摘要：介紹一種基于英飛凌公司TDK5110與TDA5220芯片的無(wú)線溫度采集系統(tǒng)。對(duì)該系統(tǒng)的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸部分進(jìn)行了深入分析，重點(diǎn)分析了無(wú)線發(fā)射芯片TDK5110及無(wú)線接收芯片TDA5220的參數(shù)設(shè)計(jì)與硬件電路設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)具有極強(qiáng)的抗干擾性，可以應(yīng)用在惡劣的溫度環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)控，有效地降低了發(fā)射系統(tǒng)功耗，提高了系統(tǒng)的可靠性。
關(guān)鍵詞：溫度采集；TDK5110／TDA5220；參數(shù)設(shè)計(jì)

    隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，簡(jiǎn)單、方便、實(shí)用的東西越來(lái)越受到人們的喜愛。無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展為人們的生活、生產(chǎn)帶來(lái)了極大的改變，節(jié)省了大量的人力、物力資源?，F(xiàn)在，無(wú)線通信技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到生活的方方面面。在一些不利于有線通信的場(chǎng)所，無(wú)線通信技術(shù)更是起到了不可替代的作用。小到對(duì)講機(jī)，大到移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，它們無(wú)疑在改變著人們的生活方式。比如在生產(chǎn)環(huán)境惡劣的生產(chǎn)車間，工作人員不能長(zhǎng)時(shí)間停留在現(xiàn)場(chǎng)觀察設(shè)備是否運(yùn)行正常，就需要將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭粋€(gè)環(huán)境相對(duì)好的控制室內(nèi)，工作人員可以在這里觀察整個(gè)生產(chǎn)線的一舉一動(dòng)。由于廠房大、監(jiān)測(cè)點(diǎn)多等原因，需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)多，使用傳統(tǒng)的有線數(shù)據(jù)傳輸方式就需要鋪設(shè)很多很長(zhǎng)的線纜，浪費(fèi)資源，占用空間，可操作性差，出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)換線困難。顯然，采用有線數(shù)據(jù)傳輸弊端很多，因此采用無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸方式可大大改觀有線方式的不足。又如在冷庫(kù)等不利于工作人員天天進(jìn)出的場(chǎng)所，采用無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)射方式可以避免進(jìn)出困難，同時(shí)無(wú)線發(fā)射裝置的移植性好，可隨時(shí)安裝或拆
除?；谝陨峡紤]，本文設(shè)計(jì)探討了基于TDK5110與TDA5220的無(wú)線溫度采集系統(tǒng)。

1 無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸原理
    系統(tǒng)由兩部分組成，通過(guò)無(wú)線方式聯(lián)系在一起。第一部分作為溫度采集與發(fā)射部分，置于被測(cè)環(huán)境中。這部分上電后開始測(cè)量溫度，并將測(cè)得的溫度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送出去。第二部分作為溫度接收和處理部分，上電后開始接收第一部分發(fā)射過(guò)來(lái)的溫度數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)和處理。系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。圖1的上側(cè)為溫度采集與發(fā)射部分原理框圖，該部分通過(guò)發(fā)射芯片TDK5110向下側(cè)的溫度接收與處理部分發(fā)送溫度數(shù)據(jù)，同時(shí)通過(guò)接收芯片TDA5220接收上側(cè)溫度采集與發(fā)射部分發(fā)送過(guò)來(lái)的溫度值，通過(guò)主控器AT89C52把溫度值送給計(jì)算機(jī)。

2 發(fā)射／接收芯片參數(shù)及電路設(shè)計(jì)
2．1 發(fā)射芯片
    英飛凌TDK51lO是一塊工作頻段在434／868 MHz的單芯片ASK／FSK發(fā)送器。芯片具有相當(dāng)高的系統(tǒng)集成度，片上完全集成了PLL合成器和一個(gè)高效率功放以驅(qū)動(dòng)天線，所以使用時(shí)只需要非常少的外圍電路，適合電路的微型要求。另外其獨(dú)到的電路和功放模塊設(shè)計(jì)以及睡眠、PLL起振和發(fā)射三種模式的設(shè)置使得芯片具有很好的低功耗特性。
    對(duì)于FSK調(diào)制電路的設(shè)計(jì)，需要分析圖2所示電路對(duì)發(fā)送信號(hào)頻率的影響。

    其中，CL表示晶振的負(fù)載電容；CSW是FSK開關(guān)的對(duì)地電容，包括了布線時(shí)的分布電容，一般可以3 pF計(jì)入；對(duì)于13．56 MHz的晶振，R=100 Ω；L=4．6μH。該電路是通過(guò)外接的Cv1、Cv2值改變晶振負(fù)載電容來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率變化的。當(dāng)FSKDTA=0，開關(guān)閉合，Cv2和CSW都被短路，Cv1和L構(gòu)成等效負(fù)載電容；當(dāng)開關(guān)打開時(shí)，CSW、Cv2都計(jì)入回路，Cv1、CSW、Cv2和L構(gòu)成等效負(fù)載電容。晶振振蕩頻率與負(fù)載電容之間的關(guān)系為：
   
其中：
    CL為晶體振蕩在中心頻率f時(shí)所要求的負(fù)載電容。
    C0、C1為晶振內(nèi)部等效電容值。
    f'=32f，為晶振振蕩在中心頻率f時(shí)的發(fā)射頻率。
    △f為想要實(shí)現(xiàn)的距離晶振中心振蕩頻率的頻偏。
    當(dāng)采用TDK5110推薦的NX6035SA晶振時(shí)，f=13．568 75 MHz，C0=1．5 pF，C1=5．8 pF，CL=12 pF。
    假設(shè)為實(shí)現(xiàn)“O”的發(fā)射△f，計(jì)算得到CL0值。但由于芯片內(nèi)部等效電感的存在，需要修正Cv1值，此時(shí)開關(guān)閉合，所以修正式子：

   
其中ω0為發(fā)射“0”時(shí)晶振振蕩角頻率。
    得到：
    
    在晶振f=13．568 75 MHz時(shí)，芯片等效電感L=4．6μH，所以計(jì)算可得Cv1=10 pF。
    同樣實(shí)現(xiàn)“1”的發(fā)射△f，計(jì)算得到CL1值為此時(shí)晶振回路中Cv2和CSW并聯(lián)后再與Cv1、L串聯(lián)后的等效電容值。即
    
其中ω1為發(fā)射“1”時(shí)晶振振蕩角頻率。
    計(jì)算得到
   
從中可以看出，在Cv1不變情況下，增大Cv2的取值可以減小表示“1”的發(fā)送信號(hào)頻率；在Cv2不變的情況下，增大Cv1也可以減小發(fā)射頻率。
    本設(shè)計(jì)采用FSK調(diào)制模式，其時(shí)序圖如圖3所示，根據(jù)此時(shí)序圖，發(fā)射端單片機(jī)選擇Atmel公司的AT89C52，用單片機(jī)的控制口PO．1、P0．2分別作為發(fā)射芯片的FSKDTA和ASKDTA進(jìn)行數(shù)據(jù)的調(diào)制控制。根據(jù)前面計(jì)算，設(shè)計(jì)發(fā)射芯片部分電路如圖4所示。

2．2 接收芯片
    與TDK5110相對(duì)應(yīng)的接收芯片為TDA5220，TDA5220是低功耗的單片F(xiàn)SK／ASK超外差接收芯片，工作在ISM的810～870 MHz以及400～440 MHz頻段。接收端選擇與發(fā)射端相同的FSK數(shù)據(jù)調(diào)制方式，此時(shí)電流的消耗為5．9 mA，接收靈敏度為100 dBm，在低功耗模式下電流消耗為50 nA。接收天線選擇鞭狀天線，其長(zhǎng)度為λ／4(λ為其接收信號(hào)的波長(zhǎng))，接收信號(hào)的頻率為434MHz，故天線長(zhǎng)度大約為17．3 cm，此天線接收信號(hào)很靈敏。信號(hào)通過(guò)天線接收到以后，通過(guò)1個(gè)LC濾波器進(jìn)入LNA(低噪聲放大器)，把微弱的信號(hào)放大。由于LNA本身具有噪聲，故需要通過(guò)第2個(gè)LC濾波網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行濾波，然后進(jìn)入混頻器，與晶振通過(guò)鎖相環(huán)倍頻的信號(hào)進(jìn)行混頻?；祛l后的信號(hào)通過(guò)中頻濾波器(IF filter)進(jìn)入限幅器，再經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波器、數(shù)據(jù)限制器送入單片機(jī)作進(jìn)一步的解碼處理。
    在接收端晶振電路的設(shè)計(jì)需要考慮以下因素：晶振頻率的大小依據(jù)fQ=(fRF-10．7 MHz)／r計(jì)算，其中，fQU為晶振的頻率，fRF為接收到的信號(hào)頻率，r為鎖相環(huán)的倍頻系數(shù)，10．7 MHz為中頻濾波器的中心頻率。根據(jù)發(fā)射信號(hào)的頻率為434 MHz的實(shí)際情況，本例中，fRF=434 MHz，r=32，故晶振頻率fQ=(434 MHz-10．7 MHz)／32=13．234MHz。晶振的負(fù)載電容為C1，所需要的電容C3的計(jì)算公式為Cs=1／(1／C1+2πfx L)。例如，晶振頻率為13．4 MHz時(shí)，C1=12 pF，XL=1010 Ω，Cs=5．94 pF，所以通過(guò)兩個(gè)電容串聯(lián)而成。兩個(gè)電容的電容值不一樣，這有利于晶振的起振。實(shí)際應(yīng)用中兩電容分別選擇為22 pF和8．2 pF。
    接收端的單片機(jī)同樣選擇Atreel公司的AT89C52。接收芯片的外圍接口電路如圖5所示。

    接收端要同時(shí)接收來(lái)自不同溫度傳感器的數(shù)據(jù)信息，要區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)信息來(lái)自于哪個(gè)DSl8B20傳感器，就需要給DSl8B20傳感器編上序號(hào)。  Dallas公司的溫度傳感器芯片DSl8B20就為每一個(gè)傳感器編了惟一的序號(hào)，在提取每一個(gè)傳感器的相關(guān)信息時(shí)首先讀取該傳感器的序號(hào)，據(jù)此就可以確定傳感器的位置。

3 軟件設(shè)計(jì)與調(diào)試
    系統(tǒng)啟動(dòng)后，通過(guò)發(fā)射模塊內(nèi)的單片機(jī)讀取溫度傳感器芯片Dsl8B20所測(cè)量到的溫度值。溫度傳感器芯片與單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸主要通過(guò)單總線協(xié)議完成，這樣為連接多個(gè)溫度傳感器提供了有利條件。單片機(jī)在接收到數(shù)據(jù)后通過(guò)SPI總線協(xié)議方式發(fā)送給發(fā)射模塊TDK51lO，發(fā)射模塊TDK5110把溫度信息和溫度傳感器的序號(hào)發(fā)送出去。接收端上電開始工作，通過(guò)接收發(fā)射端傳輸過(guò)來(lái)的相關(guān)溫度數(shù)據(jù)信息，接收芯片通過(guò)SPI總線協(xié)議將數(shù)據(jù)暫存在單片機(jī)AT89C52中，單片機(jī)通過(guò)RS232總線方式將數(shù)據(jù)傳送到計(jì)算機(jī)上，實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)工作場(chǎng)內(nèi)的溫度變化情況。當(dāng)溫度低于某個(gè)設(shè)定的閾值時(shí)，通過(guò)警報(bào)方式提醒工作人員的注意，以便采取相應(yīng)的措施。該系統(tǒng)中，無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，本設(shè)計(jì)在實(shí)驗(yàn)室條件下已經(jīng)取得了預(yù)期的效果。由于實(shí)際的環(huán)境條件遠(yuǎn)比實(shí)驗(yàn)室復(fù)雜，所以要在實(shí)際的生產(chǎn)中使用，還需要更多實(shí)驗(yàn)以及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，并在此基礎(chǔ)上作一些調(diào)整與改進(jìn)。

結(jié)語(yǔ)
    本文提出了一種基于發(fā)射模塊TDK5110以及無(wú)線接收模塊TDA5220設(shè)計(jì)的無(wú)線溫度監(jiān)控系統(tǒng)，具體討論了各模塊的參數(shù)設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)與PC機(jī)相連實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、處理等，還可以連接調(diào)溫裝置實(shí)現(xiàn)溫度的實(shí)時(shí)控制等。該系統(tǒng)裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、抗干擾性強(qiáng)、性能穩(wěn)定
等特點(diǎn)，可應(yīng)用于各種惡劣的測(cè)溫環(huán)境中。