摘要:探讨一种基于射频芯片设计无线液位变送器的方案。对Chipcon公司开发的内嵌51内核的单片可编程UHF收发器芯片的功能特点、原理与应用电路进行研究,设计无线液位变送器的硬件电路和应用软件。该无线液位变送器方案具有结构简单、功耗低等特点,并通过实验验证了其系统所具有的稳定性和通信效率。
1引言
在石油化工、水利水电、农田灌溉、环境监测以及自来水厂、污水处理厂等众多领域,液位（水位）是一个重要的技术参数。随着无线通信及网络技术的快速发展,无线传输进入工业控制领域的趋势毋庸置疑,工业参数检测装置根据应用要求将嵌入各种各样的无线传输功能。无线传感器网络技术是一种面向低功耗、低成本、低速率可靠传输的无线通讯技术,其特点使其成为适合于工业现场中液位、温度及压力等信号传输的关键技术。本文提出了一种基于射频芯片设计的利用干簧管阵列实现液位检测、集LCD显示、4~20mA输出及无线通信于一体的廉价、小量程无线液位变送器设计方案。在无线液位变送器中,无线传感器网络技术被引入到液位检测技术中,实现了液位采集的无线化,方便了现场液位变送器的安装,在保证可靠通讯的基础上降低了系统的成本,具有微型、低功耗、低成本、可扩展性、高安全性等特点。
2的功能及内部结构
2.1功能
是Chipcon公司于2005年11月推出的一款内嵌8051单片机的单片可编程UHF收发器芯片。是一种低成本的无线SOC,也是为低功耗应用设计,将处理器和射频芯片整合在一起,有效地缩小了体积,能够在各种有小型设备的无线通信场合方便地使用。工作在2.4GHz频段。
此芯片包含了一个标准的增强型8051MCU和一个无线收发芯片CC2500,无线通信主要工作在2.4GHz的ISM（工业、科学和医学）和SRD（短距离设备）频率波段,在2.4GHz频段可以自由地设置在2400~2483.5MHz范围。
的RF射频收发器集成了一个高度可配置的调制解调器。这个调制解调器支持不同的调制格式,其数据传输率可达500kbps。通过开启集成在调制解调器上的前向误差校正选项,能使性能得到提升。为数据包处理、数据缓冲、突发数据传输、清晰信道评估、连接质量指示和电磁波激发提供广泛的硬件支持。芯片工作时的电流损耗为16mA和18mA;速率为1.2kBaud,在接收和发射模式下,电流损耗分别低于17.1mA或18.5mA。的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性,特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。
芯片的主要特点如下:高性能和低功耗的8051微控制器核;2.4GHz（）的RF无线电收发机;优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性;在休眠模式时仅0.5LA的流耗,外部的中断或RTC能唤醒系统,在待机模式时少于0.3LA的流耗,外部的中断能唤醒系统;硬件支持CSMA/CA功能;较宽的电压范围（2.0~3.6V）;数字化的RSSI/LQI支持和强大的DMA功能;具有电池监测和温度感测功能;集成了14位模数转换的ADC;集成AES-128安全协处理器;带有两个强大的支持几组协议的USART,一个支持TI自定义协议栈的MAC计时器,一个常规的16位计时器和两个八位计时器;较少外围电路;强大和灵活的开发工具。
2.2内部结构
芯片延用了以往TI公司ZigBee无线（定位）芯片CC2430/CC2431架构,它使用一个八位MCU（8051）,具有32KB可编程闪存和4KB的RAM,还包含模拟数字转换器（DC）、定时器（Tmier）、AES128协同处理器、看门狗定时器（WatchdogTmier）、32kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路（PowerOnRe-set）、掉电检测电路（BrownOutDetection）以及21个可编程I/O引脚,其内部结构如图1所示。内存仲裁通过SFR总线将CPU、DMA模块、存储器以及其他外设连接在一起。内存仲裁通过四个内存器指针选择接入SRAM、Flash存储器或者SFR寄存器。系统通过中断控制器维护四种不同优先级的18个中断源,这些中断源被分成六组,每组关联一种中断优先级。
为降低功耗,系统可支持四种工作模式,表1给出了这四种工作模式的特点和状态。
2.3无线收发部分重要配置
的RF输出功率等级通过寄存器PA_TABLE0配置,可以工作在2.4GHz免费频段上,若要高频部分开始工作,必须在工作频段2400~2483.5MHz上.如果需要设置这些参数,需要有CHAN-NR、FSCTRL1、FSCTRL0、FREQ2、FREQ1、FREQ0等寄存器。调制解调器通过配置MDMCFG4、MDMCFG3、MDMCFG2、MDMCFG1、MD-MCFG0和DEVATN,可以将它们的调制解调器的方式修改为2-FSK、GFSK和MSK等。的射频部分是一个可编程控制速率的芯片,Z高速率可以达到500kBaud。由于速率越高消耗的电流就越大,考虑到节能问题,因而在不需要大速率的情况下,对数据传输速率进行相应的修改,是很有必要的。
3无线液位变送器的硬件设计
3.1硬件系统设计
无线液位变送器硬件设计以内嵌8051单片机的单片可编程UHF收发器芯片为核心,由液位测量、微处理器、液位显示、D/A转换输出、无线收发及天线等部分组成,硬件基本组成框图如图2所示。以1cm间隔均匀分布置于全密封不锈钢防护管内的干簧管测量阵列及球型磁浮子将液位转换为位置信号,采用扫描检测方法将液面位置读入,液位信号经过单片机处理后,采用LCD现场显示;采用2-$DAC结构,16位分辨率,标准三线串行数据输入接口,4~20mA电流环路输出的高性能数模转换器AD421完成D/A转换输出标准电流信号;利用内嵌的无线收发芯片CC2500实现液位信号的无线传送。
3.2矩阵扫描检测电路设计
矩阵扫描检测电路由SoC芯片和分布在测杆内干簧管阵列电路、移位寄存器构成类似扫描键盘阵列电路结构,干簧管位于行和列的交叉点上,如图3所示,利用行扫描法实现液位测量。行扫描法的基本原理是:通过控制移位寄存器的输出,使各列依次变为低电平（/00）状态,然后检测各行（P1.0~P1.3）的状态。干簧管阵列的某一条列线为低电平,如果这条列线上没有触点闭合,则各行线的状态均为高电平;如果列线上有触点闭合,则相应的那条行线即变为低电平（/00）状态,则可确定该行与处于低电平状态列的交叉点上的干簧管为闭合状态,这样,就可根据行线和列线号获得相应的浮子位置,即液面位置。由于均匀分布置于全密封不锈钢防护管内的任一干簧管的位置是*确定,故对应于任一干簧管的液位也就*确定了。
通过P1口检测到的液位值输入到的内部寄存器,数据处理后从的P2.0、P2.1和P2.2口直接写数据到AD421的LATCH、DATA和CLOCK端,数据按由高位到低位的顺序被装载到AD421内部的输入移位寄存器,在LATCH信号上升沿输入移位寄存器中,数据传送到DAC锁存器,而LOOPRTN与LV端口形成一个回路,完成数字信号到4~20mA标准电流信号的转换并输出。
3.3微处理器和无线收发单元设计
包含UHFRF收发器和高性能低功耗8051微控制器,集成了32KB在系统可编程Flash和外设内嵌4KBSRAM。功能强大,拥有128位AES安全协处理器和DMA功能;具有高灵敏度（10kb/s下为-100dBm）和较高的接收灵敏度和阻塞功能,支持2-FSK、GFSK和MSK等调制方式;支持数字RSSI/LQI;线路调试的IDE（IntegratedDevelop-mentEnvironment,集成开发环境）遵从IAR公司的工业标准,结合Chipcon公司的ZigBee协议栈,只需极少外部元件就可以构成性能稳定且功耗极低的片上系统（SoC）,极大地降低了开发难度。的微处理器和无线收发单元电路如图4所示。系统的高速时钟源是26MHz晶体振荡器,低速时钟源一般作为看门狗时钟源,采用低功耗
32.768kHz晶体振荡器。射频输入/输出匹配电路主要用来匹配器件的输入/输出阻抗,使其输入/输出阻抗为508,发射部分经过前端P型匹配网络向508垂直天线馈电,如果不希望采用上述匹配网络,可以采用T型PCB天线直接与器件相连。天线部分可采用PCB上引线形成的板载偶极天线或鞭状天线。抗干扰设计直接关系到射频性能和整机的运行,由于工作频率较高,所以设计以芯片为中心的应用电路,各元器件紧靠其周围,尽可能减少分布参数影响。在PCB布线时,芯片底部应保持良好接地。电源线建议从电源主节点呈树状引出不同分支的电源线为每个电源引脚供电,使引脚间产生空间上的隔离,以减小彼此之间的耦合。
同时可使用多个去耦电容、旁路电容滤波,以保持电源的纯净。如采用多层板布线,敷铜时应注意不要使芯片下的地形成耦合。天线至引脚的PCB引线应尽可能粗,以降低阻抗。
4软件设计
4.1SimpliciTI网络协议
德州仪器（TI）推出针对简单小型RF网络的专有低功耗RF协议SmipliciTI网络协议[5]。Smi-pliciTI网络协议能/开盒即用0地在片上系统（SoC）上运行。SmipliciTI网络协议专为简单的RF网络而设计。利用SmipliciTI网络协议可实现MCU资源占用的Z小化,从而降低了低功耗RF网络的系统成本。需要路由功能的更复杂的网状网络通常需要10倍之多的程序存储器与RAM。尽管所需的资源不多,但SmipliciTI网络协议依然能够支持点对点通信,这种选择方案不仅可使用数据中心（AccessPoint）来存储并发送消息,还能通过范围扩展设备（rangeextender）来扩大网络覆盖范围以支持四次网络跳转。
SmipliciTI协议的模块如图5所示,包括Ne-tworkManagement（网络管理）、AccessPoint、Frequen-cyAgility（跳频）、RangeExtender、Encryption（加密）、Battery-onlyNetwork（低功耗网络）。SmipliciTI网络协议提供给应用层间的信息交流。SmipliciTI的硬件逻辑层主要包括:Radio（射频层）、BSP（应用板支持层程序包）。SmipliciTI没有物理层（PHY）和数据链路层（MAC/LLC）,数据直接从射频层接收过来,射频层的作用就是直接将数据接收到。SmipliciTI网络提供三类设备:终端节点设备ED、数据中心AP和范围扩展设备RE。协议确定两个设备之间通信会有一个连接过程。连接信息包含一个4字节的连接标志,接收连接的设备才能允许该设备加入网络。数据帧大小为:Z小22字节,Z大74字节。SmipliciTI对其中数据长度、目的地址、源地址、PORT、设备信息、交换记录、有效数据等进行CRC校验。有效数据载荷为0~52字节。
4.2软件流程
软件设计采用模块化的编程方法,按照程序实现的不同功能分为不同的衔接模块,使整个程序结构便于调试及功能的扩充。软件设计流程如图6所示:上电后初始化各个设置,进入节能模式;定时时间到唤醒处理器,依次配置无线模块,执行数据采集程序,进行数据处理和存储,转发数据,液位显示、D/A转换,设置无线模块进入等待加入模式,如果成功加入后,则发送通信数据。
根据的特点,可以人为设定MAC层协议以完成节点间通信,从而构成星型或者网型（MESH）无线传感器网络。完成一次数据发送的程序流程如图7所示。数据传送时,发送的数据帧被送入RAM中的缓存区进行相应的帧打包操作,取发送载荷数据填入地址并计算包长度,将一定数量的可编程的开端字节,然后添加两字节的同步字,在发送数字帧中计算和加入CRC校验和并发送出去。在接收模式时,首先进行开端检测、提取RSSI信息,然后进行同步字检测,接着检测地址、进行地址长度匹配并计算和检查CRC。Z后将数据载荷提交上层进行处理,从而完成一次发送和接收交互。
5结束语
芯片是一款高集成度的工业用射频收发器,是射频技术与单片机技术的结合。基于芯片构成的无线液位变送器,对液位信号采用无线传送也是本设计的创新之处,采用无线传输降低了测量条件的限制,给测量带来方便并在成本、空间、功耗、灵活性等方面具有明显的优势。无线传感器网络的研究是对传统网络技术的一种挑战,也是实现实时监视应用的一个新的可靠的技术方法。用无线液位变送器做网络节点设备,可开发高性价比、安全可靠、低功耗、低复杂度的无线网络解决方案,新型的无线传感器网络具有诱人的发展前景。
