（机械工程专业论文）面向定位与跟踪应用的新型无线传感网络节点研究.pdf

面向定位与跟踪应用的新型无线传感器网络节点研究摘要无线传感器网络是当前国内外传感器技术领域的研究热点之一。节点的位置信息是传感器网络在各种应用中必不可少的基础数据，没有位置信息的数据采集一般是没有意义的，因此节点的自身定位问题非常重要。本文在分析和研究无线传感器网络应用需求的基础上，设计和实现面向定位与跟踪的新型无线传感网络节点。本文以软、硬件结合的方法，利用微处理芯片a t m e g a l 2 8 l 和无线射频模块c c l 0 0 0 ，采用超声波传感器和其它外围芯片等，设计研制了新型无线传感器网络节点，完成了电路板调试和节点性能测试；通过测试表明，该传感器节点可以测量的距离达到1 1 米左右，平均误差约为5 c m ，可以满足定位与跟踪应用的需求；并且，利用t i n y 0 s操作系统和n e s c 组件语言，将所研制的无线传感器节点组网，搭建了室内定位系统，定位精度在1 0 c m 左右；最后，利用v c + + 语言开发了数据收集方式为串口和s o c k e t 的传感器网络数据管理软件，实现了传感器节点的定位跟踪数据显示等功能，能完成1 0 余个节点的位置查询，不同节点的温度、光强等显示。新型节点的组网实验证明，本文的设计思路和方法可行，利用该新型节点搭建的传感器网络实验平台为在理论上进一步研究定位跟踪传感器网络的路由和定位算法提供了条件，也为进一步开发实用化传感器网络打下了技术基础。关键词：无线传感器网络，定位，跟踪，超声波传感器i it h es t u d yf o rn e wt y p ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sn o d e sf a s e dt 0p o s i t i o n i n ga n dt r a c n ga p p l i c a t l 0 nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ( w s n s ) i so n eh o tt o p i ci ni n t e m a t i o n a ls e n s o rt e c h n i q u e t h ep o s i t i o ni n f o r m a t i o ni si n d i s p e n s a b l eb a s i cd a t a t h ed a t aw i t h o u tl o c a t i o ni n f o r m a t i o na r ei n s i g n i f i c a n t t h e r e f o r et h en o d e sl o c a l i z a t i o ni sv e r yi m p o r t a n t i nt h i sp a p e ro nt h eb a s eo fa n a l y z i n ga n ds t u d y i n ga p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n to fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，w ed e s i g na n di m p l e m e n tn e wt y p ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sn o d e sf o rl o c a l i z a t i o na n dt r a c k i n g i nt h i sp a p e rs o f t w a r ea n dt h eh a r d w a r ea r ed e s i g n e d u s i n gm i c r o p r o c e s s o rc h i pa t m e g a l 2 8 la n dw i r e l e s sr a d i of r e q u e n c y ( r f )m o d u l ec c l 0 0 0 ，u l t r a s o n i cs e n s o re t c ，n e ww i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sn o d e sa r ed e s i g n e d n o d ed e b u g g i n ga n dp e r f o r m a n c et e s t i n ga r ec o m p l e t e d t h et e s ts h o w st h a tc o m m u n i c a t i o nd i s t a n c eo ft h es e n s o rn o d e si sa b o u tll m ，a n dt h ea v e r a g ee r r o ri sa b o u t 5 c m i tc a ns a t i s f yl o c a l i z a t i o na n dt r a c k i n g u s i n gt i n y o sa n dn e s c ，w i r e l e s ss e n s o rn o d e sn e t w o r k si se s t a b l i s h e d i n d o o rl o c a l i z a t i o ns y s t e mi sb u i l d ，a n dt h el o c a l i z a t i o ne r r o ri sa b o u t1 0 c m f i n a l l y ，u s i n go fm sv c + + l a n g u a g e ，d a t am a n a g e m e n ts o f t w a r eo fs e n s o rn e t w o r k si sd e v e l o p e d s e r i a la n ds o c k e ti su s e di nd a t ac o l l e c t i o nm e t h o d t h el o c a l i z a t i o na n dt r a c k i n gd a t ac a nb ed i s p l a y e di no u rs y s t e m l o c a t i o n ，t e m p e r a t u r e ，l i g h ti n t e n s i t yf o ra b o u tt e n sn o d e sc a nb eo b t a i n e d a c c o r d i n gt ot h ep e r f o r m a n c eo fo u rn e t w o r ke x p e r i m e n t ，t h es y s t e mi sf e a s i b l e t h r o u g ht h ep l a t f o r me s t a b l i s h e du s i n gt h en e wn o d e s ，w ec a nf u r t h e rs t u d yt r a c k i n g ，l o c a l i z a t i o na n dr o u t ea l g o r i t h mo fs e n s o rn e t w o r k s t e c h n i c a lf o u n d a t i o ni sa l s oe s t a b l i s h e df o rd e v e l o p i n gf u r t h e rp r a c t i c a ls e n s o rn e t w o r k s mk e yw o r d s ：w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，l o c a l i z a t i o n ，t r a c k i n g ，u l t r a s o n i cs e n s o ri v声明独创性( 或创新性) 声明本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。本人签名：豳丛丝：日期：塑旦星：至：丛关于论文使用授权的说明学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定)保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。本人签名：囱坠望日期：丝! 呈：三：丝导师签名：嗍万神7 、了j1 1 无线传感器网络第一章前言随着传感器技术、微机电系统制造技术、嵌入式计算技术、网络与通信技术的飞速发展，具有感知、计算存储和通信能力的微型传感器开始出现在军事、工业、农业和宇航各个领域。无线网络传感器是集传感器执行器、控制器和通信装置于一体、集传感与驱动控制能力、计算能力、通信能力于一身的资源( 计算、存储和能源) 受限的嵌入式设备。由这些微型传感器构成的无线传感器网络能够实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种监测对象信息，并对这些信息进行处理，传送给需要这些信息的用户。传感器网络在军事侦察、环境信息、检测、农业生产、医疗健康监护、建筑与家居、工业生产控制以及商业等领域有着广阔的应用前景n 】。无线传感器网络的研究始于2 0 世纪9 0 年代末期。从2 l 世纪开始，传感器网络引起了学术界、军界、工业界的极大关注，美国和欧洲相继启动了许多关于传感器网络的研究计划。特别是美国通过国家自然基金委、国防部等多种渠道投入巨资支持传感器网络技术的研究。1 9 9 5 年，美国交通部提出了“国家智能交通系统项目规划”，预计到2 0 2 5 年全面投入使用该计划试图把先进的信息技术、数据通信技术、传感器技术、控制技术及计算机处理技术有效地集成运用于整个地面交通管理，建立一个在大范围内、全方位发挥作用的，实时、准确、高效的综合交通运输管理系统这种新型系统将有效地使用传感器网络进行交通管理，不仅可以使汽车按照一定的速度行驶、前后车距自动地保持一定的距离，而且还可以提供有关道路堵塞的最新消息，推荐最佳行车路线以及提醒驾驶员避免交通事故等由于该系统将应用大量的传感器与各种车辆保持联系，人们可以利用计算机来监视每一辆汽车的运行状况，如制动质量、发动机调速时间等根据具体情况，计算机可以自动进行调整，使车辆保持在高效低耗的最佳运行状态，并就潜在的故障发出警告，或直接与事故抢救中心取得联系2 0 0 2 年1 0 月2 4 日，美国英特尔公司发布了“基于微型传感器网络的新型计算发展规划 今后，英特尔将致力于微型传感器网络在预防医学、环境监测、森林灭火乃至海底板块调查、行星探查等领域的应用实现该计划需要3 个阶段，即物理阶段、实现阶段和应用阶段物理阶段主要开发集成感知、计算和通信功能的超微型传感器( 也被称作尘粒( m o t e ) 或智能微尘( s m a r td u s t ) ) 实现阶段将在实际商务中使用来自传感器网络的感知数据应用阶段将应用传感器网络于预防医学、环境监测及灾害对策等领域英特尔研究中心伯克利实验室和大西洋学院的研究人员计划部署和使用无线传感器网络来研究岛上环境这些传感器由温度、湿度、气压等芯片和红外线传感器组成科学家们使用这些设备可以在不干扰野生动植物正常生活的情况下监视它们及其生存环境瞳3 耵。由于无线传感器网络的巨大应用价值，它已经引起了世界许多国家工业界、军事界、学术界的极大关注。特别是2 0 0 0 年以后，无线传感器网络技术的研究开始进入蓬勃发展的时期，随着硬件体系结构的逐步稳定，无线传感器实用节点的硬件开发逐渐从研究所和大学转向了公司。c r o s s b o w ，m o t e i v 等一批以传感器网络节点为产业的公司开始为大家所熟知，他们的产品m i c a 2 、m i c a d o t 、m i c a z 、t e l o s 等为很多研究机构搭建起了硬件平台，方便的开发平台使得大部分研究机构开始转而研究大规模无线组网、传感信息融合、时间同步与定位、低功耗设计技术等关键技术，而同时又有很多团队也开始了相关应用产品的开发。国内在无线传感器网络技术方面的起步稍晚，但是国家和研究机构投入的力度很大，在推动无线传感器网络技术的自主知识产权方面，很多研究所和大学都做出了相当大的贡献。在无线传感器网络节点方面，考虑到软件( t i n y o s ) 的兼容性及硬件平台的可比性，国内研究机构也和国外研究机构一样，绝大多数的设计方案都是研习国外著名的节点硬件平台，如m i c a 和t e l o s 系列节点，而主要专注于无线通信协议栈、同步和定位中间件、数据融合、低功耗与高可靠高安全性设计、网络管理、质量保证技术以及特定行业的应用研究，这也是无线传感器网络的知识产权的关键所在嗨1 。中科院上海微系统与信息技术研究所凭借其在微系统和m e m s 技术方面良好的基础，自从1 9 9 8 年就开始对无线传感器网络进行了跟踪和研究，已经通过系统集成的方式完成了一些终端节点和基站节点的研发；中科院电子技术研究所和沈阳自动化所也分别从传感器技术和控制技术两种角度入手研究节点设计和应用技术；浙江大学现代控制工程研究所成立了。无线传感器网络控制实验室，联合相关单位专门从事面向传感器网络的分布自治系统关键技术及协调控制理2论方面的研究，也是无线传感器网络方面很重要的一部分；山东省科学院也看到了无线传感器网络这一极具前景的领域，并且于2 0 0 4 年1 0 月正式启动了关于无线传感器网络节点操作系统的研究；另外中科院计算技术研究所、中科院自动化所、中科院软件所、北京航空航天大学、国防科技大学、清华大学，北京交通大学、中国科学技术大学、哈尔滨工业大学、电子科技大学、华中理工大学、西北工业大学、山东大学、东南大学等等高校及研究单位在无线传感器网络方面也进行了大量的工作。同时传感器网络技术的发展开始为国家所重视。从2 0 0 3 年开始到现在，国家自然科学基金设立了不下2 0 个与传感器网络关键技术相关的研究项目和重点项目，并带来了传感器网络技术研究的热潮。2 0 0 4 年底，国家发改委开始关注传感器网络的发展，并从2 0 0 5 年开始展开将传感器网络纳入下一代互联网络试验与应用示范项目中，一方面推进传感器网络本身的技术发展，另一方面直接支持传感器网络与i p v 6 网络融合的路由等相关技术，有包括中科院计算所在内的数家单位获得了本项目的支持，2 0 0 6 年国家发改委再次启动专项予以支持。除此之外，国家8 6 3 计划、9 7 3 计划也开始筹划对传感器网络的研究支持，特别是2 0 0 6 年均有大量支持项目。但从整体上看，在研究问题的深度和投入的科研力量上，由于起步较晚，国内在无线传感器网络领域的研究水平相对国外落后，缺少对整个系统的创新性研究，具有关键性自主知识产权较少呻7 1 。1 2 课题研究目标和意义无线传感器网络的研究历史并不长，但发展非常迅速，在世界许多国家的军事、工业和学术领域引起广泛关注，并成为国际上无线网络研究的热点之一。从国外的研究现状来看，大部分无线传感器网络的研究仍处于理论研究和小规模试验阶段，距离实际应用尚存在一定距离。我国的无线传感器网络的研究仍处于起步阶段。不论在理论研究还是商用领域，无线传感器网络的研究、开发均存在巨大的空间，具有巨大的研究和应用前景。利用我国在微电子、无线通信、网络技术和m e m s 技术方面的基础和经验，学习和研究现有无线传感器节点，实现我国对无线传感器网络的自主开发。预计经过几年的发展，完成传感器节点的大规模的应用和市场化，使传感器网络逐渐深入到人类生活的各个领域。为了解决某特殊场合的高安全性防护需求，发挥无线传感器网络自组织、布3网灵活、节点多功能( 测、控合一) 的优势，研究并开发本传感器网络系统，它的特点是用无线传感网络节点来实现定位与跟踪。在传感器网络中，位置信息是传感器节点采集的数据中不可缺少的一部分。确定传感器节点自身位置和确定事件发生的位置是传感器网络的基本功能之一，事件发生的位置或获取事件节点的位置是监测消息中最重要的内容。如森林火灾发生的位置、战场上敌方车辆的运动区域、天然气管道泄漏的具体位置等。而确定节点自身位置是确定事件发生位置的前提，只有在传感器节点自身正确定位之后，才能确定事件发生的具体位置1 。定位信息除用来报告事件发生的地点外，还能为系统的其他服务提供支持。如传感器网络的地理路由协议，是以位置信息为基础的，不需要维护路由表，又对网络动态性有很好的适应能力。现有的节点调度算法大部分都基于节点位置信息。定位服务还可以为网络提供命名空间，向部署者报告网络的覆盖质量，实现网络负载均衡等璩1 。国内许多科研机构在研究无线传感器网络节点，但大多研究集中在c p u 处理器及无线射频部分，传感器板基本上是温、湿度等方面，本论文则重点研究设计了带定位功能的无线传感器网络节点，并在节点设计成功的基础上进行组网实验。从文献报道看，大多数定位方面的研究集中在定位算法方面，带定位功能的无线传感器网络节点研究还不多。因此作为无线传感器网络的基础应用具有现实意义。1 3 论文的主要内容本文首先提出了无线传感网络节点的基本要求，并针对其要求成功实现了无线传感网络节点的设计，为了满足定位与跟踪的特殊需求，特别设计了超声波定位的传感器板。论文叙述了节点的设计过程及测试内容。运用计算机、调试器、节点等硬件组成网络硬件平台，并运用t i n y o s 软件开发系统组网，实现了温度显示、节点的定位等功能，自行研制了数据管理监控软件，可以监测节点的温度、距离等信息，也可以观察网络节点的拓扑变化情况。最后，总结了整个系统的优缺点，并提出了下一步工作计划。4第二章一种新型传感器网络节点无线传感器网络节点由数据采集单元、数据处理单元、数据传输单元和电源管理单元4 部分组成，如图2 1 所示。数据采集单元负责监测区域内信息的采集和数据转换，本设计中数据采集单元包括了温度、光照强度和超声波传感器；数据处理单元负责控制整个节点的处理操作、功耗管理和任务管理等；数据传输单元负责与其他节点进行无线通信，交换控制消息和收发采集数据；电源管理部分负责其它各个模块的电源供应问题，它的主要作用是输入的电压进行稳压。图2 1 无线传感器网络节点结构图2 1传感器网络节点的基本要求无线传感器网络是由大量微型传感器网络节点采用自组织方式构成的新型网络，它借助于节点中内置的形式多样的传感器测量所在周边环境中的信号，从而探测众多感兴趣的物质现象。在通信方式上，一般认为短距离的无线低功率通信技术最适合传感器网络使用。传感器网络节点一般都由数据采集、数据处理、通信单元、电源和软件等部分组成。被监测物理信号的形式决定了传感器的类型。处理器通常选用嵌入式处理器。数据传输单元主要由低功耗、短距离的无线通信模块组成。微型化的操作系统可选用嵌入式的操作系统，如v x w o r k s 、u c o s 2 i i 、uc l i n u x 和t i n y o s ，其中t i n y o s 操作系统在无线传感器网络中的应用最为广泛。52 1 1 数据采集单元设计数据采集单元主要由传感单元组成，传感单元包含有各种传感功能的d ，d a 转换模块，而具体是哪种传感器则由我们所需要监测的对象所决定，可能是单一功能的也可能是多功能的。2 1 2 数据处理单元设计c p u 要对采样的数据进行处理，最后通过r f 射频芯片将数据发送到主节点，考虑到功耗、可靠性等方面的问题，对c p u 有如下要求：( 1 ) 硬件设备要体积小、有低功耗设计，能在两节电池( 2 1v 3 3vd c ) 的条件下稳定工作数月。( 2 ) 多通道a d 转换，准确高效地采集多个传感器信息。( 3 ) 足够大的f l a s h 、r a m 确保处理算法的j 下常运算以及数据的存储。2 1 3 数据传输单元设计无线传感器网络是由大量微型传感器网络节点采用自组织方式构成的新型网络，它借助于节点中内置的形式多样的传感器测量所在周边环境中的信号，从而探测众多感兴趣的物质现象。在通信方式上，一般认为短距离的无线低功率通信技术最适合传感器网络使用【1 0 】。再者节点需要优良的射频性能，因为提高节点的射频性能可以改善网络的工作性能。例如同等功耗下节点通信范围越大往往具有越强的实用性。2 1 4 电源管理单元设计要形成一个完整的无线传感器节点，达到扩展性、灵活性、高效性的要求，还需要一些外部支持系统，主要包括能源、外部存储器、模数转换、外部接口。在实际的应用系统中，可以根据目标环境选择特殊的能源供给方式，选择普通的2 节5 号电池作为节点的能量输入，在其余扩展器件的选择中均选择可以在3 v 供电情况下工作的元器件。62 2 数据处理和数据传输单元设计2 2 1 数据处理单元设计本设计中数据处理单元，计划选用a t r n c l 公司的a t m e g a l 2 8 l 微控制器【1 ，它是采用低功耗c o m s 工艺生产的基于r i s c 结构的8 位微控制器，是目前a v r系列中功能最强大的单片机。a v r 核将3 2 个工作寄存器和丰富的指令集联结在一起，所有的工作寄存器都与a l u 直接相连，实现了在一个时钟周期内执行单条指令的同时访问两个独立寄存器的操作，具有良好的性价比。这种结构提高了代码效率，在性能上比普通c i s c 单片机提高约1 0 倍。a t m e g a l 2 8 l 具有丰富的资源和极低的功耗。如图2 - - 2 所示，它具有片内1 2 8 k b 的程序f l a s h ，4 k b 的数据s r a m ，可外扩到6 4 k b 的e 2 p r o m 。此外，它还有8 个1 0 位a d c 通道，2 个8 位和2 个1 6 位硬件定时计数器，并可在多种不同的模式下工作；8 个p w m 通道、可编程看门狗定时器和片上振荡器、片-上模拟比较器；u a r t 、s p i 、1 2 c 总线接口：j t a g 接口。除了正常操作模式外，还具有六种不同等级的低功耗操作模式，每种模式具有不同的功耗。采集环境参数信号，需要采样率很高、数据量大的c p u 。如果采用传统5 1系列作为c p u ，那么外围d 器件速度和c p u 速度就有一个相互限制的瓶颈：如果加上比较复杂的数据处理和存储，需要扩展外部r o m 和r a m ；这样多的外围器件限制了系统的稳定性和速度的提高，同时也大大增加了系统的功耗。综合对比之后，数据处理单元选用a t m e g a l 2 8 l 进行开发。7p a 3 l d 钟p 4 以1 3 4 1 1p 5 i d 5 lp a e 魄d e )p a 7 牡d 7 1p 1 0 比( a l e lp c 7 i 佑，p c 6 i w ，p c 5 i 口，p c 4 i 伍，p c 3 i 1 1 p c 2 i p c l f a 口ip c o i a 研p g l 开石，p t 3 0 ( 哪l 图2 2a t m e g a l 2 8 l 的引脚示意图1 、外围主要芯片简介( 1 ) 外部f l a s h 数据存储器a t 4 5 d b 0 4 1为了增加数据存储器的容量，并且考虑到体积的限制，选用了大容量对速度要求不是很高的s p i 串行数据f l a s h 存储器a t 4 5 d b 0 4 1 1 1 3 1 。a t 4 5 d b 0 4 1 的特点如下：单一的2 7 v - - - 3 6 v 电源；串行接口结构；页面操作，单一的循环重复编程( 擦除和编程，2 0 4 8 页( 每页2 6 4 字节) 主存；2 6 4字节的s r a m 数据缓存，允许在重编程非易失性存储器时接收数据；的编程和控制定时器；低功耗，4 m a 有源读取电流，2i ia c m o s 备用电流；h z 的最大时钟频率；串行外围接口方式( s p i ) 模式0 和3 ；c m o s 的1 凡兼容的输入和输出：5 0 v 可承受的输入，s i 、s c k 、c s ( 低电平有效) r e s e t ( 低电、产有效) 。a t 4 5 d b 0 4 1 通过片选引脚c s 使能，通过串行输出( s o ) 和串行输入( s i )进行数据读和写。由串行时钟( s c k ) 对读写进行控制。数据存储器运行受微处理器的指令控制。一条有效的指令起始于c s 引脚的下降沿，并跟随相应的8 位操作码和指定的缓存或主存地址码。当cs 引脚为低时，轮换时钟引脚( s c k ) 控制操作码和指定的缓存或主存地址码通过s i 口的载入。所有的指令、地址和数据都从高字节开始传送 1 2 1 。( 2 ) 硅序列号芯片d s 2 4 0 1 p该芯片是符合单总线协议的r o m 硅片，厂家在其中写入了唯一的硅序列号，8用做寻址定位标识。在本系统中作为每个节点的i d 标识。2 、微处理器a d 转换原理及实现传感功能是无线传感器节点最基本也是最重要的功能。布置在环境中的无线传感器节点必须能够监测环境对象；可以把传感到的物理量转化为微控制器可以处理的数字信号；可以接入多种模拟量的传感器，通过多个通道同时采集。所以传感器前端的核心功能模块是将外部输入的模拟量信号转换成数字量的a d 转换器。节点采用的a d 转换器是集成在微控制器a t m e g a l 2 8 内的1 0 位逐次逼近型( s u c c e s s i v e a p p r o x i m a t i o n ) a d c ，a d c 的原理框图如图2 - - 3 所示。图2 3a d c 的原理框图a d c 通过逐次逼近的方式将模拟量转换成1 0 位数字量，最小值对应“地g n d ，最大值对应参考电压a r e f 减去一个最低位( l s b ) ；参考电压取模拟电源a v c c 或者自带的2 5 6 v 参考电压，当前的参考电压值保存在a d c 的多路复用寄存器a d m u x 的r e f s n 位。在a r e f 引脚需要加上一个外部去耦电容，用于消除外部电路对于内部参考电压的干扰。输入方式的选择是通过a d m u x 的m u x 位来决定是单端输入还是差分输入。单端输入时，增益放大9器将被旁路，否则在a d 转换前需要选择适当的增益倍数，然后放大后的值被送到a d c 。a d c 通过控制状态寄存器a c s r a 的a d e n 位使能，否则电压参考和通道选择都无法进行。特别地，当a d e n 位清零时，a d c 将没有功率消耗，所以在进入休眠模式前最好将a d e n 位清零。在微控制器a t m e g a l 2 8的f 端口与a d c 之间集成了一个8 路模拟多路复用开关，所以端口f 支持8 路单端模拟电压量输入，同时a d c 还支持1 6 种差分电压量输入方式；在a d 转换器之前，具备三种可编程增益选择：0 d b ( 1 x ) 2 0 d b ( 1 0 ) ，4 6 d b( 2 0 0 x ) 。前两种增益对应了8 位的转换精度，但是选择2 0 0 倍放大增益的同时只支持7 位的转换精度。a d c 的1 0 位数字转换结果保存在a d c 的数据存储器a d c h a d c 的1 0 位数字转换结果保存在a d c 的数据存储器a d c h和a d c l 当中，默认的存储方式是右调整方式，可以通过设置a d m u x 寄存器的a d l a r 位来改为左调整的存储方式。如果采取左调整的存储方式，并且8位足够存储当前的转换结果，那只需要读取a d c h 的数值，即为转换结果；但是如果数据结果超过8 位，则必须首先读取a d c l 的值，然后再读取a d c h的值，这样才可以保证两个存储器中的数值是同一次a d 转换的结果。这是因为一旦a d c l 被读取后，a d c 就无法访问a d c 数据寄存器，也即一次a d 转换结束，不管数据是否丢失或者数据需要更新。当a d c h 被读取后，a d c 可以继续访问数据寄存器a d c h 和a d c l 。a d c 具有一个标志转换结束的中断，当读取a d c l 和a d c h 时，a d c 不能访问数据寄存器，此时不管有没有结果丢失都会产生一个中断，标志着一次a d 转换的结束。当a d c 开始转换位a d s c 被写入一个逻辑l 之后，a d c 开始转换操作。该位寄存器只有当转换结束和停止时才会被硬件清零。如果转换过程中发生其他通道的操作，a d c会一直完成此次转换，再去选择其他通道。在自由运行模式下，a d c 将不断地采样端口并将数据保存到寄存器中；自由运行模式通过a d c 的控制状态寄存器a d c s r a 的a d f r 位寄存器来选择，当该位寄存器被置1 以后，a d c 开始转换，并且独立完成逐次逼近的a d 转换，不管a d c 的中断标志位和a d i f位是否被清零。1 0a d c n图2 4a d c 的模拟量输入原理图当a d c 转换结束后，a d c 的转换控制位a d i f 为逻辑1 ，转换结果保存在a d c 的数据寄存器a d c l 和a d c h 中；对于单端输入方式，转换结果为a d c = v i n x1 0 2 州i 也f ，其中v ln 代表输入引脚的电压，vre f 代表选取的参考电压；0 x 0 0 0 代表模拟地，0 x 3 f f 代表参考电压减去一个最低位( l s b ) 。对于差分输入方式，转换结果为a d c = ( vp o s vn e g ) xg a i nx5 1 2 脚f ，其中vp o s 代表正输入端电压，vn e g 代表负输入端电压，g a i n代表选择的增益因子，vre f 代表选取的参考电压。结果用2 的补码形式表示，从0 x 2 0 0 ( - 5 1 2 d ) 到0 x l f f ( + 5 1 1 d ) 。如果希望对结果执行快速极性检测，可以读结果的最高位m s b ( a d c h 中a d c 9 ) ，如果该位为1 ，结果为负；否则结果为正。1 0 位a d 转换器的模拟电源引脚与微控制器的电源引脚的电压之差不能高于0 3 v ，图2 4 为a d c 的模拟量输入时的原理图。当单端输入时，推荐的输入阻抗应小于1 0 k 欧姆；当差分输入时，输入阻抗应小于1 0 0 k 欧姆。姆卿抑i 爰图2 5a i ) c 电源引脚的l c 网络连接根据奈奎斯特( n y q u i s t ) 采样定理，输入信号的最高频率应小于等于a d c最高采样频率的一半。该1 0 位a d c 的最高采样频率为1 5 k h z ，所以输入模拟量的最高频率为7 5 k h z ，因此传感信号最好在a d 转换之前经过低通滤波器滤除高频干扰。电路板和周围环境中的数字电路产生的电磁干扰可能会影响到模拟信号的测量精度，所以在测量精度要求比较高的场合需要着重考虑抗干扰技术。在硬件设计方面所采用的主要措施主要有：( 1 ) 模拟信号线的走线要尽可能的短；保证模拟信号的走线布置在模拟地平面的上方；使得模拟信号的走线远离高速切换的数字信号走线。( 2 ) 模拟电源a v c c 和数字电源v c c 的连接必须采用图2 5 所示的l c 网络的连接方式。( 3 ) 采用该a d c 特有的消噪声的功能降低来自c p u 的噪声干扰。( 4 ) 当任何a d c 端口作为数字输出端口时，必须保证在转换操作过程中这些端口处于非输出状态。2 2 2 数据传输单元设计c c l 0 0 0 无线收发模块，无线收发模块完成节点数据的发送和接收及转发功能，这里采用c h i p c o n 公司的单片无线收发通信芯片c c l 0 0 0 ，c c l 0 0 0 是根据c h i p c o n 公司的s m a r t r f 技术，在o 3 51 tmc m o si 艺下制造的一种理想的超高频单片收发通信芯片，它的工作频带在3 1 5 、8 6 8 及9 1 5 m h z ，但c c l 0 0 0 很容易通过编程使其工作在3 0 0 - - 1 0 0 0m h z 范围内。其具有低电压( 2 3 - - - 3 6 v ) 、低功耗、高灵敏度、小尺寸、接收信号强度指示( r s s i ) 、可编程输出功率( - 2 0 - -1 0 d b m ) 等特点。其f s k 数传速度可达7 2 8 k b p s ，具有2 5 0 h z 步长可编程频率能力，适用于跳频协议，c c l 0 0 0 与单片机的通信通过三线串行接口( p d a t ap c l kp a le ) 进行，c c l 0 0 0 外围器件的参数配置适合4 3 3 m h z 的发射频率下。c c l 0 0 0 也可以配置为其他的发射频率下，视发射频率不同的需要而定。1 、封装及引脚功能c c l 0 0 0 采用t s s o p 2 8 封装，各引脚功能如表2 1 所示。c c l 0 0 0 的主要电气参数可参阅c c l 0 0 0 数据手册n 引。1 2表2 1c c l 0 0 0 无线收发模块引脚说明引脚引脚符号引脚功能引脚引脚符号弓i 脚功能la v d d3 v 模 5 c 回路电源1 5a v d d+ 3 v 模拟同路电源2a c n d模拟地1 6a g x d模拟地3b i i n射频接收信号输入1 7x o s c q 2外接厨i 叛4r f o c t射颠发射信哆输出l 窖x o s c q l外接晶撖5a v d d+ 3 v 棋 c 【网路电源1 9 g n d模拟地6a g n d缜坂地2 0d g n d数字地7a g n d筷豫地2 ld v d d敢字同路电琢8a g n d模拟地恐d c n d致弘地9a v d d+ 3 v 模报嘲路电舔笛d i o数据输入输出l ol lv c o 电感拼d c l k数据时钟l i1 2v c o 电感2 5p c l k编再时钟1 2c h p o c t充电泵电流输出为p d a t a编器敛据输灯输出1 3r b , j , i $外接偏置电阻2 7p a l e编授垃址镄仃1 4a c n d地罄i t s s i i fr s s l i f 信弓输出( 1 ) 内部结构c c l 0 0 0 的内部结构框图如图2 6 所示。在接收模式中，c c l 0 0 0 通常被配置成超外差式接收机。其r f 输入信号由低噪声放大器放大后由混频器变换成中频( i f ) 信号。在中频级，这个被变换的信号在送入解调器之前被放大和滤波。然后经过解调器处理后，在d i o 端输出解调后的数字数据。在发射模式中，压控振荡器( v c o ) 的输出信号将直接送入功率放大器，而r f 输出则是被馈送到d i o 端的数字比特流频移键控信号。c c l 0 0 0 内部的发收( 1 yr ) 开关电路则很容易与天线进行接口和匹配。频率同步器产生的本振信号在接收模式时被送到混频器( m i x e r ) ，在发射模式时馈送到功率放大器。频率同步器由晶体振荡器、相位检波器、充电泵、v c o 和分频器组成。外接晶体必须连接到x o s c 端。对于v c o 来说，通常需要外接一个电感l 3 。c c l 0 0 0 芯片的工作状态设置由芯片内的控制器完成，控制命令和参数设置可通过p c l k 、p d a t a 、p a l e3 线数字串行接口输入。i f i 、i i f 0 1 】v盟h 划控铡分频晷聃二二_ l 偏置器h ”釜。( 2 ) 应用电路l ij1 1 , 2图2 6c 0 1 0 0 0 内部结构1 ) 1 0醒l 【p d t p c l p a l er i l l sx o s c 0 2x o s c o l为了使用户在不同应用中得到最好的性能，c h i p c o nc o m p o n e n t s 公司为c c l 0 0 0 用户提供了一个s m a r tr fs t u d i o ( w i n d o w s 界面) 软件，该s m a r tr f s t u d i o 可根据用户的不同选择来产生设置c c l 0 0 0 工作状态所需的1 6 进制数据。这个1 6 进制的数据必须输入到与c c l 0 0 0 连接的微控制器中，并通过3 线数字串行接口输入到c c l 0 0 0 的可编程组态寄存器中以完成对c c l 0 0 0工作状态的设置。通过可编程的组态寄存器可对c c l 0 0 0 的接收和发射模式、r f 输出功率电平、频率合成等关键参数( r f 输出频率，f s k 调制频率分离偏差，晶振基准频率) 、以及低功耗模式、基准振荡器在低功耗模式中的启动或关闭、数据速率和数据形式选择等关键参数进行编程。另外，s m a r tr fs t u d i o 还可提供给用户p l l 回路和输入输出匹配电路所需的元件参数。图2 7 所示是c c l 0 0 0 的一个典型的应用电路，不同工作频率时的元器件参数值如表2 2所列。另外，图2 7 中还给出了c c l 0 0 0 与微控制器的接1 3 电路。该微控制器使用3 个输出端与c c l 0 0 03 线串行接i ：i ( p d a t a 、p a l e 和p c l k ) 相连，一个双向口与c c l 0 0 0 的d i o 端相连以进行数据的发送和接收。完成c c l 0 0 0的一个完整的设置需要发送2 9 个1 6 位一帧的数据。其编程时序如图2 8 所示，对于每一个写周期，每帧1 6 位数据都被发送在p d a t a 线上，第一个字节为地址和读写控制( 0 - - 6 是地址位，一个读写位) ，第二个字节为数据。当发送地址时，p a l e 有效。p d a t a 上的位数据是在p c l k 的下降沿被装入的，当最后一位数据装入c c l 0 0 0 芯片内的控制器后，则可由控制器来完成对c c l 0 0 0 的工作状态的设置。通常情况下，通过一个1 0 m h z 的时钟速率完成一个完整的工1 4作状态设置所需时间不高于6 0 微秒m 一5 1 。 i d d _ 了v图2 7c c l 0 0 0 典型应用电路2 i表2 2 不同工作频率时的元器件参数值c c l 0 0 0t s s o pp a c k a g ei t e m3 1 5 m 1 1 z4 3 3 m 叭z$ 6 8 m h z9 1 5 洲zc 3 18 2 p f 5 ，c o g 0 6 0 31 5p f 5 c o g 0 6 0 31 0p f 5 c o g 0 6 10p f 饯c o g 0 6 0 3c 4 12 2p f 5 c o g 0 6 0 38 2p f 5 c o g 0 6 0 3n o tu s e dn o tu s e dc 4 25 6p f ，5 c o g 0 6 0 356p f 5 c o g 0 6 0 34 7p f 5 c o g0 6 0 34 7p f 5 c o g 0 6 0 3c 17 11 8p f ，5 c o g 0 6 0 31 8p f 5 c o g 0 6 0 318p f 5 c o g 0 6 0 318p f 5 c0 g 0 6 0 3c 18 11 8p f 5 c o g ，0 6 0 31 8p f ，5 c o g 0 6 0 31 8p f 5 c o g 0 6 0 31 8p f 5 c o g 0 6 0 3l 3 2n h 1 0 叩明n h ，1 0 8 0 51 2 0n h 1 0 0 8 0 51 扣n h 1 0 8 0 5( co i h 靠0 8 0 5 c s - 3 o x k b c l( c o u c r a fo e 0 5 c s - 6 8 0 x k b c ( c o i l c u , f 0 8 0 5 c s - 1 2 1 x k b c )( c o 耻r a f l 0 哈0 6 c s - 1 2 1 x k b c ll 4 12 dn h 1 0 0 8 0 56 2n h 1 0 0 8 0 52 5n h 1 嘿0 8 0 52 sn h 。10 0 8 0 5( c o i l e r ；d r 0 田5 h 4( c o i l c c a t r0 b c 匹h q -( c o i l = a f t o 刚4( c o 酝r j n 明0 5 h 口2 0 nx 哂c )o n 2 x k b c 】2 n s x k b c 2 n s x k b c l 1 们弱n h 5 0 8 0 53 3n h 5 0 8 0 54 7n i l 5 0 8 0 54 7n h 5 0 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