（电路与系统专业论文）无线监控系统多功能终端研究与设计[电路与系统专业优秀论文].pdf

太原理l 人学硕 研究生学位论文 无线监控系统多功能终端研究与设计 摘要 随着通信技术和嵌入式计算技术的飞速发展，各种基于无线传输的分 布式监控系统广泛的应用于工业控制、农田水利、消防治安、智能楼宇、 环境监测、交通管理、医疗卫生、石油化工等各个领域。 论文结合中小规模的温室数据采集和灌溉控制，研制了一种基于国际 通用i s m ( i n d u s t r i a ls c i e n t i f i ca n dm e d i c a l ) 频段，集无线收发、数 据采集和驱动控制为一体的多功能终端，可方便与上位机构建多功能分布 式无线监测控制系统，同时又可单独使用。具有频段不需申请、低成本、 可升级和易扩展的特性。能满足中小用户的小规模需求，具有广泛的应用 前景。 论文所做的主要工作如下： 1 分析了现有无线监控系统，讨论了其改进形式，提出了基于i s m 频 段，集传输、采集和控制为一体的多功能终端。结合具体应用领域，对系 统的整体结构和功能进行了设计。 2 设计实现了多功能终端系统的硬件部分。包括器件选型、功能实现、 原理图绘制等。具体内容可分为无线数据传输、红外通信、串口通信、温 湿度数据采集、驱动控制、按键显示及电源管理等几个功能模块。 3 编写完成了多功能终端系统的软件部分。系统基于模块化设计思 想，采用c 语言进行程序设计。各模块除完成各自功能外，还为其相邻模 太原理工大学硕士研究生学位论文 块提供数据和指令接口。给出了流程图和有关代码。 4 制定了通信协议并对系统的一些抗干扰措施进行了描述。 关键词：监控系统，终端，无线传输，射频，红外通信，单片机 i i 太原理工大学硕 研究生学位论文 r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f m u 【j 、i f u n c t l o n a lt e r m i n a lb a s e do n w i r e l e s sm o n i t o r j n ga n dc o n t r o ls y s t e m a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na n de m b e d d e d s y s t e mi nr e c e n ty e a r s ，w i r e l e s sm o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e mi sw i d e l yu s e di n t h ef i e l d so fi n d u s t r y c o n t r o l ，f i e l di r r i g a t i o n ，f i r e c o n t r o lp u b l i cs e c u r i t y , i n t e l l i g e n tb u i l d i n g ，e n v i r o n m e n tm o n i t o r i n g ，t r a f f i cc o n t r o l ，m e d i c a lh e a l t h ， p e t r o l e u mc h e m i s t r yi n d u s t r ya n ds oo n t h ea r t i c l er e s e a r c h e sa n dp r o d u c e sa ni n t e l l i g e n tt e r m i n a lb a s e do n i n t e r n a t i o n a lg e n e r a li s m ( i n d u s t r i a ls c i e n t i f i ca n dm e d i c a l ) f r e q u e n c yb a n d ， w h i c hi sc o m b i n e dw i t ht h es m a l l s c a l e g r e e n h o u s ed a t aa c q u i s i t i o na n d i r r i g a t i o nc o n t r 0 1 t h i st e r m i n a lw h i c hs i m u l t a n e o u s l yh a sw i r e l e s st r a n s c e i v e r , d a t aa c q u i s i t i o na n dd r i v i n gc o n t r o lm a yn o to n l y c o n v e n i e n t l yc o n s t r u c t m u l t i p u r p o s e w i r e l e s sm o n i t o rs y s t e mw i t hp c ，b u ta l s oi s p u ti n t ou s e i n d e p e n d e n t l y t h et e r m i n a lw h i c hf r e q u e n c yb a n dd o e sn o tn e e db ea p p l i e df o r h a ss o m ec h a r a c t e r i s t i c so fl o w - c o s t ，e a s y e x p a n d e da n du p g r a d e a b l e t h e s y s t e mc a r lm e e tt h en e e do ft h ep r i v a t eu s e r sa sw e l la st h es m a l l = s c a l eu s e r s ，s o ， 太原理 大学硕+ 研究生学位论文 t h e r em u s tb ea b r i g h tf u t u r ef o rt h i ss y s t e m t h em a i nw o r k so f t h i sp a p e rc a nb es u m m a r i z e da sf o l l o w s 1 a n a l y z e dt h ep r i n c i p l eo f a v a i l a b l em o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e m ， d i s c u s s e dt h e i ri m p r o v e df o r m s ，a n dp r e s e n t e dam u l t i f u n c t i o n a lt e r m i n a lb a s e d o ni s m 矗e q u e n c yb a n dw h i c hs i m u l t a n e o u s l yh a st r a n s m i s s i o n c o m b i n i n g w i t ht h es p e c i f i ca p p l i c a t i o na r e a s ，t h ea u t h o rh a sd e s i g n e do v e r a l ls t r u c t u r ea n d f u n c t i o no f t h es y s t e m 2 d e s i g n e da n dr e a l i z e ds y s t e mh a r d w a r eo fm u l t i f u n c t i o n a lt e r m i n a l i n c l u d i n gc o m p e n e n tc h o i c e ，r u c t i o nr e a l i z a t i o na n ds c h e m a t i cd r a wa n ds oo n c o n c r e t ef u n c t i o nm o d u l eh a sw i r e l e s s t r a n s m i s s i o n ，i r d aa n du a r t c o m m u n i c a t i o n ，d a t aa c q u i s i o n ，d r i v i n gc o n t r l ，k e y b o a r d ，a n dd i s p l a ya n dp o w e r m a n a g e m e n ta n ds oo n 3 p r o g r a m m e ds y s t e ms o f t w a r eo fm u l t i - p u r p o s e t h es y s t e md e s i g n b a s e do nm o d u l a ri sw r i t t e ni ncl a n g u a g e e a c hm o d u l ep r o v i d e sd a t aa n d i n s t r u c t i o ni n t e r f a c ef o ri t sn e i g h b o u r i n gm o d u l eb e s i d e sc o m p l e t i n gr e s p e c t i v e f u c t i o n f l o wc h a r ta n dk e yc o d ea r eg i v e n 4 f o r m u l a t e dc o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l a n dd e s c r i b e d s o m e a n t i i n t e r f e r e n c em e a s u r e so fs y s t e m k e yw o r d s ：m o n i t o r i n gs y s t e m ，t e r m i n a l ，w i r e l e s s t r a n s m i s s i o n ，r a d i o f r e q u e n c y , i n f r a r e dc o m m u n i c a t i o n ，m c u 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名： 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定。其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的。 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签名： 导师签名：数l 盈。日期：2 2 ：兰! ! 太原理一【：大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 目前，在农业、工业、石油和化工等多个应用领域，管理部门为了对生产进行监测 和控制，采取的方法常常是人工操作或是基于电脑的集中式的有线控制。由于大量设备 的位置过于分散，一方面使工作人员劳动强度大大增d n ；另一方面，由于工作环境恶劣 或是现场设施的阻碍等原因，给有线网络建设也带来了一些困难。另外有线传输方式还 会带来成本较高、布线复杂、维护麻烦、灵活性和扩展性差、甚至在走线时对现场仪器 仪表、农作物等可能造成伤害的_ 系列问题，致使相应的管理部门无法及时、准确掌握 现场的生产情况和环境信息。为此相关行业迫切需要一种全天候分布式、采用无线传输 的自动监控系统，以解决实际生产所带来的问题。 1 i 课题背景及意义 分布式无线监测控制系统综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技 术和通信技术，能够协作地实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对 象的信息，并对信息进行处理，获得准确的信息，传送给用户，并且能够通过无线执行 机构节点改变网络中的环境和信息。这种分布式无线监控系统可以被广泛地应用于农 业、工业、环境监测、交通管理、医疗卫生、制造业、石油业、化工业等各个领域，是 目前很有潜力的一种应用无线通信的实时采集控制方案。而且分布式无线监测控制系统 以其大工程中的成本优势、建设周期短、维护方便、扩展适应性强、可靠性高、协作性 强、分布范围广等众多优点，在各种测控场合有着无可比拟的优势和广泛的应用前景。 由北京农业信息技术研究中心承担的蔬菜生产智能网络传感器体系研究与应用( 北 京市科技计划项目) 和农业部“引进国际农业先进技术”温室生态信息获取及精确施肥 灌溉智能控制系统中的子项目都对先进分步式无线监控系统多功能终端的研究提出了 很高的要求，本课题是在源于以上两个项目资助的情况下提出的。主要是将信息技术应 用于农业中温室环境的监测控制，通过有线或无线的方式构成网络，借助于终端节点中 内置形式多样的传感器和执行机构测量、控制所在周边环境中的环境参数( 如：温度、 湿度、露点) ，经过相关计算处理再利用无线执行机构改变以上参数。在温室大棚、精 细农业、节水灌溉、禽畜畜牧等领域应用很广。 太原理工大学硕十研究生学位论文 课题的提出和完成，不仅提高了农田温室管理的自动化水平和工作效率，促进了温 室无线监控系统的发展。而且还在科研上提出一种新的设计思想，采用无线通信技术， 结合嵌入式系统软硬件技术，实现数据无线通讯的分布式监控终端。因此本课题不仅具 有实践意义而且为未来无线监控终端智能化和多功能化提供了许多可借鉴的宝贵经验。 1 2 国内外研究进展 7 0 年代以来，工业制造进入计算机集成制造系统( c i m s ) 阶段。c i m s 中的一个 重要环节是利用计算机技术对生产过程进行监控、管理和控制，这涉及到众多现场设备 的分布式自动控制和信息集成。1 9 7 5 年美国h o n e y w e l l 公司推出的t d c 2 0 0 0 集散控制 系统是一个具有许多微处理器的分级控制系统，以分散的控制设备柬适应分散的过程对 象，并将它们通过数据高速公路与基于c r t 的操作站相连接，互相协调，一起实施实时 工业过程的控制和监测，实现了控制系统的功能分散，负荷分散，从而危险性也分散。 在此期间世界各国相继推出了自己的第一代集散控制系统d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o l s y s t e m ) 1 1 - 3 o2 0 多年来，随着通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的飞速发展和 f 1 益成熟。这种分布式控制系统经历了若干发展阶段，从集散控制系统( d c s ) 、现场总 线控制系统( f c s ) 到智能控制一维护一管理集成系统( i c m m s ) ，控制单元日益智能 化，控制的方式日益走向多智能控制单元的协同工作模式。现代化的现场设备不再是简 单的传感器和控制器，它具有一定的自主控制、数据管理和通信能力。其中开放式的系 统通信以有线或无线的方式，不仅向上可与以太网接口，或者通过网问连接器与其它网 络联系，构成复合管理系统，而且向下可支持现场总线【4 ，5 】。 分布式无线监控系统是在传统监测控制系统的基础上，结合当前蓬勃发展的无线通 信技术和信息处理技术而发展起来的新型测控系统f 6 l 。同时为解决传统分布式控制系统 存在重新布线、布线困难、维护复杂等一系列问题而采取的一种方式，可以使被控设备 独立设计，方便灵活。分布式无线监控系统的组网方式有很多种，常用的实现方式有： 利用现有的无线通信网络( g s m g p r s 、c d m a 移动网等) 和相应的无线通信产品；通过 无线收发设备，如无线m o d e m ，无线网桥等专门的无线局域网；利用收发集成芯片在监 测站端实现电路板级与监控中心的无线通信【t 引。 1 利用现有网络实现监测站与监控中心的无线通信 现有的通信网络较多，按业务建网是3 g 以前通信网络的特点，无线网络也不例外。 2 太原理1 ：大学硕士研究生学位论文 设计无线远程监控系统可以借用的无线网络主要有：全球数字移动电话系统( g s m ) 、通 用分组无线业务( g p r s ) 、采用码分多址( c d m a ) 技术的移动网、蜂窝式数字分组数据 ( c d p d ) 系统。 为使监控中心与监测站间的无线通信能利用现有的网络，对于特定的无线网络需用 相应的接入设备。这类设备市面上有现成的产品可供选择。接入g s m 网络的通信模块有 西门子的s i e m e n st c 3 5 i ，接入g p r s 可用西门子的m c 3 5 g p r s 模块，接入c d m a 网络的 有华立h 1 1 0c d m a 模块和a n y d a t a 公司的c d m am o d e m ( d t f 一8 0 0 1 8 0 0 ) ，遵循c d p d 方式 的无线调制解调器( m o d e m ) 有o m n i s k y 和n o v a t e l m i n s t r e 。 利用现有的网络组建无线远程监控系统。其中无线接入模块产品一般都提供有 r s 2 3 2 作为外通信接口，有些天线是内置的。利用现有的网络覆盖面广和可漫游等特点， 使监测站和控制中心的位置不受距离的限制；但由于利用公网，不仅涉及到费用而且安 全性也会有所降低，在网络繁忙阶段实时性也有所下降。 2 通过专用无线收发设备建立无线局域网 这种设计实现方式结构简单，且无须向网络运营商付费；利用专网，安全性高。无 线传输以微波作传输媒体，根据调制方式的不同，可分为扩展频谱方式和窄带调制方式 两种。扩展频谱方式系统的抗干扰能力和安全性高，对其它电子设备的干扰小。窄带调 制方式占用频带少，频带利用率高；通常选择专用频段，需要申请：相邻频道间影响大， 通信质量、通信可靠性无法保障。 采用专用无线收发设备建立无线局域网的无线收发设备包括无线m o d e m 和无线网 桥等。无线m o d e m 与监测站和控审4 中心之间采用r s 2 3 2 通信。若采用网桥为网络组建设 备，网络拓扑结构将更为灵活。其中在无线网两端的有线网络是可取舍的，可以是以太 网、令牌环网或点对点网络等本地局域网。也可以是城域网，甚至是因特网，但使用时 须考虑安全性和费用问题。 3 利用收发集成芯片在监测站端实现的无线通信【9 】 前两种组网方式的一个特点是采用现有的网络系统和产品，无线通信部分不须专门 丌发，实现较为容易。但由于所购买的产品均是独立器件，使整个系统特别是监测站一 端结构复杂、体积庞大，往往在系统推广时会带来不利，且外购产品会增加系统的成本。 若能将外购产品的功能与监测站集成在一起，在电路板级实现，将可以避免上述不利因 素；但这会增加系统开发的难度，延长研制周期。 太原理工人学硕士研究生学位论文 收发集成芯片包括：没有专利保护的i r d a ( i n f r a r e dd a t aa s s o c i a t i o n ) 红外数 据采集部分；u h f ( 特高频) r f 部分( 实现起来比较便宜，但需要付专利费) ；以及扩 频部分( 先进的产品设计工作在2 4 g h z ，但没有专利保护) ；工作频率一般为国际通用 的i s m ( i n d u s t r i a l 。s c i e n t i f i ca n dm e d i c a l ) 频段，采用低发射功率、高接收灵敏 度的设计，所以使用时对周围干扰很小，无需申请许可证，传输距离受环境影响。 工业、医疗以及科研上遥控使用的波段简称为i s m 频带，这些频带的频率范围包括 9 0 2 - 9 2 8 m h z 、2 4 2 4 8 3 5 g h z 、以及5 7 2 5 5 8 5 0g h z 共三段。 目前，基于上述三种无线方式构建的分布式监控系统在国外和国内都有研究。美国 的网件公司( n e t g e a ri n c ) 根据目前无线技术的发展和应用模式多样化的特点，着眼 于现在及将来的技术发展趋势，创新的采用了无线分布式系统的技术，为不同环境下的 不同业务需求，提供了多种无线应用解决方案。根据无线访问点( a p ) 的功用不同，w l a n 可以根据用户的不同网络环境的需求，实现不同的组网方式。目前n e t g e a r 无线访问点 ( a p ) 可支持：a p 模式、点对点桥接模式、点对多点桥接模式、a pc l i e n t 客户端模式、 混合模式和无线中继器模式六种组网方式1 1 8 位于美国硅谷的v i v o d ac o m m u n i c a t i o n s ， i n c 公司研发的v d h 一2 2 0 2 c d m a 嵌入式移动监控设备，集c d m a 数据通讯功能和数字视 频编解码功能为一体，采用先进的c d f a 模块，行业领先的d s p 视频处理技术，借助 c d m a 2 0 0 0 1 x 网络的广泛覆盖，结合功能强大的视频服务器软件，构成了完整的基于 c d m a 的嵌入式视频监控解决方案【1 码。并且在设计上重点考虑了产品的可靠性、高效性、 便捷性、安全性，使得系统部署更加灵活，应用更加广泛。生产厂设在澳大利亚的e l p r o 公司是专门从事无线监控系统设备制造的一个企业，是无线监控技术方面的世界级专 家，曾经为航空、航天业的发展做过重大贡献。主要产品有：无线智能测控终端，遥控 遥测系统，r t u ，无线s c a d a 系统等。 在国内，如上海的万世兴科技有限公司专注于物理电子、远程无线数据语音视频 网络的研究、开发与销售，为国内各大运营商和行业专网用户以及家庭提供高质量的无 线网络工程服务。同时为客户提供私网小灵通方案和无线局域网方案，特别关注于水上 航运、海上陆地石油开采、水利、旅游景区等需要长距离，大数据量传输的无线视频 监控和语音通信工程。深圳市优比特数码科技有限公司是一家专业从事数字化无线监控 系列产品研发、生产的高科技企业。采用u b i t 技术的产品在金融、电力、教育、交通、 石化、智能化小区、家庭等十几个行业已经得到广泛应用。还有深圳市丰利源科技有限 太原理工人学硕士研究生学位论文 公司的数据无线测控系统、西安电子科技大学的t ：l m c s - - 2 4 0 0 无线测控系统等等 1 5 48 1 。 1 3 存在问题小结 由上述可知，分布式监控系统在国内外都有了较好的发展。但现有的分布式信息采 集控制系统一般采用有线连接、利用现有通信网络、基于无线传输的数传模块及数传电 台等方式来进行组网。或多或少都存在一定的问题和缺陷：1 、有线连接使系统网络布 线复杂、成本增加、故障率高。2 、基于无线传输的数传模块功能单一，不同时具备采 集和控制功能；利用现有的g p r s c d m a 等公网组建无线远程监控系统会涉及到费用和安 全问题；通过专用无线收发设备建立无线局域网灵活性高，但频段需专门申请，不仅成 本高而且相邻频道问影响大，通信质量、通信可靠性无法保障；3 、很多系统中存储容 量相对偏小，没有数据保存和数据备份功能，不便于参考研究。4 、不能采用电池供电 或者电池使用效率较低，无法充分延长系统的工作时间。导致便携度差。5 、数据采集 或控制方式单一，灵活性和扩展性较差。6 、无红外接口，不能对分布式系统节点灵活 的进行配置或者应用于一些特殊场合。 1 4 论文主要内容及组织 本课题考虑到以上一些缺陷，结合无线通信技术、传感器技术、嵌入式计算技术和 分布式信息处理技术，利用收发集成芯片在监测端实现无线通信，并同时集数据采集和 驱动控制为体，构建分布式无线监测控制系统。系统中的多功能终端节点能够实时监 测和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，通过无线方式传至上位机。上 位机对数据进行分析后，再通过无线方式控制终端节点，进而改变网络中的环境和信息。 具体来说，主要研究内容有：分布式无线监控系统多功能终端节点的硬件平台、多 功能终端节点的软件平台以及相关技术。 1 终端节点硬件平台的设计。包括数据采集、数据处理、无线r f 、控制输出和电 源五大模块。其中数据采集包括对模拟、数字和脉冲等各种通用信号的测量和处理。数 据处理涉及微处理器、存储器、i o 通道及其相互之间的总线连接方式等等。无线r f 包括通讯协议、调制方式、编码解码、功耗增益、通信速率和工作频段等。控制输出是 终端节点的无线执行机构，具有通用开关量、继电器、电机等各种控制接口。电源则是 太原理j = 大学硕+ 研究生学位论文 对终端节点每个模块进行供电；主要功能模块如图l1 所示。 存储器 r i- j 无线模块 _ j 数据传输 传感器卜_ 叫a d c 【 +处理器e i i ： 数据获取 啕驱动电路i 数据处理 ：控制输 l 竹1 fn ： 电源 ： l 图1 1 主要功能模块图 f i g 1 - 1m a i nf u n c t i o nm o d u l e 2 研究整体节能供电策略，低功耗设计方案。所有的终端节点都可采用电池供电， 研究可靠的动态的能源管理方案，低功耗设计思想贯穿整个设计始终： 3 设计r s 2 3 2 和r s 4 8 5 通讯接口。解决了中心监测站与多功能终端节点之间的串 口通信问题。即可与p c 通信，又可采用有线方式组网： 4 设计无线通信和l r d a 红外通讯接口，实现远距离和近距离的无线通信； 5 研究高频电路设计及数字模拟混合电路的设计； 6 多种数据采集接口和多种驱动控制方式的设计及实现； 7 研究混合电压系统的设计，给系统各模块提供不同的电压； 8 开发基于终端节点的软件平台，并对其各功能模块的设计和实现进行重点讨论。 软硬结合，力求达到最佳效果； 论文共分为五个章节，结构安排如下： 第一章论述本课题的研究背景、存在问题及主要研究内容； 第二章介绍了系统的总体设计结构、设计目标及各部分应实现的功能，并对多功能 终端各关键模块的芯片选型进行了重点描述； 第三章详细介绍了系统各功能模块的硬件设计思路和实现过程，给出了相应的电路 原理图： 第四章是系统软件实现部分，给出了各个模块的程序设计思路、流程图和有关代码； 第五章对论文的研究内容作了总结，指出了有待改善的几个方面和进一步研究的工 作方向。 太原理1 ：大学硕士研究生学位论文 第二章系统总体设计及器件选型 2 1 系统设计目标及功能 多功能终端节点可以实现对温湿度环境参数的自动采集，并完成一定的自动控制功 能：也可采用带有红外接 e l 的便携式设备对它进行设置，使多功能终端节点之间可以相 互协调工作。多功能终端节点可与上位机采用无线或有线方式通信，实现远程监控功能。 多功能终端节点的软件应用平台可以实现对所获数据的处理分析并完成对多功能 终端节点的控制。软件开发组件化、模块化、信息交换和硬件接口标准化。软件运行良 好、操作简单、扩展性强、可靠性高。系统达到的主要性能指标： 1 ) 温度测量范围一4 0 1 2 3 8 。c ，精度为士o ，49 c ；分辨率：o 1 度；( 在2 5 。c 时) 2 ) 湿度测量范围0 1 0 0 r h ，精度为土3 r h ；分辨率：o 1 ；( 在2 5 。c 时) 3 ) 露点温度测量精度：1 0 度；分辨率：o 1 度；( 在2 5 。c 时) 4 ) r f 输出最大功率+ 1 0 d b m ；波特率4 8 k b p s ，工作频率4 3 3 m h z ； 5 ) 自锁继电器额定工作电压：1 2 - - 2 4 v d c ；触点负载：2 5 0 v a c6 0 a ； 6 ) 自锁继电器驱动脉冲宽度 ，5 0 m s ；额定功耗：4 w ： 7 ) 自锁继电器驱最小吸合( 或释放) 电压：1 0 v d c ； 8 ) 驱动控制输出电流达到2 a 左右； 整个系统所要求实现的功能如下： 1 ) 组网形式采用点对多点。集中管理，分散控制； 2 ) 基于r f 无线传输，i s m 频段组网： 3 ) 集无线传输和有线传输为一体，同时具备采集和控制功能； 4 ) 可采用电池供电，低功耗设计可使系统工作时间更长； 5 ) 实现多种参数共同测量同时具有执行控制机构； 6 ) 传感器的使用上更具灵活性( 模拟、数字) ； 7 ) 各有r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、i r d a 红外多种通讯接口： 8 ) 智能终端即可单独使用，也可联网组成无线监控系统： 9 ) 良好的软件协作和数据管理能力； 太原理一r 大学硕十研究生学位论文 2 2 系统总体设计结构 2 2 1 系统组成结构 根据上面所分析的整个无线监控系统设计目标以及系统性能指标的要求，系统可以 分为单片机控制模块、射频无线通信模块、红外通信模块、时钟模块、数据采集模块、 控制驱动模块、串口通信模块、按键显示模块、看门狗模块以及电源管理模块等。系统 基本功能框图如图2 1 所示。 按键模块 液晶显示模块 计算机、红外设备ll 数字信号采集接口 r s 2 3 2 4 8 5 i r d a ii 多路选择器 单片机c 8 0 5 1 f 3 1 0 a d 转换 多路模拟开关 拟信号采集接口 驱动器 二 继电器 _ 受控设备 图2 1 系统基本功能框图 f i g 2 - 1s y s t e mb a s i cf u n c t i o nd i a g r a m 2 2 t 2 无线监控系统多功能终端的功能模块 中央处理单片机：系统的核心控制单元，主要完成对各个模块的协调控制。 无线射频模块：完成主控室与下位机之间的数据通信，是监控系统的关键部分，其 性能的好坏直接影响到整个系统的性能指标。 存储模块：用于存储读取的传感器中的数据以及系统的其他的一些信息。 红外模块：系统参数配置或者应用于某些特殊场合。 l c d 显示模块：显示交互内容，与按键共同实现用户操作界面。 串口通信模块：r s 2 3 2 和r s 4 8 5 分别实现近距离和远距离的有线方式通信。 电源管理模块：负责为整个系统的供电，包括数字电源和模拟电源。 看门狗模块：增强系统的抗干扰性，系统遇强干扰崩溃后，可自行恢复。 8 量黑 太原理一l 大学硕士研究生学位论文 2 3 无线监控终端系统的关键器件选型 2 3 1 主控制器m c u 选型 目前使用相对较多的单片机是m c s 8 0 5 1 及其兼容系列，而m c s 一8 0 5 1 单片机的片内 r o m 或e p r o m 使用不便，存储容量小；m c s 8 0 3 1 片内无r o m ，速度低，功耗大。一些1 6 位单片机、3 2 位的a r m 芯片性能好，但价格高，且考虑到智能终端的实际用途，有些 功能用不上。 基于低功耗的开发目标，系统主控器总体设计首先要选择低功耗的芯片；低电压供 电的单片机除了能减小单片机本身功耗以外，还可以使外部逻辑电路功耗降低，这对实 现系统低功耗有着重要的作用。另一方面，本系统要求单片机具有较高的处理速度。综 合多种因素，本系统选择c y g n a l 公司开发的c 8 0 5 1 f 系列单片机中的c 8 0 5 1 f 3 1 0 单片机。 c y g n a 公司开发的c 8 0 5 1 f 系列的单片机采用c i p 一5 1 内核，大大提升了c i s c 结构 的运行速度。然而，c y g n a l 公司在提升8 0 5 1 速度上又采用了新的途径，即在设法保持 c i s c 机构和指令系统不变的情况下，对质量运行实行流水作业，推出了c i p 一5 1 的c p u 模式。在这种模式中，不再区分时钟周期和机器周期，指令以时钟周期为运行速度。能 在执行指令期间预处理下一条指令，提高了指令的执行效率。即与8 0 5 1 相比，在相同 时钟下，单周期指令的运行速度为原来的1 2 倍；整个指令集平均运行速度为原来的9 5 倍，使得c 8 0 5 1 f 单片机进入了8 位高速单片机行列【2 0 1 。 c 8 0 5 1 f 3 1 0 单片机具有与8 0 5 1 兼容的微控制器内核c i p 一5 1 ：采用高速的流水线结 构，7 0 的指令的执行时间为一个或两个系统时钟周期，峰值可达2 5 m i p s ( 时钟频率为 2 5 m h z 时) ；存储器：1 2 8 0 字节内部数据r a m ( 1 0 2 4 + 2 5 6 ) ；1 6 k bf l a s h 存储器：可在系 统编程，扇区大小为5 1 2 字节。数字外设：2 9 个端口i 0 ，所有口线均耐5 v 电压；硬 件增强型u a r t 、s m b u s 和s p i 串口：4 个通用1 6 位计数器定时器；1 6 位可编程计数器 定时器阵列( p c a ) ：有5 个捕捉比较模块，使用p c a 或定时器和外部时钟源的实时时 钟方式；1 个2 0 0 k s p sl o b i t 分辨率的a d 转换；时钟源：内部可编程振荡器为2 4 5 m h z ， 2 的精度，可支持无晶体u a r t 操作；外部振荡器为晶体、r c 、c 、或外部时钟；可在 运行中切换时钟源，适用于节电方式。在片调试：片内调试电路提供全速、非侵入式的 在系统调试( 不需仿真器) ；支持断点、单步、观察修改存储器和寄存器；比使用仿真 芯片、目标仿真头和仿真插座的仿真系统有更优越的性能。 太原理j 二大学硕十研究生学位论文 2 3 ，2 射频通信模块选型 由于无线收发芯片的种类和数量比较多，无线收发芯片的选择在设计中是至关重要 的，正确的选择可以减小开发难度，缩短开发周期，降低成本，更快地将产品推向市场。 选择无线收发芯片时应考虑需要以下几点因素；功耗、发射功率、接收灵敏度、收发芯 片所需的外围元件数量、芯片成本、数据传输是否需要进行曼彻斯特编码等2 2 1 。三款典 型的通用r f 数据通信芯片n r f 4 0 1 、c c i o i o 和c c l 0 2 0 对比描述如下： 夺n r f 4 0 1 无线收发芯片 n r f 4 0 1 是n o r d i c 公司研制的单片u h f 无线收发芯片，工作在4 3 3 m h z l s m ( i n d u s t r i a l ， s c i e n t i f i ca n dm e d i c a l ) 频段。它采用f s k 调制解调技术，抗干扰能力强，并采用p l l 频率合成技术，频率稳定性好，发射功率最大可达l o d b m ，接收灵敏度最大为一1 0 5 d b m ， 数据传输速率可达2 0 k b p s ，工作电压在+ 3 - 5 v 之间。n r f 4 0 1 无线收发芯片所需外围元件 较少，并可直接接单片机串口。 夺c c i o i o 无线收发芯片 c c i o i o 是根据s m a r t r f 技术，在0 3 51 1m c m o s i 艺下研制出的一种理想的超高频单 片收发通信芯片。与以往r f 芯片不同的是，c c l 0 1 0 内部集成了高性能的8 0 5 1 微处理器。 它具有低电压、低功耗、高灵敏度、尺寸小等特点，与很少的一些外围器件搭配就可以 设计成强大的具备无线通信能力的嵌入式系统。c c i o i o 芯片主要有8 0 5 1 处理器、f l a s h 编程d m a 、数据加密模块、看门狗时钟、p w m 、特殊功能寄存器、r f 收发器等部分组成。 夺c c l 0 2 0 无线收发芯片 c c l 0 2 0 是种理想的超高频单片收发芯片，它专用于低功率和低屯压类无线电产 品。此模块电路系统主要设计用于i s m ( 工业、科学及医疗) 方面以及s r d ( 短距离通讯) ， 工作频带在3 1 5 、8 6 8 及9 1 5 m h z ，但c c l 0 2 0 # 艮容易通过编程使其工作在3 0 0 1 0 0 0 m h z 范围 内。c c l 0 2 0 是特别为4 2 4 至4 7 0m h z 及8 4 8 至9 4 0m h zi s m 频带，f s k 及a s k 调制窄频 无线数字通讯而设。除拥有窄频功能( 1 2 5 k h z 及2 5k h z 频宽) 外，c c l 0 2 0 还结合了高 速率( 最高为1 5 3 6k b a u d ) 、体积小、高集成度，低电量及外围零件少等优势。c c l 0 2 0 之应用范围广，适用于家居智能化、自动抄表系统、无线话音系统( 如供手机用的无线 耳机) 、无线游戏控制器、无线数据传送系统、无线数字电话、无线保安及防盗系统等。 c c l 0 2 0 为用户提供一个完美的无线通讯方案。 上述三款芯片在无线数传中得到大量应用。性能对比如表2 一l 。 1 0 太原理：大学硕士研究生学位论文 袁2 一l 性能对比 t a b 2 - 1p e r f o f i n a n c ec o n t r a s t 芯片n r f 4 0 1c c l o l 0c c l 0 2 0 生产厂商n o r d i c c h i p c o nc h i p c o n 频段 4 3 3 m h z 3 1 5 4 3 3 8 6 8 9 1 5 删z4 2 4 4 7 0 8 4 8 9 4 0m h z 最大发射功率 + 1 0 d b m + 1 0 d b m+ l o d b m 最高灵敏度 - 1 0 5 d b m一1 0 9 d b m 一1 1 9 d b m 最高通信速率2 0 k b p s 7 6 8 k b p s 15 3 6 k b p s 调制方式 f s k f s k a s k f s k g f s k l 作电压 2 7 5 2 5 v2 7 0 6 v 2 3 3 6 v 接收电流1 l m a9 1 m a1 7 m a 发送电流 2 8 m a2 6 m a2 6 m a 低功耗电流 8 0 a 1 u a1b t a 综上所述，在综合考虑了功耗、发射功率、接收灵敏度、收发芯片所需的外围元件 数量、芯片成本、数据传输是否需要进行曼彻斯特编码等因素的前提下，加之为了提高 无线数据传输系统的传输距离、多频段选择以及易于模块功能扩展，所以选择c c l 0 2 0 无 线收发芯片。 2 3 3 红外通信模块选型 ， 红外通讯是利用红外光进行通信的一种空间通信方式。红外通信标准i r d a 是目前 i t 和通讯业普遍支持的近距离无线数据传输规范。尽管通信距离只有几米，红外光却 是有许多优势的通讯媒介。它的小型化和低成本，很适合应用在手机、电子商务、数字 照相机等便携式产品中。相对简单的红外连接使它能适应不同的操作系统和大范围的传 输速率。红外连接比有线连接更安全可靠，它避免了因线缆和连接器磨损和断裂造成的 检修。通常两个红外设备必须在视线上直接对准，才能进行数据交换，这就提供了一个 固有的安全品质保证。不像无线电频率，红外光不会穿墙而过，因而在一个封闭区域内， 红外光是一种安全传输媒介d7 1 。 传统红外收发器采用分立元件配合外围电路构成，效果较差，离商业应用还有一定 差距。本设计采用v i s h a y 公司的串行红外收发芯片t f d s 4 5 0 0 和t o i m 3 2 3 2 传输控制器。 内部集成了整形滤波、驱动电路加红外发射管、放大电路加红外接收管，并做了整体的 太原理二r = 大学硕士研究生学位论文 电磁干扰( e m i ) 防护。因而可靠性和性能都大于分立元件构成的系统。 2 3 4 数据存储芯片选型 多功能终端采集到的环境参数( 如温度、湿度、露点) 信息量较大，需要选择的存 储器必须提供足够大的存储空间；不仅能长时间保存，而且能很容易刷新，用r o m 或e p r o m 虽能长期保存，但数据刷新困难；用r a m ) $ t j 新容易，但是一掉电数据将全部丢失。因此， 本系统需要一款存储器来保存写入频率要求较高且要求掉电不丢失的数据。在这个领 域，通常采用内部具有锂电池的不挥发n v s r a m 作为存储器件，但该类器件昂贵的价格又 制约了其在本读卡器系统中的应用，而如果使用与其兼容的铁电存储器f r a m ，则可很好 地解决成本问题，同时又可得到更高的数据存储可靠性。铁电存储器是r a m t r o n 公司的 产品，该产品的核心技术是铁电晶体材料，这一特殊材料使得铁电存储器产品同时拥有 随机存储器( r a m ) 和非易失性存储器( r o m ) 产品的特性。f m 2 5 l 2 5 6 是基于铁电存储器原理 制造的s p i 全双工同步串行总线接d 2 5 6 k b i t 铁电存储器，该存储器相比其它类型的存储 器有三大特点：铁电存储器具有随总线速度写入无延迟；支持无限次写入；低能耗写入； 即使不能掉电保存数据也可以作为r a m 用。相对于e e p r o m ，用户可以从f m 2 5 l 2 5 6 的快速 的写入速度以及极高的擦写次数方面得到很多益处。另外还有其它的一此好处，比如在 高噪声环境下，由于f m 2 5 l 2 5 6 的写入速度极快，它受干扰的可能性就很小。与f m 2 5 l 2 5 6 比较，e e p r o m 需要几个毫秒完成一个写操作，那么它受干扰的可能性也就大得多。 基于以上特点，本系统选择低工作电压的铁电存储器f m 2 5 l 2 5 6 作为采集数据的临时 缓冲区，单片机可以将临时采集的数据存放在其中，由于f m 2 5 l 2 5 6 为s p i 总线工作方式， 速度较快。这样，即使系统突然掉电也不会造成采集的数据的丢失。然后由单片机控制 将铁电存储器中的数据转移到上位机或其它存储设备中。这样系统就利