无线环境监测模拟装置

1、无线环境监测模拟装置摘要：本系统设计并实际制作了由1个监测终端和2个探测节点组成的无线环境监测模拟装置。该装置以超低功耗MSP430单片机作为控制核心，采用抗干扰能力强的FSK调制方式，及简化TCP/IP通信协议，采用并联非门驱动电路驱动天线发射FSK信号，采用低功耗高灵敏度解调芯片MC13156解调FSK信号，在实现终端与节点直接通信距离达到40cm功能之外，终端通过近距离节点的转发实现与距离50cm以上的节点进行正确通信。系统环境监测响应快速，时延不大于1.5S。此外，人机交互界面友好，易于操作。关键词：MSP430单片机 通信协议 低功耗 FSK调制一、系统方案系统要求：题目要求设计制作

2、一个无线环境监测模拟装置，实现对周边温度和光照信息的探测。系统需考虑环境信息采集电路、信息调制电路、调制信号的驱动及其发送电路、接收解调电路、信息恢复电路和供电电路的设计及制作。此外，系统作为一个通信网络，网络间通信协议的构造也是重中之重。1. 调制方式的选择及论证方案一：采用振幅键控（ASK）调制方式。调制解调电路简单且易于调试，但其抗干扰能力差，易于受增益变化的影响。方案二：采用相移键控（PSK）调制方式。PSK相移键控调制技术在数据传输中，尤其是在中速和中高速的数传机（2400bit/s4800bit/s）中得到了广泛的应用。相移键控有很好的抗干扰性,在有衰落的信道中也能获得很好的效果。

3、方案三：采用频移键控（FSK）调制方式。实现电路比较容易，抗噪声和抗衰减性能好，稳定可靠，是中低速数据传输最佳选择。 为使远距离通信，应该采用抗干扰能力强的调制方式，因此否决方案一。而方案二对应的解调电路复杂，无形中增加了系统的功耗，且其调试繁琐，增加了系统调试的难度及延长调试时间。综合距离和功耗因素，选择方案三，采用FSK调制方式。2. 接收电路的选择及论证方案一：由集成锁相环搭建FSK解调电路。用CDHC7046锁相环实现FSK解调电路，只需外接部分电容等元器件便可，调试方便，解调输出稳定。不过其最高只适合几百kHz中心频率的FSK信号的解调，不适用于该系统。方案二：采用专用解调芯片CXA

4、1691实现FSK的解调。CXA1691的电源电压适应范围宽,2V到7V均能使其正常工作。其本振频率可采用低功耗锁相环BU2614锁定，使其稳定度达到晶振的稳定度。方案三：采用专用宽带调频解调芯片MC13156。该芯片是一款具有高性能低功耗负电源供电的中频宽带调频解调芯片，适用于数字或模拟通信系统，其接收灵敏度可高达-100dBm。为满足输出的稳定度及接收的高灵敏度，本振信号应需要很高的频率稳定度，它可用数字集成锁相环CDCE913产生，其频率稳定度可达到晶振的稳定度（即10-510-6），也可以直接用晶振提供本振频率。与CXA1691相比，MC13156具有更高的接收灵敏度，使得通信距离更远

5、成为可能。从通信距离考虑，应采用方案二实现接收部分的电路。3. 功率驱动电路的选择及论证方案一：采用三极管等分立元器件搭建丙类功率放大器。电路元件可以根据实际要求自主设计最合适的参数，但使用分立元件设计困难，调试复杂烦琐。方案二：集成MOS管驱动芯片驱动。采用低端功率MOS驱动芯片UCC37321，其具有很大电流输出能力，可供给大功率输出，电路简单，易于调试。实验测得该芯片输入信号频率最大为13MHz左右。方案三：并联非门差分驱动电路。采用低成本芯片74LS04实现电路搭建，电路简单，其一定的功率输出能力，能满足系统对驱动电路功率的需求。方案二中芯片输入信号受频率限制，在该系统中其不能实现功率

6、驱动功能，而方案一设计及调试复杂，而方案三能够方便、低成本实现驱动功能，且故选择方案三实现功率驱动。4. 电源转换电路 系统监测终端采用单电源供电，而我们使用了一片负电源供电的接收芯片MC13156，因此需要从供电单电源转换出一个负电源，采用开关电源集成芯片MC33063实现5V到-5V电压的转换电路；探测节点采用两节1.5V干电池串联供电，该部分功耗应该尽可能的低，并且较多电路需要5V电源，所以采用高效率开关电源升压芯片TPS61085实现对3V到5V电压转换。开关电源电路一般容易引入开关噪声，导致电压输出纹波不干净，可以采用LC滤波网络或者用并联涤纶电容对其滤波，输出纹波可降低在20mV以

7、内。5. 环境温度及光照信息采集电路采用可编程数字温度计DS18B20实现探测点温度的采集功能。该芯片只要求一个接口点通讯，电路简单，不需要外部元件，测量温度范围为-55125，精度为±0.5,满足题目温度测量范围及精度要求。利用光敏电阻的光电导效应，即无光照时, 光敏电阻值（暗电阻）很大；而受到一定波长范围的光照时, 它的阻值（亮电阻）急剧减少。用光敏电阻与定值电阻串联，有光与否，光敏电阻两端电压有很大压差，用ADS1286对该电压进行采样，依据电压的不同来判断光照的有无。总体方案设计：本系统设计并制作一个监测终端及两个相同的探测节点A、B，其结构如图1所示。终端与节点间以简化TC

8、P/IP通信协议进行通信，实现对周边温度和光照信息的探测。采用强抗干扰能力的FSK调制解调方式，实现终端、节点相互间的数据传输。 系统终端与节点部分主要由FSK调制信号产生 图1 系统基本结构图电路、功率驱动电路及FSK信号解调电路组成。从满足系统要求性能及低功耗角度考虑，使用超低功耗单片机MSP430作为控制核心，选择时钟生成芯片CDCE913产生可由单片机串口输出数据键控的两个频率，搭建FSK信号产生电路；采用低功耗高灵敏度宽带解调芯片MC13156，选择适当的外围元器件，实现FSK信号解调电路；采用并联非门实现功率驱动；数字温度传感器DS18B20采集环境温度，光敏电阻探测环境光照信息。

9、开关电源集成芯片完成电源电压的转换。二、理论分析与计算1. 发射电路分析（1）FSK调制信号产生电路分析频移键控是利用载波的频率变化来传递数字信息，载波的频率随着基带信号在f1和f2两个频率点间变化，其表达式为 图一、FSK产生原理图FSK信号的产生方法主要有模拟调频电路方法和键控法两种。该系统中采用键控法实现FSK调制。其产生原理如图一所示。基带信号为环境采集数据及节点地址等信息经单片机采用线性分组码编码方式编码而成的数据，两个本振频率由以PLL为原理集成的时钟生成芯片CDCE913产生。编码数据由单片机串口输出，控制CDCE913的频率的输出，从而实现FSK的调制。（2）天线匹配分析系统天

10、线匹配网络如图二所示，天线由漆包线绕制而成，另一角度上可看作一电感，进行匹配主要有两个作用：其一，起到滤波作用，可以滤除高频率脉冲电流中的谐波分量，只输出和接收要求的频率信号（即10.07MHz和9.93MHz的FSK信号），接收端抑制了要求频率信号附近之外的噪声，使得输入信号的信噪比提升，在同等信号强度及同一接收电路的条件下，高信噪比可以增加通信距离；其二，阻抗匹 图二、天线匹配网络配作用，通过振荡回路阻抗的调节，可使振荡回路呈现高频功率所要的最佳阻抗值，从而使高频功放以高效率输出最大功率，依据单工无线传输距离公式：其中Pt为发射天线端辐射的有效功率，为接收机的最小检测功率，、分别为发射机天

11、线和接收机天线的增益，K一般情况下为常量。当其他条件不变，最大输出功率时，可使通信距离达到最大，以达到系统最佳效果。2. 接收电路分析 本系统中采用专用宽带解调芯片MC13156对FSK调制信号进行解调。其基本结构为超外差式接收机结构。其接收原理：从天线端获取的FSK调制信号与接收机的本振信号混频出10.7MHz的中频信号，然后对该中频信号进行放大，再由内部鉴频器解调出FSK信号中包含的信息。该种接收机，有用信号均可变成固定中频信号进行放大，有效地提高了接收机接收弱信号的能力。为使进一步提升接收机的灵敏度，应对输入调制信号进行选频，提高输入端的信噪比，采用高稳定度晶振，给接收机提供本振信号。3

12、. 通信协议分析终端与不多于255个节点组成星型拓扑结构的通信网络，终端可以自由的与各个节点进行通信，同时新的节点可以很方便的接入网络，此外也可以方便地以节点作为下一级星型网络的中心节点，实现数据接力，由低级节点逐级向中心节点传输信息，增加监测距离。（1）网络拓扑结构分析一般局域网拓扑结构有总线型拓扑、星型拓扑和环形拓扑三种，其中星型拓扑由点到点链路和接到中央结点的各站点组成的，中央结点可以自由的和各个节点进行通信，同时新的节点可以很方便的接入网络。题目要求将一个主站和不多于255个从站组成一个网络，采用星型结构正好适合这种需求，同时也可以方便地以从站作为下一级星型网络的中心节点，实现数据接力

13、，由低级节点逐级向中心节点传输，增加监测距离。（2）网络协议分析TCP/IP协议是Internet国际互联网络的基础，定义了电子设备如何连入互联网，以及数据相互之间传送的标准。针对本系统的小型网络，可以采用简化的TCP/IP协议方式进行网络之间的数据通信。系统中网络接口层由单片机串口和FSK收发电路实现，终端和节点、节点和节点间比特信息通过该层传递；而系统网络互连层由单片机串口及编码数据构成，其解决了单一网络上传输数据包的问题，数据包采用如下格式： 其中各个方框内数据由头尾两部分组成，头部标志信息类型，尾部代表实际信息，数据采用汉明码编码方式。由于系统通信距离不远，采用前向纠错方式就可以大大提

14、高系统可靠性，因此可以将标准协议中的传输层和应用层简化为一个简单的功能模块，由主站依次向从站发送信息，从站响应各种请求，实现数据通信。（3）传输数据比特率分析系统设计并制作一个监测终端及两个完全相同的探测节点。终端与节点通信过程中，节点将所有信息发送给终端，需给出1字节目的地址、3字节的预置编码、6字节环境信息及3字节中转站预置编码信息，而每次串口发送的比特数为10bit（7位数据长度、1位起始信号和2位结束信号）。因此，节点每传送信息至少需要串口发送13次，发送的比特数至少为130位。 为满足系统探测时间小于5S，节点发送时间应小于2.5S，则最小波特率为130/2.5 =52（b/s）。为

15、探测时间留有裕度，使其具有更快的探测速度，实际采用波特率为2.4(kb/s)，极大的提高了系统通信速度增大信息容量。4. 功耗分析 低功耗设计应是硬件设计和软件设计的结合。从硬件设计角度，由低功耗应用的特性考虑，选择超低功耗单片机MSP430，选择低电压供电的系统，选择带有低功耗模式的系统，使得硬件静态电流达到最小值。在软件设计上，考虑到低功耗编程的特殊性，尽量使用单片机的低功耗模式，关断所有不用的外设控制器。因系统为半双工电路，发射与接收部分分时供电，即发射过程关断接收部分电源供给，接收时关断发射部分电源供给，尽量减少系统功耗。采用高效率的开关电源转换电路提供系统供电，进一步减小系统耗电，实

16、现系统低功耗化。三、电路与程序设计1. 发射电路设计计算发射电路主要由FSK信号生成模块、功率驱动电路及天线匹配三部分组成。采用可程控时钟生成芯片CDCE913产生FSK信号的两个频率，编码数据控制频率的切换，从而实现FSK调制。调制信号经并联非门驱动电路，以足够的功率通过匹配好的天线发射出去。发射电路部分如图三所示。天线与电容C构成谐振回路，调谐于阅读器发射的频率上，由，及实测天线电感值l=1.7uH，计算得到匹配电容C=56pF。经网络分析仪分析，实际匹配电容C值为62pF。 图三、系统发射电路图2. 接收电路设计计算低功耗宽带解调芯片MC13156解调FSK信号，因其用负电源供电，解调输

17、出带有负偏置，因其输出幅度可达到1.7V，对该信号进行隔直后，采用比较器大整形处理，变成带有正偏置的数字信号，以供单片机处理数据。其具体电路及参数如图四所示。图四、集成芯片MC13156接收解调电路3. 总体电路图系统由监测终端和探测节点构成，通信方式采用半双工体制。两部分采用相同的发射和接收电路（其解析如上所述）。探测节点具有环境信息采集电路，终端需要对接收到的节点环境信息进行相关处理。该装置检测端及节点间的系统框图如图五_1、图五_2所示：图五_1、探测节点电路框图图五_2、监测终端电路框图4. 工作流程图MSP430单片机作为控制中心，监测终端与探测节点间采用简化的TCP/IP协议作为通

18、信协议，在短距离通信范围内，实现二者间的直接通信，完成对环境信息的监测，当有节点距终端距离增大时，可通过中间节点的转发实现远距离通信。因通信数据包包含源地址及目的地址，其能实现指定点间通信。其软件流程图如图六_1、图六_2所示： 图六_1、探测节点软件流程 图六_2、监测终端软件流程四、测试方案与测试结果1. 测试仪器60M数字存储示波器（Tektronix TDS1002）、函数信号发生器、（SG1040）、数字合成高频信号发生器（SP1461）、 3位半数字万用表、多功能万用表、秒表、米尺。2. 测试方法及测试结果（1）终端与探测节点直接通信距离测量测量方法：改变终端和探测节点间的距离，测

19、量对应距离时，节点响应终端发送环境信息，记录终端接收信息的误码率。当通信数据误码率不大于10%时，认为实现点间正常通信。当终端开始不能接收到信息，此时的距离为直接通信的最大值。表一、终端和探测节点直接通信测试数据主从站距离（cm）通信次数正确接收次数误码率（%）时延时间（S）10101001.520101001.540109101.5（2）环境信息与探测时延的测量测试方法：终端与探测节点相距10cm，多功能万用表测量温度作为标准温度，终端采集的温度与标准温度相比较。而光照有无的变化，采用遮挡光电传感器的方法实现。终端发出环境采集命令时，按下秒表开始记时，直到终端获得环境温度信息，停止记时，记下

20、秒表时间，即为探测时延时间。表二、环境信息测量数据表格标准温度（）检测温度（）温度绝对误差（）节点光照信息终端显示光照信息探测时延（S）预置编码显示22.3230.7有有1.5正确25.125.50.4无五1.5正确27.828.10.1有有1.4正确（3）转发功能测试测量方法：终端与节点实现通信时，节点响应终端监测请求，向终端发送环境信息，终端接收到并显示。将终端与其一节点A通信，改变两者间距离，直到不能进行通信。此时将节点B放置于终端与节点A之间，三点处于同一平面，再次进行终端与节点A之间的通信。记录此时终端与节点A之间的距离，终端能够显示节点A采集的信息，则表示转发成功。表三、转发功能测试数据测量组次123D1+D2（cm）30