1引言

　　近年來，隨著無線通信技術(shù)的成熟，無線傳感器遙測(cè)系統(tǒng)呈現(xiàn)出其巨大的優(yōu)越性。遙測(cè)系統(tǒng)在于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的溫度等參數(shù)測(cè)量，以解決被測(cè)地點(diǎn)與儀表室或控制室距離較遠(yuǎn)，或被測(cè)參數(shù)地點(diǎn)有害人身安全的問題[1-2]。例如，在大型水壩的應(yīng)力測(cè)量、煉鐵高爐爐壁的溫度測(cè)量、大型自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備的參數(shù)測(cè)量及核反應(yīng)區(qū)有關(guān)參數(shù)測(cè)量等領(lǐng)域需要進(jìn)行參數(shù)遙測(cè)。

　　遠(yuǎn)距離信息傳輸?shù)姆绞胶芏啵缟漕l、紅外線等無線傳輸及電纜、光纖有線傳輸?shù)取２捎秒娎|作信息傳輸是最簡(jiǎn)單的方式，但信息在傳輸過程中有較大的損耗，抗干擾性能差，重量大；采用光纖傳輸成本太高，不易維護(hù)；采用紅外線傳輸時(shí)，則受氣候影響較大，而且距離較遠(yuǎn)時(shí)，需要較大的發(fā)射功率[3]。本系統(tǒng)利用基于射頻芯片CC2420和單片機(jī)AT89S53為核心的無線傳感器硬件節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)傳輸精度高、抗干擾能力強(qiáng)的新型遙測(cè)系統(tǒng)，本系統(tǒng)主要用于有強(qiáng)電場(chǎng)、強(qiáng)磁場(chǎng)干擾且不便于近距離測(cè)量的場(chǎng)合。本文以遙測(cè)溫度為例來說明設(shè)計(jì)思想。

　　2 系統(tǒng)總體方案

　　系統(tǒng)主要有四部分組成：數(shù)據(jù)采集部分；數(shù)據(jù)處理部分；無線通信部分；接收顯示部分。其中數(shù)據(jù)采集部分由傳感器、信號(hào)調(diào)整電路、光電隔離及A/D轉(zhuǎn)換組成。接收顯示電路部分由解碼器、七段碼譯碼器、十進(jìn)制計(jì)數(shù)器、驅(qū)動(dòng)器、數(shù)碼顯示電路等組成。發(fā)送電路中采用了編碼器，在接收電路中相應(yīng)增加了解碼器，從而有效控制了由無線信道噪聲或干擾造成的差錯(cuò)，同時(shí)也擴(kuò)展了射頻電路發(fā)送數(shù)據(jù)的容量。系統(tǒng)設(shè)計(jì)所選用的器件都具有較強(qiáng)的抗干擾能力，能夠適用于有強(qiáng)電場(chǎng)、強(qiáng)磁場(chǎng)干擾的工業(yè)場(chǎng)合。

　　本系統(tǒng)是一種通用的遙測(cè)系統(tǒng),只要變換不同的傳感器，并調(diào)整調(diào)理電路結(jié)構(gòu)及參數(shù)，修改計(jì)算處理軟件程序,就可以達(dá)到遙測(cè)各種測(cè)量參數(shù)的目的[4]。本設(shè)計(jì)中，選用的無線通信芯片是CC2420，單片機(jī)是AT89S53。系統(tǒng)總體方案流程圖如圖1所示。

　　3系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

　　3.1 硬件設(shè)計(jì)

　　3.1.1數(shù)據(jù)采集單元設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)選用HD01系列溫度變送器。它是一種將溫度傳感器(熱電阻和熱電隅信號(hào))，經(jīng)全隔離放大轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的直流信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)信號(hào)精確測(cè)量的儀器。該變送器輸入、輸出、電源三方全隔離隔離，抗干擾能力強(qiáng)，且輸入、輸出選擇范圍寬，對(duì)應(yīng)溫度范圍-200～1600℃內(nèi)各量程，準(zhǔn)確度高，電源可選擇，導(dǎo)軌安裝便于檢測(cè)與維護(hù)。

　　溫度變送器可對(duì)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括對(duì)測(cè)量信號(hào)的調(diào)理（如濾波、放大等）、數(shù)據(jù)顯示、自動(dòng)校正和自動(dòng)補(bǔ)償?shù)取Ｋ馨褌鞲衅鳈z測(cè)的電信號(hào)變成4～20mA的直流信號(hào)。信號(hào)調(diào)整電路負(fù)責(zé)把溫度傳感器的4～20mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，最簡(jiǎn)單的方法是在輸出端串聯(lián)一個(gè)電阻，但這樣的電壓零點(diǎn)信號(hào)不是0V，所以一般采用I/V轉(zhuǎn)換器，本系統(tǒng)采用了RCV420變換器。

　　現(xiàn)場(chǎng)傳感器與A/D轉(zhuǎn)換器之間的模擬信號(hào)的線性傳送，可用光耦的這種線性區(qū)對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行隔離。電耦合器隔離性能好，輸入端與輸出端實(shí)現(xiàn)了電隔離；光信號(hào)單向傳輸，輸出信號(hào)對(duì)輸入端無反饋，可有效阻斷電路或系統(tǒng)之間的電聯(lián)系，但并不切斷他們之間的信號(hào)傳遞；光信號(hào)不受電磁干擾，工作穩(wěn)定可靠；抗共模干擾能力強(qiáng)，能很好地抑制干擾并消除噪音。耦合器因?yàn)槠洫?dú)特的原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)特別使用于有強(qiáng)電場(chǎng)、強(qiáng)磁場(chǎng)干擾的場(chǎng)合。本系統(tǒng)采用Agilent公司的光耦HCNR201。

　　A/D芯片是系統(tǒng)的核心器件之一，測(cè)量的精度主要取決于A/D轉(zhuǎn)換器的準(zhǔn)確度。本系統(tǒng)采用了MC14433，它具備零漂補(bǔ)償和采用CMOS工藝制造的3 1/2位單片雙積分A/D轉(zhuǎn)換器，具有外接元件少，輸入阻抗高，功耗低，抗干擾能力強(qiáng)，電源電壓范圍寬，精度高等特點(diǎn)，并且具有自動(dòng)校零和自動(dòng)極性轉(zhuǎn)換功能。由于它的低速轉(zhuǎn)換，因此只能對(duì)一些變化緩慢的物理參數(shù)如溫度、持續(xù)壓力和拉力進(jìn)行轉(zhuǎn)化。其采用字位動(dòng)態(tài)掃描BCD碼輸出方式，即千、百、十、個(gè)位BCD碼分時(shí)在Q0～Q3輪流輸出，同時(shí)在DS1～DS4端輸出同步字位選通脈沖，讀書直觀，應(yīng)用于各種儀器儀表。

　　3.1.2編碼器及譯碼器的設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)采用摩托羅拉公司的編碼器MC145026及譯碼器MC145027。MC145026/27是Motorola公司生產(chǎn)的用于通信的配對(duì)芯片,它是一種低壓CMOS編譯碼器件，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，廣泛應(yīng)用于遙控遙測(cè)電路[5]。它們的基本特性是：

　?。?）當(dāng)編碼器發(fā)送腳TE（14腳）接地（低電平時(shí)），編碼器將5位地址及4位數(shù)據(jù)以不同的脈沖編碼方式串行輸出，每發(fā)送一次，編碼器自動(dòng)送出兩串相同的地址、數(shù)據(jù)脈沖串（由15腳輸出）。

　?。?）譯碼器接收到編碼器發(fā)送的第一串脈沖信號(hào)后，若譯碼器的5位地址與編碼器的5位地址完全相同，則將傳送來的4位數(shù)據(jù)送入寄存器；接到第二串脈沖信號(hào)，再經(jīng)過第二次核對(duì)，若地址無誤，數(shù)據(jù)與第一次相符，才將4位數(shù)據(jù)送到輸出端并鎖存；VT腳由低電平變高電平，表示接收信號(hào)，此高電平一直保持到有新的數(shù)據(jù)輸入或間隔4次數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間而無新的數(shù)據(jù)輸入為止。

　?。?）每傳輸一次所需要的時(shí)間取決于內(nèi)部振蕩器的工作頻率，由片外的RC參數(shù)決定。振蕩頻率可在1.71~362KHz范圍內(nèi)選取。

　?。?）靜態(tài)電流特別小，編碼器小于1uA，譯碼器一般也小于100uA。

　　3.1.3數(shù)據(jù)處理單元設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)采用了單片機(jī)AT89S53，完成對(duì)所需測(cè)量的參數(shù)進(jìn)行定時(shí)采集、計(jì)算、誤差處理、存儲(chǔ)以及數(shù)據(jù)的發(fā)送控制等。 AT89S53是一個(gè)低功耗，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含12k Bytes ISPD串行編程可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲(chǔ)器，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的AT89S53可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價(jià)比的解決方案。

　　AT89S53單片機(jī)設(shè)計(jì)和配置了振蕩頻率可為0Hz并可通過軟件設(shè)置省電模式?？臻e模式下，CPU暫停工作，而RAM定時(shí)計(jì)數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存RAM的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復(fù)位。

　　A/D變換器輸出的Q0～Q3及DS1～DS4采用查詢方式將千、百、十、個(gè)位數(shù)輸入單片機(jī)，并將這4位數(shù)分別存入RAM中。輸入的數(shù)據(jù)可以是正值或負(fù)值，這可根據(jù)千位的Q2來判斷：Q2=1時(shí)，數(shù)據(jù)為正；Q2=0時(shí)，數(shù)據(jù)為負(fù)。通過軟件來判別Q2是否為1，即可確定符號(hào)位的正負(fù)。由單片機(jī)程序控制，順序地將符號(hào)位、千位、百位、十位、個(gè)位數(shù)逐位地通過單片機(jī)輸出到無線通信芯片。單片機(jī)除了上述功能外，它還可以利用軟件進(jìn)行計(jì)算和數(shù)據(jù)處理，對(duì)非線性傳感器進(jìn)行校正，或?qū)δ承┯幸?guī)律的誤差進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償，這樣可充分發(fā)揮單片機(jī)的功能，并提高測(cè)量的精度。

　　3.1.4無線通信單元設(shè)計(jì)

　　無線通信模塊采用Chipcon 公司的CC2420 作為該模塊的核心器件。該芯片是符合IEEE802. 15. 4 規(guī)范、工作在2. 4 GHz ISM 公用頻道的射頻收發(fā)器[6]。該收發(fā)器低功耗、抗干擾能力強(qiáng)，具有輸出強(qiáng)度和收發(fā)頻率可編程等特點(diǎn)。一般相近兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的通信距離為10 ～ 100 m，在加大無線發(fā)射功率后，可增加到1 ～ 3 km。其最大收發(fā)速率為250kbps。該芯片還具有硬件加密、抗鄰頻道干擾能力強(qiáng)、安全可靠、抗毀性強(qiáng)等特點(diǎn)。

　　由CC2420 實(shí)現(xiàn)物理層的數(shù)據(jù)收發(fā)和底層控制，通過SFD，F(xiàn)IFO，F(xiàn)IFOP 和CCA4 個(gè)引腳表示收發(fā)數(shù)據(jù)的狀態(tài); 處理器通過SPI接口與CC2420 交換數(shù)據(jù)、發(fā)送命令。CC2420通過簡(jiǎn)單的四線(SI、SO、SCLK、CSn)與SPI兼容串行接口配置，這時(shí)CC2420是受控的。AT89S53的SPI工作在主機(jī)模式，它是SPI數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂品剑珻C2420設(shè)為從機(jī)工作方式。AT89S53與CC2420引腳連接圖如圖2所示。

　　CC2420的外圍電路包括晶振時(shí)鐘電路、射頻輸入/ 輸出匹配電路和微控制器接口電路三個(gè)部分。CC2420可以通過4線SPI總線設(shè)置芯片的工作模式,并實(shí)現(xiàn)讀/ 寫緩存數(shù)據(jù),讀/ 寫狀態(tài)寄存器等。通過控制FIFO和FIFOP管腳接口的狀態(tài)可設(shè)置發(fā)射/ 接收緩存器。CC2420通過SI引腳接收從單片機(jī)AT89S53輸出的數(shù)據(jù)信號(hào)，并通過SO引腳把數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

　　3.1.5接收顯示電路設(shè)計(jì)

　　由譯碼器輸出的符號(hào)位及4 位數(shù)據(jù)經(jīng)BCD碼--七段碼譯碼器譯碼后,與十進(jìn)制計(jì)數(shù)器配合(位控) ,進(jìn)行動(dòng)態(tài)掃描顯示。本系統(tǒng)采用七段譯碼器4511及十進(jìn)制計(jì)數(shù)器CD4017。通電后，當(dāng)信號(hào)未傳輸時(shí)，MC145027譯碼器4位輸出為0000，4017清零端R由輸入一尖脈沖，使4017清零，個(gè)位數(shù)碼管被選通，個(gè)位數(shù)碼管顯示出0，這是準(zhǔn)備接受狀態(tài)。當(dāng)信號(hào)傳輸時(shí)，由通信程序控制，先輸入符號(hào)，然后再依次輸入千、百、十、個(gè)位數(shù)據(jù)。MC145027接收到符號(hào)位的數(shù)據(jù)后，VT由低電平變高電平，它與4017的輸入端CL相連，VT的電平由低變高的信號(hào)使4017進(jìn)位，由Q0高電平轉(zhuǎn)換為Q1高電平，BG3導(dǎo)通，使符號(hào)位數(shù)碼管顯示，其余類推。

　　本設(shè)計(jì)的新型無線傳感器遙測(cè)系統(tǒng)是針對(duì)有強(qiáng)電場(chǎng)、強(qiáng)磁場(chǎng)干擾且不便于近距離測(cè)量的場(chǎng)合而設(shè)計(jì)的，如果按照傳統(tǒng)做法采用普通于電池供電，由于電池容量有限，電池漏電流的存在也將大大縮短電池的壽命，特別是在較潮濕的環(huán)境中使用而未采用一定保護(hù)措施，或電池本身的質(zhì)量問題等造成電池的自身放電，節(jié)點(diǎn)也將由于能量耗盡而很快失效[7]?？紤]到在核化污染區(qū)域環(huán)和氣象環(huán)境中或多或少地總有直射光或反射光，這就使得利用太陽能對(duì)系統(tǒng)供電成為最佳方式。

　　3.2 軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)的軟件程序采用了模塊化的設(shè)計(jì)思想,單片機(jī)通信程序采用匯編語言編寫,主要包括對(duì)傳感程序的設(shè)計(jì)首先需要進(jìn)行初始化,如設(shè)置中斷、定時(shí)器、串行口的初始化,以及CC2420 的結(jié)構(gòu)配置,如接收/ 發(fā)射模式、射頻輸出功率、加電/ 低功耗模式等器數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送。A/D轉(zhuǎn)換發(fā)送程序流程圖在此不再贅述。

　　4 結(jié)束語

　　系統(tǒng)采用了無線通信芯片是CC2420，單片機(jī)是AT89S53，完成對(duì)所需測(cè)量的參數(shù)進(jìn)行定時(shí)采集、計(jì)算、誤差處理、存儲(chǔ)以及數(shù)據(jù)的發(fā)送控制等。采用無線通信芯片是CC2420收發(fā)數(shù)據(jù)，并在發(fā)送電路中采用了編碼器，在接收電路中相應(yīng)增加了解碼器，將測(cè)量參數(shù)的數(shù)字信號(hào)編碼發(fā)送，解碼接收原信號(hào)，從而有效控制了由無線信道噪聲或干擾造成的差錯(cuò)。系統(tǒng)選用的器件數(shù)據(jù)傳輸精度高，抗干擾能力強(qiáng)，這對(duì)有強(qiáng)電場(chǎng)、強(qiáng)磁場(chǎng)干擾且不便于近距離測(cè)量的場(chǎng)合具有重要的參考價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。