何曉峰，王建中，王再富

(杭州電子科技大學信息與控制研究所，浙江杭州310018)

0 引言

熱電偶是將溫度量轉(zhuǎn)換成電勢量的溫度傳感器，K型熱電偶是目前工業(yè)生產(chǎn)過程中常用的溫度傳感器，它可直接測量0～+1 300℃范圍內(nèi)的液體蒸汽、氣體介質(zhì)和固體表面溫度。但是熱電偶輸出信號微弱，且在測溫范圍內(nèi)存在明顯的非線性、冷端補償?shù)葐栴}［1］，這些信號需經(jīng)過放大、線性化以及模數(shù)轉(zhuǎn)換后才能與CPU通訊，造成溫度采集精度不理想，本文采用K型熱電偶模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片(MAX6675)解決以上問題［2］，系統(tǒng)通過控制器(STM32F103C8T6)對MAX6675和K型熱電偶控制進行多路溫度采集［3］，并利用CC1110無線收發(fā)模塊進行點對點的傳輸。本文詳細給出系統(tǒng)簡介、系統(tǒng)軟件設計、溫度采集精度和無線傳輸性能的分析。

1 系統(tǒng)簡介

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，系統(tǒng)主要由無線收發(fā)模塊、控制器、AD轉(zhuǎn)換模塊、冷端補償、信號調(diào)理、溫度傳感器、計算機等構(gòu)成。圖1中，AD轉(zhuǎn)換模塊、冷端補償、信號調(diào)理3個部分采用MAX6675芯片，MAX6675是MAXIM公司的K型熱電偶模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，它能獨立完成信號放大、冷端補償、線性化、A/D轉(zhuǎn)換及SPI串口數(shù)字化輸出功能，大大簡化了熱電偶測量裝置的軟硬件設計。MAX6675主要特點:可將溫度信號轉(zhuǎn)換成12位數(shù)字量，具有0～+1 023.75℃的測溫范圍，溫度分辨率達0.25℃，在0～700℃的測量誤差為±2℃;工作溫度為－20～+85℃，內(nèi)部具有冷端補償電路，當冷端溫度波動時，MAX6675仍能精確檢測熱端的溫度變化。

無線收發(fā)模塊中的無線芯片采用CC1110，它是一款1GHz以下頻帶的低功耗射頻片上系統(tǒng)，內(nèi)嵌增強型8051內(nèi)核，具有32KB Flash和4KB RAM，集成了21個可編程I/O引腳、8通道8～14bit A/D轉(zhuǎn)換器、定時器以及可編程看門狗計時器、2個USART接口、AES128協(xié)處理器和強大的DMA功能等。基于CC1110的高性能無線收發(fā)器工作范圍為300～348MHz、391～464MHz及782～928MHz，頻率穩(wěn)定性好、靈敏度高、數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖畲笏俣瓤蛇_500kbit/s，最大輸出功率可達10dBm，采用低電壓供電(2.0～3.6V)，在數(shù)據(jù)采集期間的發(fā)送電流為16mA，休眠時的電流僅為0.5μA，功耗非常低，工作溫度范圍為－40～+85℃，能適應惡劣環(huán)境，因此，特別適用于安防監(jiān)控、自動讀表、工業(yè)監(jiān)控以及智能樓宇等領(lǐng)域，能夠滿足電池使用低功耗、低成本的需求［4，5］。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)以控制器(STM32F103C8T6)為核心，K型熱電偶將采集的模擬信號傳送給MAX6675，再由MAX6675轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號傳入 STM32F103C8T6，STM32F103C8T6根據(jù) MAX6675芯片的時序控制MAX6675獲取數(shù)據(jù)并做相應處理，并將數(shù)據(jù)傳給無線發(fā)送模塊，無線接收模塊接收來自無線發(fā)送模塊的數(shù)據(jù)后，通過RS485方式將數(shù)據(jù)傳輸給上位機，最終上位機進行顯示等后續(xù)處理。

2 系統(tǒng)軟件設計

2.1 溫度采集軟件

MAX6675的端口SO輸出16位的數(shù)據(jù)，D15位為無用位，D14～D3位為溫度數(shù)據(jù)，D2位為熱電偶斷線測試位，D1位為MAX6675標識符，D0位為三態(tài)。熱電偶溫度數(shù)據(jù)讀取過程圖如圖2所示，初始化完成后，延時時間T(0.22s)使芯片完成AD轉(zhuǎn)換，CS置0，先讀高8位，再讀低8位，16位數(shù)據(jù)右移3位，獲取D14～D3位的溫度數(shù)據(jù)。MAX6675與STM32F103C8T6之間通訊使用SPI方式，MAX6675數(shù)據(jù)讀取時序圖如圖3所示:當CS引腳由高電平變?yōu)榈碗娖綍r，MAX6675停止任何信號的AD轉(zhuǎn)換，并在時鐘SCK的作用下向外輸出已轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，在SCK下降沿讀取溫度數(shù)據(jù);當CS引腳從低電平變到高電平時，MAX6675將進行下一輪數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，一個完整溫度數(shù)據(jù)的讀取需要16個時鐘周期。

圖2 熱電偶溫度數(shù)據(jù)讀取過程圖

圖3 MAX6675數(shù)據(jù)讀取時序圖

2.2 無線傳輸軟件

CC1110利用TI公司開源的專用低功耗RF協(xié)議——SimliciTI協(xié)議實現(xiàn)無線傳輸功能。SimpliciTI通訊協(xié)議非常小，只占了單片機閃存中的8K字節(jié)，適用于無線傳感器網(wǎng)絡和短距離無線數(shù)據(jù)通訊，協(xié)議包括了網(wǎng)絡加入、網(wǎng)絡管理、無線跳頻等功能。

SimpliciTI網(wǎng)絡協(xié)議主要分為3層:應用層、網(wǎng)絡層和硬件邏輯層，加密在網(wǎng)絡層處理。硬件邏輯層包括射頻層和板級驅(qū)動包，數(shù)據(jù)直接從射頻層接收。極級驅(qū)動包提供了射頻層與網(wǎng)絡層的通信的SPI接口，包含LED、KEYS以及GPIO引腳的定義。網(wǎng)絡層管理射頻發(fā)送與接收，并指定目的地址，目的地址通過接口號指定，網(wǎng)絡層不做任何幀處理。端口號是地址概念的延伸，接口編號范圍為0x01～0x3F，其中0x01～0x1F為接口，0x20～0x3F為用戶定義。接口用于網(wǎng)絡層對自身網(wǎng)絡的管理，這些接口不能被用戶應用層應用。網(wǎng)絡層在連接過程中把接口號與地址關(guān)聯(lián)起來。應用層分為網(wǎng)絡應用層和用戶程序應用層。網(wǎng)絡應用層提供網(wǎng)絡層管理，除了提供外部PING訪問外，還提供了很多供用戶開發(fā)的接口。SimpliciTI支持2種基本網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu):星狀網(wǎng)絡拓撲和點對點對等網(wǎng)絡拓撲。本文設計了點對點的網(wǎng)絡傳輸功能。SimpliciTI將其網(wǎng)絡功能封裝為幾個API函數(shù)，應用程序調(diào)用其API函數(shù)實現(xiàn)點對點的數(shù)據(jù)傳輸功能。SimpliciTI數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如表1所示。數(shù)據(jù)幀大小:最小為22字節(jié)，最大為74字節(jié)，包含報頭、同步、長度、目的地址、源地址、端口、設備信息、交換紀錄、有效數(shù)據(jù)、校驗等，有效數(shù)據(jù)N的長度為0～52個字節(jié)。本文設計中，有效數(shù)據(jù)N:節(jié)點號(1個字節(jié))和溫度值(30個字節(jié))。數(shù)據(jù)幀總長度為53個字節(jié)。

表1 SimliciTI數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

軟件設計主要包含兩部分，數(shù)據(jù)中心和節(jié)點設備。SimpliciTI網(wǎng)絡組網(wǎng)過程:數(shù)據(jù)中心先啟動，初始化協(xié)議棧后處于接收狀態(tài)，等待節(jié)點設備加入網(wǎng)絡和接收數(shù)據(jù);節(jié)點設備啟動后，向數(shù)據(jù)中心發(fā)送建立網(wǎng)絡請求，然后一直處于請求建立網(wǎng)絡狀態(tài)，直到建立正常的網(wǎng)絡連接為止。數(shù)據(jù)中心程序流程如圖4所示，數(shù)據(jù)中心不斷監(jiān)測是否有節(jié)點設備申請加入，并判斷是否能加入，若數(shù)據(jù)中心有空閑的端口號，則給節(jié)點設備分配端口號。判斷數(shù)據(jù)中心是否收到數(shù)據(jù)，若收到符合格式的數(shù)據(jù)，則上傳給計算機顯示。節(jié)點設備程序流程如圖5所示，初始化完成后，發(fā)送連接請求，申請加入數(shù)據(jù)中心，連接成功后，接收控制器輸出的溫度數(shù)據(jù)，發(fā)送溫度數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)中心。

3 實驗結(jié)果及分析

在系統(tǒng)采集的10路不同溫度值中，隨機抽取其中的任意1路溫度數(shù)據(jù)，如圖6所示，圖6是某段時間內(nèi)4 000個數(shù)據(jù)的溫度分布圖，最高溫度為71℃，最低溫度為70℃，溫度的波動值為1℃。對通道1進行高溫測試，如圖7所示，實際溫度由溫度計測量得到，上位機溫度由計算機顯示，兩個溫度的差值在2℃之內(nèi)，符合MAX6675在0～700℃的最大溫度誤差為2℃的要求。無線傳輸主要受周圍環(huán)境、發(fā)射功率大小、硬件設計等因素影響。在發(fā)射功率為10dBm時(即功耗為10mw)、通信頻率為433MHz、波特率為9 600、可視距離的情況下進行測試，無線測試結(jié)果如表2所示，在不同的傳輸距離下，均能保證低丟包率，具備較高的可靠性。在可視的范圍內(nèi)，實現(xiàn)了100m距離的傳輸;并且實現(xiàn)了穿透4堵墻的無線傳輸功能，信號傳輸穩(wěn)定且實時性較好;在100m的距離時，從10路溫度數(shù)據(jù)采集到上位機顯示的時間間隔小于0.5s，能夠符合工業(yè)生產(chǎn)的基本要求。

表2 無線測試結(jié)果

4 結(jié)束語

系統(tǒng)以STM32F103C8T6單片機為核心，采用K型熱電偶結(jié)合MAX6675，進行多路溫度采集，利用基于SimpliciTI協(xié)議的CC1110無線傳輸模塊，實現(xiàn)了點對點之間的通訊，將溫度數(shù)據(jù)實時、準確、穩(wěn)定地傳輸給上位機，具有良好的性能、控制方便、可靠性高等優(yōu)點，具有廣泛的實際意義。

［1］ 劉夫亮.熱電偶冷端補償?shù)膶嶒炁c研究［D］.北京:華北電力大學，2009.

［2］ 祖一康.基于K型熱電偶與MAX6675多路溫度采集系統(tǒng)［J］.江西理工大學學報，2007，28(4):25－27.

［3］ 鄧燕妮，定明劼.基于MAX6675的分布式高精度溫度采集系統(tǒng)［J］.中國水運，2007，5(3):127－128.

［4］ 秦川.基于CC1110的大棚溫度監(jiān)測網(wǎng)絡設計［J］.蘇州市職業(yè)大學學報，2009，20(4):12－14.

［5］ 彭建盛.基于CC1110單片機公交報站系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)［J］.電子設計工程，2010，18(12):131－134.