本文基于DSP和nRF24L01設(shè)計(jì)了一種無(wú)線環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)便、測(cè)量迅速、造價(jià)低廉、便于攜帶，能滿足一定靈敏度和準(zhǔn)確度的要求，且采用無(wú)線數(shù)據(jù)通信作為傳輸載體，可應(yīng)用于蔬菜大棚、生產(chǎn)車間、溫室、礦井等場(chǎng)所的溫度、光度監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)。

　　例如，在蔬菜大棚中，蔬菜生長(zhǎng)的適宜溫度為20～30℃，大棚內(nèi)白天增溫快，當(dāng)棚外平均氣溫為15℃時(shí)，棚內(nèi)可達(dá)40～50℃，不利于蔬菜生長(zhǎng)。同樣，適當(dāng)?shù)墓庹諒?qiáng)度對(duì)植物體內(nèi)的硝酸鹽代謝起極為重要的作用，是決定植株硝酸鹽含量的主要因素之一，但過(guò)弱或過(guò)強(qiáng)的光照也不利于蔬菜的生長(zhǎng)。因此，需要根據(jù)監(jiān)測(cè)值適時(shí)調(diào)節(jié)棚內(nèi)溫度，以有效地避免不當(dāng)?shù)臏囟取⒐庹諏?duì)蔬菜的危害。

　　1、方案論證

　　本無(wú)線環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是由一個(gè)主站和兩個(gè)分站組成。主站由無(wú)線收發(fā)模塊、信息處理模塊、顯示模塊構(gòu)成，功能是無(wú)線發(fā)送分站的編號(hào)和命令，并無(wú)線接收分站發(fā)送的信息，同時(shí)顯示這些信息及分站的編號(hào)；分站由傳感器模塊、編碼模塊、信息處理模塊、顯示模塊和無(wú)線收發(fā)模塊構(gòu)成，功能是采集溫度、光照信息，顯示所測(cè)信息，并將這些信息和自己的編號(hào)無(wú)線傳輸給主站。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

　　1．1、主控模塊

　　本方案中主控模塊選擇TI公司的DSP芯片TMS320LF2407。TMS320LF2407內(nèi)置10位（雙8路或單16路）A／D轉(zhuǎn)換器、看門狗定時(shí)器模塊；有41個(gè)可獨(dú)立編程的數(shù)字I／O引腳，絕大部分有復(fù)用功能；外設(shè)接口有串行通信SCI（SerialCommunicationInterface）與串行外設(shè)SPI（SerialPeriphera1Interface）；2個(gè)事件管理器EVA、EVB可為所有類型電機(jī)提供控制技術(shù)，為工業(yè)自動(dòng)化方面的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)；2個(gè)16位通用定時(shí)器，3個(gè)具有死區(qū)功能的全比較單元。

　　較MCS-51系列單片機(jī)而言，TMS320LF2407內(nèi)部有32KB的Flash程序存儲(chǔ)器和2．5KB的SRAM，更能滿足軟件對(duì)空間的要求，且方便在線調(diào)試。利用其內(nèi)置的10位A／D轉(zhuǎn)換器，可以直接接溫度、光度傳感器模塊，將測(cè)得的溫度值、光照強(qiáng)度值等模擬量轉(zhuǎn)換為TMS320LF2407可以處理的數(shù)字信息，避免了用MCS51進(jìn)行A／D擴(kuò)展帶來(lái)的麻煩。另外，TMS320LF2407有41個(gè)可獨(dú)立編程的數(shù)字I／O引腳，絕大部分有復(fù)用功能，更能滿足硬件對(duì)I／O口的需求。使用TMS320LF2407的串行外設(shè)接口SPI，可以直接和無(wú)線傳輸模塊nRF24L01提供的SPI接口相連，不需要軟件模擬SPI。使用的開發(fā)環(huán)境是CCS3．0，完全支持C語(yǔ)言，方便程序編寫。

　　1．2、傳感器模塊

　　選用光敏電阻來(lái)測(cè)量光照。較光敏二極管，光敏電阻更能顯示出光的強(qiáng)弱；而且，它能夠和熱敏電阻應(yīng)用到同一電路中。傳感器模塊電路如圖2所示。

　　1.3、編碼模塊

　　選用跳線開關(guān)組成編碼模塊。與普通開關(guān)組成編碼模塊相比較，成本更加低廉。用兩列排針（各8位）：一列排針接到TMS320LF2407的I／O口，并經(jīng)過(guò)10kΩ電阻接+5V電源VCC，另一列排針接地。兩列排針對(duì)應(yīng)的位用跳線帽相連時(shí)置0，否則為1。這樣可以設(shè)置分站的編號(hào)0～255，即本系統(tǒng)最多可以擴(kuò)展256個(gè)分站，用來(lái)監(jiān)測(cè)不同地點(diǎn)的當(dāng)前環(huán)境溫度、光度值。

　　1．4、無(wú)線傳輸模塊

　　選用無(wú)線傳輸模塊nRF24L01。它是一款工作在2．4～2．5GHz世界通用ISM頻段的單片無(wú)線收發(fā)器芯片，采用FSK調(diào)制，內(nèi)部集成自己的協(xié)議，有自動(dòng)應(yīng)答及自動(dòng)重發(fā)功能、地址及CRC檢驗(yàn)功能，可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或1對(duì)6的無(wú)線通信，無(wú)線通信速度可達(dá)2Mbps；而且，電流消耗極低，當(dāng)工作在發(fā)射模式下發(fā)射功率為-6dBm時(shí)電流消耗為9mA，接收模式下為12．3mA。nRF24L01與PT2262／2272相比，不需要編碼和解碼，程序簡(jiǎn)單；與nRF905相比，外圍元件更少，不需要曼徹斯特編碼；與nRF401相比，價(jià)位更低。

　　TMS320LF2407只需為nRF24L01模塊預(yù)留6個(gè)I／O口，分別與其6個(gè)控制和數(shù)據(jù)信號(hào)CSN、SCK、MISO、MOSI、IRQ、CE相連。TMS320LF2407與nRF24L01的連接電路如圖3所示。

　　1．5、顯示模塊

　　選用型號(hào)為L(zhǎng)G5011BSR的共陽(yáng)極數(shù)碼管，與液晶顯示器相比，價(jià)格低廉。它由7段發(fā)光二極管組成，共有10只引腳。其中，3、8引腳為共陽(yáng)極，其他引腳加低電平時(shí)對(duì)應(yīng)的二極管就會(huì)亮，從而控制數(shù)碼管顯示相應(yīng)的數(shù)值。

　　1．6、系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

　　傳感器模塊是信息采集的樞紐。如圖2所示，電源電壓經(jīng)穩(wěn)壓管TL431穩(wěn)壓到2．5V，提供給由普通電阻和熱敏電阻組成的分壓電路，以及普通電阻和光敏電阻組成的分壓電路。熱敏電阻分得的電壓通過(guò)TO輸出，接TMS320LF2407的ADCIN0；光敏電阻分得的電壓通過(guò)LO輸出，接TMS320LF2407的ADCIN1。利用讀取A／D轉(zhuǎn)換后的結(jié)果，并計(jì)算出對(duì)應(yīng)的溫度值和光線強(qiáng)度值，經(jīng)查表輸出顯示。

　　無(wú)線傳輸模塊是數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮诵摹Ｈ鐖D3所示，TMS320LF2407通過(guò)6個(gè)I／O端口（IOPC0，IOPC1，SPISIMO，SPISOMI，SPICLK，SPISTE），依次與nRF24L01模塊的6個(gè)控制和數(shù)據(jù)信號(hào)IRQ、CE、MOSI、MISO、SCK、CSN相連。其中，CSN為芯片的片選線，CSN為低電平時(shí)芯片工作；SCK為芯片控制的時(shí)鐘線；SOMI為芯片控制數(shù)據(jù)線；MOSI為芯片控制數(shù)據(jù)線；IRQ為中斷信號(hào)，無(wú)線通信過(guò)程中DSP主要是通過(guò)SPI接口的SPISIM-O、SPISOMI與nRF24L01進(jìn)行通信。CE為芯片的模式控制線，在CSN為低的情況下，CE協(xié)同nRF24L01的CONFIG寄存器共同決定nRF24L01的狀態(tài)。

　　顯示模塊用TMS320LF2407的IOPB0、IOPB1來(lái)模擬串行發(fā)送數(shù)據(jù)的過(guò)程，外接串入并出移位寄存器74LS164構(gòu)成。當(dāng)需要顯示信息時(shí)，數(shù)據(jù)從IOPB0端在移位脈沖（由IOPB1輸出）的控制下逐位移入74LS164，74LS164能將輸入的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)輸出到數(shù)碼管。這樣的設(shè)計(jì)不僅節(jié)省I／O口，而且不占用串口資源。編碼模塊通過(guò)IOPA0～I(xiàn)OPA7與DSP相連。

　　2、軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)的主站、分站程序流程如圖4所示。主站程序主要包括初始化、無(wú)線發(fā)射、無(wú)線接收、數(shù)碼管顯示等部分；分站程序主要包括初始化、無(wú)線發(fā)射、無(wú)線接收、數(shù)據(jù)采集、數(shù)碼管顯示等部分。

　　2.1、初始化部分

　　將數(shù)據(jù)地址、數(shù)據(jù)顯示區(qū)地址等內(nèi)容初始化為0，設(shè)置數(shù)據(jù)顯示區(qū)地址的內(nèi)容，進(jìn)行數(shù)碼管顯示，以進(jìn)行系統(tǒng)自檢。

　　for（i=0;i《3;i++）{

　　DISHE（）;//調(diào)用要顯示的內(nèi)容

　　DISPLAY（）;//輸出顯示

　　DELLS（）;//延時(shí)

　　BLANK（）;//內(nèi)容為0

　　DISPLAY（）;//顯示

　　DELLS（）;//延時(shí)

　　}

　　2.2、無(wú)線發(fā)射部分

　　首先設(shè)置nRF24L01為發(fā)射模式（設(shè)置發(fā)射和接收節(jié)點(diǎn)地址），使能自動(dòng)應(yīng)答，配置自動(dòng)重發(fā)次數(shù)，選擇通信頻　率，配置發(fā)射參數(shù)，選擇通道0有效數(shù)據(jù)寬度，配置nRF24L01的基本參數(shù)以及切換工作模式;然后設(shè)置發(fā)射數(shù)據(jù)，啟動(dòng)發(fā)射，發(fā)射完數(shù)據(jù)后會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)入接收模式接收應(yīng)答信號(hào)。

　　initNRF24L01（）;//初始化無(wú)線通信模塊

　　PCDATDIR=0x2000;//置低SPISTE引腳，選

　　//通nRF24L01

　　while（（SPISTS&0x40）！=0x40）{}//等待SPI寫結(jié)束

　　readspibuf=SPITXBUF;//讀SPIBUF寄存器，清

　　//除SPIINTFLAG位

　　nRF24L01TxPacket（TxBuf）;//發(fā)送TxBuf中的數(shù)據(jù)

　　PCDATDIR=PCDATDIR&0x0202;//置高CE，激活數(shù)據(jù)發(fā)送

　　2.3、無(wú)線接收部分

　　首先設(shè)置接收模式（即寫接收節(jié)點(diǎn)地址），使能自動(dòng)應(yīng)答，通道0接收地址允許，選擇通信頻率，選擇通道0有效數(shù)據(jù)寬度，配置發(fā)射參數(shù)，配置nRF24L01的基本參數(shù)以及切換工作模式;然后啟動(dòng)接收，130μs后開始檢測(cè)空中數(shù)據(jù)，若收到，則數(shù)據(jù)模塊會(huì)自動(dòng)發(fā)射應(yīng)答信號(hào)［5］。

　　SetRXMode（）;//數(shù)據(jù)接收配置

　　SPIRWReg（WRITEREG+STATUS，0xFF）;

　　//nRF24L01讀寫寄存器函數(shù)

　　while（（SPISTS&0x40）！=0x400）{}//等待SPI讀結(jié)束

　　rdsbf1=SPITXBUF;//讀取寄存器

　　PCDATDIR=0x2020;//置高SPISTE引腳，禁止nRF24L01

　　2.4、數(shù)據(jù)采集部分

　　分站對(duì)溫度、光照、地址編號(hào)進(jìn)行采集，通過(guò)讀取I/O口得到地址編號(hào)的值，通過(guò)讀取A/D來(lái)獲得溫度、光照的最初值，經(jīng)過(guò)DSP處理后得到準(zhǔn)確的溫度、光度值。

　　MAXCONV=0x0000;

　　CHSELSEQ1=0x0000;//第0通道

　　ADCTRL2=0x4000;//復(fù)位使排序器指針指向CONV00

　　ADCTRL2=0x2000;//啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換

　　while（（ADCTRL2&0x1000）==0x1000）;//等待轉(zhuǎn)換完成

　　asm（“NOP”）;

　　asm（“NOP”）;

　　2.5、數(shù)碼管顯示部分

　　程序以模擬串口的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示，過(guò)程為：取一字節(jié)數(shù)據(jù)，移一位數(shù)據(jù)到I/O口中，通過(guò)置位另一I/O口高低電平來(lái)模擬時(shí)鐘信號(hào)，即把數(shù)據(jù)一位一位地移到移位寄存器74LS164中，然后并行輸出到數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)。

　　3、調(diào)試分析

　　3.1、系統(tǒng)板硬件部分調(diào)試

　　系統(tǒng)板硬件部分調(diào)試主要是萬(wàn)用表檢查電路通斷情況，并測(cè)量部分關(guān)鍵引腳的電壓是否達(dá)到要求。

　　3.2、環(huán)境溫度測(cè)量調(diào)試

　　首先，把標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)和熱敏電阻同時(shí)放入冰水混合液中，標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)的示數(shù)為Y1，根據(jù)基礎(chǔ)表值探測(cè)點(diǎn)顯示為X1。接著，將它們放入沸水中，標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)的示數(shù)為Y2，根據(jù)基礎(chǔ)表值探測(cè)點(diǎn)顯示為X2，得出比例系數(shù)K=（X2-X1）/（Y2-Y1）=2。最后，在沸水和冰水混合液之間的溫度內(nèi)，測(cè)得標(biāo)準(zhǔn)溫度Yi（i=3，4，…，30）和探測(cè)點(diǎn)顯示值Xi（i=3，4，…，30）共28組，從而得到近似比例系數(shù)K=2±0.5。再通過(guò)軟件部分進(jìn)行數(shù)據(jù)的校準(zhǔn)，建立溫度數(shù)據(jù)表。最終，將溫度計(jì)和溫度傳感器置于同一環(huán)境下記錄測(cè)得的溫度值，如表1所列。

　　平均誤差=（0.3+0.5+0.2+0.5+0.6）℃/5=0.42℃

　　平均響應(yīng)時(shí)間=（1.0+1.2+1.0+1.0+1.0）s/5=1.04s

　　4、結(jié)語(yǔ)

　　本文介紹的無(wú)線環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的控制采用TMS320LF2407實(shí)現(xiàn)。TMS320LF2407內(nèi)部資源豐富，既有A/D轉(zhuǎn)換器，又有SPI、SCI，省去了系統(tǒng)擴(kuò)展的麻煩;另外，I/O口比較多，內(nèi)部存儲(chǔ)空間較大，有利于系統(tǒng)功能擴(kuò)充。無(wú)線部分采用高度集成的nRF24L01器件，大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)，減小了體積，提高了系統(tǒng)工作的可靠性。