摘  要： 采用MSP430低功耗單片機作為主控芯片，通過紅外無線傳輸搭建起一個低成本、低功耗帶控制功能的數模雙路傳輸系統。該系統具有簡潔、無布線成本、適應性和擴展性好的優點。

　　關鍵詞： 無線傳輸；低功耗；擴展性；數字模擬雙路傳輸系統

　　1 系統設計

　　本系統的MCU采用MSP430G2553作為主控芯片，分為發送和接收兩大模塊，無線傳輸方式選擇紅外方式。為了盡量減少干擾和簡化系統，兩路無線通路分別傳輸模擬和數字信號。考慮到現有系統外設的多樣性，為了最大限度地提升系統的可擴展性，信號的輸入端只做出了基本的定義，即滿足要求的數字和模擬輸入都可以當作輸入信號。本文中模擬信號輸入為音頻信號，數字信號由傳感器給出，分為模擬和數字傳感器兩部分接入，以體現系統良好的擴展性。模擬信號通過喇叭輸出，數字信號則通過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 模擬收發模塊設計

　　在介紹收發模塊之前，先了解一下收發的核心元件——紅外收發對管。

　　紅外收發對管分為數字和模擬兩種，載頻均為38 kHz，不同點是模擬紅外發射管直接輸入模擬基帶信號。通過載波為媒介傳輸給接收端，接收端經過濾波和放大后輸出模擬信號。而數字紅外對管發送端將待發送的二進制信號編碼調制為一系列的脈沖串信號，通過紅外發射管發射出紅外信號。紅外接收完成對發送信號的接收、放大、檢波、整形，并解調出編碼脈沖。這里為了減少干擾，采用的是一體化的紅外接收頭（hs0038），接收的同時對信號進行放大、檢波、整形，得到TTL電平的編碼信號。

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

　　接收部分通過紅外接收管將接收到的數據經過電容隔斷直流干擾后輸入給LM386，LM386是一種專用的音頻集成功放，具有自身功耗低、更新內鏈增益可調、外接元件少和總諧波失真小等優點。通過調節1腳和8腳之間外接串聯的電阻和電容，增益可在20~200之間任意變化，這里音頻輸出端為一個4 W、8 ?贅的喇叭。為了最大限度提升輸出功率，根據數據手冊選擇10 ?滋F電容，使增益達到最大。具體如圖3所示。

　　1.2 數字收發模塊設計

　　傳感器信號經過信號調理電路出入MCU中，經過MCU的處理，輸出給紅外發射管。通過集成數字紅外接收管將接收到的數字信號解調出來，再輸入給輸出端的MCU，MCU經過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，直接連接會燒壞MCU，需要一個簡單的限幅電路，如圖4所示。其中3 V電源為MCU的GPIO提供，根據折線模型，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，之后就可以輸送到MCU中了。

　　2 傳感器和信號調理電路設計

　　這里使用常見的溫度和濕度傳感器作為數字信號的輸入源，分別采用模擬和數字傳感器。模擬傳感器采用電阻式或電容式傳感器，好處是其數值與被測量成線性變換。之后利用惠斯頓電橋法產生微弱的電信號經過放大后輸入到MCU內置的10 bit A/D轉換器的工作電壓范圍內（0~2.5 V）。具體實現方式如下。電阻式溫度傳感器將溫度變換為電阻值通過直流電橋轉換成微小的電壓信號，經儀表放大器AD620放大到合適值后輸入給MCU的ADC內，實現室溫的測量。具體電路如圖5所示。其中header為模擬傳感器輸入口，滑動變阻器做微調用，電壓由5 V單電經濾波后供給。

　　電阻式溫度傳感器的電阻值與溫度有關，查表計算出其對應關系為圖6中的測試點，通過計算擬合公式為：

　　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表示當時的溫度。

　　數字傳感器采用數字溫濕度傳感器DHT11，DHT11是一款已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，具有極高的可靠性、長期的穩定性、響應速度快和抗干擾能力強的特點。傳輸方式為單總線雙向，能夠同時輸出溫度和濕度信息。數據格式如下；

　　8 bit濕度整數部分+8 bit濕度小數部分+8 bit溫度整數部分+8 bit溫度小數部分+8 bit校驗和正確傳輸的校驗數據（等于4個8 bit數據之和的末8位）。通信時序如圖7所示。

　　3 數據通信協議封裝格式

　　模擬信號由于不經過MCU直接傳輸給接收端，所以本文的通信協議指的是數字信號的傳輸協議。為了減少兩路信號之間的干擾，數字信號傳輸采用SPI方式，通過調整SPI的輸出比特率使其與模擬信號頻段分開。所有傳輸的數據采用BCD碼發送和接收，一個字節的高4位和低4位分別表示十進制的一個數。傳輸的內容包括傳感器發送的溫度和濕度，附加信息包括控制和節點編號。具體幀格式如表1所示。

　　建立節點編號是方便新設備的加入，帶來更廣的適用性。控制位是控制該節點的溫度、濕度和音頻信號是否輸出。由于模擬傳感器中沒有濕度信息，所以濕度以全“0”表示，溫度以每4 bit表示一位十進制數，考慮到測量的溫度為室溫，以其中的最高位的“0”或“1”表示溫度的符號位。數字傳感器的輸出與傳感器定義相同，通過濕度是否為全“0”判斷傳感器類型，對應不同的顯示方式。輸出時先輸出自己編號的節點信息，后輸出從其他節點接收到的內容。

　　4 中繼節點和傳輸網絡

　　考慮到需要通信的設備可能不止兩個，增加了節點編號使系統易于擴展。傳輸信號時連同接收到的其他節點信息一起傳輸出去。不但可以共享信息，還能利用其他節點為中繼，在不提升輸出功率的情況下極大地延長了通信設備之間的傳輸距離。通過合理地安放不同節點，還可以克服紅外只能直線傳輸的缺點（根據地理情況調節紅外收發管的角度）。

　　5 軟件控制設計

　　MCU每隔一分鐘從傳感器和控制按鍵中采集一次數據，控制按鍵是由4個獨立按鍵組成，分別控制本機溫濕度信息的發送使能、他機溫濕度信息的發送使能、本機模擬信號的發送使能以及接收到的模擬信號輸出使能。多路模擬音頻信號由喇叭輸出會重疊在一起，影響接收效果。本次測試只允許一路音頻輸入，其他路音頻信號暫只作為中繼使用。通過MCU對按鍵控制的判斷，決定通過紅外發射管輸出的數字信號和本機的音頻輸出使能。本系統接收到的數字信息會通過液晶顯示出來。而紅外接收管是一直處于工作狀態的，以便能夠及時接收數據。具體流程如圖8所示。

　　6 系統數據測試

　　根據現有傳感器自身的特點，對得到的數據進行測試。數字傳感器由于直接輸出為溫度和濕度信號，其誤差集中在傳感器自身。這里用到的數字溫濕度傳感器DHT11的性能為：濕度分辨率為1%RH，精度在4%RH以內；溫度分辨率為1℃，精度為±1℃。

　　模擬傳感器需要通過MCU的ADC進行測量，加上信號調理電路、放大器線性度和模擬傳感器本身的誤差，需要使用軟件矯正。其測量值經過轉換最終傳輸給ADC，其結果如圖9所示。

　　通過MATLAB的擬合得到最終溫度與ADC值的對應關系，并通過溫濕度測試箱進行驗證，結果如圖10所示。

　　從圖10中可以看到，溫度的線性度比濕度好很多。這是由于溫度測量的精度較高，通過分析所得數據可得方差和標準差，溫度的方差和標準差分別為S2=0.379 618 S=0.616 131，濕度的則為S2=3.857 1、S=1.963 96，通過數據也能發現這一點。這套系統可以滿足一定的用戶需求，通過替換其他高精度的傳感器以達到更高的精度；也可以直接接到不同的通信器材中替換有線通信。

　　該系統實現了數字和模擬信息的雙向傳輸，動態地檢測并共享數據。支持選取不同的傳感器作為輸入，并可以增加節點擴大傳輸范圍并形成網絡。通過選取合適的傳感器，搭建硬件電路并調整精度，使其達到要求。最終經過調試和編程，完成整個系統的設計。

　　本系統很好地解決了各種小型化設備的數據傳輸和共享問題，通過這套系統可以很方便地選擇不同類型的數據進行傳輸，并能夠兼顧多系統通信的擴展問題。適應面極廣，不僅可以向文中提到的連接各種傳感器組件網絡對室內環境進行全局檢測，還可以用于不同儀器或系統之間的數據傳輸，可以推廣到很多方面。可以看到這套系統有著功耗小、價格低廉、靈活性高、適用面廣的特點，具有較高的實用價值。

　　參考文獻

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