（机械电子工程专业论文）基于无线数据通讯的智能保暖裤温度控制系统的设计与研究.pdf

基于无线数据通讯的智能保暖裤 温度控制系统的设计与研究 摘要 m i l li i i l l i l l l1 1i i i l l l l li ii y 2 0 3 9 6 0 6 康健保暖裤是专门为下肢肢残人士设计的一款功能性服装，采用主动供热方式实现加 热和保暖功能。完成主动加热功能的温度控制系统是本文研究的对象，目前该温度控制系 统完成了i 型机的研制，已经投入实验运行。i i 型机的总体设计方案、电路图设计和软件 方案设计已经基本完成。本文第三章关于无线数据收发的实现是为i i 型机的无线通信所做 的前期研究。 无线数据通讯方面，在对无线数据发送芯片工作模式和发送协议分析的基础上，通过 配置使芯片工作在p t x 和p r x 模式，在点对点单项通信的基础上设计了r x ( - - - - ) t x 模式 的双向通信。 根据项目要求，为了使系统能够快速响应并达到相应的控制精度，本文采用的是开关 温度控制和p i d 控制相结合的控制算法，这种方法在一定程度上避免了积分饱和现象的出 现；另外，在p i d 算法的实现中，本文进行了p i d 参数在线自校正功能的研究，并编程实 现了该算法。 系统程序设计方面，本文从多任务调度的角度进行了分析，通过进程的划分和线程拆 分方式的考虑，采用“前向分支”原则对系统程序的总体调度进行了设计，并通过设置同 步定时间隔的方式实现了不同任务不同优先级的设计，这样的设计使得c p u 按照不同任务 需要不同的服务频度进行服务时间的分配，取得了良好的效果。 最后，本文在i 型机的基础上采用三种不同的控制算法进行了实验，对实验数据和曲 线进行了分析。 关键词：温度控制；无线通信：p i d ：参数自整定；线程拆分 d e s i g na n dr e s e a r c ho ft h ei n t e l l i g e n tw a r mp a n t t e m p e r a t u i 之ec o n t r o lsy st e mbas e do nw i r e l ess d a t ac o m m u n i c a t l 0 n a b s t r a c t r e m e d i a lw a r mp a n ti sak i n do ff u n c t i o n a lc l o t h i n gw h i c hw a sd e s i g n e df o rp h y s i c a l l y d i s a b l e dp e o p l e ，a n di t sh e a t i n ga n d w a r m i n gf u n c t i o nr e l yo na c t i v eh e a t i n g o u rr e s e a r c ha i m s a tt h et e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e m a tp r e s e n t ，t h eit y p et e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mi sa l r e a d yp u t i n t oe x p e r i m e n t t h es c h e m ed e s i g na n dc i r c u i td e s i g no ft h ei it y p et e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e m w a sa l s oc o m p l e t e d c o n t e n to ft h et h i r dc h a p t e ri nt h i sa r t i c l e ，w h i c hi sw i r e l e s sd a t at r a n s c e i v e r r e a l i z a t i o n ，i sp r e p a r e df o rw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o no ft h ei it y p et e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e m o nt h er e s p e c to fw i r e l e s sd a t ac o m m u n i c a t i o n s ，b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ew o r k i n gm o d e a n dt h et r a n s m i s s i o np r o t o c o lo ft h en r f 2 4 l 0 1 ，t h i sc h i pw a sc o n f i g u r e dt ow o r ki np t xa n d p r xm o d e ，a n dw a sr e a l i z e dt h ep o i n tt op o i n ts i n g l ed i r e c t i o nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n a n d t h e n ，b a s e do nt h i sk i n do fc o m m u n i c a t i o n ，t h i sa r t i c l ed i s c u s s e dt h er x ( - - - - ) t xm o d et w o d i r e c t i o n sw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n a c c o r d i n gt ot h er e q u e s to ft h ep r o je c t ，i no r d e rt om a k et h es y s t e mr e s p o n dq u i c k l ya n d r e a c ha na c c e p t a b l ec o n t r o lp r e c i s i o n ，t h i sp a p e rc o m b i n e ds w i t c ht e m p e r a t u r ec o n t r o la n dp i d c o n t r o la st h es y s t e mh e a t i n gc o n t r o la l g o r i t h m ，t h i sm e t h o dc a na v o i di n t e g r a ls a t u r a t i o n p h e n o m e n o nt os o m ee x t e n t i na d d i t i o n ，a tt h ei m p l e m e n t a t i o no ft h ep i da l g o r i t h m ，t h i sp a p e r d i s c u s s e dt h ef u n c t i o no ft h ep i dp a r a m e t e r ss e l f - t u n i n g o nt h er e s p e c to fs y s t e mp r o g r a md e s i g n i n g t h i sa r t i c l ea n a l y z e dt h em u l t i t a s k i n gs y s t e m a n dd i s c u s s e dt h ew a yt os p i l tp r o c e s si n t ot h r e a d s t h e na c c o r d i n gt ot h e f o r w a r db r a n c h p r i n c i p l e ，t h i sp a p e rd e s i g n e dt h ed i s p a t c ho ft h es y s t e mp r o g r a m t h es y s t e md i s p a t c ha c h i e v e d d i f f e r e n tp r i o r i t i e so fd if f e r e n tt a s k sb ys e td i f f e r e n tt i m ei n t e r v a l s 。a sd e s i g n e dl i k et h i s ，t h e c p uc a na l l o c a t ed i f f e r e n tt i m et od i f f e r e n tt a s k st h a tn e e dd i f f e r e n ts e r v i c ef r e q u e n c y a tl a s t ，a c c o r d i n gt ot h ed e s i g n ，t h r e ed i f f e r e n tm e t h o d sw e r ep u ti n t oe x p e r i m e n tb a s e do n t t t h eit y p et e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e m ，a n dt h i sp a p e ra n a l y z e dt h ee x p e r i m e n t a ld a t aa n dc u r v e s k e yw o r d s ：t e m p e r a t u r ec o n t r o l ；w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ；p i d ；p a r a m e t e r ss e l f - t u r n i n g ； t h r e a d s p l i t i i i 北京服装学院硕士学何论文 1 1 课题来源 第1 章绪论 本课题来源于北京市科委项目康健保暖裤的设计与研究，该项目由我校服装工程学院 承接，服装工程学院主要完成服装的材料、款式以及舒适性等方面的研究，信息工程学院 主要完成温度控制系统的设计与研究。 1 2 课题研究的背景 据国际残联统计，全世界约有6 5 亿残疾人，占全球人口总数的1 1 0 左右，我国共有 残疾人8 2 9 6 万人，其中肢体残疾人已达2 4 1 2 力人，占全国残疾人口的2 9 0 7 1 1 1 。肢体残 疾是指由于人体运动系统、功能损伤造成肢体某部位出现不同程度的运动障碍。疾病是引 起肢残的主要原因，下肢是主要残疾部位【2 1 。 国外发达国家对肢残者服装的理论研究与市场开发已取得一定的成果，并逐步完善服 装的功能性和时尚美观性；我国由于社会文明程度、经济条件和市场成熟度的限制，肢残 者服装的研发处于起步阶段。康健保暖裤是专门为下肢残疾的肢残人士设计的一款保暖服 装。 1 3 课题研究的目的和意义 服装保暖功能的实现主要有被动保暖和主动保暖两个方面。被动保暖主要是从服装的 材料入手，通过增加服装材料热阻等手段增强服装的保暖性，这里不再介绍；主动保暖是 在被动保暖的基础上增加主动加热装置，使服装具有加热及保暖功能。本文所讨论的康健 保暖裤是将加热丝和温度传感器件嵌入到服装材料内，通过外部温度控制系统对整个保暖 裤进行加热和保暖控制，属主动性保暖服装范畴。该温度控制系统将电子元器件，智能控 制技术和通信技术融合为一个整体，是智能控制技术、电子信息技术在服装科技方面的一 种新应用。 肢残人士由于肢体肌肉的萎缩、血液循环不畅等原因，在寒冷的环境下肢体的温度不 能达到正常的体表温度。康健保暖裤温度控制系统研究的目的是为肢残人士在寒冷的环境 第1 章绪论 里提供下肢的保暖功能，在寒冷的环境下提供至少不低于4 个小时，温度精度控制在士l 范围内的加热和保暖。 在以人为本、创建和谐社会的号召下，越来越多的人开始关注肢残者的日常生活。服 装不仅能满足人体生理和心理需求，还能提升一个人的外观形象和自信心【3 1 ，所以，康健 保暖裤温度控制系统的的研究具有一定的社会意义。 1 4 课题研究的现状 目前，国外智能服装的研究已经取得了一定得进展，例如将m p 3 嵌入上衣中，将测速 计嵌入到运动鞋中等等，这样的服装早就已经投入市场；但是针对肢残人士设计的功能性 服装还比较少，目前市场上存在的的这种功能性服装主要是从服装材料上入手，通过阻止 人体热量向外散失达到阻热保暖的目的。也有一部分材料可以达到主动供热的目的，主要 是通过能量转化对人体主动加热达到保暖的效果。 现在，被动保暖材料在国内外较常见的主要包括以下几种【4 】：喷胶棉絮料，以中空 或高卷曲涤纶、腈纶为原料，利用喷洒粘合方法生产的高蓬松多孔性的非织造布，工序包 括开松、混合、成网、喷洒粘合剂和烘燥等。它的特点是弹性好、蓬松度高、手感柔软且 保暖性好，所以在仿羽绒被、滑雪服和睡袋床罩等领域代替了羽绒、羊毛等传统保暖材料； 太空棉，通过将铝钛合金箔加入织物，可以使9 5 的远红外辐射反射回人体，进而使织 物的保暖率较原织物提高了7 0 - - 一8 0 ，其缺点是透气透湿性差，手感硬，穿着时会有闷 热感；无胶棉絮片，其构成是以复合纤维为原料，掺入一定比例棉花或羊毛，经梳理成 网、热烘、定型成型。其主要应用领域是服装、睡袋、床上用品、沙发等；水刺法生产 的保暖絮片，采用生态射流喷网工艺。目前使用这种保暖材料工艺的有俄罗斯的粘胶保暖 材料、美国杜邦公司采用聚烯烃熔体挤压方法制成的t e r m o l i t e 材料、美国3 m 公司采用含 有热塑性组分( 热塑纤维、热塑粉末、双组分纤维) 的纤维网用热风法使之结合而制成的 t h i n s u l a t e 材料；中空纤维材料，采用提高中空度的方式来增加空气在材料中的滞留量 而使产品达到更轻更暖的效果。现在市场上主要有单孔纤维、4 孔纤维和7 孔纤维；木 棉纤维，利用木棉独特的薄壁大中空结构和质轻拒水吸油等特点制成，制造工艺是将其与 化学纤维按一定比例混合，进行制网和定性黏合，填料用作絮来填充。 国内外较常见的主动保暖材料主要有1 5 - 6 1 ：吸湿发热保暖材料，利用气态的汗转为液 态时散出的热量实现保暖功能，这种纤维主要应用于内衣及运动服等贴身产品。利用这种 热原理生产的代表性产品主要有仓敷纺绩公司生产的l u n a f a 、日本旭化成纺织公司生产的 2 北京服装学院硕士学位论文 t h e r m o g e a r 、东洋纺公司生产的e k s 纤维等。相变发热保暖材料，原理是随着人体体表 温度或环境温度变化，相变材料相应的通过固、液态的转化来吸收或释放能量以达到加热 功能。目自仃相变材料的制作主要是通过将相变材料填充在中空纤维中或利用微胶囊技术将 相变材料包裹在中空的纤维中以达到达到保暖的目的。目前很多公司已经将这种材料用于 新产品中，如保暖滑雪衫、手套等。美国o u t l a s t 公司生产的o u t l a s t 纤维、瑞士s c h o l l e r 公司生产的c o m f o r tt e m p 恒温纤维及日本小松精炼公司的a i rt e c h n i o 都是这种技术的典 型产品；化学发热保暖材料，即在纤维中加入化学物质，将化学能转化为热能实现保暖 功能，主要的方法是将铁粉混入材料聚合物中进行纺丝，通过铁粉在空气中发生氧化反映 放热而达到保暖的目的，保暖时间的长久由化学反应的时间决定。目前这种材料主要应用 于保暖鞋、取暖袋等产品中；导电发热保暖材料，主要是在衣料用聚酯纤维上添加导电 性材料，通电后纤维发热，以达到保暖效果。碳纤维是目前应用较为广泛的导电纤维。主 要应用方面是保健坐垫、保暖衣、鞋挚、保健服、褥子等；此外，德国w a r m x 公司利用 极微细的银纤维与小型充电电池开发出保暖型内衣系列产品：太阳能发热保暖纤维，原 理是吸收太阳辐射中的可见光与近红外线，并且以热辐射的方式反射回人体，采用太阳能 发热纤维制成的衣物具有良好的保温功能。这种材料以添加i v 族过渡金属碳化物为主。 当阳光照射时，该碳化物能将0 6 v 以上的阳光电磁波辐射中的高能辐射线吸收并转化为热 能，能量低于0 6 v 的辐射线则被反射。目前市场山利用太阳能原理生产的产品主要有尤尼 吉卡公司的s o l a r - a 三菱人造丝公司的t h e r m o c a t c h 、s o k os e i r e n 公司的t h e r m os t o r e 等； 目前，国内外针对新型保暖材料进行了一系列保暖防寒服的研发，主要是电热服、太阳能 热服、空调热服、化学能热服、相变材料热服五类( 如图l 和图2 所示) ， 图1 电热服产品 第1 章绪论 图2 太阳能电池及太阳能服 采用被动保暖材料制成的服装膨松、臃肿，人体穿着会产生过高的服装压力，进而使 穿着者行动变的不便。随着科学技术的迅速发展和人们生活水平的逐步提高，人们对服装 面料和功能的追求趋向多元化。主动保暖材料因其兼顾舒适性和功能性等优点，已逐步成 为冬季服装材料的首要选择。肢残者根据其特殊的生理及心理特征，在选择冬季服装材料 时，除了选用轻便、保暖的被动保暖材料外，还要根据需要选择主动保暖材料给肢残者的 残肢提供一部分j l - d i ：l 热能，以满足其热舒适性的需求1 7 j 。 1 5 论文的总体结构 本论文的结构如下：第一章主要介绍了课题的来源、研究背景及意义和课题的国内外 研究现状；第二章对根据系统要求，对i 型机整体设计方案和i i 型机手持控制单元以及加 热控制单元的整体方案设计进行了介绍，并根据控制精度的要求，进行了控制算法的设计； 第三章对无线数据收发的设计与实现进行了详细的介绍，通过对手持控制单元和加热控制 单元配置为主发送和主接收模式的分析，完成了双方r x - - ) t x 模式无线双向通信的设计； 第四章对p i d 控制和p i d 参数自整定技术做了详细分析，并编程实现了p i d 参数的在线自 校正：第五章对系统程序的设计进行了详细介绍，通过一个简单的示例对线程拆分做了详 细分析：另外阐述了系统状态转换和屏幕显示的设计。第六章，在i 型机基础上进行了实 验，对实验实测数据和所得曲线进行了分析：第七章对整个论文做了总结。 1 6 本章小结 本章对课题的来源、研究背景、研究的目的和意义以及课题国内外研究现状进行了介 绍，针对目前国内外对肢残人士功能性服装的研究，从被动和主动保暖材料方面进行了详 细的阐述。最后介绍了本论文的整体结构。 4 北京服装学院硕士学位论文 2 1 系统设计要求 第2 章系统总体设计方案 康健保暖裤温度控制系统主要是为肢残人士提供主动供热和保暖功能，并实现人体温 度参数的采集和无线传输，本课题以温度参数为研究对象，整个系统应满足以下要求： 1 携带方便性，系统正常工作时不影响人的正常生活。 2 对采集到的温度数据实现无线传输。 3 为使人体整体感觉温度舒适，控制方面要达到精度为士1 的要求。 4 系统采用电池供电，加热电压1 2 v ，加热时间不低于4 个小时。 2 2i 型机整体设计方案 目前康健保暖裤温度控制系统已经完成了i 型机的研制，并在i 型机温度控制系统的 基础上进行了实验，利用i 型机所完成的研究结果有肢残者热能裤的研发与评价学位 论文【7 1 和c u l l r e ms i t u a t i o na n dd e v e l o p m e n to fl i m b sd i s a b l e dc l o t h e s ) ) 学术论文【8 】，两篇 论文均是在对肢残人士的实际测试中所得的数据分析而完成的，作者为我校服装学院的武 佳同学。i i 型机正在开发之中；i 型机的总体设计方案如图3 所示， 图3 i 型机总体设计方案 5 第2 章系统总体设计方案 本温度控制系统主要由温度测量、数据处理显示、输出控制三部分组成。该控制过程 为m c u 访问d s l 8 8 2 0 ，将传感器测量的保暖裤当前温度值读入片内，并与设定温度值相 比，通过p i d 运算得到控制量，通过电平转换将t t l 电平转换为m o s 电平来控制m o s 管的通断比控制加热丝加热，同时传感器不断读取保暖裤当前温度值送入m c u 进行处理， 完成控制过程。 该温度控制系统主控单元为a t 8 9 c 5 2 ，主要完成p i d 运算并输出控制量。温度传感器 采用增强型单总线数字温度传感器d s l 8 8 2 0 ，在1 0 一+ 8 5 范围内精度为0 5 。电平 转换芯片m c l 4 1 3 d 是一个通用的d t l 、1 v r l 、p m o s 和c o m s 逻辑电平转换器件，本系 统中该芯片用来将t t l 电平转换为m o s 电平。m a x l 7 0 4 0 能够通过1 2 c 总线在一个很广 的范围内追踪当前电池电量的状态，用来对加热电池进行电量监控。键盘和液晶显示电路 用于人机交互，键盘电路由5 个按键构成，完成p i d 参数以及目标温度值设置，液晶控制 器采用带有汉字字库的s t 7 9 2 0 ，用于实时显示当前保暖裤状态。t c l 7 7 3 3 q d 除了可以手 动复位外，当电源电量低于一定的值时，该芯片将对整个温控系统进行复位。 i 型机的实物图如图4 ( a ) 和4 ( b ) 所示，图4 ( a ) 为温度控制系统和保暖裤相连的整体实物 图，该图为实验者在实验室测试中的图片：图4 ( b ) 为温度控制系统的外观图。 图4 ( a ) 保暖裤整体实物图 6 北京服装学院硕十学位论文 图4 ( b ) 温度控制系统外观图 i i 型机在i 型机的基础上，针对i 型机携带、移动等方面的不便之处，对系统进行了 分体设计，两个单元的连接改为无线通信方式，分为手持控制单元和加热控制单元两部分， 手持控制单元主要完成用户目标参数设定、发送用户命令和显示保暖裤当前状态的功能； 加热控制单元嵌入服装中，接收用户发送来的命令并j 下确配置参数，启动加热控制并回传 保暖裤当前状态。 本文在i 型机上实现了开关控制一p i d 控制的算法，根据实验结果，设计了p i d 参数 在线自整定算法，并在i 型机的硬件中编程实现了该算法。在系统程序方面，运用“前向 分支 的原则进行了线程的设计，达到了较好的系统调度的效果；另外根据该温度控制系 统应完成的功能，进行了人机交互状态转换的设计，并在此基础上进行了人机交互的屏幕 显示设计。无线通信方面完成了上位机和下位机的无线通信程序，并实现了r x ( - - - - ) t x 模 式的无线双向通信。 2 3i i 型机手持控制单元设计方案 手持控制端主控单元采用单片机a t m e g a l 2 8 1 6 m c ，收发芯片采用挪威n o r d i c 公司【9 i 的n r f 2 4 l 0 1 ，人机交互方面采用键盘和液晶显示器，基础功能按键的设计同i 型机，也是 采用五个按键完成基本的设置功能；液晶显示方面采用t f tl c d 显示屏，手持控制端的 7 第2 章系统总体设计方案 整体设计方案如图5 所示： 图5 型机手持控制端设计方案图 由于i i 型机采用了t f t 彩色l c d 显示屏，在人机交互和显示方面需要大量的数据存 储空间，普通的5 l 单片机资源少，而a t m e g a l 2 8 1 6 m c 1 0 l 具有3 2 个8 位通用寄存器，1 2 8 k b 的系统内部可编程f l a s h 等丰富的片上资源，且a t m e g a l 2 8 1 6 m c 和r f 电路的s p i 接1 ：3 可 以直接相连，在软件设计上免去了模拟s p i 函数的设计。a t m e g a l 2 8 1 6 m c 单片机主要利 用l c d 显示器和键盘实现人机交互，将命令写入收发芯片n r f 2 4 l 0 1 并启动发送。在人机 交互中主要完成两个方面的工作，一方面是通过键盘电路读取用户的参数配置即用户命 令，并将用户命令通过s p i 总线写入收发芯片n r f 2 4 l 0 1 进行发送；另一方面是将收发电 路接收到的加热控制单元测量的保暖裤当前温度值数据显示到液晶显示器上面。a d m 8 8 4 3 芯片是一个4 白光l e d 背光驱动器，主要是为t f t 彩屏提供不同的灰度以显示彩色内容。 复位电路为整个手持控制单元提供复位功能。时钟电路d s 3 2 3 4 为系统提供实时时钟。收 发电路采用n r f 2 4 l 0 1 芯片，完成用户命令的发送并接收加热控制单元回传的温度数据。 2 4i i 型机加热控制单元设计方案 加热控制单元方面，主控单元采用n r f 2 4 l e l 芯片，该芯片将8 0 51 单片机和无线收发 芯片n r f 2 4 l 0 1 + 集成在一块芯片内【l i l ，既能进行数据的发送和接收，还能通过8 0 5 1 对温 控系统进行控制，采用一块芯片进行设计，免去了单片机和收发芯片连接的复杂性。加热 控制单元的整体设计方案如图6 所示： 8 北京服装学院硕士学位论文 图6i i 型机加热控制单兀方案图 加热控制单元在控制方面和i 型机的控制是完全相同的，同样是由主控单元输出控制 量经过电平转换控制m o s 管导通时间的比例，从而实现加热丝进行加热或保温，同时温 度传感器d s18 8 2 0 不断的读取保暖裤的当前温度状态，将数据送入主控单元进行处理。与 i 型机所不同的是主控单元采用了具有收发功能的n r f 2 4 l e l 芯片，温度数据进入主控单 元后，主控单元一方面根据当前温度数据计算控制量并输出给电平转换芯片进行控制，另 一方面通过内部s p i 总线将温度数据传输给内部集成的r f 收发器n r f 2 4 l 0 1 + 并启动发送， 将保暖裤当前的温度数据回传给手持控制端。 2 5 控制算法设计 控制算法方面，为实现人体整体舒适的感觉，温度控制精度要求达到1 ，即温度 的上下幅度不能超过1 。采用开关温度控制，系统响应速度快，但容易出现较大的超调 量，且系统工作可能不稳定。采用p i d 温度控制可以实现高精度的控制，但经典p i d 控制 容易出现积分饱和，并且p i d 参数的人工整定较为复杂，不方便使用。鉴于两者各自的优 缺点，本文采用开关温度控制和p i d 控制相结合的方法，并在程序中实现了参数的在线自 校正功能。加热前期使用开关温度控制，响应速度快，后期使用p i d 控制可以提高控制精 度，参数的在线自校正功能避免了人工反复整定p i d 参数。 9 第2 章系统总体设计方案 2 6 本章小结 本章对康健保暖裤温度控制器的i 型机和i i 型机的整体设计方案进行了阐述，在系统 设计要求的基础上，给出了i 型机的整体设计方案图、i i 型机手持控制单元和加热控制单 元的设计方案图。控制算法方面，在系统晌应和控制精度方面进行了考虑，采用开关温度 控制和p i d 控制相结合的方法，并实现了p i d 参数的在线自整定功能。 l o 北京服装学院硕士学位论文 第3 章无线数据收发的设计与实现 目前，常用的短距离无线通信技术主要有蓝牙、z i g b e e 等技术。蓝牙是大家比较熟悉 的无线通信技术，主要面向移动设备的小范围连接，在手机、p a d 等设备中都有应用。但 是具有蓝牙传输协议的芯片价格一直居高不下，蓝牙协议实现起来较为复杂，并且厂商的 支持力度不够，所以在本系统的设计时收发芯片没有采用具有蓝牙传输协议的芯片。z i g b e e 是一种低功耗、低成本的短距离无线网络技术，由于其低功耗导致了其传输速率低，在 2 4 g h z 频段仅有2 5 0 k b p s ，并且使用z i g b e e 开发应用时，具有z i g b e e 传输协议的芯片都 是封装好的现成的模块，不但进一步降低了其传输速率，而且难以改进，所以本设计中也 没有采用z i g b e e 实现无线数据的收发。挪威n o r d i c 公司的n r f 2 4 l 0 1 芯片具有低成本、 低功耗、传输速率高等优点，传输速率可以达到2 0 0 0 k b p s ，并且在e n h a n c e ds h o c k b u r s t t m 模式下空中传输时间很短，这就减少了无线传输中的数据碰撞现象。n r f 2 4 l 0 1 还具有自 动重发和自动应答功能，这在软件开发上也可以节省很多工作。 3 1n r f 2 4 l 0 1 概述 n r f 2 4 l 0 1 是挪威n o r d i c 公司推出的一款工业级内置硬件链路层协议，工作在2 4 2 5 g h z 国际通用i s m 频段的低成本单片无线收发芯片【1 2 】。内置晶体振荡器、功率放大器、 频率发生器、调制解调器和增强型s h o c k b u r s t t m 模式控制器。n r f 2 4 l 0 1 具有极低的电流 消耗，当工作在发射模式并且配置发射功率为6 d b m 的s h o c k b u r s t t m 模式时，电流消耗仅 为9 m a ，接收模式的消耗电流为1 2 3 m a ，待机模式和掉电模式下电流消耗更低。 n r f 2 4 l 0 1 的特性【1 3 j ： 1 调制方式g f s k ，1 9 - 一3 6 v 工作电压； 2 内置硬件链路层协议，具有s h o c k b u r s t t m 和e n h a n c e ds h o c k b u r s t 刑两种收发模式( 本 系统的无线收发采用e n h a n c e ds h o c k b u r s t t m ) ： 3 具有自动应答和自动重传功能，具有地址和c r c 校验功能： 4 提供1 m b p s 和2 m b p s 无线通信速率，s p i 接口速率为o 一 8 m b p s ： 5 1 2 5 个可选工作频道，频道切换时间短，可用于跳频； 6 i o 口接收5 v 电平输入，并且与n r f 2 4 x x 系列全兼容； 第3 章无线数据收发的设计与实现 3 1 1n r f 2 4 l 0 1 和a t m e g a l 2 8 的连接 n r f 2 4 l 0 1 的s p i 接口是标准的s p i 接口，其所有寄存器都是通过s p i 接口进行配置的。 n r f 2 4 l 0 1 的c s n 为低时，s p i 接口等待执行命令，每一条指令的执行都必须经过一次c s n 由低到高的变化过程。 a t m e g a l 2 8 单片机本身具有s p i 接口，这样只需将两块芯片进行简单的连接即可，在 软件设计方面也就省去了模拟s p i 接口函数的设计。a t m e g a l 2 8 单片机仅用4 根端口线即 可完成与n r f 2 4 l 0 1 的s p i 传输。n r f 2 4 l 0 1 和a t m e g a l 2 8 单片机连接的原理图如图7 所 不： c s n r 营 。 黾 口口 墨 巴 m o s i n 甲 - j m i s o 蓉 o s c k 图7n r f 2 4 l 0 1 和a t m e g a l 2 8 的s p i 连接原理图 数据进行传输时，主机先给出c s n 低电平，接着将要发送的数据写到主机的数据发送 寄存器上，在同步移位脉冲s c k 的节拍下，将数据按位送到m o s i 口线，同时从机在同步 移位脉冲s c k 的节拍下将m o s i 口线的数据按位接收，这样就完成了一个数据块的传输。 同理，从机向主机发送数据时，只是把对应的口线变成m i s o 即可。 3 1 2e n h a n c es h o c k b u r s t t m 协议 e n h a n c es h o c k b u r s t t m 是一种基于数据链路层的数据包格式，可以自动打包、自动应 答和数据包的自动重传1 4 】。e n h a n c e ds h o c k b u r s t t m 能实现超低功耗和高性能的无线通信， 对于单向和双向传输系统，e n h a n c e ds h o c k b u r s t r m 能, 够显著的改善电源效率，而不必增加 主控制器方的硬件复杂性。 e n h a n c e ds h o c k b u r s t t m 的数据包格式包括序言文件( 前导码) 、地址、包控制域、有效 1 2 北京服装学院硕十学位论文 位载荷和c r c 校验，其数据包的格式如表1 所示： 表l 数据包格式表 前导码时一个位序列，其作用是同步接收方解调器收到的数据流；地址的作用是用于 接收方接收到一个正确的数据包；9 位包控制域，最高有效位在左，这9 位中包括6 位有 效载荷的长度，2 位p i d ( p a c k e ti d e n t i f i c a t i o n ) 位和l 为n o a c k 标志位，这9 为数据包 的格式如表2 所示： 表2 包控制域格式表 有效载荷为用户定义的发送或接收的数据包的内容，宽度可以为o - 3 2 b y t e ，由包控制 域中的6 位决定，当为0 0 0 0 0 0 时，为o b y t e ，1 0 0 0 0 0 时为3 2 b y t e t l l l 。 3 1 3r f 收发器工作模式 1 5 】 n r f 2 4 l 0 1 芯片的r f 收发器常用模式下工作于五种工作模式，可以通过不同寄存器参 数的配置，使其工作在p o w e rd o w n 模式，s t a n d b y i 模式，s t a n d b y i i 模式，r x 模式和t x 模式。在p o w e rd o w n 模式，r f 收发器被关闭，系统工作于最小电流消耗模式，系统进入 此模式需配置c o n f i g 寄存器的p w ru p 位为低。通过设置c o n f i g 寄存器的p w r u p 位为l ，i 讧收发器将工作于s t a n d b y 1 模式，s t a n d b y 1 模式用于当系统保持最短启动时问 时使系统的平均消耗电流最小，当且仅当r f c e 位使能时，r f 收发器才从s t a n d b y 1 模式 进入t x 或r x 模式，当r f c e 位为0 时，系统将进入s t a n d b y 1 模式。当f i f o 寄存器为 空并且r f c e 为高时进入s t a n d b y i i 模式，在这种模式下所有的配置字仍然保留，相对于 s t a n d b y 1 模式s t a n d b y i i 模式消耗更大的电流。r x 模式是r f 收发器用作接收器时的一种 活动模式，进入此模式需设置p w ru p 位，p r i mr x 位和r f c e 位为高，在r x 模式， 接收器将不停的解调从r f 信道接收到的数据，当接收到一个有效的数据包载荷，即地址 和有效c r c 校验相匹配时，有效数据包载荷将被放在一个r xf i f o s 的空间中，如果r x f i f o s 已经满了，则接收到的数据包将会被丢掉。t x 模式是r f 收发器工作于发送时的一 种活动模式，进入此模式需配置p w ru p 位为高，p r i mr x 位为低，在t xf i f o 中应该 有一个有效地数据载荷，并且在r f c e 位应该有一个持续至少1 0u s 的高电平出现，r f 收 1 3 第3 章无线数据收发的没计与实现 发器的t x 模式将持续一个数据包发完，数据包发送完成后，如果r f c e 位为低，则进入 s t a n d b y 1 模式，否则t xf i f o 将根据自己的状态( 空或非空) 来决定下一步的动作。 n r f 2 4 l 0 1 工作模式表如表3 所示： 表3n r f 2 4 l 0 1 工作模式表 3 2 单向通信的实现 3 2 1 主发送模式p t x 配置 根据r f 收发器工作模式的分析，r f 收发器工作在p t x 模式主要完成数据的自动打 包工作，这些工作主要是将i j 导码，地址，包控制域，有效载荷和c r c 校验在发送前进 行整合。这些整合工作均是硬件自动完成的，用户只需要将要发送的有效数据包通过s p i 总线送入r f 收发器，r f 收发器会自动按照协议进行打包和传送。芯片在e n h a n c e d s h o c k b u r s p 模式下发送一包数据的具体工作流程如下【1 6 】： 1 把接收机的地址和要发送的数据命令按时序送入n r f 2 4 l 0 1 。 2 配置c o n f i g 寄存器，使r f 收发器进入发送状态。 3 将r f c e 置高至少l o p s ，激发n r f 2 4 l 0 1 进行e n h a n c e ds h o c k b u r s t t m 模式发送。 4 n r f 2 4 l 0 1 的e n h a n c e ds h o c k b u r s t t m 发射一包数据的内部操作为： a 给r f 收发器的前端供电。 b 射频数据打包，即加入前导码和c r c 校验。 c 高速发射数据包。 5 发射完成，n r f 2 4 l 0 1 随即转入接收模式，接收确认信号。 根据n r f 2 4 l 0 1 的e n h a n c e ds h o c k b u r s t t m 模式的发射流程可得该芯片发送一个数据包 的流程图如图8 所示： 1 4 北京服装学院硕士学位论文 图8p t x 模式工作流程图 由于接收方配置为自动应答模式，根据发送流程分析，当系统发送完一包数据后发送 方自动转入接收模式接收来自主接收方发来的应答信号，接收到应答信号后，说明数据发 送成功：若在一定的时间内主发送方没有接收到应答信号，主发送方则认为数据发送失败， 将启动自动重发功能，进行下一次的发送。 第3 章无线数据收发的设计与实现 3 2 2 主接收模式p r x 配置 根据r f 收发器工作模式的分析，r f 收发器工作在p r x 模式主要完成数据的自动解 调工作，当接收到一个有效地数据包后，即地址和c r c 校验完全匹配时，接收到的有效 数据将被放入r xf i f o 中，并且置位r xd ri r q 。 e n h a n c e ds h o c k b u r s t t m 的接收一包数据的流程如下【 1 ： 1 配置本机地址和要接收的数据包大小，本机地址要与发射端的地址相同。 2 配置c o n f i g 寄存器，使之进入接收模式，同时r f c e 置高。 3 延时1 3 0 p s 后，n r f 2 4 l 0 1 进入监测状态，监测数据包的到来。 4 有效数据接收( 即接收到正确的地址和正确的c r c 校验码) 时，自动把前导码、地 址和c r c 校验码移去。 5 n r f 2 4 l 0 1 通过置位s t a t u s 寄存器的r xd r 位产生中断，通知微控制器取走数据。 6 数据读取完毕，发送应答信号并清除s t a t u s 寄存器内容。 根据e n h a n c e ds h o c k b u r s t t m 模式的接收流程，可知p r x 模式接收一个数据包工作的 流程图如图9 所示： 1 6 北京服装学院硕士学位论文 图9p r x 模式工作流程图 系统配置成主接收模式，不断地侦测空中信息，当收到数据包后进行解调并进行地址 和c r c 校验的匹配，匹配成功说明正确接收数据，通知c p u 取走数据并转入发送模式发 送应答信号；匹配失败则丢弃该数据包不发送应答信号，重新监测空中信息接收数据，直 到接收到正确的数据为止。 3 3 无线双向通信 根据n r f 2 4 l 0 1 的收发模式流程，可以完成对其配置成主发j 送( p t x ) 模式和主接收( p r o ：) 模式，方便的进行点对点的单向通信，但是本保暖裤温度控制系统的手持控制端和加热控 1 7 第3 章无线数据收发的没计与实现 制单元应同时具备双向通信的要求，手持控制单元既发送命令参数还要同时接收加热控制 单元传来的保暖裤当前的状态并显示；加热控制单元除了完成发送保暖裤当前状态数据还 要完成接收随时到来的命令参数并正确配置加热控制单元的各个参数，所以该保暖空温度 控制系统的无线数据通信还要在单项通信的基础上扩展功能，完成双向通信。由于 n r f 2 4 l 0 1 为半双工无线通信收发器，要想完成任意时刻的接收和发送同时进行，必须让 其分时进入发送和接收模式即r x ( - - - ) t x 模式相互转换的方式才能完成要求。 3 3 1r x 专t x 模式双向通信 手持控制单元主要完成按键扫描，发送命令数据并显示保暖裤当前状态的功能，手持 端完成初始化后将进入发送状态发送命令参数，命令发送完成后进入接收状态，接收保暖 裤当前的温度数据并显示，在没有更进一步的参数命令设置时，手持端停留在接收状态， 但要不停地扫描键盘有无动作；加热控制单元主要完成命令参数的配置并启动加热，不断 地向手持控制单元发送保暖裤当前的温度状态。但人为设定参数是随机出现的，所以为了 避免数据碰撞而保证双向数据的发送和接收准确，任何一方在发送数据前应首先侦测信道 的忙与否，若侦测到的信道忙，说明对方正在占用频道发送数据，则应当保持在接收状态 准备接收数据；若侦测到的信道闲，则向对方发送一个同步信号告诉接收方“传输起始”， 接收方接收到同步信号后保持在接收模式，发送方开始传输数据，数据传输结束后，接收 方发送应答信号并转换为相应的模式，发送方在接收到确认信号后也相应的转换模式。据 此分析，无论是发送方还是接收方，系统完成初始化进入工作状态后都应该处于接收状态， 当手持控制端扫描到有命令需要发送时，先侦测信道的繁忙，再进行命令的发送；同理加 热控制单元也应该处在接收模式，当传感器进行完一次温度采样后数据经m c u 传入r