基于C8051F020的多路无线温度采集系统的设计方案 数据采集, 控制器, 单片机, 无线, 测量

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1.引言
　　随着科技的不断进步，在多数领域中有线连接的方式已经不能满足科技高速发展的要求，无线通信正进入到我们生活中的各个领域，它与有线连接方式相比，具有携带方便、使用灵活、不必考虑走线等优点。在无线报警、工业数据采集、遥控、遥测射频IC卡、手持PDA、无线图像传输、不停车收费、无线抄表等各个方面有着极其广泛的应用。本文所介绍的测温系统也是无线通讯系统的应用之一。它以SOC单片机C8051F020为中央控制器，以CC1000为无线传送模块和温度测量电路构成了多路无线温度采集系统。
　　将8路的温度数据进行采集，通过无线方式送给主机C8051F020进行处理。
　　调制解调由CC1000完成，系统采用频移键控调制（FSK），载波频率为433MHz，带宽64kHz，数据采用差分曼彻斯特编码发送，空中发送数据速率可以根据需要设置。在发送时控制器C8051F020单片机从用户接口接收采集命令，进行8路温度信号的采集，并将采集到的温度数据进行打包转换成数据帧传送给CC1000，控制CC1000进行数据发送。
　　在接收时，控制器C8051F020接收从CC1000传送过来的温度数据，进行简单处理后把这些数据传送给上位机进行详细的分析处理。硬件框图如图1和图2所示。

　　

　　

　　2.系统硬件设计
　　2.1 无线收发模块
　　本设计的无线收发模块采用了ChipconComponent公司的高性能RF收发芯片CC1000，它是一种单片高频无线收发IC，电流损耗低，通信速率可调，最高可达72.8kbit/s，接收灵敏度为-109dB.m，发射信号功率在-20~10dB.m内可调，设计时电路简单，所用的外围器件较少，编码简单，改变电路和器件参数可以使其工作的频率范围在300~1000MHz内变化。同时该器件内部集成了发射功率放大器、FSK调制/解调、低噪声接收放大器、混频器、压控振荡器、鉴相器等电路，是一款集成度极高的芯片，可直接与单片机进行通信。该IC极适合嵌入到各种低功耗要求较高的测量或控制系统中，我们在该系统中选则433MHz的频段，CC1000内部结构图如图3所示。

　　

　　2.2 主控芯片C8051F020及控制电路
　　C8051Fxxx是Cygnal公司推出的一系列8位高速片上系统（SOC）单片机，C8051F020是其中的一款，它的CIP-51与MCS-51指令集完全兼容，具有以下优点：（1）速度高，最大处理速度可达25MIPS;完全满足本设计中的实时性要求。（2）集成度高，片内集成了极其丰富的模拟及数字外设：两个多通道模/数转换系统，包括一个8位ADC和一个12位ADC，以及两个可编程增益放大器和两个模拟多路选择器；两个12位数/模转换系统；两个模拟比较器：一个片内温度传感器；丰富的总线接口包括SMBus总线接口、通用异步串行总线接口UART、SPI总线接口；5个16位通用定时器；8个8位I/O端口；一个64K的FLASH和一个256B的内部RAM一个4096B外部RAM（XRAM）；以及看门狗电路等；这些片内资源大大减化了本设计的硬件电路设计，极大的缩短了开发周期。（3）交叉开关使I/O端口分配更加灵活。
　　基于C8051F020的片内资源，可以完全满足对多点的温度数据进行实时采集及处理。C8051F020对CC1000的控制电路如图4所示。

　　

　　如图4微控制器C8051F020使用P3.0、P3.1、P3.2与CC1000的PDATA（编程数据）、PCLK（编程时钟）、PALE（编程允许）连接对CC1000进行编程配置和校准，使其工作在433MHz，带宽64kHz，数据采用差分曼彻斯特编码发送。单片机C8051F020的P0.2、P0.3与CC1000的DIO和DCLK连接进行数据的发送与接收，单片机将采集到的温度数据进行打包经P0.2引脚送给CC1000的DIO引脚，DIO引脚输入的数字信号被频移键控（FSK）后送到功率放大器，再通过CC1000的天线发射出去；CC1000天线接收到的射频信号经低噪声放大器（LNA）放大后送给混频器，再由解调器（DEMCO）解调成数字信号由DIO脚输出，单片机的P0.2引脚将DIO引脚的数字信号接收后传送给上位机进行分析处理。　2.3 测温电路
　　测温放大电路如图5所示，测温部分由8路K型热电偶进行，使温度信号转成电压信号，热电偶的变化范围是40.7uV/C，由于热电偶的变化范围很小，因此要进行放大，放大电路采用集成运放LM224构成同向比例运算电路进行放大。将采集到的模拟量Vi经放大器LM224放大Vo=（1+605/4.99）*Vi，8路放大后的模拟信号Vo接SOC单片机C8051F020的8路12位A/D的模拟输入端AIN0.0~AIN0.7进行模/数转换，然后换算成温度值储存并等待无线发送。

　　

　　3.系统软件设计
　　本设计使用的软件是Kei C51，使用的语言是C语言和汇编语言，为了得到精确延时，所以延时子程序采用汇编语言编写。以下主要介绍一下无线通信部分。
　　3.1 通信协议的设计
　　合理的通信协议是可靠的进行无线数据传输的关键，对于点对多点的无线通信，本设计所采用的协议具有代表性。由于在发射端与接收端进行无线通信时，极易被外界噪声干扰而产生错误数据或数据丢失，因此本设计将要发送的数据进行打包再发送，数据的组织格式如图6所示。

　　

　　数据包格式OxAA OxAA 0xAA 0xAA 0x330xCC地址 数据…数据 检验和，其中4个0xAA是同步头0×33 0xCC是特殊标识，由于噪声中OxAA后面紧跟0×33 0xCC的机率极小所以发送4个OxAA后发送0×33 0xCC作为标识头，每次只接收以4个OxAA 0×33 0xCC作为标识头的数据，然后发送地址，每个从机都有唯一的地址，从机接收时只接收和自己地址相同的包，最后采用校验和的方式来保证数据的可靠性。
　　3.2 主程序的设计流程
　　通信由上位机发起，当需要通信时，上位机首先发送同步头，然后发送地址其后等待下位机应答。而下位机使用中断的方式与上位机进行通信，即下位机每收到一个数据包检侧是否有同步头信息，如果没有同步头信息，无线通信模块转入休眠状态；反之，下位机接收上位机信息：如果接收到的地址为本机地址，则对数据进行分析处理，否则转人休眠。这种通信方式虽然速度较慢，但是却使得下位机的功耗大大降低，延长了下位机电池的寿命。程序流程图见图7所示。

　　

　　CC1000对硬件和软件的要求都很高，要获得良好无线通信效果需注意以下几点：
　　（1）电源滤波要好，单片机C8051F020和CC1000用两路电源供电，电源芯片用LDO的TPS7133Q芯片以防串扰和确保输出电压的稳定性。
　　（2）PCB布局时将将射频和低频元件分开布，与CC1000相关的电容和电感紧密地布在CC1000的周围，以增加CC1000的接地面积和通信可靠性。
　　（3）模式转换的延时一定要足够。
　　4.结束语
　　本方案采用C8051F020单片机和无线收发芯片CC1000实现了8路温度数据的采集与无线传输，从实验结果可看出该系统很好的满足了无线测温系统的要求，并有效的降低了系统的功耗和体积。