D題無(wú)線環(huán)境測(cè)模擬裝置

1、1無(wú)線環(huán)境監(jiān)測(cè)模擬裝置無(wú)線環(huán)境監(jiān)測(cè)模擬裝置作品介紹作品介紹 2010-7-202010-7-2020009 全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽高頻組高頻組 全體組員全體組員2賽題分析賽題分析設(shè)計(jì)方案介紹設(shè)計(jì)方案介紹 低功耗設(shè)計(jì)低功耗設(shè)計(jì)3設(shè)計(jì)任務(wù)：設(shè)計(jì)任務(wù)：設(shè)計(jì)并制作一個(gè)無(wú)線環(huán)境監(jiān)測(cè)模擬裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)周邊溫度和光照信息的探測(cè)。該裝置由1個(gè)監(jiān)測(cè)終端和不多于255個(gè)探測(cè)節(jié)點(diǎn)組成（實(shí)際制作2個(gè)）。監(jiān)測(cè)終端和探測(cè)節(jié)點(diǎn)均含一套無(wú)線收發(fā)電路，要求具有無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)功能，收發(fā)共用一個(gè)天線。賽題分析賽題分析4基本要求基本要求基本要求：基本要求： 1、制作2個(gè)探測(cè)節(jié)點(diǎn)。探測(cè)節(jié)點(diǎn)有編號(hào)預(yù)置功能，碼預(yù)置范圍為

2、00000001b11111111b。探測(cè)節(jié)點(diǎn)能夠探測(cè)其環(huán)境溫度和光照信息。溫度測(cè)量范圍為0100，絕對(duì)誤差小于2；光照信息僅要求測(cè)量光的有無(wú)。探測(cè)節(jié)點(diǎn)采用兩節(jié)1.5v干電池串聯(lián)，單電源供電。（編碼開(kāi)關(guān)，光敏電阻，溫度測(cè)量） 2、制作1個(gè)監(jiān)測(cè)終端，用外接單電源供電。探測(cè)節(jié)點(diǎn)分布示意圖如圖1所示。監(jiān)測(cè)終端可以分別與各探測(cè)節(jié)點(diǎn)直接通信，并能顯示當(dāng)前能夠通信的探測(cè)節(jié)點(diǎn)編號(hào)及其探測(cè)到的環(huán)境溫度和光照信息。（顯示節(jié)點(diǎn)環(huán)境信息） 3、無(wú)線環(huán)境監(jiān)測(cè)模擬裝置的探測(cè)時(shí)延不大于5s，監(jiān)測(cè)終端天線與探測(cè)節(jié)點(diǎn)天線的距離d不小于10cm。在010cm距離內(nèi)，各探測(cè)節(jié)點(diǎn)與監(jiān)測(cè)終端應(yīng)能正常通信。（10cm通訊）賽題分析賽題

3、分析5發(fā)揮部分：發(fā)揮部分： 1、每個(gè)探測(cè)節(jié)點(diǎn)增加信息的轉(zhuǎn)發(fā)功能，節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)功能示意圖如圖2所示。即探測(cè)節(jié)點(diǎn)b的探測(cè)信息，能自動(dòng)通過(guò)探測(cè)節(jié)點(diǎn)a轉(zhuǎn)發(fā)，以增加監(jiān)測(cè)終端與節(jié)點(diǎn)b之間的探測(cè)距離d+d1。該轉(zhuǎn)發(fā)功能應(yīng)自動(dòng)識(shí)別完成，無(wú)需手動(dòng)設(shè)置，且探測(cè)節(jié)點(diǎn)a、b可以互換位置。 2、在監(jiān)測(cè)終端電源供給功率1w，無(wú)線環(huán)境監(jiān)測(cè)模擬裝置探測(cè)時(shí)延不大于5s的條件下，使探測(cè)距離d+d1達(dá)到50cm。 3、盡量降低各探測(cè)節(jié)點(diǎn)的功耗，以延長(zhǎng)干電池的供電時(shí)間。各探測(cè)節(jié)點(diǎn)應(yīng)預(yù)留干電池供電電流的測(cè)試端子。賽題分析賽題分析6說(shuō)明：說(shuō)明： 1、監(jiān)測(cè)終端和探測(cè)節(jié)點(diǎn)所用天線為圓形空芯線圈，用直徑不大于1mm的漆包線或有絕緣外皮的導(dǎo)線密繞5

4、圈制成。線圈直徑為(3.40.3)cm(可用一號(hào)電池作骨架) 2、無(wú)線傳輸載波頻率低于30mhz，調(diào)制方式自定。 3、監(jiān)測(cè)終端和探測(cè)節(jié)點(diǎn)不得使用除規(guī)定天線外的其他耦合方式。 4、無(wú)線收發(fā)電路需自制，不得采用無(wú)線收、發(fā)成品模塊。光照有無(wú)的變化，采用遮擋光電傳感器的方法實(shí)現(xiàn)。 賽題分析賽題分析7總體需求:終端：節(jié)點(diǎn)環(huán)境信息的顯示節(jié)點(diǎn)：電池供電，編碼開(kāi)關(guān)-設(shè)定節(jié)點(diǎn)編號(hào)，溫度、光照。通信：線圈大小固定、基本要求10cm，發(fā)揮部分50cm。功耗：低功耗（無(wú)限制指標(biāo)）關(guān)鍵技術(shù)： 1、低電源電壓實(shí)現(xiàn)功率放大 2、收發(fā)共用天線實(shí)現(xiàn)雙工 3、涉及中繼的通信協(xié)議設(shè)計(jì) 4 4、低功耗設(shè)計(jì)、低功耗設(shè)計(jì) 賽題分析賽題分

5、析8系統(tǒng)整體框圖系統(tǒng)整體框圖節(jié)點(diǎn)和終端基本相同節(jié)點(diǎn)和終端基本相同終端顯示節(jié)點(diǎn)中繼通信節(jié)點(diǎn)中繼通信終端發(fā)出請(qǐng)求后終端發(fā)出請(qǐng)求后節(jié)點(diǎn)信息發(fā)送給終端節(jié)點(diǎn)信息發(fā)送給終端91011通信頻率、雙工方法選擇通信頻率、雙工方法選擇 調(diào)制方式采用調(diào)制方式采用ookook（2ask2ask），發(fā)射載波表示），發(fā)射載波表示1 1，不發(fā)射就是，不發(fā)射就是0 0。 終端及節(jié)點(diǎn)收發(fā)共用天線，系統(tǒng)通信方向只能采用半雙工。終端及節(jié)點(diǎn)收發(fā)共用天線，系統(tǒng)通信方向只能采用半雙工。 載波頻率要求小于載波頻率要求小于30m30m，實(shí)際選擇，實(shí)際選擇10.7m10.7m。 12 發(fā)射電路的選擇電源電壓：電源電壓：2.9-3v2.9-3v

6、；線圈電壓峰峰值：；線圈電壓峰峰值：60-70v60-70v并聯(lián)諧振：電壓源供電，線圈電壓小于激勵(lì)的電壓。并聯(lián)諧振：電壓源供電，線圈電壓小于激勵(lì)的電壓。串聯(lián)諧振：電流源供電，線圈電壓約為電源電壓串聯(lián)諧振：電流源供電，線圈電壓約為電源電壓q q倍。倍。為了提高線圈電壓為了提高線圈電壓只能采取其它方法只能采取其它方法13系統(tǒng)的發(fā)射電路系統(tǒng)是一個(gè)完整戊類(lèi)放大器（系統(tǒng)是一個(gè)完整戊類(lèi)放大器（e e類(lèi)）類(lèi)）14接收電路的選擇接收電路的選擇15振蕩器的設(shè)計(jì)振蕩器的設(shè)計(jì)發(fā)送發(fā)送0時(shí)振蕩器停振時(shí)振蕩器停振 一個(gè)與非門(mén)和一個(gè)晶振即可構(gòu)成振蕩器。振蕩器的啟停受msp430單片機(jī)控制。 16通信協(xié)議的設(shè)計(jì)通信協(xié)議的設(shè)

7、計(jì) 通信協(xié)議采用的是監(jiān)測(cè)終端發(fā)起同步傳輸，各個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)終端的同步信息同步自己的時(shí)鐘，然后在自己編號(hào)所分配的時(shí)隙內(nèi)依次傳輸。 信息的交換采用幀交換，每個(gè)幀由四個(gè)字節(jié)組成。 每一次發(fā)送或者接收都是以幀為單位。其中數(shù)據(jù)字節(jié)的低七位表示0-100度的溫度，最高位表示光照的有無(wú)，1為有，0為無(wú)。17通信協(xié)議的設(shè)計(jì)（續(xù)）通信協(xié)議的設(shè)計(jì)（續(xù)） 每個(gè)同步傳輸分為信息同步發(fā)送和中繼同步發(fā)送兩個(gè)階段。信息同步發(fā)送階段：收到終端同步信號(hào)的節(jié)點(diǎn)在分配給自己的時(shí)隙發(fā)送數(shù)據(jù)。 中繼同步發(fā)送階段：沒(méi)有收到終端同步信號(hào)的節(jié)點(diǎn)收到相鄰節(jié)點(diǎn)回復(fù)給終端的信息后，根據(jù)相鄰節(jié)點(diǎn)id計(jì)算本節(jié)點(diǎn)在中繼同步階段的時(shí)隙編號(hào) ，并在中繼同步階段

8、自己的時(shí)隙內(nèi)發(fā)送中繼請(qǐng)求，目的id為監(jiān)聽(tīng)到的節(jié)點(diǎn)中的任意一個(gè)，由選中的節(jié)點(diǎn)在下一個(gè)信息同步發(fā)送階段代替自己發(fā)送信息給終端。1819低功耗設(shè)計(jì)低功耗設(shè)計(jì)低功耗幾點(diǎn)建議：1、選擇單片機(jī)不能只看 靜態(tài)功耗。2、慎重選擇電源芯片。3、謹(jǐn)慎選擇傳感器4、 io口低功耗設(shè)計(jì)原因：?jiǎn)纹瑱C(jī)工作時(shí)的功耗要比休眠高出3個(gè)數(shù)量級(jí)。原因：電源芯片自身消耗了太多的能量原因：一些傳感器反應(yīng)慢，功耗大合理使用io口20低功耗低功耗mcu的選擇的選擇 以mirochip的pic24f16ka102為例，其超低休眠功耗為20na，是深度休眠功耗。睡眠時(shí)所有的寄存器數(shù)值都被復(fù)位，如要保存寄存器數(shù)據(jù)，需要存入內(nèi)部eeprom，即每

9、次喚醒都要重新初始化。 其它類(lèi)似的問(wèn)題很多，要完成低功耗設(shè)計(jì)不能只看待機(jī)功耗，還需綜合考慮。21低功耗低功耗mcumsp430系列單片機(jī)系列單片機(jī)msp430g2xx系列特性 0.1a ram 保持模式 0.4a 待機(jī)模式 (vlo) 0.7a 實(shí)時(shí)時(shí)鐘模式 220a/mips 工作模式 超快速地從待機(jī)模式喚醒 1 s22低功耗設(shè)計(jì)低功耗設(shè)計(jì)低功耗設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)建議：1、選擇單片機(jī)不能只看 靜態(tài)功耗。2、慎重選擇電源芯片。3、謹(jǐn)慎選擇傳感器4、io口低功耗設(shè)計(jì)工作時(shí)的功耗要比休眠高出3個(gè)數(shù)量級(jí)。芯片自身消耗了太多的能量部分傳感器反應(yīng)慢、功耗大合理使用io口23低功耗低功耗不要使用普通電源芯片不要使

10、用普通電源芯片常用的1117-3.3的芯片，即使沒(méi)有負(fù)載，靜態(tài)電流就有1ma-10ma，是系統(tǒng)功耗的很多倍。電源芯片本身比單片機(jī)還要耗電！所以盡量不要選1117，7805.24低功耗設(shè)計(jì)低功耗設(shè)計(jì)低功耗設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)建議：1、選擇單片機(jī)不能只看 靜態(tài)功耗。2、慎重選擇電源芯片。3、謹(jǐn)慎選擇傳感器4、 io口低功耗設(shè)計(jì)工作時(shí)的功耗要比休眠高出3個(gè)數(shù)量級(jí)。芯片自身消耗了太多的能量部分傳感器反應(yīng)慢、功耗大合理使用io口低功耗低功耗-溫度傳感器溫度傳感器ds18b20集成溫度傳感器 ds18b20傳感器本身工作電流就接近1ma，更重要的是，對(duì)其進(jìn)行讀寫(xiě)時(shí)，msp430需要很長(zhǎng)的操作時(shí)間，不能休眠，功耗更大

11、。ds18b20成本低，可用于工業(yè)控制。但是速度慢功耗高，不適合低功耗應(yīng)用26低功耗低功耗-溫度傳感器（續(xù)）溫度傳感器（續(xù)）msp430f5438片內(nèi)傳感器：讀寫(xiě)時(shí)間短、工作電流低溫度信息2秒更新一次，2秒時(shí)間內(nèi)只用工作30us。功耗幾乎可以忽略。是很好的選擇。 430內(nèi)部傳感器的資料：27低功耗低功耗-溫度傳感器溫度傳感器tmp溫度傳感器靜態(tài)電流50ua。也是很好的選擇28低功耗設(shè)計(jì)低功耗設(shè)計(jì)低功耗設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)建議：1、選擇單片機(jī)不能只看 靜態(tài)功耗。2、慎重選擇電源芯片。3、謹(jǐn)慎選擇傳感器4、 io口低功耗設(shè)計(jì)工作時(shí)的功耗要比休眠高出3個(gè)數(shù)量級(jí)。芯片自身消耗了太多的能量部分傳感器反應(yīng)慢、功耗大

12、合理使用io口29低功耗低功耗-io口設(shè)計(jì)口設(shè)計(jì)上拉下拉電阻取值必須仔細(xì)考量。光敏電阻實(shí)測(cè)：無(wú)光時(shí)電阻800k-900k，有光時(shí)僅1k。有光照時(shí)讀到低電平。無(wú)光照時(shí)讀到高電平。如果有漏光，無(wú)光時(shí)光敏電阻值為100k，則可能出現(xiàn)誤讀。所以需要良好遮光。30其它實(shí)現(xiàn)方案其它實(shí)現(xiàn)方案獎(jiǎng) 勵(lì) 等獎(jiǎng) 勵(lì) 等級(jí)級(jí)學(xué)校學(xué)校功耗功耗通信通信距離距離方案方案主控主控發(fā)射發(fā)射接收接收測(cè)溫測(cè)溫國(guó) 家 一國(guó) 家 一等獎(jiǎng)等獎(jiǎng)西安電子科西安電子科技大學(xué)技大學(xué)6 0 mw1 7 0cm4308550,ask晶 體 管 級(jí) 聯(lián) 放晶 體 管 級(jí) 聯(lián) 放大大,lmc567ds18b20國(guó) 家 一國(guó) 家 一等獎(jiǎng)等獎(jiǎng)華中科技大華中

13、科技大學(xué)學(xué)9mw6 0 cm4302sc3355,ook晶 體 管 級(jí) 聯(lián) 放晶 體 管 級(jí) 聯(lián) 放大大,tlc372430片內(nèi)片內(nèi)國(guó) 家 一國(guó) 家 一等獎(jiǎng)等獎(jiǎng)西北工業(yè)大西北工業(yè)大學(xué)學(xué)450mw6 0 cmc80519018,ask晶 體 管 級(jí) 聯(lián) 放晶 體 管 級(jí) 聯(lián) 放大大,mc3458lm75國(guó) 家 一國(guó) 家 一等獎(jiǎng)等獎(jiǎng)成都信息工成都信息工程學(xué)院程學(xué)院9mw未見(jiàn)未見(jiàn)4309018,fskka8515,bb機(jī)機(jī)專(zhuān)用芯片專(zhuān)用芯片tmp275國(guó) 家 一國(guó) 家 一等獎(jiǎng)等獎(jiǎng)成都信息工成都信息工程學(xué)院程學(xué)院1 1 mw1 2 1cm4309018,fskan1184,bb機(jī)機(jī)專(zhuān)用芯片專(zhuān)用芯片tmp275國(guó) 家 二國(guó) 家 二等獎(jiǎng)等獎(jiǎng)西安電子科西安電子科技大學(xué)技大學(xué)1000mw1 0 cm430mc1648，9018 晶 體 管 級(jí) 聯(lián) 放晶 體 管 級(jí) 聯(lián) 放大大,lmc567tmp100國(guó) 家 二國(guó) 家 二