无线环境监测模拟装置

摘要本装置以MSP430系列单片机为控制核心,探测节点实现对周边温度和光照信息的采集并发送回监测终端,并且探测节点之间具有信息转发功能。发射电路采用具有开关状态的丙类放大电路,其电源加上低压降晶体管S8550,通过单片机控制该三极管基极电压来决定发射部分电源的通断,有效降低了功耗。

关键词环境监测 超再生 低功耗

中图分类号:TP2文献标识码:A

1 系统方案设计

1.1 调制方式

综合考虑,我们选择ASK调制方式。即用调制信号控制载波的通断,调制信号为1时载波接通,此时传输信道上有载波出现;调制信号为0时载波被关断,此时传输信道上无载波传送。检波电路根据载波的有无还原出调制信号1和0。

ASK调制方式电路相对简单,功耗及制作成本较低。在技术指标的要求下,ASK可以满足要求,并且通信距离超过50cm。本系统选择OOK,为ASK调制方式之一。

1.2 接收机电路

在本系统中,有两种可考虑的接收电路:超再生接收检波电路和集成芯片电路。滤波电路利用再生原理使检波电路工作在间歇状态,有利于提高电源效率。集成收音芯片CXA1691为超大规模AM/FM立体声收音集成芯片,集调幅、调频、锁相环、立体声解码等电路为一体。超再生接收检波电路功耗低,灵敏度高,电路设计相对简单、性价比高,易于实现;采用CXA1691集成收音芯片电路较复杂、功耗较大。综合比较,我们选择前者。

1.3 编码方式

此系统采用通信中较常用的双相码(Biphase Code)编码方式,即用一个周期的方波表示“1”,用它的反相波表示“0”,其编码规则为:0→01,1→10。双相码编解码方式既能提供足够的定时分量,又无直流漂移,有良好的抗燥性,与其他方式有一定的优越性。

1.4 系统总体方案设计

本系统监测终端和探测节点均以MSP430F169单片机为控制核心,两者均采用27.145MHz载波、ASK调制方式由高效开关式谐振功率放大器完成,系统的接收电路采用具有间歇工作状态的超再生检波电路。温度检测使用温度传感器DS18B20,光照信息检测使用光敏电阻。A、B探测节点之间的转发功能主要由软件实现,数据编码方式采用双相码,监测终端处理探测节点传输回来的数据经LCD12864实时显示。

2 理论分析与电路设计计算

2.1 发射电路理论分析与设计计算

2.1.1 发射电路理论分析

由于石英晶体的Q值很高,受温度影响较小,可获得很高的频率振荡稳定性。因此,在发射电路的振荡部分采用无源晶振和三极管T1构成LC振荡电路,产生27.145MHz载波信号。功放部分采用丙类放大电路,晶体管T2工作在开关状态,当数字信号1到来时,晶体管处于放大状态;当数字信号0到来时,晶体管处于截止状态,集电极电流Ic=0,从而减少了电路的功耗,其电路如图 1所示。

2.1.2 发射电路设计计算

发射电路主要由产生载波的振荡电路、丙类高频功率放大器以及天线谐振网络组成。丙类高频功率放大器为集电极并联馈电形式,晶体管、负载回路和直流电源组成并联连接形式。谐振网络可视为如图2所示的等效电路。其中L3和C1为电感天线的感值和自分布电容。根据已知的线圈直径D = 34mm,线圈匝数N = 5以及线径d = 0.7,通过计算软件可得L3 = 1.5uH,C1 = 4pF。总电抗为

XL = (jωL3)//(1/jωC1+jωL2+1/jωC2)

= (jωL3)//[(-ω2C1C2L2+C1+C2)/jωC1C2]

= [C1+C2-ω2C1C2(L3+L2)]/[jω(C1+C2-ω2C1C2L2)]

……………………………………………………①

为了使电路谐振到27.145MHz,选定L2为27uH,通过②式,解得调谐电容C2为68pF

C1+C2-ω2C1C2(L3+L2) = 0 …………………………②

图1发射电路 图2等效匹配网络

2.2 接收电路理论分析与计算

2.2.1 接收电路理论分析

接收电路采用的超再生接收检波电路是一个间歇式电容三点式振荡器,电路为共基极电路,L5、C16以及三极管BE间的结电容构成电容三点式高频振荡器。振荡器工作时,随着振荡幅度增加,晶体管电流Ice增加,Ice流过R11会使R11两端电压成增长趋势,而C9两端电压无法突变,因此该电流对C9充电,使其两端电压升高,从而晶体管BE端电压下降,工作点降低,当降低到一定程度,电路开始停振,Ice随振荡逐渐停止而减小,这使R11两端电压呈减小趋势,C9开始通过R11放电,C9两端电压降低,晶体管BE端电压增加,振荡幅度开始回升,重复前面的过程,因此振荡器工作在一个间歇振荡状态,间歇频率由C9和R11决定,一般为100K-500KHz之间。

L5和C14构成选频网络,当天线接收到的ASK信号载波频率与其谐振频率相同时,对电路的振荡幅度有加强作用,此时电路进入超再生状态。此外,电路振荡建立的速度、及持续时间与晶体管工作点有关,而晶体管工作点随输入ASK信号幅度变化,因此,高频间歇振荡在每个间隙之间能达到的最大振荡幅度是随输入ASK信号的幅度变化的,此间歇振荡的包络线就是要解调的信号。为了获得较好的解调效果,电路中将产生的间歇振荡通过低通滤波后送入SM6135进行放大整形达到解调的目的。

2.2.2 接收电路设计计算

三极管T3及外围电路组成超再生振荡电路,其中L5和C14组成选频网络,选择L5=15uH,为了使接收电路谐振在27.145MHz,由公式③解得C14为2.3pF。

fo=1/[2π(L5×C14)] ………………………………③

间歇频率由R11和C9决定,频率越高,间歇周期短,接收灵敏度低,频率越底,灵敏度高,但抗干扰能力差,通常状况下选择100KHz到500KHz之间,通过测试该频率为106KHz时接收效果最佳。取R11=680Ω,由公式f=1/(2πR11×C9),解得C9=2200pF。对于C13和R5组成的低通滤波器,截止频率选为6KHz,R5取1.5K,由公式fOFF=1/(2πR5×C13)的C13为4.7Uf。

2.3 通信协议分析

为了加强通信系统的安全性,无线环境监测模拟装置通信协议采用时间片分层的方式。定义每秒的前半段为监测终端与探测节点A的通信时间,后半段为终端与探测节点B的通信时间。所有的通信指令均由监测终端发送,与之通信的探测节点必须在规定的时间片内以1Kbps的波特率发送数据以及执行相应的指令。监测终端发射信息位(25位)定义如表1,其中起始位用于时钟校准,保证各个子探测节点和监测终端的时钟同步。终端数据标志位区分了终端数据与节点数据,提高了通信效率。地址位用于指定通信节点及相应的通信指令。

表1 监测终端发射位信息定义

探测节点发射信息位(105位)定义如表2所示。起始位与数据标志位的作用与表1相同。节点地址和节点数据位表示当前通信的节点及其发送的数据。标志事件位则表示本节点是否转发了数据。标志事件为11时,表示该探测节点未收到其他探测节点发送的信息,此时,标志位之后所有为信息均置0。当标志事件为01时,该探测节点在发送自身探测数据的同时将转发其接收到的另一探测节点的数据。

表2探测节点发射信息位定义

首先由拨码开关设定各个探测节点的地址,系统初始化后,监测终端发送特殊指令0x00,探测节点在各自规定的时间片内向监测终端发送设定的地址,从

而建立了通信信道,并实现了探测节点地址预置。通过不同的节点地址以及不同的时间片,监测终端可以准确的与指定探测节点通信。

当监测终端发现可以获取A节点的数据,但无法获取B节点的数据时,需要A节点转发B节点的信息。监测终端在与A的第一个通信时间片内发送转发指令,A收到指令后立即与B通信,如果成功则要求B发送数据到A,由A暂存转发数据并置转发标志位。当下一个监测终端与节点A的通信时间片到来后同时发送本身采集数据和转发数据,从而实现了自动数据转发功能。

4 结果与结论

4.1 部分测试数据

功耗方面:测量检测终端电源供电电流为I=10mA,功耗为Po=0.06W。

4.2 测试结果分析

(1)探测节点实现00000001B~11111111B编号预置功能,实现监测终端与各探测节点直接通信,能显示当前各探测节点探测到的环境温度和光照信息。各探测节点实现了0℃~100℃范围内绝对误差小于2℃的温度测量和四个强度的光照测量实,探测时延小于5s,监测终端天线与探测节点天线距离大于25cm。

(2)每个探测节点实现信息转发功能,探测距离D+D1>50cm,探测时延小于5s。在D+D1>50cm条件下监测终端供电电源电流10mA功耗保持0.06W,探测节点电源供电电流均为11mA,功耗保持0.033W。

接收部分的超再生检波电路在内部和外部噪音电压的激发下会产生不规则的杂乱振荡,导致输出的噪声对接收电路造成了极大的干扰,甚至覆盖另一发射模块发射的信号。为解决这一问题,对接收电路电源加上低压降晶体管S8550通过单片机控制其导通与否,在该探测节点处于接收状态时使其关断,而在发射状态时使其导通,从而从根本上解决了接收部分对发射部分的干扰。

5 结束语

在此设计过程中,以低功耗和性价比为出发点,器件选型和电路设计都做了精心挑选,如选择MSP430超低功耗单片机和设计丙类放大器及具有间歇性工作状态的超再生检波电路,使监测终端和探测节点的功耗保持0.1W以内。

参考文献

[1]黄智伟.全国大学生电子设计竞赛电路设计[M].北京:北京航空航天出版社,2006.

[2]全国大学生电子设计竞赛组委会.全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编(2007)[M].北京:北京理工大学出版社,2008.

[3]阳昌汉.高频电子线路[M].北京:高等教育出版社,2006.

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