基于ZigBee平臺的多通道溫度系統的開發

陳 洺， 郭曉學

0 引言

隨著科技技術的快速發展，在許多地方都要用到溫度采集系統，考慮到溫度采集過程中遇到的各種惡劣環境，此系統要求有較高的穩定性和可靠性。本系統使用了四線制鉑熱電阻PT100作為溫度傳感器，為了在空間、實時性及可靠性上達到一定的要求，設計了一種基于ZigBee平臺的溫度采集系統。ZigBee技術是一種具有統一技術標準的短距離無線通信技術，其特點是近距離、自組織、低功耗、低數據速率、低成本[1]。

1 系統總體設計方案及主要芯片簡介

工業常見的溫度采集設備，采集精度不是很高，采集到的信號之間時序不是很嚴格，4通道的溫度采集能夠滿足常見的要求。本設計采用2塊A/D芯片設計了4通道溫度采集，通過選擇開關選擇需要采集的通道，每當一路信號采集送給 CC2430芯片處理以后，在選通下一路進行采集。這樣輪流選通各個通道進行采集。

設計的硬件主要由CC2430微控制器，ADC采樣電路，通道模擬選擇電路，RS232接口電路，(ARM，Advanced RISC Machines)顯示電路等。其功能框圖如圖1和圖2所示。

在該系統中 CC2430芯片集成了符合IEEE802.15.4標準的2.4 GHz的RF無線電收發機。微控制器是低功耗的 8051內核，集成了 14位的ADC帶有2個強大支持幾組協議的USART。為提高采集精度，沒有采用CC2430自帶的14位A/D轉換模塊而是采用24位高精度的AD7793。此芯片工作電壓在2.7～5.25 V，含有3個差分模擬輸入，片內集成低噪聲儀表放大器，因而可直接輸入小信號[2]，它還有兩路可編程恒流源輸出（10 μA,210 μA,1 MA），可以為電阻類型的傳感器提供電流。系統通過恒流源作為模擬轉換的外部基準電壓，可實現2.1 V的基準電壓輸出，適合高精度測量應用的低功耗、低噪聲需求。它的接口有三線制串行接口(SPI，Serial Peripheral Interface)。

圖2 ZigBee接收和ARM顯示框

2 多通道溫度采集系統的實現

2.1 溫度采集電路的設計

系統的總體硬件設計電路是多通道的：僅以兩個通道為例。另外兩個通道是對稱的，設計原理一樣。溫度采集電路負責四線制熱電阻信號的采集。輸入信號要通過低通濾波、開關選通、濾波消噪等單元后再進入AD7793的A/D輸入端。由于引線電阻的存在，所以系統傳感器采用的是四線制PT100是鉑熱電阻，它通過對 AD7793芯片編程使 LOUT1輸出一個210 μA恒定電流，激勵鉑電阻，其中r1、r2、r3、r4、分別為近似相等的傳感器引線電阻，Rt為鉑電阻。AN1和AN2測量端通常是高輸入阻抗[3]，因此測量電路對I的分流可以忽略不計，得到的鉑電阻上的電壓為I×(Rt+△R)，可以完全消除引線電阻所引起的誤差。在電路設計中，ADC的AN1+和AN1-是第一個通道的差分模擬輸入端，直接與傳感器的兩端相接，采集到的就是傳感器的電壓值。電流從LOUT1輸出，經過ADG719模擬開關如圖4所示，如果IN腳為低電平，S1通，如果IN腳為高電平，S2通。通過對外圍擴展槽Header8X2A編程使模擬開關的IN引腳低電平，S1通。電流從SI流出進入另一個個模擬開關的S1。第一個和第2個模擬開關的IN又接到了反相器74HC04芯片。所以第一個模擬開關的IN為高電平，S1不通。電流從第2個開關S1直接流入了傳感器，然后流出經過第一個模擬開關的 S2，一路通過電阻接地，另一路接到ADC芯片的REFIN+。這樣就為芯片提供了2.1 V的外部基準電壓。這樣就完成了系統的溫度采集過程。也可以對擴展槽的引腳重新編程，可以控制通道的選擇，如果是高電平，就選中了第2個通道工作。

圖3 四線制測量電路

圖4 ADG719模擬開關

2.2 ZigBee收發模塊電路的設計

無線發送和接收主要由CC2430的ZigBee無線發收發模塊來完成。上一過程AD采集到的數據通過SPI通道與 CC2430的ZigBee發射模塊進行數據傳輸。SPI接口在內部硬件實際上是兩個簡單的移位寄存器,傳輸的數據為8位,在主器件產生的從器件使能信號和移位脈沖下,按位傳輸,高位在前,低位在后。在SCLK的下降沿上數據改變,同時一位數據被存入移位寄存器[4]。AD作為SPI通信的從機，AD芯片它的DOUT/RDY作為SPI從機模式的輸出，接主機模式的輸入口MISO。它的DIN腳是SPI從機模式的輸入，和主機模式的輸出口MOSI相連。SCLK是時鐘輸入接CC2430芯片的SCLK。然后CPU內核將讀出來的數據進行處理，讀出 AD芯片的數據前，先進行對AD芯片的寄存器配置，首先寫通信寄存器，選擇配置寄存器，將使能為單極性編碼，儀表放大器的增益設為8，然后配置ADC為緩沖模式工作，通道選擇AIN(+)-AIN(-)，再寫通信寄存器，選擇IO寄存器，編程電流為210 uA，接著選擇模式寄存器進行內部零電位校準，再選擇模式寄存器進行內部滿量程校準[5-6]，最后從通信寄存器讀出3字節。把3個字節的CODE碼轉化為溫度值，ADC已配置成單極性工作模式。數據處理結束，被送到RF模塊的RFD緩存器里面，經過調制、合成、放大，送到ADC芯片的RF_P和RF_N口，準備通過天線發送出去。CC2430接收模塊的RF_P和RF_N口接收到正向和負向射頻信號，并向LNA輸入信號，經解調送入存儲器[7]，ZigBee接收模塊通過電平轉換芯片是 MAX3232和異步串行通信接口 RS232進行通信。RS232和CC2430芯片的P0口相接。RS232另一端和ARM開發板相連，直接在ARM開發板的LCD上面進行界面顯示。

2.3 系統軟件設計

系統軟件設計如圖5所示，設計過程實現了基于ZigBee平臺的多通道溫度采集的功能。應用程序需要通過SPI通道從AD芯片上讀取24位code碼。然后將這3個字節的數據碼轉化為溫度值，通過ZigBee無線發送模塊和無線接收模塊傳輸數據，剛開始要對CC2430、AD7793、串口、SPI口進行初始化，接著需要對AD芯片上的各個寄存器進行配置，電位進行校準。然后就從AD里面連續的讀取3個字節數據，并轉換成電阻值，電阻100歐是溫度0度的一個分界點。最后將得到的小數類型的溫度值轉換為字符型的溫度值，并基于ZigBee協議棧構建無線網絡實現主從節點之間數據的采集與傳輸，ZigBee發送模塊將數據傳送給接收模塊，經串口傳輸ARM開發板對數據進行處理并在LCD上面進行顯示[8]。

圖5 系統軟件設計流程

3 結語

通過觀察幾組實驗的數據,100 Ω標準溫度應為0℃，138.5 Ω對應100℃，150.2 Ω對應131℃，實際結果出現了0.1℃的誤差，這是由多種原因造成的，因為整個溫度采集系統經過好幾個環節，剛開始溫度傳感器采集模擬信號會出現微小的偏差，AD芯片的采集以及 CC2430芯片的讀取數據，再經ZigBee平臺無線傳輸，每個環節硬件電路的工作過程和它的穩定性都會對數據有影響。硬件電路中，還需要進一步增加一些濾波和抗干擾電路的設計。軟件設計過程還需要進一步的優化，軟件設計代碼盡量精簡，算法不復雜，才能減小最終數據的誤差。在開發中，已經開始用到嵌入式系統[9-10]，數據在ARM板的LCD上顯示，這樣在實際應用中就會更方便。在實際開發中，已經有很多類似的例子。考慮到 CC2430芯片內核的資源和處理能力有限的局限性，不能運行復雜的算法和對數據更好的處理，同時為了節省資源和成本，今后進一步把采集電路和ARM處理控制電路集成到一起，外接合適的LCD進行顯示，或者會通過 RS323總線連接上位機,用QT和數據庫做出更豐富的顯示界面。這樣就會在工業控制，消費電子，軍工業等領域尤其是在信號的實時跟蹤這個方向會有很廣闊的實際應用價值。

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