低功耗无线温度传感器的设计与实现

在DAC速度满足要求的前提下,考虑实际应用和输出滤波器的非理想特性,一般采用:

f0max=f c×40%

而在本设计中系统所能提供的最高时钟为40M Hz,于是理论上产生载波的最高频率为40×40%=16M Hz。

这样DDS的相对带宽为

f0max

f0min

=M×40%

这是一个极大的数字,是传统的频率合成技术无法实现的。参考文献:

[1]　樊昌信,张甫翊.通信原理[M].北京:国防工业出版

社,2003:9,163～165.

[2]　张厥盛,曹丽娜.锁相与频率合成技术[M].成都:电

子科技大学出版社,1995.

[3]　潘　松.V HDL实用教程[M].西安:西安电子科技大

学出版社,2000.

[4]　潘祖善,何绍雄.滤波技术[M].上海:上海交通大学出

版社,1997.

[5]　丁玉美,高西全.数字信号处理[M].2版.西安:西安

电子科技大学出版社,2001:154～170.

　第4期

　2007年8月

工矿自动化　

Industry and Mine Automation　

No.4　

Aug.2007　

文章编号:1671-251X(2007)04-0072-03

低功耗无线温度传感器的设计与实现3

刘国巍

(安徽理工大学电气工程系,安徽淮南　232001)

摘要:利用凌阳单片机SPCE061A强大的数据处理能力和低功耗优势,结合蓝牙模块的嵌入式应用,实现了一种无线温度传感器的设计。该传感器可将采集到的温度数据实时可靠地传输给控制终端,有效地克服有线传感器在测量中的局限性。还针对蓝牙技术的特点,探讨了无线温度传感器的低功耗设计方法。

关键词:无线温度传感器;低功耗;蓝牙技术;SPCE061A

中图分类号:TP212.11 文献标识码:B

0　引言

温度是一种最常用的控制参数,在各种生产现场都需要温度传感器实现温度的检测,但在一些危险的场合或物体移动的情况下,有线的温度传感器不仅布线复杂而且容易造成线缆脱落影响数据的可靠性。近年来,蓝牙技术作为一种较成熟的短距离无线通信技术,将它和单片机技术相融合设计无线温度传感器,可以方便、实时、可靠地将采集到的温度数据传输给控制终端,保证了生产的顺利进行。而且,经过功能扩展建立的无线传感器网络,能够适应更加复杂的测量现场。

收稿日期:2007-04-05

3基金项目:安徽省高校青年教师科研资助计划项目(2005jq1106)

作者简介:刘国巍(1975-),男,安徽寿县人,讲师,现主要从事信号与信息处理、电子技术等方面的教学与科研工作,研究方向为个人通信、信号与信息处理。1　蓝牙技术简介

蓝牙技术是一种无线的数据与语音通信的开放性标准,工作在2.4GHz的ISM频段上,采用跳频扩谱技术。蓝牙设备的最大发射功率可分为3级: 100mW(20dB/m)、2.5mW(4dB/m)、1mW (0dB/m)。当蓝牙设备功率为1mW时,其传输距离一般为0.1～10m。当发射源接近或是远离而使蓝牙设备接收到的电波强度改变时,蓝牙设备会自动地调整发射功率。当发射功率提高到100mW 时,其传输距离可以扩大到100m。蓝牙支持点对点和点对多点的通信方式,在非对称连接时,主设备到从设备的传输速率为721kbp s,从设备到主设备的传输速率为57.6kbp s;对称连接时,主从设备之间的传输速率各为432.6kbp s。蓝牙标准中规定了在连接状态下有保持模式(Hold Mode)、呼吸模式(Sniff Mode)和休眠模式(Park Mode)3种电源节能模式,再加上正常的活动模式(Active Mode),

一个使用电源管理的蓝牙设备可以处于这4种状态并进行切换,按照电能损耗由高到低的排列顺序为:活动模式、呼吸模式、保持模式、休眠模式,其中,休眠模式节能效率最高。蓝牙技术的出现,为各种移动设备和外围设备之间的低功耗、低成本、短距离的无线连接提供了有效途径。2　系统硬件结构

无线温度传感器主要由单片机控制单元、蓝牙模块、温度检测单元、接口电路及其它辅助电路组成,系统结构如图1所示。控制单元凌阳单片机为整个系统的核心,对检测到的温度数据进行转换、显示、传输,外扩4MB FL ASH 用于存储程序和温度数据。蓝牙模块包括蓝牙芯片、放大器、非平衡变压

器(Balun )等,负责与蓝牙控制终端进行无线连接和数据传输,按键完成系统设置、复位等信息输入,测量的温度数据在传输到控制终端的同时在L ED 上显示,并通过扬声器定时语音播报当前温度数据和超限报警

。

图1　无线温度传感器系统结构框图

2.1　单片机控制单元

控制单元采用SPCE061A 单片机,这是凌阳公司开发的一种性价比非常高的以μ′nSP TM 微处理器为内核的16位单片机,工作电压为2.6～3.6V ,工作频率为0.32～49.152M Hz ,较高的处理速度使其能够非常容易、快速地处理复杂的数字信号。该芯片内包括ADC 、DAC 、定时器/计数器、RAM 、FL ASH 、ROM 等器件[1],具有一套高效率的指令

系统和集成开发环境,并且支持标准C 语言,可以实现C 语言与凌阳汇编语言的相互调用,为硬件设计和软件开发提供了便利条件。另外,芯片内置的2路10位精度的DAC ,再配合丰富的语音函数库,

可方便地完成语音的播放,非常适合于语音应用的开发。

2.2　温度检测单元

温度检测单元采用DS18B20型传感器,是美国DALL AS 公司推出的一种改进型智能温度传感器,

与传统的热敏电阻等测温元件相比,它能直接读出被测温度,并且可根据实际要求通过编程实现9～12位的数字值读数方式。DS18B20与SPCE061A

单片机的接口电路如图2所示,由于DS18B20传感器支持“一线总线”接口[2],因此只需将DS18B20信号线接到单片机的1位I/O 线上即可,而且在1根I/O 线上可以挂接多个传感器实现多点温度测量。

为了提高抗干扰性能,采用外加电源方式对传感器供电

。

图2　DS18B20与SPCE061A 接口电路图

2.3　无线传输控制单元

随着蓝牙芯片单芯片的集成度越来越高和集成了芯片、Balun 、晶振等各种蓝牙模块的面世,将蓝牙嵌入到其它数字化设备中也越来越容易实现。本系统无线传输由蓝牙模块BCM02实现,BCM02核心

采用CSR (Cambridge Silicon Radio )公司的BlueCore2-External 蓝牙芯片,外围扩展了晶振、FL ASH 、Balun 、带通滤波器(B PF )、1.8V 稳压电

路,可以根据不同的应用场合快速开发,模块符合蓝

牙V1.1标准,最大发射功率设计为2.5mW (4dB/m ),是一个二级蓝牙芯片,工作电压为3±0.3V 。BCM02通过UAR T 口与单片机相连,

为简化设计,将所需的蓝牙协议栈和无线传输应用程序直接固化在蓝牙模块中,利用蓝牙提供一个透明的无线数据传输,而单片机只要设置好波特率等参数即可进行通信,传输控制由单片机完成。3　软件设计及流程3.1　单片机软件设计

单片机软件部分主要包括主程序、中断子程序、测温子程序、转换显示及存储子程序、UA R T 通信子程序、语音播放子程序等,为了降低功耗,使用中断来唤醒单片机进行测温等工作,因此主程序部分比较简单,主要负责系统各部分初始化和中断的调

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37・2007年第4期刘国巍:低功耗无线温度传感器的设计与实现