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。
关键词：温度采集；TDK5110／TDA5220；参数设计

    随着科学技术的发展，简单、方便、实用的东西越来越受到人们的喜爱。无线通信技术的发展为人们的生活、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，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控制室内，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、监测点多等原因，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，采用有线数据传输弊端很多，因此采用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，采用无线数据发射方式可以避免进出困难，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量温度，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，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表示晶振的负载电容；CSW是FSK开关的对地电容，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。
    当采用TDK5110推荐的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。
    本设计采用FSK调制模式，其时序图如图3所示，根据此时序图，发射端单片机选择Atmel公司的AT89C52，用单片机的控制口PO．1、P0．2分别作为发射芯片的FSKDTA和ASKDTA进行数据的调制控制。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所测量到的温度值。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意，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关键部分，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控制等。该系统装置具有结构简单、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。