摘要：提出了一種用于電機(jī)溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)節(jié)點(diǎn)模塊設(shè)計(jì)方案，利用LPC1114的省電耗模式配合Si4432集成芯片實(shí)現(xiàn)無(wú)線收發(fā)模塊的低功耗。另外，針對(duì)模塊硬件實(shí)現(xiàn)RF前端高頻電路設(shè)計(jì)和前期仿真做出詳細(xì)說(shuō)明，模塊的RF性能指標(biāo)分別做了測(cè)試，分析了本模塊的耗能數(shù)據(jù)，可以滿足大部分的低功耗、低速率、高靈敏度的實(shí)時(shí)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸需求，本模塊已經(jīng)可靠、穩(wěn)定地應(yīng)用于系統(tǒng)中。
關(guān)鍵詞：低功耗；Cortex-M0內(nèi)核；無(wú)線收發(fā)模塊；Si4432；電機(jī)溫度監(jiān)測(cè)

    電機(jī)在長(zhǎng)期高速運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下會(huì)產(chǎn)生大量熱量，引起主要部件的溫度升高，出現(xiàn)電機(jī)燒毀現(xiàn)象，像動(dòng)車(chē)組列車(chē)牽引電機(jī)，可能會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的安全隱患，由于大部分電機(jī)的特殊結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的紅外軸溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，無(wú)法檢測(cè)到電機(jī)的溫度。實(shí)時(shí)測(cè)量電機(jī)的溫度，防止電機(jī)過(guò)熱產(chǎn)生故障是設(shè)計(jì)系統(tǒng)的目標(biāo)。本文提出的溫度檢測(cè)系統(tǒng)利用內(nèi)嵌Cortex-M0內(nèi)核的低成本、低功耗MCU把溫度傳感器采集到的溫度數(shù)據(jù)通過(guò)高集成度、低功耗的射頻芯片發(fā)送到監(jiān)控中心實(shí)現(xiàn)。

1 模塊結(jié)構(gòu)與硬件設(shè)計(jì)方案
1．1 無(wú)線模塊方案
    本系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)由數(shù)據(jù)采集、處理、傳輸和電源4個(gè)主要部分組成。傳感探測(cè)單元由傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)待測(cè)對(duì)象的信息采集，選用DS18B20芯片；微控制單元實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析、處理和存儲(chǔ)等功能，選用NXP提供的內(nèi)嵌Cortex-M0核的LPC1114；無(wú)線傳輸單元負(fù)責(zé)低功耗短距離節(jié)點(diǎn)間通信，選用Silicon Labs提供的Si4432芯片；供電單元選取小型化、高容量的電池，以確保節(jié)點(diǎn)的長(zhǎng)壽命和微型化。
    本節(jié)點(diǎn)模塊硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1．2 模塊硬件實(shí)現(xiàn)
    其中溫度傳感器通過(guò)一線數(shù)據(jù)接口把檢測(cè)到的溫度數(shù)據(jù)通過(guò)MCU的GPIO口傳送過(guò)去，MCU通過(guò)增強(qiáng)型SPI接口對(duì)Si4432進(jìn)行內(nèi)部寄存器讀寫(xiě)，可以靈活配置各項(xiàng)參數(shù)。另外通過(guò)四線SPI接口，即MOSI，MISO，SCLK和nSEL。其中MOSI用于從LPC1114到Si4432的串行數(shù)據(jù)傳輸；MISO用于從Si4432到LPC1114的串行數(shù)據(jù)傳輸；SCLK用于同步LPC1114和Si4432之間在MOSI和MISO線上的串行數(shù)據(jù)傳輸；nSEL作為片選信號(hào)，只有片選信號(hào)為低電平時(shí)，對(duì)Si4432的操作才有效，具體的硬件電路設(shè)計(jì)參考Silicon Labs提供的應(yīng)用手冊(cè)，電路中提供的接收低噪聲放大器匹配電路和發(fā)射功率放大器匹配電路的阻容參數(shù)，可以使Si4432達(dá)到較好的通信效果，通過(guò)ADS對(duì)RF前端的LP filter電路進(jìn)行仿真，其S參數(shù)仿真如圖2所示，可以看出在其240～960 MHz通頻段內(nèi)，具有很小的回波損耗。

    溫度傳感器電路通過(guò)DQ數(shù)據(jù)線直連到LPC1114的GPIO端口，實(shí)現(xiàn)溫度采集數(shù)據(jù)傳輸。LPC1114通過(guò)JTAG接口或者ISP模式與PC通信，可以實(shí)現(xiàn)模塊程序在線調(diào)試，相關(guān)電路設(shè)計(jì)參考LPC1114的核心板的電路，需要注意JTAG接口中上拉電阻的設(shè)置。本方案中利用3V16AH的電池提供電源，在電路設(shè)計(jì)中用2．2μF，100 nF，100 pF，10 pF不同值電容實(shí)現(xiàn)電源濾波電路，同時(shí)通過(guò)choke電感為Si4432發(fā)射功率放大器提供直流偏置電壓。

2 PCB設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)
    在這種數(shù)／模混合電路中，PCB的設(shè)計(jì)優(yōu)劣將直接影響到模塊整體性能，以下對(duì)本方案中的PCB設(shè)計(jì)關(guān)鍵問(wèn)題做出簡(jiǎn)要說(shuō)明：
    (1)設(shè)計(jì)中的數(shù)字和模擬電源要通過(guò)扼流圈電感進(jìn)行隔離，防止數(shù)字高頻電源對(duì)模擬信號(hào)產(chǎn)生干擾，電源接入端要加去耦電容，且盡量靠近Si4432芯片。濾波電容也應(yīng)該盡量靠近相應(yīng)引腳，這樣可以得到更好的濾波性能；
    (2)為了消除走線間的感性效應(yīng)，應(yīng)在PCB上空余的地方盡量多布置一些過(guò)孔。為了達(dá)到較好的射頻通信效果，應(yīng)對(duì)整個(gè)PCB都覆地銅。提供了一個(gè)較好的RF地之后，TX／RX區(qū)域的對(duì)地敷銅區(qū)有助于減少甚至避免輻射干擾；
    (3)RF前端電路盡量使用0402封裝電感、電容，可以減少電磁干擾效應(yīng)，射頻電感放置方向相互垂直以減小耦合，RF高頻部分需要50 Ω傳輸線作為連線。
    模塊PCB布局布線效果如圖3所示。

3 模塊軟件設(shè)計(jì)
3．1 軟件流程
    本模塊的軟件系統(tǒng)大體上可以分為以下部分：初始化部分、數(shù)據(jù)發(fā)送部分、數(shù)據(jù)接收部分，在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)上仍然堅(jiān)持模塊化分層設(shè)計(jì)，初始化模塊包括LPC1114的初始化，SPI的初始化，以及Si4432的關(guān)于無(wú)線收發(fā)頻率、工作模式、發(fā)射速率等內(nèi)部寄存器的初始化配置，相關(guān)寄存器配置可以從Silicon Labs提供的Excel計(jì)算器中得到，以上各模塊軟件設(shè)計(jì)流程參考Silicon Labs提供的應(yīng)用手冊(cè)，可以大大縮短研發(fā)周期。Si4432與MCU數(shù)據(jù)通信相關(guān)接口功能實(shí)現(xiàn)程序如下：

    另外為了充分發(fā)揮本方案的低功耗優(yōu)勢(shì)，在系統(tǒng)軟件中添加了電源管理部分，其功能就是實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)的供電情況，若檢測(cè)到系統(tǒng)掉電，即向中心發(fā)送掉電信息，同時(shí)向節(jié)點(diǎn)發(fā)休眠命令，進(jìn)入休眠模式的設(shè)備節(jié)點(diǎn)，每半個(gè)小時(shí)喚醒一次，查詢(xún)中心是否已經(jīng)上電工作，如果中心已經(jīng)上電工作，節(jié)點(diǎn)進(jìn)入工作狀態(tài)，若未檢測(cè)到中心工作，節(jié)點(diǎn)繼續(xù)休眠。主要包括掉電過(guò)程和上電過(guò)程兩部分，具體實(shí)現(xiàn)流程分別如圖4，圖5所示。

3．2 模塊系統(tǒng)軟件調(diào)試
    本設(shè)計(jì)方案采用NXP免費(fèi)提供的LPCXpresso類(lèi)eclipse編程環(huán)境，利用NXP提供的Cortex—M0內(nèi)核中SPI和GPIO控制相關(guān)驅(qū)動(dòng)程序，實(shí)現(xiàn)SPI和GPIO分別與Si4432和DSl8820的數(shù)據(jù)傳輸，PC利用LPC—Link仿真器和Cortex-Debug接口，對(duì)LPC1114實(shí)現(xiàn)ISP調(diào)試模式，大大提高了開(kāi)發(fā)效率。

4 模塊指標(biāo)測(cè)試與耗能分析
    本模塊方案已經(jīng)應(yīng)用于貨車(chē)軸溫測(cè)量系統(tǒng)中，達(dá)到了本方案的設(shè)計(jì)要求。通過(guò)頻譜儀對(duì)模塊的射頻指標(biāo)做了測(cè)試，圖6為頻譜儀觀察到的模塊發(fā)射信號(hào)在中心頻率為410 MHz的頻譜圖，Si4432的發(fā)射功率最高達(dá)10 dBm，接收靈敏度可達(dá)-110 dBm，在空曠地帶通信距離可達(dá)2 km，傳輸速率為達(dá)100 Kb／s(或以上)時(shí)，誤碼率低于0．075％，可以滿足大部分無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸性能要求。

    由于系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)均用電池供電，安裝到現(xiàn)場(chǎng)后往往不允許頻繁更換電池，所以系統(tǒng)對(duì)節(jié)能要求很高。從硬件的角度來(lái)看，耗電的主體是MCU和射頻芯片，而MCU和射頻芯片都有工作模式和睡眠模式，在睡眠模式時(shí)，它們的耗電是很少的，所以要節(jié)能，就應(yīng)該讓CPU和射頻芯片工作在睡眠模式中，結(jié)合系統(tǒng)電源管理軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)模塊的最大限度節(jié)能，具體數(shù)據(jù)如下：LPC1114工作模式(3．3 V電壓)下電流為220μA，在Sleep模式下電流為6μA。射頻芯片Si4432發(fā)射電流為85 mA，接收電流為18．5 mA，power-saving模式電流為1μA。按照節(jié)點(diǎn)平均工作水平，并按照最低周期來(lái)計(jì)算，節(jié)點(diǎn)工作時(shí)間和休眠時(shí)間都是17 s。這樣，34 s最短周期內(nèi)，節(jié)點(diǎn)消耗電流為：
    8．4×(0．22+18．5+0．002+0．001)+1．7×0．04×85+25．6×(0．006+0．001)=163 mA
    那么本模塊中的16 A·h的電池能維持135．3天，實(shí)現(xiàn)了降低模塊能耗的目的。

5 結(jié)語(yǔ)
    本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種低功耗、低成本、穩(wěn)定可靠的無(wú)線溫度檢測(cè)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)設(shè)備方案，在整個(gè)系統(tǒng)測(cè)試中，本模塊各方面性能達(dá)到了理想效果，需要進(jìn)一步解決設(shè)備在電機(jī)設(shè)備中的安裝固定、電機(jī)高速轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)無(wú)線模塊的電磁干擾問(wèn)題。