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1、目录摘要1关键词1Abstract1Key words11 绪论11.1 国内外数据采集系统发展现状11.2 短距离无线通信技术的发展现状12 无线通信系统设计32.1 引言32.2 各种无线通信技术32.1.1 IEEE802.1132.2.2 蓝牙32.2.3 超宽带技术42.2.4 红外通信52.2.5 低功率短距离无线射频通信技术52.2.6 各种无线通信方式之间的比较52.3 系统整体方案设计62.3.1 系统设计要求分析与选择62.3.2 系统方案最终确定72.4 小结83 系统的硬件设计93.1 传感器数据模块设计93.1.1 传感器技术93.1.2 温度传感器 DS18B209
2、3.1.3 微处理机芯片 ATmega8103.2 无线通信模块113.2.1 无线收发芯片的选择113.2.2 无线收发芯片nRF905123.2.3 RS232C串口通信电路设计143.3 小结164 系统的软件设计184.1 无线网络的具体实现方案184.1.1 网络拓扑结构184.1.2 通信协议的选择与算法实现194.1.3 采用避免冲突的措施204.2 无线数据采集模块的软件设计224.2.1 开发方法和开发工具224.2.2 无线通信程序设计224.3 无线模块与上位机的通信程序设计264.3.1 UART初始化264.3.2 模块与上位机的通信274.4 软件性能测试284.4
3、.1 收发数据测试284.4.2 传输距离测试294.5 小结295 总结与展望30致谢31参考文献32无线多点数据采集系统设计 摘要：随着计算机技术的快速发展，数据采集系统在工业生产中迅速得到应用，在无线领域，短距离无线通信技术显示出强劲的发展势头。数据采集技术与计算机技术、传感器技术以及信号处理技术构成了现代处理技术的基础，也是信息科学的一个重要分支。本文在评述短距离无线通信技术应用现状以及数据采集系统的基础上，设计和实现了一个基于AVR单片机和nRF905的无线数据采集系统。并对系统性能进行了测试，测试结果表明，本文设计的无线数据采集系统具有功率低、小巧方便、数据传输稳定、抗干扰能力强的
4、特点，可以很好地应用于各种短距离数据采集传输场合。关键词：无线通信；数据采集；nRF905；低功耗Design of Wireless Multi-node Data Acquisition SystemStudent Majoring in Electronic Information Science and Technology Shihuai XuTutor Abstract: With the rapid development of computer technology, data acquisition system is quickly applied in industria
5、l production. Being a new field of wireless industry, short distance wireless communications technology is widely used in many fields. The data acquisition technology and computer technology, sensor technology and signal processing technology, which forms the basis of modern processing technology, i
6、s also an important branch of information science. Based on a comprehensive review of short-range wireless communications technology application, a wireless data acquisition system was designed and realized based on AVR and nRF905.A test on the system was carried out and the results manifested that
7、the wireless data system designed in this paper have many advantages: low power consumption, a tiny size, reliable data transmission. The system can be widely used in wireless data acquisition and other short distance wireless data transmission areas.Key words: Wireless communications; data acquisit
8、ion; nRF905; low-power consumption1 绪论随着射频、集成电路技术的发展,无线通信功能的实现更容易,数据传输速率更快,抗干扰能力更强,因此,许多应用采用了无线传输技术。无线数据传输与有线数据传输相比,有诸多优点:一是成本低,省去大量布线；二是建网快捷,只需在每个终端连接无线数据传输模块和架设适当高度天线；三是适应性好,可应用于某些特殊环境；四是扩展性好,只需将设备与无线数据传输模块相连接。因此,无线传输是一种有效数据传输方式1。1.1 国内外数据采集系统发展现状 无线数据传输技术是无线通信的重要组成部分，它使不同位置的计算机或者相关仪器间实现无电缆的实时通讯，根
9、据要求传输各种类的大量数据。随着网络及通信技术的飞速发展，人们对无线技术的要求也趋于专业化，功能化。其中近距离无线技术正在成为大家关注的焦点。常用的数据采集系统有两种，一种是以单片微处理器为核心的数据采集系统，它的构成主要由传感器、放大器、采样保持器、模拟多路开关、A/D转换器、微处理器及其它一些外围器件构成。第二种是基于通用微型计算机(如PC机)的数据采集系统。这类系统一般由计算机以及数据采集卡组成，目前数据采集卡一般基于标准总线(如工控标准总线STD、传输位总线BIT-BUS、CAN总线、PC总线等总线系统)并带有高速DSP，通过计算机插槽与计算机相连，形成内插式工作方式。 在国外，数据采
10、集系统的研发普遍相当成熟，而且种类越来越多，性能方面也越来越强大，并且以基于通用微型计算机的系统居多，这种系统的核心是可插入计算机标准插槽的高速数据采集卡。目前这类高速数据采集卡种类多，技术先进，市场主流的厂商主要有SPEC、Ultraview等公司，代表产品有SPEC公司的SP1225以及Ultraview公司的AD-1250DMA。 在国内，也有不少的大学、科研机关、公司从事数据采集系统的研制，由于数据采集技术不断发展，市场上出现了各种新型的数据采集器。如北京中泰科技有限公司的数据采集系统PCI-8344B，它具有16位A/D，8通道并行同时转换，每个通道的转换速率都可以达到100KHz。
11、四川拓普公司的PCI-10016具有4通道模拟量输入，具有16位的A/D，最高采样率10OKsps2。对比国内外现有数据采集系统的性能、价格和功能，可以看出:国外的数据采集系统精度高、采样速度快、功能全，但是价格昂贵，并且体积较大，操作复杂。国内的数据采集系统虽然价格较为便宜，但与国外的相比无论精度和速度都存在一定的距离。1.2 短距离无线通信技术的发展现状随着通信技术的迅速发展，无处不在的网络终端、智能时尚便于携带的笔记本以及方便快捷的无线接入、无线互联等新概念和新的产品，已经逐渐融入人们的日常生活和工作领域。随之而来的便携式终端以及无线通信技术也得到了极大的发展，其中短距离无线通信技术已经
12、在我们的日常生活中得到了广泛的应用，与目前已经具备相当规模的无线长距离通信网络(如蜂窝移动通信网)相比，短距离无线通信系统在基本结构、服务范围、应用层次及通信业务(数据、话音)上，均有很大的不同。相关有代表性的无线局域网技术标准有：IrDA、IEEE802.11b、802.11a、802.11g、Bluetooth、Home-RF、ZigBee、UWB超宽带等3。 (1)蓝牙技术是由爱立信、东芝、诺基亚、英特尔和国际商用机器公司等公布的一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，开发于上世纪90年代中后期。它是一种用于短距离的、点对多点的数据和语音传输的射频规范。开发该技术的目的是以近距离、无线为
13、基础为固定与移动终端建立临时对等连接。蓝牙的传输距离在lm到10m之间，增加发射功率或配置专用的放大器后可使传输距离达到100m。 (2)红外通信IrDA是一种利用红外线进行点对点通信的技术，其相应的软件和硬件技术都已比较成熟。它在技术上的主要优点是:无需专门申请特定频率的使用执照，这一点，在当前频率资源匾乏、频道使用费用增加的背景下是非常重要的。它也具有移动通信设备所必需的体积小、功率低的特点。 (3)IEEE802.11系列无线以太网标准最初是以适用于大型办公室或业务园区为设计目标的，可支持10到100个接入点。这是一种高性能的数据网络，具有安全性好、数据传输速率高等优点，但实现起来成本较
14、高。 (4)低功率短距离无线通信。本论文所采用的低功率短距离无线通信，一般采用单片数字信号收发芯片，采用少量的外围器件和微控制器，构成专用或者通用的无线通信模块。 在对短距离无线通信的研究方面，目前国外除了继续完善和提高短距离无线通信技术以外，对由短距离无线通信设备构成的无线网络进行了较多的理论研究，其典型代表是对主要应用于军事的无线传感器网络的研究。这些研究主要集中在无线网络的路由协议、介质访问协议，节点间的同步以及数据融合技术等方面，并提出了大量针对不同应用的网络模型和通信协议。短距离无线通信技术已经在我们的日常生活中得到了广泛的应用，目前应用广泛的短距离无线通信技术主要有IEEE802、
15、WLAN、蓝牙、IrDA、Home-RF、ZigBee、UWB、微功率短距离无线通信技术等。 2 无线通信系统设计2.1 引言 短程无线通信技术的应用有很多，所采用的标准也是各不相同的。在本系统的设计中，由于采用短程无线通信方式进行数据传输，故在本章有必要对短程无线通信技术做比较并提出合理的解决方案。近几年随着无线通信技术与计算机网络技术的发展，形成了许多无线连接标准与技术。这些技术使用户能够将各种计算、通信设备简单而快速地连接成网络，同时也具备实现高速数据传输的能力。它们实际上消除了将各独立设备连接组网时需购买或租用传输线的需要，这使得共享不同应用设备中的数据资源成为可能。在这些标准与技术中
16、，最为引人注目的是Bluetooth、IrDA、Home-RF、IEEE802.11系列4。作为技术前沿，这些技术之间存在着相互竞争，但在某些实际应用领域内它们又相互补充。我们需要在这么多标准与技术之中，比较和分析各项技术的优缺点从而找到最适合本课题的解决方案。2.2 各种无线通信技术2.1.1 IEEE802.11 802.11是个一系列标准，由5个现行有效的标准802.11、802.11a、802.11b、802.11bCorl、802.11c和5个正在发展制定中的标准802.1le、802.11f、802.11g、802.11h、802.11i组成。IEEE802.11b技术标准是无线局
17、域网的国际标准，自发布之日起就得到了广泛的应用，迄今为止仍是应用热点。该标准工作在2.4GHz的频段上，采用了补码键控(CCK)调制技术和直接序列调频(DSSS)技术，最大传输速率可达11Mbit/s，并且可以根据实际情况变化，在11Mbit/s、5.5Mbit/s、2Mbit/s、1Mbit/s的不同速率之间自动切换，且在2Mbit/s、1Mbit/s的速率时与802.11兼容，它从根本上改变了WLAN的设计和应用现状，扩大了WLAN的应用领域。现在，大多数厂商生产的WLAN产品都基于802.11标准。802.11a标准与802.11b同年制定，它工作在5GHz频段上，使用OFDM调制技术，
18、支持6、9、12、18、24、36、48和54Mbit/s的传输速率。802.11b与802.11a两个标准都存在着各自的优缺点。802.11b的优势在于价格低廉，但速率较低(最高11Mbit/s)；而802.11a优势在于传输速率快(最高54Mbit/s)且受干扰少，但价格相对较高。另外，802.11b与802.11a工作在不同的频段上，不能工作在同一接入点(AP)的网络里，因此802.11b与802.11a互不兼容。 为了解决上述问题，IEEE802.11工作组开始定义新的物理层标准802.11g。802.11g标准与以前的802.11协议标准相比有以下两个特点:在2.4GHz频段使用正交
19、频分复用(OFDM)调制技术，使数据传输速率提高到20Mbit/s以上；能够与802.11b的Wi-Fi系统互相连通，共存于同一AP的网络里，保障了后向兼容性，延长了802.11b产品的使用寿命，降低了用户的投资5。2.2.2 蓝牙蓝牙的英文名称为“Bluetooth”，是一种开放性短距离无线通信技术标准。它是面向移动设备间的小范围连接，其本质可以说它是一种代替线缆的技术。蓝牙技术主要面向网络中各类数据及语音设备，通过无线方式将它们连成网络，从而方便、快速地实现各类设备之间的通信。它具有以下特点:(1)蓝牙设备工作在2.4GHz的工科频段，无须申请许可证，在大多数国家为2400-2483.5M
20、Hz，使用79个频道，间隔均为1MHz；采用TDD时分双工方式；最大发射功率分为三个等级，分别是:l00mw(20dBm)，2.5mw(4dBm)和1mw(0dBm)，在4-20dBm范围内要求采用功率控制。蓝牙的最大通信距离大约为10-100米。(2)蓝牙系统支持实时的同步定向连接和非实时的异步非定向连接，分别称为SCO链路和ACL链路。前者主要传送话音等实时性强的信息，在规定的时隙传输；后者则以数据为主，可在任意时隙传输。(3)采用快速调频技术可以保证链路稳定，减少同频干扰和远距离传输时的随机噪声影响，具有一定的抗干扰潜力。(4)蓝牙系统提供点对点和点对多点的无线链接。在任意一个有效通信范
21、围内，所有设备的地位都是平等的。首先提出通信要求的设备称为主设备，被动进行通信的设备称为从设备。利用时分多址，一个主设备最多可同时与7个从设备进行通信并和多个从设备(可超过200个)保持同步但不通信。(5)蓝牙技术在物理层链路层、业务层3个层次上提供安全措施，充分保证通信的保密性。目前，蓝牙设备在无线耳机、无线键盘等领域应用较多，但其国内市场的推广仍然十分不够，其最大障碍是成本依然很高，蓝牙模块购买价格昂贵。蓝牙的目标是给短距离无线通信的所有领域制定一个统一的标准，把一切都互连起来，因而得到了世界上著名厂家的支持，其前景是非常美好的，但目前存在着诸多问题：一是芯片大小与价格难下调。按照蓝牙的规
22、范，蓝牙芯片的大小是8mm8mm。这个尺寸对小型设备如手机、耳机、鼠标、微型摄像机、微型监视器等来说，还不够小。所以目前蓝牙还没有如预料的那样“无从不在”，而再进一步的减小尺寸，又将带来技术上的难度。价格也是一个大问题，蓝牙芯片的价格还远远没有达到起初预定的5美元以下。给一个本身就较便宜的电子产品附加蓝牙功能会带来较大的成本的上升，设备制造商并不愿意这么做。二是蓝牙协议复杂，开发难度大，开发工具昂贵。给产品附加蓝牙功能不是光有蓝牙芯片就能实现的，它还需要收发模块、蓝牙协议和应用程序，这无疑都会增加开发周期和开发成本。另一个问题是只有相应设备都带有蓝牙功能时，蓝牙技术才能起作用，而目前现状是有蓝
23、牙功能的设备还不多，用户不可能因为新购了一件含有蓝牙技术的新设备而把其他老设备淘汰掉。因此，即使购买了含蓝牙技术的产品，也不能享受蓝牙的优势，这对于蓝牙的发展来说是致命的。2.2.3 超宽带技术 超宽带(Ultra Wide Band)无线技术出现在60年代，其应用仅限于军事。2002年这项无线技术开始应用于民用通信领域，因而获得了广泛的关注。与传统技术不同，UWB是一种无载波通信技术，即不采用正弦载波，而是利用纳秒至微微秒级的非正弦波脉冲传输数据，因此其所占的频谱范围很宽，它能够实现无线局域网中无线接口的互联和接入，并具有低功耗、高带宽、低复杂度的优点。 目前，英特尔公司正在进行研究和开发，
24、以便将UWB集成到个人电脑芯片组中，将其作为10m以内的近距离高速无线传输接口使用。英特尔将UWB定位于“无线USB2.0”，当前UWB的传输速率已达到100Mbit/s，其下一个目标是500Mbit/s6。然而，UWB作为民用还是一项新技术,还有些实际问题，如安全问题、干扰问题等有待解决。2.2.4 红外通信红外通信是一种利用红外线进行点对点通信的方式，红外通信标准IrDA是目前普遍支持的近距离无线数据传输规范。IrDA的主要优点是无需申请频率的使用权，因而红外通信成本低廉。它还具有移动通信所需的体积小、功耗低、连接方便、简单易用的特点。由于数据传输率较高，适于传输大容量的文件和多媒体数据。
25、此外，红外线发射角度较小，传输上安全性高。IrDA设备的使用不需要申请特定频率的使用执照，并且还具有体积小、功耗低、技术成熟的优点。IrDA数据传输速率比较高，同时由于是点对点的通信，受到的干扰也较小7，目前在成熟度和普及度上，IrDA是新兴的无线通信技术无法比拟的。2.2.5 低功率短距离无线射频通信技术该技术一般采用单片数字信号收发芯片，加上微控制器和少量外围器件构成专用或通用无线通信模块。一般射频芯片采用FSK调制方式，工作于ISM频段，一些必要的外围模块都已经集成在芯片内部，并且提供了简单透明的数据传输协议或使用简单的加密协议，用户不用对无线通信原理和机制有较深的了解，只要依据芯片提供
26、的操作接口进行操作即可实现基本的数据无线传输功能。由于其功率小、价格低廉、开发简单快速因而在工业、民用领域得到了广泛的应用。但其数据传输速度、流量都较小，因此比较适合搭建对数据传输速度要求不高的小型网络。目前，很多公司推出了这种类型的单片无线收发芯片，其中比较典型的是Nordic公司推出的nRF系列芯片。2.2.6 各种无线通信方式之间的比较 IrDA是一种视距传输技术，通信设备中间不能有任何阻挡物，通信设备的位置也需要相对固定，不适宜用于移动数据传输；其次，IrDA只能实现点对点的无线通信，不能完成点对多点的无线通信；最后，IrDA设备的核心器件红外LED容易损坏，因而设备寿命有限。 IEE
27、E802.11x无线局域网技术基于计算机网络技术发展而来，是专门针对计算机网络通讯而设计的无线通讯技术，其有效传输距离为50米，传输速率为11M-54M不等，经常应用于企业学校等场所。IEEE802.11x的通讯协议复杂，协议实现对硬件要求较高，因此基于IEEE802.11x无线局域网技术所开发的无线数据传输设备的成本较高，安装调试复杂、维护困难。 蓝牙技术专门为近距离无线数据传输而设计，其有效传输距离10米，传输速率快。从蓝牙技术正式公布到现在，蓝牙技术一直没有得到预期的大范围的应用，主要是因为其芯片以及开发设备价格相对高昂。 基于GSM/GPRS无线通讯网络的数据传输技术是近几年发展起来的
28、一种新型的无线数据传输技术，该技术依托于GSM/GPRS无线通讯网络进行无线数据传输，因此其没有传输距离的限制，只要GSM/GPRS无线通讯网络覆盖的地区均可以进行无线数据传输。基于GSM/GPRS无线通讯网络的数据传输技术的传输速率为10Kb-60Kb，由于其利用GSM/GPRS无线通讯网络进行无线数据传输，因此其运营成本较高。基于嵌入式射频无线收发型芯片的无线数据传输技术是近几年发展起来的一种无线数据传输技术，其核心技术是嵌入式射频无线收发型芯片技术。嵌入式射频无线收发型芯片是国外各大公司近年来推出的一种新型无线传输芯片，该芯片将信号调制、发射、接收、数字电路接口等功能集成在一枚芯片中，具
29、有价格低廉、外围电路简单、体积小巧、通讯可靠性高、抗干扰能力强、传输速率快、低耗节能等诸多优点。同时，嵌入式无线射频收发型芯片普遍采用了标准的数字通讯接口，如SPI，UART等，可以很方便的与DSP或单片机等微处理器芯片结合使用,再在数据传输过程中配合先进的通讯协议数据处理算法实现纠错、校验以及加密等功能，可满足无线数据传输的要求。表2-1为上述五种无线数据传输技术的具体性能比较8。表2-1五种无线数据传输技术的具体性能比较IrDAIEEE802.11蓝牙GSM/GRRS嵌入式收发芯片工作频率波长875nm2.4GHz1.2GHz900MHz-1.2GHz433MHz-1.2GHz通信距离1-
30、20m，必须直线50m10m左右无限制100m左右功耗情况中高较高高低抗干扰能力一般，对传输角度要求高一般，对周围环境要求较高较好好好自主开发程度差差较高高低开发成本中高高高低技术成熟度成熟较成熟较成熟成熟成熟通讯协议红外传输协议802.11XBlue ToothGPRS/CDMA可自定义，灵活度高运营成本无无无极高无2.3 系统整体方案设计2.3.1 系统设计要求分析与选择 本课题是要设计一个短距离无线数据传输模块，满足近距离无线数据采集的需要，通过比较价格、性能、开发难以程度的因素可以发现，基于嵌入式射频收发芯片的传输方式有着其他几种无线数据传输方式不能比拟的优势。首先，日益发展的无线通信
31、业务中，频率资源已十分宝贵，应选用与其它应用无冲突的频段。2.4GHz是日常生活中的常用频段，如果选择在此频段工作会带来设备冲突及相互干扰。无线射频芯片的发射频率是433MHz，目前，在这一频段的应用较少。其次，对比于蓝牙芯片、GSM/GPRS以及802.11芯片，无线射频芯片价格低廉，性能较强，性价比高，而且又不像GSM/GPRS那样，数据传输本身还要花费一笔不菲的费用。无线射频传输相比IrDA，不受光波传输性质的限制，硬件设计、软件编程相比蓝牙技术而言要简单的多。所以，本模块中的短程无线通信技术采用射频技术并根据此技术选择相应的硬件资源。同时，现有的短程无线通信技术也对本模块的硬件和软件设
32、计具有一定的借鉴和指导作用。总之，采用射频技术的优点有：有利于后期开发；可根据模块的要求来开发相应的功能，不会造成功能的冗余；有利于系统抗干扰能力的控制；可根据实际测试结果，扩展硬件设备和增加软件算法来提高系统传输的可靠性；性价比较高。2.3.2 系统方案最终确定 根据本无线数据采集模块的功能和应用范围，本文设计的无线数据采集模块需要具有如下特点： (1)考虑到现场采集点不止一个，需采集的物理量也可能是多个，系统由多个从站和一个基站组成，从站作为数据采集节点，基站作为数据接收节点。以无线方式传输数据，基站和从站的关系是点对多点的通信关系。各个从站具有相同的结构且都在基站的无线信号覆盖范围之内，
33、彼此之间相互独立，没有数据通信要求。从站与基站一起组成了一个小型的无线网络。 (2)考虑到系统应用于无法布线环境下的数据采集，采集节点必须具有低功耗，以确保系统正常和持续的工作。 (3)接收节点(基站)工作位置相对固定，工作地点无布线条件限制，并且具有通信接口和外部网络或上位机系统通信，基站接受到的各个节点的数据在经过必要的处理后，通过该通信接口传送到外部网络，在上位机上进行数据的显示、存储及其它相关操作。 (4)实际现场的工作条件恶劣，各种干扰因素多，因此需要在硬件和软件上采取一定的措施来提高系统的抗干扰能力，以保证数据传输的可靠性。 (5)系统需要具有体积小，成本低,开发周期短的特点8。综
34、合以上分析，总体方案框图如图2-2所示:图2-2 系统总体方案框图 采集节点的主要结构如图2-3所示，主要是由微处理器，传感器，nRF905，RS232接口，ISP程序接口和天线组成，其中RS232可以接收上位机或者其他数据，由单片机处理，并由nRF905通过天线发送。图2-3采集节点的主要结构图 接收节点的主要结构如图2-4所示，主要是由微处理器，nRF905，RS232，ISP程序接口和天线组成，其中RS232可以将接收的数据传送到上位机，以便进一步处理9。图2-4接收节点的主要结构图2.4 小结 本章分析了蓝牙、IrDA、GSM/GPRS、IEEE802.11、UWB和低功率短距离线射频
35、通信技术等几种短距离数据无线传输方式的特点。通过成本、性能、传输距离、开发难易程度等方面的比较，确定了采用无线射频收发一体芯片的解决方案，满足在距离不是很远，数据流量适中情况下的数据采集。3 系统的硬件设计3.1 传感器数据模块设计3.1.1 传感器技术 传感器是信息技术的前沿尖端产品，被广泛用于工农业生产、科学研究和生产等领域，尤其是温度传感器，使用范围广，数量多，居各种传感器之首。温度传感器的发展大致经历了以下3个阶段： (1)传统的分立式温度传感器(含敏感元件)，主要是能够进行非电量和电量之间转换。 (2)模拟集成温度传感器/控制器。 (3)智能传感器，目前，国际上新型温度传感器正从模拟
36、式向数字式，由集成化向智能化，网络化的方向发展。 传感器由敏感元件、转换元件和测量电路三部分组成，一般还需要加辅助电源，因为电信号的易于传输和处理的特性，故大多数传感器将要测量的信息转换为电信号再输出，方框图3-1如下10。 图3-1 传感器方框图3.1.2 温度传感器DS18B20DS18B20是DALLAS公司生产的数字温度传感器，具有3引脚小体积封装形式；温度测量范围为-55+125,可编程9-12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出；其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生；多个DS18B20可以并联到3根或2根线上，CP
37、U只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。以上特点使DS18B20非常适用于远距离多点温度检测系统。DS18B20的读写时序和测温原理与DS1820相同，只是得到的温度值的位数因分辨率不同而不同，且温度转换时的延时时间由2s减为750ms。DS18B20的低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。计数器1和温度寄存器被预置在55所对应的一个基数值。计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时
38、，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。 DS18B20 为单总线传感器，只需一根线就可以把它检测到的温度信号通过DS18B20上的DQ引脚和单片机上的PB0引脚传送给单片机。3.1.3 微处理机芯片ATmega8ATmega8是ATMEL公司在2002年第一季度推出的一款新型AVR高档单片机。在AVR家族中，ATmega8是一种非常特殊的单片机，它的芯片内部集成了较大容量的存储器和丰富强大的硬件接口电路，具备AVR高档单片机MEGE系
39、列的全部性能和特点。但由于采用了小引脚封装（即DIP28和TQFP/MLF32），所以其价格仅与低档单片机相当，再加上AVR单片机的系统内可编程特性，使得无需购买昂贵的仿真器和编程器也可进行单片机嵌入式系统的设计和开发11，同时也为单片机的初学者提供了非常方便和简捷的学习开发环境。ATmega8的这些特点，使其成为一款具有高性能价格比的单片机，深受广大单片机用户的喜爱，在产品应用市场上极具竞争力，被很多家用电器厂商和仪器仪表行业看中，从而使ATmega8迅速进入大批量的应用领域。该系列单片机属于AVR中的高档产品，它承袭AT90所具有的特点，并在AT90（如AT9058515、AT905853
40、5）的基础上，增加了更多的接口功能，而且在省电性能。稳定性、抗干扰性以及灵活性方面考虑得更加周全和完善。ATmega8是一款采用低功耗CMOS工艺生产的基于AVR RISC结构的8位单片机。AVR单片机的核心是将32个工作寄存器和丰富的指令集联结在一起，所有的工作寄存器都与ALU（算术逻辑单元）直接相连，实现了在一个时钟周期内执行的一条指令同时访问（读写）两个独立寄存器的操作。这种结构提高了代码效率，使得大部分指令的执行时间仅为一个时钟周期。因此，ATmega8可以达到接近1MIPS/MHz的性能，运行速度比普通CISC单片机高出10倍。ATmega8与其它高档AVR单片机不同，采用小引脚封装
41、，有PDIP（28个引脚）、TQFP（32个引脚）和MLF（32个引脚）三种形式。主要性能特点如下：(1)高性能、低功耗的8位AVR控制器，先进的RISC精简指令集结构，130条功能强大的指令，大多数为单周期指令，32个8位通用工作寄存器，工作在16MHz时具有16MIP/S的性能。(2)片内集成了较大容量的非易失性程序和数据存储器及工作寄存器。8KB的Flash程序存储器，可擦写次数大于10000；512BE2PROM，擦写次数至少100000次；支持可在线编程；可编程的程序加密位；1KB的内部SRAM。(3)丰富强大的外部接口功能。3个PWM通道，可实现任意16位以内的、相位和频率可调的P
42、WM脉宽调制输出；6通道A/D转换；一个可编程的UART接口；一个支持主/从、收发的SPI的同步串行接口；2个带预分频的8位定时/计数接口，一个带分频的16位定时/计数器；带片内RC振荡器的可编程看门狗定时器。(4)特殊的微控制器性能。上电复位延时电路和可编程的欠压检测电路；内部和外部共有18个中断源；5种休眠模式（空闲模式、ADC噪声抑制模式、省电模式、掉电模式、等待模式）。(5)工作电压和功耗。ATmega8工作电压为4.5V5.5V；正常模式下，功耗为3.6mA，在空闲模式下，功耗为1mA；在掉电模式下，功耗为0.5uA。(6)保密性好,AVR单片机具有高度保密性。程序存储器Flash具
43、有多重密码保护锁死功能，不可能解密。(7)该芯片可与C语言的完美结合。3.2 无线通信模块3.2.1 无线收发芯片的选择 无线射频芯片是整个无线通信模块单元的核心部件，它的选择成功与否将直接关系到整个无线数据采集模块的性能、成本和开发周期。正确的选择射频芯片可以使研发过程少走弯路，降低成本，更快地将产品推向市场。基于本模块的实际需求，应该选用成本低、体积小、功耗低、集成度高、兼容性强、外围元件少、抗干扰能力强、接口简单、开发方便的无线射频收发一体芯片。无线射频收发一体芯片采用了目前流行的单芯片设计，在一块芯片上集合了信号调制解调、信号射频发射、信号接收、信号电平转换等功能，有些无线射频收发芯片
44、内部甚至还集合了单片机单元以及 CPLD单元，允许用户直接对其进行编程，是一种高集成度的多功能芯片。在实际应用中，无线射频收发芯片的外围电路十分简单，可方便与单片机或DSP连接，而且有些型号的无线射频收发一体芯片在环境以及电磁兼容性方面的要求可满足工业设备或军工设备的使用12。与传统的无线收发射频装置相比，无线射频收发芯片具有电磁兼容性好、耗电量低、体积小、外围电路简单、可靠性高、抗干扰能力强、数据传输安全性好、价格低廉等特点，在各种嵌入系统、家电、军工等许多领域都得到了广泛的应用。表3-2几种常用无线收发芯片性能比较nRF401nRF905TRF6900RF2915XE1201ACC400生
45、产公司NORDICNORDICTIRFMDXEMICSCHIP CON通信频率(MHz)433433/868/915868/915433/868/915434418/433工作电压(V)2.7-5.01.6-3.62.2-3.62.4-5.02.4-5.52.7-3.3是否需要曼切斯特编码不需要不需要需要需要需要需要调制方式FSKGFSKFSKFSKFSKFSK发射电流(mA)8-181150271091接收电流(mA)1012.5346.87.540最大输出功率(dBM)+10+10+4.5+10+5+14本模块的射频芯片的选择上，主要参考以下原则13： (1)收发芯片的数据是否需要由软件进
46、行曼彻斯特编码。需要由软件进行曼彻斯特编码的芯片，在编程上会需要较高的技巧和经验，需要更多的内存和程序容量，并且曼彻斯特编码大大降低数据传输的效率，一般仅能达到标称速率的1/3。 (2)芯片发射功率。 发射功率决定无线芯片的信号覆盖范围，在同等条件下为保证有效可靠的通信，应该选用发射功率较高、功率调节范围更大的产品。 (3)芯片抗干扰性能。 在无通信当中，易受干扰，为保证数据通信的可靠性，应该选用抗干扰能力强的芯片。 (4)芯片功耗。 芯片的功耗决定着整个模块性能和应用场合，所以芯片功耗也是考虑的主要因素之一。 (5)收发芯片正常工作所需的外围元器件数目。 芯片外围元件的数量的直接决定产品的成
47、本，因此应该选择外围元件少的收发芯片。 (6)收发芯片的封装和管脚数。 较少的管脚以及较小的封装，有利于减少PCB面积降低成本，适合便携式产品的设计，也有利于开发和生产。常用无线射频收发芯片主要有nRF401，nRF905，TRF6900，RF2915，BCC418，XE1201A和CC400，表3-2是这几种芯片的主要性能比较。 从表中可以看出，相比其它几种芯片，Nordic公司的nRF905无线射频收发一体芯片功耗低，自身进行曼彻斯特编码，数据传输速率最快，所需外围元器件最少，输出功率最大并且采用了比FSK调制抗干扰能力更强的GFSK调制，数据传输更加稳定可靠，而外围器件相对需要的比较少，因而
