基于ZIGBEE的无线压力测量系统说明书

XXXX小学院毕业设计（论文）摘要I摘要数据采集技术是信息科学的一个重要分支，它与传感器技术、信号处理技术以及计算机技术共同构建了现代检测技术的基础。本文在分析了数据采集系统的相关现状以及主要短距离无线通信技术的基础上，针对有线数据采集方式成本高、不易扩展、移动性差等缺陷，设计并实现了一个基于ZIGBEE技术的低成本、低功耗的无线数据采集系统。ZIGBEE技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、率、低成本的无线通信技术，工作在24GHZ的ISM频段上，传输速率为20KB/S250KB/S，传输距离为10M75M，主要用于短距离无线传输将ZIGBEE技术与数据采集技术相结合，具有广泛的应用前景。本课题基于当前数据采集系统的需要，以矿山单体液压支柱压力监测系统为题，对矿山的压力进行检测，保证矿山的安全。采用基于ZIGBEE技术的无线单片机CC2430，设计并实现了无线压力数据采集的硬件电路。硬件电路主要包括压力传感器的采样保持电路和电源电路。利用IAR开发环境对程序进行编写、下载。关键词无线通信，ZIGBEE技术，CC2430，压力传感器，IARXXXX小学院毕业设计（论文）摘要IIXXXX学院毕业设计（论文）ABSTRACTIIABSTRACTDATAACQUISITIONISANIMPORTANTBRANCHOFINFORMATIONTECHNOLOGYANDISTHEFOUNDATIONOFMODERNMEASUREMENTTECHNOLOGYWITHSENSORTECHNOLOGY,SIGNALPROCESSINGTECHNOLOGYANDCOMPUTERTECHNOLOGYBASEDONTHERESEARCHSITUATIONOFDATAACQUISITIONSYSTEMANDTHEMAINSHORTRANGEWIRELESSCOMMUNICATIONTECHNOLOGY,AWIRELESSDATAACQUISITIONSYSTEMBASEDONZIGBEETECHNOLOGYWHICHHASTHEFEATURESOFLOWPRICEANDLOWPOWERCONSUMPTIONWASDESIGNEDANDREALIZEDAIMINGATSOLVINGTHEDISADVANTAGESOFHIGHPRICE,UNEASEEXTENSIONANDPOORMOBILITYOFWIREDDATAACQUISITIONZIGBEETECHNOLOGYISABIDIRECTIONALWIRELESSCOMMUNICATIONTECHNOLOGYWITHTHEFEATURESOFSHORTDISTANCE，LOWCOMPLEXITY,LOWPOWERCONSUMPTION，ANDLOWBITRATEITWORKSAT24GHZISMFREQUENCY，ANDITSTRANSMISSIONRATEISABOUT20KB/S250KB/S，SOZIGBEETECHNOLOGYISMAINLYAPPLIEDTOSHORTDISTANCEWIRELESSCOMMUNICATIONDATAACQUISITIONSYSTEMWHICHCOMBINESWITHZIGBEETECHNOLOGYHASAWIDEAPPLICATIONPROSPECTTHISTOPICBASEDONTHECURRENTDATAACQUISITIONSYSTEMNEEDS,TOMINESINGLEHYDRAULICPROPPRESSUREMONITORINGSYSTEMOFMINEPRESSUREPROBLEM,TESTING,TOENSURETHESAFETYOFMINEBASEDONTHEZIGBEETECHNOLOGYWIRELESSSINGLECHIPCC2430,THEDESIGNANDIMPLEMENTATIONOFWIRELESSPRESSUREDATAACQUISITIONHARDWARECIRCUITTHEHARDWARECIRCUITINCLUDINGAPRESSURESENSORINTHESAMPLEANDHOLDCIRCUITANDPOWERSUPPLYCIRCUITTHEUSEOFIARDEVELOPMENTENVIRONMENTFORTHEPROCESSTOPREPARE,DOWNLOADKEYWORDSWIRELESSCOMMUNICATION,ZIGBEETECHNOLOGY,CC2430,PRESSURESENSOR,IARXXXX小学院毕业设计（论文）目录目录摘要IABSTRACTII目录11绪论111课题的内容及背景112短距离无线技术比较113基于ZIGBEE数据采集系统的意义214论文的主要工作及结构32系统总体方案设计421系统的设计原则422系统的硬件的组成423关键技术的介绍4231ZIGBEE技术简介及主要特点5232ZIGBEE协议体系结构624ZIGBEE无线芯片选取8241CC2420芯片主要特点及方案设计8242CC2430的主要特点及方案设计10243无线芯片比较选择1225压力传感器的选择12251压力传感器简介12252系统对传感器选择14253传感器的比较选择1526本章小结163数据采集部分硬件设计1731硬件设计简图1732无线传输模块的设计1733主要模块的设计18331采样保持电路19332电源供电电路1935本章小结204系统软件设计2141开发环境的介绍及使用2142整体软件设计2243压力传感器软件设计2344无线数据的发送2445本章小结255实物的制作与调试2651硬件调试2652模拟实验一2652模拟实验二2753本章小结27XXXX小学院毕业设计（论文）目录6系统的总结和展望2861本文总结2862工作展望28参考文献29致谢31附录A模拟实验源程序32A1主程序32A2数据发送子程序34A3片内温度传感器程序36A4DS18B20传感器程序37附录B模拟实验二实物图42XXXX学院毕业设计（论文）1绪论11绪论11课题的内容及背景数据采集技术是信息科学的一个重要分支，它与传感器技术、信号处理技术、计算机技术一起构成了现代检测技术的基础。数据采集系统是综合利用计算机、1通信、测控等技术采集、记录和显示现场的各种物理参量，方便管理人员和现场操作者参考的系统。在工业生产和控制中，应用这一系统可以采集工作业现场的温度、湿度、电压、电流等诸多参数，将这些模拟信号转变成数字量并进行相应的计算处理后，所得的结果可以反馈给用户或控制系统，从而提高产品质量、降低成本。数据采集系统可以提供大量的动态信息，已广泛应用地质、医药器械、雷达、通讯等领域。2本课题主要来源于矿山单体液压支柱压力监测。单体液压支柱所处地理位置较为偏僻，压力监测系统需要及时对其矿山状态进行监测，反映故障，但生产现场环境复杂，这些情况都导致了布线不方便，且升级维护费用昂贵，同时这些情况的实时数据量都不大，使用一种低速低功耗的无线网络就可以很好的解决这些问题。在数据传输方式上，分为有线传输和无线传输两种。目前传统的数据采集系统基本上是通过有线方式进行连接，有线传输具有传输速度快、可靠性高以及运行稳定等优点，但是受到环境、应用对象的限制。在有些场合，如高腐蚀性、现场无法实现明线连接等环境，采用传统的有线数据传输采集系统已经满足不了数据采集与传输的需要。再则，为一次数据采集而架设有线网络的投资较大。在这种情况下，无线方式是一种有效的替代方式。随着射频技术、微电子技术及集成电路的进步，无线通信技术取得了飞速的发展，无线通信的实现成本越来越低，传输速度越来越快，可靠性越来越高，并且逐渐达到可以和有线网络相媲美的水平。工业环境下的无线数据通信技术是近年来新的发展趋势，将无线技术引入数据采集领域，可以解决某些不便布线环境下的数据采集问题，克服有线网络布线麻烦和维护困难的缺点，提高采集系统的适应性。本课题将传感器技术和新兴的无线通信技术相结合，力图通过数据传输的无线化来达到工业现场中布线不便时对工业现场数据的采集。12短距离无线技术比较短距离无线通信技术已在我们日常生活中得到了广泛的应用，目前主要有WIFI、蓝牙、IRDA、ZIGBEE等。这几种无线个域网络协议，他们在不同的应73XXXX学院毕业设计（论文）1绪论2用场景中作为无线网络的底层协议方案。其也有不同之处，如表11所示。表11几种短距离无线技术比较标准名应用重点电池寿命（天）传输距离（米）优点缺点WIFIWEB图像171100速度高灵活性大安全性差，抗干扰比较差蓝牙手持设备应用终端17110价格便宜、方便开发成本高，最多容纳节点数8个IRDA遥控设备移动设备3030012体积小、功耗低通信过程不能移动，与障碍可能中断ZIGBEE监控设备1010001100低功耗、低复杂度、低成本、低速率安全性较差由上表可知，ZIGBEE的传输速率是低，最高速率不超过250KBPS，可见专门为了矿山压力采集这类低数据量的场合设计，电池寿命最长，是通过ZIGBEE设备大部分时间处于睡眠状态，激活时工作周期很短来实现低功耗的网络节点大大超过其他短距离传输技术，展示了高容量的节点虽然和蓝牙和WIFI同处于24GHZ的频段，但是并不互相冲突。通过对上述技术特点的比较和分析，在矿山中节点到路由节点最多100米的有限范围内，控制网络非基于ZIGBEE的无线传感器网络莫属。引以为豪的低功耗，通过电池节点设备可以工作1年甚至更久，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。而采用标准模块化的设计可以大大降低成本，2025OKBPS的低速率也能过满足数据采集和控制，由ZIGBEE联盟专门设计的安全层则可以保证节点信息的不被泄露，毫无疑问，ZIGBEE技术是矿山数据采集自动化方案的最佳选择，搭建这样一个平台后也可以与其它网络的连接做到无缝连接。13基于ZIGBEE数据采集系统的意义ZIGBEE技术作为数据采集的技术载体，有着重要意义，它能够实现无线数据采集的优点，还具有一些特有的优点L低功耗在低耗电待机模式下，2节5号干电池可支持1个节点工作624个月，甚至更长。XXXX学院毕业设计（论文）1绪论32高度扩充性ZIGBEE可采用星状、对等网络结构，由一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理254个子节点同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成65000个节点的大网。3自组织功能无需人工干预，网络节点能够感知其他节点的存在，并确定连接关系，组成结构化的网络。4自愈功能增加或者删除一个节点，节点位置发生变动，节点发生故障等等，网络都能够自我修复，并对网络拓扑结构进行相应地调整，无需人工干预，保证整个数据采集系统仍然能正常工作。14论文的主要工作及结构根据本论文的实际情况，根据ZIGBEE技术，完成无线压力的数据采集部分的硬件电路的设计和软件部分的设计。本文的结构安排如下1绪论介绍选题的背景和意义，以及短距离无线通信技术的比较，阐述了论文的研究重点，最后给出论文的结构安排。2系统的总体方案设计确定系统的设计原则，给出系统的总体设计方案，根据芯片比较，选定方案所用元件及讲述所用到的关键技术。3系统硬件设计针对所选的方案，完成硬件电路的连接，并对部分电路的原理及在系统中所完成的功能做详细的介绍。4系统的软件设计介绍软件开发环境，系统的软件设计基于模块化的设计思路，本论文中按照所完成不同的功能设计不同模块，给出系统的各部分模块的程序流程图及其具体实现。5系统实物制作调试根据软、硬件制作实物，进行模拟实验，进行调试分析。6系统的总结与展望根据软硬件调试的结果，以及系统整体调试情况，完成系统的设计。总结本文的研究内容，针对系统在其他更高要求领域中的应用，提出一些改进完善措施。XXXXX学院毕业设计（论文）2系统总体方案设计42系统总体方案设计21系统的设计原则1、低功耗考虑到系统应用于无法布线环境下的数据采集，因而采集的终端节点电源由电池来提供，由于现场设备运行的长期性及更换电池的诸多不便，采集节点必须具有低功耗，以确保系统在电池供电条件下能正常工作半年以上。2、可靠性抗干扰能力也是设计本系统时所考虑的重要因素之一，考虑到工业现场的工作条件恶劣，各种干扰因素多，以及系统结构设计、元器件选择等因素，数据将受到来自系统内部和外部的各种电气干扰，因此提高系统的抗干扰能力，从而保证系统的可靠性是设计中的又一关键。3、自组织性，自适应性采集终端设备位置的频繁更换和网络控制器的瘫痪等，都可能引起拓扑结构的变化和无线通信不畅，从而使整个采集系统停止工作等。因此需要确保系统具有自组织性和自适用性，以适应各种复杂的场合。22系统的硬件的组成传感器ZIGBEE无线芯片ZIGBEE无线芯片液晶显示上位机报警电路无线通信无线图21基于ZIGBEE技术的无线压力测量系统的整体结构由图21可知传感器与无线芯片的连接为数据采集部分，无线芯片与液晶的连接为就地显示部分。两者之间通过无线传输的芯片的的发送和接收，紧密联系，上位机主要功能就是，数据的存储和接收，数据的进一步处理和显示。23关键技术的介绍XXXXX学院毕业设计（论文）2系统总体方案设计5231ZIGBEE技术简介及主要特点98传统的无线技术，往往设备的成木高、体积大和能源消耗大，如果针对现实中存在应用需求传输的数据通常为小量的突发信号，数据量小，并要求实时传输，往往无法满足。这种需求下，体积小、成木低、功耗小和传输速率低的短距离无线通信技术基于IEEE802154协议的无线传感器网络技术，越来越引起人们的重视。IEEE802154是新兴的无线通讯协议，是IEEE确定的低速个人区域网络标准。该工作组成立于2000年1月，专注于规范一种廉价的，固定、便携或移动设备使用的，低功耗、低成本、低复杂度、低速率的无线线连接技术，于2003年12月通过了第1个802154标准。2002年，日木三菱电气公司、美国摩托罗拉公司、英国INVENSYS公司和荷兰飞利浦半导体公司共同宣布加入ZIGBEE联盟，研发名为“ZIGBEE”的下一代无线通信标准。ZIGBEE联盟是为了在全球统一标准上实现简单可靠、低功耗、低价格、无线连接的监测和控制产品，于200412发布首个ZIGBEE正式标准。ZIGBEE从IEEE802154标准开始着手，定义了允许不同厂商制造的设备相互兼容的应用纲要。截至目前，该联盟大约己有76家成员企业，并在迅速发展壮大。涵盖了消费类电子厂商、IP服务提供商、半导体生产商及OEM商等，所有这些成员公司都参加了负责开发ZIGBEE的PHY和MAC技术标准的IEEE802154工作组。ZIGBEE标准的定义是以802154标准的PHY及MAC层为基础的拓展，并对网络层协议和API进行了标准化。ZIGBEE定义了一个安全灵活的网络层，支持种拓扑结构，在动态的射频环境中提供高可靠性的无线传输。此外，ZIGBEE盟还定义了应用层、安全管理、应用接口等规范。ZIGBEE技术的主要特点包括以下几个部分1低功耗在工作模式下，由于ZIGBEE技术的传输速率低，传输数据量小，因此信号收发时间短；在非工作模式下，ZIGBEE节点处于休眠状态。一般两节五号电池支持长达6个月到2年的左右的使用时间。2可靠性ZIGBEE的媒体接入控制层MAC层采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突。MAC层支持确认的数据传输模式，要求每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息，如果在传输过程中出现问题可以重新发送，从而建立了可靠的通信模式。3时延短通信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XXXXX学院毕业设计（论文）2系统总体方案设计6ZIGBEE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，一个区域内可以同时存在最多100个ZIGBEE网络,而且网络组成灵活。（5）安全性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AES128的加密算法,各个应用可以灵活确定其安全属性。232ZIGBEE协议体系结构10ZIGBEE联盟制定的是一种低成本、低功耗，双向的无线通信技术标准。ZIGBEE的协议构架是建立在IEEE802154标准之上的。IEEE802154标准定义了ZIGBEE的物理层PHY和媒体访问控制层MACZIGBEE联盟则定义了ZIGBEE协议的网络层NWK、应用层APL和安全服务规范。ZIGBEE协议栈结构体系见图22，虽然基于标准的七层开放式系统互联（OSI）模型，但仅对那些涉及ZIGBEE的层予以定义。IEEE8021542003标准定义了最下面两层物理层（PHY）和介质接入控制层（MAC）。ZIGBEE联盟提供网络层和应用层（APL）的设计，其中应用层的框架包括了应用支持子层（APS）、ZIGBEE设备对象（ZDO）和由制造商制订的应用对象。图22ZIGBEE协议栈结构XXXXX学院毕业设计（论文）2系统总体方案设计71、物理层物理层提供的服务是由硬件和软件共同实现的，定义了物理无线信道对于24GHZ频段，有16个信道，编号为1116和MAC子层之间的连接，提供物理层数据服务PLDE和物理层管理服务PLME。通过该接可以唤醒层管理服务功能，同时也负责维护与物理层相关的一些管理对象的数据库PIB。物理层通过物理层数据服务接入点PDSAP和物理层管理实服务接入点（PLMESAP与MAC层通信，PDSAP支持在对等的MAC层实体间进行MAC协议数据单元传送，PLMESAP则在MAC层管理实体之间提供管理命令的传送。物理层主要完成以下几项任务开启和关闭无线收发机、能量检测（ED）、链路质量指标（LQI）、空闲信道评估（CCA）、信道选择、数据发送和接收。2、MAC层与物理层类似，MAC层也包括管理实体MLME和数据实体MLDE。MAC层管理实体提供可以唤醒MAC层管理服务的服务接口，同时也维护一个与MAC层相关的管理对象数据库MIB。MAC层与物理层之间通过PLMESAP和PDSAP进行通信，通过MAC数据实体服务点MLDESAP和MAC层管理实体服务接入点向相关子层提供MAC层数据和管理服务。另外，MAC层能支持多种LLC标准，通过业务相关会聚子层SSCS协议承载8022类型的LLC标准。MAC子层处理所有物理层无线信道接入，主要功能有网络协调器产生网络信标；与信标同步；支持个域网PAN链路的建立和断开；为设备的安全提供支持；信道接入方式采用载波监听多址接入/冲突避免机制CSMA/CA；处理和维护保护时隙GTS机制；在两个对等的MAC实体之间提供一个可靠的通信链路。3、网络层网络层对于ZIGBEE协议栈非常重要，每一个ZIGBEE节点都包含网络层，网络层主要实现组建网络，为新加入网络访分配地址、路由发现、路由维护等。另外网络层还提供一些必要的函数，确保ZIGBEE的MAC层正常工作，并且为应用层提供合适的服务接口，这种结构使得网状网络的应用基本能够实现。为了向应用层提供其接口，网络层提供了两个必须的功能服务实体，它们分别为网络数据服务实体NLDE和管理服务实体NLME。NLDE通过网络层数据服务实体服务接入点提供数据传输服务，网络层管理实体NLME通过网络层管理实体服务接入点提供网络管理服务。网络层管理实体利用网络层数据实体完成一些网络的管理工作，并且，网络层管理实体完成对网络信息的维护和管理。4、应用层ZIGBEE应用层由三个部分组成，APS子层、ZDO包含ZDO管理平台和制造商定义的应用对象。APS子层的任务是维护绑定表和在绑定设备之间传递信息。XXXXX学院毕业设计（论文）2系统总体方案设计8ZDO负责定义设备在网络中的角色如ZIGBEE协调器或终端设备、发现设备并决定设备所能提供的应用服务、初始化并响应绑定请求和在网络设备之间建立安全关系。应用支持子层给网络层和应用层通过ZIGBEE设备对象和制造商定义的应用对象使用的一组服务提供了接口，该接口提供了ZIGBEE设备对象和制造商定义的应用对象使用的一组服务。通过两个实体提供这些服务数据服务和管理服务。APS数据实体APSDE通过与之连接的SAP，即APSDESAP提供数据传输服务。APS管理实体APSME通过与之连接的SAP，即APSMESAP提供管理服务，并且维护一个管理实体数据库，即APS信息库NIB。5、安全服务层ZIGBEE提供的安全服务包括密钥建立，密钥运输、帧保护和设备管理的方法。ZIGBEE的安全层的构架包括协议栈中三个层次的安全机制，MAC子层，网络层和APS层主要负责各自的数据帧的安全传输。另外，APS子层为建立和保持安全关联提供服务，ZIGBEE设备的安全策略和安全构架由ZDO管理。ZIGBEE网络中的安全密钥SECURITYKEYS主要是基于链接密钥LINKKEY和网络密钥NETWORKKEY。APL对等层之间的单播通信安全主要依靠两个设备共享的128位链接密钥来保证，而多播BROADCAST通信安全则由网络中众多设备分享的128位网络密钥来保证。这样信息接收者就能够知道确切的安全措施，也就是说信息接收者可以知道一个数据帧是否被链路密钥或网络密钥加密了。24ZIGBEE无线芯片选取目前市场上上符合ZIGBEE标准芯片多种多样。ZIGBEE联盟的各大芯片生产商CHIPCON、FREESCALE、EMBER、JENNIC、RADIOPU1SE、OKI、HELICOMM等公司纷纷推出各自的ZIGBEE无线解决方案。本论文主要使用CHIPCON和TI公司生产的CC2420和CC2430作为无线传输芯片，两者进行比较，确定无线芯片的选取。241CC2420芯片主要特点及方案设计12CC2420是CHIPCONAS公司推出的首款符合24GHZIEEE802154标准的射频收发器。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SMARTRF技术，以018UMCMOS工艺制成只需极少外部元器件，性能稳定且功耗极低。CC2420的选择性和敏感性指数超过了IEEE标准的要求，可确保短距离通信的有效性和可靠性。利用此芯片开发的无线通信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外围参考电路图，如图23所示，其芯片的主要特点如下工作频带范围240024835GHZ。XXXXX学院毕业设计（论文）2系统总体方案设计9采用IEEE802154规范要求的直接序列扩频方式。数据速率达250KBPS码片速率达2MCHIP/S。采用OQPSK调制方式。超低电流消耗（RX197MA,TX174MA）高接收灵敏度（99DBM）。抗邻频道干扰能力强39DB。内部集成有VCO、LNA、PA以及电源整流器，采用低电压供电2136V。输出功率编程可控。IEEE802154MAC层硬件可支持自动帧格式生成、同步插入与检测、16BITCRC校验、电源检测、完全自动MAC层安全保护CTR,CBCMAC，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。图23CC2420外围参考电路根据CC2420的工作特点，CC2420并不能直接接模拟量的传感器，而且就地显示部分需要与低功耗单片机MSP430组成最小系统，才能接液晶及报警等电路。其方案设计如图24，本方案使用的传感器必须为数字量，若为模拟量，需要在传感器与CC2420之间添加一个模数转换器。XXXXX学院毕业设计（论文）2系统总体方案设计10模拟量传感器CC2420CC2420MSP430液晶显示报警电路无线通信AD转换模块图24基于CC2420无线芯片设计方案242CC2430的主要特点及方案设计1430CC2430单片机是TI公司（德州仪器）生产的一款专用于IEEE802154和ZIGBEE协议通信的片上系统解决方案。其RF内核是基于工业领先的射频通信芯片CC2420。在单个芯片上集成了CPU、存储器、常用片内外设和RF射频单元。它具有1个8位CPU（8051），主频达32MHZ，具有最大128KB可编程FLASH和8KB的SRAM，片内外设非常丰富，主要包括1个8通道8位至14位可编程ADC转换器、4个定时器（其中包括一个MAC定时器）、2个USART，1个DMA控制器、1个AES128协同处理器、1个看门狗定时器、1个内部稳压器、21个可编程I/O引脚。I/O引脚可配置为通用I/O，也可配置为外设专用引脚。I/O口在输入时有上拉和下拉能力。全部21数字的I/O引脚都具有响应外部的中断能力。如果需要外部设备，可对I/O引脚产生中断，同时外部外部中断时间也能被用来唤醒休眠模式。CC2430芯片采用018MCMOS工艺生产，在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27MA和25MA。具有3种休眠模式,从休眠模式转换到正常模式仅需54US，特别适合要求电池长期供电的应用场合。CC2430外围参考电路如图25，其芯片主要特点如下高性能和低功耗的8051微控制器核。集成符合IEEE802154标准的24GHZ的RF无线电收发机。优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性。32，64，128KB在线系统可编程FLASH。XXXXX学院毕业设计（论文）2系统总体方案设计11在休眠模式时仅09A的电流功耗，外部的中断或RTC能唤醒系统。在待机模式时少于06A的流耗，外部的中断能唤醒系统。从低功耗到正常工作模式需要的时间极少。多通道DMA控制器，非常少的外部组件。硬件支持CSMA/CA功能。较宽的电压范围（2036V）。支持数字RSSI/LQI指示。具有电池监测和温度传感器。8通道814位模数转换的ADC。集成AES安全协处理器。带有2个强大的支持多组串行协议的USART。1个符合IEEE802154规范的MAC定时器，1个16位定时器和2个8位定时器。21个通用I/O引脚，其中有2个具有20MA灌电流和拉电流能力。ZIGBEE/802154全兼容的硬件、物理层。强大和灵活的开发工具。12XTAL212XTAL1C441C431C421C191C211C241R2212036POWERSUPPLYR261L32110MHLINDUCTORL341R14R14C341CAPANTENNAP171P162P153P144P135P126DVDD7P118P109RESET_N10P0213P0314P0415P0516P0617P0718XOSC_Q219AVDD_SOC20XOSC_Q121RBIAS122AVDD_RREG23AVDD_CHP27VCO_GUARD28AVDD_VCO29AVDD_PRE30AVDD_RF131RF_P32TXRX_SWITCH33RF_N34AVDD_SW35AVDD_RF236RBIAS226P2048DVDD47P2146P2245P23/XOSC_Q144P24/XOSC_Q243DCOUPL42AVDD_DREG41AVDD_DGUARD40DVDD_ADC39AVDD_ADC38P0011PREG_OUT24AVDD_IF125AVDD_IF237P0112CC2430UXXXXX学院毕业设计（论文）2系统总体方案设计12图25CC2430外围参考电路根据CC2430的特点可知，CC2430自身带有ADC，因此传感器既可以是模拟量也可以是数字量。CC2430具有高性能和低功耗的8051微控制器核，可以直接连接液晶与报警电路等。方案设计如图26所示。传感器CC2430CC2430液晶显示报警电路无线通信图26基于CC2430无线芯片设计方案243无线芯片比较选择根据图24与图26无线芯片设计方案比较，既能完成设计要求又能简化设计的原则，通过比较方案设计，只有CC2430采用标准8051处理器，CC2420不具有，在这里我们选用TI公司的CC2430作为本设计的主芯片。CC2430简化了设计，它可以直接与液晶相连，简化了软件部分的编写，与CC2420相比，具有巨大的优势。这种解决方案能够提高性能并满足以ZIGBEE为基础的24GHZISM波段应用对低成本，低功耗的要求。CC2430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IDE的IAR工业标准为支持，同时其结合了CHIPCON公司全球先进的ZIGBEE协议栈、工具包和参考设计，展示了领先的ZIGBEE解决方案。25压力传感器的选择传感器将被研究对象的动态参数转化为电信号，是检测与控制系统之首。传感器成为感知、获取与检测信息的窗口，一切科学研究与自动化生产过程要获得信息，都要通过传感器并通过传感器它转换成容易传输与处理的电信号。传感器的设计与应用是整个测试装置的基础之一。因此，传感器的选择是否合理就显得尤为重要。251压力传感器简介165XXXXX学院毕业设计（论文）2系统总体方案设计13压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。压力传感器是工业实践中最常用的一种传感器，根据压力传感器的工作原理，可分为应变式压力传感器、压电式压力传感器、压阻式压力传感器。（1）应变式压力传感器应变式压力传感器是把压力的变化转换成电阻值的变化来进行测量的，应变片是由金属导体或半导体制成的电阻体，其阻值随压力所产生的应变而变化。（2）压电式压力传感器压电式传感器的原理是基于某些晶体材料的压电效应，目前广泛使用的压电材料有石英和钛酸钡等，当这些晶体受压力作用发生机械变形时，在其相对的两个侧面上产生异性电荷，这种现象称为“压电效应”。（3）压阻式压力传感器压阻式压力传感器利用单晶硅的压阻效应而构成。采用单晶硅片为弹性元件，在单晶硅膜片上利用集成电路的工艺，在单晶硅的特定方向扩散一组等值电阻，并将电阻接成桥路，单晶硅片置于传感器腔内。当压力发生变化时，单晶硅产生应变，使直接扩散在上面的应变电阻产生与被测压力成比例的变化，再由桥式电路获得相应的电压输出信号。目前市场上压力传感器的种类繁多，规格及技术性能不一，价格差别也很大，对于不同的场合，要选用合适的压力传感器。选用原则便是以最经济的价格买到满足其用途、压力量程、精度要求、温度范围、电和机械要求的压力传感器。因此选用压力传感器时要考虑一下几个参数1额定压力范围额定压力范围是满足标准规定值的压力范围，也就是在最高和最低温度之间，传感器输出符合规定工作特性的压力范围，在实际应用时传感器所测压力在该范围之内。2最大压力范围最大压力范围是指传感器能长时间承受的最大压力，且不引起输出特性永久性改变，特别是半导体压力传感器，为提高线性和温度特性，一般都大幅度减小额定压力范围，因此，即使在额定压力以上连续使用也不会被损坏。一般最大压力是额定压力最高值的23倍。3精度XXXXX学院毕业设计（论文）2系统总体方案设计14精度是指某一特定温度（一般室温25）下应达到的精度。可分为三档00101FS为超高精度；011FS为高精度；12FS为普通精度；210FS为低精度。4压力迟滞为在室温下及工作压力范围内，从最小工作压力和最大工作压力趋近某一压力时，传感器输出之差。5温度范围压力传感器的温度范围分为补偿温度范围和工作温度范围，补偿温度范围是由于施加了温度补偿，精度进入额定范围内的温度范围，工作温度范围是保证压力传感器能正常工作的温度范围。当然根据场合不同的需要，考虑的参数也各不相同。本论文是矿山单体液压支柱压力监测。对于参数的考虑就不止上面几个方面。根据需要不同，也会用到压力变送器，压力变送器主要由测压元件传感器（也称作压力传感器）、测量电路和过程连接件三部分组成。根据本论文需要场合，更适合选用压力变送器。252系统对传感器选择根据论文的需要，本系统对压力测量范围在060MPA，而且耐腐蚀。因此根据需要选用两种合适的压力传感器进行比较，从而选出更能满足系统设计要求的传感器。1PT500500压力变送器PT500500系列压力变送器采用高精度高稳定性电阻应变计/扩散硅晶体/陶瓷晶体等做为变送器的感压芯片，选进的贴片工艺，配套带有零点、满量程补偿，温度补偿的高精度和高稳定性放大集成电路，产品结构采用全封焊结构，使之产品的抗冲击能力、过载能力、产品密封性等性能有了较大提高，产品最高压力可达150MPA其主要技术参数如表21所示。表21PT500500压力变送器参数测量介质气体、液体、蒸汽量程100KPA00150MPA压力形式表压电源电压24VDC（1236VDC）输出信号420MA05V15V输出形式二线制或三线制XXXXX学院毕业设计（论文）2系统总体方案设计15精度等级01FS025FS05FS长期稳定性015FS/年环境相对湿度095工作温度20852BYP300小巧型压力变送器BYP300压力传感压力变送器选用进口压力芯片，敏感元件采用扩散或离子注入等工艺形成电阻并连接成惠斯通电桥，用微机械加工技术在电桥下形成压力敏感膜片。当压力作用在膜片上时，电阻值发生变化并且产生一个与作用压力成正比的线性输出信号。在惠斯通电桥上加上直流电源，就会产生一个直流电压信号的输出。经过二次转换线路，实现两线制420MA输出。BYP300小巧型压力变送器，采用进口原装扩散硅传感器，灵敏度高、抗过载能力强。传感器和放大电路高度集成，结构简单不松动，重复行好，体积小巧，易安装；可广泛应用于航空航天、科学实验、石油化工、制冷设备、工程机械等液压系统产品及所有压力测控领域。主要特点为宽电压供电；抗冲击、耐震动、体积小；温度补偿功能；高稳定性、高精度、宽的工作温度。其主要参数如表22所示。表22BYP300小巧型压力变送器参数测量介质对于不锈钢不腐蚀的气、液体量程100KPA00100MPA压力形式表压、绝压和负压电源电压936VDC输出信号420MA05V15V输出形式二线制或三线制精度等级05FS025FS01FS长期稳定性02FS/年环境相对湿度095工作温度40120补偿温度070253传感器的比较选择根据系统对传感器的要求，由表21与表22的比较，根据两种传感器技术XXXXX学院毕业设计（论文）2系统总体方案设计16指标的比较以及测试系统对传感器的要求来看，可发现BYP300更具有优势。又根据设计的原则，本设计要求低功耗、可靠性，BYP300小巧型压力变送器更具有优势。因此本论文选用BYP300小巧型压力变送器。BYP300小巧型压力变送器的主要特点宽电压供电；抗冲击、耐震动、体积小；温度补偿功能；高稳定性、高精度、宽的工作温度。这些特点更加适用于此系统。为此系统设计安装带来方便。26本章小结正如前章所述，采用传统的有线方式传输数据的采集系统在应用时容易受到布线、采集对象的运动性等条件的限制，无线通信技术的日益成熟为解决这一问题提供了有效的途径。本章对整个系统进行了整体的规划，首先分析了系统设计的原则、系统的性能要求，提出了系统整体设计方案，讲述了系统中用到的关键技术，并对系统用到的关键器件进行了比较，确定使用的器件。XXXX学院毕业设计（论文）3数据采集部分硬件设计173数据采集部分硬件设计31硬件设计简图前一章已对系统所需要的器件的已选定，对于系统的硬件设计图做了相应的完善，如图31所示。此图包括了数据采集部分、就地显示部分及上位机部分。更清新的呈现无线压力测量系统的工作原理。总体原理图见附录C。BYP300压力变送器CC2430通信模块天线电池模块天线上位机液晶显示报警电路CC2430通信模块电池模块发送接收图31系统硬件结构框图其CC2430无线传输模块，除天线电路外，还有接口电路、电源滤波电路、晶振电路、复位电路等。32无线传输模块的设计无线传输模块电路包括CC2430芯片及其外围电路，由于CC2430将8051内核与无线收发模块集成到一个芯片当中因而简化了电路的设计过程，省去了对单片机与无线收发芯片之间接口电路的设计，缩短了研发周期。该电路设计原理图如图32所示。其原理图主要包括接口电路、33V和18V电源滤波路、芯片晶17振电路、天线电路、收发指示电路及复位电路6部分。其余电路均参照CC2430XXXX学院毕业设计（论文）3数据采集部分硬件设计18的参考设计来完成。图32CC2430无线传输模块原理图接口电路采用一个16脚排针和一个10脚的排针，10脚排针引出的引脚主要用于程序的烧写，16脚排针引出的引脚主要是方便无线模块扩展，这两个排针将CC2430所有的21个帕功能定义，增加无线模块的通用性。电源滤波电路为得到更好的电源性能，选择了合适的去耦电容（如C7，C8等）对电源进行滤波，该部分电路参考TI公司滤波电容组设计。芯片晶振设计CC2430工作需要两个时钟晶振，第一个为32MHZ，为无线收发时钟；第二个为32068KHZ，为休眠模式提供时钟。C18和C19为32MHZ晶振的负载点电容，电容值取决于负载电容的大小。C18和C19的典型值为27PF。天线电路电路中采用非平衡天线加上一个非平衡变压器构成天线电路。电路中的非平衡变压器由L1、L2、L3和C11组成，其中，L2和L3匹配RF输入/输出阻抗匹配。C11为56PF，L1为22NH,L2为56NH,L3为18NH。此电路参照TI公司提供的设计。复位电路由限流电阻R7，滤波电容C20和按键组成，实现低电平复位。收发指示电路右上角为收发指示电路，数据发送时，红绿灯均闪烁。33主要模块的设计XXXX学院毕业设计（论文）3数据采集部分硬件设计19主要模块设计主要有采样保持电路、电源供电电路、串口转换电路设计。331采样保持电路18在A/D转换中，A/D器件将模拟信号转换成数字信号需要一定的时间。为了避免模拟信号变换过快致使A/D转换器件来不及转换，一般根据实际需要使用采样保持电路对模拟信号进行稳定，使输出稳定。本论文采用的是压力变送器，可有可无采样保持电路，但为了稳定输出信号和其他模拟量的传感器的使用，对于压力传感器加上采样保持电路。如图33所示。图33采样保持电路原理图本设计采用了AD585采样保持器件，是一个完整的单片采样保持电路组成的高性能运算放大器系列，具有超低泄漏模拟开关和一个场效应晶体管输入整合光栅放大器。AD585具有快速的采样时间，因此可以将其用于多通道数据采集系统中，完成高频信号和高通过率的高速A/D变换。AD585完成信号的采样保持工作，AD585的14和13管脚用于输入控制模拟开关的脉冲，这个脉冲的宽度决定了采样周期。模拟信号通过2脚进入AD585。3、5脚之间可以连接一个电位器以调整偏置电压。采样保持电路与CC2430的P07口相连。本论文使用采样保持电路，为了输出稳定。332电源供电电路本论文的要求低功耗，CC2430的引脚有两种工作电压18V和33V，考虑到就地显示部分的液晶显示需要用33V供电，此电源设计为33V供电，如图34所示。本设计中采用2节AA电池供电。开关S1用于控制电路是否供电。C4和XXXX学院毕业设计（论文）3数据采集部分硬件设计20C5具有滤波作用。图34供电电路电路原理图35本章小结根据系统的设计要求，本章首先对论文的总体设计方案画出结构框图，接着通过TI公司提供的CC2430资料，利用PROTEL对原理图进行绘制，并对其CC2430原理图进行了详细介绍。对于主要模块（采样保持电路、电源供电电路）详细介绍了每个模块的具体实现及功能作用。因本人做的数据采集部分，液晶电路在此不做介绍。XXXX学院毕业设计（论文）4系统软件设计214系统软件设计41开发环境的介绍及使用19CC2430所用的开发环境并不是KEIL，KEIL适用于51系列单片机，并不适合CC2430的程序编写。CC2430所用的开发环境是IAR。IAR公司是全球领先的嵌入式系统开发工具和服务供应商，成立于1983年，迄今已有20多年历史，其提供的产品和服务设计嵌入式系统设计、开发、和测试的每一个阶段。IAR的EMBEDDEDWORKBENCH系列适用于开发基于8位、16位以及32位微处理器的嵌入式系统，其集成开发环境具有统一界面，为用户提供了一个易学易用的开发平台，以及对各种特殊目标的支持。IAR的EMBEDDEDWORKBENCH系列是一种增强型一体化嵌入式集成开发环境，其中完全集成了开发嵌入式系统所需要的文件编辑、项目管理、编译、链接和调试工具。IAR公司独具特色的CSPY调试器，不仅可以在系统开发初期进行无目标硬件的纯软件仿真，也可以结合IAR公司推出的JLINK硬件仿真器，实现用户系统实时在线仿真调试。本文选择IAREMBEDDEDWORKBENCH作为软件开发平台。其界面友好，调试功能强大得到了广泛的应用。本系统所有源程序代码均在IAR下调试通过。IARSYSTEMS的C/C编译器可以生成高效可靠的可执行代码，并且应用程序规模越大，效果越明显；与其他的工具开发商相比，系统提示使用全局和针对具体芯片的优化技术；连接器提供的全局类型检测和范围检测对于生成目标代码的质量是至关重要的。IAREMBEDDEDWORKBENCH生成的可执行代码可以运行于更小尺寸、更低成本的微处理之上，从而降低了产品的开发成本。IAREMBEDDEDWORKBENCH集成的编译器的主要产品特征有高效的PROMABLE代码完全标准的C兼容内建对芯片的程序速度和大小优化器目标特性扩充版本控制和扩展工具支持良好便捷的中断处理和模拟瓶颈性能分析高效浮点支持内存模式选择IAREW的工作界面如下图41所示，生成程序代码后，对于源程序的下载，可见图41右上角红框中按钮就是DEBUG按钮，单击可将程序下载到CC2430中，XXXX学院毕业设计（论文）4系统软件设计22完全集成了开发嵌入式系统所需要的文件编辑、项目管理、编译、链接和调试工具。图41IAR工作界面IAREMBEDDEDWORKBENCH工作界面的按键各有作用，建立工程后，一定要根据要求，选择PROJECT/OPTIONS命令中，配置与CC2430相关的选项。一般默认设置已经可以，但对于DEBUGGER的设置要注意。IAREMBEDDEDWORKBENCH使用方面有很多要注意的地方，在这里不在做一一介绍。最后在PROJECT/MAKE命令，完成编译和连接工程。总体来说，用IAREW进行开发的典型步骤如下第一步配置开发环境，选择芯片类型、程序堆栈大小、仿真器类型等。第二步编辑并编译源文件。第三步连接目标文件，包含调试选项。第四步调试程序，若发现错误，返回第二步，修改文件后继续进行。第五步调试通过后，去掉调试选项，重新连接。第六步生成程序代码，下载到SOC片上系统中。XXXX学院毕业设计（论文）4系统软件设计2342整体软件设计210考虑到数据采集部分，主要是压力传感器的的数据采集和无线发送的软件设计。整体软件流程图如42所示。在CC2430上电复位后，要进行初始化工作，包括些协议栈的初始化、串口初始化、定时器初始化、频率信道初始化、变量初始化等。