1、I基于射频无线通信技术的多路数据采集系统的研究与设计摘 要数据采集系统在多个领域有着广泛的应用。近年来，数据采集系统的发展趋势是简化终端结构，增加主机携带数据终端的数量；在数据采集终端与主机之间采用无线通信，以代替复杂、不灵活的现场布线。根据这一考虑，在本课题中设计并实现了一种无线多路数据采集系统。此系统在实时性适中的要求下，实现了监控主机与多路便携式数据终端之间的无线数据通信监测。本文基于射频模块nRF905芯片的多路无线数据采集系统的设计。系统采用主机-从机体系结构,主机可对多个终端从机采样点进行数据读取。为了保证数据传输的可靠性,必须对数据传输制定简单的通信协议,用户可以通过与系统进行交
2、互来控制诸如报警限之类的系统参数。它是以STC89C52RC单片机为控制单元，以温度传感器DS18B20为检测器件，以无线收发模块NRF905完成数据的无线传输，用数码管进行显示，实现温度的监测、无线传输、显示。本文详细介绍了无线数据传输平台硬件模块的设计及其功能的实现，利用无线数据传输模块构建一个小型无线局域网络，该网络包括一个主机和多个终端从机，主机和终端从机之间通过无线传输模块进行数据通信，通过应用程序完成数据的处理。关键词：nRF905，射频无线通信，温度传感器，多路数据采集IIResearch and Design of Multi-channel Data Acquisition
3、System Based on the RF Wireless Communication TechnologyABSTRACTData acquisition system is widely used in many fields. In recent years, data acquisition system trend to simplify the terminal, increase data acquisition terminals controlled by the host; In data acquisition terminal and using wireless
4、communication between host computer to replace complex, not flexible site wiring. According to this consideration, design and implement a wireless multi-channel data acquisition system in this research. This system in real-time moderate request, realized monitoring host and multi-channel portable da
5、ta terminal of wireless data communication between monitoring.This paper based on the RF multi-chip module nRF905 wireless data acquisition system. It uses host - client machine system structure in this system, the host can from machine to multiple terminal data sampling loading. In order to guarant
6、ee the reliability of the data transmission of data transmission, must be formulated simple communication protocol, the user can interact with the system, such as the alarm limit to control the system parameters such as. It is STC89C52 microcomputer as the control unit, temperature sensor DS18B20 fo
7、r detection devices to wireless transceiver module NRF905 complete data wireless transmission, using a digital tube display, realize temperature monitoring, wireless transmission and display.This paper introduces wireless data transmission platform hardware module design and its function, using wire
8、less data transmission module to construct a small wireless local area network, the network includes a host and multiple terminal from machine, host and terminal through wireless transmission between from machine data communication module, through application complete data processing.KEY WORDS: nRF9
9、05, RF wireless communication, temperature sensor, multi-channel data acquisition III目 录摘要 IABSTRACT .II1 绪论 11.1 课题的背景和意义 .11.2 无线测量的发展现状及发展趋势 .11.3 主要研究内容及安排 .31.4 本论文结构 .42 无线通信的开发介绍 52.1 无线通信技术的选择 .52.2 无线通信技术的发展与现状 .52.3 器件的选择及介绍 .72.3.1 无线传输芯片的选择 .72.3.2 温度传感器的选择 92.3.3 主要器件的介绍 .102.4 本章小结 223
10、 系统方案及硬件设计 233.1 系统方案论证 233.2 单片机硬件电路设计 243.3 无线收发模块 243.4 电压转换模块 253.5 温度采集电路 253.6 数码管显示模块 253.7 系统总体电路图 263.8 本章小结 264 系统的功能描述及软件设计 .274.1 无线多路数据采集系统的 274.1.1 信号采集模块 .274.1.2 单片机 STC89C52RC 主控单元 274.1.3 无线传输发送端 .274.1.4 无线传输接收端 .274.1.5 温度报警模块 .274.2 系统软件总体架构设计 28IV4.2.1 底层驱动层 284.2.2 界面层 284.2.3
11、 应用层 284.3 系统所使用的通信协议 284.4 多路无线数据测量发送端流程及程序 294.4.1 发送端工作过程总体描述 294.4.2 发送端工作过程分述 294.5 多路无线数据测量接收端流程及程序 314.5.1 接收端工作过程总体描述 314.5.2 接收端工作过程分述 314.6 LED 驱动子程序的设计 324.7 DS18B20 温度采集子程序的设计 324.8 本章总结 345 总结与展望 355.1 课题总结 355.2 展望 35致谢 .36参考文献 .37附录 原理图 38附录 PCB 图 .39附录 实物图 40基于射频无线通信技术的多路数据采集系统的研究与设计
12、 11 绪论1.1 课题的背景和意义随着智能控制系统的进一步发展，以嵌入式操作系统为平台，依赖于无线网络数据传输的系统得到越来越广泛的应用，而采用温度传感器进行温度检测更是被广泛的应用于人们的日常生产和生活当中。但是，伴随温度传感器而来的是大量的数据线缆，数量众多的线缆不仅带来布线复杂的不便，而且存在着短路、断线的隐患，加之成本高、易老化，错综复杂的线路还给系统的调试和维护增加了难度。因此，无线通信技术与有线通信技术相比，有成本低、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
13、用、高效、快捷。然而，由于无线传感器网络具有巨大的应用价值，已经引起了世界许多国家的军事部门、工业界和学术界的极大关注。随着无线技术的不断发展，人们会发现，被无线化武装起来的智能家庭、智能商业、智能交通陆续呈现在我们的面前，融入生活中的每一个角落，极大的方便了我们的生活。所以开发出性价比高的无线温度测量系统有着十分重要的意义。现今，我国的无线传感系统的研究有了很大的成就，在国内的大型粮仓系统、火灾预防系统、无线温度测量系统的普及率不高，只是在国家级大型企业中得到了广泛的应用。可是，在发达国家，无线数据应用方面已经非常普及，他们从无线广域网，无线局域网，无线个人网，已近走向了第三代无线通信技术（
14、3G）,并且在智能无线温度控制上出现了更多新的器件和方法，并且有些已经运用到实际生活和生产当中。因此，从本研究问题的深度和投入科研力量角度来说，国内的水平还处于相较于国外还比较落后；另外从问题的点上可以更好的服务于科研，提高生产效率，降低危险事故发生的几率，在国内具有很强的现实意义，这有待于我们的进一步研究与提高。1.2 无线测量的发展现状及发展趋势数据采集技术是信息科学的重要组成部分，已广泛应用于各个领域。在数据传输方式上，目前数据采集系统基本上是通过有线方式进行连接，有线方式的数据传输速度快，可靠性高且运行稳定，能满足大多数情况的需要，但是其应用受现场环境和应用对象的限制。陕西科技大学毕业
15、论文（设计说明书） 2近年来，随着射频技术、微电子技术及集成电路技术的进步，无线通信技术取得了飞速的发展，无线通信的实现成本越来越低，传输速度越来越快，可靠性越来越高，并且逐渐达到可以和有线网络相媲美的水平。短距离无线通信技术是近年来的研究热点，将无线技术引入数据采集领域，可以解决某些无法或不便布线的环境下的数据采集问题，以及解决有线网络带来的布线麻烦、不易维护等缺点。有些数据采集系统应用于智能家居领域的，但也进一步拓展至其它诸如工业控制、仪器仪表等领域对象的状态监测。随着计算机技术的发展和计算机技术在信号处理中的广泛应用，现代的测量系统在数字信号处理方面的能力也大大加强了，形成了数字化测量技
16、术。数字化测量就是借助于各种类型的传感器检测外部世界的各种信号，并转换成电信号，然后进行信号调理和 A/D 转换，使之转换成为能够在数字系统中进一步处理的数字信号。具体来说，就是将温度、湿度、气体密度等物理信号转化为数字量并传递到计算机中。作为信息源头的传感器对计量测试技术的发展有着重要作用。目前，传感器正不断朝着多功能性和智能性方向发展。目前，已经将传感器技术和新兴的无线通信技术相结合，力图通过数据传输的无线化来达到智能家居中布线不便时对室内生活环境指标数据的采集。随着计算机技术、通信技术、网络技术、控制技术和信息技术的迅猛发展与提高，人们对所居住的环境提出了更高的要求，在这种形势下发展出了
17、“智能家居” 这一概念。目前，智能家居通常被定义为利用通信、网络和综合布线技术，通过家庭信息管理平台将与家居生活有关的各种子系统有机地结合的一个系统。智能家居首先要实现对所有家电设备和家居环境的监视，满足家居网络与外界进行通信的要求，实现家庭的远程监控和信息的交换。智能家居的最终目的就是满足人们对安全、舒适和方便的现代生活理念的追求。智能家居中，对当前环境状况的监测分析是首要的，无线数据采集系统即是针对智能家居中对室内生活环境指标如温度和湿度等进行采集分析的解决方案。近年来，智能控制技术已取得了突飞猛进的发展，并日益显示出其重要价值。智能控制已成为多种学科的综合与集成，吸引了全球不同领域、不同
18、学科的众多专家学者，进行着广泛的研究工作，并不断探索新的方法、新的理论和新的有效的实际应用。人们正在努力使用智能控制技术进入工程化和实用化的阶段，智能控制已渐渐渗透到人们生产、生活的各个领域，成为人们生活的重要组成部分。随着科学技术的发展和社会的进步，电子技术、计算机技术等的革新，智能控制必将迎来发展的新时期，智能控制的未来一定会更加美好。关于温度智能控制，现在已经有了许多新的器件和方法，并且有些已经运用到实际生活和生产当中，比如美国达拉斯公司生产的 DS18B20 温度巡检器，采用单线总线基于射频无线通信技术的多路数据采集系统的研究与设计 3结构，通过一根 I/O 线与主控 CPU 进行数据
19、和命令的传送。再如基于反射强度调制的光纤温度巡检系统，光纤传输距离可达 1km 以上，检测精度也可显著提高。而更为先进的是，某些粮仓已经在尝试将有线控制变位无线控制，利用无线传感器来实现粮情检测和智能控制。这些新器件新方法的应用，给温度智能控制带来了新的气息。1.3 主要研究内容及安排首先介绍温度传感器及无线收发芯片的发展状况，结合系统方案的要求详细论证实现温度数据采集与无线传输方案的设计思路及系统的总体架构，然后详尽地阐述了系统的硬件电路结构和完成各项功能相关的软件设计。要求研究的无线传输高精度测温系统主要由三大部分组成：温度测量部分、无线传输部分、可视化编程实现的上位机远程控制部分。温度测
20、量部分主要完成对温度信号的采集和处理，最后得到高精度温度数据。最后对整套系统的性能进行测试。主要研究基于无线收发芯片 nRF905 的短距离无线温度测量系统方案的设计思想和实现方法。系统以嵌入 51 单片机内核的单片射频收发芯片 nRF905 为核心,采用数字式温度传感器 DS18B20、无线收发技术及计算机技术,实现温度数据的采集和短距离无线传输。系统结构简单,可靠性高,数据传输速度快,功能易扩展,适于多种应用领域。课题内容主要分为硬件和软件两大部分。在硬件上主要是嵌入式数据采集模块硬件实现，在这一部分涉及到温度采集模块、射频收发模块和微处理器的选型等。在软件上，一方面是完成上位机温度监控软
21、件的设计;另一方面针对现场进行编程实现温度数据的采集，实现下位机嵌入式数据采集模块的数据采集功能、数据处理及传输功能。最终实现数据的实时传输，在线监测。本课题所研究的无线温度测量系统是短距离无线通信技术在温度测量方面的一个具体应用。主要研究内容包括以下几方面：(1)选用温度传感器时，应重点考虑测量精度高，抗干扰能力强，稳定性好，信号易于处理、传送，便于多路测量，安装方便，维护简单，环境温度补偿容易的器件；(2)在硬件设计时，结构要尽量简单实用、易于实现，应尽量使用各种总线技术，以节约系统有限的资源，并使系统电路尽量简单；(3)在硬件电路和软件程序设计时，一定要增加抗干扰措施，提高系统的抗干扰能
22、力，保证系统的稳定性；(4)软件设计必须要有完善的思路，要充分考虑到各传感器和无线收发器的时序，做到程序简单，调试方便；(5)通过软件设计，尽量降低无线数据传输的误码率。根据多点无线测温系统的特点，我们所提出的测温方案，具有以下几个方面的特性：(1)采用新型的数字温度传感器，简化测温电路；陕西科技大学毕业论文（设计说明书） 4(2)采用射频芯片进行数字信号传输，实现温度数据的实时传送；(3)对传输到计算机内实际得到的温度场数据，可以通过软件进一步实现温度信息的智能化管理。1.4 本论文结构本论文共有六章，其中软件设计部分是本论文的重点，分别对无线测温系统进行详细的介绍。第一章绪论。第二章是对无
23、线通信的开发介绍及对无线多路数据测温系统主要器件的介绍，首先介绍了单总线技术，重点介绍数字温度传感器 DS18B20，对它的内部结构、工作原理、工作过程等做重点描述，随后详细介绍了本系统的所使用的无线收发芯片NRF905。第三章是对无线多路数据采集系统的功能描述，包括信号采集模块、单片机、无线传输发送模块、无线传输接收模块、报警模块、上位机的具体功能。第四章介绍无线多路数据测量系统的总体方案和系统硬件的设计，给出总体结构框图以及各模块的具体硬件电路。第五章介绍了本系统的软件设计，介绍了无线多路数据系统的整体软件框图，详细介绍了数据采集和无线收发流程及程序。第六章总结与展望。基于射频无线通信技术
24、的多路数据采集系统的研究与设计 52 无线通信的开发介绍2.1 无线通信技术的选择无线通信包括长距离无线通信和短距离无线通信。长距离无线通信一般要借助基站达到长距离通信的目的，被称为长距离移动通信，比如手机通信。这种长距离移动通信一般成本都比较高。随着电子技术的不断进步，短距离无线通信技术在近几年蓬勃发展起来，世界上主要的芯片厂商都推出了无线收发芯片。短距离无线通信系统的大部分功能都集成到一块芯片内部，一般使用单片数字信号射频收发芯片，加上微控制器和少量外围器件构成专用或通用无线通信模块。所有高频元件包括电感、振荡器等己经全部集成在芯片内部，一致性良好，性能稳定且不受外界干扰。射频芯片一般采用
25、 FSF 调制方式，工作于 IsM 频段，通信模块一般包含简单透明的数据传输协议或使用简单的加密防议，发射功率、工作频率等所有工作参数全部通过软件设置完成，用户不用对无线通信原理和工作机制有较深的了解，只要依据命令字进行操作即可实现基本的数据传输。新一代短距离无线数据通信系统具有体积小、功耗低、稳定性好、抗干扰能力强等优点，而且开发简单快速，可以方便地嵌入到各种设备中，实现设备间的无线连接，因此，较适合搭建小型网络，在工业、民用领域得到较为广泛的应用。对于一个系统来说，无线通信技术的选择主要考虑以下几点: (1) 可以完成系统的功能要求。(2) 对于一个无线测温系统来说，需要对传感器收集到的信
26、号进行处理，并要求系统的可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强，且对于一个无线系统来说，低功耗也是一项重要的指标。(3) 开发简单收发芯片所需的外围元件数量芯片外围元器件的数量直接关系到系统的复杂程度和成本，因此应该选择外围元件少的收发芯片。通信协议的复杂程度也完全影响了整个系统的开发的复杂性。(4) 成本低下面是对现在比较常用的几种短距离无线通信技术进行对比，并得到本系统的短距离解决方案。2.2 无线通信技术的发展与现状随着移动通信需求和远程数据采集量的增加，加之有线传输的费用日益增长，人们正逐渐认识到在许多检测领域采用无线传输的必要性。在过去的几年中，无线通讯陕西科技大学毕业论文（设计说明书）
27、6领域取得了很大的进展，这其中包括数字电路和射频电路制作工艺的进步、低功耗电路、高能电池以及微电子技术的采用。短距离无线通信方案目前有蓝牙技术(Bluetooth)、IEEE802.llb (Wi-Fi)、Zigbee、HomeRF 和红外通信技术 IrDA(Infrared Data Association)。1. 蓝牙技术(Bluetooth) 蓝牙技术作为一种近距离无线连接的全球性开放规范，己经得到了全球众多大企业的支持。蓝牙技术同时支持语音和数据传输，使用跳频扩频技术，本身包括纠错机制，可靠性高，蓝牙规范的核心部分协议允许多个设备进行相互定位、连接和交换数据，并能实现互操作和交互式应用
28、。但是蓝牙设备价格昂贵，通信协议复杂，通讯距离近，蓝牙 RF 定义了三种功率等级 (100mw，25mw 和 lmw)，当蓝牙设备功率为 lmw时，其发射范围一般为 10m。在蓝牙技术的使用过程中，人们发现蓝牙技术尽管有许多优点，但仍存在许多缺陷。对工业，家庭自动化控制和遥测遥控领域而言，蓝牙技术显得太复杂，功耗大，距离近，组网规模太小等，而工业自动化对无线通信的需求越来越强烈。正因此，经过人们长期努力，Zigbee 协议在 2003 年中通过后，于 2004正式问世了。2. 红外通信技术(IrDA) 红外通信技术 lrDA( InfraRed Data Association)采用人眼看不到
29、的红外线传输信息，是使用最广泛的短距离无线通信技术。它利用红外线的通断表示计算机中的 0-1 逻辑，通常有效作用半径 2 米，传统速度可达 4Mbit/s。1995 年 lrDA 将通信速率扩展到的高达 16Mbit/s，红外技术采用点到点的连接方式，发射、接收具有方向性，具有体积小、功耗低、连接方便、简单易用、数据传输干扰少、速度快、保密性强、成本低廉的特点。因此广泛应用于各种遥控器，笔记本电脑，PDA，移动电话等移动设备。但红外技术只是一种视距传输技术，有效距离近，发射角度较小，一般不超过 20 度，两台相互通信的设备之间必须对准，而且传输数据时两台设备之间不能有阻挡物，只能限于两台设备通
30、信，无法灵活构成网络，且无法用于边移动边使用的设备，另外，lrDA 设备中的核心部件 LED 易磨损。3. IEEE802.11b (Wi-Fi)IEEE802.llb 技术标准是无线局域网的国际标准，使用 2.4GHZ 的 ISM 频段，采用直接序列扩频 DSSS 技术进行调制解调增强了抗干扰能力，提高了传输速度。IEEE802.llb 无线网络的最大优点是兼容性，只要在原有网络上装上 AP (Access Point)，就可以提供无线网络服务，终端设备只要装上无线网卡，就可以访问所有网络资源，象使用有线局域网一样方便，却免除了布线的麻烦。802.llb 具有有线等价保密机制WEP(Wire
31、d Equivalent Privacy)力确保数据安全。以其具有穿透能力，全方位传送，建网速度快，可用来组建大型无线网络，运营成本低，投资回报快等特点，正逐渐受到电信制造商和运营商的青睐，目前此种设备还比较昂贵，妨碍了其推广和应用。更多基于射频无线通信技术的多路数据采集系统的研究与设计 7新的 Wi-Fi 标准正在制定之中。速度更快的 802.11g 使用与 802.llb 相同的正交频分多路复用(OFDM)调制技术，同样工作在 24GHZ 频段，速率达 54Mbit/s，比目前通用的802.llb 快了 5 倍，并且完全向后兼容 802.11b，802.11g 将有可能被大多数无线网络产品
32、制造商选择作为产品标准，而下一代的 Wi 一 Fi 标准 802.lln 可望达到 100Mbit/s。4. HomeRF 技术HomeRF 的标准集成了语音和数据传送技术，工作频段为 2.4GHz，数据传输速率达到 100Mbit/s，在 WLAN 的安全性方面主要考虑访问控制和加密技术。 HomeRF 是对现有无线通信标准的综合和改进：当进行数据通信时，采用 IEEE802.11 规范中的TCP/IP 传输协议；当进行语音通信时，则采用数字增强型无绳通信标准。但是，该标准与 802.11b 不兼容，并占据了与 802.11b 和 Bluetooth 相同的 2.4GHz 频率段，所以在应用
33、范围上会有很大的局限性，更多的是在家庭网络中使用。5. Zigbee 技术Zigbee 技术是随着工业自动化对于无线通信和数据传输的需求而产生的，它是一个由可多到 65000 个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，十分类似现有的移动通信的 CDMA 网或 GSM 网，每一个 Zigbee 网络数传模块类似移动网络的一个基站，在整个网络范围内，它们之间可以进行相互通信;每个网络节点间的距离可以从标准的75 米，到扩展后的几百米，甚至几公里;另外整个 Zigbee 网络还可以与现有的其它的各种网络连接。Zigbee 技术的目标就是针对工业，家庭自动化，遥测遥控，汽车自动化、农业自动化和医疗护理
34、等，例如灯光自动化控制，传感器的无线数据采集和监控，油田，电力，矿山和物流管理等应用领域。另外它还可以对局部区域内移动目标例如城市中的车辆进行定位。Zigbee 网络省电、可靠、成本低、容量大、安全，可广泛应用于各种自动控制领域。Zigbee 技术和 RFID 技术在 2004 年就被列为当今世界发展最快，市场前景最广阔的十大最新技术中的两个。尽管国内不少人已经开始关注 Zigbee 这项新技术，然而，由于 Zigbee 本身是一种新的系统集成技术，应用软件的开发必须和网络传输，射频技术和底层软硬件控制技术结合在一起。因而深入理解这个来自国外的新技术，再组织一个在这几个方面都有丰富经验的配套的
35、队伍，是一件不容易的事情。通过以上几种无线技术的介绍，从系统的经济性、传输速率，确定该系统部分电路设计使用无线收发芯片。无线单片芯片的可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强，通讯防议简单透明，技术成熟。使用该种方案无线通信接口与数据采集系统接口电路设计简单。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提高产品开发周期、节约成本。2.3 器件的选择及介绍 2.3.1 无线传输芯片的选择陕西科技大学毕业论文（设计说明书） 8无线传输芯片的种类和数量比较多，在设计中选择合适芯片可以提高产品开发周期、节约成本。在选择时，应主要参考以下几点：(1) 收发芯片的数据传输是否需要进行曼彻斯特编码：采用
36、曼彻斯特编码的芯片，在编程上会需要较高的技巧和经验，需要更多的内存和程序容量，并且曼彻斯特编码大大降低数据传输的效率，一般仅能达到标称速率的 1/3，而采用串口传输的芯片，应用及编程非常简单，传送的效率很高，标称速率就是实际速率，编程方便。(2) 收发芯片所需的外围元件数量：芯片外围元器件的数量直接关系到系统的复杂程度和成本，因此应该选择外围元件少的收发芯片。(3) 功耗：大多数无线收发芯片是应用在便携式产品上的，因此功耗也非常重要，应该根据需要选择综合功耗较小的产品。(4) 发射功率：在同等条件下，为了保证有效和可靠的通信，应该选用发射功率较高的产品。(5) 收发芯片的封装和管脚数：较少的管
37、脚以及较小的封装，有利于减少 PCB 面积降低成本，适合便携式产品的设计，也有利于开发和生产。常用的无线收发芯片主要有： (1) CC1000 是根据 ChiPcon 公司的 SmartRF 技术，在 0.350umCMOS 工艺下制造的一种理想的超高频单片收发通信芯片。它的工作频带在 315、868 及 915MHZ，但CC1000 很容易通过编程使其工作在 3001000MHz 范围内。它具有低电压(2.33.6V) ，极低的功耗，可编程输出功率(-2010dBm)，灵敏度(一般-109dBm) ，小尺寸(TSSOP-28封装) ，集成了位同步器等特点。其 FSK 数传速率可达 72.8K
38、bps，具有 250HZ 步长可编程频率能力，适用于跳频协议:主要工作参数能通过串行总线接口编程改变，使用非常灵活。(2) nRF401 是挪威 Nordic VLSI 公司推出的单芯片即收发机，专为在 433MHz IsM(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、PLL 合成、FSK 调制、FSK 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。nRF401 的外围元件很少，仅 10 个左右。只包括一个 4MHZ 基准晶振(可与MCU 共享)、一个 PLL 环路滤波器和一个 VCO 电感，收发天线合一，没有调试部件，这给研制及生产带来了极大的方便。(3
39、) nRF903 单片射频收发器芯片工作在 915MHZ(国际通用 ISM 频段)，GMSK/GFSK 调制和解调，抗干扰能力强;采用 DDS+PLL 频率合成技术，频率稳定性好；灵敏度高达-100dBm，最大发射功率达+10dBm；数据速率可达 76.8Kbits；170 个频道，适合需要多信道工作的特殊场合；可方便地嵌入各种测量和控制系统中进行无线数据双向传输，在仪器仪表数据采集系统、无线数据通信系统、计算机遥测遥控系统等中应用。(4) TH72011 是 Melexis 公司的单片射频发射芯片，频率范围为 380450MHz，采基于射频无线通信技术的多路数据采集系统的研究与设计 9用 V
40、CO+PLL 频率合成技术，频率稳定性好；FSK 调制方式，抗干扰能力强；FSK 频偏和中心频率可独立调节；宽电压范围 1.9 5.5V，静态电流小，工作电流可在3.5mA10.7mA 调节;发射功率可在 -12dBm +10dBm 调节，数据速率可达 40Kbit/s。可嵌入各种测量和控制系统中进行无线数据传输，在保安系统、微功耗遥测遥控系统等中应用。(5) nRF24EI 是挪威 Nordic VLSI ASA 公司最近开发的一种嵌入了高性能单片机内核的高速单片无线收发芯片。采用先进的 0.18us CMOS 工艺，以 nRF2401 芯片结构为基础，将射频、8051MCU、9 输入 12
41、 位 ADC、125 频道、UART、SPI 、 PWM、RTC 、WDT 全部集成到单芯片中；内部有电压调节器(工作电压1.9 3.6V)和 VDD 电压监视，通常开关时间小于 200us，数据速率 1Mbps，输出功率0dBm；不需要外接 SAW 滤波器，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 2.4GHz 频段、勿需申请通信许可证。(6) nRF905 芯片可以工作于 ShockBurst(自动处理前缀、地址和 CRC 方式)。内置电压调整模块，最大限
42、度地抑制噪音，为系统提供 1.93.6V 的工作电压，载波检测。由于 nRF905 功耗低，工作可靠 nRF905 没有复杂的通信协议，完全对用户透明，同种产品之间可以自由通信，因此很适用于无线数据传输系统的设计。它可应用在:无线数据通讯、报警和安全系统、自动测试系统、家庭自动化控制、遥控装置、监测、车辆安全系统、工业控制、远程遥控及其它短距离无线高速应用，故本系统将 nRF905做为无线收发芯片的首选。2.3.2 温度传感器的选择DS18B20 是美国 Dallas 半导体公司推出的一种智能温度传感器。与传统的热敏电阻相比，它能够直接读出被测温度并且可根据实际要求通过简单的编程实现 912
43、位的数字值读数方式。可以分别在 93.75ms 和 750ms 内完成 9 位和 12 位的数字量。它具有独特的单总线接口方式，即允许在一条信号线上挂接数十甚至上百个数字式传感器，从而使测温装置与各传感器的接口变得十分简单，克服了模拟式传感器与微机接口时需要的 A/D 转换器及其它复杂外围电路的缺点，而且，可以通过总线供电，温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的 DS18B20 供电，而无需额外电源，由它组成的温度测控系统非常方便，而且成本低、体积小、可靠性高。DS18B20 的测温范围-55+125 ，最高分辨率可达 0.0625，由于每一个 DS18B20 出厂时都刻有唯一的
44、一个序列号并存入其 ROM 中，因此 CPU 可用简单的通信协议就可以识别，从而节省了大量的引线和逻辑电路。Dallas 公司的单总线技术具有较高的性能价格比，有以下特点:陕西科技大学毕业论文（设计说明书） 10(1) 适用于低速测控场合，测控对象越多越显出其优越性。(2) 性价比高，硬件施工、维修方便，抗干扰性能好。(3) 具有 CRC 校验功能，可靠性高。(4) 软件设计规范，系统简明直观，易于掌握。 由于 DS18B20 占用 MCU 的 I/O 引脚资源少，和 MCU 的通信协议比较简单，成本较低，传输距离远，和其他数字温度传感器相比，它更适合本系统，所以，选用DS18B20 做为温度
45、测量的传感器。2.3.3 主要器件的介绍(1)无线收发模块 nRF905nRF905 是挪威 Nordic 公司推出的单射频发射器芯片，工作电压为 1.9 V -3.6V，32 引脚封装（55 ） ，工作于 433/868/915MHz3 个频道。nRF905 可以自动完成处理字头和 CRC（循环冗余校验）的工作，可由内部硬件自动完成曼彻斯特编/解，使用 SPI 接口与微控制器通信，配置非常方便，其功耗非常低，以-10dBm 的输出功率发射时电流只有 11mA，在接收模式时电流为 12.5mA。nRF905 单无线收发器工作由一个完全集成的频率调制器，一个带解调器的接收器，一个功率放大器，一个
46、晶体震荡器和一个调节器组成。ShockBurst 工作模式的特点是动产生前导和 CRC，可以很容易通过 SPI 接口进行编程配置。传输前听的载波检测协议，当正确的数据包被接收或发送时有数据准备就绪信号输出，侦测接收的数据包当地址正确输出地址匹配信号。主 (2) nRF905 工作模式nRF905 采用 Nordic 公司的 VLSI ShockBurst 技术。ShockBurst 技术使 nRF905 能够提供高速的数据传输，而不需要昂贵的高速 MCU 来进行数据处理/时钟覆盖。通过将与 RF 协议有关的高速信号处理放到芯内，nRF905 提供给应用的微控制器一个 SPI接口，速率由微控制器
47、己设定的接口速度决定。nRF905 通过 ShockBurst 工作模式在RF 以最大速率进行连接时降低数字应用部分的速度来降低在应用中的平均电流消耗。在 ShockBurst RX 模式中，地址匹配 AM 和数据准备就绪 DR 信号通知 MCU 一个有效的地址和数据包已经各接收完成。在 ShockBurst TX 模式中，nRF905 动产生前导和CRC 校验，数据准备就绪 DR 信号通知 MCU 数据传输已经完成。总之，这意味着降低 MCU 的存储器需求也就是说降低 MCU 成本，又同时缩短软件开发时间。基于射频无线通信技术的多路数据采集系统的研究与设计 11表 2-1 nRF905 的管
48、脚说明表 管脚 名称 管脚功能 说明1 TRX_CE 数字输入 使能芯片发射或接收2 PWR_UP 数字输入 芯片上电3 uPCLK 时钟输出 由晶振分频的输出时钟4 VDD 电源 电源（+3V DC）5 VSS 电源 地（ 0V）6 CD 数字输出 载波检测7 AM 数字输出 地址匹配8 DR 数字输出 接受或发射数据完成9 VSS 电源 地（ 0V）10 MISO SPI 接口 SPI 输出11 MOSI SPI 接口 SPI 输入12 SCK SPI 时钟 SPI 时钟13 CSN SPI 使能 SPI 使能14 XC1 模拟输入 晶振 1 脚/外部时钟输入脚15 XC2 模拟输出 晶振
49、 2 脚16 VSS 电源 地（ 0V）17 VDD 电源 电源（+3V DC）18 VSS 电源 地（ 0V）19 VDD_PA 电源输出 给 NRF905 功放提供+1.8V 电源20 ANT1 射频输出 天线接口 121 ANT2 射频输出 天线接口 222 VSS 电源 地（ 0V）23 IREF 模拟输入 参考电流24 VSS 电源 地（ 0V）25 VDD 电源 地（ 0V）26 VSS 电源 地（ 0V）27 VSS 电源 地（ 0V）28 VSS 电源 地（ 0V）29 VSS 电源 地（ 0V）30 VSS 电源 地（ 0V）31 DVSS_1V2 电源 耦合的低压正数字电源输出32 TX_EN 数字输入 TX_EN= “1”TX 模式陕西科技大学毕业论文（设计说明书） 12nRF905有两种工作模式（RX/TX）和两种节电模式,活动模式为 ShockBurst RX 和 ShockBurst TX，节电模式为掉电和 SPI 编程及 Standby 和 SPI 编程。表 2-2 nRF905 的工作模式设置表PWR_UP TRX_CE TX_EN 工作模式0 X X 掉电和 SPI 编程1 0 X Standby 和 SPI 编程1 1 0 ShockBurst RX1 1 1 ShockBurst TX1) 典型 S
