基于nRF2401芯片的多通道无线分布式测温系统设计

发布于:2024-07-17 编辑:匿名 来源:网络

简介  短距离多通道无线通信系统不仅系统布局灵活,不受场地等条件限制,还可以完全消除通信设备之间的干扰物理连接大大降低了使用成本,因此在现代工业生产控制中得到了广泛的应用。

  本文讨论并设计了一种基于nRF射频无线通信芯片的多通道无线分布式测温系统。

本系统采用新型单线数字温度传感器DS18B20进行温度测量。

经ATmegal6单片机处理后,采用射频无线收发芯片nRF无线??发送测温数据。

主控节点还采用nRF芯片接收无线测温数据,然后通过ATmegal6单片机对数据进行转换和处理,从而在6位液晶显示屏上显示4个远程位置的测温值。

这些按钮也可用于单独测量。

某个位置的温度值。

系统总体结构框图如图1所示。

  1系统硬件设计  本系统主控节点及各测温通道均采用高性能、低功耗、高速的控制器采用Atmel公司开发的8位处理器AT-megal6微控制器。

ATmegal6单片机不仅价格低廉,而且性能强大,能够很好地完成本系统所需的控制和数据处理功能。

该微控制器采用先进的RISC结构CPU内核,具有1MIPS/MHz的高速数据处理能力。

它不仅具有32个8位通用寄存器,还包含16KB非易失性FLASH程序存储器和B SRAM数据存储器并支持JTAG接口,片内资源非常丰富。

  1.1 数字温度传感器DS18B20及其接口电路    本系统各测温通道均选用DALLAS公司生产的新一代单线式数字温度传感器DS18B20。

该设备只有 3 个引脚,非常易于使用。

它的温度测量范围是- 55°C? DS18B20器件的外形图如图2所示。

图3所示为DS18B20与微控制器之间的连接电路。

  图3中DS18B20的电源电压可以在+3V和+5.5V之间选择。

通常为了简单起见,选择+5V。

DS18B20只需要一根数据线即可实现控制命令和测温数据的通讯和传输。

在本系统中,DS18B20的DQ数据线连接到ATmegal6单片机的PA7端口。

采用DS18B20作为测温元件的硬件电路虽然比较简单,但单片机实现温度读取所需的控制和数据读取的程序操作相对复杂和繁琐。

为了一次性获得温度数据,单片机需要先对DS18B20器件进行复位,然后向DS18B20发送ROM操作指令和RAM操作指令,然后才能读取温度数据。

DS18B20器件的温度测量数据总共由2个字节和16位组成。

低12位是温度测量值,高4位代表是正还是负摄氏度。

具体数据格式和测温数据如图4所示。

  1.2无线收发器nRF及其接口电路  为了实现测温数据的无线传输,采用新型短距离无线收发芯片nRF本设计是一个单芯片射频收发器,工作在2.4-2。

5 GHz ISM频段,芯片内置频率合成器、功率放大器、晶振、调制器等功能模块。

输出功率和通讯通道可以通过程序进行配置。

芯片供电电压范围为1.9~3.6V,具有多种低功耗工作模式,易于节能设计,功耗低。

当以-5dBm功率发射时,其工作电流仅为10.5mA,接收时的工作电流仅为18mA。

它的 DuoCeiver?该技术允许芯片使用同一根天线同时接收来自两个不同通道的数据,并有一个通道可供选择。

最大传输速率为1Mb/s,输出功率可配置,支持双通道接收和多种低功耗模式。

基于nRF2401芯片的多通道无线分布式测温系统设计

只需要很少的外围元件即可操作,使用起来非常方便。

nRF芯片采用扁平24引脚封装,整体尺寸仅为5mmX 5mm。

其引脚排列及内部框图如图5所示。

  nRF芯片的引脚功能说明如表1所示。

  nRF芯片的外部电路连接如图6所示。

  nRF有四种主要模式:接收/接收模式(RX/TX)、配置模式(configuration)、空闲模式(Standby)和关机模式(Powerdown)?这四种工作模式由PWR_UP.CE组成,CS由三个引脚控制,表2列出了其工作模式设置方法。

接收/接收模式分为ShockBurst突发模式和直接模式,由nRF的配置字控制。

  突发模式下,待发送的数据低速进入片内FIFO,高速传输,可以大大降低功耗。

即使是低速且廉价的微控制器也可以满足高速传输数据的应用要求。

突发模式和直接模式都支持DuoCeiver吗?双通道接收,即通道1(CLK1、DR1和DATA)和通道2(CLK2、DR2和DOUT2)。

由于通道2只能接收数据,且其频率始终比通道1高8MHz,因此nRF可以使用同一天线同时接收两个不同通道的数据;配置模式用于将配置字写入nRF;空闲模式可以减小芯片功耗的大小,同时可以缩短芯片的启动时间。

该模式下,部分晶振处于活动状态,配置字内容仍保留在芯片中;在关断模式下,nRF被关闭,因此它具有最小的功耗,但配置字内容仍然保留在芯片内。

当收发器不活动时可以进入该模式,从而延长电池寿命。

  nRF一般通过PA口与单片机通信。

数据就绪信号DR1、时钟端CLK1和数据端DATA可分别连接至单片机的PA2、PA1和PA0,用于接收和发送数据;电源控制端PWR_UP、激活控制端CE和片选端CS分别与单片机的PA6、PA5和PA4相连,可用于控制nRF的工作模式。

  2 系统软件设计  根据本系统确定的功能,主控节点主要负责巡检、测量和显示各节点的温度(也可以通过按键测量某个通道的值)一个按钮)。

其主控节点的软件工作流程如图7所示。

  2.1无线收发器程序  由于系统中的nRFX工作在突发模式下,因此上电后必须配置配置字后面的位。

15字节配置字可以通过三线接口(CS、CLK1和DATA)写入片内配置寄存器。

写入时先写入高位。

当CS下降沿出现时,写入的配置字有效。

  当有数据发送时,首先应将CE置1,激活片内数据处理模块,然后通过依次连接CLK1和DAIA引脚,nRF会自动生成CRC校验码,最后将CE设置为0,nRF自动添加标头,激活ShockBurst?发送,发送完成后返回空闲模式。

  接收数据时,先将CE置1,激活接收模块,然后fis后,nRF进入监听状态。

当检测到有效的数据包时(数据包的地址段与本地配置字中的接收地址匹配且CRC校验正确),nRF自动去掉包头、地址段和CRC校验位,并将DR1设置为1 供控制器查询或申请中断。

然后控制器可以以适当的速率将数据段逐位移出。

最后,当所有数据移出后,nRF自动将DR1清0。

此时,如果CE仍为1,则准备接收下一个数据包;如果CE为0,则进入空闲模式。

  ATmegal6单片机控制的数据无线收发流程如图8所示。

  2.2温度采集程序  根据DS18B20的温度采集控制要求,可以为ATmegal6单片机设计温度采集程序。

事实上,每次测温操作都必须遵循以下顺序:   第一步:初始化DS18B20,即单片机向DS18B20发送低电平复位脉冲,低电平脉冲的宽度不得小于比μs。

DS18B20收到复位脉冲后,会发回一个宽度为60μs的低电平“存在”脉冲,通知主机设备存在并处于就绪状态;   第二步:单片机发送ROM命令(然后是任意需要的读写时隙);   第 3 步:微控制器发送 RAM 命令(后跟任何所需的读写时隙)。

  以上命令和数据操作都是通过DS18B20的DQ传输的(从最低位开始),并且DQ线已经连接到ATmegal6单片机的PA7口,所以编程时必须保证端口地址设置正确,严格按照DS18B20数据手册要求的时序进行操作,保证测温数据交换的准确性。

  3 结论  本系统采用DS18B20作为数字温度传感器,通过ATmegal6单片机控制nRF无线??收发器,实现4路温度数据的无线采集、传输和实时显示。

系统不仅可以实现自动巡检温度检测,还可以根据按键测量指定通道的温度。

该系统具有测温简单、精度高、便携性强、接线不受地形限制等优点。

它可以替代传统的有线多路测温系统,因此在工农业生产实践中具有良好的应用前景。

基于nRF2401芯片的多通道无线分布式测温系统设计

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