【正文】 ................................... 24 PCB 的電磁兼容問題 ............................................................................... 24 PCB 的信號完整性問題 ........................................................................... 26 PCB 的電源完整性問題 ........................................................................... 27 PCB 設計的一般布局布線原則 ............................................................... 27 PCB 板的設計軟件介紹 .................................................................................. 28 節(jié)點 PCB 硬件設計 ......................................................................................... 28 PCB 調試分析 .................................................................................................. 30 調試環(huán)境 ................................................................................................... 30 調試程序 ................................................................................................... 30 本章小結 .......................................................................................................... 37 第五章 結束語 .............................................................................................................. 38 參考文獻 ........................................................................................................................ 39 致謝 ................................................................................................................................ 41 翻譯文章 ........................................................................................................................ 42 原文 ............................................................................................................................ 42 譯文 ............................................................................................................................ 52 第一章 引言 1 第一章 引言 課題背景 在人類 科學技術迅猛發(fā)展的今天， 數(shù)據(jù) 處理、數(shù)據(jù)采集、 數(shù)據(jù)存儲 、 無線通信等 各方面的技術 都 達到了很高的水平。因此 發(fā)展無線傳感器網(wǎng)絡技術 越來越受到人們 的重視。而工業(yè)自動化，對無線數(shù)據(jù)通信的需求越來越強烈，而且，對于工業(yè)現(xiàn)場，這種無線傳輸必須是高可靠的，并能抵抗工業(yè)現(xiàn)場的各種電磁干擾。 學術領域代表性的研究 成果 有： （ 1） 美國加州大學 巴克利分校 的 Smart Dust 和 PicoRadio 采用的 就是片上系統(tǒng)技術 。 由于其只是測試平臺 ，功耗和體積 還難以達到 較為理想的設計要求 [6]。 在 國內， 關于 無線傳感器網(wǎng)絡 主要 研究 在于以下 方面： （ 1） 煤礦監(jiān)測 [8]。 課題方向 ： 本課題 基于 M2M（ machinetomachine）的 工業(yè)無線互聯(lián)網(wǎng)應用架構，結合了有線和無線兩種通信模式 。 節(jié)點的能源和處理資源有限 。按節(jié)點 在 無線傳感器網(wǎng)絡 中 所處的具體位置 不同， 電路組成結構 不完全相同 [20]~[22]， 無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點 一般可以按照功能上劃分為 四個部分 ， 分別是電源模塊 、 傳感器模塊、 處理器模塊和 無線通信模塊 。處理器模塊 負責處理 存儲傳感器采集的數(shù)據(jù)并 協(xié)調 傳感器 節(jié)點各模塊 部分 的 工作 ， 同時 處理器模塊 需要負責 處理其他節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)信息 。 本章小結 本章 對無線傳感器 網(wǎng)絡節(jié)點 功能 及結構進行闡述分析 ， 針對 節(jié)點的嵌入式 系統(tǒng)結構對 嵌入式系統(tǒng) 的 設計進行了介紹 。數(shù)據(jù)采集應用 的主要功能 是在一定的時間跨度內 ， 傳感器節(jié)點可以采集所需數(shù)據(jù)并將其通過無線網(wǎng)絡 傳遞到用戶 手中 。 傳感器的穩(wěn)定性和安全性 是 網(wǎng)絡穩(wěn)定和安全的基礎 。 圖 31 節(jié)點總體結構設計圖 處理器模塊 主要 進行節(jié)點數(shù)據(jù)的處理 ， 按照既定協(xié)議進行裝載 ， 并協(xié)調整個節(jié)點系統(tǒng) 各部分的工作 ， 它是節(jié)點的核心控制部分 ，對于無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點，處理器模塊通常由 低功耗控制器及其外圍設備構成 ，本課題使用 TI的 MSP430F149作為 主芯片 。 圖 32 MSP430F149 外觀 示意圖 第三章 前端節(jié)點的硬件設計 11 作為 前端節(jié)點的核心部件， MSP430F149 微控制器是 MSP430 家族的一款FLASH 型 單片機 ， 其結構與功能如圖 33 所示。 豐富的資源 滿足了前端節(jié)點的外圍 接口電路 的要求。 適應 工業(yè)級的運行環(huán)境 MSP430F149 單片機 的 運行環(huán)境 溫度為 40℃ ~+85℃ ， 因此適合于工業(yè)運行環(huán)境下 的 前端節(jié)點系統(tǒng)使用。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 。 POR 信號 只在上電或者RST/NMI 管腳上產生低電平時系統(tǒng)復位的 時候發(fā)生。上電復位 即 系統(tǒng)通電后芯片產生復位，復位后從程序的入口開始執(zhí)行代碼。 溫度傳感器 DS18B20 DS18B20 是 數(shù)字化溫度傳感器，采用單總線協(xié)議，接口電路相對較為簡單 ，第三章 前端節(jié)點的硬件設計 15 主要是 DS18B20 的 工作方式。 測量范圍為 55~+125℃ ， 增量值 為 ℃。通過分時輪流控制各個數(shù)碼管的 COM 端 ，就使各個數(shù)碼管輪流受控顯示 ， 這就是動態(tài)驅動 。 其中 ， DTE 可以是計算機 ， DCE 一般指 調制解調器Modem[25]。 顯然 ， RS232C電平與 TTL、 CMOS 邏輯電路產生 的電平不同 ， 它們之間的連接 必須采用 電平轉換電路。 圖 39 RS232 串口通信 硬件連接圖 第三章 前端節(jié)點的硬件設計 19 RS485 通信 RS485 標準 是 EIA 于 1983 年在 RS422 基礎上 制定的， 增加了 多點、雙向通信的能力 ， 即允許多個 發(fā)送器 連接到同一 條 總線上， 同時 增加了發(fā)送器的 驅動能力 和 沖突保護特性， 擴展了總線 共模范圍 ， 后命名為 TIA/EIA485A 標準 。在 圖 311 所示 的 幾種網(wǎng)絡形式中 ， abc 圖 為錯誤的連接方式， def為正確的連接方式 [28]。 失效保護 RS485 工作在半雙工 的工作方式下， 主機發(fā)送抄讀命令后關閉發(fā)送驅動器 ，而使能接收器。 抗瞬態(tài)干擾和過流能力 通信過程的實際應用環(huán)境下有可能存在高頻瞬態(tài)干擾。 RO 和 DI 端分別為接收器的輸出和驅動器的輸入端，與單片機連接時只需分別與單片機的 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 /RE 為邏輯 0 時，器件處于接收狀態(tài)；當 DE為邏輯 1 時，器件處于發(fā)送狀態(tài)，因為 MAX487 工作在半雙工狀態(tài)，所以只需用單片機的一個管腳控制這兩個引腳即可； A 端和 B 端分別為接收和發(fā)送的差分信號端 ,當 A 引腳的電平高于 B 時，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為 1；當 A 的電平低于 B 端時，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為 0。 本章小結 本章 給出 前端節(jié)點硬件設計的 設計要點 并 提出、 論證 了設計方案 。 這要求 設計者在 PCB 布局 之前 必須 仔細分析 各個模塊信號 的性質 ， 包括模塊的屬性 ， 功能，供電電源 ， 具體信號的頻率 ， 電流的 流向， 電流強度等 ， 已確定模塊在 PCB 板 上的布局。 一般來說 ，各種不同類型電路 的組合 、 電路之間的耦合 和 干擾 要比單一類型 的電路 要復雜得多 。 抑制噪聲電流 的 主要方法是 采用 去耦電容 。 對于無線傳感網(wǎng)絡 ， 信號完整性主要表現(xiàn)在反射 、串擾 、 同步開關噪聲等 方面 。 因此 ， 只要根據(jù)傳輸線的特 性 阻抗 進行 終端匹配 ， 就能消除反射 。 同時 ， 使 互聯(lián)線長度盡可能短， 如使用 芯片最小尺寸封裝等 ， 有助于 減小串擾 。 PCB 設計的一般布局布線原則 結合模塊化 設計思想 和 具體情況， 兼 顧系統(tǒng)要求 ， 遵循一定的設計原則將有利于我們設計出性能優(yōu)異 的 PCB， 結合電磁兼容性、 信號完整性、 電源完整性要求 ， PCB 的 布局布線 一般按照以下原則進行 ： （ 1）具有單獨的 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 。同步開關噪聲主要是 伴隨著 器件 的同步開關輸出 （ Synchronous Switch Output， SSO）而產生 ， 開關速度越快 ， 瞬間電流變化越顯著， 電流回路上的電感越大 ， 從而產生的 SSN 越嚴重。 串擾 的發(fā)生分為 均勻傳輸線 和非均勻傳輸線兩種。怎樣 在 設計過程中 充分考慮 信號完整性問題并能夠有效防止不良結果發(fā)生已成為 PCB 設計 行業(yè) 的 熱門話題 [36]。 合成器和振蕩器 的 金屬屏蔽是很重要的，可以 防止能量耦合到其他電路中 ， 也可以防止其他電路 能量 注入到頻率源 。 通常 ， 電磁兼容設計主要 考慮 地線設計 、 屏蔽設計、 濾波設計 和 電路設計 四個方面 ， 本課題主要從電路設計上 來 考慮電磁兼容的問題。 PCB 的 具體設計一般會 遇到以下三個問題 。 電子科技大學學士學位論文 24 第四章 PCB 板的 設計與 調試 在電子系統(tǒng) 的設計中， PCB 設計 是 任何項目都不可缺少 的 環(huán)節(jié) ， 它是 設計內容的 具體物理載體 ， 設計的意圖 及最終實現(xiàn) 都是通過 PCB 來 表現(xiàn)的。只需要一個信號控制MAX487 的接收和發(fā)送即可。 對于這種瞬態(tài)干擾可以采用隔離或 使用 瞬態(tài)抑制元件旁路的 方法加以保護。 通常的做法是 添加偏置電阻 ， 典型值為 1KΩ [29]。 負載的掛接相當于在總線上并聯(lián)電阻導致總線電阻減小 ， 增加了發(fā)送芯片輸出電流 ， 當驅動芯片 的驅動能力不足時 會導致通信失敗 。 RS485 總線 具體參數(shù) 通常情況 下， 標準規(guī)定 ， 在 數(shù)據(jù)端發(fā)送 驅動器 A、 B 之間的 正電平 在 +2~+6V，是一個邏輯狀態(tài)， 負電平 在 2~6V，是 另一個邏輯狀態(tài) 。 系統(tǒng)采用三線連接 ， 左側 為 電源 的 MSP430F149 系統(tǒng) ， 右側 為 RS232 電平系統(tǒng) 的 PC 主機，通過電平轉換芯片 MAX3221 連接 起來。 RS232C 采用 的是負邏輯， 邏輯 0 與 邏輯 1 信號電平 與 信號狀態(tài) 之間的關系如圖 38 所示。動態(tài)顯示的效果 和 靜態(tài)顯示是一樣的，能夠節(jié)省大量的 I/O 端口 ，而且功耗更低 [24]。 用戶可定義的非易失性的溫度告警設置。信息經過單線接口送入 DS1820 或從 DS1820 送出 ，因此從中央處理器到 DS1820 僅需連接一條線和地 ，讀寫線完成溫度變換檢測所需的電源，可以由數(shù)據(jù)線本身提供，而不需要外部電源，因為每一個 DS1820 有唯一的系列號 ，所以多個 DS1820 可以存在于同一條單線總線上 ，這允許在許多不同的地方放置溫度靈敏器件 ， 此特性的應用范圍包括 H