基于CC2430片内温度传感器温度检测系统的设计

1、技术探讨基于CC2430片内温度传感器温度检测系统的设计The Design of Temperature Detection System of CC2430-chipTemperature Sensor刘渝灿重庆邮电大学重庆市网络控制技术与智能仪器仪表重点实验室(重庆400065摘要:介绍CC2430芯片的技术特点、基本功能及其工作的基本硬件框架,阐述了如何利用CC2430片内温度传感器进行温度检测的系统设计,以及对采集数据误差的处理得到正确的温度值。Abstract:This text has introduced the technology features and basic fu

2、nction of CC2430,and the basic framework of hardware.It explained how to design the temperature detection system of CC2430一chip temperature sensor,and get the right temperature by handling ell'Or the collecting data。Key words:CC2430Temperature sensor IEEE802.15.4Error handling在现代工农业生产中,常常需要对温度进行

3、检测。传统的方法往往费时、费力,效率低下,不便应用在对特殊环境的温度检测中。本文设计了一种基于无线射频技术的单芯片温度检测系统,它以RF(射频芯片CC2430为核心,利用芯片自带的温度传感器,能够高效地完成对温度的无线检测。1CC2430芯片概述CC2430芯片是挪威Chipcon公司生产的首款符合ZigBee技术的2.4GHz射频系统单芯片,适用于各种ZigBee或类似ZigBee的无线网络节点,包括协调器、路由器和终端设备。CC2430是一颗真正的系统芯片(SoCCMOS解决方案。这种解决方案能够提高性能并满足以ZigBee为基础的2.4GHz ISM波段应用对低成本,低功耗的要求。它结合

4、一个高性能2.4GHz DSSs(直接序列扩频射频收发器核心和一颗工业级小巧高效的805l控制器,是一款真正符合IEEE 802.15.4的标准片-LZigBee产品,应用于监视、控制网络时,其具有非常显著的低成本、低耗电、网络节点40www.enim.多、传输距离远等优势,目前被视为替代有线监视和控制网络领域最有前景的技术之一。CC2430芯片以强大的集成开发环境作为支持,内部线路的交互式调试以遵从IDE的IAR-r.业标准为支持,得到嵌入式机构很高的认可。CC2430采用Chipeon公司最新的SmartRF03技术和0.18Itm CMOS工艺制造,采用7mmx7mm QLP48封装,除

5、了包括RF收发器,还继承了加强型8051MCU、32/64/128kB的Flash内存、8kB的RAM、ADC、DMA、看门狗等。CC2430工作在2.4GHz频段,采用低电压(2.0"-3.6V供电且功率很低(接收数据时为27mA,发送数据时为25mA、灵敏度高(-97dBm、最大输出为24dBm、最大传送速率为250kb/s。CC2430集成了4个振荡器用于系统时钟和定时操作:1个32MHz晶体振荡器,1个16MHz RC振荡器,1个可选的32.768kHz晶体振荡器和1个可选的32.768kHz RC振荡器。它结合Chipcon公司全球先进的ZigBee协议栈、工具包和参考设计

6、,展示了领先的ZigBee解决方案。其产品广泛应用于汽车、工控系2008年第7期中阅设嚣i:表万方数据统和无线感应网络等领域,同时也适用于ZigBee之外2.4GHz频率的其他设备。CC2430T作时的功耗很低,因为它结合了集成模块的低功耗特点,并根据不同的功率要求定义了4种不同的负载功率模式,且不同模式之间的转换切换速度很快。在数字部分,时钟分块控制技术用来减少动态的功率消耗,如果模块处于非激活状态,可以用关闭电源的方法来获得超低的静态功耗(漏电所致。2硬件设计CC2430芯片只需少量外围部件配合就能实现信号的收发功能。外围电路使用一个非平衡天线,连接非平衡变压器可使天线性能更好。电路中的非

7、平衡变压器由电容Cl和电感L1、L2、L3以及一个PCB(印制板微波传输线组成,整个结构满足RF输入/输出匹配电阻(50Q的要求。内部T/R交换电路完成LNA和PA 之间的交换。R1和R2为偏置电阻,Rl主要用来为32 MHz的晶振提供一个合适的工作电流。用1个32MHz 的石英谐振器(XTALl和2个电容(C2和C3构成一个32MHz的晶振电路。用1个32.768kHz的石英谐振器(XTAl2和2个电容(C4和c5构成一个32.768kHz的晶振电路。电压调节器为所有要求1.8V电压的引脚和内部电源供电,电容C6和C7是去耦电容,用来为电源滤波,以提高芯片工作的稳定性。图l为CC2430温度

8、检测系统硬件结构图。3软件设计针对协议栈,网络和应用软件的执行对MCU处理能力的要求,CC2430包含1个增强型工业标准的8位8051微控制器内核,运行时钟32MHz。由于更快的执行时间和通过除去被浪费掉的总线状态的方式,使得使用标准8051指令集的CC2430增强型805l内核,具有8倍的标准8051内核的性能。CC2430包含1个模拟温度传感器和1个814位的模数转换ADC,要利用片内模拟温度传感器采集温度,可以根据需要精度设置输出的数字量为8-14位,参考电压可以设置为外部电压也可以设置为内部的1.25V,还要将ADC的输入设置为片内模拟温度传感中闭便嚣饭表2008年第7期技术探讨器,则

9、输出的数字量就为对应的温度值的数字量,再利用式(1(参考电压采用的是内部1.25V电压,bit为数字量输出位数,Output为输出数字量转换为温度值。黑O“tp斫一743Temperature=坐±筹!一(1 4误差补偿处理CC2430片内温度传感器检测到的是芯片温度,如用其测量外部环境温度,将受到许多外界因素的影响。在相同环境下,每个模块输出的数字量是不相同的,要经过误差补偿处理才可进行应用。CC2430温度传感器的误差来源主要有以下3种:(1由内部参考电压波动和温度传感器环境和个体工艺不同引起的误差;(2由增益不同引起的增益误差;(3工作时消耗功率不同所导致的不同自热效应引起的误

10、差。以上3种误差中,自热效应所引起的误差是最主要误差。影响自热效应的因素有:系统功耗、PCB板引脚封装方式、通风状况等。其中,系统功耗是其主(下转第45页 41 万方数据墨QL堕I!Q瞠一这种新的方式壳牌公司可达到如下目的:(1有效地节省安装FF设备的成本,具体表现在无额外布线和无布线安装费用;(2在实验室与试验工厂问使用移动工作站;(3在试验工厂使用新的H1网段。整个FF网络的无线扩展工作只花费了1.5天!Berry Mulder,壳牌公司的课题经理,对此给予评价:“新的无线解决方案让我非常满意,安装工作在极短时间内得以完成,为将来的调整提供了高度的灵活性”。ABB与壳牌公司将会继续在有线及

11、无线现场总线技术领域的合作。下一步计划包括安全需求分析以解决方案及安全措施的实施,例如防火墙的设置,目前采用的是最为领先的加密技术,如wPA2-AES。参考文献1ABB白皮书.3BDD015136一enWhitePaperWirel essFFHSEConnectionatShell,2007.作者简介:曾硕巍,博士,自动化技术及解决方案专家,曾在位于瑞典的ABB过程自动化部产品研发中心工作7年,并在此期间代表瑞典ABB在瑞典国家电工协会(SEK TK65和国际电工协会分委员会65B第7工作组(IEC SC65B/WG7出任专家。(上接第41页要影响因素,所以减少模块的功耗,尽量使其处于低功耗

12、状态,是减小自热效应误差的最主要办法。温度传感器测量的是器件的基材温度。如果希望测量环境温度,则必须考虑器件的自热效应。温度增加值可以通过将器件的功率消耗乘以封装的热耗散常数(通常称为e,。来计算。其公式为:T_0,。xP(其中:T为温度值,P为功率,P=u×I由于热耗散常数是在密闭情况下测到的,公式计算结果应略高于实际结果。在计算中应考虑芯片的实际通风情况。应注意由于工作时间的增长,自热效应引起的误差会因累积而增大,所以对于热耗散常数和功率的误差分析应视个体情况而定。系统在不同的工作方式下有不同的功率,所以应考虑其具体功率。可在模块刚上电启动时,让其在低频率下先测量一次温度值,此温

13、度值略等于环境温度,然后在模块连续工作10min后再测量一次温度值,两者温度之差便可认为是自热产生的温度增值。这种方法要求系统在初上电时运行稳定,同时忽略了在10min时间内的环境温度变化。所以对于初上电运行不稳定和环境温度突变的系统是不适用的。式(1中743是数据手册给出的0*C时的输出电压(743mV,但并不是每个模块在检测到0时的输出电压都是743mV,这就需要进行误差补偿。Offsetmv=Measured Voltage at25*Cmv-(Temp.Coeffmv/*C】XTemp】中周俄霹便是200821I第7期+Output Voltage at0*C【mV】补偿公式是以在25

14、时检测温度为例(Temp =25,由数据手册可知Temp.Coeff=2.45,Output Voltage at O=743,计算可得Offset值。最后的实际温度可由式(2计算得出。品0雎tp甜一(743+Offs叫Temperat“re=坐兰r手=二型(2 5结束语Chipcon公司生产的CC24XX系列芯片结合了市场领先的Z.StackTM ZigBeeTM协议软件和其他Chipcon公司的软件工具,为开发出无接口、紧凑、高性能和可靠的无线网络产品提供了便利。CC2430的特性已超越了IEEE802.15.4的规范,在选择性和灵敏度上具有优异的性能,使得在2.4GHz ISM波段上的不

15、同设备更好的共存,且在长距离范围内也可提供可靠的通信。本文设计的温度检测系统,设备简单、功耗低、传输无线化,可用在诸如温室、仓库、煤矿等场合。参考文献作者简介:刘渝灿,硕士研究生,研究方向为工业无线通信。 45万方数据 基于CC2430片内温度传感器温度检测系统的设计作者:刘渝灿作者单位:重庆邮电大学重庆市网络控制技术与智能仪器仪表重点实验室,重庆,400065刊名:中国仪器仪表英文刊名:CHINA INSTRUMENTATION年,卷(期:2008,(7引用次数:0次参考文献(2条1.SmartRF CC2430 Preliminary(rev.1.01 2005相似文献(8条1.期刊论文孟

16、庆斌.潘勇.Meng Qingbin.Pan Yong基于CC2430的分布式无线温度测量系统设计-电子测量技术2009,32(5介绍了基于CC2430 IEEE 802.15.4/ZigBee片上解决方案、C语言和DS18820数字温度传感器的分布式无线温度测量系统的设计,并对实际系统进行了测试.本设计针对有线温度测量系统布线带来的诸多不便,将ZigBee低功耗无线传输技术应用到分布式温度测量,实现了多点分布式温度测量并有效收集测量数据.分布式无线温度测量系统可以方便的布设到已建设完成或正在建设之中的应用场所,易于使用和维护.无线传感器网络是由分布在各个区域的自组织节点设备的无线网络。这些节

17、点设备通过自身的传感器来监测周围的物理或者环境状况,比如温度、声音、压力、震动等,通过汇总和分析这些信息做出决策。无线传感网络最初应用在军事领域,用以战地的一些监测。近年来,无线传感网络越来越多的应用在民用工程上,包括环境监测,家庭自动化,交通控制等领域。随着无线传感器网络应用的越来越广泛,它成为了当前研究的热点之一。无线传感器网络是由大量的节点组成的,节点在无线传感网络中具有路由和感知的功能。通常无线传感网络由大量的低成本、资源受限的传感器节点组成,用来部署在复杂的环境中,节点往往通过电池来供电。因此,在无线传感网络节点操作系统设计时,低功耗是一个具有挑战的新问题。传感器节点数量众多,分布区

18、域广泛,甚至有时是处在难以接近的环境中,通过手动来实现节点上软件的更新和故障修复的难度很大,因此,需要节点具有通过无线网络更新的能力。 针对无线传感器网络技术的特点,一项新的技术标准ZigBee技术在2002年被提出并不断被更新和完善,并获得了广泛的支持。ZigBee技术作为一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术,主要用于近距离无线连接。它有自己的协议标准,在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信,这些传感器只需要很少的能量,以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器,所以其通信效率非常高。 本文首先介绍了ZigBee技术的发展现状、ZigBee技

19、术规范及ZigBee芯片CC2430的特点。其次具体论述了采用CC2430完成分布式温度测量系统的设计方案,讨论了无线网络的功耗管理方法、无线网络的配置、利用片内温度传感器检测环境温度、从节点温度数据的发送、主节点对温度数据的接收及上传给上位机显示等内容。3.期刊论文王汉忠.WANG Han-zhong ZigBee的节点温度数据传输软件研究-襄樊学院学报2008,29(8针对ZigBee技术的发展现状、规范及ZigBee芯片CC2430的特点,提出了使用CC2430完成分布式温度测量系统的设计方案,包括无线网络的配置、利用芯片内部温度传感器检测环境温度、从节点温度数据的发送、主节点对温度数据

20、的接收及上传给上位机显示等内容. 实验表明,基于ZigBee协议的CC2430开发平台的节点温度数据传输方案有较高可行性,易于实现.4.期刊论文李帅.尤著宏.孔令成.刘晓.张志华.江凯.LI Shuai.YOU Zhu-hong.KONG Ling-cheng.LIU Xiao.ZHANG Zhi-hua.JIANG Kai青藏铁路冻土监测无线传感器网络节点设计-自动化与仪表2008,23(8温度是生产过程和科学试验中普遍且重要的物理参数。在工农业生产中,为了提高生产效率,必须对生产过程中的主要参数,如温度、湿度、流量、速度等进行有效监测。其中温度监控在生产过程中占有相当大的比例,准确地测量和

21、有效地控制温度是优质、高产、低耗和安全生产的重要条件。尽管随着科技的进步和社会的发展,温度测量方法在不断改进,测量精度在不断提高,但目前的温度监控系统仍然存在很多不足,越来越难以满足工业生产与科学研究的需要。 在分析研究了当前国内、外温度监控研究现状的基础上,结合现在最为热门的嵌入式系统、ARM处理器、常用温度传感器、Zigbee无线组网技术,我们开发了基于ARM9的环境监测系统。采用以ARM9为内核的三星公司16/32位ARM处理器S3C2410作为微控制单元,无线采集选用基于TI公司CC2430芯片的无线数传模块,8路有线采集通道,可任意配置各类型温度传感器。该系统实现了温度(或湿度采集,

22、并通过有线或无线的方式将采集到的温度(或湿度数据传送到监控主机,监控主机上具有存储、处理、显示设备,将接收到的数据以用户的设定要求显示出来。该系统具有体积小、灵活度高、实时性强的特点,可投放于恶劣的工业环境中,完成重要温度数据的采集。此外,本系统的开发也为其它环境参数的监测提供了借鉴。数据采集模块作为整个系统信息获取、采集及传输的源头,占有极其重要的地位。本论文从系统方案的论证入手,重点介绍了数据采集模块的软硬件设计与实现。数据采集模块可支持8路模拟信号输入,传感器类型包括了热电阻、热电偶、PN结、电压型传感器、电流型传感器。该模块主要完成数据的采集、信号处理、A/D转换、线性化处理、数据传送

23、等任务。软件设计上采用查表法和线性插值相结合的数值处理方法,辅以数字滤波和自校正处理,以期达到理想的测量结果。最后,通过与其它系统模块进行联调,完成了整个系统的功能要求。 关键词:ARM9,温度监测,数据采集,PT100,热电偶6.期刊论文李彬.李业德.程海涛.LI Bin.LI Ye-de.CHENG Hai-tao低功耗无线测温系统的设计-山东理工大学学报(自然科学版2009,23(2针对目前工业现场对功耗、成本以及无线网络的要求,设计了一款低功耗无线测温系统.以CC2430单片机为无线传输模块,选用DS18B20作为温度采集节点的温度传感器,在软件上对ZigBee协议栈进行了配置,构成了

24、结构简单、功耗低的星型网络,完成了网络各结点间的通信.该系统具有功耗低、结构简单、通信效率高、抗干扰性强、稳定性好的特点,可广泛应用于环境比较复杂的检测场所和自动控制领域.无线传感器网络是由大量微型无线传感器节点组成的自组织分布式网络智能系统,集成了传感器、微机电系统、现代网络及无线通信、分布式信息处理技术等,在军事、空间探索、医疗等领域中有着广泛的应用前景。ZigBee技术是一种短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线通信技术,其特点表明了它很适合用于无线传感器网络。本文在研究了ZigBee技术的基础上设计了一套基于ZigBee协议的无线传感器网络的开发系统。论文的主要工作包括:

25、首先介绍了无线传感器网络的体系结构及特点,比较了ZigBee技术与其它短距离无线技术各自的特点,并且指出了ZigBee技术的应用领域及研究现状。 其次研究了适用于无线传感器网络的IEEE 802.15.4/ZigBee的协议架构,主要包括IEEE 802.15.4PHY层和MAC层结构、功能及主要特点:以及ZigBee网络层、应用层的基本结构、网络实体及其功能。在研究IEEE 802.15.4 MAC协议的通信原语以及基于通信原语的组网算法的基础上,分析了IEEE802.15.4 MAC协议和ZigBee网络层协议,可以完成建立新网络、加入网络、离开网络等网络维护功能以及数据的发送接收、路由选

26、择和广播通信等功能。 接着介绍了一种基于ZigBee协议的无线传感器网络开发系统的硬件设计。给出了无线传感器网络节点的设计方案,主要包括射频SoC芯片CC2430的介绍、PCB板的设计及单极天线的设计等内容。还给出了用于无线传感器网络实验开发所要用的评估板、开发板以及仿真器的硬件设计,主要包括USB控制器模块、电源管理模块、UART模块、控制输入模块、显示输出模块、语音扩展模块、传感器模块、外部存储器模块和扩展IO接口模块等的设计。 随后介绍了基于ZigBee协议的无线传感器网络开发系统的软件设计及实现技术。介绍了ZigBee软件编程集成开发平台,在ZigBee协议栈Z-Stack的基础上进行了相关的软件设计,包括操作系统的完善、硬件驱动的设计、网络配置、实例程序解析和无线温度传感器网络创建等软件设计与实现。 最后介绍了一些开发工具和系统测试。无线传感器网络(WSN, Wireless Sensor Netwo