【正文】 工技術(shù))； (6)向高可靠性、寬溫度范圍發(fā)展。一 集成智能傳感器四大熱點：1．物理轉(zhuǎn)化機理 由于集成智能傳感器可以很容易對非線性的傳遞函數(shù)進(jìn)行校正，得到一個線性度非常好的輸出結(jié)果，從而消除了非線性傳遞對傳感器應(yīng)用的制約，所以一些科研工作者正在對這些穩(wěn)定性好、精確度高、靈敏度高的轉(zhuǎn)換機理或材料進(jìn)行研究。 比如，諧振式傳感器具有高穩(wěn)定性、高精度、準(zhǔn)數(shù)字化輸出等許多優(yōu)點，但傳統(tǒng)的傳感器頻率信號檢測需要較復(fù)雜的設(shè)備，限制了諧振式傳感器的應(yīng)用和發(fā)展，現(xiàn)在利用同一硅片上集成的智能檢測電路，可以迅速提取頻率信號，使得諧振式微機械傳感器成為國際上傳感器領(lǐng)域的一個研究熱點。2．?dāng)?shù)據(jù)融合理論 數(shù)據(jù)融合是集成智能傳感器理論的重要領(lǐng)域，也是各國研究的熱點，數(shù)據(jù)融合技術(shù)，簡言之，即對多個傳感器或多源信息進(jìn)行綜合處理，從而得到更為準(zhǔn)確、可靠的結(jié)論。對于多個傳感器組成的陣列，數(shù)據(jù)融合技術(shù)能夠充分發(fā)揮各個傳感器的特點，利用其互補性、冗余性，提高測量信息的精度和可靠性，延長系統(tǒng)的使用壽命。 數(shù)據(jù)融合是一種數(shù)據(jù)綜合和處理技術(shù)，是許多傳統(tǒng)學(xué)科和新技術(shù)的集成和應(yīng)用，如通信、模式識別、決策論、不確定性理論、信號處理、估計理論、最優(yōu)化技術(shù)、計算機科學(xué)、人工智能和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。近年來，不少學(xué)者又將遺傳算法、小波分析技術(shù)、虛擬技術(shù)引入數(shù)據(jù)融合技術(shù)中。3．CMOS工藝兼容 目前，國外在研究二次集成技術(shù)的同時，集成智能傳感器在工藝上的研究熱點集中在研制與CMOS工藝兼容的各種傳感器結(jié)構(gòu)及制造工藝流程，探求在制造工藝和微機械加工技術(shù)上有所突破。 利用CMOS工藝兼容的集成濕度傳感器將敏感電容和處理電路集成在一塊硅片上，通過Coventor模擬得到全量程總的敏感濕敏電容變化值，同時提高了可靠性并降低了成本，隨著微機械加工技術(shù)的逐步發(fā)展，使得以CMOS工藝技術(shù)制造的集成濕度傳感器已經(jīng)成為當(dāng)前研究的熱點。圖像傳感器在CMOS工藝兼容基礎(chǔ)上使得其動態(tài)范圍擴展技術(shù)有所進(jìn)步。4．傳感器的微型化 集成智能傳感器的微型化決不僅僅是尺寸上的縮微與減少，而是一種具有新機理、新結(jié)構(gòu)、新作用和新功能的高科技微型系統(tǒng)，并在智能程度上與先進(jìn)科技融合。其微型化主要基于以下發(fā)展趨勢：尺寸上的縮微和性質(zhì)上的增強性；各要素的集成化和用途上的多樣化；功能上的系統(tǒng)化、智能化和結(jié)構(gòu)上的復(fù)合性。 本設(shè)計中的無線溫度傳感器為正在研究中的科研項目，暫時只用各種器件臨時組合，如果方案進(jìn)入成熟階段，可將其集成在一塊芯片上，實現(xiàn)其微型化。 現(xiàn)代信息技術(shù)的三大基礎(chǔ)是信息采集(即傳感器技術(shù))、信息傳輸(通信技術(shù))和信息處理(計算機技術(shù))。傳感器屬于信息技術(shù)的前沿尖端產(chǎn)品，尤其是溫度傳感器被廣泛用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究和生活等領(lǐng)域，數(shù)量高居各種傳感器之首。近百年來，溫度傳感器的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下三個階段；(1)傳統(tǒng)的分立式溫度傳感器(含敏感元件)；(2)模擬集成溫度傳感器／控制器；(3)智能溫度傳感器。目前，國際上新型溫度傳感器正從模擬式向數(shù)字式、由集成化向智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。 進(jìn)入2 1世紀(jì)后，智能溫度傳感器正朝著高精度、多功能、總線標(biāo)準(zhǔn)化、高可靠性及安全性、開發(fā)虛擬傳感器和網(wǎng)絡(luò)傳感器、研制單片測溫系統(tǒng)等高科技的方向迅速發(fā)展。 隨著國家對城鎮(zhèn)供熱采暖采用熱量計量的不斷推廣，熱量表項目將成為一項高科技、高效益的投資項目，將帶動起一個年產(chǎn)值幾百億的新興產(chǎn)業(yè)群，并且它的持續(xù)發(fā)展期在1 5年以上。在國家有關(guān)政策的引導(dǎo)下，目前，全國各地正在進(jìn)行供熱分戶改造，未來幾年內(nèi)，國家將逐步實行按甩熱量分戶計量收費，屆時將會催生一個非常龐大的實時在線供熱表市場。因此，戶用熱量計是給暖商品化必不可少的工具，也是建筑節(jié)能的一項重要措，隨著供暖事業(yè)的發(fā)展必將得到普遍應(yīng)用。無線溫度傳感器作為熱表的一部分，用來測量回水溫度。 本設(shè)計中的無線溫度傳感器是測量回水溫度的部件，以解決目前國內(nèi)外熱量表生產(chǎn)單位普遍采用的有線采集回水溫度帶來的施工安裝不便及可靠性低這一突出的共性問題。以適應(yīng)我國民用計量儀表使用的實際現(xiàn)狀，達(dá)到節(jié)約能源和供需平衡的目的。第二章 方案論證數(shù)字化無線溫度傳感器的設(shè)計應(yīng)包含兩個部分：一部分是溫度測量(發(fā)射)電路，一部分是溫度處理(接收)電路。溫度測量部分由傳感器、MCU、和無線發(fā)射模塊構(gòu)成。溫度處理部分由無線接收模塊、MCU、與上位機通訊的接口電路構(gòu)成。其系統(tǒng)原理框圖如下所示：12CI/O溫度傳感器發(fā)射模塊圖1 溫度測量部分原理框圖接收模塊上位機USART12C圖2 溫度處理部分原理框圖 溫度傳感器的種類很多，選擇的空間就很廣闊，可以使用熱電偶，熱電阻等測溫元件，也可以選用集成溫度傳感器。 方案一：采用AD590作為傳感器。AD590是AD公司利用PN結(jié)正向電流與溫度的關(guān)系制成的電流輸出型兩端溫度傳感器。這種器件在被測溫度一定時，相當(dāng)于一個恒流源。該器件具有良好的線性和互換性，測量精度高，并具有消除電源波動的特性。即使電源在515V之間變化，其電流只是在l以下作微小變化。但是AD590是集成模擬傳感器，需要進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換才能與控制器連接。 方案二：選用單線數(shù)字溫度傳感器DSl8B20，它與其他傳感器相比有以下幾個優(yōu)點：(1)單總線，節(jié)省I／O 口線；(2)數(shù)字化，內(nèi)部自帶A／D，編程方便；(3)集成度高，外圍硬件電路簡單；(4)精度高，℃；本設(shè)計中選用DS18B20作為溫度傳感器。 方案一：主機采用以89C51系列單片機為核心的微控制器完成對無線發(fā)射接收模塊的控制，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的采集。由于受單片機指令運行速度的影響，影響到它的數(shù)據(jù)采集能力，而且它不具有低功耗狀態(tài)，不能滿足低功耗的要求。 方案二：以高速數(shù)字信號處理器(DSP)TMS320F240為中央處理單元，配以極少的外圍電路構(gòu)成了檢測器的核心控制部件。本方案的主要優(yōu)點： ①速度快，執(zhí)行速度達(dá)到20MIPS，幾乎所有的指令可以在50ns的單周期內(nèi)完成，如此高的性能非常適合實時數(shù)據(jù)采集。 ②硬件結(jié)構(gòu)簡單，具有豐富的可編程多路復(fù)用I／O引腳，能實現(xiàn)對溫度傳感器、鍵盤顯示接口、輸出打印接口的編程功能。 ③軟件編程靈活，可采用C語言與匯編語言混合編程。 但其價格昂貴，功能強大，用在此處屬于大材小用。 方案三：以PIC系列單片機作為中央處理單元，本方案具有前兩個方案無法取代的優(yōu)點： 1) 選型靈活，PIC系列從低到高有幾十個型號，可以滿足各種需要。 2) 精簡指令使其執(zhí)行效率大為提高。 3) 睡眠和低功耗模式。雖然PIC在這方面已不能與新型的TI—MSP430相比，但在大多數(shù)應(yīng)用場合還是能滿足需要的。基于低功耗的設(shè)計要求，本設(shè)計中采用，PIC系列單片機作為中央處理單元。2．4射頻模塊方案方案一：采用PTR2000作為無線收發(fā)模塊，其集成度相對較高，外圍硬件電路簡單，收發(fā)一體，但因為是無線通信，在通信過程中易受干擾，誤碼率高。方案二：采用PTR4000作為無線收發(fā)模塊，它含有CRC硬件校驗，當(dāng)PTR4000接收到數(shù)據(jù)與攝制的本機地址一致且CRC效驗正確時，才把接收到的數(shù)據(jù)以中斷方式傳給CPU，誤碼率低，與PTR2000相比較，其可靠性高。本設(shè)計中采用PTR4000作為無線收發(fā)模塊。 方案一:采用RS422A標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了差分平衡的電氣接口，它采用平衡驅(qū)動和差分接收的方法。這相當(dāng)于兩個單端驅(qū)動器，輸入同一信號時，其中一個驅(qū)動器的輸出永遠(yuǎn)是另一個驅(qū)動器的反向信號。 方案二:采用RS485接口，它是RS422A的變型，它與RS422A的區(qū)別在于：RS422A為全雙工，采用兩對平衡差分信號線；而RS485為半雙工，采用一對平衡差分信號線。RS485對于多站互連是十分方便的。RS485標(biāo)準(zhǔn)允許最多并聯(lián)32臺驅(qū)動器和32臺接收器?？偩€兩端接匹配電阻(100Ω左右)，驅(qū)動器負(fù)載為54Ω?！發(fā)，在+“O’’?！發(fā)，在+“0’’。RS485傳輸速率最高為10Mbit/s，最大電纜長度為1200米。 方案三：采用RS232C接口。它是異步串行通訊中應(yīng)用最廣泛的標(biāo)準(zhǔn)總線，它包括了按位串行傳輸?shù)碾姎夂蜋C械方面的規(guī)定。適用于數(shù)據(jù)終端設(shè)備和數(shù)據(jù)通訊設(shè)備之間的接口。本設(shè)計中采用RS232C接口進(jìn)行異步通訊即可滿足要求。第三章硬件原理與實現(xiàn) 在微控制器(Microcontroller)應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛的今天，各個領(lǐng)域的應(yīng)用也向微控制器廠商提出了更高要求，希望速度更快、功耗更低、體積更小、價格更廉以及組成系統(tǒng)時所需要的外圍器件更少；隨著越來越多的各種非電子工程技術(shù)人員的應(yīng)用需求，他們想把微控制器作為嵌入式部件應(yīng)用到自己熟悉的領(lǐng)域，還提出簡單易學(xué)用的要求，用戶的需求就是商家的市場和動力，老的半導(dǎo)體廠商順應(yīng)潮流不斷推出新品種，新的半導(dǎo)體廠商則后來居上，把越來越多的外圍接口器件集成到片內(nèi)，功能越來越強、性能越來越高。迄今為止，至少有35家半導(dǎo)體廠商的微控制器進(jìn)入中國市場。應(yīng)該說，每一個廠商的微控制器能在市場上占有一定份額，肯定有它存在的道理，即各個不同公司的芯片有它自己的特點才能吸引住有特定要求的部分用戶。在這眾多的五彩繽紛的微控制器中，美國Microchip技術(shù)公司的PIC系列微控制器則異軍突起，獨樹一幟。它率先推出采用精簡指令集計算機RISC(Reduced Instruction Set Computer)、哈佛（Harvard）雙總線和兩級指令流水線結(jié)構(gòu)的高性能價格比的8位嵌入式控制器（Embedded Controller)。其高速度（每條指令最快可達(dá)160ns）、低電壓（最低工作電壓可為2V）、低功耗（3V，32kHz時15181。A）、較大的輸入輸出電流直接驅(qū)動LED（灌電流可達(dá)25mA）、一次性編程OTP（One Time Programmable）芯片的低價位（最低的不到6元人民幣）、小體積（8引腳）、指令簡單易學(xué)易用等，都體現(xiàn)了微控制器工業(yè)發(fā)展的新趨勢。該公司推出了三個不同層次系列、幾十種產(chǎn)品來滿足不同的產(chǎn)品設(shè)計需要，這三個系列微控制器的每一種型號的芯片都含有片內(nèi)程序存儲器，而且它們的指令系統(tǒng)向上兼容，用戶可以根據(jù)需要選擇具有各種不同外圍接口功能、不同封裝形式和不同電壓范圍的芯片；該公司還可以提供完整的可兼容的開發(fā)工具套件和世界范圍的現(xiàn)場應(yīng)用支持，所以這個系列的微控制器在市場上極具強勁的競爭力，在全球都可以看到PIC微控制器從辦公自動化設(shè)備、消耗電子產(chǎn)品、電訊通信、智能儀器儀表、到汽車電子、金融電子、工業(yè)控制等不同領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。PIC系列微控制器在世界微控制器市場份額排名逐年上升，在8位微控制器市場，已從1990年的第20位提高到1996年的第5位，以至成為一種新的8位微控制器的世界標(biāo)準(zhǔn)和最有影響力的主流嵌入式控制器。 PIC系列微控制器硬件結(jié)構(gòu)特點1． 精簡指令集計算機(RISClikeReduced Instruction Set Computerlike)結(jié)構(gòu)Microchip技術(shù)公司具有先進(jìn)的類RISC結(jié)構(gòu)的PIC系列微控制器的簡潔性，為8位微計算機市場設(shè)立了一種事實上的新的性能標(biāo)準(zhǔn)。為了達(dá)到獨一無二的高速性能，PIC微控制器采用了小型機設(shè)計結(jié)構(gòu)。先進(jìn)的類RISC結(jié)構(gòu)體現(xiàn)在每一條高效率和功能強大的指令上。三個系列微控器的指令都是單字的寬字位指令：低檔、中檔和高檔系列的指令位數(shù)分別為114和16位，且分別只有335和58條指令，它們向上兼容其指令系統(tǒng)除了程序分支指令是單字雙周期指令外，其它指令都是單周期、單字指令，在這些指令中，沒有功能相交叉的指令，使所有的指令具有簡潔性；而一般CISC(Complex Instruction Set Computer)結(jié)構(gòu)的微控制器通常有50到110條多字節(jié)多周期的指令。單字節(jié)指令提高了軟件編碼的效率和減少了所需要的程序存儲單元，使系統(tǒng)具有高處理性能和突出性能。另外，由于所用指令數(shù)較少和較簡潔，編程任務(wù)和調(diào)試相對就比較容易，而且學(xué)習(xí)和實現(xiàn)都非?？臁Ｔ谙嗤闆r上，PIC微控制器所需要的編碼比一般要少一半，其指令的高效率又可使編碼開發(fā)時間節(jié)約30％。 (1) 指令流水線結(jié)構(gòu)可以在一個周期內(nèi)同時完成一條指令的執(zhí)行和下一條指令的取指。最大限度地提高了每個內(nèi)部時鐘周期的效率。 (2) 高速的指令執(zhí)行時間，在20MHz時鐘情況下達(dá)到200ns，在25MHz時可達(dá)到160ns。在單周期內(nèi)可以對I／O 口的任一位直接進(jìn)行位操作。 程序分支指令CALL、GOTO和在PCL上的操作需要兩個周期的執(zhí)行時間，在20MHz的情況下為400ns。 (3) 由于采用寬字指令，在相同情況下，程序量大為減少，形成的代碼是一般微控制器的一半。2． 哈佛(Harvard)雙總線結(jié)構(gòu) 其存儲結(jié)構(gòu)是基于哈佛雙總線概念，數(shù)據(jù)的指令傳輸總線完全分開以避免出現(xiàn)典型的普通CISC設(shè)計中經(jīng)常出現(xiàn)的處理瓶勁問題。 傳統(tǒng)的馮諾依曼結(jié)構(gòu)的計算機是在同一個存儲空間取指令和數(shù)據(jù)(即普林斯頓結(jié)構(gòu))，兩者不能同時進(jìn)行，故限制了工作帶寬。而在哈佛結(jié)構(gòu)的計算機中，指令和數(shù)據(jù)空間是完全分開的。一個用于指令，一個用于數(shù)據(jù)。由于可以對程序和數(shù)據(jù)同時進(jìn)行訪問，所以提高了數(shù)據(jù)吞吐率。正因為在PIC系列微控制器中采用了哈佛雙總線結(jié)構(gòu)，所以與常見的微控制器不同的一點是：程序和數(shù)據(jù)總線可以采用不同的寬度。數(shù)據(jù)總線都是8位的，但低檔、中檔和高檔系列的指令總線位數(shù)分別為114和16位。圖3是表示兩種不同結(jié)構(gòu)的示意圖。 CPU程序和數(shù)據(jù)存儲