基于MIcrochip PIC24F單片機的無線數據傳輸電路軟硬件設計

哈爾濱哈投投資股份有限公司供熱公司 于 強

1.引言

隨著科學技術的不斷進步，傳感器技術、數據采集技術、數字信號處理技術以及無線通信技術都得到了長足的發展，并已成為了國內外重點發展的科技領域之一[1]。傳感器技術在工業、醫療、軍事等眾多領域中得到了廣泛應用。傳感器通過感知被測量，按照某一規律完成轉換并輸出信號。利用數據采集技術實現對信號的采集并進行相應的信號處理。當在一些現場環境復雜、惡劣或者是地處偏遠的情況下，有限傳輸方式無法適應時，就需要采用無線傳輸方式來解決問題。

目前，無線傳輸的實現方案有多種，例如：無線局域網（WLAN）、ZigBee、紅外線技術、藍牙（Bluetooth）技術、RFID等[2]。WLAN技術主要特點是上下行速率高、建網快速、組網方式多、移動性強、組網成本低等；紅外線技術實現的是點對點的通信，具有功耗低、體積小、簡單易用等特點，但點對點之間不能有障礙物的阻擋；藍牙技術具有多點連接、功耗小、高速率的特點[3]。

本文設計了一種基于Microchip PIC24F單片機的無線數據傳輸系統，該系統采用了Microchip PIC24F單片機作為CPU，采用Zigbee CC2530作為無線數據收發模塊，具有電路結構設計簡單、實用性強的特點。

2.無線傳輸系統設計

本文設計了一種基于Microchip PIC24F單片機的無線數據傳輸系統，該系統采用Zigbee CC2530作為無線數據收發模塊，實現下位機和上位機之間的數據通信；采用Microchip PIC24F單片機作為系統CPU，一方面可以通過Microchip PIC24F單片機內部自帶的A/D轉換器實現數據的采集，另一方面通過SPI接口實現對Zigbee CC2530的控制。Microchip PIC24F單片機作為系統的CPU，還擔負著信號處理的功能。當接收傳感器的輸出信號時，Microchip PIC24F單片機便可以實現數據的采集和處理，并將處理后的數據通過無線數據收發模塊Zigbee CC2530進行無線數據的發送。在接收端依然采用無線數據收發模塊Zigbee CC2530進行數據的接收，并送到Microchip PIC24F單片機中。為了可以利用PC機顯示發送端上報的數據，采用了串口通信技術，實現了Microchip PIC24F單片機與PC機的數據通信。具體的系統設計方案如圖1所示，包括了圖1（a）無線傳輸系統發送端，圖1（b）無線傳輸系統接收端。

2.1 Microchip PIC24F單片機電路

Microchip PIC24F單片機是美國微芯科技公司推出的16位單片機，采用nanoWatt XLP超低功耗技術，在深度休眠模式下，功耗低至20nA，具備16 MIPS的性能、電容觸摸傳感外設、8 KB RAM、32或64 KB閃存、10位A/D以及實時時鐘和日歷（RTCC）。該單片機還能夠通過外設引腳選擇重新配置數字I/O引腳。此外，該單片機具有44引腳QFN和TQFP封裝和28引腳QFN、SOIC和PDIP封裝。

2.2 無線收發模塊CC2530電路

圖1 基于Microchip PIC24F單片機的無線數據傳輸系統

圖2 CSP執行流程圖

CC2530是TI公司推出的2.4GHz ISM頻帶的一款芯片，該芯片支持Zigbee/IEEE 802.15.4協議，并且該芯片內部集成了具有高性能射頻收發器、工業標準的增強型8051MCU內核。該芯片內部具有8位和16位的定時器，256KB Flash ROM和8KB RAM，具有8個輸入可配置的12位ADC，同時具備強大的DMA功能，支持5種工作模式，具備超低功耗系統，在接收和發送模式下，電流損耗分別為24mA。

2.3 串口通信電路

本設計中上位機部分為了實現Microchip PIC24F單片機與PC機之間的通信，采用了串口方式實現通信，即采用了MAX232實現。MAX232芯片是美信公司的一款電平轉換芯片，按照RS-232標準串口設計，采用+5V單電源供電。

2.4 電源模塊電路

本設計中系統外部供電電壓為+5V，而Microchip PIC24F單片機和無線收發模塊Zigbee CC2530都工作在+3.3 V，因此需要采用電源模塊實現電壓轉換，采用了低壓差線性穩壓器TPS7333實現電壓轉換。

3.系統軟件設計

系統軟件設計包括下位機軟件設計和上位機軟件設計。前者主要是Microchip PIC24F單片機通過SPI口對Zigbee CC2530的控制，后者包括串口通信和主界面設計。

Zigbee CC2530片上集成的命令選通協處理器（CSP）提供了Microchip PIC24F單片機與無線電直接的接口，可以處理Microchip PIC24F單片機發出的命令。有程序執行和立即選通命令兩種模式[7,8]。其中24字節的程序存儲器用以存儲軟件算法，充當Microchip PIC24F單片機的協處理器。當命令選通協處理器（CSP）復位后，指令寫指針復位到位置0，每次RFST寫入期間指令寫指針累加1，直到程序存儲器的終點。命令選通協處理器（CSP）還具備4個寄存器，分別是CSPX、CSPY、CSPT和CSPZ。Microchip PIC24F單片機對他們可以讀寫，設置命令選通協處理器（CSP）運行所需的參數。程序執行模式下運行一個命令選通協處理器（CSP）的流程如圖2所示。

4.結論

本文介紹了一種基于Microchip PIC24F單片機的無線數據傳輸系統，該系統采用了無線收發模塊Zigbee CC2530實現無線數據的傳輸，采用了低功耗單片機Microchip PIC24FF449實現無線數據收發模塊的SPI接口配置。該系統可以利用Microchip PIC24FF449單片機對多個傳感器輸出的信息量進行采集，并通過無線收發模塊Zigbee CC2530實現無線數據傳輸。上位機部分接收數據后可通過串口通信方式將數據上傳至PC機，并通過上位機主界面顯示所需數據。由于采用了無線傳輸方式，該系統適用于各種條件復雜、惡劣或是偏遠的安裝場合，因此具有較高的應用價值。

[1]蔣俊.基于PIC單片機的網絡嵌入式系統研究[D].湖南師范大學,2009(10).

[2]張磊.基于PIC24系列微控制器的嵌入式實時操作系統的設計與實現[D].山東大學,2009(01).

[3]張雅潔.基于PIC單片機的電能質量檢測儀[D].安徽理工大學,2010(06).

[4]楊占軍,楊英杰.基于無線傳輸技術的多路溫度數據采集系統設計[J].東北電力學院學報,2005(1):73-75.

[5]黃浩,李旭婷.ZigBee技術在智能家居中的應用[J].黑龍江科技信息,2011(25).

[6]喻金錢,喻斌.短距離無線通信詳解[M].北京:北京航空航天大學出版社,2009.

[7]李興春,李恒文,張巍.基于Zigbee CC2530的溫度數據無線采集系統的設計[J].儀器儀表用戶,2007(2):51-52.

[8]鄭陸君.基于ZigBee技術的低功耗電能參數無線監測系統[J].集成電路應用,2011(08).