1 引 言

利用物質(zhì)各種物理性質(zhì)隨溫度變化的規律把溫度轉換為電量的傳感器。這些呈現規律性變化的物理性質(zhì)主要有體。溫度傳感器是溫度測量?jì)x表的核心部分，品種繁多。按測量方式可分為接觸式和非接觸式兩大類(lèi)，按照傳感器材料及電子元件特性分為熱電阻和熱電偶兩類(lèi)。

本文提出一個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器設計方案，來(lái)實(shí)現主機端與傳感器節點(diǎn)之間的通信，并且通過(guò)選用低功耗的芯片和對軟件的低功耗設計實(shí)現了低功耗的目標。本文設計主要是基于433 MHz ISM頻段，無(wú)需申請就可以使用。該設計方案有許多明顯的優(yōu)點(diǎn)：傳輸速度快、距離遠、數據穩定；采用低功耗模式，延長(cháng)電池使用時(shí)間；能保證任何時(shí)候數據不丟失，提高系統的強健度。

2 系統硬件設計

所設計的無(wú)線(xiàn)溫度傳感器主要由以下幾部分組成：溫度測量、發(fā)射部分、接收部分、LCD顯示部分以及操控部分。系統結構圖如圖1所示。

2.1 溫度測量電路

在溫度測量電路中采用Dallas公司生產(chǎn)的1-Wire總線(xiàn)數字溫度傳感器DS18B20。溫度測量電路如圖2所示。

DS18B20內部結構主要由4部分組成：64位ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH和 TL及配置寄存器。ROM中的64位序列號是出廠(chǎng)前被光刻好的，它可以看作是該DS18B20的地址序列碼，每個(gè)DS18B20的64位序列號均不相同。ROM的作用是使每一個(gè)DS18B20都各不相同，這樣就可以實(shí)現一根總線(xiàn)上掛接多個(gè)DS181E0的目的。

高低溫報警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器均由一個(gè)字節的E2PROM組成，使用一個(gè)存儲器功能命令可對TH，TL或配置寄存器寫(xiě)入。其中配置寄存器的格式如下：

R1和R0決定溫度轉換的精度位數：R1R0=“00”，9位精度，最大轉換時(shí)間為93.75 ms；R1R0=“01”，10位精度，最大轉換時(shí)間為187.5 ms；R1R0=“10”，11位精度，最大轉換時(shí)間為375 ms；R1R0；“11”，12位精度，最大轉換時(shí)間為750 ms；未編程時(shí)默認為12位精度。設計取R1R0=“11”。

2.2 無(wú)線(xiàn)收發(fā)電路

2.2.1 IA4421與單片機的接口

愛(ài)特梅爾半導體成立于1984年，總部位于美國。是世界上高級半導體產(chǎn)品設計、制造和行銷(xiāo)的領(lǐng)先者，產(chǎn)品包括了微處理器、可編程邏輯器件、非易失性存儲器、安全芯片、混合信號及RF射頻集成電路。通過(guò)這些核心技術(shù)的組合，ATMEL生產(chǎn)出了各種通用目的及特定應用的系統級芯片，以滿(mǎn)足當今電子系統設計工程師不斷增長(cháng)和演進(jìn)的需求。

IA4421支持SPI通信協(xié)議，本設計選擇了美國ATMEL公司出品的高性能單片機ATmega324p，其內置增強型SPI接口，并且有32 kB的FLASH，能夠滿(mǎn)足在系統中的LCD上顯示中文字符。IA4421與單片機的接口電路示意圖如圖3所示。

ATmega324p內置的增強型串行外設接口SPI提供訪(fǎng)問(wèn)一個(gè)全雙工同步串行總線(xiàn)的能力。SPI所使用的4個(gè)信號為MOSI，MISO，SCK和SS。MOSI用于從主器件到從器件的串行數據傳輸；MISO用于從器件到主器件的串行數據傳輸；SCK用于同步主器件和從器件之間在MOSI和MISO線(xiàn)上的串行數據傳輸。

2.2.2 無(wú)線(xiàn)發(fā)送時(shí)序

IA4421的發(fā)送方式為發(fā)送寄存器緩沖數據傳輸方式，由配置設置命令的第7位el來(lái)使能，圖1可以看出，IA4421共有2個(gè)8位的數據寄存器，發(fā)送的數據首先被鎖存到其中一個(gè)數據寄存器中，當電源管理命令的第5位et被置1，則發(fā)送器開(kāi)始以設置的碼率從第一個(gè)寄存器向外發(fā)送數據。

每次發(fā)送數據必須以0xAA作為發(fā)送數據的前導碼，否則外部接收裝置無(wú)法接收數據。若是采用同步模式，則要用0x2DD4作為同步模式的標志碼，然后才能開(kāi)始傳輸數據。引腳nIRQ可以用來(lái)檢測寄存器是否準備好從微處理器接收下一個(gè)字節來(lái)發(fā)送，若是引腳nIRQ變?yōu)榈碗娖�，則表示寄存器準備好了。

2.2.3 無(wú)線(xiàn)接收時(shí)序

IA4421的接收方式有兩種：一種是一直接收；另一種是FIFO模式。前一種方式并不推薦，會(huì )引起較高的誤碼率。本設計采用后一種模式。在相應的控制字都設置好之后，數據已進(jìn)入緩沖器中，若引腳nIRQ變成低電平，則表示IA4421準備好接收數據，這時(shí)發(fā)送FIFO讀命令字，開(kāi)始接收。

2.3 外圍天線(xiàn)設計

IA4421的支持天線(xiàn)直接驅動(dòng)，設計相當簡(jiǎn)單方便并且通信距離長(cháng)。一個(gè)50 Ω的外接螺旋天線(xiàn)和對應的差分電路就可以實(shí)現數據的發(fā)送和接收。本系統設計的天線(xiàn)是用1.17 cm的單芯銅導線(xiàn)實(shí)現，導線(xiàn)的直徑是0.6 mm，用螺絲刀的金屬棒饒制7圈成螺旋狀。經(jīng)過(guò)實(shí)驗，實(shí)際有效的通信距離能達到200 m左右，滿(mǎn)足了系統需要。

3 系統軟件設計

3.1 單片機軟件設計

單片機軟件部分主要包括主程序、中斷子程序、測溫子程序、LCD的轉換顯示，蜂鳴器報警子程序，按鍵子程序以及SPI子程序等。為了降低功耗，使用中斷來(lái)喚醒單片機進(jìn)行測溫等工作，因此主程序部分比較簡(jiǎn)單，主要負責系統各部分初始化和中斷的調用，在系統初始化完成后就直接進(jìn)入睡眠模式，當中斷到來(lái)時(shí)單片機退出睡眠模式，調用中斷子程序實(shí)現測溫、轉換顯示、溫度數據的傳輸等功能。單片機控制程序流程圖如圖4所示。

3.2 IA4421應用程序設計

無(wú)線(xiàn)數傳模塊 MD-IA4421-PHY 采用了INTERGRATION 的 IA4421 作為控制芯片，是一塊完整的、體積小巧的、低功耗無(wú) 線(xiàn)收發(fā)模塊。模塊集成了所有射頻相關(guān)功能和器件，只向用戶(hù)提供簡(jiǎn)單的幾個(gè)數字 I/O 口，用戶(hù)不需要 了解無(wú)線(xiàn)電的相關(guān)知識，就可以使用本模塊輕易的開(kāi)發(fā)出性能穩定可靠的無(wú)線(xiàn)相關(guān)產(chǎn)品。

本系統是基于無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片IA4421和單片機ATmega324p的增強型串行外設接口SPI來(lái)實(shí)現無(wú)線(xiàn)數據的傳輸，在核心協(xié)議棧上編寫(xiě)自己的上層應用程序。發(fā)送接收數據的程序流程圖如圖5所示。

3.3 低功耗設計

作為無(wú)線(xiàn)傳感器，低功耗運行可以最大限度地延長(cháng)設備的有效使用時(shí)間，本系統是采用電池供電，功耗肯定就是一個(gè)不得不考慮的問(wèn)題。為了獲得最佳性能，設計時(shí)在電源損耗和可用性方面必須根據情況權衡使用，除了選用低功耗器件外，還從以下幾個(gè)方面設計電源管理程序以盡量減少無(wú)線(xiàn)溫度傳感器的功耗：

（1）由于無(wú)線(xiàn)溫度傳感器負責向控制終端傳輸數據，因此何時(shí)進(jìn)行數據采集、何時(shí)進(jìn)行數據傳輸可以由上位機的控制終端決定，非常適合使用休眠模式和呼吸模式，通過(guò)減少I(mǎi)A4421在微微網(wǎng)中的活動(dòng)達到節電的目的。把控制終端作為主設備，將電源管理程序設計在終端的應用控制層中，并由控制終端完成設備的查詢(xún)、配對、建鏈等工作，當無(wú)線(xiàn)傳感器與控制終端配對成功并連接后進(jìn)入休眠模式，此時(shí)主從設備仍然保持著(zhù)信道，只是不能發(fā)送和接收數據。當需要進(jìn)行數據傳輸時(shí)，退出休眠模式進(jìn)入呼吸模式，通過(guò)呼吸時(shí)隙發(fā)送數據，呼吸間隔可設為20～40 ms，間隔過(guò)大會(huì )帶來(lái)明顯延遲，當數據傳輸結束后再次進(jìn)入休眠模式，從而盡可能地降低能耗。

（2）應用單片機的睡眠模式達到節能目的。當IA4421退出待機狀態(tài)，發(fā)送指令進(jìn)行數據采集時(shí)，IA4421的中斷請求標志位nIRQ產(chǎn)生低電平，通過(guò)中斷標志位上電平的變化產(chǎn)生外部中斷來(lái)喚醒單片機進(jìn)入工作狀態(tài)。

4 結 語(yǔ)

所設計的數字化無(wú)線(xiàn)溫度傳感器可應用到各種需要無(wú)接觸的測溫場(chǎng)合，實(shí)現對現場(chǎng)溫度的“先知先覺(jué)”。設計中充分利用各芯片的低功耗特性，有效地延長(cháng)了電池使用壽命。無(wú)線(xiàn)數據傳輸方式使用方便靈活。系統完全可以擴充為一個(gè)網(wǎng)絡(luò )系統，形成溫度采集網(wǎng)，以滿(mǎn)足現場(chǎng)控制及測控系統的各種需求，這將是作者下步所研究開(kāi)發(fā)的課題。