摘  要： 采用MSP430低功耗單片機(jī)作為主控芯片,，通過(guò)紅外無(wú)線(xiàn)傳輸搭建起一個(gè)低成本,、低功耗帶控制功能的數(shù)模雙路傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有簡(jiǎn)潔,、無(wú)布線(xiàn)成本,、適應(yīng)性和擴(kuò)展性好的優(yōu)點(diǎn)。

　　關(guān)鍵詞： 無(wú)線(xiàn)傳輸,；低功耗,；擴(kuò)展性；數(shù)字模擬雙路傳輸系統(tǒng)

　　1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)的MCU采用MSP430G2553作為主控芯片,，分為發(fā)送和接收兩大模塊,，無(wú)線(xiàn)傳輸方式選擇紅外方式。為了盡量減少干擾和簡(jiǎn)化系統(tǒng),，兩路無(wú)線(xiàn)通路分別傳輸模擬和數(shù)字信號(hào),。考慮到現(xiàn)有系統(tǒng)外設(shè)的多樣性,，為了最大限度地提升系統(tǒng)的可擴(kuò)展性,，信號(hào)的輸入端只做出了基本的定義，即滿(mǎn)足要求的數(shù)字和模擬輸入都可以當(dāng)作輸入信號(hào),。本文中模擬信號(hào)輸入為音頻信號(hào),，數(shù)字信號(hào)由傳感器給出，分為模擬和數(shù)字傳感器兩部分接入,，以體現(xiàn)系統(tǒng)良好的擴(kuò)展性,。模擬信號(hào)通過(guò)喇叭輸出，數(shù)字信號(hào)則通過(guò)MCU控制的液晶顯示器顯示,。輸入端接按鍵,，控制顯示的選擇和輸出的使能。整體框圖如圖1所示,。

　　1.1 模擬收發(fā)模塊設(shè)計(jì)

　　在介紹收發(fā)模塊之前,，先了解一下收發(fā)的核心元件——紅外收發(fā)對(duì)管。

　　紅外收發(fā)對(duì)管分為數(shù)字和模擬兩種,，載頻均為38 kHz,，不同點(diǎn)是模擬紅外發(fā)射管直接輸入模擬基帶信號(hào)。通過(guò)載波為媒介傳輸給接收端,，接收端經(jīng)過(guò)濾波和放大后輸出模擬信號(hào),。而數(shù)字紅外對(duì)管發(fā)送端將待發(fā)送的二進(jìn)制信號(hào)編碼調(diào)制為一系列的脈沖串信號(hào)，通過(guò)紅外發(fā)射管發(fā)射出紅外信號(hào),。紅外接收完成對(duì)發(fā)送信號(hào)的接收,、放大、檢波、整形,，并解調(diào)出編碼脈沖,。這里為了減少干擾，采用的是一體化的紅外接收頭（hs0038）,，接收的同時(shí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大,、檢波、整形,，得到TTL電平的編碼信號(hào),。

　　模擬發(fā)送部分采用模擬音頻信號(hào)作為輸入。以MP3為信號(hào)源,，傳輸信號(hào)的頻率范圍是300 Hz~3 400 Hz,。通過(guò)NPN型三極管的放大作用，基極輸入,，信號(hào)經(jīng)過(guò)射級(jí)放大后由3組發(fā)送管輸出,。這里之所以用到3組發(fā)射管是出于兩種因素的考慮，一是提高發(fā)射功率,，擴(kuò)大信號(hào)傳輸距離,；二是紅外只能以直線(xiàn)傳輸，這么做可以擴(kuò)大傳輸角度提高適用性,。具體電路如圖2所示,。

　　接收部分通過(guò)紅外接收管將接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)電容隔斷直流干擾后輸入給LM386，LM386是一種專(zhuān)用的音頻集成功放,，具有自身功耗低,、更新內(nèi)鏈增益可調(diào)、外接元件少和總諧波失真小等優(yōu)點(diǎn),。通過(guò)調(diào)節(jié)1腳和8腳之間外接串聯(lián)的電阻和電容，增益可在20~200之間任意變化,，這里音頻輸出端為一個(gè)4 W,、8 ?贅的喇叭。為了最大限度提升輸出功率,，根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)選擇10 ?滋F電容,，使增益達(dá)到最大。具體如圖3所示,。

　　1.2 數(shù)字收發(fā)模塊設(shè)計(jì)

　　傳感器信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路出入MCU中,，經(jīng)過(guò)MCU的處理，輸出給紅外發(fā)射管,。通過(guò)集成數(shù)字紅外接收管將接收到的數(shù)字信號(hào)解調(diào)出來(lái),，再輸入給輸出端的MCU，MCU經(jīng)過(guò)處理將傳感器信息輸出給液晶顯示器。需要注意的是,，紅外收發(fā)管的工作電壓為5 V,，而MSP430的工作電壓為3.3 V，直接連接會(huì)燒壞MCU,，需要一個(gè)簡(jiǎn)單的限幅電路,，如圖4所示。其中3 V電源為MCU的GPIO提供,，根據(jù)折線(xiàn)模型,，選擇R=2 k?贅，可以把輸出限制在3.6 V,，該電壓在MCU的安全電壓范圍內(nèi),，之后就可以輸送到MCU中了。

　　2 傳感器和信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

　　這里使用常見(jiàn)的溫度和濕度傳感器作為數(shù)字信號(hào)的輸入源,，分別采用模擬和數(shù)字傳感器,。模擬傳感器采用電阻式或電容式傳感器，好處是其數(shù)值與被測(cè)量成線(xiàn)性變換,。之后利用惠斯頓電橋法產(chǎn)生微弱的電信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后輸入到MCU內(nèi)置的10 bit A/D轉(zhuǎn)換器的工作電壓范圍內(nèi)（0~2.5 V）,。具體實(shí)現(xiàn)方式如下。電阻式溫度傳感器將溫度變換為電阻值通過(guò)直流電橋轉(zhuǎn)換成微小的電壓信號(hào),，經(jīng)儀表放大器AD620放大到合適值后輸入給MCU的ADC內(nèi),，實(shí)現(xiàn)室溫的測(cè)量。具體電路如圖5所示,。其中header為模擬傳感器輸入口,，滑動(dòng)變阻器做微調(diào)用，電壓由5 V單電經(jīng)濾波后供給,。

　　電阻式溫度傳感器的電阻值與溫度有關(guān),，查表計(jì)算出其對(duì)應(yīng)關(guān)系為圖6中的測(cè)試點(diǎn)，通過(guò)計(jì)算擬合公式為：

　　R=100（1+3.95×10-3×T-5.85×10-7×T2-4.22×10-22×T3）（6）

　　其中,，R表示電阻式溫度傳感器的電阻值,，T表示當(dāng)時(shí)的溫度。

　　數(shù)字傳感器采用數(shù)字溫濕度傳感器DHT11,，DHT11是一款已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器,，具有極高的可靠性、長(zhǎng)期的穩(wěn)定性,、響應(yīng)速度快和抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn),。傳輸方式為單總線(xiàn)雙向，能夠同時(shí)輸出溫度和濕度信息,。數(shù)據(jù)格式如下,；

　　8 bit濕度整數(shù)部分+8 bit濕度小數(shù)部分+8 bit溫度整數(shù)部分+8 bit溫度小數(shù)部分+8 bit校驗(yàn)和正確傳輸?shù)男ｒ?yàn)數(shù)據(jù)（等于4個(gè)8 bit數(shù)據(jù)之和的末8位）,。通信時(shí)序如圖7所示。

　　3 數(shù)據(jù)通信協(xié)議封裝格式

　　模擬信號(hào)由于不經(jīng)過(guò)MCU直接傳輸給接收端,，所以本文的通信協(xié)議指的是數(shù)字信號(hào)的傳輸協(xié)議,。為了減少兩路信號(hào)之間的干擾，數(shù)字信號(hào)傳輸采用SPI方式,，通過(guò)調(diào)整SPI的輸出比特率使其與模擬信號(hào)頻段分開(kāi),。所有傳輸?shù)臄?shù)據(jù)采用BCD碼發(fā)送和接收，一個(gè)字節(jié)的高4位和低4位分別表示十進(jìn)制的一個(gè)數(shù),。傳輸?shù)膬?nèi)容包括傳感器發(fā)送的溫度和濕度,，附加信息包括控制和節(jié)點(diǎn)編號(hào)。具體幀格式如表1所示,。

　　建立節(jié)點(diǎn)編號(hào)是方便新設(shè)備的加入,，帶來(lái)更廣的適用性?？刂莆皇强刂圃摴?jié)點(diǎn)的溫度,、濕度和音頻信號(hào)是否輸出。由于模擬傳感器中沒(méi)有濕度信息,，所以濕度以全“0”表示,，溫度以每4 bit表示一位十進(jìn)制數(shù)，考慮到測(cè)量的溫度為室溫,，以其中的最高位的“0”或“1”表示溫度的符號(hào)位,。數(shù)字傳感器的輸出與傳感器定義相同，通過(guò)濕度是否為全“0”判斷傳感器類(lèi)型,，對(duì)應(yīng)不同的顯示方式,。輸出時(shí)先輸出自己編號(hào)的節(jié)點(diǎn)信息，后輸出從其他節(jié)點(diǎn)接收到的內(nèi)容,。

　　4 中繼節(jié)點(diǎn)和傳輸網(wǎng)絡(luò)

　　考慮到需要通信的設(shè)備可能不止兩個(gè),，增加了節(jié)點(diǎn)編號(hào)使系統(tǒng)易于擴(kuò)展。傳輸信號(hào)時(shí)連同接收到的其他節(jié)點(diǎn)信息一起傳輸出去,。不但可以共享信息,，還能利用其他節(jié)點(diǎn)為中繼，在不提升輸出功率的情況下極大地延長(zhǎng)了通信設(shè)備之間的傳輸距離,。通過(guò)合理地安放不同節(jié)點(diǎn)，還可以克服紅外只能直線(xiàn)傳輸?shù)娜秉c(diǎn)（根據(jù)地理情況調(diào)節(jié)紅外收發(fā)管的角度）,。

　　5 軟件控制設(shè)計(jì)

　　MCU每隔一分鐘從傳感器和控制按鍵中采集一次數(shù)據(jù),，控制按鍵是由4個(gè)獨(dú)立按鍵組成，分別控制本機(jī)溫濕度信息的發(fā)送使能,、他機(jī)溫濕度信息的發(fā)送使能,、本機(jī)模擬信號(hào)的發(fā)送使能以及接收到的模擬信號(hào)輸出使能。多路模擬音頻信號(hào)由喇叭輸出會(huì)重疊在一起，影響接收效果,。本次測(cè)試只允許一路音頻輸入,，其他路音頻信號(hào)暫只作為中繼使用。通過(guò)MCU對(duì)按鍵控制的判斷,，決定通過(guò)紅外發(fā)射管輸出的數(shù)字信號(hào)和本機(jī)的音頻輸出使能,。本系統(tǒng)接收到的數(shù)字信息會(huì)通過(guò)液晶顯示出來(lái)。而紅外接收管是一直處于工作狀態(tài)的,，以便能夠及時(shí)接收數(shù)據(jù),。具體流程如圖8所示。

　　6 系統(tǒng)數(shù)據(jù)測(cè)試

　　根據(jù)現(xiàn)有傳感器自身的特點(diǎn),，對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試,。數(shù)字傳感器由于直接輸出為溫度和濕度信號(hào)，其誤差集中在傳感器自身,。這里用到的數(shù)字溫濕度傳感器DHT11的性能為：濕度分辨率為1%RH,，精度在4%RH以?xún)?nèi)；溫度分辨率為1℃,，精度為±1℃,。

　　模擬傳感器需要通過(guò)MCU的ADC進(jìn)行測(cè)量，加上信號(hào)調(diào)理電路,、放大器線(xiàn)性度和模擬傳感器本身的誤差,，需要使用軟件矯正。其測(cè)量值經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換最終傳輸給ADC,，其結(jié)果如圖9所示,。

　　通過(guò)MATLAB的擬合得到最終溫度與ADC值的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并通過(guò)溫濕度測(cè)試箱進(jìn)行驗(yàn)證,，結(jié)果如圖10所示,。

　　從圖10中可以看到，溫度的線(xiàn)性度比濕度好很多,。這是由于溫度測(cè)量的精度較高,，通過(guò)分析所得數(shù)據(jù)可得方差和標(biāo)準(zhǔn)差，溫度的方差和標(biāo)準(zhǔn)差分別為S2=0.379 618 S=0.616 131,，濕度的則為S2=3.857 1,、S=1.963 96，通過(guò)數(shù)據(jù)也能發(fā)現(xiàn)這一點(diǎn),。這套系統(tǒng)可以滿(mǎn)足一定的用戶(hù)需求,，通過(guò)替換其他高精度的傳感器以達(dá)到更高的精度；也可以直接接到不同的通信器材中替換有線(xiàn)通信,。

　　該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字和模擬信息的雙向傳輸,，動(dòng)態(tài)地檢測(cè)并共享數(shù)據(jù),。支持選取不同的傳感器作為輸入，并可以增加節(jié)點(diǎn)擴(kuò)大傳輸范圍并形成網(wǎng)絡(luò),。通過(guò)選取合適的傳感器,，搭建硬件電路并調(diào)整精度，使其達(dá)到要求,。最終經(jīng)過(guò)調(diào)試和編程,，完成整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

　　本系統(tǒng)很好地解決了各種小型化設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸和共享問(wèn)題,，通過(guò)這套系統(tǒng)可以很方便地選擇不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸,，并能夠兼顧多系統(tǒng)通信的擴(kuò)展問(wèn)題。適應(yīng)面極廣,，不僅可以向文中提到的連接各種傳感器組件網(wǎng)絡(luò)對(duì)室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行全局檢測(cè),，還可以用于不同儀器或系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸，可以推廣到很多方面,?？梢钥吹竭@套系統(tǒng)有著功耗小、價(jià)格低廉,、靈活性高,、適用面廣的特點(diǎn)，具有較高的實(shí)用價(jià)值,。

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