（通信与信息系统专业论文）基于ieee802154的无线手抄器的开发.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 i e e e8 0 2 1 5 4 通信协议可以提供近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、 低成本的无线网络。主要用于近距离无线连接。在数千个微小的传感器之间相互 协调实现通信，且它们的通信效率非常高。在楼宇自动化、工业监控领域具有广 阔的市场空间。 以i e e e8 0 2 1 5 4 标准为基础开发的便携式手持设备也获得了迅速的发展，逐 渐进入复杂多变的工业现场，如何采用便携式手持设备完成工业现场的数据采集功 能，这是一个具有挑战性的课题。因此，本文主要针对应用于工业现场的便携式 手持设备基于i e e e8 0 2 1 5 4 的手抄器进行了研究和开发。 本文的主要内容： ( 1 ) 给出手抄器的功能分析，在此基础上详细介绍了手抄器所用到的关键技 术及其解决方案。 。 ( 2 ) 将i e e e8 0 2 1 5 4 通信标准、液晶显示技术与键盘输入技术结合起来， 开发了一套手抄器，将它用于工业现场设备的数据采集和监控。 ( 3 ) 通过共同搭建监控系统，来实现一个小型的网络，并通过组网和对电动 执行器状态的读取，来检验手抄器的功能和稳定性。经过测试达到了设计要求， 且工作稳定。 本文所开发的基于i e e e8 0 2 1 5 4 的工业无线通信模块和手抄器，其各项功能 和性能均已实现，通过了验收和测试，效果比较理想，能用在工业现场当中。 关键词l 手抄器，现场设备，数据采集，i e e e8 0 2 1 5 4 重庆邮电大学硕士论文 摘要 a b s t r a c t n c8 0 2 1 5 4c o m m u n i c a t i o np r o t o c o lp r o v i d e st h es h o r tr a n g e ，t h el o wc o m p l e x i t y , t h el o wp o w e r , t h el o wr a t e ，t h el o wc o s tw i r e l e s sn e t w o r k ， m a i n l yu s e di nt h es h o r t r a n g ew i r e l e s sc o n n e c t i o n t h ec o m m u n i c a t i o nr e a l i z e st h r o u g hi n t e r c o o r d i n a t i o n a m o n gt h o u s a n d so fs e n s o r s ，a n dt h ec o m m u n i c a t i o ne f f i c i e n c yi sh i g h i nt h eb u i l d i n g a u t o m a t i o n ，t h ei n d u s t r ym o n i t o r i n gd o m a i ni sab i gm a r k e t h a n d h o l de q u i p m e n tb a s e do ni e e e8 0 2 1 5 4s t a n d a r d sh a so b t a i n e dr a p i d d e v e l o p m e n ta n de n t e r st h ec o m p l i c a t e da n dd i v e r s i f i e di n d u s t r y h o w t ou s et h e h a n d h o l de q u i p m e n tt oc o l l e c tt h ed a t ao ff a c t u r i e s ，t h i si so n eh a st h ec h a l l e n g i n g t o p i c t h e r e f o r e ，t h i sa r t i c l em a i n l ya i m e da tt h er e s e a r c ha n dt h ed e v e l o p m e n to ft h e h a n d h o l de q u i p m e n tb a s e do ni e e e8 0 2 1 5 4s t a n d a r d s n e p a p e r sm a i n l yc o n t e x t ： ( 1 ) p r o v i d e st h ef u n c t i o na n a l y s i so ft h eh a n d s e t , o nt h eb a s eo ft h a tw ei n t r o d u c e w h a tt h eh a n d s e tu s e st h ek e yt e c h n o l o g ya n dt h es o l v ep r o j e c t ( 2 ) d e v e l o pah a n d s e tb a s e do ni e e e8 0 2 1 5 4 ，l c dd i s p l a ya n dt h ek e y b o a r d i n p u t , t h e ni ti sa p p l i e di nd a t ac o l l e c t i n ga n dm o n i t o r i n gt h ei n d u s t r i a lf i e l ds e t ( 3 ) t h r o u g hb u i l d st h es u p e r v i s o r ys y s t e mt o g e t h e r , r e a l i z e sas m a l ln e t w o r k , a n d t h r o u g ht h en e t w o r ka n dt ot h ee l e c t r i c a l l yo p e r a t e da c t u a t o rc o n d i t i o n sr e a d ，e x a m i n e s h a n d s e tt h ef u n c t i o na n dt h es t a b i l i t y t h eh a n d h o l da c h i e v e st h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s a f t e rt h et e s t , a n dw o r k ss t a b l y t h ei n d u s t r yw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm o d u l et h a tb a s e do ni e e e8 0 2 1 5 4a n dt h e h a n d h o l dp a s st h ea p p r o v a la n dt h et e s t ，t h ee f f e c ti sq u i t ei d e a l ，c 柚b eu s e di nt h e i n d u s t r i e s k e y w o r d ：h a n d h o l d ，f i e l ds e t , d a t ac o l l e t i o n , i e e e8 0 2 1 5 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 国内外工业无线发展 进入二十一世纪以来，无线传感器网络已成为工业发达国家科研开发的一个 热点。无线传感器及其网络的发展，估计至少将会带来1 0 的生产效率改善和减 少2 5 的排放或泄漏，具有足够的可靠性和自治处理能力、又能在工业环境下任 何地点安装使用的智能无线传感器及其网络，将为各种生产装置配备实时共享的 数据采集能力，从而为提高生产率、改善产品质量、降低成本发挥重要作用。 现在，大多数已投入应用的无线网络所使用的无线网络技术都是有专利权的， 而非标准化应用。但o nw o r l d 称，这种状况正在逐步改变。和大多数新生的技术 一样，标准化对于无线传感器网络应用的增长是至关重要的，因为基于统一标准 的技术，可以保证厂家的系统和服务操作的兼容性。目前使用的无线传感器网络 节点，有一半是基于i e e e8 0 2 1 5 4 的，该规格包括两种无线传感器网络标准：无 线h a r t 和i s a l 0 0 a 。 无线h a r t 标准主要面向流程工业的监测与控制应用。h a r t 通讯基金会是 一个独立的非赢利性国际组织，主要管理h a r t 协议标准。无线h a r t 标准，是 基于高速可寻址远程变换器的协议( h i g h w a ya d d r e s s a b l er e m o t ct r a n s d u c e r ) ，该 协议是一个用于智能现场设备和主机系统之间双向通讯的协议。i s a i o o a 标准是面 向与自动化领域的一系列标准族，其中i s a l 0 0 1l a 也主要面向于流程工业的。 1 2 主要无线通信方式比较嘲 1 2 1i e e e8 0 2 1 1 技术标准 在1 9 9 7 年，i e e e 发布了i e e e8 0 2 1 1 协议，这是在无线局域网领域内的第一 个国际上被认可的协议。i e e e8 0 2 1 1 标准经过一段时间的发展，分别产生了几个 不同的扩展标准，即i e e e8 0 2 1 l b a g 标准簇，它们在技术和性能上各有差异。在 2 4 g h z 频段上，在物理层的传输技术上，有两个选择，即：直接序列扩频( d s s s ) 和跳频扩频( h - i s s ) 。他们主要针对工作和应用的场合不同而提出来的。正e e 8 0 2 1 1 a 标准是己在办公室、家庭、宾馆、机场等众多场合得到广泛应用的，i e e e 8 0 2 1 l b 无线联网标准的后续标准。它工作在5 g h z u n i l 频带，物理层速率可达 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 5 4 m b s ，传输层可达2 5 m b p s 。可提供2 5 m b p s 的无线a t m 接口和1 0 m b p s 的以太 网无线帧结构接口，以及t d d t d m a 的空中接口；支持语音、数据、图像业务， 一个扇区可接入多个用户，每个用户可带多个用户终端。i e e e8 0 2 1 1 b 是一种 l l m b s 无线标准，i e e e8 0 2 1 l g 可以看作是i e e e8 0 2 1 i b 的高速版，为了实现 5 4 m b i t s 的传输速度。 1 2 2 蓝牙技术 蓝牙技术主要面向网络中各类数据及语音设备，通过无线方式将它们连成一 个微微网( p i c o n e t ) ，多个微微网之间也可以互连形成分布式网络( s c a t t e m e t ) ，从而 方便、快速地实现各类设备之间的通信。它是实现语音和数据无线传输的开放性 规范，是一种低成本、短距离的无线连接技术。 其技术特点主要有： 采用跳频扩谱技术抗干扰和衰落，提高传输的可靠性： 采用快跳频和短分组技术，减少同频干扰，保证传输的可靠性； 采用前向纠错编码技术，减少远距离传输时的随机噪声影响： 使用2 4 g h z 的i s m 频段，无须申请许可证： 采用f m 调制方式，降低设备的复杂性。该技术的传输速率设计为1 m h z ， 以时分方式进行全双工通信： 其基带协议是电路交换和分组交换的组合。一个跳频频率发送一个同步分 组，每个分组占用一个时隙，也可扩展到5 个时隙。 蓝牙技术具有强大数据通讯优势，主要针对的是数据交换及语音信号传输。 由于蓝牙技术可将移动电话、便携式计算机以及其它手持设备连接起来，还可以 应用到几乎所有具有开关功能的设备中。 1 2 3i e e e8 0 2 1 5 4 标准 m e e8 0 2 1 5 4 包括用于低速无线个人域网( u 己w p a r 0 的物理层和媒体接入控 制层两个规范。它能支持消耗功率最少，一般在个人活动空间( 1 0m 直径或更小) 工作的简单器件。支持两种网络拓扑，即单跳星状或当通信线路超过1 0m 时的多 跳对等拓扑。但是对等拓扑的逻辑结构由网络层定义。l r s p a n 中的器件既可以 使用6 4 位i e e e 地址，也可以使用在关联过程中指配的1 6 位短地址。一个i e e e 8 0 2 1 5 4 网可以容纳最多2 5 6 个器件。下面分别介绍i e e e8 0 2 1 5 4 的主要特点： 可升级：卓越的网络能力，可对多达2 5 6 个的网络设备进行动态设备寻址。 2 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 适应性：与现有控制网络标准无缝集成。通过网络协调器r ( c o o r d i n a t o r ) 自动 建立网络，采用c s m a - c a 方式进行信道存取。 可靠性：为了可靠传递，提供全握手协议。 i e e e8 0 2 1 5 4 将提供一个低成本的用于数据采集和传输的网状网络，网络上 每个监测点只需在有限的时间内发送几个比特的数据，数据流是异步的，并在数 据等待时间上限制极小。 1 2 4i e e e8 0 2 1 5 4 在工业应用中的优势 在现有的无线传输技术中，红外线传输不能绕过障碍物，应用面窄；蓝牙技 术传输距离太短、功耗及成本还不够低、开发较复杂，都限制了它的推广应用； 无线局域网i e e e8 0 2 1 1 w i f i 技术就其本质而言，目前尚属于无线接入技术，要 构成m e s h 拓朴和自组织网络尚需时日。唯有问世3 - 4 年的i e e e8 0 2 1 5 4 短程无 线传输技术，才真正具备低成本、低功耗、高可靠性、组网方便简捷的综合优势， 是受到普遍重视的无线短程网络，也是当前无线传感器网络的首选技术。基于i e e e 8 0 2 1 5 4 的无线传输协议，是一种按短距离的监控和控制要求而设计的通信技术。 它采用2 4 g h z 频道，可实现包括点对点、星型、网状等多种拓扑结构，在低信号 噪声比的环境下其位误码率达到1 0 ，提供由芯片实现a e s 1 2 8 加密算法，并且 组网方便，功耗又低。其核心技术包括： 实现网状拓扑结构的组网技术，即自组织( a dh o c ) 网络技术，特别是考虑 到实用情况下的路由优化； 保证在工业环境下无线信息传输的安全性和可靠性及全网自适应跳频； 在保证数据传输的质量的前提下，实现全网运行的低功耗。 所以在这里选用了i e e e8 0 2 1 5 4 做为主题研究的通信协议。 1 3 基于i e e e8 0 2 1 5 4 手抄器的意义 随着自动化和测量技术的飞速发展，小区的智能化的提高，人们在工作、生 活、家居条件的智能化水平越来越高，将室内计量仪表中数据自动抄收已逐渐成 为人们追求的目标。同时，对于公用事业部门，也希望新技术的发展能够解决他 们实际工作当中遇到的抄表难、收费难、准确性和及时性得不到可靠的保障的问 题。从而实现既方便用户，又提高公用事业部门的工作效率、管理水平。 现存的有线抄表系统存在众多的隐患，线路比较复杂不利于系统的调试和维 护，如果长期安装在室内外，容易引起线路的老化，存在短路、断线的危险。基 3 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 于上述原因，设计一种长期稳定可靠、安装维护方便，不但可以抄读表数据而且 可以监控表的运行状态如远程抄表系统，已经成为业内待解决的问题。 目前己有许多开发成功的无线抄表系统，但是以i e e e8 0 2 1 5 4 开发的无线产 品的优良性能、极低的功耗、高集成度和低价位，具有非常强大的市场竞争能力。 同时，作为一个全新的标准，将其应用于自动抄表系统将会面临诸多问题。对这 些问题的研究和探讨是本项目的动力之一。 1 4 本论文研究的主要内容 内容来看，与采用有线网络通信的楼控产品相比，无线解决方案的优势在于 安装布置的灵活性、低廉的安装费用和对楼宇自动化系统进行重新布置的可移动 性。i e e e8 0 2 1 5 4 技术产品以其低功耗、低成本以及优秀的组网能力，被广泛认 为将在未来几年中对楼字自动化和工业产生重大的影响。本文研究的远程抄表系 统就基于i e e e8 0 2 1 5 4 技术实现了无线手动抄表功能。 一方面，i e e e8 0 2 1 5 4 技术具有很丰富的协议栈，可以组建基于i e e e8 0 2 1 5 4 的无线网络；另一方面，基于i e e e8 0 2 1 5 4 的手抄器有较好的的图形和数据处理 能力：最后，为了将i e e e8 0 2 1 5 4 手抄器应用到复杂的工业现场环境中并与现场 设备组成网络，无需成本昂贵的仪器而是换为无线方式就可实现数据采集和相互 通信。具体而言，本文主要研究了以下内容： 给出基于i e e e8 0 2 1 5 4 手抄器的功能分析，包括功能需求分析、功能规划 设计，在此基础上介绍z i g b e e 手抄器所采用的关键技术。 基于i e e e8 0 2 1 5 4 的工业无线通信模块的方案。 基于i e e e8 0 2 1 5 4 手抄器的软硬件实现，着重给出其硬件实现。 基于i e e e8 0 2 1 5 4 手抄器在工业测控系统中的应用，特别介绍在测控系统 和其测试结果。 1 5 本章小结 本章首先从无线传输在工业中的发展是必然的发展趋势出发，比较了目前常 用的几种无线传输方式，最终认为i e e e8 0 2 1 5 4 在工业中有更好的发展，之后讲述 了无线手抄器在工业中的应用前景，最后分析了本论文所要讨论与研究的内容。 4 重庆邮电大学硕士论文第二章基于i e e e8 0 2 1 5 4 手抄器的功能分析 第二章基于i e e e8 0 2 1 5 4 手抄器的功能分析 针对工业现场的需要，我们开发了可用于现场设备无线互联并能实现其数据 采集功能的一套手持设备基于i e e e8 0 2 1 5 4 标准的手抄器，该设备采用i e e e 8 0 2 1 5 4 标准、微控制技术、液晶显示技术、键盘控制技术等。这要求基于i e e e 8 0 2 1 5 4 手抄器具有无线通信功能、显示功能和按键功能等。 2 1 功能需求分析 本文主要是关于基于i e e e8 0 2 1 5 4 标准的手抄器的开发，作者考虑更多的是 在工业现场环境下，手抄器的可靠性、稳定性、可操作性和抗干扰性。但目前人 们更多的是关心的是产品的可靠性、耐用性、安全性。因此针对绝大部分用户的 需要，我们设计的产品要满足： 从可靠性角度而言 1 ) 现场设备要采用先进的短距离无线通信技术。 2 ) 工业现场网络中，要求路由设备要有冗余，因此每个现场设备都要实现路 由功能。 3 ) 现场设备要能与采用其它通信技术的设备共存，故基于i e e e8 0 2 1 5 4 的现 场设备要实现f i i s s ，来避免和采用其它通信技术的设备的冲突。 4 ) 要有较长的通信距离：1 0 - 7 0 米，稳定的传输速率：2 5 0 k b s 。 从耐用性角度而言 1 ) 作为工业现场设备，测试设备具有较高的环境适应能力，对较宽温度变化 ( 枷o c 至+ 7 0 0 c ) 环境、电磁干扰环境、酸碱性环境、潮湿环境有一定的 适应能力，具有较高的抗震性，外壳设计等级达到防潮要求。 2 ) 要求具有好的可移动性。 3 ) 做到低功耗：在采用1 0 0 0 m a - h r 手机电池供电的情况下，可以正常工作3 个 小时，同时还可以进行充电。 4 ) 具有好的抗震性，在1 米的高度下跌落，依然可以正常使用。 习具有好的可操作性。 从安全性角度而言 1 ) 现场设备要具有认证、加密等功能。 5 重庆邮电大学硕士论文第二章基于i e e e8 0 2 1 5 4 手抄器的功能分析 2 2 功能规划设计 2 2 1 手抄器的整体设计方案 无线手持终端主要用在现场工业环境中对设备的数据进行及时采集和分析。 本文设计的无线手持终端主要是用来对在无线网络终端进行数据的采集和分析， 并且显示出来该手持终端必须小巧便予携带，并具有良好的显示效果和较长的 连续工作时间，综合考虑无线手持终端的这些要求，处理器选用的是1 r i 公司推出 的一款可用于手持开发的低功耗芯片m s p 4 3 0 f 1 4 9 。图2 1 为手持终端硬件的总体 设计。 图2 1 手持终端硬件的总体设计 从功能上可以将手抄器主要划分为三部分：接口部分，工业无线通信模块部 分和电源模块部分。接口部分主要分析了手抄器与外围环境数据交换的各种方式， 包括基于i e e e8 0 2 1 5 4 的工业无线通信模块接口、键盘接口和液晶显示接口；电 源模块部分主要完成整个硬件系统的供电功能，工业无线通信模块作为和其它相 同协议的设备进行通信，并将收发的信息传给数据处理部。 2 2 1 核心控制器部分 电子设备的智能化推动了单片机的应用。目前，单片机已经应用到我们生活 的方方面面，大到工业级设备小到便携式设备，都可以见到单片机的应用。为了 获得尽可能长的工作时间，低功耗成了单片机发展的一个主要方面。在这方面， 许多公司都进行了有益的尝试，如t i 、p h i l i p s 、m i c r o c h i p 、f r e e s c a l e 等都推出了 低功耗单片机。 这其中，n 的m s p 4 3 0 在低功耗方面有着卓越的表现，m s p 4 3 0 在待机模式 下耗电仅为0 鼬魄，r a m 保持模式低至0 舢i a ，运行时为2 5 0 a a m i p s 仅需不到 鲰s 时钟启动，引脚漏电流不超过5 0n a 一个纽扣电池的工作时间可以长达1 0 年， 它非常适合于智能传感器、系统电源监控器、智能数据采集等应用。 6 重庆邮电大学硕士论文第二章基于i e e e8 0 2 1 5 4 手抄器的功能分析 根据在工业现场中，手持主要用于对数据的采集和对设备的进行控制，但是 相对应用较为单一，所以要求低功耗，能长时间使用，结合实际应用的需要，在 这里选择了m s p 4 3 0 f 1 4 9 做为主处理芯片。 2 2 2 接口部分 接口部分提供了两种类型的接口：通信接口和调试接口。通信接口主要是工 业无线通信模块接口、键盘接口和液晶显示接口；调试接口是j t a g 口。基于i e e e 8 0 2 1 5 4 通信模块接口主要实现基于i e e e8 0 2 1 5 4 的工业无线通信模块与数据处 理中心之间的数据通信，再通过无线通信模块和设备进行无线通信；液晶显示接 口就是提供人机接口界面，实现数字签名或操作应用菜单的功能；j t a g 接口主要 用于d o w n l o a d 实现程序的下载和在线调试。在具体实现接口功能时，对通信接口 的选择主要考虑如下因素： 无线通信模块接口。在这里使用u a r t 进行通信，可以使用较少的接口， 也便于实现。 键盘接口。键盘接口是我们根据资料自行设计的行列式扫描键盘，它的原 理是：让所在列的几根线通过上拉电阻与高电平相联，当c p u 通过对所在行的几 根线来读取它们的状态即可知道是否有键按下。 液晶显示接口。通常来说，终端设备的人机接口界面是通过液晶显示来表 现的，液晶显示屏主要完成功能菜单的显示以及数字签名的实现。因此选择液晶 显示屏时，要考虑以下因素：1 ) 具有文本和图形两种显示方式；2 ) 重量轻、安 装方便；3 ) 要求功耗低、供电方便。 综合考虑了基于i e e e8 0 2 1 5 4 的手抄器的要求及显示需求，我们选用了台湾 晶彩公司生产的液晶显示屏，型号为a t l 6 0 1 6 0 。此款显示屏能较好的显示文本及 简单的图形信息，在本文后面设计具体电路时详细介绍了液晶显示屏的特性。 2 2 3 电源模块部分 相对于整个硬件系统来说，电源电路部分具有举足轻重的作用，它担负起整 个硬件系统的供电职责，高质量的、高可靠的电源模块将是整个硬件系统可靠运 行的首要保证，因此在设计电源部分电路时，主要考虑电源稳定性、可靠性及功 率强度等方面的因素。稳定性和可靠性主要表现在输出电压稳定且受负载影响较 小：而功率强度将保证硬件系统的持续工作时间，同时也是能否驱动负载的首要 条件。就手抄器而言，各自消耗电流情况如表2 1 所示。 7 重庆邮电大学硕士论文第二章基于i e e e8 0 2 1 5 4 手抄器的功能分析 表2 1 手抄器电流消耗表( 主要部件) 输入电输入电流( n 认) 名称压( v )工作模式保持模式低功耗模式备注 液晶显示接口 3 34 5 带背光 无线通信模块 3 32 7 字库芯片 3 34 0 从表2 1 可以看出，无线通信模块和字库要消耗比较大的电流。在选择d c d c 转换芯片时主要考虑整个系统最大消耗的电流量，在此基础上对电流量乘以适当 的容量参数。由表2 1 可计算手抄器的最大电流消耗量，即累加主要部件的电流消 耗量：4 5 + 2 7 + 4 0 = 1 0 7 ( m a ) ；综合以上需求，我们选择了5 v 和3 3 v 的d c d c 转换芯片的输出电流各为3 0 0 m a 和2 0 0 m a ，其型号分别为：t p s 6 0 1 0 0 和 1 1 p s 6 0 1 1 0 。 2 2 4 工业无线通信模块方案 目前市场上存在的提供解决方案有几种，常见的有： ( ) f r e e s e a l e ：m c l 3 1 9 1 、m c l 3 1 9 2 和m c l 3 1 9 3 平台 提供m c l 3 1 9 1 、m c l 3 1 9 2 和m c l 3 1 9 3 三个平台，这三个平台于去年1 2 月已 经全部量产。其中m c l 3 1 9 1 对应低成本应用，通过f e r e s a c c l 提供的软件，用户可 以组建简单的星状网络；m c l 3 1 9 2 可以满足用户组织自己非标准网络的需求， f r e e s e a l e 提供符合i e e e8 0 2 1 5 4 的m a c 软件，用户基于此在上面建立自己的复 杂网络；而m c l 3 1 9 3 提供i e e e8 0 2 1 1 4 m a c 软件，再加上z i g b e e 的m a c 层软 件z s t a c k ，用户可以基于此建立起z i g b e e 网络。 此方案特点，射频模块和控制器模块是独立的，控制器是一个8 位低功耗单 片机，应开发需要，可以选择不同的应用平台，价格不等。 c h i p c o n ：s o c 解决方案c c 2 4 3 0 c h i p c o n 的c c 2 4 3 0 是一个s o cc m o s 解决方案，它能够提高性能并满足对 低成本和低功耗的要求。它包含一个高性能2 4 g h z d s s s ( 直接序列扩频) 射频收发 器核心和一个工业级小巧高效的8 0 5 1 控制器。其中m c u 包括存储器及外围，为 模块提供电源管理、时钟分配和测试等重要功能。 c c 2 4 3 0 的设计结合了k s b 的a r m 及强大的外围模块，并且有3 种不同的版 本，他们是根据不同的闪存空间3 2 k b 、6 4 k b 和1 2 8 k b 来优化复杂度与成本的组 合。c c 2 4 3 0 的尺寸只有7 删7 m m 的4 8 p i n 封装，用具有内嵌闪存的0 1 8 u m c m o s 8 重庆邮电大学硕士论文 第二章基于i e e e8 0 2 1 5 4 手抄器的功能分析 标准技术。 针对协议栈、网络和应用软件执行时对m c u 处理能力的要求，c c 2 4 3 0 包含 一个增强型工业标准的8 位8 0 5 1 微控制器内核，运行时钟为3 2 m h z 。c c 2 4 3 0 还 包含一个d m a 控制器，它能够被用于减轻8 0 5 1 微控制器内核对数据搬移的操作， 因此提高了芯片整体的性能。 在c c 2 4 3 0 内有8 k 字节静态r a m ，其中的4 k 字节是超低功耗s r a m 。3 2 k 字节、6 4 k 字节或1 2 8 k 字节的片内f l a s h 块提供在电路可编程易失性存储器。 c c 2 4 3 0 集成了4 个振荡器用于系统时钟和定时操作。c c 2 4 3 0 也集成了用于用户 自定义应用的外设。c c 2 4 3 0 包括四个定时器，此外，c c 2 4 3 0 内集成了实时时钟、 上电复位、8 通道8 位1 4 位a d c 等其他外设。c c 2 4 3 0 的射频和模拟部分实现了 相关物理层的操作。c c 2 4 3 0 的接收器是基于低一中频结构之上的，从天线接收的 r f 信号经低噪声放大器放大并经下变频变为2 m h z 的中频信号。中频信号经滤波、 放大，再通过a d 转换器变为数字信号。自动增益控制，信道过滤，解调在数字 域完成以获得高精确度及空间利用率。集成的模拟通道滤波器可以使工作在 2 4 g h z i s m 波段的不同系统良好共存。 此方案特点，单芯片解决方案，完整的开发和调试环境，同时还有免费的简易 协议栈提供，可以在此基础上进行二次开发，c c 2 4 3 0 价格便宜。 e m b e r ：e m 2 5 0 z i g b c e 系统晶片及e m 2 6 0 网络处理器 e m b e r 提供了e m 2 5 0 z i g b c e 系统晶片及e m 2 6 0 网络处理器。两款晶片均嵌入 了e m b e r 的e m b e r z n e 卜- 现时第二代通讯协定，专为使用包括网状、星状及群 树形等多种网络形态而设的自动组网及自动重构无线网络，并提供所有与设定标 准相关的优势可靠、安全、广泛的互用性，低成本，长的电池寿命及整合的 网络管理。 就开发工具而言，e m b e r 提供e m b e ri n s i g h td e v e l o p m e n te n v r o n n l e n t ，这是 e c l i p s e b a s e d 的综合开发环境，让开发人员用于整个网络为应用作开发及除错。 j e n n i e ：n j 5 1 2 1 芯片 j e n n i e 的n j 5 1 2 1 是目前市场上唯一一个己经量生产的全集成，单芯片解决方 案。单个芯片即可以构成标准的终端产品，因此可以在很大程度上降低产品成本， 并缩短新产品的上市时间。 n j 5 1 2 1 主要特性：3 2 位r i s c 处理器、全集成、单芯片。 此方案特点，单芯片解决方案，容易搭建开发和调试环境，已经量产，价格 相对比较便宜。 通过上面几种方案的分析，对照本系统，主要考虑到经济实用性，开发和调 试环境的搭建容易程度，容易扩展外部设备，降低硬件设计的复杂性，而c c 2 4 3 0 重庆邮电大学硕士论文 第二章基于i e e e8 0 2 1 5 4 手抄器的功能分析 可以满足了所有的需求，所以在这里选择了c c 2 4 3 0 做为无线通信模块的处理芯 片。 2 3 手抄器的关键技术 2 3 1i e e e8 0 2 1 5 4 通信标准 i e e e 标准委员会在2 0 0 0 年1 2 月份正式批准并成立了i e e e8 0 2 1 5 4 工作组， 任务就是开发一个低数据率的w p a n ( l r w p 枷标准。它具有复杂度低、成本极 少、功耗很小的特点，能在低成本设备( 固定、便携或可移动的) 之间进行低数据率 的传输。 i e e e8 0 2 1 5 4 适用于传感器、玩具和家庭自动控制，同时注重于低速数据或 短操作时间的控制和通信网络；蓝牙则是在a d h o c ( p e e rt op c e r ) 网络中擅长便携式 音频、便携式屏幕图表图象及文件的传输。 i e e e8 0 2 1 5 4 设计特点是能够合理地优化能源的使用。一块正常电池的使用 寿命可以达到2 年以上。 对于工业市场领域来说，感应器网络是主要市场对象。将感应器和i e e e 8 0 2 1 5 4 w p a n 设备组合，进行数据收集、处理和分析，就可以决定是否需要或何 时需要用户操作。无线感应器应用实例包括恶劣环境下的检测，诸如涉及危险的 火和化学物质的现场、监测和维护正在旋转的机器等等。在这些应用上，一个i e e e 8 0 2 1 5 4 w p a n 网络可以极大的降低新感应器网络的安装成本并简化对现有网络 的扩充。 i e e e8 0 2 1 5 4 将提供一个低成本的用于数据采集和传输的网状网络，网络上 每个监测点只需在有限的时间内发送几个比特的数据，数据流是异步的，并在数 据等待时间上限制极小，这些因素利于电池使用寿命的延长。 i e e e8 0 2 1 5 4w p a n 应用的挑战在于它的网络拓扑结构。由于实际应用需用 网状拓扑结构，所以一些节点可使用能量感知来获取生存所需能源，同时充当其 他节点的中继器，以便转发信息到最终目的地。网络配置也不适合采用手动配置， 应该实现自我配置。1 1 9 l 2 0 1 2 3 2 电源管理技术 手持装置的电源管理设计正日益严苛，困难，理由是其应用功能仍在持续高 度扩展，过去手机没有m p 3 功能，没有照相功能，如今不仅几乎快成了必备，还 1 0 重庆邮电大学硕士论文 第二章基于i e e e8 0 2 1 5 4 手抄器的功能分析 要附有收音机功能，闪光灯功能：以前免持听筒不过是用耳机线延伸，如今还要 蓝牙无线传输，其它还要能存取记忆卡，下载与执行游戏，彩色萤幕与附属子萤 幕等，且功能仍在不断追加提升，如d v d h 手持电视，视讯录影等。 不单是通讯产品如此发展，资讯产品也是一样，i p o d 从黑白显示到彩色显示， 从音乐至0 像，再从图像到影像。此外，笔记型电脑也在积极缩小化，2 0 0 5 年i d f f a i ，i ，提出了h a n d t o p 的概念型产品，2 0 0 6 年c e b i t 展期也有m i c r o s o f t 发表 白2 0 0 1 年就启动的o r i g a m i 专案成果，同时英特尔也呼应提出超便携式个人电脑， 这些都在在显示x 8 6 运算系统已有机会进入更娇小化的层次，但宣示的背后也意 味着更高难度的电源设计及管理，电子字典大小的x 8 6 电脑仅使用1 5 分钟就让电 力告罄。 电池蓄电量的技术提升成长远不及手持就用增加的需求用电成长，在相同的 电池体积，电池重量下，蓄电量的强化进展缓慢。 更进一步的，手持应用的各项子环节也都还在持续演进，如液晶背光从e l ， c c f l 转变成w l e d ，音效功率放大从a b 类转成d 类，视讯摄影碟也从c c d 转 成c m o s ，其他还有指纹辨识，n f c 感应等到，有时候经常会让电子工程设计人 员有规划，计划赶不上变化之感。 虽然手持应用的电源设计日益艰辛，但依旧不能不面对。 手持式应用装置的设计应用有高度的取舍，兼顾挑战，必须将多项因素一并 规划考虑，包括功能，成本，蓄电量，用电量，电能转换效率，重量，体积，散 热，干扰等。- 如图2 2 所示。 图2 2 手持设计的主要因素 目前，_ 般的在电源管理方面，可以分别从硬件和软件两方面对电池进行管 理。通过软件控制工作状态来控制能耗，或在选择元件时选择转换效率高的器件 1 1 重庆邮电大学硕士论文 。 第二章基于i e e e8 0 2 1 5 4 手抄器的功能分析 同时具有电源管理功能的芯片。闭 在这里我们采用了充电器加电量检测相结合的电源管理方式，通过电量检测 时的报告电池的电量水平，可以有效的保证手持的正常工作，同时也可以保护电 池，避免过分的充放电。 2 3 3 多层印刷板设计技术 所谓多层电路板就是把两层以上的薄双面板牢固地胶合在一起，成为一块组 件。多层电路板可以改善p c b 板的信号特征，比如：电源层和地线层深埋在主板 的内层，这样不受电源杂波的干扰，尤其高频电路可以获得较好的抗干扰能力等 等，也可以改善电路板的体积，提高产品设计的质量。多层电路板设计流程如图 2 3 。 确定p c b 的层数 设计规则和限制 元件的布局 扇出设计 手动布线及关键 信号处理 自动布线 布线的整理 电路板的 外观整理 图2 3 多层电路板的设计流程 对于高频电路来说，设计合适的电路板层叠配置和选择合适的p c b 叠加层次 可以减少布线的很多麻烦，因此我们需要对电源、地的层数及信号层数进行仔细 规划。通常情况下，板层的排列遵循以下原则： 元件面下面( 第二层) 为地平面，提供器件屏蔽层及为顶层布线提供参 考平面： 所有的信号层尽可能与低平面相邻； 尽量避免两信号层直接相邻； 主电源尽可能与其对应地相邻： 兼顾层间对称。 而具体在规划多层印制板设计时，需要根据具体情况对p c b 多层印制板进行 合理规划。 重庆邮电大学硕士论文第二章基于i e e e8 0 2 1 5 4 手抄器的功能分析 2 4 开发平台 2 4 1 软件开发平台 在开发手抄器的过程中，工业无线通信模块选择的是成都无线龙c 5 1 r f 3 z i g b e e i e e e8 0 2 1 5 4 系列仿真器和开发工具，以i a r 为8 0 5 1 开发的 e w 8 0 5 1 e v - 7 2 0 c 为软件开发平台。同时我们在手抄器中使用的是m s p 4 3 0 系列的 单片机，因些我们使用的开发平台是主要是使用i a rf o rm s p 4 3 0 v 4 0 版为软件 开发平台，开发手抄器的程序 i a r 的e m b e d d e dw o r k b e n c h 是一个适应各种不同c p u 的目标系统开发的集 成环境。它提供方便且功能丰富的窗口界面，使开发和调试的效率大大提高。i a r 的c 4 3 0 编译器提供了c 语言的标准特性，并且添加了许多为利用m s p 4 3 0 系列单 片机的特性而设计的扩展功能。 c 4 3 0 编译器与m s p 4 3 0 汇编器继承在一起提供，共享连接器和库管理工具。 它提供以下特性： 语言特性 1 ) 与a n s b c 规格一致； 2 ) 有可应用于嵌入式系统的标准库函数，有可选用的源代码； 3 ) 与i e e e 标准兼容的浮点算法库； 4 ) 具有针对m s p 4 3 0 特性的扩展性能； 5 ) c 程序可以与汇编子程序连接； 6 ) 能识别多达2 5 5 个有效字符的符号； 7 ) 可以有多达3 20 0 0 个外部符号。 编译性能 1 ) 编译速度快； 2 ) 用面向存储器的设计避免了暂存文件及覆盖技术； 3 ) 编译时进行严格的类型检查； 4 ) 连接时进行严格的模块接口类型检查。 代码的产生 1 ) 可选择的以代码速度或空间大小为目标的代码最优化： 2 ) 有多种输出格式选项，有可重定位二进制、a s m 、a s m + c 等； 3 ) 提供容易理解的出错消息和警告消息； 钔与c s p y 高级调试兼容。 对目标系统的支持 重庆邮电大学硕士论文第二章基于i e e e8 0 2 1 5 4 手抄器的功能分析 1 ) 提供灵活的变量分配能力； 2 ) 可以用c 语言设计中断函数： 3 ) 具有针对不同的c p u 保持程序可移植的编译命令。 用户可以在e w 4 3 0 软件环境下建立工程文件、编辑、编译、链接、调试，还 可直接通过j t a g 接口和目标板连接调试用户程序。 2 4 2 硬件开发工具 在p r o t e l 9 9s e 环境下我们制作了整个硬件系统的原理图，即手抄器的目标板。 p r o t c l 9 9s e 是一种全新、通用的制作电路原理图工具，它是基于w i n d o w s9 9 n t 环境下的新一代电路原理图辅助设计与绘制软件，其功能模块包括电路原理图设 计、印制电路板设计、无网络布线器、可编程逻辑器件设计、电路图模拟仿真等， 是一体化的电路设计与开发环境，同时还具有以下特点： 全新的文件管理方式； 支持网络设计； 添加了自动布局和信号完整性规则设计； 提供了p c b 自动布线规则条件的复合选项，方便了布线规则设计； 增强了自动布局功能； 从原理图到印制电路板的更新功能，加强了s c h 和p c b 之间的联系； 改进了电路仿真功能。 2 5 本章小结 本章首先从手抄器的功能需求着手，具体规划和设计了手抄器的功能模型结 构图，基于这些基础上对整个硬件系统进行了选型分析。然后分析了手抄器所涉 及到的关键技术，介绍了这些关键技术的相关特性与优势。最后，从软件和硬件 开发角度上说明了各自开发所需要的软件环境和硬件平台。 重庆邮电大学硕士论文 第三章手抄器的设计与实现 第三章手抄器的设计与实现 3 1 基于i e e e8 0 2 1 5 4 工业无线通信模块的设计和实现 3 1 1 微处理器( c c 2 4 3 0 ) 介绍 i e e e8 0 2 1 5 4 标准，利用全球共用的公共频率2 4 g h z ，应用于监视、控制网 络时，其具有非常显著的低成本、低耗电、网络节点多、传输距离远等优势，目 前被视为替代有线监视和控制网络领域最有前景的技术之一。 c c 2 4 3 0 芯片以强大的集成开发环境作为支持，内部线路的交互式调试以遵从 i d e 的i a r 工业标准为支持，得到嵌入式机构很高的认可。它结合c h i p c o n 公司 全球先进的协议栈、工具包和参考设计，展示了领先的i e e e8 0 2 1 5 4 z i g b e e 解决 方案。其产品广泛应用于汽车、工控系统和无线感应网络等领域。 c c 2 4 3 0 芯片延用