毕业设计175武汉理工大学基于无线传感控制网络的智能小车研制.doc
毕业设计175武汉理工大学基于无线传感控制网络的智能小车研制
收藏
资源目录
压缩包内文档预览：(预览前20页/共38页)
编号：546195
类型：共享资源
大小：121.13KB
格式：ZIP
上传时间：2015-12-01
上传人：QQ28****1120
认证信息
个人认证
孙**（实名认证）
辽宁
IP属地：辽宁
6
积分
- 关 键 词：
-
电器电子毕业设计论文
- 资源描述：
-
毕业设计175武汉理工大学基于无线传感控制网络的智能小车研制,电器电子毕业设计论文
- 内容简介：
-
武汉理工大学毕业论文（设计） I 基于无线传感 /控制网络的智能小车研制 基于 CC2420 芯片的无线通讯模块设计 摘 要 当今的各种智能化控制系统均离不开数据信息的传输。其中，无线数据传输是区别于传统的有线传输的新型传输方式，系统不需要传输线 缆、成本低廉、施工简单。将无线通讯芯片和单片机配上相应的无线通讯 接口电路，就可以实现无线数据传输。本设计做的无线通讯接口电路是以无线收发芯片 CC2420为核心设计的电路。本文介绍了无线通讯 芯片CC2420的工作原理和主要特点，在此基础上设计了与 MSP430的硬件接口电路。 CC2420工作在从 机模式，单片机工作在主机模式，通过 SPI（串行外围接口）读 /写 CC2420缓冲器内的数据，同时给出了单片机控制 CC2420工作所需的软件设计，分析了如何利用单片机的USART模块实现与 CC2420的数据通讯以及 CC2420的初始化配置问题。最后分析了发射程序和接收程序的编程思路，并编程实现收发程序的设计。 关键词 ： CC2420； MSP430； SPI；无线通讯 ；硬件和软件设计 nts武汉理工大学毕业论文（设计） II Abstract Today, all kinds of intelligent control system need data communications. Wireless data communication system is a new data communication style. It need not communication cable , and is simple and cheap. Wireless data communication between the wireless communication module and the single chip microcomputers is realized by wireless communication circuit .CC2420 is used in wireless communication circuit in this paper. This paper introduces the operation principle and main characteristics of CC2420, followed by the design of interface circuit with micro controller MSP430. Microcontroller reads and writes buffer data in CC2420 through SPI interface. CC2420 works in slave mode and MSP430 in master mode. It also introduces the software design which CC2420 and the single chip microcomputers need to realize wireless communication. It analyzes how to use USART realize communication and the dispose of CC2420 initialization . Based on these, it analyzes the programming idea of sender and receiver so the design can be realized through programming. Key words: CC2420； MSP430； SPI； wireless communication； hardware and software design nts武汉理工大学毕业论文（设计） 1 绪 论 工业领域在现代化的进程中通过引入各种先进技术，实现了劳动生产率的提高和生产成本的下降。在这些技术中，最典型的就是数字化技术和现代通讯技术。在现代工业数字化的基础上工业生产监控早已突破了单回路控制和监视的功能。随着计算机软硬件技术、网络技术和工业综合自动化系统整合水平的不断发展，对数据接口的开放性、数据传 输的时效性、数据连接的安全性等方面提出了更高的要求。许多大型企业其生产地域分散，业务分工复杂，往往设有一个或者多个控制中心，以及大量的现场数据采集点。这些采集点因分散而需要通过一定的通讯手段来实现与中心控制单元间的数据交互，进而实现生产过程的自动化。由于传统有线网络本身的局限性，许多特殊环境下的网络覆盖和网络支持仍然是个难题。 目前国内微机网络多为有线通 讯 方式。有线通 讯 的优点是数据传输可靠性较高，但需要铺设较多 的 明线，而有些领域由于条件所限，难以铺设线路，这时就需要无线通 讯 来解决问题。 因此，无线通讯对于现代工 业的发展有着重要的意义，也是通 讯 发展的趋势。将无线通讯技术用于小车实现自动导引，解决了有线通讯的很多缺点，将智能控制的优点也体现出来了，更是提高工业领域设备自动化的有效途径。 无线传感器网络由随机分布的集成有传感器、数据处理单元和通讯模块的微型节点，通过自组织方式构成网络，传感器网络具有分布式处理带来的监测高精度、高容错性、大覆盖区域、可远程监控等众多优点，成为近期国际上网络研究的重要热点之一。无线传感器网络被认为是影响人类未来生活的十大新兴技术之一，越来越得到学术界和工业界的高度重视。它集成了传感器技术、 计算机技术和通讯技术，相互交叉渗透而成为现实。它们能够协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，并对其进行处理。 本 设计是做基于无线传感 /控制网络的智能小车的通讯模块。该通讯模块是作为一个独立的无线传感器网络微型节点。无线传感器微型节点是一次性的，要求节点成本低廉和工作时间尽可能长。因此，通讯模块的设计采用了 CC2420 无线收发芯片 来 实现 自动导引小车 以无线方式通 讯。 无线通讯方式实现了有线通讯很多不能实现的功能，从某些程度上降低了有线通讯所需的成本，并提高了劳动生产率，是工业现代化发展的方向。将无 线通讯技术用于导引小车，使小车的行动路径更加灵活，控制更加方便，提高了智能小车的性能。 论文的总体框架安排如下： 论文的第一部分无线通讯概述介绍了无线通讯的基本原理 、几种无线通讯技术介绍及其比较 以及 ZigBee无线通讯技术的技术内容以及主要的特点，并讲述了基于 CC2420无线 通讯 芯片的通讯模块的功能结构，也是整篇论文设计的基础。 论文的第二部分是无线通讯模块的硬件设计，主要介绍了 CC2420以及微处理器MSP430。这一部分分析了射频芯片的选用原则， CC2420无线 通讯 芯片的主要特点、内部结构、典型应用电路 、引脚的功能以及如何配置 IEEE 802.15.4工作模式，概述了 MCU（ MSP430）的主要特点，以及 CC2420与 MSP430的硬件 SPI接口，并在这一章中提供了通讯模块的原理图以及 PCB制板图和相关的问题。 论文的第三部分无线通讯模块的软件设计首先介绍了程序语言的选择，以及数据传输的帧格式，并重点讲述了通讯模块发射程序设计与接收程序设计。在程序设计时画出了 程序 设计的结构图，给出了编程的思路。 最后一部分总结了本论文所讲述的基于 CC2420的通讯模块的特点，软硬件设计的主要内容，以及通过设计所得出的结论 。 nts武汉理工大学毕业论文（设计） 2 1 无线通讯概述 1.1 无线通讯原理 各种智能化控制系统均离不开数据信息的传输。 其中 ,无线数据传输是区别于传统的有线传输的新型传输方式，系统不需要传输线缆、成本低廉、施工简单。无线数据传输有着重要的研究意义。理解无线通讯原理是设计无线通讯网络的基础。 通讯的主要任务就是传送信息。所谓信息，就是要传送的文字、图象、数据等，通常它们都是以电信号的形式出现。它由发信设备、收信设备、信道等各部分组成。在无线通讯中，信道就是电磁波传播的途径，发送端用户通过发信设备将消息变为适合于信道传送的信号，收信 设备则把收到的信号还原成信息，并传送到接收端用户。 其原理图如图 1所示： 图 1 无线信号收发的典型框图 发射机中，振荡器的作用是产生最初的高频信号， 它 的频率等于或低于所需的工作频率 fs,在后一种情况下，倍频器输出的信号频率为振荡器频率的整数倍，高频功率放大器的主要功能是将振荡器或倍频器输出的小信号放大到足够的功率电平，用以推动功率更大的高频输出功率放大器，输出功放的一个功能是直接产生大功率的高频信号，并发送到发射天线上去，另一个功能是对高频信号进行振幅调制，使高频信号的振幅随传送信 号的大小而变化。接收机输入端的高频放大器的功能是对天线上收到的所需信号进行初步的选择和放大，“选择”就是只选取频率为 fs的所需信号，抑制其它频率的无用信号，这通常是靠放大器中的调谐电路实现。混频器将来自本地振荡器，频率为 fl的信号与所需信号相混 (频率相加或相减 )，得到频率为 fl=fl-fs的中频信号，中频放大器是中心频率固定的频带 (带通 )放大器，它可以进一步滤除无用信号，检波器的功能是将得到的调幅信号还原成原信号 (称为解调 )。 1.2 无线通讯技术 1.2.1 几种无线通讯技术介绍及其比较 在现有的无线 网络技术发展条件下 ,无线标准增加了灵活性 ,并降低了集成专利无线震荡 功率放大 倍频 输出功放 高频功放 原始信号 天线 原始信号 本地震荡 高频放大 混频 中频放大 检波 天线 功率放大 nts武汉理工大学毕业论文（设计） 3 通讯的风险。在工控场合的应用条件下 ,短距离的无线传输尤其受到瞩目。在最近的几年中 ,人们不断探索 ,形成了当今令人眼花缭乱的无线通讯协议和产品。最流行的短距离无线数据通讯的标准有蓝牙 ( Bluetooth ) 、 Wi-Fi( IEEE802、 11) 、 IrDA 以及极具发展潜力、已被众多业界认可的 ZigBee ( IEEE802、 15、 4) 等。 1）蓝牙 ( BlueTooth) 蓝牙 (BlueTooth) 最早是爱立信在 1994 年开始研究的一种能 使手机与其附件 (如耳机 ) 之间互相通讯的无线模块。 1998 年 ,爱立信、诺基亚、 IBM 等公司共同推出了蓝牙技术 ,主要用于通讯和信息设备的无线连接。它的工作频率为 2、 4GHz ,有效范围大约在 10m 半径内。 Bluetooth 列入了 IEEE802、 15、 1 ,规定了包括 PHY、 MAC、网络和应用层等集成协议栈。为对语音和特定网络提供支持 ,需要协议栈提供 250kB 系统开销 ,从而增加了系统成本和集成复杂性。另外 ,Bluetooth 对每个“ Piconet” (微微网 ) 有只能配置 7 个节点的限制 ,制约了其在大 型传感器网络开发中的应用。 2） Wi-Fi( IEEE802. 11) Wi-Fi (Wireless Fidelity ,无线高保真 ) 也是一种无线通讯协议。 IEEE802. 11 的最初规范是在 1997 年提出的。主要目的是提供 WLAN 接入 ,也是目前 WLAN 的主要技术标准 , 其工作频率也是 2、 4GHz。目前 ,IEEE802. 11 标准还没有被工业界广泛接受。 IEEE802.11 流行的几个版本包括“ a” ( 在 5、 8GHz 波段带宽为 54MBps) 、“ b” (波段 2、 4GHz 带宽为11MBps) 、“ g” (波段 2、 4GHz 带宽为 22MBps) 。这种复杂性为用户选择标准化无线平台增加了困难。 Wi-Fi 规定了协议的物理 (PHY) 层和媒体接入控制 (MAC) 层 ,并依赖 TCP/ IP 作为网络层。由于其优异的带宽是以大的功耗为代价的 ,因此大多数便携 Wi-Fi 装置都需要常规充电。这些特点限制了它在工业场合的推广和应用。 3） IrDA 红外线数据协会 IrDA( Infrared DataAssociation) 成立于 1993 年。 IrDA 是一种利用红外线进行点对点通 讯 的技术。 IrDA 标准的无线设 备传输速率已从 115、 2kbps 逐步发展到 4Mbps、 16Mbps。目前 ,支持它的软硬件技术都很成熟 ,在小型移动设备 (如 PDA、手机 ) 上被广泛使用。它具有移动通讯所需的体积小、功耗低、连接方便、简单易用、成本低廉的特点。 IrDA 用于工业网络上的最大问题在于只能在 2 台设备之间连接 ,并且存在有视距角度等问题。 4） ZigBee ZigBee( IEEE802、 15、 4) 技术是最近发展起来的一种短距离无线通讯技术 ,功耗低 ,被业界认为是最有可能应用在工控场合的无线方式。它同样使用 2、 4GHz波段 ,采用跳频 技术和扩频技术。另外 ,它可与 254 个节点联网。节点可以包括仪器和家庭自动化应用设备。它本身的特点使得其在工业监控、传感器网络、家庭监控、安全系统等领域有很大的发展空间。几种常用无线传输方式的主要性能比较见表 1 。 表 1 几种常用无线通讯方式的主要性能比较 BlueTooth Wi-Fi IrDA ZigBee 系统开销 较大 大 小 小 电池寿命 较短 短 长 最长 网络节点 7 30 2 255/ 65000 + 物理范围 (有效 ) 10m 100m 定向 1m 1 - 100 + 传输率 1Mbps 11Mbps 16Mbps 20/ 250kbps 传输介质 2、 4GHz 射频 2、 4GHz 射频 980nm 红外 2、 4GHz 射频 nts武汉理工大学毕业论文（设计） 4 1.2.2 ZigBee 的技术内容及特点 ZigBee 是最新确定的商业名称 ,在以前曾被发起者以“ HomeRF lite”、“ Firefly”和“ RF-EasyLink”等命名。为了满足类似于传感器的小型、低成本设备无线联网的要求 ,2000 年 12 月 IEEE 成立了 IEEE802、 15、 4 工作组 ,致力于定义一种供廉价的固定、便携或移动 设备使用 ,且复杂度、成本和功耗均很低的低速率无线连接技术。 ZigBee 联盟成立于2001 年 8 月。到目前为止 ,除了 Invensys、三菱电子、摩托罗拉、三星和飞利浦等国际知名的大公司外 ,该联盟大约已有百余家成员企业 ,并在迅速发展壮大。其中涵盖了半导体生产商、 IP 服务提供商、消费类电子厂商及 OEM 商等 , 例如 Honeywell 、 Eaton 和Invensys MeteringSystems 等工业控制和家用自动化公司 , 甚至还有像 Mattel 之类的玩具公司。所有这些公司都参加了负责开发 ZigBee 物理和媒体控制层技术标准的 IEEE802、15、 4 工作组。 在工业、农业、车载电子系统、家用网络、医疗传感器和伺服执行机构等领域 ,对于无线网络的要求与民用场合有很大区别。它通常对数据吞吐量的要求很低 ,功率消耗要低。此外 ,简单方便、可以随意使用的无线装置大量涌现 ,需要布置大量的无线接入点 ,而低廉的价格将起着关键作用。所以 ZigBee 标准要解决的问题是设计一个维持最小流量的通 讯链路和低复杂度的无线收发信机。要考虑的核心问题是低功耗和低价格的设计 ,这就要求该标准应提供低带宽、低数据传输率的应用。 ZigBee 的特点： 1）低功耗 :由于 ZigBee 的传输速率低 ,发射功率仅为 1mW,而且采用了休眠模式 ,功耗低 ,因此 ZigBee设备非常省电。据估算 ,ZigBee 设备仅靠两节 5号电池就可以维持长达 6个月到 2年左右的使用时间 ,这是其它无线设备望尘莫及的。 2）成本低 : ZigBee 模块的初始成本在 6 美元左右 ,估计很快就能降到 1.15 2.15 美元 ,并且 ZigBee 协议是免专利费的。低成本对于 ZigBee 也是一个关键的因素。 3）时延短 :通 讯 时延和从休眠状态激活的时延都非常短 ,典型的搜索设备时延为 30ms ,休眠激活的时延是 15ms ,活动设备信道接入的时延为 15ms。因此 ZigBee 技术适用于对时延要求苛刻的无线控制 (如工业控制场合等 ) 应用。 4）网络容量大 :一个星型结构的 ZigBee 网络最多可以容纳 254 个从设备和一个主设备 ,而且网络组成灵活。 5）可靠 :采取了碰撞避免策略 ,同时为需要固定带宽的通 讯 业务预留了专用时隙 ,避开了发送数据的竞争和冲突。 MAC 层采用了完全确认的数据传输模式 ,每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。如果传输过程中出现问题可以进行重发。 6）安全 :ZigBee 提供了 基于循环冗余校验 (CRC)的数据包完整性检查功能 ,支持鉴权和认证 ,采用了 AES - 128 的加密算法 ,各个应用可以灵活确定其安全属性。 1 1.3 基于 CC2420 芯片的无线通讯模块的功能结构 本 设计是做基于无线传感 /控制网络的智能小车的通讯模块。该通讯模块是作为一个独立的无线传感器网络微型节点与主控单元相接。无线传感器微型节点是一次性的，要求节点成本低廉和工作时间尽可能长。因此，通讯模块的设计采用了 CC2420 无线 通讯 芯片来 实现 自动导引小车 以无线方式通 讯。 CC2420 是 挪威 Chipcon 公司推出的一 款符合 IEEE 802 15.4 标准的 ZigBee 无线网络模块，只需很少的外围元件就能单片机构成一个无线通讯系统。本论文介绍采用 CC2420与单片机的结合来组成一个点对点 (也可以扩展成点对多点 ) 无线通 讯 系统，能够低成本、低误码率的完成近距离无线通讯。 该通讯模块要正常工作需要的功能模块主要包括晶振时钟电路、天线、电源、射频输nts武汉理工大学毕业论文（设计） 5 入 /输出匹配电路。其功能模块图如图 2所示： 图 2 通讯模块的功能模块图 CC2420 天线 晶振时钟电路 微处理器 电源 射频输入 /输出匹配电路 nts武汉理工大学毕业论文（设计） 6 2 无线通 讯模块硬件设计 2.1 无线收发芯片 CC2420 2.1.1 射频芯片的选用原则 当今信息技术高速发展 ,形成了令人眼花缭乱的无线通讯协议和产品。 由于无线收发芯片的厂商和种类比较多，如何在设计中选择所需要的芯片是非常关键的，正确的选择可以少走弯路，降低成本，提高设计的成功率，对于产品生产型企业也能够更快的将产品推向市场。在选择芯片时主要考虑的因素是： 1）功耗 大多数无线 通讯 芯片是应用在便携式产品上的，因此功耗非常重要，应该根据需要选择综合功耗比较小的产品， CC2420发射电流 17.4mA、接收电流 19.7mA，是同类产品中功耗较小的。 2）收发芯片的数据传输控制是否容易 CC2420是一种采用串行传输的芯片，在编程上不会需要较高的技巧和经验，不需要更多的内存和程序容量，并且传送的效率很高。 CC2420收发芯片只需通过与微处理器的简单接口就能和芯片传输数据。而且对 CC2420的工作方式控制方法非常简单，只需通过 CC2420 的四线串行接口线 (时钟、数据输入、数据输出、片选 )对内部的寄存器进行初始化，就可设定其接收、发送等各种工作状态。 3）收发芯片所需的外围元件数量 芯片外围元件的数量直接决定产品的成本和设 计难度，因此应该选择外围元件少的收发芯片。有些芯片似乎很便宜，可是外围元件使用很多昂贵的元件，如变容管以及声表滤波器等；有些芯片收发分别需要两根天线，会大大增加成本。这方面 CC2420做得很好，外围元件很少，无需昂贵的元件，只需要便宜且易于获得的 16MHz晶振、普通的电容电感、并且收发天线合一。 4）收发芯片的封装和管脚数 较少的管脚以及较小的封装，有利于减少印刷电路板 PCB的面积，适合便携式产品的设计，有利于开发和生产等。 综合考虑上述的各种因素，决定采用 Chipcon公司的无线收发芯片 CC2420。 2.1.2 CC2420 芯片的主要特点 CC2420 是挪威 Chipcon 公司推出的一款符合 IEEE 802.15.4 标准的 ZigBee 无线网络模块，只需很少的外围元件就可以与单片机构成一个无线通讯系统。该器件包括众多额外功能，是第一款适用于 ZigBee产品的 RF器件。它基于 Chipcon公司的 SmartRF03技术，以 0.18umCMOS 工艺制成，只需极少的外围元器件，性能稳定且功耗极低。 CC2420 的选择性和敏感性指数超过了 IEEE 802.15.4标准的要求，可确保短距离通讯的有效性和可靠性。利用此芯片 开发的无线通讯设备支持数据传输率高达 250kbps，可以实现多点对多点的快速组网。 CC2420是 IEEE 802.15.4标准的低成本、低功耗单片高集成度解决方案。它工作在 ISM（工业、科学、医疗）免费频带上，工作频率为 2.4GHz。 CC2420 符合欧洲 ETSI EN 300 328、 EN 300 440 class 2,美国 FCC CFR47 15 部分标准和日本 ARB STD-T66 标准。它适合在 2.4GHz IEEE802.15.4 系统、 ZigBee 系统、消费类电子产品、工业控制和 PC 外设等领域中应用。 nts武汉理工大学毕业论文（设计） 7 可以看出：该芯片具有良好的性能，尤其是其极低的电流消耗和封装尺寸，可以满足无线传感网络中节点体积小、功耗小、成本低的特点，具有广泛的应用前景。 CC2420的主要性能参数如下： 工作频带范围： 2.400 2.4835GHz； 采用 IEEE 802.15.4规范要求的直接序列扩频方式； 数据传输速率达 250kbps，码片速率达 2MChip/s； 采用 0-QPSK调制方式； 超低电流消耗（ RX： 19.7mA,TX:17.4mA） 高 接收 灵敏度（ -99dBm）； 抗邻频道干扰能力强（ 39dB） ； 内 部集成有 VCO、 LAN、 PA以及电源整流器，采用低电压供电（ 2.1 3.6V）； 输出功率编程可控； IEEE 802.15.4MAC 层硬件可支持自动帧格式生成、同步插入与检测、 16bitCRC 校验、完全自动 MAC层安全保护（ CTR， CBR-MAC， CCM）； 与控制微处理器的接口配置容易（ 4总线 SPI接口）； 开发工具齐全，提供有效的开发工具和演示套件； 采用 QLP-48封装，外形尺寸只有 7mm 7mm。 2 2.1.3 CC2420 内部结构及典型应用电路 CC2420 芯片内部结构主 要由接收部分、发射部分、控制逻辑（ Control Logic）、偏置（ On-chip BIAS）、晶体振荡器（ XOSC）、稳压器（ Serial Voltage Regulator）和接口等电路组成。 接收部分的数字解调器（ Digital Demodulator）、具有数字信号强度指示器（ Digital RSSI）、增益控制（ Gain Control）、镜频抑制（ Image Suppression）、信道滤波（ Channel Filtering）、解调（ Demodulation）和帧同步（ Frame Synchronization）等功能。 发射部分的数字调制器（ Digital Demodulator）具有数字扩频（ Data Spreading）和调制（ Modulation）等功能。 接口部分包括数字和模拟测试接口（ Digital and Analog Test Interface） ,含有先进先出缓冲器、循环冗余码校验和加密的数字接口（ Digital InterfaceWith FIFO Buffers,CRC and Encryption）及串行微处理器接口（ Serial Microcontroller Interface）。 芯片的工作过程：天线接收的射频信号经过低噪声放大器和 I/Q 下变频处理后，中频信号只有 2MHz，此混合 I/Q 信号经过滤波、放大、 AD 变换、自动增益控制、数字解调和解扩，最终恢复出传输的正确数据。发射机部分基于直接上变频。要发射的数据先被送入 128 字节的发送缓存器中，头帧和起始帧是通过硬件自动产生的。根据 IEEE802.15.4 标准，所要发送的数据流的每 4 个比特被 32 码片的扩频序列扩频后送到 DA 转换器，然后，经过低通滤波和上变频的混频后的射频信号最终被调制到 2.4GHz，并经放大后送到天线 发射出 去。 CC2420 的应用电路： CC2420 只需要极少的外围器件，其外围电路包括晶振时钟电路、射频输入 /输出匹配电路和微控制器接口电路三个部分。 芯片本振信号既可由外部有源晶体提供，也可以由内部电路提供。由内部电路提供时需外加晶体震荡器和两个负载电容，电容的大小取决于晶体的频率及输入容抗等参数。 射频输入 /输出匹配电路主要用来匹配芯片的输入输出阻抗，使输入输出阻抗为 50，同时为芯片内部的 PA及 LAN提供直流偏置。 CC2420可以通过 4 线 SPI总线（ SI、 SO、 SCLK、 CSn） 设置芯片的工 作模式并实现读 /nts武汉理工大学毕业论文（设计） 8 写缓存数据、读 /写状态寄存器等。通过控制 FIFO 和 FIFOP 管脚接口的状态可设置发射 /接收 缓存器。注意：在 SPI总线接口上进行的地址和数据传输大多是 MSB 优先的。 CC2420片内有 33个 16比特状态设置寄存器，在每个寄存器的读 /写周期中， SI 总线上共有 24比特数据，分别为： 1比特 RAN/寄存器选择位、 1 比特读 /写控制器， 6比特地址选择位、 16位比特数据位。在数据传输过程中 CSn必须始终保持低电平。 另外，通过 CCA管脚状态的设置可以控制清除通道估计。通过 SFD 管脚状态的设置可以控制时钟 /定时 信息的输入。这些接口必须与微处理器的相应管脚相接来实现系统射频功能的控制与管理。 3 2.1.4 CC2420 引脚功能 CC2420采用 QLP-48 封装，外形尺寸只有 7mm 7mm， 4其相应的引脚含义如表 2所示： 表 2 CC2420引脚功能表 1 VCO_GUARD 连接 VCO 屏蔽护套 2 AVDD_VCO VCO电源（ 1.8V） 3 AVDD_PRE 前置分频器电源（ 1.8V） 4 AVDD_RF1 RF前端电源（ 1.8V） 5， 9 GND RF屏蔽地 6 RF_P 正 RF输入信号 7 TXRX_SWITCH RF前端公共电源连接端 8 RF_N 负 RF输入信号 10 AVDD_SW LAN或者 PA 开关电源（ 1.8V） 11 13， 16， 36， 40 NC 空脚 14 AVDD_RF2 接收和发射混频器电源（ 1.8V） 15 AVDD_IF2 发射 /接收 IF部分电源（ 1.8V） 17 AVDD_ADC ADC和 DAC的模拟部分电源 18 DVDD_ADC 接收 ADC 数字部分电源 19 DGND_GUARD 数字隔离噪声地 20 GUARD 数字部分电源（ 1.8V） 21 RESETn 数字信号复位 22 DGND 数字地 23 DSUB_PADS 数字辅助地（衬垫）连接端 24 DSUB_CORE 数字辅助地（封装模块）连接端 25 DVDD3.3 数字 I/O 电源（ 3.3V） 26 DVDD1.8 数字模块电源（ 1.8V） 27 SFD 启动帧分隔符 28 CCA 清信道设置 29 FIFOP 缓冲区数据超过门限值或一帧接收完毕置高 nts武汉理工大学毕业论文（设计） 9 续 表 30 FIFO 在 FIFO 数据为高时，串行 RF数据输入或者是测试模式时串行 RF 数据输出 31 CSn SPI片选 32 SCLK SPI时钟输入 33 SI SPI从设输入 35 DVDD_RAM 数字 RAM 电源（ 1.8V） 37 AVDD_XOSC16 晶体震荡器电源（ 1.8V） 38 XOSC16_Q2 16MHz晶振引脚 2 39 XOSC16_Q1 16MHz晶振引脚 1 41 VREG_EN 稳压器使能，高电平有效 42 VREG_OUT 稳压器 1.8V 电源输出 43 VREG_IN 稳压器 2.1 3.6电源输出 44 AVDD_IF1 发射和接收 IF部分电源（ 1.8V） 45 R_BIAS 连接外部精密电阻（ 4.3k) 46 ATEST2 样机和产品实验模拟测试 I/O口 2 47 ATEST1 样机和产品实验模拟测试 I/O口 1 48 AVDD_CHP 相位检波器和充电泵电源（ 1.8V） 2.1.5 配置 IEEE 802.15.4 工作模式 IEEE802、 15、 4 规范中规定使用 DSSS 调制方式， CC2420 中的调制和扩频功能框图如图 3 所示： 5 CC2420 先将要传输的数据流进行变换，每个字节被分组为两个符号，每个符号包括 4个比特， LSB 优先传输。每个被分组 的符号用 32 码片的伪随机序列表示，共有 16 个不同的 32 码片伪随机序列。经过 DSSS 扩频变换后，码片速率达到 2Mchips/s。此码片序列再经过 O-QPSK 调制，每个码片被调制为半个周期的正弦波。码片流经过 I/Q 通道交替传输，两通道延时为半个码片周期。 CC2420 为 IEEE802.15.4 的数据帧格式提供硬件支持。其 MAC 层的帧格式为： 头帧+数据帧 +校验帧； PHY 层的帧格式为： 同步帧 +PHY 头帧 +MAC 帧，帧头序列的长度可以通过寄存器的设置来改变。可以采用 16 位 CRC 校验来提高数据传输的可靠性。发送或接 收的数据帧被送入 RAM 的 128 字节的缓冲区进行相应的帧打包和拆包操作。 已调制 信号 比特变换 成符号 符号变换 成码片 O-QPSK 调制 图 3 CC2420调制和扩频功能图 发射数据流 (LSB 优先） nts武汉理工大学毕业论文（设计） 10 其 RF 的状态控制图如图 4 所示： 图 4 RF的状态控制图 CC2420 可以通过 RF 状态控制设置不同的工作模式。命令寄存器和内部事件（如在接收模式中探测到 SFD）都可以改变 RF 状态。电源整流器和晶振都处于工作状态才能进入RX 和 TX 模式。晶振通过 SXOSCON/SXOSCOFF 命令寄存器进行控制。返回的XOSC16M-STABLE 状态字可以判断晶振是否处于工作中。设定 STXON/STXONCCA 命令寄 存 器可 以完 成发送 使 能， STXON 命 令 器可 以实 现接收 使 能， 通过 使 用SRFOFF/SXOSCOFF 命令寄存器可以关闭 RF。在 PD 模式下复位 CC2420 后，可以写入数据配置寄存器，以为芯片收发工作作准备。 电源整 流器 关闭 电源整流器 打开 Power down(PD)模式 晶体起振，调入 XOSC16M-STABLE 状态字 空闲状态 接收校正 发射校正 接收数据帧 SFD 判断 发射帧头校准与确认 发射数据帧组帧处理 TXFIFO 缓存数据发射 接收等待 所有工作状态 （不包括 PD） 所有工作状态 VREG-EN 低电平 VREG-EN 置高 芯片初始化 SXOSCOFFF SXOSCON SRFOFF SRXON STXON 帧出错 nts武汉理工大学毕业论文（设计） 11 2.2 微处理器 MSP430 2.2.1 MSP430 简介 单片机的应用在后 PC 时代得到了前所未有的发展，对处理器的综合性能要求也越来越高。纵观单片机的发展，以应用需求为目标，是市场越来越细化，充分突出了以“单片”解决问题，而不像多年前以 MCS-51/96 等处理器为中心，外扩各种接口构成各 种应用系统。 CC2420 无线通讯芯片必须外接单片机才能共同组建一个通讯系统，比较了各种单片机性能以及考虑到实验室条件的具体情况，本设计采用 MSP430。美国 IT 公司推出的 MSP430 系列超低功耗 16 位混合信号处理器（ Mixed Signal Processor） ,集多种领先技术于一体，以 16 位 RISC 处理器 、 超低功耗 、 高性能模拟技术、具有丰富的片内外设 、JTAG 仿真调试定义了新一代单片机的概念，给人耳目一新的感觉。加之 TI 优良的服务（全球免费快速网上样片申请 、 丰富的技术资料） ,充分体现了世界级著名 IC 厂商的 实力和综合优势。 6 在超低功耗方面，其处理器功耗（ 1 8V 3 6V， 0 1 A 400 A， 250 A/MIPS）和口线输入电流（最大 50nA） 在业界都是最低的，远低于其他系列产品。 在运算能力上，其 16位 RISC结构，使 MSP430 在 8MHz晶振工作时，指令速度可以达8MIPS（注意：同样 8MIPS 的指令速度在运算性能上， 16 位处理器比 8 位处理器远不止高2 倍）。同时， MSP430 中采用了一般只有 DSP 中才有的 16 位多功能硬件乘法器、硬件乘 -加（积之和）功能、 DMA 等一系列先进的体系结构，大大增强了它 的数据处理和运算能力，可以有效地实现一些数字信号处理的算法（如 FFT、 DTMF等）。 在开发工具上， MSP430 系列单片机支持先进的 JTAG调试，其硬件仿真工具（仿真器）只是一个非常简单的并口转接器，一般个人都可以自己制作，而且适用于所有 MSP430 系列单片机，既便于推广，又大大降低了用户的开发投入。其软件集成开发环境有著名的 IAR公司提供，其最新版本（ V2 10）做得较为完善，实际使用效果不亚于其他成熟的集成开发环境。 在系统整合方面， MSP430 系列单片机结合 TI 的高性能模拟技术，根据其不同产品，集成了 多种功能模块，包括定时器、模拟比较器、多功能串行接口 (SPI/IIC/UART)、 LCD驱动器、硬件乘法器、 10/12 位 ADC、 12 位 DAC、看门狗定时器（ WDT）、 I/O 端口（ P0 P6） 、 DMA 控制器、 2 10KB 的 RAM，以及丰富的中断功能。使用户可以根据应用需求，选择最合适的 MSP430 系列产品来实现。另外，大部分 MSP430 系列单片机采用 Flash技术，支持在线编程。其 BOOTSTRAP 技术为系统软件的升级提供了又一种方便的手段。BOOTSTRAP 有 32 个字节的口令字，具有很高的保密性。 MSP430 系列单片机具为工业级产品，性能稳定，可靠性高，可用于各种民用、工业产品。 7 本设计采用 MSP430F149 系列。 2.2.2 MSP430 与 CC2420 的 SPI 接口 CC2420为信息包处理提供广泛的硬件支持 ,以及数据缓冲器、发射、数据加密、数据证明、空闲信道评估、链路质量指示和信息包实时资料等 ,这些特点可以减少主控制器的工作量 ,使 CC2420可以与低成本微处理器相连接。 CC2420的四线 SP I (串行外围接口 )引脚功能如表 3所示 ,它是设计单片机电路的依据 ,充分发挥这些功能是设计无线通讯产品的前提 。 nts武汉理工大学毕业论文（设计） 12 表 3 SPI引脚功能 一个典型的应用电路主要部分是将 CC2420和微处理器连接 ,配以晶体振荡器及负载电容、输入 /输出匹配元件和电源电压、去耦电容等很少的外部元件。 CC2420与单片机MSP430F149的接口电路如图 5所示： 图 5 CC2420与 MSP430单片机的接口 CC2420通过简单的四线 ( SI、 SO、 SCLK、 CSn)与 SPI兼容串行接口配置 ,这时 CC2420是受控的。 MSP430F149的 SPI工作在主机模式 ,它是 SPI数据传输的控制方 , CC2420设为从机工作方式。 MSP430的 USART模块控制寄存器 UCTL的 SYNC位置位时，串行模块工作在 SPI模式。在同步模式时，主机提供时钟与数据， CC2420利用这一时钟接收数据，或在这一时钟发射数据。USART模块通过在 UCLK引脚上的 UCLK信号控制串行通信，在第一个 UCLK周期，数据由 SIMO引脚移出，并在相应的 UCLK周期的中间，从 SOMI引脚锁存数据。每当移位寄存器为空，已写入发送缓存 UTXBUF的数据移入移位寄存器， 并启动在 SIMO引脚的数据发送，最高有效位先发送，同时，接收到的数据移入移位寄存器，当移完所有选定位数时，接收移位寄存器中的数据移入接收缓存 URXBUF，并设置中断标志 URXIFG，表明接收到一个数据。在接收过程中，最先收到的数据为最高有效位，数据以右对齐的方式存入接收缓存器，如果这时前一数据未被读出，则溢出位 OE=1。 CC2420可以通过调制解调控制寄存器控制位配置成不同的发射和接收模式 , CC2420通常工作在缓冲模式 (模式 0) 。在缓冲发射模式 ( TX_MODE 0 ) ,用 128字节 TX FIFO缓冲器功能 引脚 FIFOP 数字输出 FIFO 数字输入 /输出 CCA 空闲信道估计 SFD 帧开始分隔符 SI SPI 数据输入（ SCLK 上升沿采样） SO SPI 数据输出（ SCLK 下降沿更新） SCLK SPI 时钟线 CSn SPI 使能 P2.7 中断功能 P3.4 通用 I/O 口 P3.5 通用 I/O 口 P3.6 通用 I/O 口 P3.1 SIMO0 P3.2 SOMI0 P3.3 UCLK0 P3.0 STE0 P2.6 通用 I/O 口 P3.7 通用 I/O 口 FIFOP FIFO CCA SFD SI SO SCLK CSn VREG-EN RESET MSP430 CC2420 nts武汉理工大学毕业论文（设计） 13 存放发送前的数据；在接收模式 (RX_MODE 0) ,使用 128字节的 RX FIFO缓冲器存放接收到的数据。 TX FIFO和 RX FIFO缓冲器可以通过 TX FIFO ( 0x3E)和 TX FIFO ( 0x3F)寄存器访问。 TX FIFO 寄存器只能写入 , 当写入数据到 TX FIFO寄存器时 , SO引脚上输出每个新数据字节的状态字 ,在状态字节中有下溢标志 ,能检测 TX FIFO 缓冲器是否发生下溢。在每个寄存器 TX FIFO写周期 ,有 24位数据被发送到 SI上 ,每帧数据的第 1位置 0为寄存器访问 ,第 2位写 时置为 0,读时置为 1,接着是 6位地址位 (A5: 0) ,然后是 16位数据位 (D15: 0) ；同样 ,从 RX FIFO 寄存器读出时 , SI上传输地址位 , SO上传输状态和数据位。当数据传递时 , CSn引脚必须保持低电平。只有当 CSn变高电平时 ,访问 FIFO 缓冲器结束。当没有字节写入 TX F IFO 缓冲器时 , TXFIFO缓冲器发出一个下溢脉冲 ,发送自动停止。 RX FIFO缓冲器既能读又能写 ,写入 RX FIFO仅用于调试或安全操作时。注意 FIFO和 FIFOP引脚只为 RX FIFO缓冲器服务 ,接收模式时 ,当 RX FIFO缓冲器的字节超过门限值或完整信号帧已被接收到 , FIFOP引脚高电平时 FIFO 引脚变低 ,发出信号给单片机中断 ,由中断实现信息包接收。可见 , SO引脚通常作为 CC2420的数据输出 , 它必须由微处理器设为输入 , SI、 SCLK、 CSn必须为其输出。当电压调节器关闭时 , CSn必须有一个外部上拉电阻或被设置为高电平 ,以防止漂移输入。同样 , SI、 SCLK也应设置为某一确定电平。在发送数据帧期间 , SFD一直处于被激活状态。 在硬件电路的控制下，数据在 MSP430和 CC2420之间移位传送，通过 MOSI将数据移出MSP430，同时从 CC2420由 MISO移入数据， 8位数据全部移出时，两个寄存器就实现了一次数据交换。 MSP430与 CC2420之间的数据传输方式如图 6所示： 图 6 单片机 MSP430与 CC2420之间的数据传输方式 2.3 Protel 99 软件介绍 2.3.1 使用 Protel 99 进行电路设计的流程 Protel 软件包包括 Protel-Schematic 和 Protel-Autotrax 两大部分 Protel-Schematic 软件用以产生各种用途的高质量电路原理图，与 Protel-Autotrax 相结合构成一个较为完整的强大体系。 Protel-Schematic 生成一个原理图网络表，通过它 Protel-Autotrax 将实现自动布局、自动连线等功能。此外， Protel-Schematic 软件可以实现原理图的灵活输出。 Protel 软件的一些特点 : 1)采用下拉窗口式菜单，层次分明； 2)具有功能强大的键盘宏指令； 3)输入窗口采用行编辑方式，方便清晰； 4)可任意次重复执行上一次操作； 5)具有块操作功能，可以标记、移动、删除 、旋转和复制图形块； SPI 移位寄存器 TX/RX FIFO 寄存器 SPI 时钟发生器 MISO SI MOSI MSP430 CC2420 SO UCLK STE CSn nts武汉理工大学毕业论文（设计） 14 6)具有方便的建库功能，用户可以扩充元件库或建立新库； 7)可浏览装载元件库中的所有元件； 8)具有区域填充功能； 9)具有元件旋转功能； 电路设计是指实现一个电子产品从设计构思、电学设计到物理结构设计的全过程。电路设计中，我使用的 EDA 软件是 Protel 99SE。 在 Protel 99 中，设计电路板的完整过程有以下几个步骤。其中，有些步骤可以跳过，视设计需
- 温馨提示:
1: 本站所有资源如无特殊说明，都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
2: 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等，如果需要附件，请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
3.本站RAR压缩包中若带图纸，网页内容里面会有图纸预览，若没有图纸预览就没有图纸。
4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
5. 人人文库网仅提供信息存储空间，仅对用户上传内容的表现方式做保护处理，对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑，并不能对任何下载内容负责。
6. 下载文件中如有侵权或不适当内容，请与我们联系，我们立即纠正。
7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
人人文库网所有资源均是用户自行上传分享，仅供网友学习交流，未经上传用户书面授权，请勿作他用。
|
2:不支持迅雷下载,请使用浏览器下载
3:不支持QQ浏览器下载,请用其他浏览器
4:下载后的文档和图纸-无水印
5:文档经过压缩，下载后原文更清晰
|
川公网安备: 51019002004831号