基于PSoC的飞艇艇内温度采集系统设计

摘 要： 介绍基于PSoC、nRF24L01射频芯片和DS18B20数字温度传感器的智能无线温度采集系统在飞艇上的设计，并对系统实际运行的结果数据进行测试分析，实现温度的测量与数据传输。重点描述了系统采集端软硬件的设计与实现，阐述了软件与硬件的设计要求。本系统功耗低、结构简单、通信效率高，可实现飞艇范围内全方位的温度测量。
关键词： PSoC；无线数据传输；DS18B20；飞艇

由于飞艇具有航程远、续航能力强、载荷量大等特点，成为人们越来越青睐的运输工具。飞艇的特点就是用充满氦气的气囊来产生巨大的浮力以便于承载物体的重量。但是,由于飞艇受太阳光直射、环境温度变化等原因，随着飞艇气囊内浮升气体温度的升高，飞艇会逐渐升高，气压也会随着温度的升高而发生变化，从而使气囊体积发生变化。并且，由于温度升高、浮力上升，会使飞艇偏离原来已经设定好的高度，无法精确地实现对飞艇的控制。因此，需使用多个温度传感器采集飞艇内部的温度并用无线传输模块发送给飞艇飞控中心，再用数据链发送到地面站，以便于地面站工作人员对飞艇进行控制,使飞艇运行在安全可靠的高度。
1 系统工作原理及硬件结构
基于PSoC的飞艇艇内温度采集系统的硬件部分主要包括温度采集、节点组网和数据发送三部分。由于飞艇内部空间比较大，通常由几个隔舱组成，其各部分的温度是不一样的，因此，飞艇的静升力也会有所不同，飞艇首尾各部分所受到的升力也会不一样，飞艇的稳定性就会受到一定的影响。通过温度传感器采集艇内各节点的温度，与PSoC芯片和无线发射模块组成一个个从节点，再通过从节点把数据发送给总节点，从而达到测量飞艇内部不同点温度的目的。
1.1 系统总体框架
基于PSoC的飞艇艇内温度采集系统中，在飞艇内部要测量温度的地方布上从节点，从节点主要由PSoC芯片、温度传感器DS18B20和无线传输模块nRF24L01组成。一个从节点可以挂几个温度传感器。由各个从节点组成一个大的总节点，把各个从节点测量到的温度数据通过各自的无线传输模块发送到总节点,再由总节点把各个温度传感器采集到的数据通过无线传输模块发送到飞艇飞控中心，由飞控中心通过下行数据链把数据发送到地面站去处理，通过分析处理得到飞艇的高度、温度等数据，再通过上行数据链把控制指令发送给飞控中心，调整飞艇的姿态、俯仰、舵机，从而控制飞艇的高度，使飞艇内部压力减小、温度降低，从而对飞艇的稳定性进行控制。飞艇温度采集与处理的框架图如图1所示。

1.2 系统温度采集与数据发送
PSoC模块是整个温度采集系统的控制核心，除了要对温度采集进行控制外，还要通过发射模块把采集到的从节点的数据发送给总节点并通过UATR把采集到的所有数据发送给飞控中心进行处理分析。PSoC(Programmable System-on-Chip)是Cypress公司生产的一种可编程片上系统，它是在一个专有的MCU内核周围集成了可配置的模拟和数字外围器件阵列PSoC块，利用芯片内部的可编程互联阵列，有效地配置芯片上的模拟和数字块资源，达到可编程片上系统的目的。PSoC集MCU的可编程序、部分可编程逻辑运算功能、可编程模拟阵列于一体。PSoC的数字资源(如定时器、PWM、UART等)和模拟资源(如放大器、比较器、滤波器等)以数字模块和模拟模块的方式给出。不同型号的PSoC芯片的差异主要在于其拥有的数字模块和模拟模块的数量不同[1，2]。PSoC最显著的特征是可以把芯片内集成的基本数字单元和模拟单元配置成用户所需要的多种形式的数字、模拟或混合信号模块。
PSoC应用系统是指以PSoC单片机为核心，配以一定的外部功能扩展和外围电路以及软件，能够完整地实现某种或多种功能。PSoC应用系统设计应包括系统硬件设计、PSoC接口配置、PSoC软件设计、系统调试与程序下载。然后将调试成功的程序固化到芯片[2]。各部分详细内容及流程图如图2所示。

本系统采用的是28管脚的CY8C24533芯片，它有16 KB的Flash；5种类型的AD，精度可达14 bit，5种类型的DA，精度可达8 bit，并且管脚可配置；5种放大器以及2种滤波器；还拥有IrDA、SPI、UART等。
温度采集芯片主要采用DALLAS公司生产的单总线数字温度传感器DS18B20，可把温度信号直接转换成串行数字信号。DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条线即可实现微处理器与DS18B20的双向通信；支持多点组网功能，测温范围为-55 ℃~+125 ℃，固有分辨率为0.5 ℃,而且价格也比较便宜,性能稳定[3，4]。
发送模块nRF24L01是整个系统的纽带。nRF24L01是一款低成本无线收发器，内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块。芯片具备自动应答和自动重发功能，速度可达2 Mb/s，其输出功率、频道选择以及协议设置都可以通过SPI口进行设置。nRF24L01有收发、配置、空闲和关机4种工作模式，从而实现了数据从微控制器的低速传入和高速发送，降低了系统功耗[4]。
1.3 PSoC系统内部框架
由于各个温度传感器的数据都是通过I2C总线传输给PSoC，无线收发模块则是通过SPI把各个节点的数据发送给PSoC，而PSoC又通过UATR把数据发送给飞控中心处理，所以在系统中要有SPI、I2C、UART才能够接收和发送数据，才能完成系统的整体设计。而PSoC内部则包含了这三部分，只需要调用这些模块再配置好参数就可以与外部接口模块进行数据的传输，如图3所示。