【正文】 ............................................................................... 24 干擾源分析 ................................................................................................... 24 硬件抗干擾設(shè)計(jì) ............................................................................................ 24 電源抗干擾設(shè)計(jì) ......................................................................................... 24 過程通道抗干擾設(shè)計(jì) .................................................................................. 25 軟件抗干擾設(shè)計(jì) ............................................................................................ 25 看門狗技術(shù) ................................................................................................ 25 冗余技術(shù) .................................................................................................... 26 5 總結(jié) ....................................................................................................................... 26 參考文獻(xiàn) .................................................................................................................... 27 1 1 緒論 課題背景及現(xiàn)實(shí)意義 近年來無線通信成為熱門，包括移動(dòng)電話、無線尋呼、衛(wèi)星通信等在內(nèi)的無線通信技術(shù)得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。它是在蜂窩系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展而成的，屬于第二代數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)。 GSM 模塊是繼 GSM 手機(jī)外又一種非常重要的 GSM 移動(dòng)通信系統(tǒng)的終端設(shè)備。它的出現(xiàn)給 GSM 的發(fā)展注入了新的活力，改變了傳統(tǒng)的以話音為主的通信手段，打開了 GSM 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信及其應(yīng)用的大門。而 GSM模塊則無此限制，所以基于這種模塊，以 GSM 網(wǎng)絡(luò)作為無線傳輸網(wǎng)絡(luò)，可以開發(fā)出各種前景極其樂觀的各類應(yīng)用。尤其在航天、材料、能源、冶金、化工等領(lǐng)域中，溫度測(cè)量占有極重要的地位。近年來溫度計(jì)量方面的發(fā)展大致集中于在溫度計(jì)量及儀表中采用高新技術(shù)，尤其是信息技術(shù)以及在有特殊要求、傳統(tǒng)技術(shù)難以解決的測(cè)溫場(chǎng)合進(jìn)行重點(diǎn)應(yīng)用研究和探索。某些測(cè)溫設(shè)備位于環(huán)境惡劣的野外或是在無人值守的條件下，如果在數(shù)據(jù)的傳輸部分加裝 GSM 短消息模塊，便可利用 GSM公用網(wǎng)組成的傳輸系統(tǒng)，使系統(tǒng)的可靠性、抗干擾性、穩(wěn)定性、可 維護(hù)性、功能擴(kuò)展性等方面具有明顯的優(yōu)越性，并可降低運(yùn)營(yíng)成本和勞動(dòng)強(qiáng)度。雖然單片機(jī)只是一個(gè)芯片，但從組 2 成和功能上看，它已具有了微機(jī)系統(tǒng)的含義。 按內(nèi)部數(shù)據(jù)通道的寬度，單片機(jī)可分為 4 位、 8位、 16 位及 32位等。諾伊曼結(jié)構(gòu)；另一種是將程序指令存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器截然分開，分別尋址的結(jié)構(gòu)，稱為哈佛 (Harvard)結(jié)構(gòu) [2]。 綜合看來單片機(jī)具有如下明顯的特點(diǎn) [3]: (l)體積小、性價(jià)比高。 (2)可靠性高，適用的溫度范圍高。 (3)控制功能強(qiáng)。 (4)指令系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，較易掌握。 (5)易于產(chǎn)品化。 由于單片機(jī)具有這些特點(diǎn)，使它在工業(yè)控制、智能儀表、外設(shè)控制、家用電器、機(jī)器人、軍事裝置等方面得到了廣泛地應(yīng)用。 當(dāng)前用 COMS 工藝制成的各種單片機(jī)，由于功耗低，使用的溫度范圍大，抗干擾能力強(qiáng)，能滿足一些特殊要求的應(yīng)用場(chǎng)合，更加擴(kuò)大了單片機(jī)的應(yīng)用范圍，也進(jìn)一步促進(jìn)了單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展 [4]。同時(shí)， GSM系統(tǒng)與各種 3 公用通信網(wǎng)之間也都詳細(xì)定義了標(biāo)準(zhǔn)接口規(guī)范，使 GSM系統(tǒng)可以與各種公用通信網(wǎng)實(shí)現(xiàn)互連互通。 （ 3） GSM 系統(tǒng)采用 FDMA/TDMA 及跳頻的復(fù)用方式，頻率重復(fù)利用率較高，同時(shí)它具有靈活方便的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，可滿足用戶的不同容量需求。 （ 5） GSM 系統(tǒng)抗干擾能力較強(qiáng)，系 統(tǒng)的通信質(zhì)量較高。 溫度檢測(cè)儀的總體設(shè)計(jì)與工作原理 本文設(shè)計(jì)的溫度監(jiān)測(cè)儀主要應(yīng)用于無人值守場(chǎng)所的溫度測(cè)量，其總體結(jié)構(gòu)如圖 11所示。同時(shí)，每隔一定時(shí)間利用GSM 模塊將溫度值發(fā)送到相關(guān)人員的手機(jī)上，以便及時(shí)了解溫度的動(dòng) 態(tài)變化，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)、可靠的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。硬件設(shè)計(jì)過程中，器件應(yīng)選擇和篩選，在布線和安排時(shí)，要注意制作技術(shù)和裝配技術(shù)，以克服電氣干擾。如圖 21 所示，系統(tǒng)硬件組成主要有 : DS18B20 溫度傳感器， 8位單片機(jī) STC89C52， LCD1602 液晶顯示模塊， GSM 模塊 MZ28 等。為確保儀表能長(zhǎng)期可靠運(yùn)行，還須采取相應(yīng)的抗干擾措施，包括去藕濾波、合理的走線與布局以及通道隔離等。當(dāng)輸入的非電量變化時(shí)，傳感器的輸出信號(hào)可以表現(xiàn)為變化的電壓、變化的電流或者變化的頻率，其中除頻率可以直接看成數(shù)字信號(hào)外，電壓及電流都仍是連續(xù)變化的模擬信號(hào) [6]。另外一般監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的電磁環(huán)境都非常惡劣，各種干擾信號(hào)較強(qiáng)，模擬溫度信號(hào)容易受到干擾而產(chǎn)生測(cè)量誤差，影響測(cè)量精度。 美國(guó) Dallas 半導(dǎo)體公司的數(shù)字化溫度傳感器 DS18B20 型單線智能溫度DS18B20 溫度傳感器 GSM模塊 MZ28 按鍵 液晶顯示模塊 單片機(jī) STC89C52 電源供電及復(fù)位 圖 21 溫度檢測(cè)儀的硬件結(jié)構(gòu)框圖 5 傳感器，屬于新一代適配微處理器的智能溫度傳感器，可廣泛用于工業(yè)、民用、軍事等領(lǐng)域的溫度測(cè)量及控制儀器、 測(cè)控系統(tǒng)中 [7]。傳感器 DS18B20 具有體積更小、精度更高、適用電壓更寬、采用一線總線、可組網(wǎng) 、抗干擾能力強(qiáng) 等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的測(cè)溫效果。 ℃； （ 6）可編程的分辨率為 9～ 12 位，對(duì)應(yīng)的可分辨溫度分別為 ℃ 、 ℃ 、℃ 和 ℃ ，可實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)溫 ； （ 7）在 9 位分辨率時(shí)最多在 內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字， 12 位分辨率時(shí)最多在 750ms 內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù) 字，速度更快 ； （ 8）測(cè)量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號(hào)，以 一線總線 串行傳送給 CPU，同時(shí)可傳送 CRC 校驗(yàn)碼，具有極強(qiáng)的抗干擾糾錯(cuò)能力 ； （ 9）負(fù)壓特性：電源極性接反時(shí)，芯片不會(huì)因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。 6 DS18B20 的外形及管腳排列如下圖 22；其管腳接法如圖 23 DS18B20 引腳定義： (1)DQ 為數(shù)字信號(hào)輸入 /輸出端 ，與單片機(jī)的 I/O口相連 ； (2)GND 為電源地； (3)VDD 為外接供電電源輸入端（在寄生電源接線方式時(shí)接地） 。圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號(hào)送給計(jì)數(shù)器 1。計(jì)數(shù)器 1 和溫度寄存器被預(yù)置在－ 55℃ 所對(duì)應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值。圖 25中的斜率累加器用于補(bǔ)償和修正測(cè)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。 除上述六個(gè)方面外，單片機(jī)的外圍電路的配套、器件的來源、軟件的支持等，也是設(shè)計(jì)人員必須考慮的因素。在多數(shù)情況下，只要考慮顯示和鍵盤及串行通信口即可。它使得整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本降低，降耗節(jié)能，而且測(cè)量精度也大大提高，滿足溫度測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。該器件采用 ATMEL 高密度非易失性存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS51指令集和輸出管腳相兼容。 8 表 21 STC89C52主要功能 主要功能特性 兼容 MCS51 指令系統(tǒng) 8K 可反復(fù)擦寫 Flash ROM 32 個(gè)雙向 I/O 口 256x8bit 內(nèi)部 RAM 3 個(gè) 16 位可編程定時(shí) /計(jì)數(shù)器中斷 時(shí)鐘頻率 024MHz 2 個(gè)串行中斷 可編程 UART 串行通道 2 個(gè)外部中斷源 共 6 個(gè)中斷源 2 個(gè)讀寫中斷口線 3 級(jí)加密位 低功耗空閑和掉電模式 軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能 STC89C52 引腳介紹 a）主電源引腳（ 2 根） VCC（ Pin40）：電源輸入，接 +5V 電源 GND（ Pin20）：接地線 b）外接晶振引腳（ 2根） XTAL1（ Pin19）：片內(nèi)振蕩電路的輸入端 XTAL2（ Pin18）：片內(nèi)振蕩電路的輸出端 c）控制引腳（ 4根） RST/VPP(Pin9):復(fù)位引腳，引腳上出現(xiàn) 2 個(gè)機(jī)器周期的高電平將使單片機(jī)復(fù)位。 d）可編程輸入 /輸出引腳（ 32根） STC89C52 單片機(jī)有 4組 8位的可編程 I/O 口，分別為 P0、 P P P3 口，每個(gè)口有 8位（ 8 根引腳），共 32 根。它是傳統(tǒng)調(diào)制解調(diào)器與 GSM 無線移動(dòng)通信系統(tǒng)相結(jié)合的一種數(shù)據(jù)終端設(shè)備。 本溫度監(jiān)測(cè)儀使用中興通訊推出的 GSM 無線雙頻調(diào)制解調(diào)器 MZ28，它主要為語(yǔ)音傳輸、短消息發(fā)送和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)提供無線接口。圖 27為 MZ28 的功能框圖，主要的組成部分有 :GSM 基帶處理器 (包括模擬基帶和數(shù)字基帶 )、 GSM 射頻電路、存儲(chǔ)器、SIM 卡、電源和功率控制電路、系統(tǒng)連接器。在圖 27中，虛線內(nèi)部為 MZ28 主板的各個(gè)組成單元 ，虛線之外為外部接口。 系統(tǒng)連接器是 MZ28 與應(yīng)用系統(tǒng)的連接接口，主要提供外部電源、 RS232串口、外接 SIM 和音頻接口。 MZ28 可以作為無線引擎，嵌入到用戶自己的產(chǎn)品當(dāng)中，用戶可以用單片機(jī)或其他 CPU 的 UART 口，使用相應(yīng)的 AT 命令，對(duì)模塊進(jìn)行控制，達(dá)到使其產(chǎn)品可以輕松進(jìn)入 GSM 網(wǎng)絡(luò)的目的。為保證模塊正常工作，直流電源應(yīng)有 2A的峰值電流輸出能力。用戶在使用模塊時(shí)應(yīng)在靠近模塊電源的輸入端加一大的濾波電容，推薦 1000uF 以上，以保證模塊的供電電壓有較小的紋波。 MZ28 模塊通過一個(gè) 20 腳的連接器提供同外部相連的接口，使用此接口可以同 PC 機(jī)進(jìn)行 RS232 通訊，完成程序下載和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等功能，并且完成對(duì) MZ28的供電。 表 22 系統(tǒng)連接器引腳分配表 序號(hào) 名 稱 輸入 /輸出 描 述 1 VBAT 輸入 電源＋ 2 VBAT 輸入 電源＋ 3 VBAT 輸入 電源＋ 4 RESET 輸入 復(fù)位信號(hào) 11 5 LED2 輸出 服務(wù)指示燈驅(qū)動(dòng) 6 RING_EXT 輸出 振鈴信號(hào) 7 RTS_EXT 輸出 請(qǐng)求發(fā)送 8 RXD_EXT 輸入 串行數(shù)據(jù)接收端 9 TXD_EXT 輸出 串行數(shù)據(jù)發(fā)送端 10 AGND 地 模擬地 11 CTS_EXT 輸入 清除發(fā)送 12 VR2B_EXT 輸出 數(shù)字電源 VR2B，＋ 13 AUXI_EXT 輸入 音頻輔助通道輸入 14 AUXOP_EXT 輸出 音頻輔助通道輸出，負(fù)載阻抗要求為 32Ω 15 SIMCLK_EXT 輸出 SIM 卡接口－時(shí)鐘 16 SIMRST_EXT 輸出 SIM 卡接口－復(fù)位 17 SIMI/O_EXT 輸入 /輸出 SIM 卡接口－數(shù)據(jù) 18 GND 地 19 GND 地 20 GND 地 下面對(duì)各管腳的定義加以說明： （ 1）第 1， 2， 3和 18， 19， 20 引腳分別為電源 +和地，電源 +為 MZ28 模塊提供～ ，且應(yīng)有 2A 的峰值電流輸出能力。如外接控制器為單片機(jī)，則該接口可直接與單片機(jī)對(duì)應(yīng)的管腳相連。 （ 3）第 10， 13， 14 引腳提供外部音頻接口，如使用數(shù)據(jù)板附件則