無(wú)線環(huán)境監(jiān)測(cè)模擬裝置

摘要本裝置以MSP430系列單片機(jī)為控制核心，探測(cè)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)周邊溫度和光照信息的采集并發(fā)送回監(jiān)測(cè)終端，并且探測(cè)節(jié)點(diǎn)之間具有信息轉(zhuǎn)發(fā)功能。發(fā)射電路采用具有開關(guān)狀態(tài)的丙類放大電路，其電源加上低壓降晶體管S8550，通過(guò)單片機(jī)控制該三極管基極電壓來(lái)決定發(fā)射部分電源的通斷，有效降低了功耗。

關(guān)鍵詞環(huán)境監(jiān)測(cè) 超再生 低功耗

中圖分類號(hào):TP2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 調(diào)制方式

綜合考慮，我們選擇ASK調(diào)制方式。即用調(diào)制信號(hào)控制載波的通斷，調(diào)制信號(hào)為1時(shí)載波接通，此時(shí)傳輸信道上有載波出現(xiàn);調(diào)制信號(hào)為0時(shí)載波被關(guān)斷，此時(shí)傳輸信道上無(wú)載波傳送。檢波電路根據(jù)載波的有無(wú)還原出調(diào)制信號(hào)1和0。

ASK調(diào)制方式電路相對(duì)簡(jiǎn)單，功耗及制作成本較低。在技術(shù)指標(biāo)的要求下，ASK可以滿足要求，并且通信距離超過(guò)50cm。本系統(tǒng)選擇OOK，為ASK調(diào)制方式之一。

1.2 接收機(jī)電路

在本系統(tǒng)中，有兩種可考慮的接收電路:超再生接收檢波電路和集成芯片電路。濾波電路利用再生原理使檢波電路工作在間歇狀態(tài)，有利于提高電源效率。集成收音芯片CXA1691為超大規(guī)模AM/FM立體聲收音集成芯片，集調(diào)幅、調(diào)頻、鎖相環(huán)、立體聲解碼等電路為一體。超再生接收檢波電路功耗低，靈敏度高，電路設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單、性價(jià)比高，易于實(shí)現(xiàn);采用CXA1691集成收音芯片電路較復(fù)雜、功耗較大。綜合比較，我們選擇前者。

1.3 編碼方式

此系統(tǒng)采用通信中較常用的雙相碼(Biphase Code)編碼方式，即用一個(gè)周期的方波表示“1”，用它的反相波表示“0”，其編碼規(guī)則為:0→01，1→10。雙相碼編解碼方式既能提供足夠的定時(shí)分量，又無(wú)直流漂移，有良好的抗燥性，與其他方式有一定的優(yōu)越性。

1.4 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)監(jiān)測(cè)終端和探測(cè)節(jié)點(diǎn)均以MSP430F169單片機(jī)為控制核心，兩者均采用27.145MHz載波、ASK調(diào)制方式由高效開關(guān)式諧振功率放大器完成，系統(tǒng)的接收電路采用具有間歇工作狀態(tài)的超再生檢波電路。溫度檢測(cè)使用溫度傳感器DS18B20，光照信息檢測(cè)使用光敏電阻。A、B探測(cè)節(jié)點(diǎn)之間的轉(zhuǎn)發(fā)功能主要由軟件實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)編碼方式采用雙相碼，監(jiān)測(cè)終端處理探測(cè)節(jié)點(diǎn)傳輸回來(lái)的數(shù)據(jù)經(jīng)LCD12864實(shí)時(shí)顯示。

2 理論分析與電路設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1 發(fā)射電路理論分析與設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1.1 發(fā)射電路理論分析

由于石英晶體的Q值很高，受溫度影響較小，可獲得很高的頻率振蕩穩(wěn)定性。因此，在發(fā)射電路的振蕩部分采用無(wú)源晶振和三極管T1構(gòu)成LC振蕩電路，產(chǎn)生27.145MHz載波信號(hào)。功放部分采用丙類放大電路，晶體管T2工作在開關(guān)狀態(tài)，當(dāng)數(shù)字信號(hào)1到來(lái)時(shí)，晶體管處于放大狀態(tài);當(dāng)數(shù)字信號(hào)0到來(lái)時(shí)，晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)，集電極電流Ic=0，從而減少了電路的功耗，其電路如圖 1所示。

2.1.2 發(fā)射電路設(shè)計(jì)計(jì)算

發(fā)射電路主要由產(chǎn)生載波的振蕩電路、丙類高頻功率放大器以及天線諧振網(wǎng)絡(luò)組成。丙類高頻功率放大器為集電極并聯(lián)饋電形式，晶體管、負(fù)載回路和直流電源組成并聯(lián)連接形式。諧振網(wǎng)絡(luò)可視為如圖2所示的等效電路。其中L3和C1為電感天線的感值和自分布電容。根據(jù)已知的線圈直徑D = 34mm，線圈匝數(shù)N = 5以及線徑d = 0.7，通過(guò)計(jì)算軟件可得L3 = 1.5uH，C1 = 4pF。總電抗為

XL = (jωL3)//(1/jωC1+jωL2+1/jωC2)

= (jωL3)//[(-ω2C1C2L2+C1+C2)/jωC1C2]

= [C1+C2-ω2C1C2(L3+L2)]/[jω(C1+C2-ω2C1C2L2)]

……………………………………………………①

為了使電路諧振到27.145MHz，選定L2為27uH，通過(guò)②式，解得調(diào)諧電容C2為68pF

C1+C2-ω2C1C2(L3+L2) = 0 …………………………②

圖1發(fā)射電路 圖2等效匹配網(wǎng)絡(luò)

2.2 接收電路理論分析與計(jì)算

2.2.1 接收電路理論分析

接收電路采用的超再生接收檢波電路是一個(gè)間歇式電容三點(diǎn)式振蕩器，電路為共基極電路，L5、C16以及三極管BE間的結(jié)電容構(gòu)成電容三點(diǎn)式高頻振蕩器。振蕩器工作時(shí)，隨著振蕩幅度增加，晶體管電流Ice增加，Ice流過(guò)R11會(huì)使R11兩端電壓成增長(zhǎng)趨勢(shì)，而C9兩端電壓無(wú)法突變，因此該電流對(duì)C9充電，使其兩端電壓升高，從而晶體管BE端電壓下降，工作點(diǎn)降低，當(dāng)降低到一定程度，電路開始停振，Ice隨振蕩逐漸停止而減小，這使R11兩端電壓呈減小趨勢(shì)，C9開始通過(guò)R11放電，C9兩端電壓降低，晶體管BE端電壓增加，振蕩幅度開始回升，重復(fù)前面的過(guò)程，因此振蕩器工作在一個(gè)間歇振蕩狀態(tài)，間歇頻率由C9和R11決定，一般為100K-500KHz之間。

L5和C14構(gòu)成選頻網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)天線接收到的ASK信號(hào)載波頻率與其諧振頻率相同時(shí)，對(duì)電路的振蕩幅度有加強(qiáng)作用，此時(shí)電路進(jìn)入超再生狀態(tài)。此外，電路振蕩建立的速度、及持續(xù)時(shí)間與晶體管工作點(diǎn)有關(guān)，而晶體管工作點(diǎn)隨輸入ASK信號(hào)幅度變化，因此，高頻間歇振蕩在每個(gè)間隙之間能達(dá)到的最大振蕩幅度是隨輸入ASK信號(hào)的幅度變化的，此間歇振蕩的包絡(luò)線就是要解調(diào)的信號(hào)。為了獲得較好的解調(diào)效果，電路中將產(chǎn)生的間歇振蕩通過(guò)低通濾波后送入SM6135進(jìn)行放大整形達(dá)到解調(diào)的目的。

2.2.2 接收電路設(shè)計(jì)計(jì)算

三極管T3及外圍電路組成超再生振蕩電路，其中L5和C14組成選頻網(wǎng)絡(luò)，選擇L5=15uH，為了使接收電路諧振在27.145MHz，由公式③解得C14為2.3pF。

fo=1/[2π(L5×C14)] ………………………………③

間歇頻率由R11和C9決定，頻率越高，間歇周期短，接收靈敏度低，頻率越底，靈敏度高，但抗干擾能力差，通常狀況下選擇100KHz到500KHz之間，通過(guò)測(cè)試該頻率為106KHz時(shí)接收效果最佳。取R11=680Ω，由公式f=1/(2πR11×C9)，解得C9=2200pF。對(duì)于C13和R5組成的低通濾波器，截止頻率選為6KHz，R5取1.5K，由公式fOFF=1/(2πR5×C13)的C13為4.7Uf。

2.3 通信協(xié)議分析

為了加強(qiáng)通信系統(tǒng)的安全性，無(wú)線環(huán)境監(jiān)測(cè)模擬裝置通信協(xié)議采用時(shí)間片分層的方式。定義每秒的前半段為監(jiān)測(cè)終端與探測(cè)節(jié)點(diǎn)A的通信時(shí)間，后半段為終端與探測(cè)節(jié)點(diǎn)B的通信時(shí)間。所有的通信指令均由監(jiān)測(cè)終端發(fā)送，與之通信的探測(cè)節(jié)點(diǎn)必須在規(guī)定的時(shí)間片內(nèi)以1Kbps的波特率發(fā)送數(shù)據(jù)以及執(zhí)行相應(yīng)的指令。監(jiān)測(cè)終端發(fā)射信息位(25位)定義如表1，其中起始位用于時(shí)鐘校準(zhǔn)，保證各個(gè)子探測(cè)節(jié)點(diǎn)和監(jiān)測(cè)終端的時(shí)鐘同步。終端數(shù)據(jù)標(biāo)志位區(qū)分了終端數(shù)據(jù)與節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，提高了通信效率。地址位用于指定通信節(jié)點(diǎn)及相應(yīng)的通信指令。

表1 監(jiān)測(cè)終端發(fā)射位信息定義

探測(cè)節(jié)點(diǎn)發(fā)射信息位(105位)定義如表2所示。起始位與數(shù)據(jù)標(biāo)志位的作用與表1相同。節(jié)點(diǎn)地址和節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)位表示當(dāng)前通信的節(jié)點(diǎn)及其發(fā)送的數(shù)據(jù)。標(biāo)志事件位則表示本節(jié)點(diǎn)是否轉(zhuǎn)發(fā)了數(shù)據(jù)。標(biāo)志事件為11時(shí)，表示該探測(cè)節(jié)點(diǎn)未收到其他探測(cè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息，此時(shí)，標(biāo)志位之后所有為信息均置0。當(dāng)標(biāo)志事件為01時(shí)，該探測(cè)節(jié)點(diǎn)在發(fā)送自身探測(cè)數(shù)據(jù)的同時(shí)將轉(zhuǎn)發(fā)其接收到的另一探測(cè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。

表2探測(cè)節(jié)點(diǎn)發(fā)射信息位定義

首先由撥碼開關(guān)設(shè)定各個(gè)探測(cè)節(jié)點(diǎn)的地址，系統(tǒng)初始化后，監(jiān)測(cè)終端發(fā)送特殊指令0x00，探測(cè)節(jié)點(diǎn)在各自規(guī)定的時(shí)間片內(nèi)向監(jiān)測(cè)終端發(fā)送設(shè)定的地址，從

而建立了通信信道，并實(shí)現(xiàn)了探測(cè)節(jié)點(diǎn)地址預(yù)置。通過(guò)不同的節(jié)點(diǎn)地址以及不同的時(shí)間片，監(jiān)測(cè)終端可以準(zhǔn)確的與指定探測(cè)節(jié)點(diǎn)通信。

當(dāng)監(jiān)測(cè)終端發(fā)現(xiàn)可以獲取A節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，但無(wú)法獲取B節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)時(shí)，需要A節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)B節(jié)點(diǎn)的信息。監(jiān)測(cè)終端在與A的第一個(gè)通信時(shí)間片內(nèi)發(fā)送轉(zhuǎn)發(fā)指令，A收到指令后立即與B通信，如果成功則要求B發(fā)送數(shù)據(jù)到A，由A暫存轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)并置轉(zhuǎn)發(fā)標(biāo)志位。當(dāng)下一個(gè)監(jiān)測(cè)終端與節(jié)點(diǎn)A的通信時(shí)間片到來(lái)后同時(shí)發(fā)送本身采集數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能。

4 結(jié)果與結(jié)論

4.1 部分測(cè)試數(shù)據(jù)

功耗方面:測(cè)量檢測(cè)終端電源供電電流為I=10mA，功耗為Po=0.06W。

4.2 測(cè)試結(jié)果分析

(1)探測(cè)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)00000001B~11111111B編號(hào)預(yù)置功能，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)終端與各探測(cè)節(jié)點(diǎn)直接通信，能顯示當(dāng)前各探測(cè)節(jié)點(diǎn)探測(cè)到的環(huán)境溫度和光照信息。各探測(cè)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了0℃~100℃范圍內(nèi)絕對(duì)誤差小于2℃的溫度測(cè)量和四個(gè)強(qiáng)度的光照測(cè)量實(shí)，探測(cè)時(shí)延小于5s，監(jiān)測(cè)終端天線與探測(cè)節(jié)點(diǎn)天線距離大于25cm。

(2)每個(gè)探測(cè)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)信息轉(zhuǎn)發(fā)功能，探測(cè)距離D+D1>50cm，探測(cè)時(shí)延小于5s。在D+D1>50cm條件下監(jiān)測(cè)終端供電電源電流10mA功耗保持0.06W，探測(cè)節(jié)點(diǎn)電源供電電流均為11mA，功耗保持0.033W。

接收部分的超再生檢波電路在內(nèi)部和外部噪音電壓的激發(fā)下會(huì)產(chǎn)生不規(guī)則的雜亂振蕩，導(dǎo)致輸出的噪聲對(duì)接收電路造成了極大的干擾，甚至覆蓋另一發(fā)射模塊發(fā)射的信號(hào)。為解決這一問(wèn)題，對(duì)接收電路電源加上低壓降晶體管S8550通過(guò)單片機(jī)控制其導(dǎo)通與否，在該探測(cè)節(jié)點(diǎn)處于接收狀態(tài)時(shí)使其關(guān)斷，而在發(fā)射狀態(tài)時(shí)使其導(dǎo)通，從而從根本上解決了接收部分對(duì)發(fā)射部分的干擾。

5 結(jié)束語(yǔ)

在此設(shè)計(jì)過(guò)程中，以低功耗和性價(jià)比為出發(fā)點(diǎn)，器件選型和電路設(shè)計(jì)都做了精心挑選，如選擇MSP430超低功耗單片機(jī)和設(shè)計(jì)丙類放大器及具有間歇性工作狀態(tài)的超再生檢波電路，使監(jiān)測(cè)終端和探測(cè)節(jié)點(diǎn)的功耗保持0.1W以內(nèi)。

參考文獻(xiàn)

[1]黃智偉.全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽電路設(shè)計(jì)[M].北京:北京航空航天出版社，2006.

[2]全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽組委會(huì).全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽獲獎(jiǎng)作品選編(2007)[M].北京:北京理工大學(xué)出版社，2008.

[3]陽(yáng)昌漢.高頻電子線路[M].北京:高等教育出版社，2006.