基于MAX6675的多路温度采集与无线传送系统

2012-11-26何晓峰王建中王再富

杭州电子科技大学学报(自然科学版) 2012年4期

何晓峰，王建中，王再富

(杭州电子科技大学信息与控制研究所，浙江杭州310018)

0 引言

热电偶是将温度量转换成电势量的温度传感器，K型热电偶是目前工业生产过程中常用的温度传感器，它可直接测量0～+1 300℃范围内的液体蒸汽、气体介质和固体表面温度。但是热电偶输出信号微弱，且在测温范围内存在明显的非线性、冷端补偿等问题［1］，这些信号需经过放大、线性化以及模数转换后才能与CPU通讯，造成温度采集精度不理想，本文采用K型热电偶模数转换芯片(MAX6675)解决以上问题［2］，系统通过控制器(STM32F103C8T6)对MAX6675和K型热电偶控制进行多路温度采集［3］，并利用CC1110无线收发模块进行点对点的传输。本文详细给出系统简介、系统软件设计、温度采集精度和无线传输性能的分析。

1 系统简介

系统结构图如图1所示，系统主要由无线收发模块、控制器、AD转换模块、冷端补偿、信号调理、温度传感器、计算机等构成。图1中，AD转换模块、冷端补偿、信号调理3个部分采用MAX6675芯片，MAX6675是MAXIM公司的K型热电偶模数转换芯片，它能独立完成信号放大、冷端补偿、线性化、A/D转换及SPI串口数字化输出功能，大大简化了热电偶测量装置的软硬件设计。MAX6675主要特点:可将温度信号转换成12位数字量，具有0～+1 023.75℃的测温范围，温度分辨率达0.25℃，在0～700℃的测量误差为±2℃;工作温度为－20～+85℃，内部具有冷端补偿电路，当冷端温度波动时，MAX6675仍能精确检测热端的温度变化。

无线收发模块中的无线芯片采用CC1110，它是一款1GHz以下频带的低功耗射频片上系统，内嵌增强型8051内核，具有32KB Flash和4KB RAM，集成了21个可编程I/O引脚、8通道8～14bit A/D转换器、定时器以及可编程看门狗计时器、2个USART接口、AES128协处理器和强大的DMA功能等。基于CC1110的高性能无线收发器工作范围为300～348MHz、391～464MHz及782～928MHz，频率稳定性好、灵敏度高、数据传输的最大速度可达500kbit/s，最大输出功率可达10dBm，采用低电压供电(2.0～3.6V)，在数据采集期间的发送电流为16mA，休眠时的电流仅为0.5μA，功耗非常低，工作温度范围为－40～+85℃，能适应恶劣环境，因此，特别适用于安防监控、自动读表、工业监控以及智能楼宇等领域，能够满足电池使用低功耗、低成本的需求［4，5］。

图1 系统结构图

系统以控制器(STM32F103C8T6)为核心，K型热电偶将采集的模拟信号传送给MAX6675，再由MAX6675转化成数字信号传入 STM32F103C8T6，STM32F103C8T6根据 MAX6675芯片的时序控制MAX6675获取数据并做相应处理，并将数据传给无线发送模块，无线接收模块接收来自无线发送模块的数据后，通过RS485方式将数据传输给上位机，最终上位机进行显示等后续处理。

2 系统软件设计

2.1 温度采集软件

MAX6675的端口SO输出16位的数据，D15位为无用位，D14～D3位为温度数据，D2位为热电偶断线测试位，D1位为MAX6675标识符，D0位为三态。热电偶温度数据读取过程图如图2所示，初始化完成后，延时时间T(0.22s)使芯片完成AD转换，CS置0，先读高8位，再读低8位，16位数据右移3位，获取D14～D3位的温度数据。MAX6675与STM32F103C8T6之间通讯使用SPI方式，MAX6675数据读取时序图如图3所示:当CS引脚由高电平变为低电平时，MAX6675停止任何信号的AD转换，并在时钟SCK的作用下向外输出已转换的数据，在SCK下降沿读取温度数据;当CS引脚从低电平变到高电平时，MAX6675将进行下一轮数据的转换，一个完整温度数据的读取需要16个时钟周期。

图2 热电偶温度数据读取过程图

图3 MAX6675数据读取时序图

2.2 无线传输软件

CC1110利用TI公司开源的专用低功耗RF协议——SimliciTI协议实现无线传输功能。SimpliciTI通讯协议非常小，只占了单片机闪存中的8K字节，适用于无线传感器网络和短距离无线数据通讯，协议包括了网络加入、网络管理、无线跳频等功能。

SimpliciTI网络协议主要分为3层:应用层、网络层和硬件逻辑层，加密在网络层处理。硬件逻辑层包括射频层和板级驱动包，数据直接从射频层接收。极级驱动包提供了射频层与网络层的通信的SPI接口，包含LED、KEYS以及GPIO引脚的定义。网络层管理射频发送与接收，并指定目的地址，目的地址通过接口号指定，网络层不做任何帧处理。端口号是地址概念的延伸，接口编号范围为0x01～0x3F，其中0x01～0x1F为接口，0x20～0x3F为用户定义。接口用于网络层对自身网络的管理，这些接口不能被用户应用层应用。网络层在连接过程中把接口号与地址关联起来。应用层分为网络应用层和用户程序应用层。网络应用层提供网络层管理，除了提供外部PING访问外，还提供了很多供用户开发的接口。SimpliciTI支持2种基本网络拓扑结构:星状网络拓扑和点对点对等网络拓扑。本文设计了点对点的网络传输功能。SimpliciTI将其网络功能封装为几个API函数，应用程序调用其API函数实现点对点的数据传输功能。SimpliciTI数据帧结构如表1所示。数据帧大小:最小为22字节，最大为74字节，包含报头、同步、长度、目的地址、源地址、端口、设备信息、交换纪录、有效数据、校验等，有效数据N的长度为0～52个字节。本文设计中，有效数据N:节点号(1个字节)和温度值(30个字节)。数据帧总长度为53个字节。

表1 SimliciTI数据帧结构

软件设计主要包含两部分，数据中心和节点设备。SimpliciTI网络组网过程:数据中心先启动，初始化协议栈后处于接收状态，等待节点设备加入网络和接收数据;节点设备启动后，向数据中心发送建立网络请求，然后一直处于请求建立网络状态，直到建立正常的网络连接为止。数据中心程序流程如图4所示，数据中心不断监测是否有节点设备申请加入，并判断是否能加入，若数据中心有空闲的端口号，则给节点设备分配端口号。判断数据中心是否收到数据，若收到符合格式的数据，则上传给计算机显示。节点设备程序流程如图5所示，初始化完成后，发送连接请求，申请加入数据中心，连接成功后，接收控制器输出的温度数据，发送温度数据到数据中心。

3 实验结果及分析

在系统采集的10路不同温度值中，随机抽取其中的任意1路温度数据，如图6所示，图6是某段时间内4 000个数据的温度分布图，最高温度为71℃，最低温度为70℃，温度的波动值为1℃。对通道1进行高温测试，如图7所示，实际温度由温度计测量得到，上位机温度由计算机显示，两个温度的差值在2℃之内，符合MAX6675在0～700℃的最大温度误差为2℃的要求。无线传输主要受周围环境、发射功率大小、硬件设计等因素影响。在发射功率为10dBm时(即功耗为10mw)、通信频率为433MHz、波特率为9 600、可视距离的情况下进行测试，无线测试结果如表2所示，在不同的传输距离下，均能保证低丢包率，具备较高的可靠性。在可视的范围内，实现了100m距离的传输;并且实现了穿透4堵墙的无线传输功能，信号传输稳定且实时性较好;在100m的距离时，从10路温度数据采集到上位机显示的时间间隔小于0.5s，能够符合工业生产的基本要求。