，编码器自动送出两串相同的地址、数据脉冲串(由15脚输出)。

　　(2)译码器接收到编码器发送的第一串脉冲信号后，若译码器的5位地址与编码器的5位地址完全相同，则将传送来的4位数据送入寄存器;接到第二串脉冲信号，再经过第二次核对，若地址无误，数据与第一次相符，才将4位数据送到输出端并锁存;VT脚由低电平变高电平，表示接收信号，此高电平一直保持到有新的数据输入或间隔4次数据传输的时间而无新的数据输入为止。

　　(3)每传输一次所需要的时间取决于内部振荡器的工作频率，由片外的RC参数决定。振荡频率可在1.71~362KHz范围内选取。

　　(4)静态电流特别小，编码器小于1uA，译码器一般也小于100uA。

　　3.1.3数据处理单元设计

　　系统采用了单片机AT89S53，完成对所需测量的参数进行定时采集、计算、误差处理、存储以及数据的发送控制等。 AT89S53是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含12k Bytes ISPD串行编程可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S53可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。

　　AT89S53单片机设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。

　　A/D变换器输出的Q0～Q3及DS1～DS4采用查询方式将千、百、十、个位数输入单片机，并将这4位数分别存入RAM中。输入的数据可以是正值或负值，这可根据千位的Q2来判断：Q2=1时，数据为正;Q2=0时，数据为负。通过软件来判别Q2是否为1，即可确定符号位的正负。由单片机程序控制，顺序地将符号位、千位、百位、十位、个位数逐位地通过单片机输出到无线通信芯片。单片机除了上述功能外，它还可以利用软件进行计算和数据处理，对非线性传感器进行校正，或对某些有规律的误差进行自动补偿，这样可充分发挥单片机的功能，并提高测量的精度。

　　3.1.4无线通信单元设计

　　无线通信模块采用Chipcon 公司的CC2420 作为该模块的核心器件。该芯片是符合IEEE802. 15. 4 规范、工作在2. 4 GHz ISM 公用频道的射频收发器[6]。该收发器低功耗、抗干扰能力强，具有输出强度和收发频率可编程等特点。一般相近两个节点间的通信距离为10 ～ 100 m，在加大无线发射功率后，可增加到1 ～ 3 km。其最大收发速率为250kbps。该芯片还具有硬件加密、抗邻频道干扰能力强、安全可靠、抗毁性强等特点。

　　由CC2420 实现物理层的数据收发和底层控制，通过SFD，FIFO，FIFOP 和CCA4 个引脚表示收发数据的状态; 处理器通过SPI接口与CC2420 交换数据、发送命令。CC2420通过简单的四线(SI、SO、SCLK、CSn)与SPI兼容串行接口配置，这时CC2420是受控的。AT89S53的SPI工作在主机模式，它是SPI数据传输的控制方，CC2420设为从机工作方式。AT89S53与CC2420引脚连接图如图2所示。

　　

 

　　图2 AT89S53与CC2420引脚连接图

　　CC2420的外围电路包括晶振时钟电路、射频输入/ 输出匹配电路和微控制器接口电路三个部分。CC2420可以通过4线SPI总线设置芯片的工作模式,并实现读/ 写缓存数据,读/ 写状态寄存器等。通过控制FIFO和FIFOP管脚接口的状态可设置发射/ 接收缓存器。CC2420通过SI引脚接收从单片机AT89S53输出的数据信号，并通过SO引脚把数据发送出去。

　　3.1.5接收显示电路设计

　　由译码器输出的符号位及4 位数据经BCD码--七段码译码器译码后,与十进制计数器配合(位控) ,进行动态扫描显示。本系统采用七段译码器4511及十进制计数器CD4017。通电后，当信号未传输时，MC145027译码器4位输出为0000，4017清零端R由输入一尖脉冲，使4017清零，个位数码管被选通，个位数码管显示出0，这是准备接受状态。当信号传输时，由通信程序控制，先输入符号，然后再依次输入千、百、十、个位数据。MC145027接收到符号位的数据后，VT由低电平变高电平，它与4017的输入端CL相连，VT的电平由低变高的信号使4017进位，由Q0高电平转换为Q1高电平，BG3导通，使符号位数码管显示，其余类推。

　　本设计的新型无线传感器遥测系统是针对有强电场、强磁场干扰且不便于近距离测量的场合而设计的，如果按照传统做法采用普通于电池供电，由于电池容量有限，电池漏电流的存在也将大大缩短电池的寿命，特别是在较潮湿的环境中使用而未采用一定保护措施，或电池本身的质量问题等造成电池的自身放电，节点也将由于能量耗尽而很快失效[7]。考虑到在核化污染区域环和气象环境中或多或少地总有直射光或反射光，这就使得利用太阳能对系统供电成为最佳方式。

　　3.2 软件设计

　　系统的软件程序采用了模块化的设计思想,单片机通信程序采用汇编语言编写,主要包括对传感程序的设计首先需要进行初始化,如设置中断、定时器、串行口的初始化,以及CC2420 的结构配置,如接收/ 发射模式、射频输出功率、加电/ 低功耗模式等器数据的采集和发送。A/D转换发送程序流程图在此不再赘述。

　　4 结束语

　　系统选用的器件数据传输精度高，抗干扰能力强，这对有强电场、强磁场干扰且不便于近距离测量的场合具有重要的参考价值和广阔的应用前景。