【文章內(nèi)容簡介】 可以減小開發(fā)難度，縮短開發(fā)周期，降低成本。無線射頻收發(fā)芯片的工作頻段有433MHz，968MHz，以及ZigBee使用的2．4GHz等等。在選擇無線收發(fā)芯片時應(yīng)考慮需要以下幾點因素：功耗、發(fā)射功率、接收靈敏度、收發(fā)芯片所需的外圍元件數(shù)量、芯片成本、數(shù)據(jù)傳輸是否需要進(jìn)行曼徹斯特編碼等。（1）發(fā)射功率。在同等條件下，為了保證有效和可靠通信，應(yīng)選用發(fā)射功率較高的產(chǎn)品。（2）功耗。大多數(shù)無線收發(fā)芯片是應(yīng)用在便攜式產(chǎn)品上的，因此功耗也非常重要，應(yīng)該根據(jù)需要選擇綜合功耗較小的產(chǎn)品。（3）收發(fā)芯片所需的外圍元件數(shù)量。芯片外圍元件的數(shù)量直接決定產(chǎn)品的成本，因此應(yīng)該選擇外圍元件少的收發(fā)芯片。有些芯片似乎比較便宜，可是外圍元件使用很多昂貴的元件，如變?nèi)莨?、聲表濾波器等；還有些芯片收發(fā)分別需要兩根天線，會增加成本。（4）收發(fā)芯片的數(shù)據(jù)傳輸是否需要進(jìn)行曼徹斯特編碼。采用曼徹斯特編碼的芯片，在編程上會需要較高的技巧和經(jīng)驗，需要更多的內(nèi)存和程序容量，并且曼徹斯特編碼大大降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?，一般僅能達(dá)到標(biāo)稱速率的1／3。而采用串口傳輸?shù)男酒?，?yīng)用及編程非常簡單，傳送的效率很高，標(biāo)稱速率就是實際速率。（5）收發(fā)芯片的封裝和管腳數(shù)。較少的管腳以及較小的封裝，有利于減少PCB面積降低成本，適合便攜式產(chǎn)品的設(shè)計，也有利于開發(fā)和生產(chǎn)。綜合以上5點要素，在設(shè)計時選擇Chipcon公司的CC2500無線射頻芯片。③供電單元由于節(jié)點的電源由兩節(jié)5號電池供電，節(jié)點芯片工作在3．3 v的電壓下，所以采Linear公司的LTC3400開關(guān)型升壓芯片。它的開關(guān)頻率為1．2 MHz，效率最高可達(dá)92％。它的外圍電路簡單，使整個電源在PCB上的面積大大降低。因此選擇了LTC3400LTC3400還可在輕負(fù)載情況下自動轉(zhuǎn)為突發(fā)模式，以節(jié)省電能。④傳感器單元傳感器種類很多，可以檢測溫濕度、光照、噪聲、振動、磁場、加速度等物理量，將這些環(huán)境變量轉(zhuǎn)變?yōu)榭晒y量的信號。相對于常規(guī)的傳感器，課題的設(shè)計中更多的會涉及到的是現(xiàn)成的集成設(shè)計的微型傳感器，至于傳感器的具體工作原理，我們并不關(guān)心，我們只要知道用就可以了?？紤]到整個節(jié)點由電池供電，必須選擇體積小、低功耗、外圍電路簡單的傳感器。如果是實際應(yīng)用，完全可以直接采用不需要信號調(diào)理電路的數(shù)字式傳感器，而在我們的課題設(shè)計中，則應(yīng)當(dāng)盡量不要使用數(shù)字式傳感器。傳感器電源的供電電路設(shè)計對傳感器模塊的能量消耗來說非常重要。對于小電流工作的傳感器，可由處理器 I/O 口直接驅(qū)動，可以減少能量消耗。對于大電流工作的傳感器，I/O 口不能直接驅(qū)動傳感器，通常使用場效應(yīng)管來控制后級電路能量輸入。當(dāng)有多個大電流傳感器接入時，通常使用集成的模擬開關(guān)芯片來實現(xiàn)電源控制。 本設(shè)計內(nèi)選用溫度傳感器DS18B20。AT89C51 CC2500LTC3400+5V +~DS18B20+ 最終確定的方案由 AT89C51 構(gòu)成的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點由五部分組成：DS18B20 溫度傳感器、AT89C5LTC3400 電源、CC2500 射頻單元。DS18B20 溫度傳感器完成數(shù)據(jù)的采集和轉(zhuǎn)換然后傳送給 AT89C51，AT89C51 將數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)送給 CC2500 無線模塊，通過無線模塊發(fā)送出去，LTC3400 的電源部分為整個系統(tǒng)提供電力供應(yīng)?？傮w設(shè)計如圖 23所示：圖23 無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點總體設(shè)計 無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點工作原理利用 AT89C51 組成的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的工作原理：溫度傳感器 DS18B20 將被測環(huán)境溫度轉(zhuǎn)化成帶符號的數(shù)字信號（以十六位補(bǔ)碼形式，占兩個字節(jié)）傳送給 51單片機(jī)，然后單片機(jī)經(jīng)過處理經(jīng)由 CC2500 的無線發(fā)射模塊發(fā)送給上位機(jī)。 無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點硬件設(shè)計 傳感器單元 DS18B20傳感器模塊，又稱為數(shù)據(jù)采集模塊，它主要目的是將傳感器所采集到得模擬信號轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可以處理的數(shù)字信號，然后將數(shù)據(jù)處理等待發(fā)送，它為系統(tǒng)提供了進(jìn)行處理和決策所必需的原始信息。因此，它是現(xiàn)代監(jiān)測系統(tǒng)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。傳感器獲得信息正確與否，直接影響整個系統(tǒng)的精度，如果傳感器的誤差較大則隨后的測量電路、放大電路以及微處理器的精確度再高也是徒勞的，因此正確選用傳感器尤為重要。在本系統(tǒng)中，考慮到現(xiàn)實應(yīng)用的多樣性，設(shè)計采用內(nèi)部和外部傳感器的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。所謂內(nèi)部就是在節(jié)點上設(shè)計一個數(shù)字式測溫芯片——DSl8B20；所謂外部就是系統(tǒng)對外提供兩路接口給外接傳感器。DSl8820是是美國DALLAS公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器。目前常用的微機(jī)與外設(shè)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇锌偩€(如SPI總線、I2C總線或SCI總線等)，至少需要兩條或兩條以上的信號線。美國DALLAS半導(dǎo)體公司開發(fā)了一種新技術(shù)——單總線技術(shù)。它采用單根信號線完成數(shù)據(jù)的雙向傳輸，并且可以通過該信號線為單總線器件提供電源，節(jié)省I／O口資源，結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉、便于擴(kuò)展。單總線系統(tǒng)是由掛在一對雙絞線(一根信號線，一根地線)上的單總線器件芯片，專門的通信協(xié)議組成，該系統(tǒng)中只有一個總線命令者，從者可以有多個?？偩€命令者可以是PC機(jī)或者普通的單片機(jī)，從者是DALLAS公司提供的單總線器件芯片。作為單總線器件。DSl8820全部傳感元件和轉(zhuǎn)換電路都集成在一個形如三極管的集成電路內(nèi)。與其它傳感器相比，DSl8820具有以下技術(shù)特性：（1）具有獨特的單總線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時僅需一條I/O口線就可實現(xiàn)微處理器與它的雙向通信；（2）支持多點組網(wǎng)功能，一條總線上可以同時掛接多個DSl8B20，很方便地實現(xiàn)多點溫度的檢測；（3）數(shù)字信號輸出，不需要信號放大和A/D轉(zhuǎn)換等外圍電路；（4）測溫范圍55~+125℃，在1~+85℃時測溫準(zhǔn)確度為177?！妫唬?）能提供9～12位二進(jìn)制溫度值輸出，可通過編程決定輸出位數(shù)；（6）其工作電源既可采用寄生電源方式產(chǎn)生，也可在遠(yuǎn)端引入，電源電壓范圍為+~。因為它是數(shù)字輸出，而且只占用一個I/O端口，所以它特別適合于微處理器控制的各種溫度測控系統(tǒng)，避免了模擬溫度傳感器與微處理器接口時需要的A/D轉(zhuǎn)換和較復(fù)雜的外圍電路?？s小了系統(tǒng)的體積，提高了系統(tǒng)的可靠性。DSl8820只有三根外部引腳，其中VDD和GND為電源引腳，另一根DQ則作為I/O總線，因此稱為一線式數(shù)據(jù)總線。如圖24：24 DS18B20連接設(shè)計圖DS18B20 采用３腳 PR－35 封裝或８腳 SOIC 封裝，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖 2 所示。DS18B20 引腳介紹：TO－92 封裝的 DS18B20 的引腳排列見圖 25，其引腳功能描述見表 21。圖 25表 21　DS18B20 詳細(xì)引腳功能描述序號 名稱 引腳功能描述1 GND 地信號2 I/O 數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳。開漏單總線接口引腳。當(dāng)被用著在寄生電源下，也可以向器件提供電源。3 VDD 可選擇的 VDD 引腳。當(dāng)工作于寄生電源時，此引腳必須接地。 DS18B20的使用方法由于 DS18B20 采用的是 1－Wire 總線協(xié)議方式，即在一根數(shù)據(jù)線實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，而對 AT89C51 單片機(jī)來說，硬件上并不支持單總線協(xié)議，因此，我們必須采用軟件的方法來模擬單總線的協(xié)議時序來完成對 DS18B20 芯片的訪問。由于 DS18B20 是在一根 I/O 線上讀寫數(shù)據(jù)，因此，對讀寫的數(shù)據(jù)位有著嚴(yán)格的時序要求。DS18B20 有嚴(yán)格的通信協(xié)議來保證各位數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性。該協(xié)議定義了幾種信號的時序：初始化時序、讀時序、寫時序。所有時序都是將主機(jī)作為主設(shè)備，單總線器件作為從設(shè)備。而每一次命令和數(shù)據(jù)的傳輸都是從主機(jī)主動啟動寫時序開始，如果要求單總線器件回送數(shù)據(jù)，在進(jìn)行寫命令后，主機(jī)需啟動讀時序完成數(shù)據(jù)接收。數(shù)據(jù)和命令的傳輸都是低位在先。 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖DS18B20 采用３腳 TO92 封裝或８腳 SOIC 封裝，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如 26 所示。C64 位ROM和單線接口高速緩存存儲器與控制邏輯溫度傳感器高溫觸發(fā)器 TH低溫觸發(fā)器 TL配置寄存器8 位 CRC 發(fā)生器VDD圖 26 DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu)I/O64 位 ROM 的結(jié)構(gòu)開始８位是產(chǎn)品類型的編號，接著是每個器件的惟一的序號，共有 48 位，最后８位是前面 56 位的 CRC 檢驗碼，這也是多個 DS18B20 可以采用一線進(jìn)行通信的原因。溫度報警觸發(fā)器ＴＨ和ＴＬ，可通過軟件寫入戶報警上下限。DS18B20 溫度傳感器的內(nèi)部存儲器還包括一個高速暫存ＲＡＭ和一個非易失性的可電擦除的 EERAM。高速暫存 RAM 的結(jié)構(gòu)為８字節(jié)的存儲器，結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。頭２個字節(jié)包含測得的溫度信息，第３和第４字節(jié)ＴＨ和ＴＬ的拷貝，是易失的，每次上電復(fù)位時被刷新。第５個字節(jié)，為配置寄存器，它的內(nèi)容用于確定溫度值的數(shù)字轉(zhuǎn)換分辨率。DS18B20 工作時寄存器中的分辨率轉(zhuǎn)換為相應(yīng)精度的溫度數(shù)值。該字節(jié)各位的定義如圖 27 所示。低５位一直為１，ＴＭ是工作模式位，用于設(shè)置DS18B20 在工作模式還是在測試模式，DS18B20 出廠時該位被設(shè)置為０，用戶要去改動，R1 和Ｒ0 決定溫度轉(zhuǎn)換的精度位數(shù)，來設(shè)置分辨率。由表 22 可見，DS18B20 溫度轉(zhuǎn)換的時間比較長，而且分辨率越高，所需要的溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時間越長。因此，在實際應(yīng)用中要將分辨率和轉(zhuǎn)換時間權(quán)衡考慮。高速暫存ＲＡＭ的第６、７、８字節(jié)保留未用，表現(xiàn)為全邏輯１。第９字節(jié)讀出前面所有８字節(jié)的 CRC 碼，可用來檢驗數(shù)據(jù)，從而保證通信數(shù)據(jù)的正確性。TM R1 1R0 1 1 1 1....溫度 LSB溫度 MSBTH 用戶字節(jié)一TH 用戶字節(jié)二配置寄存器保留保留保留CRC 圖 27 　DS18B20 字節(jié)定義表 22 DS18B20 溫度轉(zhuǎn)換時間表R0R1000101119101112分 辨 率 /位 溫 度 最 大 轉(zhuǎn) 向 時 間 /ms375750....當(dāng) DS18B20 接收到溫度轉(zhuǎn)換命令后，開始啟動轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換完成后的溫度值就以16 位帶符號擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼形式存儲在高速暫存存儲器的第 2 字節(jié)。單片機(jī)可以通過單線接口讀出該數(shù)據(jù)，讀數(shù)據(jù)時低位在先，高位在后，數(shù)據(jù)格式以℃／LSB 形式表示。當(dāng)符號位 S=0 時，表示測得的溫度值為正值，可以直接將二進(jìn)制位轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制；當(dāng)符號位 S=1 時，表示測得的溫度值為負(fù)值，要先將補(bǔ)碼變成原碼，再計算十進(jìn)制數(shù)值。表 23 是一部分溫度值對應(yīng)的二進(jìn)制溫度數(shù)據(jù)。表 23　部分溫度對應(yīng)值表溫度/℃ 二進(jìn)制表示 十六進(jìn)制表示+125 0000 0111 1101 000007D0H+85 0000 0101 0101 00000550H+ 0000 0001 1001 00000191H+ 0000 0000 1010 000100A2H+ 0000 0000 0000 00100008H0 0000 0000 0000 10000000H 1111 1111 1111 0000FFF8H 1111 1111 0101 1110FF5EH 1111 1110 0110 1111FE6FH55 1111 1100 1001 0000FC90H DS18B20的通信協(xié)議由于 DS18B20 采用的是 1－Wire 總線協(xié)議方式，即在一根數(shù)據(jù)線實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，而對 AT89C51 單片機(jī)來說，硬件上并不支持單總線協(xié)議，因此，我們必須采用軟件的方法來模擬單總線的協(xié)議時序來完成對 DS18B20 芯片的訪問。由于 DS18B20 是在一根 I/O 線上讀寫數(shù)據(jù)，因此，對讀寫的數(shù)據(jù)位有著嚴(yán)格的時序要求。DS18B20 有嚴(yán)格的通信協(xié)議來保證各位數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性。該協(xié)議定義了幾種信號的時序：初始化時序、讀時序、寫時序。所有時序都是將主機(jī)作為主設(shè)備，單總線器件作為從設(shè)備。而每一次命令和數(shù)據(jù)的傳輸都是從主機(jī)主動啟動寫時序開始，如果要求單總線器件回送數(shù)據(jù)，在進(jìn)行寫命令后，主機(jī)需啟動讀時序完成數(shù)據(jù)接收。DS18B20 器件要求采用嚴(yán)格的通信協(xié)議，以保證數(shù)據(jù)的完整性。該協(xié)議定義了幾種信號類型：復(fù)位脈沖，應(yīng)答脈沖時隙；寫 0，寫 1 時隙；讀 0，讀 1 時隙。與DS18B20 的通信，是通過操作時隙完成單總線上的數(shù)據(jù)傳輸。發(fā)送所有的命令和數(shù)據(jù)時，都是字節(jié)的低位在前，高位在后。①復(fù)位和應(yīng)答脈沖時隙每個通信周期起始于微控制器發(fā)出的復(fù)位脈沖，其后緊跟 D