TDK5110与TDA5220的无线温度采集系统

2010-06-25马臣岗孟立凡

单片机与嵌入式系统应用 2010年7期

马臣岗,孟立凡

(中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原 030051)

马臣岗(硕士研究生),主要研究方向为测试计量技术及仪器。

随着科学技术的发展,简单、方便、实用的东西越来越受到人们的喜爱。无线通信技术的发展为人们的生活、生产带来了极大的改变,节省了大量的人力、物力资源。现在,无线通信技术已经应用到生活的方方面面。在一些不利于有线通信的场所,无线通信技术更是起到了不可替代的作用。小到对讲机,大到移动通信网络,它们无疑在改变着人们的生活方式。比如在生产环境恶劣的生产车间,工作人员不能长时间停留在现场观察设备是否运行正常,就需要将采集到的数据传输到一个环境相对好的控制室内,工作人员可以在这里观察整个生产线的一举一动。由于厂房大、监测点多等原因,需要传输的数据多,使用传统的有线数据传输方式就需要铺设很多很长的线缆,浪费资源,占用空间,可操作性差,出现错误时换线困难。显然,采用有线数据传输弊端很多,因此采用无线数据传输方式可大大改观有线方式的不足。又如在冷库等不利于工作人员天天进出的场所,采用无线数据发射方式可以避免进出困难,同时无线发射装置的移植性好,可随时安装或拆除。基于以上考虑,本文设计探讨了基于TDK5110与TDA 5220的无线温度采集系统。

1 无线数据传输原理

系统由两部分组成,通过无线方式联系在一起。第一部分作为温度采集与发射部分,置于被测环境中。这部分上电后开始测量温度,并将测得的温度数据实时发送出去。第二部分作为温度接收和处理部分,上电后开始接收第一部分发射过来的温度数据,并将数据送给计算机进行存储和处理。系统的整体设计硬件结构框图如图1所示。

图1 系统硬件结构框图

图1的上侧为温度采集与发射部分原理框图,该部分通过发射芯片TDK 5110向下侧的温度接收与处理部分发送温度数据,同时通过接收芯片 TDA5220接收上侧温度采集与发射部分发送过来的温度值,通过主控器AT89C52把温度值送给计算机。

2 发射/接收芯片参数及电路设计

2.1 发射芯片

英飞凌TDK 5110是一块工作频段在434/868 MHz的单芯片ASK/FSK发送器。芯片具有相当高的系统集成度,片上完全集成了PLL合成器和一个高效率功放以驱动天线,所以使用时只需要非常少的外围电路,适合电路的微型要求。另外其独到的电路和功放模块设计以及睡眠、PLL起振和发射三种模式的设置使得芯片具有很好的低功耗特性。

对于FSK调制电路的设计,需要分析图2所示电路对发送信号频率的影响。

图2 FSK调制局部结构图

其中,CL表示晶振的负载电容;Csw是FSK开关的对地电容,包括了布线时的分布电容,一般可以3 pF计入;对于13.56 MHz的晶振,R=100Ω;L=4.6μH 。该电路是通过外接的Cv1、Cv2值改变晶振负载电容来实现频率变化的。当FSKDTA=0,开关闭合,Cv2和Csw都被短路,Cv1和 L构成等效负载电容;当开关打开时,Csw、Cv2都计入回路,Cv1、Csw、Cv2和 L构成等效负载电容。晶振振荡频率与负载电容之间的关系为:

其中:

CL为晶体振荡在中心频率 f时所要求的负载电容。

C0、C1为晶振内部等效电容值。

f′=32f,为晶振振荡在中心频率f时的发射频率。

Δf为想要实现的距离晶振中心振荡频率的频偏。

当采用 TDK5110推荐的NX6035SA晶振时,f=13.568 75 MHz,C0=1.5 pF,C1=5.8 pF,CL=12 pF。

假设为实现“0”的发射 Δf,计算得到CL0值。但由于芯片内部等效电感的存在,需要修正Cv1值,此时开关闭合,所以修正式子:

其中ω0为发射“0”时晶振振荡角频率。

在晶振f=13.568 75 MHz时,芯片等效电感L=4.6 μH,所以计算可得Cv1=10 pF。

同样实现“1”的发射Δf,计算得到CL1值为此时晶振回路中Cv2和Csw并联后再与Cv1、L串联后的等效电容值。即

其中ω1为发射“1”时晶振振荡角频率。计算得到

从中可以看出,在Cv1不变情况下,增大Cv2的取值可以减小表示“1”的发送信号频率;在Cv2不变的情况下,增大Cv1也可以减小发射频率。

本设计采用FSK调制模式,其时序图如图3所示,根据此时序图,发射端单片机选择Atmel公司的AT 89C52,用单片机的控制口P0.1、P0.2分别作为发射芯片的FSKDTA和ASKDTA进行数据的调制控制。根据前面计算,设计发射芯片部分电路如图4所示。

图3 TDK5110时序图

图4 发射电路设计

2.2 接收芯片

与TDK5110相对应的接收芯片为TDA5220,TDA5220是低功耗的单片FSK/ASK超外差接收芯片,工作在ISM 的810～870 MHz以及400～440 MHz频段。接收端选择与发射端相同的FSK数据调制方式,此时电流的消耗为5.9 m A,接收灵敏度为100 dBm,在低功耗模式下电流消耗为50 nA。接收天线选择鞭状天线,其长度为λ/4(λ为其接收信号的波长),接收信号的频率为434 MHz,故天线长度大约为17.3 cm,此天线接收信号很灵敏。信号通过天线接收到以后,通过1个LC滤波器进入LNA(低噪声放大器),把微弱的信号放大。由于LNA本身具有噪声,故需要通过第2个LC滤波网络进行滤波,然后进入混频器,与晶振通过锁相环倍频的信号进行混频。混频后的信号通过中频滤波器(IF filter)进入限幅器,再经过数字滤波器、数据限制器送入单片机作进一步的解码处理。

在接收端晶振电路的设计需要考虑以下因素:晶振频率的大小依据fQU=(fRF-10.7 MHz)/r计算,其中,fQU为晶振的频率,fRF为接收到的信号频率,r为锁相环的倍频系数,10.7 MHz为中频滤波器的中心频率。根据发射信号的频率为434 MHz的实际情况,本例中,fRF=434 MHz,r=32,故晶振频率 fQU=(434 MHz-10.7 MHz)/32=13.234 MHz。晶振的负载电容为C l,所需要的电容C S的计算公式为CS=1/(1/C1+2πfxL)。例如,晶振频率为 13.4 MHz时,Cl=12 pF,XL=1 010Ω,CS=5.94 pF,所以通过两个电容串联而成。两个电容的电容值不一样,这有利于晶振的起振。实际应用中两电容分别选择为22 pF和8.2 pF。

接收端的单片机同样选择Atmel公司的AT 89C52。接收芯片的外围接口电路如图5所示。

图5 接收芯片外围接口电路

接收端要同时接收来自不同温度传感器的数据信息,要区分数据信息来自于哪个DS18B20传感器,就需要给DS 18B20传感器编上序号。Dallas公司的温度传感器芯片DS18B20就为每一个传感器编了惟一的序号,在提取每一个传感器的相关信息时首先读取该传感器的序号,据此就可以确定传感器的位置。

3 软件设计与调试

系统启动后,通过发射模块内的单片机读取温度传感器芯片DS18B20所测量到的温度值。温度传感器芯片与单片机之间的数据传输主要通过单总线协议完成,这样为连接多个温度传感器提供了有利条件。单片机在接收到数据后通过SPI总线协议方式发送给发射模块TDK5110,发射模块TDK5110把温度信息和温度传感器的序号发送出去。接收端上电开始工作,通过接收发射端传输过来的相关温度数据信息,接收芯片通过SPI总线协议将数据暂存在单片机AT 89C52中,单片机通过RS-232总线方式将数据传送到计算机上,实时地监测工作场内的温度变化情况。当温度低于某个设定的阈值时,通过警报方式提醒工作人员的注意,以便采取相应的措施。该系统中,无线数据传输问题是整个系统的关键部分,本设计在实验室条件下已经取得了预期的效果。由于实际的环境条件远比实验室复杂,所以要在实际的生产中使用,还需要更多实验以及现场调试,并在此基础上作一些调整与改进。