畢業(yè)論文----基于單片機(jī)的土壤溫濕度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、<p>　　本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)</p><p>　　論文題目： 土壤溫濕度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) </p><p>　　學(xué)生姓名： </p><p>　　專業(yè)年級(jí)：電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè) </p><p>　　指導(dǎo)教師：

2、 職稱 講 師 </p><p>　　2008 年 6 月 2 日</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　題目與摘要I</b></p><p><b>　　1 前 言1</b></p><p>

3、;　　1.1題目的來(lái)源與開發(fā)意義1</p><p>　　1.2系統(tǒng)功能概述1</p><p>　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2</p><p>　　2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)概述2</p><p>　　2.1.1無(wú)線傳輸核心技術(shù)——ZigBee2</p><p>　　2.1.2終端設(shè)備解決方案2</p>&l

4、t;p>　　2.2 系統(tǒng)框圖3</p><p>　　2.2.1網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)框圖3</p><p>　　2.2.2終端設(shè)備系統(tǒng)框圖4</p><p>　　2.3 方案論證4</p><p>　　2.3.1網(wǎng)絡(luò)制式選擇4</p><p>　　2.3.2終端設(shè)備方案選擇5</p><p>

5、;　　2.4 硬件設(shè)計(jì)與物理實(shí)現(xiàn)6</p><p>　　2.4.1 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)——ZigBee無(wú)線傳輸技術(shù)介紹7</p><p>　　2.4.2 終端設(shè)備硬件實(shí)現(xiàn)方法9</p><p>　　2.4.2.1 主控芯片CC2430與無(wú)線收發(fā)9</p><p>　　2.4.2.2 數(shù)據(jù)采集13</p><p>　　2

6、.4.2.3 數(shù)據(jù)顯示32</p><p>　　2.4.2.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)33</p><p>　　2.4.2.5 按鍵控制34</p><p>　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)35</p><p>　　3.1 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)思想35</p><p>　　3.2 各功能模塊軟件程序設(shè)計(jì)35</p><

7、;p><b>　　4 系統(tǒng)調(diào)試45</b></p><p>　　4.1 硬件電路調(diào)試45</p><p>　　4.2 各功能模塊軟件調(diào)試45</p><p><b>　　5 結(jié) 論46</b></p><p>　　附錄一 系統(tǒng)總體硬件電路圖48</p><p>

8、;　　附錄二 系統(tǒng)程序流程圖49</p><p>　　附錄三 系統(tǒng)程序清單52</p><p>　　土壤溫濕度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p><b>　　學(xué) 生：韓</b></p><p>　　專 業(yè)：電子信息科學(xué)與技術(shù)</p><p><b>　　指導(dǎo)教師：</b&

9、gt;</p><p>　　摘 要：本設(shè)計(jì)基于CC2430無(wú)線片上系統(tǒng)為核心部件，用時(shí)域反射型（TDR）抗腐蝕土壤濕度傳感器采集濕度數(shù)據(jù)，以DS18B20采集土壤溫度，同時(shí)根據(jù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要附加SHT11溫濕度模塊采集空氣溫濕度值，使用OLED屏顯示測(cè)得數(shù)據(jù)，并用AT24C08存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)是土壤溫濕度環(huán)境無(wú)線監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)，目的在于實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備的功能，后待開發(fā)建立在IEEE 802.15.4的 Zi

10、gBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)建網(wǎng)方案。</p><p>　　關(guān)鍵詞：ZigBee；OLED顯示；溫濕度采集；時(shí)域反射；無(wú)線傳輸；CC2430。</p><p>　　A Design of a Collecting System for Soil Temperature and Humidity</p><p>　　Name：Han Yunxiao </p>

11、<p>　　Major：Electronics Information Science and Technology</p><p>　　Tutor：Gong He</p><p>　　Abstract: This design bases on CC2430 wireless system as core component, using Time-Domain Refle

12、ctor(TDR) Anti-corrosion Soil Humidity Sensors to collect humidity data, using DS18B20 to collect soil temperature, in the meanwhile, adding SHT11 temperature-humidity module to collect air temperature and air humidity a

13、ccording to agriculture production needs, using OLED screen to get the data, and saving them with AT24C08.This design is a basic design of soil temperature-humidity wireless monitor sy</p><p>　　Key words: Zi

14、gBee; oled; Collect temperature and humidity; TDR; Wireless; CC2430.</p><p><b>　　1 前 言</b></p><p>　　1.1題目的來(lái)源與開發(fā)意義</p><p>　　土壤墑情(溫度和濕度等)是重要的土壤信息，是農(nóng)作物和樹木生長(zhǎng)的重要生態(tài)因素，進(jìn)行土壤墑情的測(cè)

15、定，掌握土壤墑情變化的規(guī)律，對(duì)作物生態(tài)狀況的監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)具有重要意義。土壤墑情無(wú)線采集系統(tǒng)已成為現(xiàn)代農(nóng)林監(jiān)管的高科技手段，隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和智能化測(cè)量技術(shù)的不斷進(jìn)步，以及ZigBdee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)一步成熟，因此土壤墑情無(wú)線監(jiān)管系統(tǒng)的ZigBee解決方案已經(jīng)成為可能。</p><p>　　總結(jié)以往在土壤濕度采集過(guò)程中的經(jīng)驗(yàn)可知，雖然測(cè)量的精確性可以保證，但是方便性與精確性卻很難同時(shí)達(dá)到，便捷的手持

16、設(shè)備可以方便采集到接近的數(shù)據(jù)，但不夠精確又不耐腐蝕，使用壽命短，配合電子計(jì)算機(jī)的大型設(shè)備又不能隨身攜帶。更為困難的是在大面積的土地中是不可能人工采集方法獲得數(shù)據(jù)的，我們無(wú)法安排足夠的人力每天多次測(cè)量大面積的土地，所測(cè)得的數(shù)據(jù)也不便于統(tǒng)計(jì)分析。因此無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)勢(shì)在必得。</p><p>　　基于ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的土壤溫濕度無(wú)線采集系統(tǒng)，完全符合我們的要求，首先我們使用最專業(yè)的土壤溫濕度采集傳感器，

17、濕度采集利用時(shí)域反射原理設(shè)計(jì)而成，精度極高，耐腐蝕極強(qiáng)，這也是長(zhǎng)期在土壤中安置的前提保證。智能型網(wǎng)絡(luò)可以快捷方便的獲得每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的土壤狀況數(shù)據(jù)，以超低功耗的傳輸機(jī)制使得系統(tǒng)靈活方便，即使每天使用高精度傳感器多次測(cè)量也可以保證一塊鋰電池可以使用一、兩年之久，當(dāng)然，我們可以使用太陽(yáng)能電池，能源問(wèn)題完全不必?fù)?dān)心。配合電源管理芯片可以將終端采集設(shè)備的運(yùn)行狀況及時(shí)的報(bào)告給遠(yuǎn)端的監(jiān)控設(shè)備確保運(yùn)行正常。使用計(jì)算機(jī)的統(tǒng)計(jì)與管理功能，我們可以方便高效的對(duì)

18、土壤資源狀況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。</p><p>　　因此，決定建設(shè)套無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，于是設(shè)計(jì)終端便成為網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，本設(shè)計(jì)也就由此開始了。</p><p><b>　　1.2系統(tǒng)功能概述</b></p><p>　　本次設(shè)計(jì)中網(wǎng)絡(luò)架設(shè)及終端設(shè)備的遠(yuǎn)程控制將不做為重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容，主要完成終端設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、顯示、發(fā)送與存儲(chǔ)工作，實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的底層設(shè)

19、計(jì)。整體設(shè)計(jì)是將TDR土壤濕度傳感器獲得濕度數(shù)據(jù)、DS18B20采集的土壤溫度數(shù)據(jù)利以及SHT11獲得的空氣溫濕度數(shù)據(jù)通過(guò)CC2430無(wú)線單片機(jī)發(fā)送出去，并可以根據(jù)需要將數(shù)據(jù)顯示在OLED顯示屏上，通過(guò)導(dǎo)航按鍵可以方便設(shè)定采集數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔、采集數(shù)據(jù)的類型（便于統(tǒng)計(jì)分析）、系統(tǒng)時(shí)間等信息。使用AT24C08串行EEPROM將數(shù)據(jù)同步存儲(chǔ)在設(shè)備終端，即便網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障或者設(shè)備中斷，所測(cè)得數(shù)據(jù)依然安全保存。</p><p&

20、gt;<b>　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)概述</p><p>　　2.1.1無(wú)線傳輸核心技術(shù)——ZigBee</p><p>　　ZigBee名字來(lái)源于蜂群使用的賴以生存和發(fā)展的通信方式，蜜蜂通過(guò)跳ZigZag形狀的舞蹈來(lái)通知發(fā)現(xiàn)的新食物源的位置、距離和方向等信息，以此作為新一代無(wú)線通訊技術(shù)的名稱。Z

21、igBee過(guò)去又稱為 “HomeRF Lite”、“RF-EasyLink”或“FireFly”無(wú)線電技術(shù)，目前統(tǒng)一稱為ZigBee技術(shù)。[1]</p><p>　　ZigBee是一種新興的短距離、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本、低復(fù)雜度的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。ZigBee 采取了IEEE 802.15.4強(qiáng)有力的無(wú)線物理層所規(guī)定的全部?jī)?yōu)點(diǎn)：省電、簡(jiǎn)單、成本又低的規(guī)格； ZigBee增加了邏輯網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)安全和應(yīng)用層。ZigB

22、ee聯(lián)盟預(yù)測(cè)的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括工業(yè)控制、消費(fèi)性電子設(shè)備、汽車自動(dòng)化、家庭和樓宇自動(dòng)化、醫(yī)用設(shè)備控制等。</p><p>　　鑒于ZigBee技術(shù)的諸多優(yōu)勢(shì)，本次設(shè)計(jì)將采用這一組網(wǎng)方式，硬件設(shè)備采用德州儀器生產(chǎn)的無(wú)線單片機(jī)CC2430為核心部件，它是世界上首個(gè)真正的單芯片ZigBee解決方案，是世界上第一個(gè)真正意義上的SoC-ZigBee一站式產(chǎn)品，具有芯片可編程閃存以及通過(guò)認(rèn)證的ZigBee TM協(xié)議棧，它們都集

23、成在一個(gè)硅片內(nèi)，方便日后的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。</p><p>　　2.1.2終端設(shè)備解決方案</p><p>　　在設(shè)計(jì)的開始前我們還需要作一部分工作：</p><p>　　TDR土壤濕度傳感器的使用是十分不便的，我們并不知道它的輸出與采樣的對(duì)應(yīng)關(guān)系，使用的傳感器來(lái)自于計(jì)算機(jī)平臺(tái)上的傳感器，它使用計(jì)算機(jī)串口，通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析，最終得到濕度數(shù)據(jù)。我們的工作就是需要從它的

24、原有計(jì)算機(jī)平臺(tái)中取出對(duì)應(yīng)關(guān)系，然后才能夠?qū)鞲衅魍ㄟ^(guò)終端設(shè)備獨(dú)立使用，告別計(jì)算機(jī)。這部分也是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。設(shè)計(jì)中選擇了從計(jì)算機(jī)平臺(tái)中“偷取數(shù)據(jù)”的辦法實(shí)現(xiàn)獲得采樣與輸出的對(duì)應(yīng)關(guān)系。即在計(jì)算機(jī)平臺(tái)工作時(shí)將傳感器送出的數(shù)據(jù)定時(shí)竊取一個(gè)存入終端設(shè)備中，持續(xù)重復(fù)數(shù)次，然后按時(shí)間與計(jì)算機(jī)平臺(tái)中丟失的數(shù)據(jù)的相鄰兩個(gè)數(shù)據(jù)的平均值對(duì)比，這樣就可以獲得輸出與采樣的對(duì)應(yīng)關(guān)系。這種方法簡(jiǎn)便有效（只需要安裝一個(gè)程控繼電器即可），誤差較低。</p>

25、<p>　　根據(jù)需要，完整的終端設(shè)備包括中心控制與數(shù)據(jù)收發(fā)、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及按鍵五個(gè)部分。</p><p>　　中心控制單元主要是CC2430無(wú)線片上系統(tǒng)，強(qiáng)大的功能優(yōu)勢(shì)足以滿足系統(tǒng)的全部需求。數(shù)據(jù)收發(fā)部分利用CC2430自身的功能，通過(guò)2.4G天線、晶體振蕩器及簡(jiǎn)單外圍電路即可實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　數(shù)據(jù)采集部分包括三個(gè)大部分：</p><

26、p>　　TDR土壤濕度傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換：使用耐腐蝕TDR土壤濕度傳感器和MAX1301高速率A/D轉(zhuǎn)換搭建完成，可以將數(shù)據(jù)以數(shù)字信號(hào)的方式通過(guò)SPI總線模式送入中心控制單元。</p><p>　　DS18B20溫度采集模塊采集土壤溫度，由于DS18B20是單總線模式，所以使用還是相當(dāng)?shù)姆奖恪?lt;/p><p>　　SHT11空氣溫濕度采集模塊。數(shù)字信號(hào)直接輸出，以I2C總線模式傳送數(shù)據(jù)

27、應(yīng)用方便。</p><p>　　數(shù)據(jù)顯示部分通過(guò)OLED屏幕（冷光屏）顯示數(shù)據(jù)。OLED屏是利用有機(jī)發(fā)光材料受激輻射發(fā)光原理，因此無(wú)需背光、亮度高、功耗低，最符合系統(tǒng)需要。</p><p>　　數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分使用的AT24C08支持I2C 總線數(shù)據(jù)傳送協(xié)議。I2C 總線協(xié)議規(guī)定任何將數(shù)據(jù)傳送到總線的器件作為發(fā)送器，任何從總線接收數(shù)據(jù)的器件為接收器，存儲(chǔ)能力為8k，在不影響使用的情況下減小了設(shè)

28、計(jì)成本。</p><p>　　按鍵采用了上、下、左、右四個(gè)方向鍵和確認(rèn)、取消兩個(gè)功能鍵作。四個(gè)方向鍵采用 ADC 采樣輸入，兩個(gè)功能鍵直接讀取端口電平。節(jié)約了CC2430的端口充分利用了內(nèi)部的剩余資源（內(nèi)部ADC）。</p><p><b>　　2.2 系統(tǒng)框圖</b></p><p>　　2.2.1網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)框圖</p><

29、p>　　圖2-1 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)框圖</p><p>　　Fig. 2-1 Block diagram of network system</p><p>　　本系統(tǒng)的總體網(wǎng)絡(luò)框圖如圖2-1所示，這部分內(nèi)容將是后待開發(fā)的主要內(nèi)容，目前不做細(xì)致研究。</p><p>　　2.2.2終端設(shè)備系統(tǒng)框圖</p><p>　　本系統(tǒng)的終端設(shè)備框圖如

30、圖2-2所示，這部分內(nèi)容將作為本次設(shè)計(jì)重點(diǎn)研究。</p><p>　　圖2-2 終端設(shè)備系統(tǒng)框圖</p><p>　　Fig. 2-2 Systematic block diagram of the terminal device</p><p><b>　　2.3 方案論證</b></p><p>　　2.3.1網(wǎng)絡(luò)制

31、式選擇</p><p>　　ZigBee（IEEE802.15.4）技術(shù)是最近發(fā)展起來(lái)的一種短距離無(wú)線通信技術(shù)，功耗低，被業(yè)界認(rèn)為是最有可能應(yīng)用在工控場(chǎng)合的無(wú)線方式。它同樣使用2.4GHz波段，采用跳頻技術(shù)和擴(kuò)頻技術(shù)。另外，它可與254 個(gè)節(jié)點(diǎn)聯(lián)網(wǎng)。節(jié)點(diǎn)可以包括儀器和家庭自動(dòng)化應(yīng)用設(shè)備。它本身的特點(diǎn)使得其在工業(yè)監(jiān)控、傳感器網(wǎng)絡(luò)、家庭監(jiān)控、安全系統(tǒng)等領(lǐng)域有很大的發(fā)展空間。</p><p>　

32、　藍(lán)牙（BlueTooth）最早是愛立信在1994 年開始研究的一種能使手機(jī)與其附件（如耳機(jī)）之間互相通信的無(wú)線模塊。1998 年，愛立信、諾基亞、IBM 等公司共同推出了藍(lán)牙技術(shù)，主要用于通信和信息設(shè)備的無(wú)線連接。它的工作頻率為2.4GHz，有效范圍大約在10m 半徑內(nèi)。Bluetooth 列入了IEEE802.15.1，規(guī)定了包括PHY、MAC、網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用層等集成協(xié)議棧。為對(duì)語(yǔ)音和特定網(wǎng)絡(luò)提供支持，需要協(xié)議棧提供250kB系統(tǒng)開銷，

33、從而增加了系統(tǒng)成本和集成復(fù)雜性。另外，Bluetooth 對(duì)每個(gè)“Piconet”（微微網(wǎng)）有只能配置7 個(gè)節(jié)點(diǎn)的限制，制約了其在大型傳感器網(wǎng)絡(luò)開發(fā)中的應(yīng)用。</p><p>　　Wi-Fi （Wireless Fidelity，無(wú)線高保真）也是一種無(wú)線通信協(xié)議。IEEE802 . 11 的最初規(guī)范是在1997 年提出的。主要目的是提供WLAN 接入，也是目前WLAN 的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，其工作頻率也是2.4GHz。

34、目前，IEEE802 .11 標(biāo)準(zhǔn)還沒(méi)有被工業(yè)界廣泛接受。IEEE802 .11 流行的幾個(gè)版本包括“a”（在5.8GHz 波段帶寬為54MBps）、“b”（波段2.4GHz 帶寬為11MBps）、“g”（波段2.4GHz帶寬為22MBps）。這種復(fù)雜性為用戶選擇標(biāo)準(zhǔn)化無(wú)線平臺(tái)增加了困難。Wi-Fi 規(guī)定了協(xié)議的物理（PHY）層和媒體接入控制（MAC）層，并依賴TCP/ IP作為網(wǎng)絡(luò)層。由于其優(yōu)異的帶寬是以大的功耗為代價(jià)的，因此大多數(shù)便

35、攜Wi-Fi 裝置都需要常規(guī)充電。這些特點(diǎn)限制了它在工業(yè)場(chǎng)合的推廣和應(yīng)用。</p><p>　　紅外線數(shù)據(jù)協(xié)會(huì)IrDA（Infrared DataAssociation）成立于1993 年。IrDA 是一種利用紅外線進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的技術(shù)。IrDA 標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線設(shè)備傳輸速率已從115.2kbps 逐步發(fā)展到4Mbps、16Mbps。目前，支持它的軟硬件技術(shù)都很成熟，在小型移動(dòng)設(shè)備（如PDA、手機(jī)）上被廣泛使用。它具有

36、移動(dòng)通信所需的體積小、功耗低、連接方便、簡(jiǎn)單易用成本低廉的特點(diǎn)。IrDA 用于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)上的最大問(wèn)題在于只能在2 臺(tái)設(shè)備之間連接，并且存在有視距角度等問(wèn)題。</p><p>　　四種無(wú)線傳輸?shù)臋C(jī)制完全不同，無(wú)論從應(yīng)用領(lǐng)域的功耗要求還是從技術(shù)創(chuàng)新方面考慮，ZigBee都具有最佳建網(wǎng)優(yōu)勢(shì)，這就是我們選擇ZigBee作為本次設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞桨傅脑颉?lt;/p><p>　　2.3.2終端設(shè)備方案選擇&

37、lt;/p><p>　　我們總結(jié)一下土壤墑情監(jiān)測(cè)的方法如下：</p><p>　　負(fù)壓計(jì)土壤濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)</p><p>　　負(fù)壓計(jì)，又稱張力計(jì)，以測(cè)量土壤負(fù)壓(張力)來(lái)顯示土壤水分狀況。負(fù)壓計(jì)瓷頭埋設(shè)于土壤中某一高程后，負(fù)壓計(jì)內(nèi)部的水分通過(guò)瓷頭上的微孔同土壤水分進(jìn)行交換，使內(nèi)外水勢(shì)漸趨平衡，儀器上所指示的負(fù)壓值即代表土壤水勢(shì)，可以直接反映土壤水分能為植物吸收利用的程度

38、，同時(shí)又可換算為土壤含水率。負(fù)壓計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造，因此使用較為廣泛。但是負(fù)壓計(jì)易受環(huán)境溫度的影響，儀器穩(wěn)定性較差。此外，負(fù)壓計(jì)具有滯后性，往往不能及時(shí)反映土壤水分狀況，在土壤干燥過(guò)程中尤為顯著。</p><p><b>　　中子土壤濕度計(jì)</b></p><p>　　中子土壤濕度計(jì)以測(cè)量快中子與土壤水分中氫原子碰撞而轉(zhuǎn)化為慢中子的數(shù)量來(lái)感知土壤水分狀況。土孔上下移

39、動(dòng)即可測(cè)定不同高程點(diǎn)的土壤含水量。目前主要采用手工方法測(cè)量，也可以改造為自動(dòng)化或半自動(dòng)化監(jiān)測(cè)儀，從田間監(jiān)測(cè)室監(jiān)測(cè)，以防止或減少中子對(duì)人體的輻射。</p><p><b>　　γ透射儀</b></p><p>　　γ透射儀利用γ射線透射土壤后的衰減程度來(lái)測(cè)定土壤水分狀況。此種裝置在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)應(yīng)用效果較好，可進(jìn)行土壤水分自動(dòng)化和半自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。</p><

40、p><b>　　時(shí)域反射儀</b></p><p>　　時(shí)域反射儀(TDR儀)，利用時(shí)域反射原理定點(diǎn)測(cè)量某一土層內(nèi)的土壤水分情況。此儀器有較好的測(cè)量效果，是目前較先進(jìn)的土壤濕度儀，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，但價(jià)格較為昂貴。</p><p>　　電阻/電容式土壤濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)</p><p>　　電阻/電容式土壤濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括電阻式土壤濕度監(jiān)測(cè)系

41、統(tǒng)和電容式土壤濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，它們分別以電阻式土壤濕度傳感器和電容式土壤濕度傳感器為基礎(chǔ)。</p><p>　　電阻式土壤濕度傳感器，用裝有電極的感濕材料做成傳感器的感濕元件(探頭)，感濕材料常為石膏、陶瓷、尼龍絲繞塊等。將感濕元件埋設(shè)在土壤中某一定點(diǎn)上，使其同土壤保持緊密接觸，以便感濕元件的水分與土壤水分達(dá)到平衡，由于感濕元件的電阻值與其含水量具有一定關(guān)系，測(cè)量感濕元件的電阻值可以得到感濕元件的濕度，從而間接求得

42、土壤濕度。感濕元件在同土壤進(jìn)行水分交換的同時(shí)，也常具有溶質(zhì)交換，特別是由于元件埋設(shè)時(shí)間較長(zhǎng)以后，元件中常有溶質(zhì)積累，從而影響到水分測(cè)定的精度。此外，由于感濕元件具有一定的滯后作用，往往不能及時(shí)反映土壤水分現(xiàn)狀。</p><p>　　電容法測(cè)定土壤濕度是根據(jù)土壤介電常數(shù)隨土壤濕度變化的原理來(lái)進(jìn)行的。它同電阻法相比，受土壤鹽分的影響較小。</p><p>　　考慮上述多種濕度采集方法的優(yōu)勢(shì)，我

43、們決定采用時(shí)域反射儀，它設(shè)計(jì)靈活、便于自動(dòng)控制，更符合設(shè)計(jì)要求。</p><p>　　在對(duì)濕度傳感器的應(yīng)用方面我們考慮了以下兩種方案：</p><p>　　方案一：使用12V、電源供電的傳感器，得到的模擬信號(hào)為0~12V，而我們的控制單元CC2430電壓范圍是2~3.3V這樣在模擬與數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換方面就產(chǎn)生了困難要么使用信號(hào)壓縮的方法將其轉(zhuǎn)換為3.3V的模擬信號(hào)后再進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，但是這樣將

44、會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)誤差大。如果先進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換再進(jìn)行數(shù)字信號(hào)的電壓轉(zhuǎn)換，這樣又增加了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。本身傳感器的12V電壓也不利于功耗降低，對(duì)整體的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)不利。</p><p>　　方案二：使用一種低電壓的土壤濕度傳感器自身工作電壓為5V，輸出數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)的傳感器數(shù)據(jù)：4~20mA電流。在A/D轉(zhuǎn)換方面，我們采用美信公司生產(chǎn)的MAX1301A芯片，它能完好的將電流轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并且可以直接和+2.7V~+5.25V設(shè)備相

45、連接，這樣與CC2430就可以方便的結(jié)合，再加上MAX1301A具有完全關(guān)閉模式，這樣就可以配合CC2430的休眠模式實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)與終端的同時(shí)休眠模式，可以將功耗降至最低。</p><p>　　方案二的優(yōu)勢(shì)使我們覺得設(shè)計(jì)變得方便，無(wú)疑的采用了這個(gè)方案。</p><p>　　2.4 硬件設(shè)計(jì)與物理實(shí)現(xiàn)</p><p>　　本部分將不重點(diǎn)介紹ZigBee網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方法，只簡(jiǎn)單

46、介紹ZigBee標(biāo)準(zhǔn)及特點(diǎn)。著重介紹終端設(shè)備的硬件解決方案與原理。 </p><p>　　2.4.1 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)——ZigBee無(wú)線傳輸技術(shù)介紹</p><p>　　ZigBee與IEEE 802.15.4</p><p>　　ZigBee是一組基于IEEE 802.15.4無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)研制開發(fā)的、有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的技術(shù)， IEEE 802.15.4僅處理MA

47、C層和物理層協(xié)議，ZigBee聯(lián)盟對(duì)其網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和API進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化[3]。</p><p>　　ZigBee是由ZigBee Alliance所主導(dǎo)的標(biāo)準(zhǔn)，定義了網(wǎng)絡(luò)層（Network Layer）、安全層（Security Layer）、應(yīng)用層（Application Layer）、以及各種應(yīng)用產(chǎn)品的資料（Profile）；而由國(guó)際電子電機(jī)工程協(xié)會(huì)（IEEE）所制訂的802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，則是定義了物理層（P

48、HY Layer）及媒體存取層（Media Access Control Layer；MAC Layer）。</p><p><b>　　ZigBee協(xié)議</b></p><p>　　ZigBee標(biāo)準(zhǔn)提供了網(wǎng)絡(luò)、安全和應(yīng)用支持服務(wù)，這些服務(wù)工作在IEEE 802.15.4媒體存取控制(MAC)和物理層(PHY)無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)之上。它采用了一整套技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展、自組織、自恢

49、復(fù)的網(wǎng)絡(luò)，這種網(wǎng)絡(luò)可以管理各種各樣的數(shù)據(jù)傳輸模式(如圖2-3所示)。[4]</p><p>　　盡管ZigBee常常被默認(rèn)為無(wú)線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)，但該標(biāo)準(zhǔn)實(shí)際上支持多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，包括星型、簇樹?cluster tree)或星/網(wǎng)格混合型網(wǎng)絡(luò)(如圖2-4所示)</p><p>　　ZigBee技術(shù)優(yōu)勢(shì)</p><p>　　數(shù)據(jù)傳輸速率低：10KB/秒~250KB /秒，專注

50、于低傳輸應(yīng)用</p><p>　　功耗低：在低功耗待機(jī)模式下，兩節(jié)普通5號(hào)電池可使用6~24個(gè)月</p><p>　　成本低：ZigBee數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡(jiǎn)單，所以大大降低了成本</p><p>　　網(wǎng)絡(luò)容量大：網(wǎng)絡(luò)可容納65,000個(gè)設(shè)備</p><p>　　時(shí)延短：典型搜索設(shè)備時(shí)延為30ms，休眠激活時(shí)延為15ms，活動(dòng)設(shè)備信道接入時(shí)

51、延為15ms。</p><p>　　網(wǎng)絡(luò)的自組織、自愈能力強(qiáng)，通信可靠</p><p>　　數(shù)據(jù)安全： ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，采用AES-128加密算法（美國(guó)新加密算法，是目前最好的文本加密算法之一）,各個(gè)應(yīng)用可靈</p><p>　　工作頻段靈活：使用頻段為2.4GHz、868MHz（歐洲）和915MHz（美國(guó)），均為免執(zhí)照（免費(fèi)）的頻段&l

52、t;/p><p>　　ZigBee通信可靠性保證</p><p>　　物理層RF 通信鏈接</p><p>　　直序擴(kuò)頻采用高處理增益</p><p><b>　　明晰的信道檢測(cè)</b></p><p><b>　　對(duì)干擾能量進(jìn)行檢測(cè)</b></p><p&g

53、t;　　采用跳頻技術(shù)Frequency agility</p><p><b>　　協(xié)議</b></p><p>　　基于CRC的誤碼檢測(cè)/校正</p><p>　　采取了避免沖突的策略CSMA/CA</p><p>　　為固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用的有保證的時(shí)隙</p><p>　　發(fā)送的數(shù)據(jù)

54、包都有待于接受方的確認(rèn)，如出現(xiàn)問(wèn)題進(jìn)行重發(fā)</p><p>　　保持?jǐn)?shù)據(jù)包的及時(shí)傳輸Packet data freshness</p><p><b>　　通信可靠機(jī)制</b></p><p>　　zigbee采用了CSMA－CA的碰撞避免機(jī)制，同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時(shí)隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突；明晰的信道檢測(cè)</p

55、><p>　　MAC層采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，每個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息。</p><p>　　網(wǎng)絡(luò)的自組織、自愈能力強(qiáng)</p><p>　　zigbee的自組織功能：無(wú)需人工干預(yù)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能夠感知其他節(jié)點(diǎn)的存在，并確定連接關(guān)系，組成結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)絡(luò)；</p><p>　　zigbee自愈功能：增加或者刪除一個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)位置發(fā)生

56、變動(dòng)，節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障等等，網(wǎng)絡(luò)都能夠自我修復(fù)，并對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)地調(diào)整，無(wú)需人工干預(yù)，保證整個(gè)系統(tǒng)仍然能正常工作。</p><p>　　在低信噪比的環(huán)境下ZigBee具有很強(qiáng)的抗干擾性能</p><p>　　ZigBee物理信道</p><p><b>　　如圖如圖2-5所示</b></p><p>　　圖2-5 Z

57、igBee物理信道示意圖</p><p>　　Fig.-5 Physical channel sketch map of ZigBee </p><p>　　2.4.2 終端設(shè)備硬件實(shí)現(xiàn)方法</p><p>　　2.4.2.1 主控芯片CC2430與無(wú)線收發(fā)</p><p>　　CC2430主要特征外設(shè)[5]：CC2430芯片延用了以往CC2

58、420芯片的架構(gòu)，在單個(gè)芯片上整合了ZigBee射頻(RF)前端、內(nèi)存和微控制器。它使用1個(gè)8位MCU（8051），具有32/64/128 KB可編程閃存和8KB的RAM，還包括模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、幾個(gè)定時(shí)器、AES128協(xié)同處理器、看門狗定時(shí)器、32 kHz晶振的休眠模式定時(shí)器、上電復(fù)位電路、掉電檢測(cè)電路以及21個(gè)可編程I/O引腳。引腳如圖如圖2-6所示，原理圖如圖2-6所示。</p><p>　　圖2-6

59、 CC2430引腳示意圖</p><p>　　Fig. 2-6 Pinout top view of CC2430 </p><p>　　CC2430包括3個(gè)8位輸入/輸出端口，分別為P0、P1、P2。其中，P0和P1分別有8個(gè)引腳，P2有5個(gè)引腳，共21個(gè)數(shù)字I/O口引腳。</p><p>　　這些引腳都可以作為通用I/O端口，同時(shí)通過(guò)獨(dú)立編程還可以作為特殊功能的

60、輸</p><p>　　入/輸出，通過(guò)軟件設(shè)置還可以改變引腳的輸入/輸出硬件狀態(tài)配置。</p><p>　　21個(gè)I/O引腳都可以作為外部中斷源輸入口，因此如果需要，外部設(shè)備可以產(chǎn)生中斷。外部中斷功能也可以喚醒休眠模式。</p><p>　　為了提高數(shù)據(jù)存取的效率，CC2430專門在內(nèi)存與外設(shè)之間開辟了一條專用數(shù)據(jù)通道。這條數(shù)據(jù)通道在DMA控制器硬件的控制下，直接進(jìn)

61、行數(shù)據(jù)交換而不通過(guò)8051內(nèi)核，不用I/O指令。</p><p>　　圖2-7 CC2430應(yīng)用框圖</p><p>　　Fig. 2-7 Application block diagram of CC2430</p><p>　　DMA控制器可以把外設(shè)（如ADC、射頻收發(fā)器）的數(shù)據(jù)移到內(nèi)存而不需要CC2430內(nèi)核的干涉。這樣，傳輸數(shù)據(jù)速度上限取決于存儲(chǔ)器的速度。采

62、用DMA方式發(fā)送時(shí)，由DMA控制器向8051內(nèi)核發(fā)送DMA請(qǐng)求，內(nèi)核響應(yīng)DMA請(qǐng)求，這時(shí)數(shù)據(jù)輸入/輸出完全由DMA控制器指揮。</p><p>　　CC2430包括4個(gè)定時(shí)器：1個(gè)一般的16位定時(shí)器和2個(gè)8位定時(shí)器，支持典型的定時(shí)/計(jì)數(shù)功能；一個(gè)16位MAC定時(shí)器，用于為IEEE802.15.4的CSMA-CA算法以及IEEE802.15.4的MAC層提供定時(shí)。</p><p>　　CC2

63、430的數(shù)據(jù)加密由一個(gè)支持先進(jìn)的高級(jí)加密技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)AES的協(xié)處理器來(lái)實(shí)現(xiàn).該協(xié)處理器允許加密/解密將使用最小CPU使用率。</p><p>　　AES安全協(xié)處理器工作在128位。組128位的數(shù)據(jù)下載到協(xié)處理器中加密，須在下一組數(shù)據(jù)送至協(xié)處理器前完成加密.每組數(shù)據(jù)送至協(xié)處理器加密前，須給協(xié)處理器一個(gè)開始指令。</p><p>　　由于AES協(xié)處理器加密的數(shù)據(jù)都是以128位為一組的，因此當(dāng)一組數(shù)

64、據(jù)不足128位的時(shí)，必須在后面添加0后才能把數(shù)據(jù)送至協(xié)處理器加密。</p><p>　　CC2430的ADC支持14位的模/數(shù)轉(zhuǎn)換，這跟一般的單片機(jī)8位ADC不同。這個(gè)ADC包括一個(gè)參考電壓發(fā)生器、8個(gè)獨(dú)立可配置通道、電壓發(fā)生器和通過(guò)DMA模式把轉(zhuǎn)化結(jié)果寫入內(nèi)存的控制器。</p><p>　　當(dāng)使用ADC時(shí)，P0口必須配置成ADC輸入作為8位ADC輸入；把P0相應(yīng)的引腳當(dāng)作ADC輸入使用，

65、寄存器ADCCFC相應(yīng)位置設(shè)置為1。否則寄存器ADCCFG的各為處始值是0，則不當(dāng)作ADC輸入使用。ADC完成順序模/數(shù)轉(zhuǎn)換以及把結(jié)果送至內(nèi)存而不需要CPU的干涉。</p><p>　　CC2430無(wú)線收發(fā)</p><p>　　CC2430的無(wú)線接收器是一個(gè)低中頻接收器。接收到的射頻信號(hào)通過(guò)低噪聲放大器放大而正交降頻轉(zhuǎn)換到中頻。在中頻2MHz中，當(dāng)ADC模/數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)，輸入/增益調(diào)相信號(hào)被過(guò)

66、濾和放大。</p><p>　　CC2430的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)通過(guò)“先進(jìn)先出”的方式來(lái)接收128位數(shù)據(jù)。使用“先進(jìn)先出”方式讀取數(shù)據(jù)需要通過(guò)特殊功能寄存器接口。內(nèi)存與先進(jìn)先出緩沖區(qū)數(shù)據(jù)移動(dòng)使用DMA方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　CRC校驗(yàn)使用硬件實(shí)現(xiàn)。接受信號(hào)強(qiáng)度指標(biāo)（RSSI）和相關(guān)值添加到幀中。在接受模式中可以用中斷來(lái)使用清除通道評(píng)估（CCA）。</p><p>

67、　　CC2430的發(fā)送器是基于上變頻器的。接受數(shù)據(jù)存放在一個(gè)接受先進(jìn)先出的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)。發(fā)送數(shù)據(jù)幀的前導(dǎo)符和開始符由硬件生成。通過(guò)數(shù)/模轉(zhuǎn)化把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)發(fā)送出去。</p><p>　　CC2430無(wú)線部分主要參數(shù)如下：</p><p>　　頻帶范圍為2.400~2.4835GHz。</p><p>　　采用IEEE802.15.4規(guī)范要求的直接序列擴(kuò)頻方

68、式。</p><p>　　數(shù)據(jù)速率達(dá)250kbps，碎片速率達(dá)2Mchip/s。</p><p>　　采用O-QPSK調(diào)制方式。</p><p>　　高接收靈敏度（-94dBm）。</p><p>　　抗鄰頻道干擾能力強(qiáng)（39dB）。</p><p>　　內(nèi)部集成有VCO、LNA、PA以及電源穩(wěn)壓器。</p>

69、;<p>　　采用低電壓供電（2.1~3.6V）。</p><p><b>　　輸出功率編程可控。</b></p><p>　　典型的外圍電路配置如圖2-8所示</p><p>　　IEEE802.15.4MAC硬件可支持自動(dòng)幀可是生成、同步插入與檢測(cè)、10比特的CRC校驗(yàn)、電源檢測(cè)以及完全自動(dòng)MAC層保護(hù)（CTR、CBC-MAC

70、和CCM）。</p><p>　　圖2-8 CC2430應(yīng)用電路</p><p>　　Fig. 2-8 CC2430 Application Circuit</p><p>　　IEE802.15.4調(diào)制模式</p><p>　　IEEE802.15.4的數(shù)字高頻調(diào)制使用2.4G直接序列擴(kuò)頻(DSSS)技術(shù)。擴(kuò)展調(diào)制功能如圖2-9所示[6]

71、。</p><p>　　圖2-9 擴(kuò)展調(diào)制功能示意圖</p><p>　　Fig. 2-9 Expand and modulate the function </p><p>　　從圖2-9可以看出，在調(diào)制前需要將數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理。每1個(gè)字節(jié)信息分為2個(gè)符號(hào)，每個(gè)符號(hào)包括4比特。根據(jù)符號(hào)數(shù)據(jù)，從16個(gè)幾乎正交的偽隨機(jī)序列中，選取其中一個(gè)序列作為傳送序列。根據(jù)所發(fā)

72、送的連續(xù)的數(shù)據(jù)信息將所選出的PN序列串連接起來(lái)，并使用Q-QFSK的調(diào)制方法將這些集合在一起的序列調(diào)制到載波上。</p><p>　　在比特-符號(hào)轉(zhuǎn)換時(shí)，將每個(gè)字節(jié)中的低4位轉(zhuǎn)換成為一個(gè)符號(hào)，高4位轉(zhuǎn)換成另一個(gè)符號(hào)。每一個(gè)字節(jié)都要逐個(gè)進(jìn)行處理，即從它的前同步碼字段開始到最后一個(gè)字節(jié)。在每個(gè)字節(jié)的處理過(guò)程中，優(yōu)先處理低4位，隨后處理高4位。</p><p>　　2.4.2.2 數(shù)據(jù)采集<

73、;/p><p>　?。?）土壤濕度采集：數(shù)據(jù)采集包括傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換兩大部分，使用耐腐蝕土壤濕度專用傳感器和MAX1301高速率ADC搭建完成，可以將數(shù)據(jù)以數(shù)字信號(hào)的方式通過(guò)SPI總線模式送入中心控制單元。</p><p>　　土壤濕度傳感器（型號(hào):TDR）簡(jiǎn)介：</p><p>　　① dr的工作原理 </p><p>　　水分是決定土壤的介電

74、常數(shù)的主要因素。tdr土壤水分傳感器測(cè)量土壤的介電常數(shù)，直接穩(wěn)定地測(cè)量各種土壤的真實(shí)水分含量。傳感器的信號(hào)輸出可以用來(lái)直接控制灌溉。 tdr可測(cè)量土壤水分的體積百分比，與土壤的本身的機(jī)理無(wú)關(guān)。 </p><p><b>　　②特點(diǎn) </b></p><p><b>　　高穩(wěn)定性； </b></p><p>　　安裝維護(hù)操作

75、簡(jiǎn)便； </p><p>　　有效測(cè)量長(zhǎng)度超過(guò)45cm，增加了精確度； </p><p>　　測(cè)量不受土壤類型影響； </p><p>　　支撐的材料為環(huán)氧樹脂，強(qiáng)度和壽命得到保證。 </p><p><b>　?、?遠(yuǎn)程操作 </b></p><p>　　tdr土壤水分傳感器與數(shù)采，遠(yuǎn)距離傳輸設(shè)

76、備可以構(gòu)成遙測(cè)系統(tǒng)。例如：土壤干燥時(shí)，警告信號(hào)可以自動(dòng)響起來(lái)提醒人們應(yīng)該灌溉的時(shí)間到了。自動(dòng)控制系統(tǒng)能開關(guān)水泵和閥門等。配合一些附加的傳感器，可能可以計(jì)算出土壤水分蒸發(fā)量和農(nóng)作物所需的水分參數(shù)。3個(gè)灌溉表技術(shù)(蒸發(fā)量，作物水脅迫指數(shù)cwsi和土壤水分)的綜合應(yīng)用可以提供農(nóng)作物適宜生長(zhǎng)的最大的保證。 </p><p><b>　?、?規(guī)格 </b></p><p>　　

77、電源要求：5vdc+20%@40ma </p><p>　　輸出：0～1ma，可選4～20ma或0～2.5v </p><p>　　全部尺寸：直徑：19mm；長(zhǎng)度： 635mm </p><p><b>　　預(yù)熱時(shí)間：1秒 </b></p><p><b>　?、?可選項(xiàng)： </b></p&g

78、t;<p><b>　　4～20ma輸出 </b></p><p><b>　　0～2.5v輸出 </b></p><p><b>　?、?安裝： </b></p><p>　　傳感器測(cè)量土壤的有效部分為18英寸長(zhǎng)，靠近電纜的9英寸和頂部的0.5英寸區(qū)域。不包括在測(cè)量區(qū)域內(nèi)。測(cè)量有效區(qū)域

79、必須與土壤緊密并可以被放置在任何的方向和深度。對(duì)于比較深的農(nóng)作物，例如果樹，它通常垂直的放置。對(duì)于垂直安裝，挖一個(gè)0.5英寸 足夠深的洞把傳感器放下到所要測(cè)量的區(qū)域。用0.5英寸的土壤采樣器可以很方便的挖出這個(gè)洞。傳感器必須與土壤緊密的接觸。確保土壤填滿傳感器，用一個(gè)直徑0.5英寸的棒深入到土壤中，棒與傳感器的距離大約為3英寸，與傳感器同樣的深度。確保棒與傳感器保持平行并避免碰到損壞傳感器。移動(dòng)棒到相反的方向，距離同樣為3英寸的位置，然

80、后重復(fù)這個(gè)過(guò)程在先前2洞的90度方向。</p><p>　　在上部填上泥土來(lái)阻止水進(jìn)入頂部。一個(gè)可選的方法是把事先用當(dāng)?shù)赝寥浪龅哪酀{沿著傳感器注入孔中，然后插入傳感器。這些泥漿將填滿傳感器與土壤之間的間隙。水平傳感器將安裝在溝中，然后填土埋好。注意：不要把傳感器安裝在太陽(yáng)直接照射的地方</p><p>　　傳感器使用時(shí)使用光耦控制啟動(dòng)，輸出選擇4~20mA電流方式， MAX1301可以與

81、其完美的結(jié)合。MAX1301引腳如圖2-10所示。</p><p>　　MAX1301ADC介紹：</p><p>　　MAX1301多量程、低功耗、16 位逐次逼近型 ADC 采用添+5V單電源供電，并具有獨(dú)立的數(shù)字電源，允許和 2.7V至 5.25V系統(tǒng)連接。此ADC帶有支持單端和全差分輸人的內(nèi)部采樣保持（T/H）電路進(jìn)行單端信號(hào)轉(zhuǎn)換時(shí)，有效模擬輸入電壓范圍從地電</p>

82、<p>　　位以下的-VREF到地電位以上的+VREF。允許的最大差分輸人電壓范圍為-12V到+12V。</p><p>　　表2-1MAX1301電源與電源旁路</p><p>　　Table 2-1. MAX1301 Power Supplies and Bypassing</p><p>　　表2-2 MAX1301 模擬輸入配置字節(jié)</p

83、><p>　　Table 2-2. Analog Input Configuration Byte</p><p>　　數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換可通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)多種通道配置和數(shù)據(jù)采集應(yīng)用。微處理器（μC）很容易通過(guò)SPITM/QSPITM/MICROWIRETM兼容的串行接口控制轉(zhuǎn)換器。MAX1301 具有4路單端模擬輸人通道或2路差分通道。每一個(gè)模擬輸人通道均可通過(guò)軟件獨(dú)立編程設(shè)置為7種單端輸人范圍（0至

84、+6V、-6V至0、0至+12V、-12V至0、 ±3V、±6V和±12V）和3種差分輸人范圍±6V, ±12V, ±24V。此外，所有模擬輸人通道均具有±16.5V故障容限?？臻e通道的故障狀態(tài)不會(huì)影響其它通道的轉(zhuǎn)換結(jié)果[7]。</p><p>　　電源：為使工作環(huán)境保持低噪聲， MAX1301為電路的每一部分提供獨(dú)立的電源。表2-1所示為4個(gè)

85、獨(dú)立電源。采用獨(dú)立的 AVDD1、 AVDD2、 DVDD和 DVDD0電源供電，可獲得最佳性能。另一種做法是在盡可能靠近器件的位置將 AVDD1、 AVDD2和DVDD連接到一起，以方便電源連接。同時(shí)在盡可能靠近器件的位置將AGND1、AGND2、AGXD3、DGND 和 DGND0連接在一起分別使用0.1μF電容將每一個(gè)供電電源旁路到各自對(duì)應(yīng)的接地點(diǎn)（表2-1）。如果出現(xiàn)較大的低頻噪聲，則應(yīng)增加一個(gè) 10μF電容與0.1μF旁路電容

86、并聯(lián)。</p><p>　　轉(zhuǎn)換器工作：MAX1301采用全差分逐次逼近寄存器（SAR）轉(zhuǎn)換技術(shù)，并提供片上T/H模塊，可將電壓信號(hào)換成16位數(shù)字結(jié)果。器件支持單端和差分輸入結(jié)構(gòu)，并可編程設(shè)置單極性和雙極性信號(hào)范圍。</p><p>　　采樣保持電路：MAX1301具有開關(guān)電容T / H架構(gòu)，允許模擬輸人信號(hào)以電荷的形式存儲(chǔ)在采樣電容上。各種工作模式下的T/H時(shí)序和采樣時(shí)間如圖2-11、圖

87、2-12和圖2-13所示。 MAX1301的模擬輸人電路對(duì)取樣電容的輸人信號(hào)進(jìn)行了緩沖，使模擬輸人電流和輸入電壓保持線性關(guān)系（如圖2-14）</p><p>　　模擬輸入電路：通過(guò)寫相應(yīng)的模擬輸人配置字節(jié)（表2-2)，可將模擬輸人單獨(dú)配置成差分或單端轉(zhuǎn)換方式。模擬輸人信號(hào)源必須能夠驅(qū)動(dòng)ADC的17k?輸人阻抗如圖2-15。 圖2-15給出了簡(jiǎn)化的模擬輸人電路。模擬輸人具有± 16.5V故障容限，并通過(guò)背

88、向二極管提供保護(hù)。求和結(jié)點(diǎn)電壓VSJ是通道輸人共模電壓的函數(shù)見公式1[8]：</p><p><b>　?。ü?）</b></p><p>　　這樣一來(lái)，在整個(gè)輸人電壓范圍內(nèi)，模擬輸人阻抗才相對(duì)恒定，如圖2.4.12所示。單端轉(zhuǎn)換內(nèi)部以AGND1作為參考點(diǎn)（表2-3和表2-4）。在差分模式下，IN+和IN-根據(jù)表2-3和表2-5進(jìn)行選擇。設(shè)置差分通道時(shí)，差分對(duì)兒按照

89、正通道的模擬配置字節(jié)來(lái)設(shè)置。例如，要將CH2和CH3配置為量程為±12V的差分轉(zhuǎn)換輸人時(shí)，應(yīng)將CH2的模擬配置字節(jié)設(shè)置成量程為±12V的差分轉(zhuǎn)換方式（10101100）。為啟動(dòng)CH2和CH3差分對(duì)兒轉(zhuǎn)換，發(fā)送命令10101100[9]。</p><p>　　表2-3 輸入數(shù)據(jù)字格式</p><p>　　Table 2-3. Input Data Word Formats

90、</p><p>　　表2-4 單端模式(DIF/= 0)下的通道選擇</p><p>　　Table 2-4 Channel Selection in Single-Ended Mode (DIF/ = 0)</p><p>　　表2-5 真差分模式(DIF/= 1)下的通道選擇</p><p>　　Table 2-5 Channel Se

91、lection in True-Differential Mode (DIF/ = 1)</p><p>　　模擬輸入帶寬：MAX1301輸人采樣電路具有2MHz小信號(hào)帶寬。2MHz輸人帶寬使該系列器件能夠數(shù)字化高速瞬變信號(hào)。當(dāng)需要數(shù)字化的信號(hào)頻率超過(guò)15kHz時(shí)，諧波失真將會(huì)加劇。</p><p>　　模擬輸入范圍和故障容限：如圖2-16所示，可通過(guò)軟件選擇能夠產(chǎn)生有效數(shù)字輸出的單端模擬

92、輸人電壓范圍。時(shí)，每一個(gè)模擬輸入通道均可通過(guò)設(shè)置R[2:0]控制位獨(dú)立編程為7種單端輸人范圍之一。圖2-17說(shuō)明了可軟件選擇的差分模擬輸人電壓范圍，并能夠產(chǎn)生有效數(shù)字輸出．在 時(shí)，每一個(gè)模擬輸人差分對(duì)兒均能通過(guò)設(shè)置R[2:0]控制位獨(dú)立編程為3 種差分輸入范圍之一。無(wú)論所指定的輸人電壓范圍是多少，以及通道是否被選擇，每個(gè)模擬輸人都具有±16.5V故障容限．而且無(wú)論器件是否上電，模擬輸人故障保護(hù)均有效。對(duì)于超出FSR的任何電壓，

93、只要在±16.5V故障容限范圍之，加到模擬輸人通道后都將產(chǎn)生滿量程輸出電壓結(jié)果。箝位二極管的擊穿電壓門限超過(guò)16.5V，可在ESD和其它瞬態(tài)沖擊情況下保護(hù)MAX1301的模擬輸人（圖2-15）。器件正常工作時(shí)，箝位二極管不會(huì)導(dǎo)通，也不會(huì)在瞬態(tài)沖擊下限制電流。當(dāng)工作環(huán)境具有潛在的高能量電壓和／或電流瞬變時(shí)，需要從外部對(duì)MAX1301提供保護(hù)。</p><p>　　差分共模范圍：MAX1301的差分共模范圍

94、（VCMDR）必須保持在-14V至＋10V以內(nèi)，以得到有效的轉(zhuǎn)換結(jié)果．差分共模范圍定義見公式2：</p><p><b>　?。ü?）</b></p><p>　　除了共模輸人電壓范圍的限制外，每個(gè)獨(dú)立的模擬輸人相對(duì)于AGND1還必須限制在±16.5V之內(nèi)。模擬輸人配置字節(jié)中的量程范圍選擇位R[2:0]決定了相應(yīng)通道的滿量程范圍（表2-2和表2-6 )。&

95、lt;/p><p>　　數(shù)字接口：MAX1301具有SPITM/QSPITM/MICROWIRETM兼容的串行接口。MAX1301通過(guò)DIN、DOUT、SCLK、和SSTRB可方便地與主機(jī)進(jìn)行通信。SCLK速率可高達(dá)10MHz（內(nèi)部時(shí)鐘模式、模式2）、3.7MHz（外部時(shí)鐘模式、模式0）或4.39MHz （外部時(shí)鐘模式，模式1）。主機(jī)（通常采用微控制器）應(yīng)該采用 CPOL=0、CPHA=0的SPI傳輸格式，時(shí)序圖如圖

96、2-11、圖2-12和圖2-13所示。</p><p>　　表2-6 量程范圍選擇</p><p>　　Table 2-6 Range-Select Bits</p><p>　　數(shù)字接口用于完成以下功能：</p><p>　　選擇單端或真差分輸人通道配置 </p><p>　　選擇單極性或雙極性輸人范圍 </p

97、><p><b>　　選擇工作模式：</b></p><p><b>　　外部時(shí)鐘（模式0）</b></p><p><b>　　外部采樣（模式1）</b></p><p><b>　　內(nèi)部時(shí)鐘（模式2）</b></p><p><

98、;b>　　復(fù)位（模式4）</b></p><p>　　局部關(guān)斷模式（模式6）</p><p>　　完全關(guān)斷模式（模式7）</p><p><b>　　啟動(dòng)轉(zhuǎn)換和讀取結(jié)果</b></p><p>　　片選（）：主機(jī)通過(guò)使能與MAX1301之間的通信，當(dāng)為低時(shí)，數(shù)據(jù)在SCLK 的上升沿由DIN同步移人器件，

99、并且數(shù)據(jù)在SCLK的下降沿從DOUT同步移出器件。當(dāng)為高時(shí)，將忽略SCLK和DIN的狀態(tài)變化，此時(shí)DOUT為高阻態(tài)，所以允許其它外圍設(shè)備共享DOUT線。由于SSTRB永遠(yuǎn)都不會(huì)是高阻態(tài)，因此其它設(shè)備不能共享該信號(hào)線。</p><p>　　轉(zhuǎn)換狀態(tài)指示（SSTRB）：如圖2-12和圖2-13所示，SSTRB變高時(shí)表示ADC已經(jīng)完成了一次轉(zhuǎn)換，并且主機(jī)攤以讀取已準(zhǔn)備好的結(jié)果。SSTRB在外部時(shí)鐘模式下（圖2-11）始

100、終保持低電平，因此可以不連接。SSTRB會(huì)被驅(qū)動(dòng)為高電平或低電平，與的狀態(tài)無(wú)關(guān)，因此其它外部設(shè)備不能共享SSTRB。</p><p>　　起始位：如表2-5所示，使用3種輸人數(shù)據(jù)字格式與MAX1301進(jìn)行通信。每一個(gè)輸人數(shù)據(jù)字均由一個(gè)起始位開始。該起始位定義為：為低時(shí)，同步移人DIN的第一個(gè)邏輯高電平位，同時(shí)需符合下列條件之一：</p><p>　　器件未進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，且先前轉(zhuǎn)換的所有數(shù)據(jù)

101、均己從 DOUT 移出。</p><p>　　器件配置為外部時(shí)鐘模式（模式0），且先前的轉(zhuǎn)換結(jié)果位B13—B1已經(jīng)從DOUT 移出。</p><p>　　器件配置為外部采集模式（模式1），且先前的轉(zhuǎn)換結(jié)果位B13—B5已經(jīng)從DOUT移出。</p><p>　　器件配置為內(nèi)部時(shí)鐘模式（模式2），且先前的轉(zhuǎn)換結(jié)果位B13—B2已經(jīng)從DOUT移出。</p>

102、<p>　　輸出數(shù)據(jù)格式：在SCLK的下降沿，輸出數(shù)據(jù)以偏移二進(jìn)制碼的格式從DOUT同步輸出，井且MSB在前（B13）。</p><p>　　配置模擬輸入：每一個(gè)模擬輸人都提供兩個(gè)配置參數(shù)： </p><p><b>　　單端或真差分輸入。</b></p><p><b>　　輸人電壓范圍</b></p&g

103、t;<p>　　這些參數(shù)可用表2-2所示的模擬輸人配置字節(jié)來(lái)進(jìn)行配置。每一個(gè)模擬輸入都有一個(gè)專門的寄存器用于存儲(chǔ)其輸入配置信息。圖2-18所示的時(shí)序圖說(shuō)明了如何寫模擬輸人配置寄存器、圖2-19給出了DOUT和SSTRB的時(shí)序。</p><p>　　傳輸函數(shù)：ADC的傳輸函數(shù)定義了模擬輸入電壓和數(shù)字輸出代碼之間的關(guān)系,該傳輸函數(shù)取決于下列因素：</p><p><b>

104、;　　模擬輸人電壓范圍</b></p><p><b>　　單端或差分配置</b></p><p><b>　　基準(zhǔn)電壓</b></p><p>　　ADC 傳輸函數(shù)坐標(biāo)軸的單位通常采用最低有效位（LSB）。對(duì)于MAX1301, LSB采用公式3進(jìn)行計(jì)算：</p><p><b&g

105、t;　?。ü?）</b></p><p>　　其中N是位數(shù)（N=14）, FSR為滿量程范圍（見圖2-16和圖2-17）。</p><p>　　模式控制：MAX1301包含1個(gè)字節(jié)寬度的模式控制寄存器。模式控制字節(jié)的格式如表2.4.7所示。利用模式控制字節(jié)來(lái)選擇轉(zhuǎn)換方式，控制MAX1301的功率模式。</p><p>　　選擇轉(zhuǎn)換方式：利用模式控制字節(jié)

106、選擇轉(zhuǎn)換方式，并使用轉(zhuǎn)換啟動(dòng)命令（參見表2-5、圖2-11、圖2-12和圖2-13）來(lái)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。MAX1301采用下列三種方法之一將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)：</p><p>　?、偻獠繒r(shí)鐘模式，模式0（圖2-11）</p><p><b>　　最高吞吐速率。</b></p><p><b>　　用戶控制采樣時(shí)間。</b>&

107、lt;/p><p>　　轉(zhuǎn)換期間保持低電平。</p><p>　　在整個(gè)ADC轉(zhuǎn)換期間和從DOUT讀取數(shù)據(jù)過(guò)程中，均由用戶提供SCLK。</p><p>　?、谕獠坎杉Ｊ剑Ｊ?(圖2-12) </p><p><b>　　最低吞吐速率。</b></p><p><b>　　用戶控制采樣時(shí)

108、間。</b></p><p>　　用戶提供2個(gè)字節(jié)的SCLK，然后將驅(qū)動(dòng)為高電平，可在ADC轉(zhuǎn)換期間減輕處理器的負(fù)擔(dān).。</p><p>　　在SSTRB變高之后，用戶提供2個(gè)字節(jié)的SCLK，并讀取DOUT數(shù)據(jù)。</p><p>　?、蹆?nèi)部時(shí)鐘模式，模式2（圖2-13）</p><p><b>　　高吞吐速率。</

109、b></p><p>　　內(nèi)部時(shí)鐘控制采樣時(shí)間。</p><p>　　用戶提供1個(gè)字節(jié)的SCLK，然后將驅(qū)動(dòng)為高電平，可在ADC轉(zhuǎn)換時(shí)減輕處理器的負(fù)擔(dān)。</p><p>　　在SSTRB變高之后，用戶提供2個(gè)字節(jié)的SCLK，并讀取DOUT數(shù)據(jù)。</p><p>　　外部時(shí)鐘模式：MAX1301工作在外部時(shí)鐘模式時(shí)，可獲得最快的吞吐速率。

110、SCLK既控制模擬信號(hào)的采集，也控制模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換，便于精確控制采集模擬信號(hào)的時(shí)間在SCLK的第14個(gè)下降沿開始模擬輸人采樣（圖2-11）。</p><p>　　外部時(shí)鐘模式下，由于采用SCLK驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換，為轉(zhuǎn)換提供時(shí)鐘時(shí)SCLK頻率應(yīng)該保持恒定，最低的SCLK頻率也能夠避免內(nèi)部采樣電容上的電壓在轉(zhuǎn)換期間發(fā)生跌落。</p><p>　　外部時(shí)鐘模式下，SSTRB保持低電平，因此，如果MAX1

111、301一直工作在外部時(shí)鐘模式下，SSTRB可以不接。</p><p>　　外部采樣模式（模式1）：采用外部采集模式時(shí)，吞吐速率最低。在外部采集模式下，SCLK控制模擬信號(hào)的采集，便于精確控制采樣模擬信號(hào)的時(shí)間。內(nèi)部時(shí)鐘控制模擬輸入電壓的轉(zhuǎn)換在SCLK的第16個(gè)下降沿進(jìn)行模擬輸入采樣（圖2-12）。</p><p>　　對(duì)于外部采集模式，必須在開始的15個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)保持低電平，然后在第16個(gè)

112、時(shí)鐘周期的下降沿或之后變?yōu)楦唠娖?，如圖2-12所示，要獲得最佳性能，轉(zhuǎn)換期間將DIN和SCLK置為空閑狀態(tài)。仔細(xì)進(jìn)行電路板布局，使轉(zhuǎn)換期間DIN和SCLK的狀態(tài)變化對(duì)轉(zhuǎn)換結(jié)果的影響極小。</p><p>　　轉(zhuǎn)換完成后，SSTRB變高，可拉低以讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。在隨后對(duì)應(yīng)起始位的SCLK上升沿，SSRTRB返回低電平。</p><p>　　內(nèi)部時(shí)鐘模式（模式2）：內(nèi)部時(shí)鐘模式下，內(nèi)部時(shí)鐘控制模

113、擬信號(hào)的采集和轉(zhuǎn)換。內(nèi)部時(shí)鐘在SCLK的第8個(gè)下降沿后100ns到400ns之間啟動(dòng)，速率大約為4.5MHz。在內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)的第11個(gè)下降沿開始對(duì)模擬輸人采樣（圖2-13）。</p><p>　　對(duì)于內(nèi)部時(shí)鐘模式，在開始的7個(gè)SCLK時(shí)鐘周期內(nèi)必須保持低電平，然后在第8個(gè)SCLK時(shí)鐘周期的下降沿或之后變?yōu)楦唠娖健＾D(zhuǎn)換完成后，SSTRB變?yōu)楦唠娖?，可以拉低并讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。在隨后對(duì)應(yīng)起始位的SCLK上升沿，SSTRB