【文章內(nèi)容簡介】 度系數(shù)晶振隨溫 64 位ROM 和單線接口 存儲(chǔ)器和控制器 高速緩存 存儲(chǔ)器 8 位 CRC 生成器 溫度敏感元件 低溫觸發(fā)器 T L 高溫觸發(fā)器 T H 配置寄存器 電源檢測 8 度變化其振蕩率明顯改變，所產(chǎn)生的信號(hào)作為計(jì)數(shù) 器 2 的脈沖輸入。計(jì)數(shù)器 1 和溫度寄存器被預(yù)置在 20℃ 所對應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值。計(jì)數(shù)器 1 對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器 1 的預(yù)置值減到 0 時(shí)，溫度寄存器的值將加 1，計(jì)數(shù)器 1 的預(yù)置將重新被裝入，計(jì)數(shù)器 1 重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，如此循環(huán)直到計(jì)數(shù)器 2 計(jì)數(shù)到 0 時(shí)，停止溫度寄存器值的累加，此時(shí)溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度。斜率累加器用于補(bǔ)償和修正測溫過程中的非線性其輸出用于修正計(jì)數(shù)器 1 的預(yù)置值 [5]。 DS18B20 在使用時(shí)的測溫分辨率 為 1℃ ，如果要更高的精度，則在對 DS18B20 測溫原理進(jìn)行詳細(xì)分析的基礎(chǔ)上，采取直接讀取 DS18B20 內(nèi)部暫存寄存器的方法，將 DS18B20 的測溫分辨率提高到 ～ ℃ 。 DS18B20 內(nèi)部暫存器 DS18B20 內(nèi)部暫存寄存器的分布如表 1 所列，其中第 7 字節(jié)存放的是當(dāng)溫度寄存器停止增值時(shí)計(jì)數(shù)器 1 的計(jì)數(shù)剩余值，第 8 字節(jié)存放的是每度所對應(yīng)的計(jì)數(shù)值 。 這樣，我們就可以通過下面的方法獲得高分辨率的溫度測量結(jié)果。首先用DS18B20 提供的讀暫存寄存器指令（ BEH），讀出以 ℃ 為分辨率的溫度測量結(jié)果，然后切去測量結(jié)果中的最低有效位（ LSB），得到所測實(shí)際溫度整數(shù)部分 T整數(shù)，然后再用 BEH 指令讀取計(jì)數(shù)器 1 的計(jì)數(shù)剩余值 M 剩余和每度計(jì)數(shù)值 M每度 。 考慮到 DS18B20 測量溫度的整數(shù)部分是以 ℃ 、 ℃ 為進(jìn)位界限的關(guān)系，實(shí)際溫度 T 可用下式計(jì)算得到： T 實(shí)際 =（ T 整數(shù) ℃ ） +（ M 每度 M 剩余 ） /M 每度 斜率累加器 預(yù)置 低溫度系數(shù)晶振 高溫度系數(shù)晶振 比較 計(jì)數(shù)器 1 =0 計(jì)數(shù)器 2 =0 預(yù)置 溫度寄存器 加 1 LSB 置位 /清除 圖 10 DS18B20 測溫原理 9 表 1 暫存器的對應(yīng)值 nRF905 收發(fā)模塊 此部分是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，收發(fā)模塊采用 nRF905 無線收發(fā)芯片。 nRF905 的外部電路主要有三個(gè)部分組成 ： VCO 的外部電路 、 天線和接口驅(qū)動(dòng)電路。 nRF905 所有的 RF 頻率都是由片內(nèi)壓控振蕩器 (VCO)產(chǎn)生。其諧振回路將包括以下幾個(gè)部分 : 片內(nèi)電路、外部 VCO 電路、連接芯片和 VCO 電感的線路電感、 VCO 電感到地線層線路的寄生電容。引腳 XC1 和 XC2 之外的整個(gè)電路都可視作 VCO 電感。 VCO 電感的品質(zhì)因數(shù) Q 值對 VCO 內(nèi)部的相位噪聲和電壓擺幅起著決定作用，如果 Q 值太低， VCO 甚至不能起振。對于 nRF905 收發(fā)器，要求 Q＞ (4 0～ 4 5)，電感量的精度應(yīng)控制在 2％之內(nèi)。 圖 11 收發(fā)電路模塊 暫存器內(nèi)容 字節(jié)地址 溫度最高數(shù)字位 0 溫度最低數(shù)字位 1 高溫限制 2 低溫限制 3 配置寄存器 4 保留 5 計(jì)數(shù)剩余值 6 每度計(jì)數(shù)值 7 CRC 校驗(yàn) 8 10 nRF905 芯片介紹 nRF905 是挪威 Nordic VLSI 公司推出的單片射頻收發(fā)模塊，工作頻道覆蓋433/868/915MHZ 三個(gè)國際通用的 ISM(工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué) )頻段，具有多個(gè)頻道(最多 170 個(gè)以上 )，可滿足需要多信道工作的特殊場合 。 它是 GMSK 調(diào)制，抗干擾能力強(qiáng)，特別適合工業(yè)控制場合。頻率穩(wěn)定性極好 ， 靈敏度高，達(dá)到 100dBm；最大發(fā)射功率達(dá) +10dBm。工作電壓低（ ～ ），功耗小，待機(jī)狀態(tài)僅為 1μs，以 10dBm輸出功率發(fā)射時(shí)電流只有 11mA，工作于接收模式時(shí)的電流為 ，并且內(nèi)建空閑模式與關(guān)機(jī)模式，易于實(shí)現(xiàn)節(jié)能。工 作速率最高可 達(dá) 100Kb/s，外圍元件少，基本無需調(diào)試。 nRF905 片內(nèi)集成了電源管理、晶體振蕩器、低噪聲放大器、頻率合成器、功率放大器、通信協(xié)議控制等模塊，曼徹斯特編碼 /解碼由片內(nèi)硬件完成，無需用戶對數(shù)據(jù)進(jìn)行曼徹斯特編碼，因此使用非常方便 。 其 內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 12 所示。 nRF905 有兩種工作模式和兩種節(jié)能模式。兩種工作模式是 ShockBurstTM接收模式和 ShockBurstTM 發(fā)送模式，兩種節(jié)能模式分別是關(guān)機(jī)模式和空閑模式。nRF905 的工作模式由 TRXCE、 TXEN 和 PWRUP 三個(gè)引腳決定，詳 見表 2。 由于 nRF905 具有 ShockBurstTM功能，使得 nRF905 不需要使用昂貴的高速微控 制處理器對數(shù)據(jù)處理 /時(shí)鐘恢復(fù)，也能達(dá)到較高的數(shù)據(jù)率。通過在芯片上將所有的高速信號(hào)處理變?yōu)樯漕l通信協(xié)議， nRF905 芯片提供了一個(gè)具有微控制器能力 圖 12 nRF905 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 11 的 SPI 接口，數(shù)據(jù)率由具有微控制器功能的接口速率自行設(shè)定。收發(fā)電路的數(shù)字部分是一個(gè)低速率電路，而收發(fā)電路的射頻鏈接卻是一個(gè)處于最高速率的電路， 整個(gè)電路要通過變速才能解決速率上的差異。 nRF905 芯片的 ShockBurstTM模式減少了在這一過程中的平均電流消耗。在 ShockBurstTM RX 模式中，當(dāng)一個(gè)有效地址的數(shù)據(jù)包被接收時(shí)，能夠通過 AM 和 R 兩個(gè)信號(hào)外送給 MCU 。在ShockBurstTMTX 模式中， nRF905 芯片自動(dòng)地完成報(bào)頭的生成和 CRC 校驗(yàn)，當(dāng)發(fā)送過程完成后，能夠通過 DR 信號(hào)外送給 MCU，發(fā)送工作已經(jīng)完成。這樣可以降低 MCU 對內(nèi)存的要求，使得 MCU 實(shí)現(xiàn)了低成本，同時(shí)也縮短了軟件的開發(fā)周期 [6]。 表 2 nRF905 的工作模式 PWR_UP TRX_CE TX_ EN 工作模式 0 —— —— 關(guān)機(jī)模式 1 0 —— 空閑模式 1 1 0 接收模式 1 1 1 發(fā)送模式 數(shù)據(jù)發(fā)送 典型 nRF905 的發(fā)送流程分以下幾步 ： (1)當(dāng) MCU 有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，通過 SPI 接口，按時(shí)序把接收機(jī)的地址和要發(fā)送的數(shù)據(jù)送傳給 nRF905， SPI 接口的速率在通信協(xié)議和器件配置時(shí)確定 。 (2)微控制器置 TRXCE和 TXCE為高電平，激發(fā) nRF905 的射頻發(fā)射模式 。 (3)當(dāng) nRF905 處與射頻發(fā)射模式時(shí)，射頻電路將自動(dòng)提升功率，對數(shù)據(jù)打包（添加報(bào)頭，完成 CRC 校驗(yàn)計(jì)算），完成數(shù)據(jù)包的發(fā)送。發(fā)送完成后， DR 信號(hào)將被設(shè)為高電平 ； 在發(fā)送期間，無論 TRXCE和 TXCE發(fā)生怎樣的改變， nRF905都能保證本次發(fā)送從開始到結(jié)束的一次性完成，只有在前一個(gè)數(shù)據(jù)包被發(fā)送完畢， nRF905 才能接受下一個(gè)發(fā)送數(shù)據(jù)包。而新的模式只有在此次發(fā)送完成后才會(huì)被激活。 (4)當(dāng)射頻配置寄存器中的 AUTORETRAN 字段為 “1”時(shí)，不斷重發(fā) ， nRF905直到 TRXCE被置低 ； 而當(dāng) TRXCE被置低， nRF905 發(fā)送過程完成，自動(dòng)進(jìn)入空閑模式；如果 TXCE 為低電平而 TRXCE 繼續(xù)保持高電平，那么 nRF905 芯片將在完成本次發(fā)送后，進(jìn)入 RX 模式并且進(jìn)入預(yù)設(shè)的信道 [7]。 數(shù)據(jù)接收 當(dāng) TRXCE為高、 TXCE為低時(shí)， nRF905 進(jìn)入接收模式： 12 (1)650μs后， nRF905 開始監(jiān)聽無線電信號(hào) ； (2)當(dāng) nRF905 檢測接收頻率的載波時(shí)， CD 變?yōu)楦唠娖?。 當(dāng)接收到一個(gè)有效的地址， AM 變?yōu)楦唠娖剑? (3)當(dāng)被接收的數(shù)據(jù)包 CRC 校驗(yàn)正確， nRF905 將除去報(bào)頭，地址及 CRC 比特，同時(shí)使 DR 變?yōu)楦唠娖剑? (4)微控制器把 TRXCE置低， nRF905 進(jìn)入空閑模式；微控制器通過 SPI 口，以一定的速率把數(shù)據(jù)移到微控制器內(nèi)； (5)當(dāng)所有的負(fù)載數(shù)據(jù)傳出后， nRF905 再次將設(shè)定 AM 和 DR 低電平。當(dāng)正在接收一個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí)， TRXCE或 TXCE引腳的狀態(tài)發(fā)生改變， nRF905 立即把其工作模式改變，數(shù)據(jù)包則丟失。當(dāng)微處理器接到地址匹配引腳的信號(hào)之后，其就知道 nRF905 正在接收數(shù)據(jù)包，其可以決定是讓 nRF905 繼續(xù)接收該數(shù)據(jù)包還是進(jìn)入另一個(gè)工作模式。 其中 MOSI/MISO 是發(fā)射 / 接收數(shù)據(jù)的通道； TRX_CE， TXCE是收 /發(fā)通道的控制端； PWRUP 是工作模式控制端； CSN、 SCK 為串行接口控制端； CD 是接收模式下載波監(jiān)測信號(hào)輸出端； AM 是接收到正確的數(shù)據(jù)包地址后芯片指示信號(hào)的輸出端； DR 是發(fā)射完一個(gè)數(shù)據(jù)包后芯片指示信號(hào)的輸出端； UPCLK 是芯片提供的一個(gè)可設(shè)置的時(shí)鐘源信號(hào)輸出端； ANT1 和 ANT2 用于天線部分 。 XC1和 XC2 外接電路構(gòu)成了晶體振蕩電路 。 收發(fā)天線的設(shè)計(jì) nRF905 芯片可以選擇多種形式的天線作為無線傳輸?shù)耐緩健τ诘蛽p耗、小尺寸的無線模塊來說，具有 T 型匹配網(wǎng)絡(luò)的環(huán)形天線是一個(gè)很好天線的解決方案。本系統(tǒng)采用 PCB 板上環(huán)形天線，該方案具有成本低，方向性較好等特點(diǎn)。天線電路如圖 13 所示。 圖 13 天線電路圖 13 5 軟件介紹 采集電路流程圖 DS18B20 的工作遵循嚴(yán)格的單總線協(xié)議。主機(jī)首先發(fā)一復(fù)位脈沖，使信號(hào)線上所有的 DS18B20 芯片都被復(fù)位，接著發(fā)送 ROM 操作命令，使序列號(hào)編碼匹配的 DS18B20 被激活，準(zhǔn)備接收下面的內(nèi)存訪問命令。內(nèi)存訪問命令控制選中的 DS18B20 的工作狀態(tài)，完成整個(gè)溫度轉(zhuǎn)換、讀取等工作 (單總線 ROM 命令發(fā)送之前存儲(chǔ)命令 和控制命令不起作用 )。其工作流程圖如圖 14 所示。 在對 DS18B20 進(jìn)行操作的整個(gè)過程中，主要包括三個(gè)關(guān)鍵過程 :主機(jī)搜索DS18B20 序列號(hào)、啟動(dòng)在線 DS18B20 作溫度轉(zhuǎn)換、讀取在線 DS18B20 溫度值。其中主機(jī)啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換并讀取溫度值的流程圖如圖 15 所示。 工作中系統(tǒng)對 DS18B20 的操作以 ROM 命令和存儲(chǔ)器命令形式出現(xiàn)。其中ROM 操作