【正文】 VAC 環(huán)境 控制建筑物設備或機械內的溫度 檢測以及過程監(jiān)視和控制中的溫度檢測 。 單片機的復位引腳 RST 低電平有效 ，當輸入到單片機的 RST 引腳 的低電平超過一定的時鐘周期時，系統(tǒng)產生復位。 PUC 信號產生 的條件為： POR 信號產生 ；看門狗有效時，看門狗定時器溢出；寫看門狗定時器安全鍵值出現(xiàn)錯誤；寫 FLASH 存儲器安全鍵值出現(xiàn)錯誤。 圖 34 系統(tǒng)電源 AMS1117 應用電路 AMS1117 是 一款低壓差 三端線性穩(wěn)壓器 ，外圍應用電路簡單，固定電壓版本只需輸入輸出兩個電容和負載即可工作。 這是因為 低供電電壓 提供給 晶體的激勵功率減小， 造成晶體起振很慢 或者 根本不起振 。其中 LFXT1 提供給 外圍設備 32768Hz 的 時鐘， LFXT2 可以 提供高達 8MHz 的時鐘供單片機運行使用 ， DCO 為單片機內部提供 ， 并具有鎖相環(huán) ， 為系統(tǒng)提供一個內部時鐘源， 當 XTALT2 沒有提供時 ， 系統(tǒng)依靠 DCO 運行， 整個時鐘配置可以通過DCOCTL、 BCSCTL BCSCTL2 和 SR等 控制寄存器中 的 相應的位來選擇和 控制，非常靈活 ， 方便了系統(tǒng)的開發(fā)應用。 圖 33 MSP430F149 結構與功能 框圖 低電壓和超低功耗 工作電壓 在 ~ 之間 ， 在 供電電壓、 1MHz主頻時鐘頻率下 ， 活動模式 的工作電流為 280μ A， 關閉模式時的電流 為 A；具有 16 個 中斷源， 并且可以任意嵌套 ， 使用 靈活方便 ； 從備用狀態(tài)喚醒只需要 6μ s， 可編制出實時性較高的源代碼。 電子科技大學學士學位論文 10 采集模塊負責將 環(huán)境信息 轉化為系統(tǒng)可處理 的數(shù)據(jù)信息， 它是節(jié)點數(shù)據(jù)的原始來源 ， 該部分通常 包含一個或多個 各種類型 的傳感器， 傳感器 的數(shù)量 和 類型選擇 由具體的應用 而決定 。 （ 4）靈活性 。 多數(shù)傳感器采用電池供電方式 ， 而且工作環(huán)境差異較大 ， 節(jié)點數(shù)目較多 ， 一般較難完成額外能量補充 ， 因此 節(jié)能是硬件設計非常關鍵的 考慮因素 ， 通過 節(jié)能以延長傳感器網(wǎng)絡的使用壽命。 硬件平臺 的構建 直接 決定了節(jié)點的功耗、體積 、 安全性能等 等 。 （ 4）無線通信模塊實現(xiàn)了 節(jié)點間的通信， 完成 數(shù)據(jù) 收發(fā)及 命令發(fā)送 功能。 在不同的應用環(huán)境 和 應用目的下， 可以采取 不同的組態(tài)以滿足工作需要 。 電子科技大學學士學位論文 6 節(jié)點自組織構成網(wǎng)絡。前端節(jié)點 采用 220V 供電 ，包括 3 路 0~10V A/D； 支持 RS485總線 ；支持工業(yè)級無線通信；通信距離要求 200 米 ；具有掉電保護功能；信號必須隔離。 它 具有 自組織 、 多跳式通信組網(wǎng)功能 和 分布式組網(wǎng) 的 高度靈活性 ， 以解決井下 無線通信距離有限 這一瓶頸。 Chipcon 在 射頻芯片研發(fā)具有很強的實力 ，將 8051 處理模塊和 射頻模塊集成到一起 ， 開發(fā)出 CC2431 和 CC2510 兩款 片上系統(tǒng)芯片 [7]， 有效地減小了體積，使得其 能夠 應用于小型設備 的無線通信場合 ， 但他們并非針對 無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點 而設計的， 用于 無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點還有些問題。 由于 FPGA 開發(fā) 具有 較好 的靈活性， 便于對 設計進行優(yōu)化和第一章 引言 3 改進 ，在 FPGA 驗證完成后 ， 通過先進的工藝設計 專用集成電路 芯片 ， 可以大幅降低節(jié)點功耗、 體積并且 提高 其性能可靠性。 從 21 世紀 開始， 憑借其廣泛的應用前景， 逐漸受到學術界 和 工業(yè)界的極大關注 ， 國外一些公司 和 研究所 相繼開始了許多有關無線傳感器網(wǎng)絡的研究計劃 ， 目前在國內一些大學 也 已開始對無線傳感器網(wǎng)絡 的 片上系統(tǒng)進行研究[3]~[4]。 隨著無線傳感器網(wǎng)絡 的深入研究 和廣泛應用， 傳感器網(wǎng)絡將逐漸深入 到 人類生活 的各個領域， 并對 人類未來的生活方式產生 深遠的影響 。 無線傳感器網(wǎng)絡技術融合了 嵌入式技術、 傳感器技術 、 網(wǎng)絡及無線通信技術、 分布式信息處理技術 ， 它能夠通過 各類集成化 的 微型傳感器協(xié)作地實時監(jiān)測、 感知 和 采集 各種環(huán)境 或檢測對象 的 信息 ， 再通過嵌入式技術對信息進行處理 ， 通過 隨機自組織無線通信網(wǎng)絡以 多跳 中繼方式將 所采集信息 傳送到 用戶終端 [1]。 電 子 科 技 大 學 UNIVERSITY OF ELECTRONIC SCIENCE AND TECHNOLOGY OF CHINA 學 士 學 位 論 文 BACHELOR DISSERTATION 論文題目 基于無線組網(wǎng)技術的前端節(jié)點設計 學生姓名 李子宏 學 號 20xx084040001 專 業(yè) 電氣工程及其自動化 學 院 機械電子工程學院 指導教師 李小兵 副教授 指導單位 機械電子工程學院 20xx 年 6 月 2 日 摘要 Ⅰ 摘要 無線傳感器網(wǎng)絡 （ WSN， Wirelss Sensor Networks） 技術 綜合了 傳感器技術、嵌入式計算技術 、 現(xiàn)代網(wǎng)絡及 無線通信技術， 具有巨大的發(fā)展?jié)摿?。 人們發(fā)現(xiàn) 將這些技術融合 、 協(xié)調可以 輕而易舉地 對自然界、人類 的 生產生活 等 方面進行有效的檢測 ， 無線傳感器網(wǎng)絡技術就此應運而生。 無線傳感器網(wǎng) 絡能廣泛用于軍事、環(huán)境監(jiān)測和預報、健康護理、智能家居、建筑物狀態(tài)監(jiān)控、復雜機械控制、城市交通、空間探索、大型車間和倉庫管理，以及機場、大型工業(yè)園區(qū)的安全檢測等領域。 課題的國內外研究現(xiàn)狀 無線傳感器網(wǎng)絡 的研究 開始于 20 世紀 90 年代 末， 最早是用于軍事領域 ， 用于收集戰(zhàn)場情報 。 目前 WSN 節(jié)點 的開發(fā)， 一般 是 現(xiàn)在 FPGA 平臺 進行試驗， 驗證完成后再轉為 專用集成電路 。 除了以上 無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點芯片 ， Chipcon 公司 的 CC2431 和 CC2510 也是 典型代表 。 在 煤礦應用中， 將圍繞在煤礦環(huán)境中的特定條件 ， 結合無線傳感器網(wǎng)絡 在 井下應用的特性， 研究 基于無線傳感器網(wǎng)絡 的、 低成本、分布式煤礦 安全 監(jiān)測 網(wǎng)絡系統(tǒng) 的 關鍵技術 。 此 前端節(jié)點 是其重要組成部分，采用低功耗單片機系統(tǒng)設計，實現(xiàn)工業(yè)生產現(xiàn)場各種傳感器數(shù)據(jù)的采集，如溫度、速度、張力、振動等等。 節(jié)點通常具有體積小成本低的特點 ， 因此節(jié)點內的資源就非常有限， 目前節(jié)點的能量來源 主要由電池或者太陽能等 方式獲取，由于電池供電的節(jié)點壽命 有限， 由 太陽能供電等其他方式 供電 的節(jié)點 則會受到 外部條件影響 ，能量容易間斷 ， 不夠穩(wěn)定 ； 無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點通常由于成本和體積的限制 ， 導致節(jié)點上 不能集成過多的 存儲資源 和數(shù)據(jù)處理資源， 節(jié)點要充分利用資源， 在用盡量少的資源和能源 完成 節(jié)點功能 [18]。 傳感器 節(jié)點 的硬件組成 如下圖所示： 圖 21 無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點 結構示意圖 （ 1）電源模塊為其他模塊 提供工作能源， 在 整個無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點 的 設計中 具有極其重要 的意義 。 對于有節(jié)能要求的應用系統(tǒng) ，處理器模塊還需要具有控制 電源工作模式 的 功能以實現(xiàn)節(jié)能。電子科技大學學士學位論文 8 第三章 前端節(jié)點的硬件設計 構建一個合理的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點 的 硬件平臺 是 無線傳感器網(wǎng)絡體系建立的基礎。 在 本文中 這種應用 針對 工業(yè)環(huán)境中的 各種復雜因素 ，應 具有以下特點 ：工作壽命長、 時間同步精確、 傳輸延時不敏感、 采樣數(shù)據(jù)率低 、網(wǎng)絡拓撲穩(wěn)定， 所以在設計時需充分考慮到 上述要求， 尤其是對工作壽命的要求 ，其傳感器節(jié)點 的硬件設計 應該 仔細考慮以下幾個方面： （ 1）盡可能 降低功耗。軟硬件設計中都要考慮節(jié)點的穩(wěn)定性和安全性， 確保在惡劣 的 工作條件下 能夠保證 代碼安全 和 通信安全。 通信模塊 是多個 節(jié)點 構成網(wǎng)絡的 必需組件 ， 它為網(wǎng)絡傳輸提供物理支撐 ， 通信模塊 由無線收發(fā)芯片 、 外圍電路及天線構成，基于本課題要求，前端節(jié)點同樣支持 RS485 總線 。 現(xiàn) 將 結合 MSP430F149 在 系統(tǒng) 中的應用 簡單 介紹一下該單片機的 一些 特點。 多種時鐘模塊 MSP430F149 具有三種時鐘源可以選擇提供給 MCLK、 SMCLK 和 ACLK。 晶振電路 對于一個 高可靠性的 系統(tǒng)設計 ， 晶振的選擇非常重要 ， 尤其是設計 帶有睡眠喚醒 （往往采用低電壓以求低功耗）的 系統(tǒng)。 電源電路 前端節(jié)點系統(tǒng)中 MSP430F149 微控制器需要 的 電壓， 它是 通過 AMS1117電壓轉換電路來 實現(xiàn)的， 如圖 34 所示 。 POR 信號后 ， MCU 的 狀態(tài)變化有： RST/NMI 管腳功能被設置為復位功能 ；所 有 I/O 管腳被設置為輸入 ；外圍模塊被初始化，其寄存器值為相關手冊上的默認值；狀態(tài)寄存器 SR復位 ；看門狗激活，進入工作模式；程序計數(shù)器 PC 載入 0xFFFE 處 的地址，微處理器從此地電子科技大學學士學位論文 14 址開始執(zhí)行程序。 手動復位是人為地在芯片的復位引腳輸入相應的 脈沖，使芯片復位 [23]。 DS18B20 數(shù)字溫度計 提供 9 位 溫度讀數(shù)，指示器件的溫度。 在 1s 典型值 內 把溫度變換為數(shù)字 。 在輪流 顯示 過程中 ， 每位數(shù)碼管的點亮時間為 1~2ms，由于人的視覺暫留現(xiàn)象 及發(fā)光二極管的余輝效應 ， 盡管實際上各位數(shù)碼管并非同時點亮 ， 但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會有閃爍感。 RS232C 接口標準 RS232C 標準規(guī)定使用 25 根 插針 的 標準連接器， 25 根 插針的連接器 具有 DTE與 DCE 連接的全部 信號內容， 但是其中的許多信號 幾乎 從來 不用 ，經(jīng)常使用 的是9 或者 15 的 子集的連接器， 常用 的數(shù)據(jù)線包括 以下 9 根： 發(fā)送數(shù)據(jù)（ TXD） ； 接收數(shù)據(jù)（ RXD） ；數(shù)據(jù)終端就緒 （ DTR） 、數(shù)據(jù)設備就緒（ DSR）；發(fā)送請求 （ RTS） 、清除發(fā)送（ CTS） 、 載波檢測（ CD） 、 響鈴指示 器（ RI） 、信號地 （ GND） 。 電子科技大學學士學位論文 18 圖 38 RS232C 接口 的電氣特性 硬件連接 前端節(jié)點 系統(tǒng)中 RS232 串口通信 的 硬件 連接 如圖 39 所示 。 RS485 與 RS232 不同 ， 它使用差分方式傳輸信號（也稱 平衡傳輸 ）， 它使用一對雙絞線 ， 將其中 一線定義為 A， 另一線定義為 B。 電子科技大學學士學位論文 20 圖 311 RS485 總線 的幾種連接方式 網(wǎng)絡節(jié)點個數(shù) 在 TIA/EIA485A 標準中規(guī)定了 485 可驅動 的 最大負載個數(shù) 為 32[29]。 這時總線處于高 阻 態(tài) 沒有任何信號驅動總線， 造成了總線 電平 的第三章 前端節(jié)點的硬件設計 21 不確定性， 因此需要 總線在空閑時 將 A、 B 線 鉗位 在 某一個確定的值 ， 以避免干 擾造成的不確定性。 一般情況下 ， 在 大功率 負載如 感應電動機 、 繼電器斷開 與 閉合 的 過程 或 閃電發(fā)生的瞬間 都會產生幅度很高的瞬態(tài)干擾， 如果 不采取 適當?shù)姆雷o措施 就會 損壞 RS485 通信接口 [31]。在與單片機連接時接線非常簡單。 根據(jù)設計方案 詳細介紹了節(jié)點各部分功能 的具體實現(xiàn) ， 給出了原理說明 及 芯片選型特點 ，在原理上體現(xiàn)出節(jié)點的特點。 按照模塊化思想 對 PCB 板 進行物理隔離，不僅能夠減少不同功能模塊間的電氣耦合， 同時方便系統(tǒng)的調試 ， 而且也方便 PCB板 的布局 ， 有利于硬件系統(tǒng)的 功能 的擴展或 是 更改。 若不進行良好的電磁兼容設計 ， 這些干擾信號 則很有可能 在輸出端產生組合干擾。 微波和高頻電路中的 電路匹配 對 抑制電磁干擾 也有 重要的意義 ， 因為電路失配將會 產生 反射 ， 反射會影響電路的正常 工作并會引起空間電磁輻射 。 信號完整性 是高速數(shù)字電路 PCB 設計 中 必須關心的 問題， 器件 和 PCB 板 參數(shù) 、 布局、布線 都會引起 信號完整性問題 ， 嚴重時可導致 系統(tǒng)完全失去 工作能力 。 串擾 串擾是指當網(wǎng)絡傳輸信號時 ， 有些電壓和電流能傳遞到臨近 的靜態(tài)網(wǎng)絡上，產生 的干擾。 公式 (42) 第四章 PCB 板 的設計與調試 27 同步開關噪聲 同步開關噪聲 （ Synchronous Switch Noise， SSN） 是指當器件處于開關狀態(tài) ，產生瞬間變化的電流（ di/dt），在經(jīng)過回流途徑上存在的電感時， 形成交流壓降 ，從而引起噪聲 ， 因此也被稱為 △ i噪聲。 （ 2）時鐘電路和高頻電路 應該單獨處理 ， 采用孤島方式， 布線層 最好與