TDK5110与TlDA5220的无线温度采集系统

     摘要：介绍一种基于英飞凌公司TDK5110与TDA5220芯片的无线温度采集系统。对该系统的无线数据传输部分进行了深入分析，重点分析了无线发射芯片TDK5110及无线接收芯片TDA5220的参数设计与硬件电路设计。该系统具有极强的抗干扰性，可以应用在恶劣的温度环境下，实现了对温度状况的实时监控，有效地降低了发射系统功耗，提高了系统的可靠性。

　　随着科学技术的进展，简洁、方便、有用的东西越来越受到人们的喜爱。无线通信技术的进展为人们的生活、生产带来了极大的改变，节省了大量的人力、物力资源。现在，无线通信技术已经应用到生活的方方面面。在一些不利于有线通信的场所，无线通信技术更是起到了不可替代的作用。小到对讲机对讲机

　　一种重要的通讯设备，现在大类一般分为有手持式（手台），车载式。手持式是一般民用对讲机的最佳选择，主要用于建筑，港口，测绘等行业。车载式主要用于海关，公安等行业。 [全文]

，大到移动通信网络，它们无疑在改变着人们的生活方式。比如在生产环境恶劣的生产车间，工作人员不能长时间停留在现场观察设备是否运行正常，就需要将采集到的数据传输到一个环境相对好的操纵室内，工作人员可以在这里观察整个生产线的一举一动。由于厂房大、监测点多等缘由，需要传输的数据多，使用传统的有线数据传输方式就需要铺设很多很长的线缆，浪费资源，占用空间，可操作性差，出现错误时换线困难。显然，采纳有线数据传输弊端很多，因此采纳无线数据传输方式可大大改观有线方式的不足。又如在冷库等不利于工作人员天天进出的场所，采纳无线数据发射方式可以幸免进出困难，同时无线发射装置的移植性好，可随时安装或拆除。基于以上考虑，本文设计探讨了基于TDK5110与TDA5220的无线温度采集系统。

　　1 无线数据传输原理

　　系统由两部分组成，通过无线方式联系在一起。第一部分作为温度采集与发射部分，置于被测环境中。这部分上电后开始测试温度，并将测得的温度数据实时发送出去。第二部分作为温度接收和处理部分，上电后开始接收第一部分发射过来的温度数据，并将数据送给计算机进行存储和处理。系统的整体设计硬件结构框图如图1所示。图1的上侧为温度采集与发射部分原理框图，该部分通过发射芯片TDK5110向下侧的温度接收与处理部分发送温度数据，同时通过接收芯片TDA5220接收上侧温度采集与发射部分发送过来的温度值，通过主控器AT89C52把温度值送给计算机。

　　2 发射／接收芯片参数及电路设计

　　2．1 发射芯片

　　英飞凌TDK51lO是一块工作频段在434／868 MHz的单芯片ASK／FSK发送器。芯片具有相当高的系统集成度，片上完全集成了PLL合成器和一个高效率功放以驱动天线天线

　　天线的基本功能是辐射和接收无线电波。发射时，把高频电流转换为电磁波；接收时，把电磁波转换为高频电流。天线的一般原理是：当导体上通以高频电流时，在其四周空间会产生电场与磁场。按电磁场在空间的分布特性，可分为近区、中间区、远区。设R为空间一点到导体的距离，是高频电流信号的波长，在R＜λ／2π时的区域称近区，在该区内的电磁场与导体中电流、电压有紧密的联系；在R＞A／2π的区域称为远区，在该区域内电磁场能离开导体向空间传播，它的变化相对于导体上的电流、电压就要滞后一段时间，此时传播出去的电磁波已不与导线上的电流、电压有直接的联系了，这区域的电磁场称为辐射场。 [全文]

，所以使用时只需要非常少的外围电路，适合电路的微型要求。另外其独到的电路和功放模块设计以及睡眠、PLL起振和发射三种模式的设置使得芯片具有很好的低功耗特性。

　　对于FSK调制电路的设计，需要分析图2所示电路对发送信号频率的影响。

　　其中，CL表示晶振晶振

　　晶振：即所谓石英晶体谐振器和石英晶体时钟振荡器的统称。不过由于在消费类电子产品中，谐振器用的更多，所以一般的概念中把晶振就等同于谐振器理解了。后者就是通常所指钟振。 [全文]

的负载电容；CSW是FSK开关开关

　　开关是最常见的电子元件，功能就是电路的接通和断开。接通则电流可以通过，反之电流无法通过。在各种电子设备、家用电器中都可以见到开关。 [全文]

的对地电容，包括了布线时的分布电容，一般可以3 pF计入；对于13．56 MHz的晶振，R=100 Ω；L=4．6μH。该电路是通过外接的Cv1、Cv2值改变晶振负载电容来实现频率变化的。当FSKDTA=0，开关闭合，Cv2和CSW都被短路，Cv1和L构成等效负载电容；当开关打开时，CSW、Cv2都计入回路，Cv1、CSW、Cv2和L构成等效负载电容。晶振振荡频率与负载电容之间的关系为：

　　其中：

　　CL为晶体振荡在中心频率f时所要求的负载电容。

　　C0、C1为晶振内部等效电容值。

　　f'=32f，为晶振振荡在中心频率f时的发射频率。

　　△f为想要实现的距离晶振中心振荡频率的频偏。

　　当采纳TDK5110推举的NX6035SA晶振时，f=13．568 75 MHz，C0=1．5 pF，C1=5．8 pF，CL=12 pF。

　　假设为实现“O”的发射△f，计算得到CL0值。但由于芯片内部等效电感的存在，需要修正Cv1值，此时开关闭合，所以修正式子：

　　其中ω0为发射“0”时晶振振荡角频率。

　　得到：

　　在晶振f=13．568 75 MHz时，芯片等效电感L=4．6μH，所以计算可得Cv1=10 pF。

　　同样实现“1”的发射△f，计算得到CL1值为此时晶振回路中Cv2和CSW并联后再与Cv1、L串联后的等效电容值。即

　　其中ω1为发射“1”时晶振振荡角频率。

　　计算得到

　　从中可以看出，在Cv1不变情况下，增大Cv2的取值可以减小表示“1”的发送信号频率；在Cv2不变的情况下，增大Cv1也可以减小发射频率。

　　本设计采纳FSK调制模式，其时序图如图3所示，根据此时序图，发射端单片机单片机

　　单片机是单片微型计算机（Single-Chip Microcomputer）的简称，是一种将中心处理器微处理器随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）采纳超大规模集成电路技术集成到一块硅片上构成的微型计算机系统。 [全文]

选择Atmel公司的AT89C52，用单片机的操纵口PO．1、P0．2分别作为发射芯片的FSKDTA和ASKDTA进行数据的调制操纵。根据前面计算，设计发射芯片部分电路如图4所示。

　　2．2 接收芯片

　　与TDK5110相对应的接收芯片为TDA5220，TDA5220是低功耗的单片FSK／ASK超外差接收芯片，工作在ISM的810～870 MHz以及400～440 MHz频段。接收端选择与发射端相同的FSK数据调制方式，此时电流的消耗为5．9 mA，接收灵敏度为100 dBm，在低功耗模式下电流消耗为50 nA。接收天线选择鞭状天线，其长度为λ／4(λ为其接收信号的波长)，接收信号的频率为434MHz，故天线长度大约为17．3 cm，此天线接收信号很灵敏。信号通过天线接收到以后，通过1个LC滤波器滤波器

　　凡是有能力进行信号处理的装置都可以称为滤波器。在近代电信装备和各类操纵系统中，滤波器应用极为广泛；在所有的电子部件中，使用最多，技术最复杂要算滤波器了。滤波器的优劣直接决定产品的优劣，所以，对滤波器的研究和生产历来为各国所重视。 [全文]

进入LNA(低噪声放大器)，把微弱的信号放大。由于LNA本身具有噪声，故需要通过第2个LC滤波网络进行滤波，然后进入混频器，与晶振通过锁相环倍频的信号进行混频。混频后的信号通过中频滤波器(IF filter)进入限幅器，再经过数字滤波器、数据限制器送入单片机作进一步的解码处理。

　　在接收端晶振电路的设计需要考虑以下因素：晶振频率的大小依据fQ=(fRF-10．7 MHz)／r计算，其中，fQU为晶振的频率，fRF为接收到的信号频率，r为锁相环的倍频系数，10．7 MHz为中频滤波器的中心频率。根据发射信号的频率为434 MHz的实际情况，本例中，fRF=434 MHz，r=32，故晶振频率fQ=(434 MHz-10．7 MHz)／32=13．234MHz。晶振的负载电容为C1，所需要的电容C3的计算公式为Cs=1／(1／C1+2πfx L)。例如，晶振频率为13．4 MHz时，C1=12 pF，XL=1010 Ω，Cs=5．94 pF，所以通过两个电容串联而成。两个电容的电容值不一样，这有利于晶振的起振。实际应用中两电容分别选择为22 pF和8．2 pF。

　　接收端的单片机同样选择Atreel公司的AT89C52。接收芯片的外围接口电路如图5所示。

　　接收端要同时接收来自不同温度传感器传感器

　　凡是利用一定的物性（物理、化学、生物）法则、定理、定律、效应等把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。传感器是测试系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测试的信号”。按照Gopel等的说法是：“传感器是包括承载体和电路连接的敏感元件”，而“传感器系统则是组合有某种信息处理(模拟或数字)能力的系统”。传感器是传感系统的一个组成部分，它是被测试信号输入的第一道关口。 [全文]

的数据信息，要区分数据信息来自于哪个DSl8B20传感器，就需要给DSl8B20传感器编上序号。  Dallas公司的温度传感器芯片DSl8B20就为每一个传感器编了惟一的序号，在提取每一个传感器的相关信息时首先读取该传感器的序号，据此就可以确定传感器的位置。

　　3 软件设计与调试

　　系统启动后，通过发射模块内的单片机读取温度传感器芯片Dsl8B20所测试到的温度值。温度传感器芯片与单片机之间的数据传输主要通过单总线协议完成，这样为连接多个温度传感器提供了有利条件。单片机在接收到数据后通过SPI总线协议方式发送给发射模块TDK51lO，发射模块TDK5110把温度信息和温度传感器的序号发送出去。接收端上电开始工作，通过接收发射端传输过来的相关温度数据信息，接收芯片通过SPI总线协议将数据暂存在单片机AT89C52中，单片机通过RS232总线方式将数据传送到计算机上，实时地监测工作场内的温度变化情况。当温度低于某个设定的阈值时，通过警报方式提醒工作人员的注重，以便采取相应的措施。该系统中，无线数据传输问题是整个系统的要害部分，本设计在实验室条件下已经取得了预期的效果。由于实际的环境条件远比实验室复杂，所以要在实际的生产中使用，还需要更多实验以及现场调试，并在此基础上作一些调整与改进。

　　结语

　　本文提出了一种基于发射模块TDK5110以及无线接收模块TDA5220设计的无线温度监控系统，具体讨论了各模块的参数设计。该系统与PC机相连实现数据的存储、处理等，还可以连接调温装置实现温度的实时操纵等。该系统装置具有结构简洁、体积小、抗干扰性强、性能稳定等特点，可应用于各种恶劣的测温环境中。

  来源:1111光棍

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