【正文】 活動(dòng)高效開展，因此準(zhǔn)確且實(shí)用的溫度數(shù)據(jù)采集 系統(tǒng)具有舉足輕重的作用。然而，生產(chǎn)環(huán)境的多變性、不確定性，導(dǎo)致許多工作場所不太方便布線，需要采用無線傳輸方式。他是以 MSP430F449 單片機(jī)為控制單元，一溫度傳感器 DS18B20為溫度采集器件，以無線收發(fā)模塊 nRF905 完成數(shù)據(jù)的無線傳輸，用數(shù)碼管進(jìn)行顯示，實(shí)現(xiàn)溫度的測量、無線傳輸、顯示以及報(bào)警，就是一套通過無線方式實(shí)現(xiàn)溫度的遠(yuǎn)程采集的完整系 統(tǒng)。 nRF905 Radio Frequency chip。信息采集就是獲取信息，是對(duì)實(shí)際工作中物理、化學(xué)、工程技術(shù)等方面的參量和數(shù)值信息進(jìn)行提取的過程。 數(shù)據(jù)采集就是將外界或現(xiàn)場的被測對(duì)象中各種參 量（可以是物理量，也可以是化學(xué)量、生物量等）通過各種傳感元件進(jìn)行適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換后，在經(jīng)過采樣、量化、編碼、傳輸?shù)炔襟E，最后送到控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理或存儲(chǔ)記錄的過程。在數(shù)據(jù)采集和處理過程中， CPU 對(duì)采集的控制和數(shù)據(jù)的傳送都是通過總線或接口來實(shí)現(xiàn)的。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，尤其是計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展與普及，數(shù)據(jù)采集技術(shù)將具有廣闊的發(fā)展前景。溫度參數(shù)很多時(shí)候用于對(duì)工業(yè)工場、倉庫管理、糧食蔬菜大棚、花卉溫室、醫(yī)療制藥等領(lǐng)域，需要對(duì)其監(jiān)控，以達(dá)到生產(chǎn)生活需要，并及時(shí)對(duì)測試結(jié)果做出相應(yīng)的處理。隨著科技的不斷發(fā)展，傳感器技術(shù)已成為國內(nèi)外優(yōu)先發(fā)展的科技領(lǐng)域之一，應(yīng)用越來越廣。隨著集成芯片及各種無線技術(shù)的發(fā)展，針對(duì)一些現(xiàn)場環(huán)境比較復(fù)雜的地方，有線傳輸方式的布線會(huì)比較繁瑣且不適宜在偏遠(yuǎn)、環(huán)境惡劣的情況下使用，而無線傳輸方式可以避免以上的問題，且在采集點(diǎn)較多和需更換采集位置的場合顯得更為方便簡單。在溫室中 進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的采集、測量及監(jiān)控具有重要的意義。而無線傳輸?shù)姆绞骄涂梢院芎玫慕鉀Q這一問題。 GSM、 CDMA 和第三代移動(dòng)通信技術(shù)（ 3G）能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的通信，屬于 WAN 領(lǐng)域； WLAN 和 WPAN 領(lǐng)域中，短距離無線通信技術(shù)有 UWB 無載波通信技術(shù)、 ZigBee 技術(shù)、 Wireless USB 技術(shù)、藍(lán)牙、 WiFi 技術(shù)等。射頻收發(fā)芯片可工作在免費(fèi) 的 ISM 頻段，無需向中國無線電申請(qǐng)頻段，具有低功耗的優(yōu)點(diǎn)從而能夠免除布線的麻煩，提高設(shè)備的可移動(dòng)性，方便移動(dòng)測試位置和 隨時(shí)增減點(diǎn)采集數(shù)目。本文單片射頻收發(fā)芯片采用挪威公司的 nRF905，其可滿足低功耗、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。 目前國外的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研制已經(jīng)相當(dāng)成熟，而且種類繁多，性能好，功能強(qiáng)大，并且以基于通用微型計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)居多，這種系統(tǒng)的核心是可插入計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)插槽的高速數(shù)據(jù)采集卡。其中 SPl225 是帶有 lGS/s8b 精度數(shù)字化儀的超高速數(shù)據(jù)采集模塊 (HSDAM)PCI 卡，最高可進(jìn)行 500 MHz 或 1GHz 的波形分析； PDAl2A 采樣率為 125MS/s，分辨率為 12b，信號(hào)帶寬由 DC～ 50MHz。 在國內(nèi)，很多大學(xué)、科研機(jī)關(guān)、公司也從事著數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研制。如北京中泰研創(chuàng)科技有限公司的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) PCI8344B，它具有 16 位 A/D， 8 通道并行同時(shí)轉(zhuǎn)換，每個(gè)通道的轉(zhuǎn)換速率都可以達(dá)到 100KHz。 3 北京康泰電子有限公司的 DAQ1602/PCI 16 位 PCI 總線數(shù)據(jù)采集板，具有 16 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。國內(nèi)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)雖然價(jià)格較為便宜，但與國外的相比無論精度和速度都存在一定的距離。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。最后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行整個(gè)調(diào)試及分析，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)基本功能的仿真。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，國內(nèi)外現(xiàn)狀。本章主要介紹系統(tǒng)的主要構(gòu)成，并給出系統(tǒng)中參與芯片及模塊的比較和選用。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 nRF905 的性能特點(diǎn)，接口配置等信息，給出與 MCU 及 PC 連接電路和收發(fā)流程；給出無線通信的通信協(xié)議和無線傳輸可靠性技術(shù)。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。為使設(shè)計(jì)思路清晰，特地采用模塊化設(shè)計(jì)思想，可將系統(tǒng)分為四大模塊：電源模塊、溫度數(shù)據(jù)采集模塊、無線通信模塊和上 位機(jī)顯示模塊。 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。 溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心器件是 MCU 和前端擔(dān)任溫度信號(hào)采集的溫度傳感器。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。 溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本框圖如圖 所示。 溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要的功能是檢測采集點(diǎn)的溫度，并能夠?qū)囟葦?shù)值在現(xiàn)場和通過傳輸后在上位機(jī)中顯示出來，且在溫度超過預(yù)設(shè)的警戒值時(shí)進(jìn)行報(bào)警。系統(tǒng)框圖如圖 所示。在圖中可看出溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將采集到的溫度信 號(hào)打包傳送到無線模塊，由無線模塊進(jìn)行信號(hào)調(diào)制和功率放大等操作后，將數(shù)據(jù)無線發(fā)送到接收端的無線模塊進(jìn)行解調(diào)等操作后，通過 MCU 連接的 MAX3232 進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，進(jìn)而達(dá)到與上位機(jī)通信的目的，從而實(shí)現(xiàn)了無線傳輸功能。 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)。從八十年代初 51 系列單片機(jī)就開始流行了，在技術(shù)開發(fā)方面已經(jīng)很成熟了，只是功能實(shí)現(xiàn)方面相對(duì)簡單； DSP 功能側(cè)重于有大量信號(hào)需要處理的場合，但價(jià)格偏高，開發(fā)難度較大； ARM 芯片和 DSP 有某些相似之處，在小型系統(tǒng)中增強(qiáng)型的 16 為單片機(jī)已經(jīng)能夠滿足需求。 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，具有 RISC 指令集，功能豐富，主要用于低功耗應(yīng)用。本文選用 MSP430F449。溫度傳感器是開發(fā)較早、應(yīng)用較廣的一類傳感器。 溫度傳 感器的多樣性，能夠滿足不同系統(tǒng)及場合的需求。根據(jù)以上考慮結(jié)合設(shè)計(jì)簡單，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。一般使用數(shù)字信號(hào)單片射頻收發(fā)芯片加上微控制器和少量外圍器件構(gòu)成專用或通用的無線通信模塊。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。詳見表 。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。溫度數(shù)據(jù)采集的實(shí)現(xiàn)主要是由溫度傳感器及 MCU 完成的，傳感器是獲得溫度信息的有效途徑，是對(duì)原始信號(hào)測量，控制的關(guān)鍵器件，只有通過傳感器獲得有效準(zhǔn)確的原始信號(hào)，才能保證后續(xù)工作的可靠性和穩(wěn)定性。 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。 MSP430F449 單片機(jī) TI 公司的 MSP430 系列單片機(jī)是超低功耗類的 16 位單片機(jī)。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)。它的特點(diǎn)包括： 在低功耗模式下， CPU 可以被中斷喚醒，響應(yīng)時(shí)間小于6ps。 較強(qiáng)的運(yùn)算能力： 16 位的 RISC 結(jié)構(gòu)，豐富的尋址方式；具有 16 個(gè)中斷源，可以任意嵌套；在 8MHz 時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)下指令周期可達(dá) 125ns； 內(nèi)部包含硬件乘法器和大量寄存器，以及多達(dá) 64KB 的 Flash 程序空間和 2KB 的 RAM，為存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和運(yùn)算提供了保證。 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。另外，充分利用計(jì)數(shù)器的多路任意波形產(chǎn)生功能和中斷控制功能，保證了一些復(fù)雜的時(shí)序控制任務(wù)的完成。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 數(shù)字溫 度傳感器 DS18B20 DS18B20 的性能特點(diǎn) DS18B20 是由 DALLAS 半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的單線型智能數(shù)字溫度傳感器，是新一代適配微處理器的智能溫度傳感器，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域，具有體積小、接口方便和傳輸距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)，在一根通信線上可以掛很多個(gè) DS18B20，很方便。 ℃； （ 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。 圖 DS18B20 管腳排列圖 DS18B20 只有三個(gè)引腳。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。 DS18B20 的內(nèi)部框圖如圖 所示。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。表 給出一部分?jǐn)?shù)字?jǐn)?shù)據(jù)與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。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。低溫系數(shù)振蕩器主要是用于產(chǎn)生脈沖信號(hào)，它受溫度影響不大。 DS18B20 的測溫過程如下： （ 1） 預(yù)置計(jì)數(shù)器 1 和溫度寄存器。 （ 2） 當(dāng)?shù)蜏叵禂?shù)振蕩器產(chǎn)生一個(gè)脈沖時(shí)，計(jì)數(shù)器 1 就減 1。 （ 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)。此時(shí)溫度寄存器中的值就是所測溫度。 MSP430F449 與 DS18B20 的連接如圖 所示。選用獨(dú)立按鍵式鍵盤 MSP430F449 的 I/O 口資源豐富，按鍵可以直接與單片機(jī) MSP430F449 的 P1 口相連，再通過上拉電阻與電源相連接，不需要其他硬件。 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?？捎善瑑?nèi)硬件自動(dòng)完成曼徹斯特編解碼，使用 SPI 接口與 MCU 進(jìn)行信息交流，需要外圍設(shè)備少，使電路構(gòu)造簡單、方便。進(jìn)入Powerdown 模式很容易實(shí)現(xiàn)節(jié)電。 nRF905 各性能參數(shù)數(shù)據(jù)如表 所示。 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)。內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示。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。此時(shí)一部分的晶體振蕩器是活動(dòng)的，從而保證能夠在最短時(shí)間內(nèi)從 Standby 模式轉(zhuǎn)換到活動(dòng)模式。 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 的接口電路 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： 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）