（通信与信息系统专业论文）基于无线传感器网络的数据采集系统.pdf

硕上论文 摘要 本文设计了一种基于无线传感器网络的数据采集系统，并通过完成无线数据采集系 统节点硬件设计、基于星型拓扑网络的通信软件设计和p c 机监测报警软件设计，展开 对无线传感器网络数据采集系统的研究工作。 根据无线传感器网络典型结构、特点和应用范围，研究了一种适用于机舱监测报警 系统的基于无线传感器网络的数据采集系统方案。 采用以m s p 4 3 0 f 4 2 3 和c c l l l o 为核心的中心节点和终端节点统一的硬件设计方 案。终端节点既可以利用节点内的a d c 实现自身数据采集，又可作为基于r s 4 8 5 的现 场总线数据采集子系统的控制器。 在分析s i m p l i c i t i 无线协议的关键技术基础上实现了点对点通信和星型网络通信， 并针对网络层数据传输的有效性和可靠性进行协议改进。 开发了基于r s 4 8 5 总线通信协议的现场数据采集子系统的控制软件。软件运行于 终端节点控制器m s p 4 3 0 f 4 2 3 上，实现对泓格1 - 7 0 0 0 系列数据采集模块的控制和数据 的收集功能。 采用c + + b u i l d e r5 0 编写了机舱监控报警系统的p c 机远程监控软件。依据i m p l i c i t i 协议，通过对无线节点的配置和通信程序设计，实现无线节点问的通信；通过对各现场 数据采集子系统采集数据的收集，实现全系统现场数据的集中处理、显示和报警等功能。 关键词：数据采集，无线传感器网络，m s p 4 3 0 ，c c l l l o ，c + + b u i l d e r 5 0 a b s t 怕c t 硕上论文 a b s t r a c t ad a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e do nt h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sw a ss t u d i e d t h ew o r k w a sd i s c u s s e di n c l u d i n gt h ec o m p l e t i o no ft h ew i r e l e s sn o d eh a r d w a r ep l a t f o r ma n dt h e p r o g r a m , d e s i g n so fs t a rt o p l o g yn e t w o r kc o m m u n i c a t i o na n dt h ed e v e l o p m e n to fa l a r m i n g & m o n i t o r i n gc o m p u t e rs o f t w a r e a c c o r d i n gt ot h et y p i c a ls t r u c t u r e ，c h a r a c t e r i s t i c sa n da p p l i c a t i o n so fw i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k ，a ne n g i n er o o mm o n i t o r i n ga n da l a r m i n gs y s t e ms o l u t i o nb a s e do nt h ew i r e l e s s s e n s o rn e t w o r kd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mw a sb u i l d i no r d e rt ou n i f i e dh a r d w a r ep l a t f o r m ，b o t ha p ( a c c e s sp o i n t ) a n de d ( e n dd e v i c e ) c o n s t r u c t e db ym s p 4 3 0 f 4 2 3a n dc c1110 t h ee dn o d ew a sd e s i g n e dt ou s et h eb u i l t i n a d ct oa c h i e v et h e i ro w nn o d ed a t ac o l l e c t i o n ，a n da l s oc a ns e r v ea sac o n t r o l l e ro fa f i e l d b u sd a t aa c q u i s i t i o ns u b s y s t e mw h i c hb a s e do nr s 4 8 5 t h ek e yt e c h n o l o g yo fs i m p l i c i t lw i r e l e s sp r o t o c o lw a sa n a l y z e dt or e a l i z ep o i n tt o p o i n ta n ds t a rt o p l o d yn e t w o r kc o m m u n i c a t i o n s ，a n dt h ei m p r o v e m e n to fn e t w o r kl a y e r p r o t o c o lw a sp r o p o s e dt oe n h a n c et h ee f f e c t i v e n e s sa n dr e l i a b i l i t y ac o n t r o ls o f t w a r ew a sd e v e l o p e dt oi m p l e m e n tt h ed a t ac o l l e c t i o ns u b s y s t e mo nt h e b a s i so fr s 4 8 5b u sp r o t o c a l t h es o f t w a r ew a sc a r d e db ym s p 4 3 0 f 4 2 3t oe f f e c tt h ef u n c t i o n o fc o n t r o lm o d u l e1 7 0 0 0a n dd a t ac o l l e c t i o n p cr e m o t em o n i t o r i n gs o f t w a r ew a sp r o g r a m m e db ya d o p t i n gc + + b u i l d e r 5 0t oa p p l y t oe n g i n er o o ma l a r mm o n i t o r i n gs y s t e m t h ec o n f i g u r a t i o na n dc o m m u n i c a t i o n sp r o g r a m b a s e do ns i m p l i c i t iw a sd e s i g n e dt oa c h i e v ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h en o d e s b y a c q u i r i n gt h ed a t af r o mt h ef i e l dd a t aa c q u i s i t i o ns u b s y s t e m ，t h ef o l l o w i n gf u n c t i o n ss u c ha s s y s t e m w i d ed a t ap r o c e s s ，d i s p l a ya n da l a r mw a sr e a l i z e d k e y w o r d ：d a t aa c q u i s i t i o n , w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，m s p 4 3 0 ，c clll0 ，c + + b u i l d e r 5 0 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：鳓f 。年f , 9 ) , of t 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 如f d 年6 月加日 硕+ 论文基于无线传感器网络的数据采集系统 1 绪论 1 1 选题背景及意义 微电子以及集成电路技术的发展已经使传感器平台( “节点”) 的尺寸缩小到几毫米 成为可能。微电子机械系统( m i c r o e l e c t r o m e c h a n i s ms y s t e m ，m e m s ) 、计算机、无线 通信、自动控制和人工智能等学科的飞速发展孕育了一种新型的测控网络一无线传感器 网络( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，w s n ) 。这种新型的传感器系统可以被广泛地应用在 国防军事、环境监测、交通管理、医疗卫生、制造业、抗灾抢险等领域，拥有巨大的应 用价值1 2 j 。 传感器网络是信息感知和采集的一场革命，被认为是2 1 世纪最重要的技术之一， 它将会对人类未来的生活方式产生深远影响。发达国家如美国，非常重视无线传感器网 络的发展，i e e e 正在努力推进无线传感器网络的应用和发展，波士顿大学( b o s t o n u n v e r s i t y ) 还于最近创办了传感器网络协会( s e n s o rn e t w o r kc o n s o r t i u m ) ，期望能促进传 感器联网技术开发。除了波士顿大学，该协会还包括b p 、霍尼韦尔( h o n e y w e l l ) 、i n e t c o s y s t e m s 、i n v e n s y s 、l - 3c o m m u n i c a t i o n s 、m i l l e n n i a ln e t 、r a d i a n s e 、s e n s i c a s ts y s t e m s 及t e x t r o ns y s t e m s 。美国的技术评论杂志在论述未来新兴十大技术时，更是将无线 传感器网络列为第一项未来新兴技术，商业周刊预测的未来四大新技术中，无线传 感器网络也列入其中。可以预计，无线传感器网络的广泛应用是一种必然趋势，它的出 现将会给人类社会带来极大的变革。 数据采集技术( d a t aa c q u i s i t i o n ) 是传感器网络的一个重要内容，它研究信息数据 的采集、存贮、处理以及传输等问题。在智能仪器、信号处理以及工业自动控制等领域， 都存在着数据的测量与控制问题。将外部世界存在的温度、压力、流量、位移以及角度 等模拟量转换为数字信号( d a t as i g n a l ) ，再收集到计算机并进一步予以显示、处理、传 输与记录这一过程，即称为“数据采集”。相应的系统即为数据采集系统【3 l 】。 现代数据采集系统的主要特点： 1 ) 现代数据采集系统一般都由计算机控制，使得数据采集的质量和效率等大大提 高，也节省了硬件投资。 2 ) 软件在数据采集系统的作用越来越大，这增加了系统设计的灵活性。 3 ) 数据采集与数据处理相互结合得益紧密，形成数据采集与处理系统采集、处理 到控制的全部工作。 4 ) 数据采集过程一般都具有“实时 特性，实时的标准是能满足实际需要采集系 统一般希望有尽可能高的速度，以满足更多的应用环境。 5 ) 随着电子技术的发展，电路集成度的提高，数据采集系统的体积越来越小，可 1 1 绪论硕t 论文 靠性越来越高，出现了单片数据采集系统。 无线通信技术和机械微电子技术的发展都使得无线传感器网络变成了现实。人们越 来越关注低成本、低功耗、体积小、多功能的短距离无线通信为特点的无线传感器网络。 这些大量由传感器模块，处理器模块，无线模块、电源模块组成的微型传感器节点对无 线传感器网络的构成形成了一个杠杆的作用，使得传感器网络的发展有了一个标志性的 进步。 无线传感器网络由多个网络节点构成，虽然根据网络实际应用背景不同每个无线传 感器网络节点的设计也不完全相同，但是每个网络的节点通常会包括以下四个基本模 块：数据采集模块、数据处理和控制模块、无线通信模块和供电模块。其中，数据采集 模块由传感器和a d c 组成，主要负责监测区域内信息的采集和数据转换；数据处理和 控制模块是无线传感器节点的核心模块，它控制整个节点的操作，存储和处理节点采集 的数据以及其他节点发来的数据；无线通信模块负责与其他节点进行无线通信，交换控 制消息和收发数据；供电模块则是节点的电源模块，一般采用电池供电，以至于设计中 要重点实现低功耗。当然复杂的系统中为了体现严格的分工和层次性，可以对节点的模 块进行裁剪，比如对于端节点一般只具有数据采集模块、控制模块、无线通信模块和供 电模块，对于协调节点和中心节点来说一般不需具有数据采集模块，只需要负责路由、 数据控制和网络管理等功能i l j 。 图1 1 传感器节点的典型结构 无线传感器网络涉及环境监控、城市公共安全、公共卫生、安全生产、智能交通、 智能家居等众多领域。利用无线传感器网络，可以观察到微观的环境、设施或人体的状 况，为被监测对象的数据研究或险情的预防、进程的控制等提供一种崭新的解决途径。 无线传感器网络巨大的科学意义和应用价值，已引起了世界各国学术界、军事部门 和工业界的极大关注。2 0 0 2 年8 月，美国国家科学基金会州s f ) 一期资助4 0 0 0 万美 元在u c l a 成立了传感器网络研究中心，联合各高校展开“嵌入式智能传感器”的研 究项目，以求利用传感器网络对物理世界实现全方位的监测与控制。总体而言，无线传 感网络目前仍处于初步应用阶段，主要在原有有线传感器网络的基础上进行无线改造， 从而实现更新的应用方案。 2 硕士论文 基于无线传感器网络的数据采集系统 1 2 课题研究思路 无线传感器网络研究的近期意义不是创造出多少新的应用，而是改造过去网络技术 为现有的传感器应用提供新的解决办法【4 羽。图1 2 为一个无线数据采集系统的组成框图， 其实际上相当于对一个有线数据采集和管理系统的无线传输改造。原先通过有线挂在 4 8 5 总线上的数据采集单元被分成多个独立部分，通过无线方式实现与p c 机之间的通 信。其明显优点是可以节省布线或不便于布线场合使用。 l a p l l i p c l 图1 2 无线数据采集系统示意图 e d ( e n dd e v i c e ) ：终端设备节点，其包括节点控制部分和数据采集处理单元，完 成无线双向传输、网络状态指示和数据采集控制功能。 a p ( a c c e s sp o i n t ) ：网络中心节点。主要功能是网络管理功能、数据收集及与p c 机之间数据通信等。 r e ( r a n g e re x t e n d e r ) ：传输范围扩展器，类似于直放站，但有软件处理延时。 h d ( h a n d l ed e v i c e ) ：手持式现场巡视仪，用于现场巡视或远端数据察看。 整个系统设计主要符合以下特点： 1 ) 无线节点数量。考虑小型无线传感器网络，节点数量在2 到1 0 0 左右。现今有 很多大型的传感器网络设计方案，能够支持几百甚至上千个节点，但是数量庞大的节点 必定会给系统开发和节点设计带来更大的复杂度。小型无线传感器网络的实现对大型网 络无疑是一个很好的补充。 2 ) 硬件资源。节点由于受价格、体积和功耗的限制，其计算能力、程序空间和内 存空间比普通的计算机功能要弱很多。这一点决定了在节点软件设计中对系统的硬件资 源要合理利用。 3 卣卣 1 绪论硕：士：论文 3 ) 电源选择。节点的电源设计中要能够实现多种供电方案。根据应用场所的不同， 系统终端节点可以由常规电源供给能量，也可以由受限电源供给能量。 4 ) 自组织。网络的布设和展开无需依赖于任何预设的网络设施，节点通过分层协 议和分布式算法协调各自的行为，节点开机后就可以快速、自动地组成一个独立的网络。 5 ) 中继距离扩展。网络中节点通信距离有限，一般在几百米范围内，节点只能与 它的附近的节点直接通信。如果希望与其射频覆盖范围之外的节点进行通信，则需要通 过中继节点进行通信传输距离的扩展。 1 3 无线系统应用方案 本课题以机舱监测报警为背景，对现有的有线机舱报警系统进行无线改造。无线机 舱报警系统的实现将大大减少系统网络的布线工作，节省空间，降低成本。无线传感器 节点可方便地安装于结构形状比较复杂、不便于布线的部位，甚至远离机舱集中控制室 有一定危险性的位置，既可以减少轮机管理员的工作量，又可以提高他们的人身安全性； 无线传感节点本身具有信号处理功能，很多信号信息处理工作可在传感器节点局部完 成，将大大减少所需传输的信息量，提高监测系统的灵活性。具体方案如下图所示。 终端酋点 过 r s 4 8扯 数数 据据 采采 集集 监测报警计算机 i 中心节点 终端节点 儿 r s 一4 8 ：山 数数 据据 采采 j 集集 图1 3 无线机舱报警系统方案图 1 4 本文的主要研究内容和结构 无线收发 终端节点 t lf r s 4 8 5 if 数 数 据据 采采 集集 基于无线传感器网络的数据采集系统，适用于各种工业领域信息的采集、处理、通 信，实现数据传输的无线化和数据管理网络化。本文以机舱监测报警系统为背景展开研 究工作，但所作工作具有一定的通用性。 4 硕上论文基于无线传感器网络的数据采集系统 在论文的研究过程中，通过完成无线数据采集系统节点硬件设计、基于星型拓扑网 络的中心节点和终端节点之间的通信协议设计和中心节点与p c 机之间的通信方案和监 测软件设计，实现了数据的集中控制、显示和存储。本文主要内容和章节安排： 第一章：根据无线传感器网络典型结构、特点和应用范围，研究了一种适用于机舱 报警系统的基于无线传感器网络的数据采集系统方案。 第二章：采用以m s p 4 3 0 和c c l l l o 为核心的中心节点和终端节点统一的硬件设计 方案。c c l l l 0 能够根据不同需求灵活配置无线参数，可编程的传输速率和调制方式， 很好的支持了在复杂网络中的应用，且硬件上支持c s m a 。m s p 4 3 0 f 4 2 3 作为节点控制 器能够有效的减轻c c l l l o 片内8 0 5 1 的处理负担，保证了无线传输的可靠性。同时，在 不增加本地数据采集系统的情况下，可以利用m s p 4 3 0 片内的s d l 6 模块实现多路传感 器数据采集，实现低功耗的传感器网络，降低成本。 第三章：s i m p l i c i t i 协议主要实现系统无线网络部分的通信。通过深入研究无线通 信的关键技术，确定无线协议实现的具体网络参数；通过点对点通信的实现，较为完整 的了解无线协议的构架，并对其进行扩展实现星型网络：利用跳频技术从协议软件方面 提高系统的抗干扰能力；针对系统轮询的数据收集方式，提出了一种基于c s m a c d 的 无线协议改进方案，使终端节点能够在中心节点轮询等待周期内上传数据。 第四章：开发了基于r s 4 8 5 总线通信协议的现场数据采集子系统的控制软件。软件 运行于终端节点控制器m s p 4 3 0 f 4 2 3 上，实现对泓格1 - 7 0 0 0 系列数据采集模块的控制和 数据的收集功能。p c 机远程监控软件采用b o r l a n dc + + b u i l d e r5 编写，m i c r o s o f ts q l s e r v e r2 0 0 0 作为系统后台数据库。依据s i m p l i c i t i 协议，通过对无线节点的配置和通信 程序设计，实现无线节点问的通信；通过对各现场数据采集子系统采集数据的收集，实 现了全系统现场数据的集中处理、显示和报警等功能。 2 无线数据采集系统硬件设计 2 无线传感网络数据采集系统硬件设计 硕上论文 系统的基本组成包括节点设备和数据采集设备。以m s p 4 3 0 f 4 2 3 单片机和c c l1 1 0 无线收发芯片为核心设计一种灵活的网络节点硬件方案：既可以作为终端节点使用，也 可以作为网络中心节点使用。数据采集模块的选型通常满足与现场采集信号匹配之外， 同时要求有良好的抗干扰性能。 2 1 系统节点硬件设计方案 图2 1 为网络节点设计方案，主要由无线通信模块c c l l l 0 、单片机m s p 4 3 0 f 4 2 3 、 电源模块、显示模块及相关接口构成。从功能上又可将节点电路大致分成两部分：一是 完成本地数据采集和控制的单片机及其外围接口电路，二是实现数据无线传输和管理的 射频通信电路。2 2 和2 3 节将分别予以讨论。 图2 1 网络节点设计方案 当作为终端节点使用，单片机m s p 4 3 0 f 4 2 3 通过r s 4 8 5 接1 2 1 获取数据采集模块信息， 并通过无线传输模块c c l l l o 进行数据传输。作为网络中心节点使用时，关闭数据采集 通道，m s p 4 3 0 f 4 2 3 串口或c c i i i o 串口可选择性地与p c 机相连，前者为p c 机通过单 片机与c c l l l 0 通信，满足复杂使用情况；后者为简单方案，p c 机直接与c c l l l o 内部 集成的8 0 c 5 1 单片机通信。 6 硕论文基于无线传感器网络的数据采集系统 下面对组成节点的各部分从应用或功能角度作一简要描述： 1 ) 无线模块。采用成都无线龙c c l1 1 0 无线模块，根据官方数据该模块传输距离大 约为1 米至8 0 0 米。程序下载通过类似s p i 的两线制下载方式，主要包含一个调试数据 线( d d ) 和一个调试时钟线( d c ) 。 c c l l l o 通过片上增强型8 0 5 1 单片机的s p i 口与m s p 4 3 0 f 4 2 3 数据采集系统进行通 信，对于中心节点来说既可以采用r s 2 3 2 串行通信模式与p c 机直接进行数据通信，又 可以选择通过m s p 4 3 0 f 4 2 3 与p c 通信。可以根据实际应用复杂程度以及成本的综合考 虑进行选择。采用m s p 4 3 0 f 4 2 3 方案方便应用系统扩展，c c l l1 0 仅需实现无线透明传 输，应用层程序在单片机m s p 4 3 0 f 4 2 3 中完成。 无线模块的传输协议主要基于t i 公司的s i m p l i c i t i 协议，该网络协议只支持一个主 节点，主节点支持少于1 0 0 个节点的网络。s i m p l i c i t i 协议可通过i a r 软件开发平台进 行调试，根据需求建立改进的网络应用协议。 2 ) 数据处理和控制模块。数据处理和控制模块的核心是单片机m s p 4 3 0 f 4 2 3 。应 用在终端节点时，其功能是通过s p i 接口响应来自于无线模块c c l l l 0 的命令，完成本 地数据采集系统的管理和上传现场采集数据。当工作在中心节点方式时，其完成p c 机 与网络的接口功能。为充分利用f 4 2 3 片上资源，将6 个a d c 通道设计为三路差分输入 a d c 通道，用于直接采样传感器输出信息，其中一路a d c 设计用于四线制压力传感器 接口。为扩展节点功能，设计了液晶显示和键盘接口。 3 ) 电源模块。一般传统的有线传感器网络可以提供+ 2 4 v 的电源。考虑到与传统有 线传感器网络的兼容，电源模块考虑2 种电源方案：a ) 将有线的数据采集系统扩展为无 线系统时，采用蓄电池或者通过电源适配器由外部电源给电路板供电。b ) 直接采用两 节干电池供电。这种情况下用在终端节点不扩展本地数据采集网络，仅利用低功耗m c u 扩展的传感器接口收集信息。 4 ) 段式液晶显示。可显示数据采集模块的内容、c c l1 1 0 接收的数据信息、接收的 其他数据采集负载的数据信息等。 2 2 单片机及其外围接口设计 2 2 1m s p 4 3 0 f 4 2 3 单片机 目前，对于传感器节点来说使用比较多的是a t m e l 公司的a v r 系列单片机、t i 公 司的m s p 4 3 0 超低功耗处理器，同时s i l i c o n 、f r e e s c a l e 、m i c r o c h i p 、r e n e s a s 公司也有 类似的产品。 a t m e l 的增强型微控制器a t m e g a l 2 8 l 拥有丰富的片上资源，包括4 个定时器、4 k b s r a m 、1 2 8 k bf l a s h 和4 k be e p r o m ，拥有u a r t 、s p i 、1 2 c 、j t a g 接口，方便无 7 2 无线数据采集系统硬件设计 硕十论文 线芯片和传感器的接入。它有6 种电源节能模式，方便低功耗设计。采用该处理器的另 外一个优点是开发环境g c c + w i n a v r 是完全免费、开放的软件。由于以上优点以及现 在有传感器节点典范m i c a 2 的影响，它在实际的无线传感器设计中应用很多，但是从低 功耗角度来讲，该芯片并不是最佳的选择。 t i 公司出品的m s p 4 3 0 系列，是一种超低功耗的混合信号控制器，它根据不同的应 用提供具体型号单片机，以满足不同的需求，在处理器功耗和输入漏电流指标方面在业 界都是最低的。m s p 4 3 0 系列单片机具有1 6 位r i s c 结构，c p u 中的1 6 个寄存器和常 数产生器使m s p 4 3 0 微控制器达到最高的代码效率。单片机通过采用不同的时钟源，达 到不同的速率要求，同时还可以使器件功耗达到最小，满足一些采用电池供电的系统。 另外还有一部分3 2 位处理器如a v r 3 2 、p x a 2 7 0 和s t m 3 2 等拥有更强大的数据处 理功能、更大的数据存储空间、更成熟的嵌入式操作系统，在功耗方面也相对较高，动 态电压调度和动态频率调节等节能技术在其中得到很好的应用，比较适合对性能和功能 要求较高的中心节点、网关等平台的应用。目前，适合无线传感器网络的主流微处理器 如表2 1 所示【2 9 1 。 表2 1 常用微处理器参数 工作电压 r a m 工作 厂商 型号特色资源最高频率 f l a s h k b休眠电流 ( m h 办 m s p 4 3 0 f 2 4 2 64 8 9 o p 、a d c 、u s c i 2 2 0 u a o 1 u a1 8 3 6 1 6 x x1 2 0 m s p 4 3 0 f 4 2 x 2 5 6 ( b ) - - 1 8 d m a 、a d c 、u a l 盯、2 2 0 u a o 1 u a1 8 3 6 1 6 t i 3 2l c d m s p 4 3 0 f 5 4 x x 1 6 1 2 耻 d m a 、a d c 、l d o2 2 0 u a 0 1 u a1 8 3 6 门6 2 5 6 c 8 0 5 1 f 1 2 x8 门2 8a d c 、d a c 、m p y l 66 4 m a 0 1u a3 3 1 0 0 s i l i c o n c 8 0 5 1 f 9 3 04 6 4l d o 、a d c 、d c d c2 5 m a 0 6 u a0 9 - - 3 6 2 5 a t m e l a t m e g a l 2 8 x 4 8 门2 81 0 b i t a d c 、m p y8 m a 2 0 u a1 8 5 5 1 6 i n t e lx s c a l e 2 5 6 a c 9 7 、i i s 、图像接 5 0 0 m a 0 1m a0 8 5 6 2 4 p x a 2 7 0口 出于下面几个方面考虑，本系统节点设计选用m s p 4 3 0 系列1 6 位单片机中的 m s p 4 3 0 f 4 2 3 作为微处理器。 1 ) m s p 4 3 0 系列单片机同其它微型处理器相比资源丰富而且性价比高，较适合终 端设备节点模块。其内部还集成了a d c 、f l a s h 等实用外围模块，这可以进一步减少 外围元器件的数量，进而降低系统整体功耗和成本。 8 硕士论文基于无线传感器网络的数据采集系统 2 ) m s p 4 3 0 f 4 2 3 中的s d1 6 具有较高的采样频率以及采样精度，通过a d 模块自 带的前端p g a ( 可编程增益放大器) 的增益选择，可以调整其放大倍数，很适合测量小 信号，分辨率可以做到1 0 u v 左右。 3 ) m s p 4 3 0 系列单片机4 系列产品带有l c d 驱动模块，简化了终端节点数据显示 硬件设计和软件设计的复杂度。虽然m s p 4 3 0 系列单片机中的3 系列也带有段式液晶驱 动能力，外设丰富，但是没有f l a s h 型，且价格高，对于本系统应用来说，m s p 4 3 0 f 4 2 3 既具有某些1 系列具有的段式液晶驱动能力，片内外设资源同3 系列一样丰富，在系统 设计、开发调试及实际应用上都有明显的优势。m s p 4 3 0 f 4 2 3 结构图如图2 2 所示 图2 2m s p 4 3 0 f 4 2 3 功能结构框图 m s p 4 3 0 根据型号的不同最多可以选择使用3 个振荡器。可以根据需要选择合适的 振荡频率，并可以在不需要时随时关闭振荡器【2 2 1 。 1 ) d c o 数控r c 振荡器。它在芯片内部，不用时可以关闭。d c o 的振荡频率会 受周围环境温度和工作电压的影响，且同型号的芯片所产生的频率也不相同。但d c o 的调节功能可以改善它的性能，他的调节分为以下3 步：选择b c s c t l l r s e l x 确定时 钟的标称频率；选择d c o c t l d c o x 在标称频率基础上分段粗调；选择d c o c t l m o d x 的值进行细调。 2 ) l f x t l 接低频振荡器。典型应用为接3 2 7 6 8 h z 的时钟振荡器，此时振荡器不需 要接负载电容。也可以接4 5 0 k h z 一8 m h z 的标准晶体振荡器，此时需要接负载电容。 3 ) x t 2 接4 5 0 k h z - - - 8 m h z 的标准晶体振荡器。此时需要接负载电容，不用时可以 关闭。 m s p 4 3 0 f 4 2 3 只有d c o 和l f x t l 两种振荡器。低频振荡器主要用来降低能量消耗， 9 2 无线数据采集系统硬件设计硕士论文 如使用电池供电的系统，高频振荡器用来对事件做出快速反应或者供c p u 进行大量运 算。由于系统要求尽量低功耗，所以没有主要提供高速晶振的x t 2 对系统应用并没有 太大的影响。若需要较高工作频率，可以由d c o 倍频得到。 m s p 4 3 0f 4 2 3 的3 种时钟信号：系统主时钟、系统子时钟及辅助时钟。 1 ) m c l k 系统主时钟。除了c p u 运算使用此时钟以外，外围模块也可以使用。 m c l k 可以选择任何一个振荡器所产生的时钟信号并进行1 、2 、4 、8 分频作为其信号 源。 2 ) s m c l k 系统子时钟。供外围模块使用，并在使用前可以通过各模块的寄存器实 现分频。s m c l k 可以选择任何一个振荡器所产生的时钟信号并进行l 、2 、4 、8 分频作 为其信号源。 3 ) a c l k 辅助时钟。供外围模块使用，并在使用前可以通过各模块的寄存器实现 分频。但a c l k 只能由l f x t l 进行1 、2 、4 、8 分频作为信号源。 p u c 复位后，m c l k 和s m c l k 的信号源为d c o ，d c o 的振荡频率为8 0 0 k h z 。 a c l k 的信号源为l f x t l 。 从低功耗的角度看，需要较低的频率，但是在实时应用中为了快速响应外部事件又 需要有比较快的系统时钟，从而减少c p u 计算的时间，以减少功耗。这就需要系统具 有两个高低不同的频率，在需要的时候可以在两个频率之间进行切换。要同时满足两个 频率的要求对一个稳定的系统而言是不合适的。这里采用了一种折衷办法，即在c p u 外使用一个较低的频率为3 2 7 6 8 h z 的钟表晶体振荡器生成辅助时钟a c l k ，能够保证一 些低频率应用场合的要求，对于一些低频工作的外设而言可以直接作为信号源或时钟， 而无需增加额外的分频电路；同时，在c p u 内部使用结合数字控制振荡器d c o 的f l l 技术，将a c l k 倍频升高，作为系统的主时钟m c l k 。它使得指令能够在较低晶振时 钟条件下获得高时钟时的运行速度，以满足高速实时的要求。低、高频之间的切换只需 6 u s 。m s p 4 3 0 f 4 2 3 内部集成了低速晶振的滤波电容，只需要直接接入3 2 7 6 8 h z 的晶体 振荡器即可满足整个系统的时钟需求。 另外要注意对于不用的i o 处理方法是悬空的i o 口都设为输入可以做到降低功耗， 用到的时候把作为输出的管脚改成输出。同时要能够做到部分或全部禁止外围模块的功 能以减少不必要的电源消耗。 2 2 2 外围接口设计 m s p 4 3 0f 4 2 3 共有1 4 个可用的i o 口，并且都具有第二功能。设计中u a r t 及s p i 占用了6 个i o 口，实际可应用的i o1 3 为8 个。引脚p 1 5 与c c l l l 0 连接用于s p i 收发 指示，引脚p 1 4 、p 1 3 、p 1 2 、p 1 1 、p 1 0 、p 2 3 、p 2 0 用于按键选择控制，实现上下左 右选择以及系统的硬件复位功能。 1 0 碗士论史 鼍 无线传感m 镕的教# 采集系统 幽2 3 无线节点p c b 背面| 璺 图24 无线节点实物正面削 1 ) r s 4 8 5 接口。m s p 4 3 0 f 4 2 3 具有一个全双工通用同步，异步串行收发模块u s a r t 0 可以灵活配置成s p l 模式或者u a r t 模式。设计中利用u s a r t o 端口与电平转换芯片 m a x 3 4 8 5 连接，实现r s 4 8 5 总线方式。 2 ) s p i 接口。由于m s p 4 3 0 f 4 2 3 串口数量的限制，对于处理单元与无线通信模块的 s p i 通信就需要利用p 22 、p 2 1 、p 17 、p 16 模拟s p i 的时序构成4 线制s p i ，并由p 15 2 无线数据采集系统硬件设计 硕十论文 作为指示端口控制收发的完成。其中p 2 3 配置为s t e 功能，作为从模式的使能；p 2 1 配置为u c l k o ，由系统时钟提供作为s p i 的时钟；p 1 7 配置为s o m i ，作为从出主入 端口；p 1 6 配置为s i m o ，作为从入主出端口。对于终端节点来说，m s p 4 3 0 f 4 2 3 作为 从机向c c l l l 0 发送数据，也既p 1 7 为输出端口，p 1 6 位输入端口。相反，对于中心节 点来说，m s p 4 3 0 f 4 2 3 作为主机将从c c l l l 0 接收数据，p 1 7 将作为输入端口，而p 1 6 作为输出端口。由于可以从软件设计上实现这两种不同配置，终端节点和中心节点在硬 件上的设计可以共用同一种设计方案。 3 ) l c d 接口。l c d 控制器是m s p 4 3 0 f 4 2 3 的又一大特色。相比较于传统的l e d ， 液晶在体积以及功耗方面都占据很大的优势。在液晶驱动电路中，液晶等效为电容。两 个电极板分别为公共极与段极。m s p 4 3 0 f 4 2 3 的l c d 控制器能够直接驱动段式l c d ， 支持静态驱动、2 - m u x 驱动、3 - m u x 驱动和4 m u x 驱动四种模式，最大可以驱动1 2 8 段液晶显示。单片机内置的液晶显示缓存器，缓存中的数据各个位与液晶的段一一对应。 存储位置则可以点亮相对应的液晶段，存储为复位液晶段变暗。由于m s p 4 3 0 f 4 2 3 单片 机上的液晶片段码端口数量的限制，选择4 - m u x 模式一个端口可以控制4 段液晶段， 在满足系统的需求下选用2 4 个端口用以显示1 2 位字符，剩余的具有i o 口功能的液晶 端口可以应用于其他扩展功能，从而提高i o 的使用效率。 u 4 s 1 誊i ，d 1 5l l鲫 $ 1 5 1 62 2$ii s 1 6 】d 1 73 3 s 2 i s 1 1 84 4s 3 i s 1 8 l e d 1 95 5渊 $ 1 9 2 06 6s 5 i s 2 0 i 互d 2 l7 7 蹶 s 2 1 【工d 2 28 8s 7 工 s 2 ：【王d 2 39 9s 8 i s 2 3 i 2 4l o l os 9 i c o m o 【卫d c o m ol l 1 1s i ( c o a l l 【卫d 0 0 m l1 2 1 2s 1 c 0 c l c d c o h 纪1 3 1 3s 1 ： 0 咖衄1 4s 1 3 c 0 阻bl j l l c d _ b t , l 0 0 2 图2 5m s p 4 3 0 f 4 2 3 液晶显示接1 3 原理图 4 ) j t a g 口。j t a g 口是单片机下载程序的接口，f 4 2 3 单片机内部自带了j t a g 口。 该接1 2 1 是通过f e t - d e b u g g e r 将j t a g 接e l 与p c 机的并口相连，即可通过开发软件向 m s p 4 3 0 单片机下载调试程序。在程序调试的过程中一般功耗大，而本文设计中利用 f e t - d e b u g g e r 直接通过j t a g1 3 给系统供电，在调试过程中无需额外加电。 t d o 为j t a g 数据输出管脚，t d i 为j t a g 数据输入管脚，t m s 为j t a g 模式选择 管脚，t c k 为j t a g 时钟管脚，r e s e t 为复位目标系统管脚。利用m s p 4 3 0 f 4 2 3 中的 这四根引脚，通过它们与计算机的并口( 打印机接口) 相连即可向单片机内下载程序。 除了下载程序外，通过该接口还可以查看和更改c p u 的各种寄存器与r a m 内容，能够 1 2 硕十论文 基于无线传感器网络的数据采集系统 暂停c p u 运行，从而能够实现仿真和调试功能。由于f 4 2 3 采用3 v 逻辑电平而p c 机 的并口采用5 v 逻辑，f e t - d e b u g g e r 实际上是一个电平转换器，在p c 机并口和单片机 j t a g 口之间起到桥梁的作用1 3 2 1 。 5 ) a d c 接口。在m s p 4 3 0 f 4 2 3 单片机中，内置了1 6 位s i g m a - d e l t a 型a d c ，简 称为s d l 6 模块。s d 模块含有三个完全独立的，它们共用一个时钟源和基准电压源。 每个a d c 都有独立的控制寄存器组，并有8 个查分输入通道，其中通道6 接到了内部 温度传感器，通道7 段路( o v ，校准用) ，通道o 5 可以测量输入电压l 4 4 】。但是在 m s p 4 3 0 f 4 2 3 单片机上，实际只有每个a d c 的通道0 ( a 0 0 、a 1 0 、a 2 0 ) 对外引出。s d l 6 是为低功耗应用设计的，当它不工作在信号转换状态下将自动关闭，而当a d c 在转换 工作状态下会自动开启【2 引。接口电路原理图如下所示： s d l 6 模块还内置了1 2 v 参考电压源，可以为s d l 6 中的每一个信道提供参考源。 根据t i 公司的数据手册，在使用内部参考电压源时需要在引脚v r e f 和a v s s 之间加 一个0 1 u f 的滤波电容以提高a d c 模块的转换精度，降低干扰【2 2 】。具体设计方案如图 2 5 所示。 r l 2 0 v c c u 3 l 6 4 j 兰c 1 2 s 1 0 芊i o l l f 墨 o 1 e fl 厂孬 叫产燮 s c k4 4 d _ v c c a v o c a v s s i ) 、，s s v r e f p 2 2 压盯e o 1 2 1 戊j 瓯k ( 图2 6s d l 6 模块抗干扰设计 对s d l 6 硬件上的设计还需要注意的地方有：输入共模电压、输入阻抗、端口阻容 滤波。s d l 6 是差分输入，但其共模抑制比并不是很高，同样的差模输入，当输入负端 接地和垫高一个电位后，测量的结果差别较大；差模输入时，负端垫高电位( 0 5 v - - - 1 5 v ) 的测量结果( 相当于固定的共模电压) ，和不额外垫起电位的标准差模输入相比( 相当 于浮动的共模电压) ，稳定性要高不少。此外，垫起共模电压后，线性要比负端接地时 好一些，可能是内部的p g a 的输入动态范围影响的结果。从简化电路的角度看，外部 差模输入可以以1 2 v 基准电压( v 姥f 引脚) 作为拉高的共模电位。相比于其他4 系列 的s d l 6 a 模块，s d l 6 的劣势就在于输入阻抗，8 1 ：) 1 6增加了一个输入缓冲单元，大 大提高了输入阻抗。和外