D题无线环境监测模拟装置

1无线环境监测模拟装置作品介绍2010-7-2020009全国大学生电子设计大赛高频组全体组员2赛题分析设计方案介绍低功耗设计3设计任务：设计并制作一个无线环境监测模拟装置，实现对周边温度和光照信息的探测。该装置由1个监测终端和不多于255个探测节点组成（实际制作2个）。监测终端和探测节点均含一套无线收发电路，要求具有无线传输数据功能，收发共用一个天线。赛题分析4基本要求基本要求：1、制作2个探测节点。探测节点有编号预置功能，码预置范围为00000001B～11111111B。探测节点能够探测其环境温度和光照信息。温度测量范围为0℃～100℃，绝对误差小于2℃；光照信息仅要求测量光的有无。探测节点采用两节1.5V干电池串联，单电源供电。（编码开关，光敏电阻，温度测量）2、制作1个监测终端，用外接单电源供电。探测节点分布示意图如图1所示。监测终端可以分别与各探测节点直接通信，并能显示当前能够通信的探测节点编号及其探测到的环境温度和光照信息。（显示节点环境信息）3、无线环境监测模拟装置的探测时延不大于5s，监测终端天线与探测节点天线的距离D不小于10cm。在0～10cm距离内，各探测节点与监测终端应能正常通信。（10cm通讯）赛题分析5发挥部分：1、每个探测节点增加信息的转发功能，节点转发功能示意图如图2所示。即探测节点B的探测信息，能自动通过探测节点A转发，以增加监测终端与节点B之间的探测距离D+D1。该转发功能应自动识别完成，无需手动设置，且探测节点A、B可以互换位置。2、在监测终端电源供给功率≤1W，无线环境监测模拟装置探测时延不大于5s的条件下，使探测距离D+D1达到50cm。3、尽量降低各探测节点的功耗，以延长干电池的供电时间。各探测节点应预留干电池供电电流的测试端子。赛题分析6说明：1、监测终端和探测节点所用天线为圆形空芯线圈，用直径不大于1mm的漆包线或有绝缘外皮的导线密绕5圈制成。线圈直径为(3.4±0.3)cm(可用一号电池作骨架)2、无线传输载波频率低于30MHz，调制方式自定。3、监测终端和探测节点不得使用除规定天线外的其他耦合方式。4、无线收发电路需自制，不得采用无线收、发成品模块。光照有无的变化，采用遮挡光电传感器的方法实现。赛题分析7总体需求:终端：节点环境信息的显示节点：电池供电，编码开关--设定节点编号，温度、光照。通信：线圈大小固定、基本要求10cm，发挥部分50cm。功耗：低功耗（无限制指标）关键技术：1、低电源电压实现功率放大2、收发共用天线实现双工3、涉及中继的通信协议设计4、低功耗设计赛题分析8系统整体框图MSP430单片机开关状态功放信号放大OOK解调光照，温度终端节点MSP430单片机开关状态功放信号放大OOK解调光照，温度天线天线串口发送串口接收串口发送串口接收节点和终端基本相同终端显示节点中继通信终端发出请求后节点信息发送给终端91011通信频率、双工方法选择调制方式采用OOK（2ASK），发射载波表示1，不发射就是0。终端及节点收发共用天线，系统通信方向只能采用半双工。载波频率要求小于30M，实际选择10.7M。12发射电路的选择电源电压：2.9-3V；线圈电压峰峰值：60-70V并联谐振：电压源供电，线圈电压小于激励的电压。串联谐振：电流源供电，线圈电压约为电源电压Q倍。为了提高线圈电压只能采取其它方法13系统的发射电路系统是一个完整戊类放大器（E类）14接收电路的选择15振荡器的设计123U1AMC74HC00AD564U1BMC74HC00AD111213U1DMC74HC00AD8910U1CMC74HC00AD20pFC220pFC112Y1XTALGNDMSP430TX功放发送0时振荡器停振一个与非门和一个晶振即可构成振荡器。振荡器的启停受MSP430单片机控制。16通信协议的设计通信协议采用的是监测终端发起同步传输，各个节点根据终端的同步信息同步自己的时钟，然后在自己编号所分配的时隙内依次传输。信息的交换采用帧交换，每个帧由四个字节组成。每一次发送或者接收都是以帧为单位。其中数据字节的低七位表示0-100度的温度，最高位表示光照的有无，1为有，0为无。命令数据目的ID发送ID17通信协议的设计（续）每个同步传输分为信息同步发送和中继同步发送两个阶段。信息同步发送阶段：收到终端同步信号的节点在分配给自己的时隙发送数据。中继同步发送阶段：没有收到终端同步信号的节点收到相邻节点回复给终端的信息后，根据相邻节点ID计算本节点在中继同步阶段的时隙编号，并在中继同步阶段自己的时隙内发送中继请求，目的ID为监听到的节点中的任意一个，由选中的节点在下一个信息同步发送阶段代替自己发送信息给终端。命令数据目的ID发送ID18初始化发起同步传输信息同步发送阶段等待256个时隙中继同步发送阶段等待256个时隙刷新显示等待同步传输信息中继同步发送阶段等待256个时隙处理其他节点的中继请求终端节点是否收到信息？等待同步传输信息结束同步发送中继请求否初始化19低功耗设计低功耗几点建议：1、选择单片机不能只看静态功耗。2、慎重选择电源芯片。3、谨慎选择传感器4、IO口低功耗设计原因：单片机工作时的功耗要比休眠高出3个数量级。原因：电源芯片自身消耗了太多的能量原因：一些传感器反应慢，功耗大合理使用IO口20低功耗MCU的选择以Mirochip的PIC24F16KA102为例，其超低休眠功耗为20nA，是深度休眠功耗。睡眠时所有的寄存器数值都被复位，如要保存寄存器数据，需要存入内部EEPROM，即每次唤醒都要重新初始化。其它类似的问题很多，要完成低功耗设计不能只看待机功耗，还需综合考虑。21低功耗MCU——MSP430系列单片机MSP430G2XX系列特性•0.1µARAM保持模式•0.4μA待机模式(VLO)•0.7µA实时时钟模式•220μA/MIPS工作模式•超快速地从待机模式唤醒1μs22低功耗设计低功耗设计的几点建议：1、选择单片机不能只看静态功耗。2、慎重选择电源芯片。3、谨慎选择传感器4、IO口低功耗设计工作时的功耗要比休眠高出3个数量级。芯片自身消耗了太多的能量部分传感器反应慢、功耗大合理使用IO口23低功耗——不要使用普通电源芯片常用的1117-3.3的芯片，即使没有负载，静态电流就有1mA-10mA，是系统功耗的很多倍。电源芯片本身比单片机还要耗电！所以尽量不要选1117，7805.24低功耗设计低功耗设计的几点建议：1、选择单片机不能只看静态功耗。2、慎重选择电源芯片。3、谨慎选择传感器4、IO口低功耗设计工作时的功耗要比休眠高出3个数量级。芯片自身消耗了太多的能量部分传感器反应慢、功耗大合理使用IO口低功耗---温度传感器DS18B20集成温度传感器DS18B20传感器本身工作电流就接近1mA，更重要的是，对其进行读写时，MSP430需要很长的操作时间，不能休眠，功耗更大。DS18B20成本低，可用于工业控制。但是速度慢功耗高，不适合低功耗应用26低功耗---温度传感器（续）MSP430F5438片内传感器：读写时间短、工作电流低温度信息2秒更新一次，2秒时间内只用工作30us。功耗几乎可以忽略。是很好的选择。430内部传感器的资料：27低功耗---温度传感器TMP温度传感器静态电流50uA。也是很好的选择28低功耗设计低功耗设计的几点建议：1、选择单片机不能只看静态功耗。2、慎重选择电源芯片。3、谨慎选择传感器4、IO口低功耗设计工作时的功耗要比休眠高出3个数量级。芯片自身消耗了太多的能量部分传感器反应慢、功耗大合理使用IO口29低功耗---IO口设计上拉下拉电阻取值必须仔细考量。光敏电阻实测：无光时电阻800K-900K，有光时仅1K。有光照时读到低电平。无光照时读到高电平。如果有漏光，无光时光敏电阻‘值为100K，则可能出现误读。所以需要良好遮光。30其它实现方案奖励等级学校功耗通信距离方案主控发射接收测温国家一等奖西安电子科技大学60mW170cm4308550,ASK晶体管级联放大,LMC567DS18B20国家一等奖华中科技大学9mW60cm4302SC3355,OOK晶体管级联放大,TLC372430片内国家一等奖西北工业大学450mW60cmC80519018,ASK晶体管级联放大,MC3458LM75国家一等奖成都信息工程学院9mW未见4309018,FSKKA8515,BB机专用芯片TMP275国家一等奖成都信息工程学院11mW121cm4309018,FSKAN1184,BB机专用芯片TMP275国家二等奖西安电子科技大学1000mW10cm430MC1648，9018晶体管级联放大,LMC567TMP100国家二等奖成都信息工程学院无数据10cmMPC89X震荡直接输出二极管,74系列芯片直接无资料无国家奖西安石油大学无数据7cm430TRF7960没有实现TMP27531FSK方案FSK接收电路：采用专用FSK低功耗接收芯片。KA8515430F247串行数据接口I/O接口温度传感器TMP275光照编码开关VOXFSKI/O接口收发控制32FSK解调—一款BB机接收芯片33谢谢!