【正文】 ................................................................. 52 第一章 引言 1 第一章 引言 課題背景 在人類(lèi) 科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展的今天， 數(shù)據(jù) 處理、數(shù)據(jù)采集、 數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 、 無(wú)線(xiàn)通信等 各方面的技術(shù) 都 達(dá)到了很高的水平。 一方面 ， 人類(lèi)需要及時(shí)而準(zhǔn)確地 從 自然環(huán)境中采集 所需要 的數(shù)據(jù)， 對(duì)采集數(shù)據(jù) 進(jìn)行技術(shù)分析， 從而做出 相應(yīng)的預(yù)測(cè)。因此 發(fā)展無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 越來(lái)越受到人們 的重視。 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò) (WSN)由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的大量小型傳感器節(jié)點(diǎn)組成 ,通過(guò)無(wú)線(xiàn)通訊方式形成一個(gè)多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) ,其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中被感知對(duì)象的信息 ,并發(fā)送給觀察者 [2]。而工業(yè)自動(dòng)化，對(duì)無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)通信的需求越來(lái)越強(qiáng)烈，而且，對(duì)于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，這種無(wú)線(xiàn)傳輸必須是高可靠的，并能抵抗工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的各種電磁干擾。 （ 2） 美國(guó) Dust Networks 公司的“智能塵埃 Smart Mote”。 學(xué)術(shù)領(lǐng)域代表性的研究 成果 有： （ 1） 美國(guó)加州大學(xué) 巴克利分校 的 Smart Dust 和 PicoRadio 采用的 就是片上系統(tǒng)技術(shù) 。 采用 光通信 代替?zhèn)鹘y(tǒng)的 射頻， 同時(shí)采用了 多種 先進(jìn)的 微加工技術(shù) ， 使得它的長(zhǎng)控制度 在 5mm之內(nèi) 。 由于其只是測(cè)試平臺(tái) ，功耗和體積 還難以達(dá)到 較為理想的設(shè)計(jì)要求 [6]。中國(guó)科學(xué)院 于 1999 年《知識(shí)創(chuàng)新工程試點(diǎn)領(lǐng)域方向研究》將 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò) 作為 重大 項(xiàng)目之一 ，國(guó)家 “十五 ”科技攻關(guān)項(xiàng)目同樣把 WSN 列為重大研究項(xiàng)目 。 在 國(guó)內(nèi)， 關(guān)于 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò) 主要 研究 在于以下 方面： （ 1） 煤礦監(jiān)測(cè) [8]。 在 水環(huán)境應(yīng)用中， 它 針對(duì)水環(huán)境監(jiān)測(cè) 和 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)各自的特性， 重點(diǎn)研究 數(shù)據(jù)融合 和 聚焦技術(shù)， 以保證 水污染 等 報(bào)警的正確率 ；研究實(shí)時(shí)的信息路由技術(shù) ， 使 報(bào)警 的 信息能夠以最快的速度 報(bào)告給 遠(yuǎn)程服務(wù)器 ； 研電子科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 4 究多網(wǎng)信息融合問(wèn)題， 使無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)與 英特網(wǎng) 和 已有的 其他 監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無(wú)縫連接。 課題方向 ： 本課題 基于 M2M（ machinetomachine）的 工業(yè)無(wú)線(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用架構(gòu)，結(jié)合了有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)兩種通信模式 。 節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在監(jiān)測(cè)區(qū)域， 通過(guò)自組織構(gòu)成網(wǎng)絡(luò) ， 通過(guò)節(jié)點(diǎn)內(nèi)集成不同的傳感器 采集外部環(huán)境信息， 節(jié)點(diǎn)對(duì)收發(fā)到的 數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理 并發(fā)送到下一個(gè)節(jié)點(diǎn) ， 完成信息的傳遞 [13]。 節(jié)點(diǎn)的能源和處理資源有限 。 節(jié)點(diǎn)地位不固定。按節(jié)點(diǎn) 在 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò) 中 所處的具體位置 不同， 電路組成結(jié)構(gòu) 不完全相同 [20]~[22]， 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn) 一般可以按照功能上劃分為 四個(gè)部分 ， 分別是電源模塊 、 傳感器模塊、 處理器模塊和 無(wú)線(xiàn)通信模塊 。 （ 2）傳感器模塊 用于獲取 被檢測(cè)對(duì)象的信息 以及相關(guān)物理量 。處理器模塊 負(fù)責(zé)處理 存儲(chǔ)傳感器采集的數(shù)據(jù)并 協(xié)調(diào) 傳感器 節(jié)點(diǎn)各模塊 部分 的 工作 ， 同時(shí) 處理器模塊 需要負(fù)責(zé) 處理其他節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)信息 。 本次 設(shè)計(jì)根據(jù) 工業(yè) 應(yīng)用需求， 將 節(jié)點(diǎn)通信距離 要求 為 200 米 。 本章小結(jié) 本章 對(duì)無(wú)線(xiàn)傳感器 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn) 功能 及結(jié)構(gòu)進(jìn)行闡述分析 ， 針對(duì) 節(jié)點(diǎn)的嵌入式 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對(duì) 嵌入式系統(tǒng) 的 設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹 。 本章 主要從 前端節(jié)點(diǎn) 的 各個(gè)功能模塊 的 角度， 對(duì)節(jié)點(diǎn)的 硬件構(gòu)架 進(jìn)行研究 和設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)采集應(yīng)用 的主要功能 是在一定的時(shí)間跨度內(nèi) ， 傳感器節(jié)點(diǎn)可以采集所需數(shù)據(jù)并將其通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò) 傳遞到用戶(hù) 手中 。 實(shí)際應(yīng)用 中 ， 傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)目多， 節(jié)點(diǎn)的成本 也成為硬件設(shè)計(jì)中 的 重要因素。 傳感器的穩(wěn)定性和安全性 是 網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定和安全的基礎(chǔ) 。 所以在硬件體系上 要求足夠靈活 ， 可以適應(yīng)多種應(yīng)用需求 ，因此節(jié)點(diǎn)要具有不同的傳感器接口 ， 能夠與不同的傳感器結(jié)合。 圖 31 節(jié)點(diǎn)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖 處理器模塊 主要 進(jìn)行節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的處理 ， 按照既定協(xié)議進(jìn)行裝載 ， 并協(xié)調(diào)整個(gè)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng) 各部分的工作 ， 它是節(jié)點(diǎn)的核心控制部分 ，對(duì)于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，處理器模塊通常由 低功耗控制器及其外圍設(shè)備構(gòu)成 ，本課題使用 TI的 MSP430F149作為 主芯片 。 電源模塊 是節(jié)點(diǎn)能量來(lái)源。 圖 32 MSP430F149 外觀 示意圖 第三章 前端節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì) 11 作為 前端節(jié)點(diǎn)的核心部件， MSP430F149 微控制器是 MSP430 家族的一款FLASH 型 單片機(jī) ， 其結(jié)構(gòu)與功能如圖 33 所示。 系統(tǒng)工作穩(wěn)定 上電復(fù)位時(shí) ， 先由 DCO 振蕩器 啟動(dòng) CPU，保證程序從正確的位置 開(kāi)始運(yùn) 行，使晶體振蕩器有足夠的時(shí)間起振和穩(wěn)定。 豐富的資源 滿(mǎn)足了前端節(jié)點(diǎn)的外圍 接口電路 的要求。它具有 60KB 的 程序 ROM、 256 字節(jié) 的 信息 ROM 和 2KB 的 RAM， 能夠完全滿(mǎn)足系統(tǒng)程序 駐留 和用戶(hù)程序 存儲(chǔ) 的要求 。 適應(yīng) 工業(yè)級(jí)的運(yùn)行環(huán)境 MSP430F149 單片機(jī) 的 運(yùn)行環(huán)境 溫度為 40℃ ~+85℃ ， 因此適合于工業(yè)運(yùn)行環(huán)境下 的 前端節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)使用。 在睡眠喚醒時(shí) ， 點(diǎn)路上的擾動(dòng)要比系統(tǒng)上電時(shí)小得多 ， 起振就很不容易。根據(jù)推薦值 ， 32768Hz的 晶振選用 15pF 的 陶瓷電容 ， 8M的 晶振選用 30pF 的晶振 。其中過(guò)流保護(hù)和過(guò)熱保護(hù)模塊 ， 能夠在應(yīng)用電路的環(huán)境溫度大于 125℃ 以上或負(fù)載電流大于 時(shí) ，保證芯片和系統(tǒng)的安全。 POR 信號(hào) 只在上電或者RST/NMI 管腳上產(chǎn)生低電平時(shí)系統(tǒng)復(fù)位的 時(shí)候發(fā)生。而 PUC 信號(hào) 不會(huì)引起 POR 信號(hào)的產(chǎn)生 。上電復(fù)位 即 系統(tǒng)通電后芯片產(chǎn)生復(fù)位，復(fù)位后從程序的入口開(kāi)始執(zhí)行代碼。 圖 35 復(fù)位電路 當(dāng)上電時(shí)， 電容兩端為低電平 ， 在充電過(guò)程中 ， 電容的右端 逐漸變?yōu)楦唠娖?，并一直保持?除了斷電和按鍵 S2 按下 ） 也就滿(mǎn)足 了 “上電復(fù)位 ”的 要求。 溫度傳感器 DS18B20 DS18B20 是 數(shù)字化溫度傳感器，采用單總線(xiàn)協(xié)議，接口電路相對(duì)較為簡(jiǎn)單 ，第三章 前端節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì) 15 主要是 DS18B20 的 工作方式。 多點(diǎn)能力使分布式溫度檢測(cè)應(yīng)用得以簡(jiǎn)化。 測(cè)量范圍為 55~+125℃ ， 增量值 為 ℃。 應(yīng)用范圍包括恒溫控制工業(yè)系統(tǒng)、消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品溫度計(jì)或任何熱敏系統(tǒng) [23]。通過(guò)分時(shí)輪流控制各個(gè)數(shù)碼管的 COM 端 ，就使各個(gè)數(shù)碼管輪流受控顯示 ， 這就是動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng) 。 串行通信模塊的設(shè)計(jì) 與實(shí)現(xiàn) 為了 方便點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信， 本 前端節(jié)點(diǎn)系統(tǒng) 帶有 標(biāo)準(zhǔn)串行 通信接口 ， 支持 RS23RS485 總線(xiàn) 。 其中 ， DTE 可以是計(jì)算機(jī) ， DCE 一般指 調(diào)制解調(diào)器Modem[25]。 ON 狀態(tài) 對(duì)應(yīng)邏輯 0， OFF 狀態(tài) 對(duì)應(yīng)邏輯 1。 顯然 ， RS232C電平與 TTL、 CMOS 邏輯電路產(chǎn)生 的電平不同 ， 它們之間的連接 必須采用 電平轉(zhuǎn)換電路。 每個(gè) 接收器將 EIA/TIA232E 電平 輸入轉(zhuǎn)換為 電平 ， 這些接收器 還可以 接受 177。 圖 39 RS232 串口通信 硬件連接圖 第三章 前端節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì) 19 RS485 通信 RS485 標(biāo)準(zhǔn) 是 EIA 于 1983 年在 RS422 基礎(chǔ)上 制定的， 增加了 多點(diǎn)、雙向通信的能力 ， 即允許多個(gè) 發(fā)送器 連接到同一 條 總線(xiàn)上， 同時(shí) 增加了發(fā)送器的 驅(qū)動(dòng)能力 和 沖突保護(hù)特性， 擴(kuò)展了總線(xiàn) 共模范圍 ， 后命名為 TIA/EIA485A 標(biāo)準(zhǔn) 。200mV 的 電平時(shí)， 確認(rèn)為 邏輯高電平 ， 小于 200mV 時(shí)， 確認(rèn)為負(fù)邏輯電平 [27]，如圖 310 所示。在 圖 311 所示 的 幾種網(wǎng)絡(luò)形式中 ， abc 圖 為錯(cuò)誤的連接方式， def為正確的連接方式 [28]。在 頻域中， 由于高通信波特率在其頻譜中增加了高頻部分 ， 信號(hào)在總線(xiàn)中的傳輸中 經(jīng)歷了 一個(gè) 低通濾波階段， 高頻部分會(huì)被相應(yīng)的衰減。 失效保護(hù) RS485 工作在半雙工 的工作方式下， 主機(jī)發(fā)送抄讀命令后關(guān)閉發(fā)送驅(qū)動(dòng)器 ，而使能接收器。 屏蔽雙絞線(xiàn) 是 485 通信 中 常用的介質(zhì)， 因此為了 降低 這種 不匹配和 不連續(xù)， 需要在總線(xiàn)的兩端添加終端電阻 ， 典型值 為 120Ω [30]。 抗瞬態(tài)干擾和過(guò)流能力 通信過(guò)程的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境下有可能存在高頻瞬態(tài)干擾。 電子科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 22 硬件連接 前端節(jié)點(diǎn) 系統(tǒng)中 RS485 串口通信 的 硬件 連接 如圖 313 所示 。 RO 和 DI 端分別為接收器的輸出和驅(qū)動(dòng)器的輸入端，與單片機(jī)連接時(shí)只需分別與單片機(jī)的 RXD 和 TXD 相連即可； /RE 和DE 端分別為接收和發(fā)送的使能端，當(dāng) /RE 為邏輯 0 時(shí)，器件處于接收狀態(tài)；當(dāng) DE為邏輯 1 時(shí)，器件處于發(fā)送狀態(tài)，因?yàn)?MAX487 工作在半雙工狀態(tài)，所以只需用單片機(jī)的一個(gè)管腳控制這兩個(gè)引腳即可； A 端和 B 端分別為接收和發(fā)送的差分信號(hào)端 ,當(dāng) A 引腳的電平高于 B 時(shí)，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為 1；當(dāng) A 的電平低于 B 端時(shí)，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為 0。 無(wú)線(xiàn)通信 在本課題中 ，我們采用無(wú)線(xiàn)串口模塊 E12TTLTH 來(lái)實(shí)現(xiàn) 系統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)收發(fā)功能。 本章小結(jié) 本章 給出 前端節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)的 設(shè)計(jì)要點(diǎn) 并 提出、 論證 了設(shè)計(jì)方案 。本章 結(jié)合 PCB 的 設(shè)計(jì)問(wèn)題 及 原則闡述 節(jié)點(diǎn) PCB 的 設(shè)計(jì)要點(diǎn) ， 并給出節(jié)點(diǎn)的 主要功能程序。 這要求 設(shè)計(jì)者在 PCB 布局 之前 必須 仔細(xì)分析 各個(gè)模塊信號(hào) 的性質(zhì) ， 包括模塊的屬性 ， 功能，供電電源 ， 具體信號(hào)的頻率 ， 電流的 流向， 電流強(qiáng)度等 ， 已確定模塊在 PCB 板 上的布局。 通常 PCB 存在傳導(dǎo)干擾、 串音干擾 和 輻射干擾三種電磁干擾 ， 產(chǎn)生這些干擾 的 根源是 PCB 電路 中 電壓或者電流信號(hào)的變化 ， 因此現(xiàn)代電子設(shè)備越來(lái)越 多地 采用高集成度、 高 頻 的元件將 不可避免地增加電磁兼容的難度 。 一般來(lái)說(shuō) ，各種不同類(lèi)型電路 的組合 、 電路之間的耦合 和 干擾 要比單一類(lèi)型 的電路 要復(fù)雜得多 。通常情況下 ，靈敏度越高， 帶寬 越大 ， 抗擾度就越差 。 抑制噪聲電流 的 主要方法是 采用 去耦電容 。 在大多數(shù)的 無(wú)線(xiàn)電 PCB中 ， 為了減少 EMI 輻射 ， 通常是將所有的外部容器、 屏蔽和隔板直接 接地 。 對(duì)于無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò) ， 信號(hào)完整性主要表現(xiàn)在反射 、串?dāng)_ 、 同步開(kāi)關(guān)噪聲等 方面 。 反射 反射 是指信號(hào) 遇到瞬態(tài)阻抗而產(chǎn)生 的突變， 它可能產(chǎn)生在電路導(dǎo)線(xiàn)的末端 ，或者導(dǎo)線(xiàn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化的地方 ， 如 拐角、過(guò)孔、 接插件 和封裝 處 等。 因此 ， 只要根據(jù)傳輸線(xiàn)的特 性 阻抗 進(jìn)行 終端匹配 ， 就能消除反射 。 在可控阻抗傳輸線(xiàn)上， 信號(hào)有很均勻的返回路徑 ， 這也是實(shí)現(xiàn)最低 串?dāng)_ 的結(jié)構(gòu) ， 一旦 返回路徑 的均勻平面 發(fā)生變化時(shí) ， 就會(huì) 增加 傳輸導(dǎo)線(xiàn)間的 耦合噪聲 ， 這種噪聲分為容性耦合噪聲 和 感性耦合噪聲。 同時(shí) ， 使 互聯(lián)線(xiàn)長(zhǎng)度盡可能短， 如使用 芯片最小尺寸封裝等 ， 有助于 減小串?dāng)_ 。從 式（ 42） 可以 看出 ， 要減小 VSSN 可以 增大信號(hào)的 翻轉(zhuǎn)時(shí)間 ， 增加 信號(hào)的翻轉(zhuǎn)時(shí)間 可以減小單個(gè)開(kāi)關(guān) 的 輸出電流的 變化量（即 dI/dt）；對(duì)于 QFP 封裝和 QLP 封裝 的芯片， 可以將同一類(lèi)型 的電源和地 通過(guò)平面層連接， 從而減小回流路徑上 的 電感 。 PCB 設(shè)計(jì)的一般布局布線(xiàn)原則 結(jié)合模塊化 設(shè)計(jì)思想 和 具體情況， 兼 顧系統(tǒng)要求 ， 遵循一定的設(shè)計(jì)原則將有利于我們?cè)O(shè)計(jì)出性能優(yōu)異 的 PCB， 結(jié)合電磁兼容性、 信號(hào)完整性、 電源完整性要求 ， PCB 的 布局布線(xiàn) 一般按照以下原則進(jìn)行 ： （ 1）具有單獨(dú)的 電源層和地層， 電源平面 和地平面互相臨近 ， 一般地平面在電源平面之上 。 高速電路系統(tǒng)中 ， 由于電源傳輸系統(tǒng)在不同頻率的阻抗不同 ， 使得電路板電源層和 地層之間的電壓 在各處呈現(xiàn)一定的差異，造成供電不連續(xù) 而產(chǎn)生電源噪聲 的問(wèn)題 ， 同時(shí)還會(huì)造成電磁干擾 問(wèn)題 ， 如果不能很好地解決電源完整性問(wèn)題 ， 系統(tǒng)的 正常工作將會(huì)受到嚴(yán)重影響 。同步開(kāi)關(guān)噪聲主要是 伴隨著 器件 的同步開(kāi)關(guān)輸出 （ Synchronous Switch Output， SSO）而產(chǎn)生 ， 開(kāi)關(guān)速度越快 ， 瞬間電流變化越顯著， 電流回路上的電感越大 ， 從而產(chǎn)生的 SSN 越嚴(yán)重。 在 PCB 設(shè)計(jì)時(shí)可優(yōu)化相鄰信號(hào)線(xiàn)的線(xiàn)距來(lái)減小耦合 。 串?dāng)_ 的發(fā)生分為 均勻傳輸線(xiàn) 和非均勻傳輸線(xiàn)兩種。 反射系數(shù)為 ： 其中 Zt 為 負(fù)載端阻抗 ， Z0 為傳輸線(xiàn)特征阻抗。怎樣 在 設(shè)計(jì)過(guò)程中 充分考慮 信號(hào)完整性問(wèn)題并能夠有效防止不良結(jié)果發(fā)生已成為 PCB 設(shè)計(jì) 行業(yè) 的 熱門(mén)話(huà)題 [36]。 事實(shí)上 ， EMI 輻射 本身 可能 并不能 加載在 PCB 板 引線(xiàn)中 正在傳輸 的 頻率的基帶上 ， 但能加載在它的 為數(shù)眾