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摘要:探討一種基于射頻芯片設計無線液位變送器的方案。對Chipcon公司開發的內嵌51內核的單片可編程UHF收發器芯片的功能特點、原理與應用電路進行研究,設計無線液位變送器的硬件電路和應用軟件。該無線液位變送器方案具有結構簡單、功耗低等特點,并通過實驗驗證了其系統所具有的穩定性和通信效率。
1引言
在石油化工、水利水電、農田灌溉、環境監測以及自來水廠、污水處理廠等眾多領域,液位（水位）是一個重要的技術參數。隨著無線通信及網絡技術的快速發展,無線傳輸進入工業控制領域的趨勢毋庸置疑,工業參數檢測裝置根據應用要求將嵌入各種各樣的無線傳輸功能。無線傳感器網絡技術是一種面向低功耗、低成本、低速率可靠傳輸的無線通訊技術,其特點使其成為適合于工業現場中液位、溫度及壓力等信號傳輸的關鍵技術。本文提出了一種基于射頻芯片設計的利用干簧管陣列實現液位檢測、集LCD顯示、4~20mA輸出及無線通信于一體的廉價、小量程無線液位變送器設計方案。在無線液位變送器中,無線傳感器網絡技術被引入到液位檢測技術中,實現了液位采集的無線化,方便了現場液位變送器的安裝,在保證可靠通訊的基礎上降低了系統的成本,具有微型、低功耗、低成本、可擴展性、高安全性等特點。
2的功能及內部結構
2.1功能
是Chipcon公司于2005年11月推出的一款內嵌8051單片機的單片可編程UHF收發器芯片。是一種低成本的無線SOC,也是為低功耗應用設計,將處理器和射頻芯片整合在一起,有效地縮小了體積,能夠在各種有小型設備的無線通信場合方便地使用。工作在2.4GHz頻段。
此芯片包含了一個標準的增強型8051MCU和一個無線收發芯片CC2500,無線通信主要工作在2.4GHz的ISM（工業、科學和醫學）和SRD（短距離設備）頻率波段,在2.4GHz頻段可以自由地設置在2400~2483.5MHz范圍。
的RF射頻收發器集成了一個高度可配置的調制解調器。這個調制解調器支持不同的調制格式,其數據傳輸率可達500kbps。通過開啟集成在調制解調器上的前向誤差校正選項,能使性能得到提升。為數據包處理、數據緩沖、突發數據傳輸、清晰信道評估、連接質量指示和電磁波激發提供廣泛的硬件支持。芯片工作時的電流損耗為16mA和18mA;速率為1.2kBaud,在接收和發射模式下,電流損耗分別低于17.1mA或18.5mA。的休眠模式和轉換到主動模式的超短時間的特性,特別適合那些要求電池壽命非常長的應用。
芯片的主要特點如下:高性能和低功耗的8051微控制器核;2.4GHz（）的RF無線電收發機;優良的無線接收靈敏度和強大的抗干擾性;在休眠模式時僅0.5LA的流耗,外部的中斷或RTC能喚醒系統,在待機模式時少于0.3LA的流耗,外部的中斷能喚醒系統;硬件支持CSMA/CA功能;較寬的電壓范圍（2.0~3.6V）;數字化的RSSI/LQI支持和強大的DMA功能;具有電池監測和溫度感測功能;集成了14位模數轉換的ADC;集成AES-128安全協處理器;帶有兩個強大的支持幾組協議的USART,一個支持TI自定義協議棧的MAC計時器,一個常規的16位計時器和兩個八位計時器;較少外圍電路;強大和靈活的開發工具。
2.2內部結構
芯片延用了以往TI公司ZigBee無線（定位）芯片CC2430/CC2431架構,它使用一個八位MCU（8051）,具有32KB可編程閃存和4KB的RAM,還包含模擬數字轉換器（DC）、定時器（Tmier）、AES128協同處理器、看門狗定時器（WatchdogTmier）、32kHz晶振的休眠模式定時器、上電復位電路（PowerOnRe-set）、掉電檢測電路（BrownOutDetection）以及21個可編程I/O引腳,其內部結構如圖1所示。內存仲裁通過SFR總線將CPU、DMA模塊、存儲器以及其他外設連接在一起。內存仲裁通過四個內存器指針選擇接入SRAM、Flash存儲器或者SFR寄存器。系統通過中斷控制器維護四種不同優先級的18個中斷源,這些中斷源被分成六組,每組關聯一種中斷優先級。
為降低功耗,系統可支持四種工作模式,表1給出了這四種工作模式的特點和狀態。
 

2.3無線收發部分重要配置
的RF輸出功率等級通過寄存器PA_TABLE0配置,可以工作在2.4GHz免費頻段上,若要高頻部分開始工作,必須在工作頻段2400~2483.5MHz上.如果需要設置這些參數,需要有CHAN-NR、FSCTRL1、FSCTRL0、FREQ2、FREQ1、FREQ0等寄存器。調制解調器通過配置MDMCFG4、MDMCFG3、MDMCFG2、MDMCFG1、MD-MCFG0和DEVATN,可以將它們的調制解調器的方式修改為2-FSK、GFSK和MSK等。的射頻部分是一個可編程控制速率的芯片,Z高速率可以達到500kBaud。由于速率越高消耗的電流就越大,考慮到節能問題,因而在不需要大速率的情況下,對數據傳輸速率進行相應的修改,是很有必要的。
3無線液位變送器的硬件設計
3.1硬件系統設計
無線液位變送器硬件設計以內嵌8051單片機的單片可編程UHF收發器芯片為核心,由液位測量、微處理器、液位顯示、D/A轉換輸出、無線收發及天線等部分組成,硬件基本組成框圖如圖2所示。以1cm間隔均勻分布置于全密封不銹鋼防護管內的干簧管測量陣列及球型磁浮子將液位轉換為位置信號,采用掃描檢測方法將液面位置讀入,液位信號經過單片機處理后,采用LCD現場顯示;采用2-$DAC結構,16位分辨率,標準三線串行數據輸入接口,4~20mA電流環路輸出的高性能數模轉換器AD421完成D/A轉換輸出標準電流信號;利用內嵌的無線收發芯片CC2500實現液位信號的無線傳送。

3.2矩陣掃描檢測電路設計
矩陣掃描檢測電路由SoC芯片和分布在測桿內干簧管陣列電路、移位寄存器構成類似掃描鍵盤陣列電路結構,干簧管位于行和列的交叉點上,如圖3所示,利用行掃描法實現液位測量。行掃描法的基本原理是:通過控制移位寄存器的輸出,使各列依次變為低電平（/00）狀態,然后檢測各行（P1.0~P1.3）的狀態。干簧管陣列的某一條列線為低電平,如果這條列線上沒有觸點閉合,則各行線的狀態均為高電平;如果列線上有觸點閉合,則相應的那條行線即變為低電平（/00）狀態,則可確定該行與處于低電平狀態列的交叉點上的干簧管為閉合狀態,這樣,就可根據行線和列線號獲得相應的浮子位置,即液面位置。由于均勻分布置于全密封不銹鋼防護管內的任一干簧管的位置是*確定,故對應于任一干簧管的液位也就*確定了。
通過P1口檢測到的液位值輸入到的內部寄存器,數據處理后從的P2.0、P2.1和P2.2口直接寫數據到AD421的LATCH、DATA和CLOCK端,數據按由高位到低位的順序被裝載到AD421內部的輸入移位寄存器,在LATCH信號上升沿輸入移位寄存器中,數據傳送到DAC鎖存器,而LOOPRTN與LV端口形成一個回路,完成數字信號到4~20mA標準電流信號的轉換并輸出。

3.3微處理器和無線收發單元設計
包含UHFRF收發器和高性能低功耗8051微控制器,集成了32KB在系統可編程Flash和外設內嵌4KBSRAM。功能強大,擁有128位AES安全協處理器和DMA功能;具有高靈敏度（10kb/s下為-100dBm）和較高的接收靈敏度和阻塞功能,支持2-FSK、GFSK和MSK等調制方式;支持數字RSSI/LQI;線路調試的IDE（IntegratedDevelop-mentEnvironment,集成開發環境）遵從IAR公司的工業標準,結合Chipcon公司的ZigBee協議棧,只需極少外部元件就可以構成性能穩定且功耗極低的片上系統（SoC）,極大地降低了開發難度。的微處理器和無線收發單元電路如圖4所示。系統的高速時鐘源是26MHz晶體振蕩器,低速時鐘源一般作為看門狗時鐘源,采用低功耗
32.768kHz晶體振蕩器。射頻輸入/輸出匹配電路主要用來匹配器件的輸入/輸出阻抗,使其輸入/輸出阻抗為508,發射部分經過前端P型匹配網絡向508垂直天線饋電,如果不希望采用上述匹配網絡,可以采用T型PCB天線直接與器件相連。天線部分可采用PCB上引線形成的板載偶極天線或鞭狀天線。抗干擾設計直接關系到射頻性能和整機的運行,由于工作頻率較高,所以設計以芯片為中心的應用電路,各元器件緊靠其周圍,盡可能減少分布參數影響。在PCB布線時,芯片底部應保持良好接地。電源線建議從電源主節點呈樹狀引出不同分支的電源線為每個電源引腳供電,使引腳間產生空間上的隔離,以減小彼此之間的耦合。
同時可使用多個去耦電容、旁路電容濾波,以保持電源的純凈。如采用多層板布線,敷銅時應注意不要使芯片下的地形成耦合。天線至引腳的PCB引線應盡可能粗,以降低阻抗。

4軟件設計
4.1SimpliciTI網絡協議
德州儀器（TI）推出針對簡單小型RF網絡的專有低功耗RF協議SmipliciTI網絡協議[5]。Smi-pliciTI網絡協議能/開盒即用0地在片上系統（SoC）上運行。SmipliciTI網絡協議專為簡單的RF網絡而設計。利用SmipliciTI網絡協議可實現MCU資源占用的Z小化,從而降低了低功耗RF網絡的系統成本。需要路由功能的更復雜的網狀網絡通常需要10倍之多的程序存儲器與RAM。盡管所需的資源不多,但SmipliciTI網絡協議依然能夠支持點對點通信,這種選擇方案不僅可使用數據中心（AccessPoint）來存儲并發送消息,還能通過范圍擴展設備（rangeextender）來擴大網絡覆蓋范圍以支持四次網絡跳轉。
SmipliciTI協議的模塊如圖5所示,包括Ne-tworkManagement（網絡管理）、AccessPoint、Frequen-cyAgility（跳頻）、RangeExtender、Encryption（加密）、Battery-onlyNetwork（低功耗網絡）。SmipliciTI網絡協議提供給應用層間的信息交流。SmipliciTI的硬件邏輯層主要包括:Radio（射頻層）、BSP（應用板支持層程序包）。SmipliciTI沒有物理層（PHY）和數據鏈路層（MAC/LLC）,數據直接從射頻層接收過來,射頻層的作用就是直接將數據接收到。SmipliciTI網絡提供三類設備:終端節點設備ED、數據中心AP和范圍擴展設備RE。協議確定兩個設備之間通信會有一個連接過程。連接信息包含一個4字節的連接標志,接收連接的設備才能允許該設備加入網絡。數據幀大小為:Z小22字節,Z大74字節。SmipliciTI對其中數據長度、目的地址、源地址、PORT、設備信息、交換記錄、有效數據等進行CRC校驗。有效數據載荷為0~52字節。

4.2軟件流程
軟件設計采用模塊化的編程方法,按照程序實現的不同功能分為不同的銜接模塊,使整個程序結構便于調試及功能的擴充。軟件設計流程如圖6所示:上電后初始化各個設置,進入節能模式;定時時間到喚醒處理器,依次配置無線模塊,執行數據采集程序,進行數據處理和存儲,轉發數據,液位顯示、D/A轉換,設置無線模塊進入等待加入模式,如果成功加入后,則發送通信數據。

根據的特點,可以人為設定MAC層協議以完成節點間通信,從而構成星型或者網型（MESH）無線傳感器網絡。完成一次數據發送的程序流程如圖7所示。數據傳送時,發送的數據幀被送入RAM中的緩存區進行相應的幀打包操作,取發送載荷數據填入地址并計算包長度,將一定數量的可編程的開端字節,然后添加兩字節的同步字,在發送數字幀中計算和加入CRC校驗和并發送出去。在接收模式時,首先進行開端檢測、提取RSSI信息,然后進行同步字檢測,接著檢測地址、進行地址長度匹配并計算和檢查CRC。Z后將數據載荷提交上層進行處理,從而完成一次發送和接收交互。
5結束語
芯片是一款高集成度的工業用射頻收發器,是射頻技術與單片機技術的結合。基于芯片構成的無線液位變送器,對液位信號采用無線傳送也是本設計的創新之處,采用無線傳輸降低了測量條件的限制,給測量帶來方便并在成本、空間、功耗、靈活性等方面具有明顯的優勢。無線傳感器網絡的研究是對傳統網絡技術的一種挑戰,也是實現實時監視應用的一個新的可靠的技術方法。用無線液位變送器做網絡節點設備,可開發高性價比、安全可靠、低功耗、低復雜度的無線網絡解決方案,新型的無線傳感器網絡具有誘人的發展前景。