摘  要： 采用MSP430低功耗單片機作為主控芯片，通過紅外無線傳輸搭建起一個低成本、低功耗帶控制功能的數(shù)模雙路傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有簡潔、無布線成本、適應(yīng)性和擴展性好的優(yōu)點。

　　關(guān)鍵詞： 無線傳輸；低功耗；擴展性；數(shù)字模擬雙路傳輸系統(tǒng)

　　1 系統(tǒng)設(shè)計

　　本系統(tǒng)的MCU采用MSP430G2553作為主控芯片，分為發(fā)送和接收兩大模塊，無線傳輸方式選擇紅外方式。為了盡量減少干擾和簡化系統(tǒng)，兩路無線通路分別傳輸模擬和數(shù)字信號?？紤]到現(xiàn)有系統(tǒng)外設(shè)的多樣性，為了最大限度地提升系統(tǒng)的可擴展性，信號的輸入端只做出了基本的定義，即滿足要求的數(shù)字和模擬輸入都可以當(dāng)作輸入信號。本文中模擬信號輸入為音頻信號，數(shù)字信號由傳感器給出，分為模擬和數(shù)字傳感器兩部分接入，以體現(xiàn)系統(tǒng)良好的擴展性。模擬信號通過喇叭輸出，數(shù)字信號則通過MCU控制的液晶顯示器顯示。輸入端接按鍵，控制顯示的選擇和輸出的使能。整體框圖如圖1所示。

　　1.1 模擬收發(fā)模塊設(shè)計

　　在介紹收發(fā)模塊之前，先了解一下收發(fā)的核心元件——紅外收發(fā)對管。

　　紅外收發(fā)對管分為數(shù)字和模擬兩種，載頻均為38 kHz，不同點是模擬紅外發(fā)射管直接輸入模擬基帶信號。通過載波為媒介傳輸給接收端，接收端經(jīng)過濾波和放大后輸出模擬信號。而數(shù)字紅外對管發(fā)送端將待發(fā)送的二進制信號編碼調(diào)制為一系列的脈沖串信號，通過紅外發(fā)射管發(fā)射出紅外信號。紅外接收完成對發(fā)送信號的接收、放大、檢波、整形，并解調(diào)出編碼脈沖。這里為了減少干擾，采用的是一體化的紅外接收頭（hs0038），接收的同時對信號進行放大、檢波、整形，得到TTL電平的編碼信號。

　　模擬發(fā)送部分采用模擬音頻信號作為輸入。以MP3為信號源，傳輸信號的頻率范圍是300 Hz~3 400 Hz。通過NPN型三極管的放大作用，基極輸入，信號經(jīng)過射級放大后由3組發(fā)送管輸出。這里之所以用到3組發(fā)射管是出于兩種因素的考慮，一是提高發(fā)射功率，擴大信號傳輸距離；二是紅外只能以直線傳輸，這么做可以擴大傳輸角度提高適用性。具體電路如圖2所示。

　　接收部分通過紅外接收管將接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)過電容隔斷直流干擾后輸入給LM386，LM386是一種專用的音頻集成功放，具有自身功耗低、更新內(nèi)鏈增益可調(diào)、外接元件少和總諧波失真小等優(yōu)點。通過調(diào)節(jié)1腳和8腳之間外接串聯(lián)的電阻和電容，增益可在20~200之間任意變化，這里音頻輸出端為一個4 W、8 ?贅的喇叭。為了最大限度提升輸出功率，根據(jù)數(shù)據(jù)手冊選擇10 ?滋F電容，使增益達到最大。具體如圖3所示。

　　1.2 數(shù)字收發(fā)模塊設(shè)計

　　傳感器信號經(jīng)過信號調(diào)理電路出入MCU中，經(jīng)過MCU的處理，輸出給紅外發(fā)射管。通過集成數(shù)字紅外接收管將接收到的數(shù)字信號解調(diào)出來，再輸入給輸出端的MCU，MCU經(jīng)過處理將傳感器信息輸出給液晶顯示器。需要注意的是，紅外收發(fā)管的工作電壓為5 V，而MSP430的工作電壓為3.3 V，直接連接會燒壞MCU，需要一個簡單的限幅電路，如圖4所示。其中3 V電源為MCU的GPIO提供，根據(jù)折線模型，選擇R=2 k?贅，可以把輸出限制在3.6 V，該電壓在MCU的安全電壓范圍內(nèi)，之后就可以輸送到MCU中了。

　　2 傳感器和信號調(diào)理電路設(shè)計

　　這里使用常見的溫度和濕度傳感器作為數(shù)字信號的輸入源，分別采用模擬和數(shù)字傳感器。模擬傳感器采用電阻式或電容式傳感器，好處是其數(shù)值與被測量成線性變換。之后利用惠斯頓電橋法產(chǎn)生微弱的電信號經(jīng)過放大后輸入到MCU內(nèi)置的10 bit A/D轉(zhuǎn)換器的工作電壓范圍內(nèi)（0~2.5 V）。具體實現(xiàn)方式如下。電阻式溫度傳感器將溫度變換為電阻值通過直流電橋轉(zhuǎn)換成微小的電壓信號，經(jīng)儀表放大器AD620放大到合適值后輸入給MCU的ADC內(nèi)，實現(xiàn)室溫的測量。具體電路如圖5所示。其中header為模擬傳感器輸入口，滑動變阻器做微調(diào)用，電壓由5 V單電經(jīng)濾波后供給。

　　電阻式溫度傳感器的電阻值與溫度有關(guān)，查表計算出其對應(yīng)關(guān)系為圖6中的測試點，通過計算擬合公式為：

　　R=100（1+3.95×10-3×T-5.85×10-7×T2-4.22×10-22×T3）（6）

　　其中，R表示電阻式溫度傳感器的電阻值，T表示當(dāng)時的溫度。

　　數(shù)字傳感器采用數(shù)字溫濕度傳感器DHT11，DHT11是一款已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，具有極高的可靠性、長期的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度快和抗干擾能力強的特點。傳輸方式為單總線雙向，能夠同時輸出溫度和濕度信息。數(shù)據(jù)格式如下；

　　8 bit濕度整數(shù)部分+8 bit濕度小數(shù)部分+8 bit溫度整數(shù)部分+8 bit溫度小數(shù)部分+8 bit校驗和正確傳輸?shù)男ｒ灁?shù)據(jù)（等于4個8 bit數(shù)據(jù)之和的末8位）。通信時序如圖7所示。

　　3 數(shù)據(jù)通信協(xié)議封裝格式

　　模擬信號由于不經(jīng)過MCU直接傳輸給接收端，所以本文的通信協(xié)議指的是數(shù)字信號的傳輸協(xié)議。為了減少兩路信號之間的干擾，數(shù)字信號傳輸采用SPI方式，通過調(diào)整SPI的輸出比特率使其與模擬信號頻段分開。所有傳輸?shù)臄?shù)據(jù)采用BCD碼發(fā)送和接收，一個字節(jié)的高4位和低4位分別表示十進制的一個數(shù)。傳輸?shù)膬?nèi)容包括傳感器發(fā)送的溫度和濕度，附加信息包括控制和節(jié)點編號。具體幀格式如表1所示。

　　建立節(jié)點編號是方便新設(shè)備的加入，帶來更廣的適用性?？刂莆皇强刂圃摴?jié)點的溫度、濕度和音頻信號是否輸出。由于模擬傳感器中沒有濕度信息，所以濕度以全“0”表示，溫度以每4 bit表示一位十進制數(shù)，考慮到測量的溫度為室溫，以其中的最高位的“0”或“1”表示溫度的符號位。數(shù)字傳感器的輸出與傳感器定義相同，通過濕度是否為全“0”判斷傳感器類型，對應(yīng)不同的顯示方式。輸出時先輸出自己編號的節(jié)點信息，后輸出從其他節(jié)點接收到的內(nèi)容。

　　4 中繼節(jié)點和傳輸網(wǎng)絡(luò)

　　考慮到需要通信的設(shè)備可能不止兩個，增加了節(jié)點編號使系統(tǒng)易于擴展。傳輸信號時連同接收到的其他節(jié)點信息一起傳輸出去。不但可以共享信息，還能利用其他節(jié)點為中繼，在不提升輸出功率的情況下極大地延長了通信設(shè)備之間的傳輸距離。通過合理地安放不同節(jié)點，還可以克服紅外只能直線傳輸?shù)娜秉c（根據(jù)地理情況調(diào)節(jié)紅外收發(fā)管的角度）。

　　5 軟件控制設(shè)計

　　MCU每隔一分鐘從傳感器和控制按鍵中采集一次數(shù)據(jù)，控制按鍵是由4個獨立按鍵組成，分別控制本機溫濕度信息的發(fā)送使能、他機溫濕度信息的發(fā)送使能、本機模擬信號的發(fā)送使能以及接收到的模擬信號輸出使能。多路模擬音頻信號由喇叭輸出會重疊在一起，影響接收效果。本次測試只允許一路音頻輸入，其他路音頻信號暫只作為中繼使用。通過MCU對按鍵控制的判斷，決定通過紅外發(fā)射管輸出的數(shù)字信號和本機的音頻輸出使能。本系統(tǒng)接收到的數(shù)字信息會通過液晶顯示出來。而紅外接收管是一直處于工作狀態(tài)的，以便能夠及時接收數(shù)據(jù)。具體流程如圖8所示。

　　6 系統(tǒng)數(shù)據(jù)測試

　　根據(jù)現(xiàn)有傳感器自身的特點，對得到的數(shù)據(jù)進行測試。數(shù)字傳感器由于直接輸出為溫度和濕度信號，其誤差集中在傳感器自身。這里用到的數(shù)字溫濕度傳感器DHT11的性能為：濕度分辨率為1%RH，精度在4%RH以內(nèi)；溫度分辨率為1℃，精度為±1℃。

　　模擬傳感器需要通過MCU的ADC進行測量，加上信號調(diào)理電路、放大器線性度和模擬傳感器本身的誤差，需要使用軟件矯正。其測量值經(jīng)過轉(zhuǎn)換最終傳輸給ADC，其結(jié)果如圖9所示。

　　通過MATLAB的擬合得到最終溫度與ADC值的對應(yīng)關(guān)系，并通過溫濕度測試箱進行驗證，結(jié)果如圖10所示。

　　從圖10中可以看到，溫度的線性度比濕度好很多。這是由于溫度測量的精度較高，通過分析所得數(shù)據(jù)可得方差和標準差，溫度的方差和標準差分別為S2=0.379 618 S=0.616 131，濕度的則為S2=3.857 1、S=1.963 96，通過數(shù)據(jù)也能發(fā)現(xiàn)這一點。這套系統(tǒng)可以滿足一定的用戶需求，通過替換其他高精度的傳感器以達到更高的精度；也可以直接接到不同的通信器材中替換有線通信。

　　該系統(tǒng)實現(xiàn)了數(shù)字和模擬信息的雙向傳輸，動態(tài)地檢測并共享數(shù)據(jù)。支持選取不同的傳感器作為輸入，并可以增加節(jié)點擴大傳輸范圍并形成網(wǎng)絡(luò)。通過選取合適的傳感器，搭建硬件電路并調(diào)整精度，使其達到要求。最終經(jīng)過調(diào)試和編程，完成整個系統(tǒng)的設(shè)計。

　　本系統(tǒng)很好地解決了各種小型化設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸和共享問題，通過這套系統(tǒng)可以很方便地選擇不同類型的數(shù)據(jù)進行傳輸，并能夠兼顧多系統(tǒng)通信的擴展問題。適應(yīng)面極廣，不僅可以向文中提到的連接各種傳感器組件網(wǎng)絡(luò)對室內(nèi)環(huán)境進行全局檢測，還可以用于不同儀器或系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸，可以推廣到很多方面?？梢钥吹竭@套系統(tǒng)有著功耗小、價格低廉、靈活性高、適用面廣的特點，具有較高的實用價值。

　　參考文獻

　　[1] 沈建華，楊艷琴，霍曉曙.MSP430系列16位超低功耗單片機原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004

　　[2] Texas Instruments公司. MSP430x2xx family user′s guide[Z].

　　[3] Texas Instruments公司.MSP-EXP430G2 LaunchPad實驗板[Z].

　　[4] 葛亮，湖澤，李俊蘭，等.基于紅外傳輸?shù)木畧霏h(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].現(xiàn)代科學(xué)儀器，2010，4（2）：71-74.

　　[5] 劉鳳偉，劉春枚，黃波.基于英飛凌單片機的紅外編/解碼器設(shè)計[J].電子質(zhì)量，2012（1）：20.