基于CC2430的無線溫度檢測(cè)終端的設(shè)計(jì)

       引 言

        在現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，常常需要對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行檢測(cè)。傳統(tǒng)的方法往往費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，效率低下，不便應(yīng)用在對(duì)較大環(huán)境的溫度檢測(cè)中。

        本文設(shè)計(jì)了一種基于無線射頻技術(shù)的溫度檢測(cè)終端，它以RF(射頻)芯片CC2430為核心，在溫度傳感器DS1822的配合下，能夠高效地完成對(duì)環(huán)境溫度的無線檢測(cè)。

        1 CC2430芯片概述

        CC2430芯片為Chipcon公司生產(chǎn)的2.4 GHz射頻系統(tǒng)單芯片，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。



  

       該單芯片上整合了ZigBee RF前端，內(nèi)存，微控制器。其主要特點(diǎn)如下：高性能和低功耗的8051微控制器核；集成符合IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的2.4 GHz的RF無線電收發(fā)機(jī)；優(yōu)良的無線接收靈敏度和強(qiáng)大的抗干擾性；在休眠模式時(shí)僅0.9μA的流耗，外部的中斷或RTC(實(shí)時(shí)時(shí)鐘)喚醒系統(tǒng)，在待機(jī)模式時(shí)少于0.6μA的流耗，外部的中斷能喚醒系統(tǒng)；硬件支持CSMA/CA(具有檢測(cè)沖擊的載波偵聽多路接人)功能；較寬的電壓范圍(2.O V～3.6 V)；數(shù)字化的RSSI(接收信號(hào)強(qiáng)度指示)/LQI(鏈路質(zhì)量指示)支持和強(qiáng)大的DMA(直接存儲(chǔ)器存取)功能；具有電池監(jiān)測(cè)和溫度感測(cè)功能；集成了14位ADC(A/D轉(zhuǎn)換器)；集成AES(高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn))安全協(xié)處理器；帶有2個(gè)強(qiáng)大的支持幾組協(xié)議的USART(通用異步同步收發(fā)器)，以及1個(gè)符合IEEE 802.15.4規(guī)范的MAC(媒體訪問控制)層計(jì)時(shí)器，1個(gè)常規(guī)的16位計(jì)時(shí)器和2個(gè)8位計(jì)時(shí)器；21個(gè)可編程的I/O引腳，P0、P1口是完全8位口，P2口只有5個(gè)可使用位，可以由軟件設(shè)定一組SFR(專用寄存器)的位和字節(jié)，使這些引腳作為通常的I/O口或作為連接ADC、計(jì)時(shí)器、USART等部件的外圍設(shè)備口使用。

       2 DS1822結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與基本操作指令

       DS1822是一種一線數(shù)字溫度計(jì)，它用一根信號(hào)線來實(shí)現(xiàn)互連通信，其內(nèi)部電路的核心是一個(gè)直接數(shù)字輸出的溫度傳感器。它可以將-55℃～125℃范圍內(nèi)的溫度值按9位、10位、11位、12位的分辨率進(jìn)行量化，其最高分辨率為0.625℃，工作電壓范圍為3.0 V～5.5 V。每一片DS1822都有一個(gè)唯一的且不可改寫的ROM ID(標(biāo)識(shí)碼，即電子序列號(hào))，在實(shí)際應(yīng)用中可以通過指令方便地進(jìn)行查詢。

        DS1822的主要操作指令如下：

       a)Search ROM指令(代碼為FOh)：用以讀取在線的DS1822的序列號(hào)。

       b)write Scratchpad指令(代碼為4Eh)：將溫度報(bào)警上、下限值分別寫入DS1822便箋式存儲(chǔ)器的TH與TL字節(jié)中。

       c)Convert T指令(代碼為44h)：?jiǎn)?dòng)DS1822進(jìn)行溫度A/D轉(zhuǎn)換。

       d)：Read Scratchpad指令(代碼為BEh)：讀取便箋式寄存器中的溫度值。

       3 終端硬件設(shè)計(jì)

        CC2430芯片只需少量外圍部件配合就能實(shí)現(xiàn)信號(hào)的收發(fā)功能。圖2為該溫度檢測(cè)終端的硬件結(jié)構(gòu)。 

 
  

       電路使用一個(gè)非平衡天線，連接非平衡變壓器可使天線性能更好。電路中的非平衡變壓器由電容C1和電感L1、L2、L3以及一個(gè)PCB(印制板)微波傳輸線組成，整個(gè)結(jié)構(gòu)滿足RF輸入/輸出匹配電阻(50 Ω)的要求。內(nèi)部T/R交換電路完成LNA和PA之間的交換。R1和R2為偏置電阻，R1主要用來為32 MHz的晶振提供一個(gè)合適的工作電流。用1個(gè)32 MHz的石英諧振器(XTAL1)和2個(gè)電容(C2和C3)構(gòu)成一個(gè)32 MHz的晶振電路。用1個(gè)32.768 kHz的石英諧振器(XTA12)和2個(gè)電容(C4和C5)構(gòu)成一個(gè)32.768kHz的晶振電路。電壓調(diào)節(jié)器為所有要求1.8 V電壓的引腳和內(nèi)部電源供電，電容C6和C7是去耦電容，用來為電源濾波，以提高芯片工作的穩(wěn)定性。溫度傳感器DS1822的數(shù)據(jù)輸入／輸出端DQ接P0_0引腳，該 引腳具有4 mA的輸出驅(qū)動(dòng)能力。

        4 終端軟件設(shè)計(jì)

       軟件部分需要解決的問題包括：溫度及報(bào)警信號(hào)采集、ZigBee協(xié)議棧(z-Stack)、ZigBee通信等。

       溫度及報(bào)警信號(hào)的采集可由CC2430芯片內(nèi)部的MCU完成。

       ZigBee協(xié)議棧運(yùn)行在一個(gè)OSAL(操作系統(tǒng)抽象層)操作系統(tǒng)上。該操作系統(tǒng)基于任務(wù)調(diào)度機(jī)制，通過對(duì)任務(wù)的事件觸發(fā)來實(shí)現(xiàn)任務(wù)調(diào)度。每個(gè)任務(wù)都包含若干個(gè)事件，每個(gè)事件都對(duì)應(yīng)一個(gè)事件號(hào)。當(dāng)一個(gè)事件產(chǎn)生時(shí)，對(duì)應(yīng)任務(wù)的事件就被設(shè)置為相應(yīng)的事件號(hào)，這樣，事件調(diào)度就會(huì)調(diào)用相應(yīng)的任務(wù)處理程序。OSAL中的任務(wù)可以通過任務(wù)API將其添加到系統(tǒng)中，這樣就可以實(shí)現(xiàn)多任務(wù)機(jī)制。OSAL任務(wù)調(diào)度流程如圖3所示。

       NextActive Task()是一個(gè)任務(wù)事件查詢函數(shù)，返回任務(wù)的事件狀態(tài)Active Task。軟件設(shè)計(jì)時(shí)，可通過ActiveTask的值來決定是否需執(zhí)行對(duì)應(yīng)的任務(wù)函數(shù)ActiveTask()。 

 
  

        ZigBee的通信或數(shù)據(jù)傳輸涉及到兩種通信幀格式：KVP(關(guān)鍵值偶)幀格式、消息(Message)幀格式。在發(fā)送數(shù)據(jù)量較大時(shí)選擇Message方式；當(dāng)只需要發(fā)送1個(gè)字節(jié)或幾個(gè)字節(jié)的命令或數(shù)據(jù)時(shí)，可以使用KVP格式，該格式是ZigBee協(xié)議定義好的一種通信方式，操作比較簡(jiǎn)單，調(diào)用相應(yīng)的信息發(fā)送函數(shù)即可實(shí)現(xiàn)兩點(diǎn)問的通信。該終端設(shè)計(jì)中采用后一種通信幀格式，在充分利用開發(fā)工具CC2430ZDK Pro內(nèi)部現(xiàn)有的協(xié)議棧的情況下，可以方便地完成通信部分的軟件開發(fā)工作。

      5 終端工作原理

       該終端系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用DMA向存儲(chǔ)器內(nèi)部寫終端控制程序。正式使用時(shí)，終端控制程序被啟動(dòng)，終端首先完成其內(nèi)部系統(tǒng)的初始化，即通信協(xié)議的初始化，各端口使能與初始化，確認(rèn)溫度傳感器連接完好，向DS1822中TH/TL位寫入最高/最低溫度門限，讀取該溫度傳感器的身份標(biāo)志碼(該標(biāo)志碼亦代表該終端設(shè)備的身份)，并將該終端標(biāo)志碼傳回管理中心，以示該終端處于就緒狀態(tài)，并準(zhǔn)備隨時(shí)接受管理中心的啟動(dòng)指令。啟動(dòng)后，終端由自己內(nèi)部的MCU(即CC2430內(nèi)部的MCU)控制，定期向溫度傳感器DS1822發(fā)送溫度轉(zhuǎn)換指令，DS1822在完成溫度轉(zhuǎn)換后會(huì)自動(dòng)將溫度值和TH/TL寄存器中的觸發(fā)門限相比較，如比較結(jié)果表明測(cè)量溫度高于TH或低于TL中的門限值，則設(shè)置報(bào)警標(biāo)志位。隨后，MCU在讀取溫度值的同時(shí)也讀取報(bào)警標(biāo)志位，并將這些數(shù)據(jù)信號(hào)傳回管理中心。這樣，終端就完成了溫度的檢測(cè)與報(bào)警功能。

       該終端也可隨時(shí)接收來自管理中心的查詢指令。

       由于該類終端每一片都有自己唯一的身份標(biāo)志碼，所以，一個(gè)管理中心可以管理多個(gè)這樣的終端，并能準(zhǔn)確區(qū)分它們。利用多個(gè)此類終端可對(duì)較大環(huán)境的溫度實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、無線、多點(diǎn)的檢測(cè)。

       6 結(jié)束語

       本文設(shè)計(jì)的溫度檢測(cè)終端，其外圍 設(shè)備簡(jiǎn)單、功耗低，傳輸無線化，可以用在諸如溫室、倉庫等場(chǎng)合。