管道地面定位盒唤醒与休眠单元设计开题报告.docx

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管道地面定位盒唤醒与休眠单元设计开题报告

本科生毕业设计（论文）开题报告

毕业设计题目：

管道地面定位盒唤醒

与休眠单元设计

学院：

信息科学与工程学院

专业班级：

测控技术与仪器班

学生姓名：

指导教师：

2014年03月21日

管道地面定位盒无线唤醒与休眠单元设计

一、课题研究的目的和意义

石油天然气是当今世界最重要的两种化石燃料，石油也被人们称之为“工业血液”和“黑色黄金”，是世界各国家可或缺的战略性资源。

近年来随着我国油气管道建设不断提速到2015年油气管道总里程将到达10万公里，西气东输管道工程、中国俄罗斯原油管道工程、中缅石油管道工程等相继完成或工建设，如何对这些管道的运行进行有效检测管理对其战略价值的实现具有重要意义[1]。

由于石油天然气管道大都建设在比较偏僻地段，而且线路长度长达数百公里甚至数千公里，这样就给人工采集相应数据带来很大不便。

特别是在遇到恶劣天气时，人工采集数据就变的十分困难，甚至导致无法进行数据采集。

因此，使用无线远程管道检测网络对石油天然气管道进行检测即可以节约人力资源成本，又能够实现对石油天然气管道的全天候自动化检测，这对于提高管道检测的实时性及可靠性具有重要意义。

通常在管道检测过程中，地表会有很多定位盒，他们相隔大约为2Km，而管道猪只有一个。

当其在管道内行走时，地表定位盒会接收其信号，为了不必要的能源浪费，设计一款无线通讯系统，使管道猪经过定位盒时开启定位盒上的接收系统，之后给下一个定位盒发送信号使下一个定位盒启动工作。

无动作时保证所有定位盒处于低功耗状态，尽量减少能耗，延长设备使用寿命。

石油管道无线检测网络由间隔一定距离的无线节点组成，节点安装于野外且一般使用电池供电，因此需要节点具有较远距离的通信能力，同时应尽量减少节点耗电量，这一对矛盾是本项目需要解决的关键性问题。

因此，设计一款符合项目要求的远程无线通信节点，为石油管道无线监测网络搭建起基础的硬件平台是项目实现的重要保障。

二、课题研究的主要任务和预期目标

2.1主要任务及要求

（1）学习射频和无线通信基础知识；

（2）掌握地面2Km距离发射、接收无线通讯技术；

（3）熟悉、掌握无线通讯的唤醒和休眠技术；

（4）实现单片机与无线通讯控制下的唤醒和休眠的工作方式。

2.2预期目标

（1）知道课题研究的背景、目的及意义，了解无线传感网络的兴起及发展、性能、关键技术、结构。

（2）针对实际应用的要求，对无线通信模块的结构进行设计。

根据设计方案，对无线通信模块所需的芯片进行仔细比较和分析，选定性能优越的芯片。

（3）理解无线通信模块中所采用芯片的结构、性能、工作原理等，然后分别对无线模块和单片机模块的各个硬件接口电路、和天线进行设计，画出设计硬件电路的原理图。

（4）完成了无线通信模块的软件部分的设计。

首先画出程序的流程图，依据设计的硬件电路和设定的通信协议然后编写代码。

主要是数据的收发程序以及在此基础上的点对点无线数据通信的程序。

（5）针对课题的体统低功耗要求，找到一款低功耗单片机，熟练掌握单片机的中断，休眠或低功耗模式及唤醒功能。

（6）总结了本课题设计中的主要研究成果和主要思想，并指出了设计实现过程中存在的不足和吸取的经验教训。

最后对本模块的功能进行了展望，提出了努力和改进的方向。

三、设计方案

3.1设计思想

课题要求设计一个能达2Km无线通讯的模块和系统低功耗的设计，来保证系统在管道检测中消耗的电量最低。

可以分为两个问题来考虑，一个是2Km无线通讯设计，另一个是单片机的低功耗设计。

（1）2Km距离无线通讯的设计

随着通信技术的不断发展，特别是近几年物联网技术的兴起，无线通信技术得到越来越广泛的应用。

在无线通信应用中，信号所采用的传输方式及其传输特性都是由信号的工作频率所决定的。

信号所采用的工作频率越高，通信容量会变的越大，信号工作频率几乎与通信容量成正比。

但是频率越高其传播距离就会缩短。

为了使通讯距离能够达到2Km，工作频率不宜选择太高[2]。

目前无线通讯一般选用收发一体的无线通讯芯片，它们一般工作在ISM频段（此频段主要是开放给工业、科学、医学三个主要机构使用,属于FreeLicense，无需授权许可，只需要遵守一定的发射功率（一般低于1W），并且不要对其它频段造成干扰即可）[3]。

主流的无线通讯芯片有CC1100，NRF905，MICRF102，SI4432/63等。

本着以实用经济为前提性能最优的原则，本设计采用芯片SI4432无线收发芯片来实现。

（2）单片机低功耗和无线唤醒设计

为了使单片机具有更低的功耗，可以使它工作在休眠或者掉电模式。

对于工业应用来讲，应该选择一款自身就是低功耗的单片机，这样才能更好的实现低功耗的目的。

并采用编程方法使单片机工作在低功耗模式即可达到要求。

本设计采用MSP430系列单片机，详细介绍见下一节。

无线唤醒可以通过无线模块来实现，当接收机接到无线信号时，可以给单片机外加中断，通过中断来唤醒单片机工作。

3.2方案论证

本节主要讨论方案整体设计框图，每个模块介绍以及软件设计流程图，以保证设计的可行性。

3.2.1系统总体框图及主要模块介绍

由于SI4432芯片的发射功率不够大，不足以使信号传播2Km[4]，因此需要加一个外接功率放大器和一个低噪声放大器来实现远距离传播，通过分析，设计出总体系统框图如下：

图3-1系统总体框图

（1）MSP430单片机

TI公司的MSP430系列是一个超低功耗类型的单片机，特别适合于电池应用的场合或手持设备。

该单片机在1.8V~3.6V电压、1MHz的时钟条件下，耗电电流在0.1~400μA之间，并且含有5种低功耗模式，适合不同需求；含有P0~P67个I/O口、2个定时器（TimerA、TimerB）、1个看门狗，内部集成2K的ROM和60K的RAM，可十万次重复编程；MSP430系列单片机均为工业级的产品，运行环境温度为-40℃~+85℃；而MSP430系列单片机一般单价只有十几元。

由此可以看出，MSP430系列单片机的性价比不错，完全能够满足系统开发的需要[5]。

（2）SI4432无线收发芯片

Si4432芯片是SiliconLabs公司推出的一款高集成度、低功耗、多频段的EZRadioPRO系列无线收发芯片。

其工作电压为1.9~3.6V，20引脚QFN封装（4mm×4mm），可工作在315/433/868/915MHz四个频段。

内部集成分集式天线、功率放大器、唤醒定时器、数字调制解调器、64字节的发送和接收数据FIFO，以及可配置的GPIO等。

Si4432在使用时所需的外部元件很少，1个30MHz的晶振、几个电容和电感就可组成一个高可靠性的收发系统，设计简单，且成本低[6]。

（3）BALUN电路

BALUN（BalancetoUnbalanceTransformer）电路即平衡-不平衡变换器。

它的作用就是将芯片的平衡输出（差分输出）变换到不平衡负载（单端负载）[7]。

作为一个三端口网络，BALUN可以将两个幅度相等而相位相反的平衡信号转换成一个不平衡单端信号，同时它也可以将一个不平衡单端信号转换成在两个输出端口上具有幅度相同相位差为180度的平衡信号。

在射频电路中BALUN所起到的作用可以表述为:

在发射状态下BALUN用以实现最佳匹配，减小消耗电流，尽可能提高输出功率，同时抑制谐波和杂散福射；在接收状态下，BALUN提供最佳阻抗匹配,以最大限度提高接收灵敏度。

由于BALUN的良好功能特性,其在平衡放大器、混频器、振荡器等电路设计中得到广泛应用。

BALUN可以通过具有±90度相移的一个低通滤波器和一个高通滤波器构成。

本设计中使用的BALUN原理图如图3-2所示。

图中,和L1和C2构成高通滤波器、L2和C3构成低通滤波器,其中,C1是隔直电容。

L1=L2=L，C2=C3=C即:

构成BALUN的高通滤波器与低通滤波器所使用相同的电感和电容[8]。

电感与电容值可以通过式（3-1）和式（3-2）得到。

（3-1）

（3-2）

其中,Zdiff为平衡端口的差分阻抗；Zout为不平衡端口的特性阻抗。

可以通过仿真软件ADS来进行仿真。

图3-2BALUN电路原理图

（4）滤波电路

滤波器是一个二端口网络，由于使用它可以精确的实现特定频率特性，因此在射频电路中得到广泛的应用[9]。

在无线通信中，通信过程的成功是以射频电路接收端成功接收到发射端发出的载有信息的电磁波为前提的。

在有用信号的传输环境中存在各种各样干扰，在接收端必须对这些干扰信号进行抑制。

SI4432芯片内部集成有一片功率放大器PA，通过AGC自动增益控制，PA可以输出不同功率的射频信号。

为了降低芯片功耗就必然要提高功放工作效率，然而功放效率的提高有可能使得功放工作在非线性状态，从而产生高次谐波。

为了满足电磁兼容性的要求，必须对由功率放大器非线性所产生的高次谐波进行抑制。

因此无论是对信道内干扰信号的抑制，还是为了满足电路电磁兼容性的要求，都需要在射频电路设计中使用滤波器[10]。

通常选择低通滤波器。

在低通滤波器设计过程中涉及几个重要的特性指标,分别是通带频率Fp、阻带频率Fs，通带纹波Ap、阻带衰减As、源阻抗与目标阻抗。

通过射频仿真软件ADS中的滤波器设计设计向导可以方便、快捷、准确的实现滤波器设计[11]。

（5）PA模块

由于SI4432最大输出功率为20dBm要实现30dBm的输出需要具有10dB增益的功率放大器（PA），同时最大输出功率要达到节点设计要求。

除此之外，在PA使用过程中，同样需要对PA进行输入及输出阻抗匹配设计从而实现最大功率传输和最小反射损耗[12]。

本设计采用BLT53A芯片，BLT53A是U波段功率放大器，它需要很简单的外围电路，输出功率最高可达36dBm，完全符合10dBm要求。

基本电路设计见下图。

图3-3功率放大器原理图

（6）LNA模块

本设计采用HMC616LP3低噪声放大器，这款芯片是Hittite公司生产的一款工作在175MHz-660MHz的低噪声放大器[13]。

它釆用3V-5V的低电压供电,通过选取不同阻值的Rbias可以设置芯片Idd电流大小，同时Rbias大小还会对低噪声放大器稳定性产生影响，为保证低噪声放大器工作频率内的稳定性，Rbias阻值应不小于1K；它在工作频带内最大增益可达24dB，噪声系数为0.5dB。

LNA模块电路原理图见图3-4。

图3-4低噪声放大器原理图

3.2.2软件设计

软件设计是一个系统的灵魂，如果没有软件控制，无论多么好的硬件设计也只是一堆零件而已，根本发挥不了任何作用。

本系统的软件设计主要完成无线传输过程中发送和接收数据，以及设定单片机的低功耗模式。

当单片机检测到管道猪到来中断时，开启无线发送功能，向上一站发送关闭信号，关闭上一站单片机系统，使其工作在低功耗模式；同时向下一站发送开启信号，使其由低功耗模式转换为正常工作模式。

软件整体流程图如下。

图3-5程序总体流程图

3.3设计中要解决的主要问题和措施

3.3.1面临的主要问题

根据课题要求，实现射频信号2千米远距离无线传输是无线网络节点设计过程中要解决的关键问题。

在自然环境下，射频信号传输距离或覆盖范围受多种因素的影响，其中包括:

信号源的发射功率、天线增益、接收机灵敏度、工作频率、自由空间衰减以及噪声干扰等因素[14]。

在远距离无线网络节点设计过程中除了要考虑以上这些因素外，还要考虑节点使用现场环境的影响。

因为现实环境中树木、墙壁、建筑物的遮挡，人体、气候等对电磁波的衰减等都会对射频信号的传播产生影响，绝对自由空间的传输环境在现实中是不存在的。

为了达到射频信号远距离传输的设计要求，在节点设计前必须对影响射频信号传输距离的各种因素进行评估,才能得出比较合理有效的解决方案[15]。

（1）自由空间中无线通信距离计算公式

射频信号在自由空间传播时,其能量既不会被障碍物所吸收,也不会产生反射或散射,自由空间下射频信号的传输损耗仅与信号传输距离和射频信号工作频率有关,其计算公式[16]为:

（3-3）

上式中Los为射频信号传输损耗，c为光速，D为信号传输距离其单位以Km为单位，f为信号频率其单位以MHz计算。

由式（3-1）可知，自由空间信号传播损耗只与工作频率f和传播距离D有关，当信号传输距离或者信号频率提高一倍时，信号传输损耗将提高6dB。

由此可见,在通信距离一定的前提下，使用的射频信号频率越低，信号在自由空间中的损耗就越小，因此在设计确定网络节点时应选用较低的工作频率。

（2）自然环境下信号传输损耗的估算

不同自然环境下,信号是实际传输损耗是不同的。

一定环境下信号传输损耗可以通过实际测量现有无线通信产品通信距离的方法计算得出[17],其一般方法如下:

现有一款无线通信产品的输出功率Pout为26dBm、接收灵敏度RS为-105dBm，天线增益Gantenna为2dB、低噪声放大器LNA增益

为25dB、工作频率f为433MHz。

通过现场测试测得其通信距离D为1.3km,设实际大气信号附加衰减为X（dB），则信号在实际空间中的损耗的计算公式[18]为:

（3-4）

由于信号在传输过程中的能量最终全部衰减,因此有如下关系式:

（3-5）

于是,由式（3-4）及式（3-5）计算计算得到实际大气损耗为X≈71dB。

3.3.2解决措施

将信号的实际大气信号附加衰减X以及需要的传输距离Z）带入式（3-4），经计算可得到

的总和，然后在系统设计过程中将总和拆分成输出功率、低噪声放大器增益、天线增益、接收灵敏度四部分,使它们分别作为设计各个功能电路、选取射频元器件时参考的设计指标[19]。

本设计所采用的芯片SI4432最大输出功率是20dBm[20]，由于受到电路参数影响通常能达到19dBm，最大接收灵敏度为-118dBm，考虑到大气损耗约70dBm，传输距离为2Km时，计算可得所需总的输出约为43dBm，于是节点发射链路与接收链路指标分配大致如下:

节点最大发射功率约为30dBm;接收链路低噪声放大器增益约为10dBm，天线增益约为3dBm。

需要外接PA（功率放大器），功率需要达到11dBm，外接低噪声放大器增益达到10dBm。

这样之后2Km无线通讯距离的问题就得到了解决。

四、课题进度安排

1、第一周至第三周：

熟悉课题、查阅资料，研究课题内容，查找与无线传输和单片机低功耗有关文献；明确设计任务，分析研究设计方案，查找相关外文文献，并翻译一篇5000字左右的文献。

2、第四周：

根据任务，查阅相关文献，确定课题初步的总体设计思路和方案，画出原理框图和程序流程图，写出开题报告，完成外文翻译。

3、第五周至第六周：

修正设计方案，进行芯片选择、掌握BALUN电路及滤波电路的原理图绘制及仿真方法，进行电路设计、分析、计算；电路原理图绘制及仿真，同时进行初步程序设计。

4、第七周至第八周：

进一步进行电路分析、掌握PA电路的原理图绘制及仿真方法，进行电路设计、分析、计算；电路原理图绘制及仿真，同时进行程序设计。

5、第九周至第十周：

掌握LNA及无线开关电路的原理图绘制及仿真方法，进行电路设计、分析、计算；电路原理图绘制及仿真，同时进行程序设计。

6、第十一周至第十二周：

绘制系统整体电路图、PCB版图，进行电路调试。

7、第十三周至第十四周：

电路整体的仿真及调试，进一步完善程序设计

8、第十五周至第十六周：

结合程序进一步对电路进行系统调试，修正电路设计和程序设计，初步撰写毕业论文。

9、第十七周：

总结课题，撰写毕业论文，调整毕业论文格式。

10、第十八周：

制作答辩PPT讲稿，做好毕业答辩各项准备工作。

参考文献：

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指导教师评语：

指导教师签字：

年月日