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摘要:探討一種基于射頻芯片設(shè)計(jì)無線液位變送器的方案。對(duì)Chipcon公司開發(fā)的內(nèi)嵌51內(nèi)核的單片可編程UHF收發(fā)器芯片的功能特點(diǎn)、原理與應(yīng)用電路進(jìn)行研究,設(shè)計(jì)無線液位變送器的硬件電路和應(yīng)用軟件。該無線液位變送器方案具有結(jié)構(gòu)簡單、功耗低等特點(diǎn),并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其系統(tǒng)所具有的穩(wěn)定性和通信效率。
1引言
在石油化工、水利水電、農(nóng)田灌溉、環(huán)境監(jiān)測以及自來水廠、污水處理廠等眾多領(lǐng)域,液位（水位）是一個(gè)重要的技術(shù)參數(shù)。隨著無線通信及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展,無線傳輸進(jìn)入工業(yè)控制領(lǐng)域的趨勢毋庸置疑,工業(yè)參數(shù)檢測裝置根據(jù)應(yīng)用要求將嵌入各種各樣的無線傳輸功能。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是一種面向低功耗、低成本、低速率可靠傳輸?shù)臒o線通訊技術(shù),其特點(diǎn)使其成為適合于工業(yè)現(xiàn)場中液位、溫度及壓力等信號(hào)傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)。本文提出了一種基于射頻芯片設(shè)計(jì)的利用干簧管陣列實(shí)現(xiàn)液位檢測、集LCD顯示、4~20mA輸出及無線通信于一體的廉價(jià)、小量程無線液位變送器設(shè)計(jì)方案。在無線液位變送器中,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)被引入到液位檢測技術(shù)中,實(shí)現(xiàn)了液位采集的無線化,方便了現(xiàn)場液位變送器的安裝,在保證可靠通訊的基礎(chǔ)上降低了系統(tǒng)的成本,具有微型、低功耗、低成本、可擴(kuò)展性、高安全性等特點(diǎn)。
2的功能及內(nèi)部結(jié)構(gòu)
2.1功能
是Chipcon公司于2005年11月推出的一款內(nèi)嵌8051單片機(jī)的單片可編程UHF收發(fā)器芯片。是一種低成本的無線SOC,也是為低功耗應(yīng)用設(shè)計(jì),將處理器和射頻芯片整合在一起,有效地縮小了體積,能夠在各種有小型設(shè)備的無線通信場合方便地使用。工作在2.4GHz頻段。
此芯片包含了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051MCU和一個(gè)無線收發(fā)芯片CC2500,無線通信主要工作在2.4GHz的ISM（工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué)）和SRD（短距離設(shè)備）頻率波段,在2.4GHz頻段可以自由地設(shè)置在2400~2483.5MHz范圍。
的RF射頻收發(fā)器集成了一個(gè)高度可配置的調(diào)制解調(diào)器。這個(gè)調(diào)制解調(diào)器支持不同的調(diào)制格式,其數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)500kbps。通過開啟集成在調(diào)制解調(diào)器上的前向誤差校正選項(xiàng),能使性能得到提升。為數(shù)據(jù)包處理、數(shù)據(jù)緩沖、突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸、清晰信道評(píng)估、連接質(zhì)量指示和電磁波激發(fā)提供廣泛的硬件支持。芯片工作時(shí)的電流損耗為16mA和18mA;速率為1.2kBaud,在接收和發(fā)射模式下,電流損耗分別低于17.1mA或18.5mA。的休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動(dòng)模式的超短時(shí)間的特性,特別適合那些要求電池壽命非常長的應(yīng)用。
芯片的主要特點(diǎn)如下:高性能和低功耗的8051微控制器核;2.4GHz（）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0.5LA的流耗,外部的中斷或RTC能喚醒系統(tǒng),在待機(jī)模式時(shí)少于0.3LA的流耗,外部的中斷能喚醒系統(tǒng);硬件支持CSMA/CA功能;較寬的電壓范圍（2.0~3.6V）;數(shù)字化的RSSI/LQI支持和強(qiáng)大的DMA功能;具有電池監(jiān)測和溫度感測功能;集成了14位模數(shù)轉(zhuǎn)換的ADC;集成AES-128安全協(xié)處理器;帶有兩個(gè)強(qiáng)大的支持幾組協(xié)議的USART,一個(gè)支持TI自定義協(xié)議棧的MAC計(jì)時(shí)器,一個(gè)常規(guī)的16位計(jì)時(shí)器和兩個(gè)八位計(jì)時(shí)器;較少外圍電路;強(qiáng)大和靈活的開發(fā)工具。
2.2內(nèi)部結(jié)構(gòu)
芯片延用了以往TI公司ZigBee無線（定位）芯片CC2430/CC2431架構(gòu),它使用一個(gè)八位MCU（8051）,具有32KB可編程閃存和4KB的RAM,還包含模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（DC）、定時(shí)器（Tmier）、AES128協(xié)同處理器、看門狗定時(shí)器（WatchdogTmier）、32kHz晶振的休眠模式定時(shí)器、上電復(fù)位電路（PowerOnRe-set）、掉電檢測電路（BrownOutDetection）以及21個(gè)可編程I/O引腳,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。內(nèi)存仲裁通過SFR總線將CPU、DMA模塊、存儲(chǔ)器以及其他外設(shè)連接在一起。內(nèi)存仲裁通過四個(gè)內(nèi)存器指針選擇接入SRAM、Flash存儲(chǔ)器或者SFR寄存器。系統(tǒng)通過中斷控制器維護(hù)四種不同優(yōu)先級(jí)的18個(gè)中斷源,這些中斷源被分成六組,每組關(guān)聯(lián)一種中斷優(yōu)先級(jí)。
為降低功耗,系統(tǒng)可支持四種工作模式,表1給出了這四種工作模式的特點(diǎn)和狀態(tài)。
 

2.3無線收發(fā)部分重要配置
的RF輸出功率等級(jí)通過寄存器PA_TABLE0配置,可以工作在2.4GHz免費(fèi)頻段上,若要高頻部分開始工作,必須在工作頻段2400~2483.5MHz上.如果需要設(shè)置這些參數(shù),需要有CHAN-NR、FSCTRL1、FSCTRL0、FREQ2、FREQ1、FREQ0等寄存器。調(diào)制解調(diào)器通過配置MDMCFG4、MDMCFG3、MDMCFG2、MDMCFG1、MD-MCFG0和DEVATN,可以將它們的調(diào)制解調(diào)器的方式修改為2-FSK、GFSK和MSK等。的射頻部分是一個(gè)可編程控制速率的芯片,Z高速率可以達(dá)到500kBaud。由于速率越高消耗的電流就越大,考慮到節(jié)能問題,因而在不需要大速率的情況下,對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速率進(jìn)行相應(yīng)的修改,是很有必要的。
3無線液位變送器的硬件設(shè)計(jì)
3.1硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
無線液位變送器硬件設(shè)計(jì)以內(nèi)嵌8051單片機(jī)的單片可編程UHF收發(fā)器芯片為核心,由液位測量、微處理器、液位顯示、D/A轉(zhuǎn)換輸出、無線收發(fā)及天線等部分組成,硬件基本組成框圖如圖2所示。以1cm間隔均勻分布置于全密封不銹鋼防護(hù)管內(nèi)的干簧管測量陣列及球型磁浮子將液位轉(zhuǎn)換為位置信號(hào),采用掃描檢測方法將液面位置讀入,液位信號(hào)經(jīng)過單片機(jī)處理后,采用LCD現(xiàn)場顯示;采用2-$DAC結(jié)構(gòu),16位分辨率,標(biāo)準(zhǔn)三線串行數(shù)據(jù)輸入接口,4~20mA電流環(huán)路輸出的高性能數(shù)模轉(zhuǎn)換器AD421完成D/A轉(zhuǎn)換輸出標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào);利用內(nèi)嵌的無線收發(fā)芯片CC2500實(shí)現(xiàn)液位信號(hào)的無線傳送。

3.2矩陣掃描檢測電路設(shè)計(jì)
矩陣掃描檢測電路由SoC芯片和分布在測桿內(nèi)干簧管陣列電路、移位寄存器構(gòu)成類似掃描鍵盤陣列電路結(jié)構(gòu),干簧管位于行和列的交叉點(diǎn)上,如圖3所示,利用行掃描法實(shí)現(xiàn)液位測量。行掃描法的基本原理是:通過控制移位寄存器的輸出,使各列依次變?yōu)榈碗娖剑?00）狀態(tài),然后檢測各行（P1.0~P1.3）的狀態(tài)。干簧管陣列的某一條列線為低電平,如果這條列線上沒有觸點(diǎn)閉合,則各行線的狀態(tài)均為高電平;如果列線上有觸點(diǎn)閉合,則相應(yīng)的那條行線即變?yōu)榈碗娖剑?00）狀態(tài),則可確定該行與處于低電平狀態(tài)列的交叉點(diǎn)上的干簧管為閉合狀態(tài),這樣,就可根據(jù)行線和列線號(hào)獲得相應(yīng)的浮子位置,即液面位置。由于均勻分布置于全密封不銹鋼防護(hù)管內(nèi)的任一干簧管的位置是*確定,故對(duì)應(yīng)于任一干簧管的液位也就*確定了。
通過P1口檢測到的液位值輸入到的內(nèi)部寄存器,數(shù)據(jù)處理后從的P2.0、P2.1和P2.2口直接寫數(shù)據(jù)到AD421的LATCH、DATA和CLOCK端,數(shù)據(jù)按由高位到低位的順序被裝載到AD421內(nèi)部的輸入移位寄存器,在LATCH信號(hào)上升沿輸入移位寄存器中,數(shù)據(jù)傳送到DAC鎖存器,而LOOPRTN與LV端口形成一個(gè)回路,完成數(shù)字信號(hào)到4~20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)的轉(zhuǎn)換并輸出。

3.3微處理器和無線收發(fā)單元設(shè)計(jì)
包含UHFRF收發(fā)器和高性能低功耗8051微控制器,集成了32KB在系統(tǒng)可編程Flash和外設(shè)內(nèi)嵌4KBSRAM。功能強(qiáng)大,擁有128位AES安全協(xié)處理器和DMA功能;具有高靈敏度（10kb/s下為-100dBm）和較高的接收靈敏度和阻塞功能,支持2-FSK、GFSK和MSK等調(diào)制方式;支持?jǐn)?shù)字RSSI/LQI;線路調(diào)試的IDE（IntegratedDevelop-mentEnvironment,集成開發(fā)環(huán)境）遵從IAR公司的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn),結(jié)合Chipcon公司的ZigBee協(xié)議棧,只需極少外部元件就可以構(gòu)成性能穩(wěn)定且功耗極低的片上系統(tǒng)（SoC）,極大地降低了開發(fā)難度。的微處理器和無線收發(fā)單元電路如圖4所示。系統(tǒng)的高速時(shí)鐘源是26MHz晶體振蕩器,低速時(shí)鐘源一般作為看門狗時(shí)鐘源,采用低功耗
32.768kHz晶體振蕩器。射頻輸入/輸出匹配電路主要用來匹配器件的輸入/輸出阻抗,使其輸入/輸出阻抗為508,發(fā)射部分經(jīng)過前端P型匹配網(wǎng)絡(luò)向508垂直天線饋電,如果不希望采用上述匹配網(wǎng)絡(luò),可以采用T型PCB天線直接與器件相連。天線部分可采用PCB上引線形成的板載偶極天線或鞭狀天線?？垢蓴_設(shè)計(jì)直接關(guān)系到射頻性能和整機(jī)的運(yùn)行,由于工作頻率較高,所以設(shè)計(jì)以芯片為中心的應(yīng)用電路,各元器件緊靠其周圍,盡可能減少分布參數(shù)影響。在PCB布線時(shí),芯片底部應(yīng)保持良好接地。電源線建議從電源主節(jié)點(diǎn)呈樹狀引出不同分支的電源線為每個(gè)電源引腳供電,使引腳間產(chǎn)生空間上的隔離,以減小彼此之間的耦合。
同時(shí)可使用多個(gè)去耦電容、旁路電容濾波,以保持電源的純凈。如采用多層板布線,敷銅時(shí)應(yīng)注意不要使芯片下的地形成耦合。天線至引腳的PCB引線應(yīng)盡可能粗,以降低阻抗。

4軟件設(shè)計(jì)
4.1SimpliciTI網(wǎng)絡(luò)協(xié)議
德州儀器（TI）推出針對(duì)簡單小型RF網(wǎng)絡(luò)的專有低功耗RF協(xié)議SmipliciTI網(wǎng)絡(luò)協(xié)議[5]。Smi-pliciTI網(wǎng)絡(luò)協(xié)議能/開盒即用0地在片上系統(tǒng)（SoC）上運(yùn)行。SmipliciTI網(wǎng)絡(luò)協(xié)議專為簡單的RF網(wǎng)絡(luò)而設(shè)計(jì)。利用SmipliciTI網(wǎng)絡(luò)協(xié)議可實(shí)現(xiàn)MCU資源占用的Z小化,從而降低了低功耗RF網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)成本。需要路由功能的更復(fù)雜的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)通常需要10倍之多的程序存儲(chǔ)器與RAM。盡管所需的資源不多,但SmipliciTI網(wǎng)絡(luò)協(xié)議依然能夠支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信,這種選擇方案不僅可使用數(shù)據(jù)中心（AccessPoint）來存儲(chǔ)并發(fā)送消息,還能通過范圍擴(kuò)展設(shè)備（rangeextender）來擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍以支持四次網(wǎng)絡(luò)跳轉(zhuǎn)。
SmipliciTI協(xié)議的模塊如圖5所示,包括Ne-tworkManagement（網(wǎng)絡(luò)管理）、AccessPoint、Frequen-cyAgility（跳頻）、RangeExtender、Encryption（加密）、Battery-onlyNetwork（低功耗網(wǎng)絡(luò)）。SmipliciTI網(wǎng)絡(luò)協(xié)議提供給應(yīng)用層間的信息交流。SmipliciTI的硬件邏輯層主要包括:Radio（射頻層）、BSP（應(yīng)用板支持層程序包）。SmipliciTI沒有物理層（PHY）和數(shù)據(jù)鏈路層（MAC/LLC）,數(shù)據(jù)直接從射頻層接收過來,射頻層的作用就是直接將數(shù)據(jù)接收到。SmipliciTI網(wǎng)絡(luò)提供三類設(shè)備:終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備ED、數(shù)據(jù)中心AP和范圍擴(kuò)展設(shè)備RE。協(xié)議確定兩個(gè)設(shè)備之間通信會(huì)有一個(gè)連接過程。連接信息包含一個(gè)4字節(jié)的連接標(biāo)志,接收連接的設(shè)備才能允許該設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)幀大小為:Z小22字節(jié),Z大74字節(jié)。SmipliciTI對(duì)其中數(shù)據(jù)長度、目的地址、源地址、PORT、設(shè)備信息、交換記錄、有效數(shù)據(jù)等進(jìn)行CRC校驗(yàn)。有效數(shù)據(jù)載荷為0~52字節(jié)。

4.2軟件流程
軟件設(shè)計(jì)采用模塊化的編程方法,按照程序?qū)崿F(xiàn)的不同功能分為不同的銜接模塊,使整個(gè)程序結(jié)構(gòu)便于調(diào)試及功能的擴(kuò)充。軟件設(shè)計(jì)流程如圖6所示:上電后初始化各個(gè)設(shè)置,進(jìn)入節(jié)能模式;定時(shí)時(shí)間到喚醒處理器,依次配置無線模塊,執(zhí)行數(shù)據(jù)采集程序,進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ),轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù),液位顯示、D/A轉(zhuǎn)換,設(shè)置無線模塊進(jìn)入等待加入模式,如果成功加入后,則發(fā)送通信數(shù)據(jù)。

根據(jù)的特點(diǎn),可以人為設(shè)定MAC層協(xié)議以完成節(jié)點(diǎn)間通信,從而構(gòu)成星型或者網(wǎng)型（MESH）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。完成一次數(shù)據(jù)發(fā)送的程序流程如圖7所示。數(shù)據(jù)傳送時(shí),發(fā)送的數(shù)據(jù)幀被送入RAM中的緩存區(qū)進(jìn)行相應(yīng)的幀打包操作,取發(fā)送載荷數(shù)據(jù)填入地址并計(jì)算包長度,將一定數(shù)量的可編程的開端字節(jié),然后添加兩字節(jié)的同步字,在發(fā)送數(shù)字幀中計(jì)算和加入CRC校驗(yàn)和并發(fā)送出去。在接收模式時(shí),首先進(jìn)行開端檢測、提取RSSI信息,然后進(jìn)行同步字檢測,接著檢測地址、進(jìn)行地址長度匹配并計(jì)算和檢查CRC。Z后將數(shù)據(jù)載荷提交上層進(jìn)行處理,從而完成一次發(fā)送和接收交互。
5結(jié)束語
芯片是一款高集成度的工業(yè)用射頻收發(fā)器,是射頻技術(shù)與單片機(jī)技術(shù)的結(jié)合?；谛酒瑯?gòu)成的無線液位變送器,對(duì)液位信號(hào)采用無線傳送也是本設(shè)計(jì)的創(chuàng)新之處,采用無線傳輸降低了測量條件的限制,給測量帶來方便并在成本、空間、功耗、靈活性等方面具有明顯的優(yōu)勢。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究是對(duì)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的一種挑戰(zhàn),也是實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)視應(yīng)用的一個(gè)新的可靠的技術(shù)方法。用無線液位變送器做網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備,可開發(fā)高性價(jià)比、安全可靠、低功耗、低復(fù)雜度的無線網(wǎng)絡(luò)解決方案,新型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有誘人的發(fā)展前景。