摘 要： 介紹基于PSoC、nRF24L01射頻芯片和DS18B20數字溫度傳感器的智能無線溫度采集系統(tǒng)在飛艇上的設計，并對系統(tǒng)實際運行的結果數據進行測試分析，實現(xiàn)溫度的測量與數據傳輸。重點描述了系統(tǒng)采集端軟硬件的設計與實現(xiàn)，闡述了軟件與硬件的設計要求。本系統(tǒng)功耗低、結構簡單、通信效率高，可實現(xiàn)飛艇范圍內全方位的溫度測量。
關鍵詞： PSoC；無線數據傳輸；DS18B20；飛艇

由于飛艇具有航程遠、續(xù)航能力強、載荷量大等特點，成為人們越來越青睞的運輸工具。飛艇的特點就是用充滿氦氣的氣囊來產生巨大的浮力以便于承載物體的重量。但是,由于飛艇受太陽光直射、環(huán)境溫度變化等原因，隨著飛艇氣囊內浮升氣體溫度的升高，飛艇會逐漸升高，氣壓也會隨著溫度的升高而發(fā)生變化，從而使氣囊體積發(fā)生變化。并且，由于溫度升高、浮力上升，會使飛艇偏離原來已經設定好的高度，無法精確地實現(xiàn)對飛艇的控制。因此，需使用多個溫度傳感器采集飛艇內部的溫度并用無線傳輸模塊發(fā)送給飛艇飛控中心，再用數據鏈發(fā)送到地面站，以便于地面站工作人員對飛艇進行控制,使飛艇運行在安全可靠的高度。
1 系統(tǒng)工作原理及硬件結構
基于PSoC的飛艇艇內溫度采集系統(tǒng)的硬件部分主要包括溫度采集、節(jié)點組網和數據發(fā)送三部分。由于飛艇內部空間比較大，通常由幾個隔艙組成，其各部分的溫度是不一樣的，因此，飛艇的靜升力也會有所不同，飛艇首尾各部分所受到的升力也會不一樣，飛艇的穩(wěn)定性就會受到一定的影響。通過溫度傳感器采集艇內各節(jié)點的溫度，與PSoC芯片和無線發(fā)射模塊組成一個個從節(jié)點，再通過從節(jié)點把數據發(fā)送給總節(jié)點，從而達到測量飛艇內部不同點溫度的目的。
1.1 系統(tǒng)總體框架
基于PSoC的飛艇艇內溫度采集系統(tǒng)中，在飛艇內部要測量溫度的地方布上從節(jié)點，從節(jié)點主要由PSoC芯片、溫度傳感器DS18B20和無線傳輸模塊nRF24L01組成。一個從節(jié)點可以掛幾個溫度傳感器。由各個從節(jié)點組成一個大的總節(jié)點，把各個從節(jié)點測量到的溫度數據通過各自的無線傳輸模塊發(fā)送到總節(jié)點,再由總節(jié)點把各個溫度傳感器采集到的數據通過無線傳輸模塊發(fā)送到飛艇飛控中心，由飛控中心通過下行數據鏈把數據發(fā)送到地面站去處理，通過分析處理得到飛艇的高度、溫度等數據，再通過上行數據鏈把控制指令發(fā)送給飛控中心，調整飛艇的姿態(tài)、俯仰、舵機，從而控制飛艇的高度，使飛艇內部壓力減小、溫度降低，從而對飛艇的穩(wěn)定性進行控制。飛艇溫度采集與處理的框架圖如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)溫度采集與數據發(fā)送
PSoC模塊是整個溫度采集系統(tǒng)的控制核心，除了要對溫度采集進行控制外，還要通過發(fā)射模塊把采集到的從節(jié)點的數據發(fā)送給總節(jié)點并通過UATR把采集到的所有數據發(fā)送給飛控中心進行處理分析。PSoC(Programmable System-on-Chip)是Cypress公司生產的一種可編程片上系統(tǒng)，它是在一個專有的MCU內核周圍集成了可配置的模擬和數字外圍器件陣列PSoC塊，利用芯片內部的可編程互聯(lián)陣列，有效地配置芯片上的模擬和數字塊資源，達到可編程片上系統(tǒng)的目的。PSoC集MCU的可編程序、部分可編程邏輯運算功能、可編程模擬陣列于一體。PSoC的數字資源(如定時器、PWM、UART等)和模擬資源(如放大器、比較器、濾波器等)以數字模塊和模擬模塊的方式給出。不同型號的PSoC芯片的差異主要在于其擁有的數字模塊和模擬模塊的數量不同[1，2]。PSoC最顯著的特征是可以把芯片內集成的基本數字單元和模擬單元配置成用戶所需要的多種形式的數字、模擬或混合信號模塊。
PSoC應用系統(tǒng)是指以PSoC單片機為核心，配以一定的外部功能擴展和外圍電路以及軟件，能夠完整地實現(xiàn)某種或多種功能。PSoC應用系統(tǒng)設計應包括系統(tǒng)硬件設計、PSoC接口配置、PSoC軟件設計、系統(tǒng)調試與程序下載。然后將調試成功的程序固化到芯片[2]。各部分詳細內容及流程圖如圖2所示。

本系統(tǒng)采用的是28管腳的CY8C24533芯片，它有16 KB的Flash；5種類型的AD，精度可達14 bit，5種類型的DA，精度可達8 bit，并且管腳可配置；5種放大器以及2種濾波器；還擁有IrDA、SPI、UART等。
溫度采集芯片主要采用DALLAS公司生產的單總線數字溫度傳感器DS18B20，可把溫度信號直接轉換成串行數字信號。DS18B20在與微處理器連接時僅需要一條線即可實現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通信；支持多點組網功能，測溫范圍為-55 ℃~+125 ℃，固有分辨率為0.5 ℃,而且價格也比較便宜,性能穩(wěn)定[3，4]。
發(fā)送模塊nRF24L01是整個系統(tǒng)的紐帶。nRF24L01是一款低成本無線收發(fā)器，內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調制器等功能模塊。芯片具備自動應答和自動重發(fā)功能，速度可達2 Mb/s，其輸出功率、頻道選擇以及協(xié)議設置都可以通過SPI口進行設置。nRF24L01有收發(fā)、配置、空閑和關機4種工作模式，從而實現(xiàn)了數據從微控制器的低速傳入和高速發(fā)送，降低了系統(tǒng)功耗[4]。
1.3 PSoC系統(tǒng)內部框架
由于各個溫度傳感器的數據都是通過I2C總線傳輸給PSoC，無線收發(fā)模塊則是通過SPI把各個節(jié)點的數據發(fā)送給PSoC，而PSoC又通過UATR把數據發(fā)送給飛控中心處理，所以在系統(tǒng)中要有SPI、I2C、UART才能夠接收和發(fā)送數據，才能完成系統(tǒng)的整體設計。而PSoC內部則包含了這三部分，只需要調用這些模塊再配置好參數就可以與外部接口模塊進行數據的傳輸，如圖3所示。