【《某土壤湿度测量系统的硬件设计案例》8400字】

某土壤湿度测量系统的硬件设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u273971.1单片机核心模块 2182291.1.1单片机最小系统 2211321.1.2板载仿真器 3295091.1.3USB接口电路 485891.2激励模块 569841.3电容转换模块 8160171.4滤波模块 1022311.5幅相检测模块 1176691.6人机交互模块 1451481.6.1按键电路 1474741.6.2液晶显示电路 15224631.7无线通讯模块 1675161.8电源管理模块 17185951.9PCB排版与焊接调试 19324231.10小结 20本文测量系统硬件以MSP430F5529单片机为控制和运算核心，主要由单片机核心模块、激励模块、电容转换模块、滤波模块、幅相检测模块、人机交互模块、无线通信模块和电源管理模块构成。系统硬件框图如图1.1所示：图1.1系统硬件框图Fig1.1Systemhardwareblockdiagram1.1单片机核心模块单片机核心模块是整个测量系统的控制核心，功能是统一调度其他各模块运行并对信号进行处理和运算，最关键的要求是具有低功耗特点。本文出于功耗、成本和性能等各方面因素考虑，选用TI公司的MSP430系列的单片机作为核心芯片。单片机核心模块主要由单片机最小系统、板载仿真器、USB接口模块组成。除此之外，单片机核心模块还预留了单片机大部分的引脚可供与外部电路连接。该模块可以实现单片机的正常运行，可以用USB线直接烧写程序，不需要使用外接仿真器。1.1.1单片机最小系统单片机最小系统是指可以使单片机工作的最基础电路，功能是为单片机提供供电接口、时钟基准、复位电路以及程序烧写接口等最基础的运行条件。单片机最小系统外围电路主要包括外部晶振电路、复位电路和JTAG接口，以及+1.3V的供电电压为单片机供电。外围时钟电路选择典型的32768Hz无源晶振为单片机提供外部时钟基准，可以为单片机提供精确的时钟源信号。复位电路的主要功能是结合复位按键实现用户对单片机系统的人工复位，可以使用户在必要时将系统重启。JTAG接口连接单片机与板载仿真器电路，是软件程序烧写进入单片机的通道。单片机最小系统的原理图如图1.2所示。图1.2单片机最小系统原理图Fig1.2Schematicdiagramofminimumsystemofsinglechipmicrocomputer1.1.2板载仿真器板载仿真器的设计让核心板可以通过USB接口直接与PC端连接，不需要额外的仿真器就可以完成程序的烧写与调试，其功能是将CCS软件平台与单片机连接实现程序烧写和实时调试。板载仿真器的烧写芯片选用MSP430F5528，其外围电路与单片机最小系统类似。板载仿真器电路原理图如图1.3所示。图1.3板载仿真器原理图Fig1.3Schematicdiagramofonboardsimulator1.1.3USB接口电路USB接口电路主要实现了供电和通信两部分功能，USB启用时，系统将使用USB端口提供的5V电压作为供电电压，并在此基础上产生其他电压等级，其他时段使用电池供电，USB最主要的功能是通信，它是连接CCS软件平台与板载仿真器的接口，在程序烧写和实时调试时传输数据。USB串行接口集线器选用德州仪器公司生产的TUSB2046B。USB接口电路原理图如图1.4所示。图1.4USB接口电路原理图Fig1.4SchematicdiagramofUSBinterfacecircuit1.2激励模块激励模块的功能是发生兆赫兹级别的固定频率正弦交流信号，施加于传感器的激励电极，从而在检测区域产生电场，使检测区域内的介电常数变化可以被传感器感知。电容传感器测量土壤湿度实际采用的是介电测量的原理，但是土壤的介电常数不仅只受土壤湿度的影响，还会被土壤的其他物理参数影响，从而对测量结果产生干扰，这其中影响最大就是土壤的电导率，因为土壤电导率和介电损耗相关联，若要减小电导率对介电测量的影响，需要提高激励信号的频率达到兆赫兹级别，本文激励信号频率为5MHz。正弦信号的生成有多种方案可选，常见的方案有数字模拟转换器（DAC）输出正弦波、各类振荡电路也可以各种周期性信号、方波经过高阶滤波器组后可输出正弦波、直接数字频率合成器（DDS）可产生频率和幅值高度可控的周期信号等。数字模拟转换器（DAC）输出的正弦波常用于对正弦波波形精度要求不高的场合，振荡电路多适用于固定频率的正弦信号生成，用方波滤波产生正弦波的方法需要阶数很高的滤波器，电路也相对复杂，应用DDS产生正弦波信号是近年来趋于普遍的方案，特点是精度较高，频率也易于控制，但是成本也较高。因为本系统仅需要固定频率的激励信号，所以对调频没有过多要求，再结合成本等其他因素综合考虑，最终本系统采用振荡电路的方式产生高频正弦波激励信号。振荡电路是能够产生大小方向都随周期发生变化的电信号的电路，按照其输出的信号波形，振荡电路主要分为正弦波振荡电路和非正弦波振荡电路两大类，因为正弦信号在各种系统中应用最广泛，所以其中最常见的是正弦波振荡电路。正弦波振荡电路根据其核心器件，主要分为LC振荡电路、石英晶体振荡电路和RC振荡电路等，分析这三类振荡电路的应用场景可知，LC振荡电路主要用于在较高频率范围内生成正弦波，一般在兆赫兹级别，石英晶体振荡电路由于其内部具有稳定的石英晶体，适用于对信号频率的稳定性有需求的场合，而RC振荡电路仅适合产生低频信号。因此测量系统选择LC振荡电路作为激励模块的振荡电路。LC振荡电路是指其选频网络主要是由感性器件和容性器件两类元器件组成的振荡电路，最常见的用途是用于产生频率范围在中高频段的正弦波信号。LC振荡电路又可以细分为变压器反馈式LC振荡电路、电感三点式振荡电路和电容三点式振荡电路这三类。变压器反馈式LC振荡电路的特点是可以产生较大频率范围内的信号，通常可以产生数十千赫兹到数十兆赫兹的正弦波信号，容易起振，但是频率不够稳定。电感三点式振荡电路频率同样具有较大的可选择范围，可以快速起振的优点，但是其缺点是输出的正弦波信号含有不可忽略的高次谐波成分，波形有一定程度失真。电容三点式振荡电路的特点是频率较为稳定，且输出波形比较标准，适用于兆赫兹级别的正弦波生成，但是不方便对选频网络进行调节，只适用于固定频率的正弦波生成。由于本文中是需要由固定频率信号来进行激励，所以本文选择电容三点式振荡电路模型。图1.5电容三点式振荡电路Fig1.5Capacitancethreepointoscillationcircuit电容三点式振荡电路别称是考毕兹振荡电路，是一种应用较为广泛的自激振荡电路。主要是由选频网络回路及正反馈放大电路组成，最主要特点是选频网络的两个串联电容的两端与中间分别与三极管的基极、集电极和发射极相接。其电路模型如图1.5所示。为了改善其电容随环境温度改变而引起的频率波动，在电容三点式振荡电路的基础上有两种改进方案。第一种改进方案为克拉泼振荡电路，是电容三点式振荡电路的一种串联型改进，其电路图如图1.6所示，具体改进方法是在选频网络的电感支路上串联一个电容，这样做可以减小晶体管与振荡回路之间的耦合从而提高振荡回路的稳定性。第二种改进方案为西勒振荡电路，是前者的一种并联型改进，其电路图如图1.6所示，具体改进方法是在克拉泼振荡电路增加一个串联电容的基础上，又在电感处并联一个容值比较小的电容，这样做可以在提高振荡回路稳定性的同时，增加了频率的调节范围。所以本文选择由传统电容三点式振荡电路改进的西勒振荡电路作为激励模块方案。图1.6克拉泼振荡电路和西勒振荡电路Fig1.6ClapperoscillationcircuitandSchilleroscillationcircuit振荡电路直接输出的信号幅值较小、负载能力不强，为了确保有效地激励传感器，对振荡电路的产生的正弦激励信号进行一级同相放大，确保该激励信号的负载能力。振荡电路和放大电路共同组成了激励模块，产生可以激励电容传感器的高频正弦波信号，激励模块的电路原理图如图1.7所示。图1.7激励模块原理图Fig1.7Schematicdiagramofexcitationmodule在激励模块电路设计完成后，对激励模块振荡电路搭建了实际电路进行了验证，采用面包板和电子元器件搭建了振荡电路并进行测试，测试结果证实该振荡电路可以产生5MHz的正弦信号，并且波形标准，频率稳定，符合激励模块的设计目标和要求。振荡电路输出波形如图1.8所示。图1.8振荡电路输出波形Fig1.8Outputwaveformofoscillationcircuit1.3电容转换模块电容转换模块是测量系统的重要模块，主要功能是电容电压转换、阻抗匹配以及信号放大。由于待测土壤样本的湿度与其介电常数相关，从而与传感器的等效极间电容相关。电容转换模块将传感器的电容值变化转换为正弦信号的波形变化，该模块难点在于传感器输入阻抗非常高，输出信号很微弱，并且容易受到噪声信号的干扰，具体实现方式就是将传感器的等效模型接入运放电路中，传感器的等效极间电容与该模块的传递函数有关，所以测量得到模块前后的信号幅值增益和相位差就可以计算传感器的等效极间电容，再通过标定实验得到的函数模型推算土壤湿度值[[][] 黄云志,郑亮,汪蓓蓓.多波长边缘电场传感器介电测量系统的研究[J].电子测量与仪器学报,2015,29(06):853-859.平面电容传感器因为其独特的电极排列方式，导致输入阻抗非常高，同时输出信号很微弱，并且容易受到噪声信号的干扰，为保证测量精度，电容转换模块的主要作用就是降低输出阻抗，同时放大传感器输出的响应信号。通过实验室的LCR精密阻抗测量仪器对将要使用的平面电容传感器的阻抗值进行测量，得知平面电容传感器的阻抗达到，为实现阻抗匹配，所选的运放输入阻抗要比传感器输出阻抗高，为减小偏置电流对信号造成的误差，所选运放的应该具有极低的偏置电流。综合考虑系统的低功耗要求，选择一款输入阻抗在以上，并且输入偏置电流仅为±5pA的低功耗、低噪声的高速运算放大器OPA301。采用+5V单电源供电，具有高达150MHz的带宽增益，静态工作电流仅9.5mA。电容转换模块电路原理图如图1.9所示。图1.9电容转换模块原理图Fig1.9Schematicdiagramofsignalconditioningmodule该模块本质是一个运算放大电路，驱动信号的交流分量会通过传感器的等效电容进入运放，而驱动信号如果含有直流分量会被传感器的等效电容隔直，无法通过传感器以及运放。电容转换模块的反馈通道采用反馈电容和反馈电导并联的双反馈通道设计，若仅有反馈电容所在的交流反馈通道，未设计与之并联的直流反馈通道，电路将无法运行于稳定的直流工作点，如果运放输出的直流信号产生任何波动，势必引起输出的交流信号出现饱和，从而造成信号失真，使测量难以有效进行。为避免不稳定直流分量对测量结果造成影响，必须建立直流反馈通道。其作用不是对运放正向端的直流信号进行放大，而是提供直流反馈通道防止输出信号因直流信号波动而产生饱和现象。施加在运放正向端的直流电压不会被放大，而是直接叠加到输出端信号，成为输出端正弦波信号的直流偏置。1.4滤波模块滤波模块的主要功能是在驱动信号和调理输出信号进入幅相检测模块之前，对两路信号进行滤波处理，除此之外还负责在滤波之后添加偏置电压以满足AD采样的幅值要求。由于两路信号的频率均为5MHz，所以需要设计中心频率为5MHz的带通滤波器对两路信号进行滤波，只保留理论上频率为5MHz的激励信号和响应信号。通过二阶低通滤波器完成对高频噪声的滤除，通过二阶高通滤波器完成对直流分量和低频噪声的滤除，将二者串联实现带通滤波功能，其优势就是可以减少信号相移，获得更好的滤波效果。为了方便调节滤波器的增益，低通滤波器模型选用增益可调的阶数为2的压控低通滤波器，同样，高通滤波器模型选用增益可调的高通二阶压控滤波器，使带通滤波器可以根据实际信号大小，灵活调节增益，从而调整信号幅值。运算放大器选择的是一款具有禁用功能的高带宽运算放大器OPA2836，可以在单片机的配合下在间断性工作，降低系统平均能耗，延长电池寿命。因为幅相检测模块的输入信号幅值范围为0V至+5V，为单极性输入，所以还需要将滤波后的两路信号分别加+2.5V偏置电压，以满足后续幅相检测模块的输入条件。滤波模块电路原理图如图1.10所示。图1.10滤波模块原理图Fig1.10Schematicdiagramoffiltermodule1.5幅相检测模块幅相检测模块是测量驱动信号和调理输出信号之间幅值比和相位差的关键模块，在接收两路交流信号后，以直流电压信号的形式分别输出幅值比和相位差信息。该模块将获取幅值比和相位差的任务从单片机内部承接到了外围硬件模块，减轻了单片机的采样及计算压力。由于激励信号的频率在兆赫兹级别，本文选择的激励信号为频率5MHz的正弦波信号，根据奈奎斯特采样定理，若要通过采样完整获取得到原始信号的基本信息，则采样频率至少需要达到10MHz，为保证获取的信号的波形准确一般采样频率需要取到信号频率的五倍以上，这就需要采样频率高达25MHz以上，这对MSP430F5529单片机来说是无法实现的，因为MSP430F5529单片机最高时钟主频也只能达到25MHz，而每次采样和转换需要多个时钟周期来完成，所以实现不了如此高的采样频率。由于单片机的片上ADC无法对两路高频信号进行有效采样，有两种解决方案：第一种是使用专业ADC芯片完成高频采样，第二种是使用幅相检测芯片直接获取幅值和相位信息。第一种解决方案缺陷在于即便ADC芯片完成高频信号的模数转换，单片机也需要更高的通信速率来获取实时的信号波形，由于单片机主频的限制，单片机与ADC芯片之间也无法达到足够高的通信频率。第二种解决方案是使用幅相检测芯片来直接获取驱动信号与调理输出信号之间的幅值比和相位差，由于测量系统仅需要信号的幅值比和相位差信息，对于信号各时刻的具体波形以及其他信息不感兴趣，所以该方案巧妙地避免了对两路高频信号的直接采样，而是将两路信号的幅值比和相位差信息转化成电压信号，再对幅值比和相位差这两个信号进行采样，大大降低了对测量系统采样频率的要求，可以直接使用片上ADC通道进行采样。幅相检测芯片选用AD8302型号来测量驱动信号和调理输出信号的幅值比和相位差。AD8302的工作频率范围满足从低频到2.7GHz的信号输入，其典型工作电路如图1.11所示：图1.11AD8302测量模式的电路连接Fig1.11CircuitconnectionofAD8302measurementmode输出电压与通道A信号和通道B信号之间的幅值比成比例，同理，输出电压与两路信号之间的相位差成比例，输出关系如图1.12所示。当AD8302的输出引脚和直接跟芯片反馈通道设置引脚和短路时，芯片的传输特性将如工作在系统预设的的斜率和中心点上，幅值比的测量系数为30mV/dB，相位差的测量系数为10mV/度，中心点位于900mV。可以通过改变外围电路反馈通道设置引脚的电压分配，从而配置传输特性的斜率和中心点，根据具体情况调整芯片的测量范围[[] ArijitSinharay,RajRakshit,AnweshaKhasnobish.TheUltrasonicDirectionalTidalBreathingPatternSensor[J]:EquitableDesignRealizationBasedonPhaseInformation.2017,17(8).]。[] ArijitSinharay,RajRakshit,AnweshaKhasnobish.TheUltrasonicDirectionalTidalBreathingPatternSensor[J]:EquitableDesignRealizationBasedonPhaseInformation.2017,17(8).图1.12幅值比和相位差的理想传输特性Fig1.12IdealizedTransferCharacteristicsfortheAmplituderatioandphasedifference在充分理解了AD8302芯片的特性和经典外围电路之后，根据本系统的具体要求设计了以AD8302芯片为核心的幅相检测模块电路如图1.13所示。图1.13幅相检测模块原理图Fig1.13Schematicdiagramofamplitudeandphasedetectionmodule1.6人机交互模块人机交互模块是为了方便用户对测量系统的控制和观察，包括按键电路和液晶显示电路，可以实现开启与暂停测量、工作模式切换、结果显示等功能。1.6.1按键电路按键电路的作用是获取用户意见，使用户可以随时干预系统运行状态。本文采用三个按键构成的按键电路，用以选择测量模式以及进入休眠，实现用户对测量系统的控制。按键KEY1功能为“测量暂停与开启”，按键KEY2功能为“切换工作模式”，按键KEY3为备用。三个按键与单片机的三个GPIO口连接，单片机由三个GPIO口的输入状态来判断获取用户的控制信息。将电容并联至按键两侧避免按键抖动引起的误触发。按键电路如图1.14所示：图1.14按键电路Fig1.14switchcircuit1.6.2液晶显示电路液晶显示电路功能是将工作状态和测量结果等信息对用户实时显示。对于液晶的选择首先考虑的是功耗要低，其次是要支持串行通讯以减少占用面积，根据以上条件选择了一款单片机系统常用的液晶，该液晶点阵为单色点阵，背光可选择开启或关断，点阵尺寸为128*64，可以显示4行8列共32个16*16点阵的汉字，或者8行16列共128个8*8点阵的数字或字母。该液晶采用+1.3V供电，支持SPI通信方式，功耗低，满足一般单片机系统的常规显示要求。单片机使用GPIO口模拟四线制SPI通讯接口实现与液晶的通讯，液晶显示电路如图1.15所示：图1.15液晶显示电路Fig1.15LCDcircuit1.7无线通讯模块本文将传感器测量系统与无线通讯技术结合，实现测量系统与其他设备之间的无线通讯能力，使测量系统具有更高的实用价值，可以用于数据无线传输甚至无线传感器网络搭建等领域。ZigBee技术是一种速度偏低的近距离无线通信技术，除此之外还支持数量众多的网上节点以及多种拓扑结构。其应用层的用户独立开发，为用户提供了灵活自主的组网方式。ZigBee技术目前拥有三个工作频段，分别是868MHz、915MHz以及2.4GHz，其中2.4GHz频段作为最常用的免付费免申请频段，传输速率可达250kbps。ZigBee的设备还具有功耗很低，发射端输出不大于1.6dBm，通信距离为30至70m。红外技术是一种利用850nm红外光传输数据的无线通讯技术，设备之间必须没有间隔障碍，通信距离通常在10m以内，传输速率可高达16Mbps。该技术具有成本低、功耗低、安全可靠。无电磁干扰等特点，但是同时在传输距离和方向性等方面有明显缺陷。蓝牙技术是一种日常生活中常见的无线通信技术，其工作频段为2.4GHz。距离较短，通信距离一般在10至100m范围内，传输速率可高达3Mbps。蓝牙技术在手机和无线耳机等领域有十分广泛的应用。射频识别技术（RFID）的主要功能定位是非接触式的自动识别，该技术系统一般由标签（Tag）接收阅读器的射频信号、天线（Antenna）利用感应电流将信号发射出去，而阅读器负责接收天线的信号，处理并给标签发送信号。该技术一般应用在交通、防伪、安保等领域进行无线识别。WiFi通信技术是当前无线通讯技术中最常见的一种类型，WiFi通信技术是一种无线局域网技术，可以通过无线电波来连接网络，WiFi通信技术随着这些年的不断技术革新，数据传输速率逐渐提高，传输距离逐渐加长，功耗逐渐降低，并且安全性更高。以上各种无线通讯技术都有其优缺点，并分别适用于各种场合和领域。在嵌入式设备尤其是低功耗系统中，往往传输数据量不大，传输范围也要求不高，WiFi技术凭借其功耗小、成本低、传输距离适中等优势，已经广泛应用于智能家电、局域监测和传感器组网等领域。本文测量系统对无线通讯技术有低功耗的要求，所以选用WiFi无线通讯技术[[][] O.Brini,D.Deslandes,F.Nabki.AModel-BasedApproachfortheDesignofUltra-LowPowerWirelessSensorNodes[J].201816thIEEEInternationalNewCircuitsandSystemsConference(NEWCAS),2018:248-251.无线通讯模块选用四博智联技术有限公司的DT-6型WiFi集成模块，该模块供电电压为+1.3V至+5V，功能较多，支持SPI等多种通信协议，适合单片机系统。通过六个引脚接口与测量系统连接。模块外形如图1.16所示。图1.16无线通信模块Fig1.16Wirelesscommunicationmodule1.8电源管理模块电源管理模块负责各电压等级的稳定获取，并给各模块供电。MSP430F5529单片机核心模块有USB接口模块，可以在连接USB时可以为系统提供+5V电源，本身具有+5V和+1.3V两个供电电压等级。为提高测量系统的便携性，本系统在未连接USB时采用锂电池供电方案，系统所需的电压等级有：+5V、-5V、+1.3V、+2.5V，所以采用两节+1.6V的锂电池供电，提供+7.2V的供电电压，并通过降压稳压芯片TPS76950产生+5V电压，再由+5V电压产生其余各电压等级，为测量系统各模块供电。由于激励信号在内的两路交流信号在滤波阶段为双极性信号，在激励模块和前级滤波模块都需要用到-5V的电源等级，所以电源管理模块主要完成对供电电压的缓冲，以及获取-5V电压等级。由+5V电压产生-5V电压采用了TI公司的TPS60400芯片，TPS60400是一款静态电流仅65uA、负载能力可达60mA的电压反向器，电路结构如图1.17所示。图1.17-5V电压产生电路Fig1.17Generationcircuitof-5Vvoltage由于激励信号和响应信号在滤波阶段为双极性信号，而幅相检测模块的输入幅值范围是单极性，为0至+5V，所以需要给激励信号和响应信号加+2.5V偏置电压，使其满足幅相检测模块的输入范围。因此还需要产生电压等级+2.5V，由+5V电压获产生+2.5V电压采TI公司的REF5025芯片，REF5025是一款常用的降压芯片，其特点是在低噪声、高精度的基础上保证了芯片的温度漂移极低，适用于产生基准电压。电路结构如图1.18所示。图1.182.5V电压产生电路Fig1.18Generationcircuitof2.5Vvoltage1.9PCB排版与焊接调试在上述各硬件模块器件选型和原理图设计之后，对硬件各模块进行了PCB排版。易对其他模块产生干扰的振荡电路单独放在右上角。传感器与测量系统的连接采用SM