【正文】 位、 250KHz 和 500KHz 的 A/D 輸入、四種可編程增益選擇、 2048 字節(jié)的數(shù)據(jù)緩 存。硬件部分主要包括溫度數(shù)據(jù)采集部分和無線通信部分，溫度數(shù)據(jù)采集部分主要介紹溫度傳感器的比較和選擇， MCU 的選擇，溫度傳感器與 MCU 的硬件連接及采集原理；無線通信部分主要介紹單片射頻收發(fā)芯片的選取，射頻收發(fā)芯片與 MCU 的硬件連接，上下行的通信協(xié)議，接收部分與上位機(jī)通信的硬件連接等。本章主要介紹研究本系統(tǒng)的一些背景知識(shí)，內(nèi)容及意義，國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀。本章主要介紹數(shù)字式溫度傳感器 DS18B20 的相關(guān)信息， MCU 及各功能模塊的 硬件設(shè)計(jì)及軟件實(shí)現(xiàn)。本章主要介紹系統(tǒng)的調(diào)試方法和系統(tǒng)分析，并對(duì)全文進(jìn)行總結(jié)和展望，提出不足及需改進(jìn)的部分。 圖 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖 系統(tǒng)可以有多個(gè)溫度數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，每個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)包括一個(gè)小的溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和一個(gè)無線模塊。溫度傳感器也是此系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，傳感器的精度和性能同樣影響著系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。 系統(tǒng)框圖如圖 所示。 MCU 的選擇 MCU 作為一個(gè)系統(tǒng)的核心器件，它的選擇影響著這個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)劣和功能的實(shí)現(xiàn)。 TI 公司 MSP430 系列單片機(jī)就屬于這樣一種 16 位的增強(qiáng)型單片機(jī)，其在性價(jià)比方面就具有一定的優(yōu)勢(shì)，具有 RISC 指令集，功能豐富，主要用于低功耗應(yīng)用。溫度傳感器是開發(fā)較早、應(yīng)用較廣的一類傳感器。根據(jù)以上考慮結(jié)合設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，成本低等綜合考慮，選取數(shù)字式溫度傳感器 DS18B20 進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的采集，能夠滿足系統(tǒng)的要求。射頻收發(fā)芯片的選擇可以參考一下幾個(gè)方面：（ 1）射頻收發(fā)芯片的功耗；（ 2）射頻收發(fā)芯片的外圍元器件；（ 3）射頻收發(fā)芯片的發(fā)射功率；（ 4）射頻收發(fā)芯片的工作電壓和封裝；（ 5）芯片抗干擾能力等。綜合其它本系統(tǒng)所需要求，本文選用挪威公司的單片射頻收發(fā)芯片 nRF905，該芯片工作在 433/868/915MHz 的 ISM 頻段上，可滿足低功耗、開發(fā)周期短的要求且集成模塊小便于嵌入其他設(shè)備中使用。 MCU 采用低功耗單片機(jī) MSP430F449，通過 MCU 對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理、存儲(chǔ)和控制，然后經(jīng)由無線通信模塊進(jìn)行收發(fā)與上位機(jī) 進(jìn)行通信。同時(shí)，該系列單片機(jī)將大量的外圍模塊（如液晶驅(qū)動(dòng)器、看門狗、 A/D 轉(zhuǎn)換器、硬件乘法器、模擬比較器等）集成到片內(nèi)，特別適合于設(shè)計(jì)片上系統(tǒng)。在低功耗模式下， CPU 可以被中斷喚醒，響應(yīng)時(shí)間小于6ps。 豐富的片上外設(shè)：包括看門狗定時(shí)器，基本定時(shí)器，比較器， 16 位定時(shí)器 (TA、 TB)，串口 0、 1，液晶顯示驅(qū)動(dòng)器， 6 個(gè) 8 位的 I／ O 端口， 12 位 ADC (最高采樣率 200kHz)等。方便高效的開發(fā)環(huán)境： MSP430F449 是 Flash 型器件，片內(nèi)有調(diào)試接口和電可擦寫的 Flash 存儲(chǔ)器，可以先下載程序到 Flash 內(nèi)，再在器件內(nèi)通過軟件控制程序的運(yùn)行，由 JTAG 接口讀取片內(nèi)信息供設(shè)計(jì)師調(diào)試。 ℃； （ 8）可以用程序設(shè)定 9～ 12 位分辨率； （ 9）用戶可根據(jù)需要定義溫度的上下限報(bào)警設(shè)置。當(dāng)給 DS18B20 加電后，單片機(jī)可以通過 DQ 端寫入命令，并可以讀出含有溫度信息的數(shù)字量。溫度數(shù)據(jù)以帶符號(hào)位的補(bǔ)碼形式存儲(chǔ)在溫度寄存器中，溫度寄存器格式如圖 所示。主要由斜坡累加器低溫、高溫系數(shù)振蕩器、計(jì) 數(shù)器和溫度寄存器組成的。 DS18B20 的測(cè)溫過程如下： （ 1） 預(yù)置計(jì)數(shù)器 1 和溫度寄存器。 （ 4） 在計(jì)數(shù)器 2 減到 0（即門周期結(jié)束）之前，重復(fù)對(duì)低溫系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。 MSP430F449 與 DS18B20 的連接如圖 所示。 報(bào)警電路采用蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警，可直接通過與 MSP430F449 的 P1 口連接，通過控制 P 口的輸出電平的高低，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)出報(bào)警音，能夠?qū)崿F(xiàn)報(bào)警功能。進(jìn)入Powerdown 模式很容易實(shí)現(xiàn)節(jié)電。 nRF905 可自動(dòng)產(chǎn)生前導(dǎo)碼和循環(huán)冗余碼 CRC，采用 GFSK（高斯頻移鍵控）調(diào)制方式進(jìn)行調(diào)制，與 FSK（移頻鍵控）相比較能夠在更寬的帶寬上傳輸，調(diào)制速度可達(dá)到 100kbps，抗干擾能力強(qiáng)。工作模式的選擇是通過 MSP430F449 控制 TRX_CE、TX_EN 和 PWR_UP 的高低電平來決定的。 TX_EN 為高則 nRF905 工作在 ShockBurst 發(fā)送模式，為低時(shí)工作在接收模式。 nRF905 與單片機(jī)MSP430F449 連接如圖 所示。 采集功能軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)資源配置 MSP430F449 內(nèi)部有豐富的存儲(chǔ)資源和 I/O 接口。 溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主流程圖 開始 自檢程序 初始化 溫度 報(bào)警下限 設(shè)置報(bào)警上下限 溫度采集與處理 調(diào)用顯示子程序 調(diào)用無線子程序 上限報(bào)警 下限報(bào)警 溫度 報(bào)警上限 有鍵按下嗎？ 有鍵按下嗎？ 15 首先對(duì)系統(tǒng)各部分進(jìn)行初始化操作，初始化堆棧、 DS18B看門狗，無線模塊等；而后檢測(cè)鍵盤是否有鍵入；當(dāng)采集處理完后調(diào)用顯示子程序，在 LCD 上顯示出當(dāng)前的溫度；接著調(diào)用無線模塊子程序?qū)囟葦?shù)據(jù)通過無線方式傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，同時(shí)通過無線子程序接收上 位機(jī)發(fā)出的信息；當(dāng)所測(cè)溫度值超出所設(shè)定的上下限溫度報(bào)警值時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警。 nRF905 的 SPI 接口 SPI 是一種串行同步通信協(xié)議。 圖 SPI 接口與內(nèi)部寄存器 nRF905 是利 用 SPI 口實(shí)現(xiàn)與 MSP430F449 的雙向通信的，有四個(gè) SPI 接口引腳 [3]： MISO（主 SPI 輸入、從 SPI 輸出）、 MOSI（主 SPI 輸出、從 SPI 輸入）、 CSN（ SPI 使能）、 SCK（ SPI 串行時(shí)鐘）。 nRF905 的配置及收發(fā)流程 nRF905 的所有配置都通過 SPI 接口進(jìn)行，只有在掉電模式和 Standby 模式是激活的。 （ 2）當(dāng) MCU有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，將 TRX_CE和 TX_EN置高來激活 ShockBurst TX 模式。 （ 5） AUTO_RETRAN 被設(shè)置為高， nRF905 將連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)包，直到TRX_CE 被置低。 （ 2） 650μ s 后， nRF905 進(jìn)行監(jiān)測(cè)頻道使用情況： （ 3）當(dāng)監(jiān)測(cè)到有和接受頻率相同的載波時(shí)，載波檢測(cè)（ CD）被置高。 （ 5）當(dāng)接收到有效的數(shù)據(jù)包后，對(duì) CRC 進(jìn)行校驗(yàn)，如果正確則去掉前導(dǎo)碼、地址和 CRC 段，將數(shù)據(jù)保存在接收有效數(shù)據(jù)寄存器 RXPayload 中。 18 接收流程圖如圖 所示。若是控制命令則執(zhí)行相應(yīng)操作；若是發(fā)送數(shù)據(jù)則先將要發(fā)送的數(shù)據(jù)送到緩沖區(qū)中，同時(shí)將模塊的狀態(tài)轉(zhuǎn)換成發(fā)射狀態(tài)；若是 接收數(shù)據(jù)，則將無線傳輸模塊的狀態(tài)轉(zhuǎn)換成接收狀態(tài)。接收時(shí)進(jìn)行 CRC校驗(yàn)比較，若正確則發(fā)送接收確認(rèn)。 FFF0～ FFFF 為主機(jī)專用地址；長(zhǎng)度為 2 字節(jié)，低字節(jié)在前高字節(jié)在后，指明后面跟隨的信息長(zhǎng)度（字節(jié)數(shù)）；信息為本次傳送幀的信息部分，字節(jié)數(shù)為前面長(zhǎng)度部分定義；結(jié)束即 ETX 為本幀的結(jié)束字符；校驗(yàn)為 2 字節(jié)， CRC 作為幀校 驗(yàn)字，低字節(jié)在前高字節(jié)在后， CRC 具體計(jì)算方法為：從 STX（不含 STX）到 ETX（包括 ETX）所有字節(jié)的無符號(hào)算術(shù)和，字溢出部分舍棄。在系統(tǒng)通信過程中，需要用到轉(zhuǎn)發(fā)地址時(shí)，應(yīng)遵循的轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制為：當(dāng)出現(xiàn)地址序列：地址 1（ ADR1）、 地址 2（ ADR2）、地址 3（ ADR3）。 當(dāng)命令為上行時(shí)，地址序列做右循環(huán)變換，即變換成 ADR3 ADR1 ADR2 序列作為發(fā)送上行應(yīng)答命令中的地址序列。正常運(yùn)行后會(huì)在 PC 機(jī)上的串口調(diào)試助手接收區(qū)顯示 接收到的內(nèi)容。 （ 2）硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單就需要相對(duì)復(fù)雜的軟件來彌補(bǔ)，在對(duì) DSl8B20 進(jìn)行讀寫編 程時(shí)，必須嚴(yán)格的保證讀寫時(shí)序，否則將無法讀取測(cè)溫結(jié)果。串口公頭與母頭的線序是不一樣的。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，本系統(tǒng)溫度 采集數(shù)據(jù)比較準(zhǔn)確，誤差范圍在177。硬件模塊均運(yùn)行 穩(wěn)定。能夠?qū)崿F(xiàn)溫度數(shù)據(jù)采集，及在現(xiàn)場(chǎng)顯示溫度數(shù)據(jù)，并在溫度超過系統(tǒng)設(shè)置的溫度上下限值時(shí)，進(jìn)行蜂鳴器報(bào)警處理，同時(shí)溫度數(shù)據(jù)可以通過無線傳輸模塊，將溫度數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)系統(tǒng)。MSP430 系列單片機(jī)是 16 位超低功耗的單片機(jī)，而且在其內(nèi)部集成了很多功能模塊，減少了系統(tǒng)的外圍器件，從而簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。 22 參考文獻(xiàn) [1].孫肖子等 .電子設(shè)計(jì)指南 [M].北京：高等教育出版社， [2].孫肖子等 . 模擬及數(shù)?；旌掀骷脑砼c應(yīng)用（上冊(cè)） [M].北京：科學(xué)出版社， [3].康華光 .電子技術(shù)基礎(chǔ)（模擬部分，第 5版） [M].北京：高等教育出版社， [4].羅杰等 .電子線路 — 設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)，測(cè) 試（第 4版） [M].北京：電子工業(yè)出版社， [5].（日）遠(yuǎn)坂俊昭 .測(cè)量電子電路設(shè)計(jì) — 模擬篇 [M].北京：科學(xué)出版社， [6].史錫騰等 .單片機(jī)開發(fā)應(yīng)用實(shí)例 — 基于 PC 網(wǎng)絡(luò)的心電監(jiān)護(hù)儀設(shè)計(jì)與制作 [M].武漢：華中科技大學(xué)出版社， [7].謝興紅 .MSP430 單片機(jī)基礎(chǔ)與實(shí)踐 [M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社， [8].蘇曉龍 .王香婷 .基于 RS485 總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) [J].儀表技術(shù)與傳感器， [9].付浩偉 .向鳳紅 .程加堂 .李靜 .基于 DS18B20 傳感器的溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 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