您现在的位置: 新晨 >> 设计论文 >> 系统设计论文 >> 正文

谈Z-Stack通信协议栈红外地温采集电路设计

2021/11/30 阅读:

我国早年进行气象观测时,由于技术限制,只能选择人工观测,在很多时候都需要依赖经验,因而在预测准确性方面略显不足,而当前伴随微电子技术的快速进步以及各类传感器的研发,气象观测方式已经逐渐转化为自动观测。传感器设备不断应用在气象观测中,智能化技术也在逐步作为技术支撑,对于气象要素实测已经开始采用智能传感器设计方案。对地表下垫面进行温度测量时,利用ZigBee这一软件当中的Z-Stack通信协议栈对地表温度进行采集的主要设计构想便是将差分与单端电压两种采集电路进行有效结合,最终实现智能红外温度采集与存储。这整个采集系统的设计过程当中,有两个问题需要特别注意,首先便是设计中所使用传感设备要严格与IEEE1451传感器的接口要求相匹配,另一方面需要注意设计得到的系统应严格符合地面气象观测相关标准,由于该设计主要进行地表温度观测,因此在设计过程当中必须充分考虑地面气象观测技术指标,尽可能满足地面观测系统的稳定性与准确性要求。

1红外地温采集电路总体系统设计

红外地温采集电路在进行总体系统的设计时,必须保证各个处理模块的高性能,因此针对于数据处理协调部分所采用的核心处理器为性能非常良好的射频收发处理设备,另外该设备的成本较低,可以有效减少采集电路的整体设备费用。系统总体设计结构如图1所示。该地表温度采集电路的组成部分包括有MCU核心电路、外部时钟电路、智能红外信号采集电路以及通信软件系统四个部分。这四个部分在进行设计时不会互相干扰,而是选择独立模块,并针对各部分模块分别开展更新与测试,以及后期的维护工作,这一结构设计不仅使得采集电路的稳定程度大大增加,还加强了各部分电路的工作效率,提升了智能采集电路在实际运行当中的容错率。

1.1MCU核心电路

MCU核心电路是在进行红外地温检测的气象指标智能化传感系统的核心设计,主要功能包括对测温系统各个部分电路实现信息交流,并对各电路的功能运转根据实际情况进行实时调整与调度,除此之外,该核心电路还能够实现电子数据表格当中大量信息的处理以及存储,因此该核心电路的设计非常关键。该核心电路的根本组成成分便是CC2530最小系统,而该最小系统又主要由CC2530F256芯片以及相关射频等电路共同组成。该芯片可以向MCU核心电路提供晶振,保障时钟电路的正常运行,若在MCU核心电路的输入端添加去耦电容,则可大大增强红外地温采集系统的可靠性与稳定性。

1.2外部时钟电路

在进行智能红外地温采集电路设计时,外部时钟电路当中最为核心的元件便是DS3231芯片,这一芯片同样满足采集电路的设计标准:高性能与低成本。该时钟电路不仅能够提供相当稳定的振荡,并且经过测试,其时钟计时可以达到相当高的精度,外部时钟电路的设计图如图2所示。

2红外地温信号采集电路设计

对温度信号进行采集主要用到的电路是模数转换器,这种转换器通常采用CPU外置的方式,不仅具有超低能耗,还能够有效减少温度采集过程当中产生的噪音干扰,采集到的温度信号精度非常高,能够有效的进行前端模拟,且仅差分模拟通道电路就有三个,实际运行时通过电路的电流仅仅只有400µA。除此之外,增益仪表放大器以及电压发生器、基准电流源以及电压源均可编程,在传统采集电路的基础上加入了智能化因素,使得整个温度测量系统的准确性得到更高强度的保障。在进行地表温度信号采集时,主要将差分与单端电压两种采集电路进行有效结合。在采集系统中保障采集精度的主要设备便是红外温度传感器,当前使用最为广泛的型号便是IRR-P,在这一传感器与模数转换器当中加入一个电压跟随器,以提升模数转换器的输入阻抗,进而提升信号放大增益,保障信号质量。该传感设备的主要组成部分包括热点堆以及热敏电阻,这两部分在输出时信号单位均为毫伏电压,另外为避免传感器体温可能会对所测量温度造成的影响,必须对传感器温度进行部分修正。热点堆与热敏电阻的作用并不相同,热点堆在该地温采集系统当中的主要作用是对不同垫层地表温度进行测量与记录,而热敏电阻的主要功能则是对传感器自身体温进行测定,为后续的地表温度修正过程奠定基本的数据基础。

3红外地温采集电路软件系统设计

Z-Stack通信协议栈程序设计主要采用的程序语言为C语言,并以IAR作为基本开发平台,并采用ZigBee通信软件当中的Z-Stack通信协议栈作为基本工具,来实现地温采集电路系统软件部分的设计。

3.1Z-Stack通信协议栈程序设计

通信协议栈的主要作用是对采集电图2红外地温采集系统外部时钟电路设计路的通信工作进行协调与整合,描述采集电路中硬件部分与软件部分如何进行层级协作。ZigBee这一通信软件中使用的通信协议栈便是Z-Stack,这一协议栈主要结构表现形式为功能分层。智能红外地温采集电路得到传感温度数据之后,协议栈当中的第三分层协调器就可将温度信号进行排序,并按照由高层至底层的顺序使信号从各个协议层之间通过,并在每一协议层当中添加质量控制信息,由主采集器对输出的各项气象要素数据进行分析与整合。

3.2传感器应用程序设计

地温采集电路当中的传感器应用程序设计部分的主要功能包括:对外部时钟电路进行保护、对地表温度数据进行采集、处理以及存储。在进行温度采集时应用到的状态共有四种,分别是空闲、采集、完成以及复位,以上四个状态完成则代表一个周期的地表温度数据采集结束。对于采集电路得到的具体温度信息,对其采取一定的算法便可以获取到具体对应的气象要素数值,对该数值再进行质量控制算法的应用,便可将该数值输出,并按照输出值得到对应的标志位编码。

结语:

采用Z-Stack通信协议栈进行智能红外方式的地表温度设计,设计步骤非常复杂,在进行实时信息采集时,首先应用采集系统的串口软件进行相应的调试与校正,若通过系统测量后结果同设计要求相一致,则该采集电路便可以正常的数据格式进行温度信息输出。为保障该智能红外系统能够具有更高的可靠性与实时性,在设计时便将传感器技术以及智能化技术融入其中,加强采集电路对于各项气象要素的敏感程度以及监测水准,并对地表各个垫层的温度资料进行完善。

作者:王欣 单位:苏州高等职业技术学校

谈Z-Stack通信协议栈红外地温采集电路设计

2021/11/30 阅读:

推荐度:

免费复制文章