（电磁场与微波技术专业论文）无线多点温度传感系统设计.pdf

上海大学硕士学位论文 无线多点温度传感系统设计 摘要 无线技术与温度传感器的结合，是近几年来温度传感系统新的发展趋势， 主要为了解决由线缆带来的诸多问题，适应更多温度测量的应用场合。在研究 了目前温度传感器的基础上，提出了高精度的，无线多点的温度传感系统的设 计方案。 文本主要实现多点温度精确测量，详细阐述了无线多点温度传感系统的设 计思想和实现方法。具体分析了设计原理，详细分解了设计过程，讨论了测试 结果以及进行了实际应用。无线多点温度传感系统由温度采集部分，无线传输 部分以及数据处理三个部分组成。温度传感器采用高精度的p t l 0 0 0 铂电阻， 针对p t l 0 0 0 提出三点定标法来提高测量准确度和稳定度，并且通过软件对 p t l 0 0 0 进行非线性补偿，进一步提高了测温的准确度。无线部分采用2 4 5 g h z 的n r f 2 4 0 1 无线收发芯片，设计了无线传输协议，实现了高效的数据传输，并 在此协议的基础上实现无线多点测量的两种工作模式一一实时模式和轮询模 式。数据处理部分以l p c 2 2 2 0 处理器为核心，完成了数据的接收、处理、存储、 显示等功能，并实现与计算机通信。 对本无线多点温度传感系统进行了实际测试。在0 0 。c 一7 0 。c 的温度范围 内，用电阻箱定标，温度显示误差小于0 1 5 0 c 。与w d g 6 0 2 高低温试验箱的对 比测试中，温度误差小于o 2 。c 。本系统在全光纤电流传感器项目的温度补偿过 程中得到了实际的应用，使用该无线多点温度传感系统对温度进行精确测量， 然后根据测量结果进行温度补偿，最后在o o 。c 7 0 。c 的温度范围内，全光纤 电流传感器的测量精度由补偿前的0 5 提高到补偿后的0 2 。 关键词：无线传输、温度传感系统、多点温度测量、p t l 0 0 0 定标，n r f 2 4 0 1 ； v 上海大学硕士学位论文无线多点温度传感系统设计 a b s t r a c t i t i sat r e n df o rt e m p e r a t u r es e n s o rt ob ec o m b i n e dw i t hw i r e l e s s t e c h n o l o g yi nr e c e n ty e a r s t h en e wt e c h n o l o g yi st os o l v et h ep r o b l e mi n e x i s t i n gs g l l s o rn e t w o r k a n dt om e e tt h en e e do fm o n i t o r i n gt e m p e r a t ei nm o r e s i t u a t i o u s an o v e ld e s i g no fw i r e l e s sm u l t i p o i n ta n dp r e c i s et e m p e r a t u r es e n s o r s y s t e mh a sb e e np r o p o s e d ，b a s e do nc u r r e n tt e m p e r a t es e n s o rs y s t e m s t h ew i r e l e s sm u l t i p o i n tt e m p e r a t r em e a s u r e m e n ti sr e a l i z e da n dt h ed e s i g n i d e aa n dr e a l i z a t i o nm e t h o di si n t r o d u c e df o rt e m p e r a t u r es e n s o rs y s t e mi nt h i s p a p e r r t h ed e s i g ni sw e l la n a l y s e d ，t h ep r o c e d u r ei si n t r o d u c e d ，t h et e s tr e s u l ti s d i s c u s s e da n dt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o ni sr e a l i z e d t h ew i r e l e s st e m p e r a t e s e n s o rs y s t e r nc o n s i s t so ft h r e ep a r t s ： t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t ”“w i r e l e s s t r a n s m i s s i o n a n d “d a t ap r o c e s s i n g i n t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t s e c t i o n , t h ep t l 0 0 0i sc h o s e na n dt h em e t h o do ft h r e ep o i n tc a l i b r a t i o ni su s e dt o i m p r o v et h em e a s u r e m e n tp r e c i s e n e s sa n ds t a b i l i t v t h em e a s u r e m e n tb e c o m e s m o r ea c c u r a t eb yu s i n gt h en o n l i n e a r i t yc o m p e n s a t i o n t h e2 4 5 g h zw i r e l e s s 拓a n s c e i v e r ( n r f 2 4 0 ni su s e di n “w i r e l e s st r a n s m i s s i o n ，s e c t i o na n dt h e s i m p l et r a n s m i s s i o np r o t o c o li sd e s i g n e dt oi r e p r o v et h ed a t at r a n s m i s s i o n r e l i a b i l i t y t h er e a l t i m ec o l l e c t i o nm o d ea n dt h ep o l l i n gm o d eh a v eb e e n r e a l i z e do nt h eb a s eo ft h ep r o t o c 0 1 i n d a t ap r o c e s s i n g s e c t i o n , l p c 2 2 2 0 ( a r m 7 ) p r o c e s s o ri su s e da n dd a t ap r o c e s s i n g ，s t o r a g e ，d i s p l a y , a n dc o n n e c t i o n b e t w e e nt h es y s t e n ta n dt h ep ca r er e a l i z e d s o m ep r a c t i c a lt e s t sh a v eb e e n d o n ef o rt h ew i r e l e s sm u l t i p o i n tt e m p e r a t e s e l l s o rs y s t e m i nt h er a n g eo f 4 0 。c 7 0 。c t h ee r r o ro ft h et e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n ti sl e s st h a n0 1 5 。c i nr e s i s l a n t eb o xc a l i b r a t i o nt e s t i nt h e c o m p a r i s o nt e s tb e t w e e nt h es y s t e ma n dt h ew d g 6 0 2h i g h - l o wt e m p e r a t u r et e s t c h a m b e r , t h ee r l o ro ft h et e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ti s l e s st h a n0 2 0 c 1 1 1 e s y s t e mi sa c t u a l l yu s e di nt h eo p t i c a lc u r r e n tt r a n s f o r n l e rp r o j e c tt om e a s u r e t h et e m p e r a t ef o rt h et e m p e r a t ec o m p e n s a t i o np r o c e s s i n g a n dt h e m e a s u r e m e n tp r e c i s e n e s so fo p t i c a lc u r r e n tt r a n s f o l i n e ri si m p r o v e df r o m 0 5 ( b e f o r ec o m p e n s a t i o n ) t oo 2 ( a f t e rc o m p e n s a t i o n ) i nt h er a n g eo f 4 0 0 c 7 0 0 c k e y w o r d s ：w i r e l e s st r a n s m i s s i o n , t e m p e r a t u r e s e n s o rs y s t e m ，m u l t i p o i n t t e m p e r a t r em e a s u r e m e r r ，p t l 0 0 0c a l i b r a t i o n , n r f 2 4 0 1 v i 上海大学硕士学位论文 无线多点温度传感系玩蜃i 千 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：i 虱丝 e j 期：畦兰：堕 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：因丝导师签名：雠日期：丝2 ：2 ：竖 i i 上海夫学硕上学位论文 无线多点温度传感系统设计 第一章绪论 1 1 课题研究的意义和目的 温度是生活中接触最多的一个物理量，与人们的日常生活、生产等密切相 关，食品、农业【3 】、化工、烟草、纺织、种植、档案保存、酒窟、仓库等对温 度有着较高的要求。尤其是工业、酒窟、实验室等对于温度的测量精度尤为重 要。随着温度监测和控制技术不断深入应用，传感器无疑是测量与控制系统中 重要的组成。但是伴随传感器而来的是大量的数据线缆。众多的数据线缆不仅 带来了复杂的布线，而且存在着短路、断线等隐患，易老化给维护带来了难度。 同时对于一些临时使用的传感器，铺设线缆十分不便。为此，寻找一种便捷的， 能够满足数据通信要求的无线传感技术，以解除连接线缆造成的不便，这成为 了一个急需解决的问题。 近年来，随着无线通信、微电子、传感器、计算机等技术向着系统化、网 络化的方向迅速发展。多点温度采集系统也已步出了传统的工作模式。传统的 多点温度采集系统利用大量线缆铺设传感器网络，虽然这种方式技术成熟，制 作成本相对较低，但需要用导线与每个温度采集节点连接，不利于进行现场配 置且同时也为以后的维护造成问题。 无线技术与有线技术相比，具有携带方便、不必穿墙钻孔布线、搭建网络 简单快捷等优点。特别是在有线网络不通畅或由于现场环境因素的限制不便架 设线路的情况下，使用无线通信技术进行数据采集、传输显得更加实用、高效、 快捷【l j o 目前实际应用场合提出对温度测量具有更高的测量要求，需要灵活、多点、 更高精度的测量。本课题将传感器技术和新兴的无线通信技术结合，力图以测 量的无线化来解决由线缆带来的诸多问题，实现高精度，高灵活性的无线温度 传感系统。 上海大学硕士学位论文 无线多点温度传感系统设计 表1 1 部分行业对于温度的要求 行业环节 温度。c 行业 环节 温度。c 制丝3 0 3 2陶瓷成型2 7 烟草 储藏 2 l - - 2 4 照相胶片制成2 3 2 4 粮食仓库储藏1 6 光学研磨 2 7 档案 保管 1 4 2 4 弹药储藏 2 0 米 室内无线传输距离 1 0 米 温度测量范围：- 4 5 。c 。7 5 0 c 温度显示精度：o 1 。c 测量最大误差 1 6 m b 本论文是以攻读硕士学位期间承担课题的工作为基础： 第一章阐述了课题研究意义和目的，介绍了无线技术和温度传感器的国内 外发展现状，并简单介绍了本论文的主要研究工作。 第二章阐述了无线多点温度传感系统的设计方案，给出了无线多点温度传 感系统的基本结构。对现有的无线收发芯片进行了调研和选型，分析了数字传 感器与模拟传感器的优缺点。 第三章介绍了无线多点温度传感系统的硬件设计。对于它的三个主要模 块，传感器部分、无线传输部分以及主机部分给出了详细的硬件设计方案和设 计过程。并在最后根据实际经验给出了硬件设计中遇到的问题以及需要注意的 部分。 第四章阐述了无线温度传感器的软件设计。从温度采集部分、无线传输部 分、以及主机处理部分三个方面详细描述了程序设计流程。并设计了简单的无 上海大学硕士学位论文 无线多点温度传感系统设计 线传输协议，实现有效的数据传输；描述了基于该协议的两种无线传输模式的 设计与实现。最后，给出了屏幕和按键的设计。 第五章主要对无线多点温度传感系统进行了测试及应用。对无线多点温度 传感系统进行了基本的距离测试，温度测量测试( 包括电阻箱校准测试和温度 箱对比测试) 以及系统的稳定性测试。并且在全光纤电流互感器项目的温度补 偿过程中得到了实际的应用，通过本系统对温度进行测量，用于光纤电流互感 器的温度补偿，取得良好效果。 第六章总结全文并展望该技术的应用前景 1 4 本章小结 本章介绍了研究无线多点温度传感系统的意义，调研了国1 8 夕1 , 无线技术和 温度传感器的现状和发展方向。经过大量调研，分析了目前温度传感器存在的 不足与局限，从而提出了高精度的无线多点温度传感器的研究目标。最后，给 出了本文的内容安排。 6 上海大学硕士学位论文 无线多点温度传感系统设计 第二章无线多点温度传感系统设计方案 2 1 无线多点温度传感系统结构 系统的功能决定了系统的结构和规模，本系统主要实现多点温度准确测量、 无线传输、数据处理、存储、显示等功能。为此，系统可以分为温度采集模块， 无线传输模块，数据处理模块三个部分。主机和多个温度传感器节点通过载频 为2 4 5 g h z 的无线方式1 2 s 】进行数据通信，构成点对多点的无线通信模式【2 6 1 。温 度传感器节点接收到主机端发送过来的数据或者命令后，传感器节点将测量到 的温度信息通过无线的方式传送回主机端f 2 4 2 7 1 。 酒国 王嚏档 一胄谴储 蕾售量生t 售量生 图2 1 系统主机与温度采集节点通信示意图 2 2 温度传感器的设计方案与选型 温度传感器部分，主要比较了数字温度传感器d s l 8 8 2 0 和高精度的模拟温 度传感器p t l 0 0 0 铂电阻的优势和不足，根据我们系统设计的要求，进行了选 择。 2 2 1 数字温度传感器 近年来，随着微电子技术、计算机技术和自动测试技术的发展，人们将温 7 甍 一、占 誊o 。警0 0 上海大学硕士学位论文 无线多点温度传感系统设计 度传感器和数字电路集成在一起的新型数字式集成温度传感器。数字式温度传 感器内部包含温度传感器、a i d 转换器、信号处理器、存储器( 或寄存器) 和 接口电路，随机存取存储器( r a m ) 和只读存储器( r o m ) 。目前，数字式温 度传感器的总线技术已实现了标准化、规范化，主要有单线( 1 - w i r e ) 总纠6 1 、 i 2 c 总线、s m b u s 总线和s p i 总线。不过目前的数字温度传感器测温范围并 不是很宽。 美国d a l l a s 公司推出了d s l 8 8 2 0 系列集成温度传感器。其器件内部集 成了温敏元件、数据转换芯片、存储器芯片和计算机接口芯片等多功能模块， 该器件可直接输出二进制温敏信号，并通过串行输出方式与单片机通讯。 单总线是美国d a l l a s 半导体公司的新技术，它只定义了一根信号线【8 1 ，总 线上的每个器件9 1 都能够在适当的时间驱动它，相当于把单片机的地址线、数 据线、控制线合为一根信号线对外进行数据交换。 其主要技术特点有：具有独特的单线接口方式，即微处理器与其接口时仅 需占用1 位i o 端口；可以通过数据线供电，具有超低功耗工作方式；测温范 围为一5 5 。c 1 2 5 。c ，测温精度为0 5 。c ；温度转换精度9 1 2 位可编程，直 接将温度转换值以二进制数码的方式串行输出。1 2 位精度转换的最大时间为 7 5 0 m s 。 该数字温度传感器适用于低速测控场合【”，其优势：性价比高，抗干扰性 能好；具有c r c 校验功能，可靠性高；软件设计规范。 但是该数字温度传感器，在一1 0 。c 一5 5 0 c 范围内，测量精度为o 5 。c ，在 一5 5 。c 一1 2 5 。c 内，测量精度只有2 。c 【5 1 ，并且测温范围不能调整，在测量温 度两个极端值时，性能不能达到最佳。根据我们系统需要设计高精度传感器的 要求，不选用此款温度传感器。 2 2 2 模拟温度传感器 模拟温度传感器有很多种，通常有电阻式、热电偶式、p n 结型、辐射型 及光纤式。它们都是采用温度变化引起其物理参数变化的原理。 8 上海大学硕上学位论文 无线多点温度传感系统设计 电阻式温度传感器以电阻作为温度敏感元件，利用材料的电阻随温度变化 的性质，通过测量敏感材料的电阻来确定被测的温度。此类温度传感器，具有 体积小、灵敏度高、反应速度快、分辨率高等优点。 铂电阻温度传感器测量范围宽，精度高，制作误差小，结构简单而且已有 统一的国际标准。铂电阻中有p t l 0 0 ，p t 5 0 0 ，p t l 0 0 0 等不同规格，主要区别 在于当0 。c 时，温度传感器的电阻大小。电阻越大，设计时越不容易受到外部 线路的影响，成本也就相对应较高。 这里采用的p t l 0 0 0 铂电阻温度传感器，线性好，温度系数分散性小，性 能稳定，广泛用于精确温度测量和标定【1 0 】。 虽然铂电阻温度传感器在最终测量中的输出信号与被测参数之间有非线性 存在【1 2 】【”1 ，可以通过软件设计和硬件设计来弥补非线性，补偿后可以达到非常 高的精度。 因此，在本课题中，我们选择p t l 0 0 0 作为本系统的温度传感裂】，p t l 0 0 0 稳定性好，并且可以根据需要设计温度测量范围，通过设计模拟电路部分和软 件部分提高p t l 0 0 0 温度传感器的测量准确度，可以达到非常好的效果。为此， 我们最终选择使用p t l 0 0 0 作为我们测量温度的温度传感器件。 2 3 数据传输设计方案 2 3 1 传输方式的选择 数据传输是将指定数据从某一位置传输到另一位置的一个过程。在数据的 传输过程中，传输媒质决定了各种传输技术，常用的是有线方式和无线方式。 有线传输系统是发展成熟的一项技术，通过在端到端之间铺设线路，实现 数据的高效传输。无线传输系统是近年来发展起来的一项技术，利用可以穿越 外太空的大气电磁波来传输信号的。其最重要的特性是：不受地理条件的限制、 建网速度快。与有线网络相比，无线网络具有以下优点： ( 1 ) 安装便捷：无线网络最大的优势就是免去或减少了网络布线的工作量。 一般只要安装一个或多个接入点设备，就可建立覆盖整个地区的局域网络。 9 上海大学硕士学位论文 无线多点温度传感系统设计 ( 2 ) 使用灵活：在有线网络中，网络设备的安放位置受网络接口位置的限 制。而一旦无线网络建成后，在无线网的信号覆盖区域内任何一个位置都可以 接入。 ( 3 ) 节约成本：由于有线网络缺少灵活性，这就要求网络规划者尽可能地 考虑未来发展的需要，这就往往会增加网络规划的成本。而无线网络可以避免 或减少以上情况的发生。 ( 4 ) 易于扩展：无线网络有多种配置方式，能够根据需要灵活选择。可以 通过改变极少的设备来增加进行有效地扩展。 i s m 频段主要用于工业，科学研究，和微波医疗方面的应用。应用这些频 段无需许可证，只需要遵守一定的发射功率( 一般低于l w ) ，并且不要对其它频 段造成干扰即可。 2 3 2 无线收发芯片的分析与选型 无线收发芯片和模块的选择就决定了无线传输的基本指标，不同的芯片体 现不同的无线传输协议、速率、可靠性、安全性、频段以及编程的难易程度。 目前，各种无线收发芯片的种类和数量比较多，在设计中选择合适芯片可以缩 短开发周期、节约成本。在选择时，应该考虑收发芯片所需的外围元件数量、 功耗、发射功率、无线传输协议模型以及编程难易程度。 n r f 4 0 1 是挪威n o r d i cv l s i 公司推出的单芯片r f 收发机，专为在 4 3 3 m h zi s m ( 工业、科研和医疗) 频段工作而设计。该芯片集成了高频发射、 高频接收、p l l 合成、f s k 调制、f s k 解调、双频道切换等功能，具有性能 优异、功耗低、使用方便等特点。 n r f 9 0 3 单片射频收发器芯片f 1 5 】工作在9 1 5 m h z 国际通用的i s m 频段； g m s k g f s k 调制和解调，抗干扰能力强；采用d d s + p l l 频率合成技术，频 率稳定性好；灵敏度高达1 0 0 d b m ，最大发射功率达+ 1 0 d b m ；数据速率可达 7 6 8k b i t s ；1 7 0 个频道，适合需要多信道工作的特殊场合。 n r f 2 4 0 1 是挪威n o r d i cv l s i 公司最近开发的一种无线收发芯片1 1 4 】1 1 6 ，只 需极少的外围电路，发射功率、工作频率等所有工作参数全部通过软件设置完 l o 上海大学硕士学位论文 无线多点温度传感系统设计 成，所有高频元件包括电感、振荡器等已经全部集成在芯片内部，一致性良好， 性能稳定且不受外界影响；工作在全球开放的2 4 g h z 频段、勿需申请通信许 可证。 考虑到各种因素，本方案最后选用n r f 2 4 0 1 无线收发一体芯片。n r f 2 4 0 1 芯片工作在2 4 g h zi s m 频段，能够在全球无线市场畅通无阻。n r f 2 4 0 1 支持 多点通信，最高传输速率为1 m b i t s 。n r f 2 4 0 1 没有复杂的通信协议，它完全 对用户透明，同种产品之间可以自由通信。对我们而言，2 4 5 g h z 在技术上和 频率使用上都有较大的空间可以发挥，尤其对于我们组建短距离无线传感网络 1 7 1 1 1 8 】【嘲，是非常不错的一个选择。 2 4 微处理器选择 目前，在嵌入式系统中，主要以8 位单片机和3 2 位a r m 处理器为主。在 设计过程中，根据实用性和经济性原则选择合适的处理器芯片。在无线多点温 度采集系统的各节点单元中，选择p h i l i p sl p c 9 3 8 八位单片机作为微处理器。 在采集系统的主机中，选择p h i l i p sl p c 2 2 2 0a r m 作为微处理器 2 0 1 2 1 】【2 3 1 。 p 8 9 l p c 9 3 8 是一款单片封装的微控制器，适合于许多要求高集成度、低成 本的场合，可以满足多方面的性能要求。l p c 9 3 8 还采用了高性能的处理器结 构，指令执行时间只需2 到4 个时钟周期，6 倍于标准8 0 c 5 1 器件。其集成 了许多系统级的功能，体积小，这样可大大减少元件的数目、电路板面积以及 系统的成本。经过功能分析，温度采集节点的处理器就采用此款芯片。 在主机端，不仅需要无线通信，同时需要操作s d 卡，液晶屏幕的显示， 实时时钟等，为此需要高速，支持多任务的处理器。l p c 2 2 2 0 微控制裂2 2 1 是一 款高性能的a r m 7 芯片，其支持实时仿真和嵌入跟踪的3 2 1 6 位 a r m 7 t d m i s 。由于l p c 2 2 2 0 极低的功耗、多个3 2 位定时器、以及多达9 个 外部中断管脚使它们特别适用于工业控制、医疗系统、访问控制和电子收款机 等。以l p c 2 2 2 0 为代表的处理器，可以移植u c o s i i 等嵌入式系统，正好符合 我们的功能需要，并且成本相对较低。为此，我们选择该处理器作为我们设计 上海大学硕士学位论文 无线多点温度传感系统垃计 主机的核心处理器。 2 5 本章小结 本章主要描述了无线多点温度传感系统的总体结构，根据系统结构，对市 场上的相关器件进行了多方面的调研，比较了温度传感器、无线传输芯片、处 理器等器件的性能和优势，最终选择了适合我们设计的器件。 上海大学硕士学位论文 无线多点温度传感系统设计 第三章无线多点温度传感系统硬件设计 根据上述方案进行设计，无线多点温度传感系统由三个部分组成，数据采 集部分、无线传输部分以及数据处理部分。无线温度传感系统结构如图3 1 ， 图3 1 无线温度传感系统结构 温度采集部分主要实现温度的测量与采集，包括p t l 0 0 0 温度传感器的温 度测量，模拟数字转换，以及l p c 9 3 8 对传感器采集的数值进行处理。为了提 高p t l 0 0 0 测量的准确性，提出了三点定标的设计方法。无线传输部分主要包 括无线收发芯片分析其接口电路设计，实现有效的数据通信。数据处理部分是 以l p c 2 2 2 0 处理器为核心，实现对采集节点的控制、采集数据的处理、屏幕显 示、s d 卡存储以及与计算机通信等功能。 3 1 传感器部分电路设计 温度传感器采用p t l 0 0 0 铂电阻，在摄氏零度时p t l 0 0 0 的电阻值为1 0 0 0 欧姆，当温度从- 4 0 口c 7 0 。c 变化时，p t l 0 0 0 的电阻值从8 4 2 7 欧姆到1 2 7 0 7 欧姆，与其他种类的热敏电阻相比变化范围很小。因此，设计一个电桥放大电 路，将在上述变化范围的电阻值变换到在0 - 5 v 内变化的电压值，然后通过a d 模数转换器将电压值转换成数字量。根据本文提出的三点定标法，从所获得的 1 3 上海大学硕t 学位论文 无线多点温度传感系统设计 数字公式计算出被测的电阻值。某温度下p t l 0 0 0 的电阻值可以通过现成的公 式计算出来，而从电阻值反推温度值，则采用最d , z - 乘法进行反插值来获得。 3 1 1p t l 0 0 0 温度传感器温度阻值关系 l r o ( 1 + a t + b t 2 + c o 一1 0 0 ) t 3 ) 2 0 0 t 0 0 c 置= ( 3 1 ) 【r ( 1 + a t + b t 2 ) 0 f 6 5 0 0 c 其中彳= 3 9 0 8 0 2 x 1 0 - 3 ，b = - 5 8 0 1 9 5 1 0 ，c = - 4 2 7 3 5 0 x 1 0 1 2 按照课题要求，测温范围为_ 4 5 。c 7 5 。c 。在设计电路时，我们把测温范 围稍加扩大，使之从一5 0 。c 8 0 。c 变化。由( 3 1 ) 式计算得到，温度从 一5 0 。c 8 0 。c 变化，电阻的计算值列于表3 - 1 中。 表3 - 1 温度从4 5 度到7 5 度变化p t l 0 0 0 的电阻计算值 温度。c 电阻值q 温度。c 电阻值q 5 0 o8 0 3 12 0 o1 0 7 7 9 4 5 o8 2 2 92 5 o1 0 9 7 3 _ 4 0 0 8 4 2 73 0 0 1 1 1 6 7 3 5 o 8 6 2 53 5 o1 1 3 6 1 3 0 o 8 8 2 24 0 0 1 1 5 5 4 _ 2 5 o9 0 1 9 4 5 01 1 7 4 7 2 0 o9 2 1 65 0 o1 1 9 4 o 1 5 o9 4 1 25 5 o1 2 1 3 2 1 0 o 9 6 0 96 0 o1 2 3 2 4 5 o9 8 0 46 5 o1 2 5 1 6 o 0l o o o o7 0 01 2 7 0 7 5 ol o l 9 57 5 o1 2 8 9 8 1 4 上海大学硕士学位论文无线多点温度传感系统设计 i m o1 0 3 9 08 0 o1 3 0 8 9 l l l 1 5 o1 0 5 8 5 i 3 1 2p t l 0 0 0 三点定标法 为了能够得到更精确的温度测量值，我们研究了以往的温度定标方法，并 在此基础上提出了能够使得p t l 0 0 0 定标稳定而且测量准确的方法，此方法同 时也将电路设计中引起的误差考虑在内。 一点定标法 热敏电阻是采用一些材料随温度变化的性质，通过测量敏感材料的电阻来 确定被测物体或环境的温度。一般电路中采用的连接方式如图3 2 ，将热敏电阻 与一固定阻值的电阻串连，不同的电阻会得到不同的电压降，以此来计算温度 的数值。 图3 2 一点定标法中电路原理图 节点电压为：k2 云等鼍，其中r = l 毗，是设计时预设的阻值，与r 分 压，但是由于足的阻值并非正好等于1 0 k ，因此，需要对该阻值进行修正，也 就是重新定标，以获取正确的测量结果。 三点定标法 当温度从一5 0 。c 一8 0 。c 变化时，p t l 0 0 0 的电阻值从8 0 3 1 欧姆到1 3 0 8 9 欧 姆，如果采用图3 2 所示的电路( 圪2 5 v ，疋2 l o k q ) ，输出电压 上海大学硕上学位论文无线多点温度传感系统设计 k = 0 3 7 1 7 0 5 7 8 7 v 。为了最大限度地利用a d 转换器的精度，需要把巧变换 到0 - 5 v 。这个转换过程可利用如下公式实现 v o = 4 ( 巧一巧) ( 3 - 2 ) 即矿减去一个常数电压，再乘上一个系数。这个转换过程可通过一个电桥 差分放大电路实现( 如图3 3 ) 。 图3 3 差分计算的三点定标法原理 足和r ，选择 p t l 0 0 0 有一个最大电流限制，最大电流为0 5 m 气为此我们选择 足= l o | | q ，马= 足。 巧的选择 乃由r ，和彤分压获得，选择合适的彤，确保式( 3 2 ) 始终为正。事实上， 飓只要略小于马的最小值就可以了，考虑的电阻的分立性，岛选择7 8 7 f 21 金属膜电阻。经过计算巧= 0 3 6 4 8 v 。 放大倍数a 的选择 4 = 瓦5 可= 2 3 5 4 ，= 1 + 曩马，若取坞= 4 3 k f 2 ，则心= 9 7 后q 。 考虑到电子元件标称值本身的误差，图3 3 的电路需要进行定标。电路中 的元件很多，但由于是线性电路，最终可归纳为三个待定参数：电阻足，放大倍 数4 和电压k ，x - v , 4 。圪与r ，墨，4 ，巧的关系如下 1 6 上海大学硕士学位论文 无线多点温度传感系统设计 圪= 等+ 巧 任， 矿= 二一+ kr 3 孙 1 r ，+ r 一2 三点定标法用三个已知阻值的电阻足。，r ：，替代r ，分别测量输出电压 k 。，圪：，。联立方程组( 3 - 4 式) ，求解4 ，足，k 。 。= 4 足。( 墨+ 足。) + 圪：= 4 r ：( 兄+ 冠：) + ( 3 - 4 ) 圪，= 4 r ，( 毽+ b ，) + ( 3 - 4 ) 式的求解较复杂，可采用计算机数学软件m a p l ev 来完成。下面是 m a p l e v 的代码， f = v o = a p m r x + r t ) + v 2 ；建立方程 f l ：= s u b s ( r t = r t l ，v o = v 0 1 ) ，f ) ；建立方程组 f 2 ：= s u b s ( r t = r t l ，v o = v 0 1 ) ，f ) ；建立方程组 f 3 ：= s u b s ( r t = r t i ，v o = v 0 1 ，0 ；建立方程组 p p ：= s o l v e ( f l ，f 2 ，f 3 ， a f , r x ，v 2 ) ；求解联立方程组 g ：= s u b s ( p p ，0 ；将上面求出的结果代入v o 公式 g l ：= s o l v e ( g , r t ) ；获得由v o 求r t 的公式 用m a p l ev 推导并整理得到 置= 等昔器a 器烈b 等等竽 限s ， ( r ：一r 3 ) + ( 弓3 一足。) + ( 足，一置：) c 、 其中， j 4 = z o l 圪+ 圪2 圪3 b = 9 0 2 9 0 + 圪3 圪l( 3 6 ) 【c = 圪3 9 0 + 圪l 圪2 如果在定标时取r ：2 皈t + 如) 2 ，则( 3 5 ) 式简化为 足：r t l a - ( 1 l + r a ) b + r t , e( 3 7 ) a 一2 b + c 、7 根据表3 2 ，选择三个定标点 1 7 上海大学硕士学位论文 无线多点温度传感系统设计 i r l = 8 5 0 f 2 b 2 = 1 0 5 0 f ) 【足3 = 1 2 5 0 f 2 将这三个定标电阻值代入( 3 7 ) 式得到， 冠= 8 5 0 a - j 2 1 0 再0 b + _ 1 2 5 0 c ( 3 - 8 )口一z d 十c 通过该电路的设计，将p t l 0 0 0 的电阻值的变化o 5 v 的电压值，然后经过 a d 转换器，将模拟量变成数字量，从而可以由处理器进行处理。 3 1 3 温度采集电路实现 根据上面分析，设计了图3 3 所示的测温电路图。为了提高放大器的输入 阻抗，采用两级差分放大器。然后将测得的电压信号送至1 6 位的a d 转换芯片， 量化后将输出信号送至l p c 9 3 8 中进行处理。图3 4 为p t l 0 0 0 实现温度测量的 实际电路图设计。 图3 4p t l 0 0 0 测温电路图 1 8 上海大学硕士学位论文 无线多点温度传感系统设计 3 2 无线传输部分设计 3 2 1 无线收发模块 n o r d i c 公司n r f 2 4 0 1 芯片是工作于2 4 g h zi s m 频段上收发一体的芯片， 有1 2 5 个频道，可满足多频及跳频需要。数据速率最高可以达到1 m b p s 。无线 芯片采用串口方式与其他部分进行通信，串口的编程相对简单，并且传送的效 率很高。所有的参数配置可以通过配置一个1 4 4 比特的寄存器进行设置。 幽3 5n r f 2 4 0 1 内部结构圈 图3 5 是n r f 2 4 0 1 芯片的内部结构图，我们可以看到芯片的集成度非常高， 芯片内部包括低噪声放大器、中频滤波器、振荡源、g f s k 滤波器，频率合成 器，功率放大器以及集成了f i f o 输入输出功能，地址解析、时钟恢复、g f s k 滤波器和c r c 纠错等功能，并且拥有n o r d i c 公司独创的d u o c e i v e r 和 s h o c k b u r s t 两种技术。 芯片外围元件的数量决定了模块的复杂性。由于n r f 2 4 0 1 芯片的集成度很 高，将发送接收处理部分的电路都包括在这款芯片内部，为此，对于芯片外围 电路设计的要求就降低了。外围元件仅一个晶振和一个电阻即可设计射频电路。 因此，在芯片外面无需设计复杂的滤波器之类的电路，简化了整体设计的过程。 其工作时电流消耗很小，5 d b m 输出功率时的典型峰值电流为1 0 5 m a 。 1 9 上海大学硕士学位论文 无线多点温度传感系统设计 图3 6 为n r f 2 4 0 1 模块的电路图，从图中可以看到，实际设计的n r f 2 4 0 1 模块，外部的电路设计相当简单。 图3 6 ，无线传输模块电路图 图3 6 中，n r f 2 4 0 1 芯片外部电路只包括晶振、匹配网络、天线以及一些 保护电容。选用不同的晶振，是n r f 2 4 0 1 最高传输速率的关键，要达到1 m b p s 需要选用1 6 m h z 的晶振。匹配网络【3 5 】【3 6 】主要由两个部分构成，巴伦( 平衡一 不平衡) j a i l 【3 9 1 转换部分和阻抗匹配部分【3 0 1 。由于芯片的a n t l 和a n t 2 引脚是 平衡的双端口输出，但是采用的天线是单极天线，为此，需要在这里进行一个 转换。通过转化电路后两端口的相位差由原来的1 8 0 度变为0 度后( 注：考虑 到元件的寄生电容电感等) ，两个信号叠加并传送到天线处。匹配网络主要实现 芯片输出阻抗和天线的输入阻抗之间的阻抗匹配转换。天线是发送接收的重要 部分，在这片无线模块中，采用倒f 天线【3 2 】【3 3 1 1 3 4 1 。 3 2 2 无线模块与处理器连接电路设计 n r f 2 4 0 1 无线传输部分采用模块化设计，这有两点好处，一是射频部分的 设计要求相对而言比较高，从介质板的选取，天线的实现，匹配网络的设计， 以及电感电容的选择与采纳都有非常高的要求。由于传输频率较高，所采用的 电阻电容都会产生寄生电感，寄生电容，不能用一般的方法进行设计和调试， 上海大学硕士学位论文无线多点温度传感系统设计 并且在设计过程中要考虑数字对模拟部分的影响等方面，因此，模块化设计可 以不牵动整个系统设计，并且设计的模块可以反复使用。二是，我们可以根据 不同的需要，设计不同用途的电路，只要在系统中留出相同的接口，就可以使 用这个无线收发模块，而不需要重新设计无线芯片部分。本系统中我们引出一 路n r f 2 4 0 1 通道，便能满足我们的需要，同时也简化连线。其中，引出的引脚 有d r l 、c e 、d a t a 、c l k 、c s 、g n d 和v c c 。图3 7 位无线模块与l p c 9 3 8 的连接原理图。 l p c 9 3 8n r f 2 4 0 d r i 2 c e l ! 厂二二 n c l l 厂_ 二二 d a t a o n d l33 v 4 n c c s 牡9 c l k n c n c 图3 7n r f 2 4 0 1 模块与l p c 9 3 8 连线图 n g f 2 4 0 1 操作简单，除电源外，只要控制五个管脚d r i ，c s ，c e ，c l k , d a t a 。其中管脚c s 以及管脚c e 是两个选通管脚，分别是无线配置的配置字 选通和数据发送接收选通。当选择管脚c s 置位时，系统可以对该无线芯片进 行配置，当管脚c e 置位时，芯片工作于无线数据传输状态中。管脚c l k i 以 及d a t a 是控制数据传输的时钟以和数据的内容，在无数据处理的时候，c e 置低，整个系统处于节能模式下。d r i 在接收到信号时，会从低电平变为高电 平，通知处理器来处理数据。 2 i 上海大学硕上学位论文 无线多点温度传感系统设计 图3 8n r f 2 4 0 1 射频模块与l p c 9 3 8 接口连接图 图3 8 是射频模块与l p c 9 3 8 的连接图，这里在管脚r f c e 处设计了一个 1 0 k 的接地电阻，这是因为，在系统上电的时候，某些引脚的状态不确定，管 脚r f c e 是无线数据传输的选通管脚，我们在上电的时候不希望r f _ c e 为高 电平。为此，在这里设计了一个下拉电阻，保证在上电后r f _ c e 为低电平。 3 3 主机部分硬件设计 3 3 1 核心处理器模块l p c 2 2 2 0 l p c 2 2 2 0 是一个支持实时仿真和跟踪的1 6 3 2 位a r m 7 t d m i sc p u ，并带 有1 2 8 2 5 6k 字节嵌入的高速f l a s h 存储器。1 2 8 位宽度的存储器接口和独特的 加速结构使3 2 位代码能够在最大时钟速率下运行。由于l p c 2 2 2 0 极低的功耗， 使它们特别适用于工业控制、医疗系统、访问控制等应用领域。 l p c 2 2 2 0 部分是采用周立功提供的标准设计，核心是采用高性价比的 l p c 2 2 2 0 微控制器以及2 m b 字节程序存储器，有6 4 k + 1 2 8 k 字节静态r a m 组成。对于我们使用u c o s i i 嵌入式系统，这样的配置能够完全满足我们设计 的要求，并且可以把一定量的字库存放在外部f l a s h 中，在系统运作过程中， 可以实现全中文的界面。 上海大学硕上学位论文 无线多点温度传感系统设计 3 3 2l e d 液晶显示硬件设计 s e d l 3 3 5 1 4 1 】f 4 2 1 在同类产品中是功能最强的，其特点是：有较强