【正文】 SC（精簡指令集）結(jié)構(gòu)，分別僅有33，35，58條指令，采用Harvard雙總線結(jié)構(gòu)，運行速度快，低工作電壓，低功耗，較大的輸入輸出直接驅(qū)動能力，價格低，一次性編程，小體積。 適用于用量大，檔次低，價格敏感的產(chǎn)品。在辦公自動化設(shè)備，消費電子產(chǎn)品，電訊通信，智能儀器儀表，汽車電子，金融電子，工業(yè)控制不同領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，PIC系列單片機在世界單片機市場份額排名中逐年提高發(fā)展非常迅速。通過對上述單片機的比較發(fā)現(xiàn)：51系列單片機應(yīng)用廣泛、技術(shù)成熟、資料詳細(xì)，但明顯的不足是片上資源較少，且運行速度不快，從基站的功能考慮還要加入較多外部設(shè)備，因此增加設(shè)計復(fù)雜度，不予考慮；PIC單片機型號眾多，產(chǎn)品有不同的層次可以使用不同要求的場合，而且抗干擾能力較好，但無論是芯片還是開發(fā)工具都較貴，因此也不予考慮；AVR單片機的功能比較適中，性價比高，而且開發(fā)方便，綜合成本低，因此選擇AVR單片機做基站的傳輸控制MCU。AVR單片機有多種型號，功能有所差異，這里選擇Atmega162，該型號單片機有雙串口和SPI接口，方便MCU的通信和控制。下面介紹一下AVR單片機Atmega162。Atmega162是一款基于AVR增強型RISC結(jié)構(gòu)的采用CMOS工藝的高性能低功耗8位微控制器（MCU）。芯片內(nèi)集成有16K 字節(jié) Flash，512 字節(jié)EEPROM，1K 字節(jié) RAM ，外部存儲器擴展最大可達(dá)64K 字節(jié)。具有ISP（In System Programmable）功能，在16MHz晶振下全速工作時指令指令速度可以達(dá)到16MIPS，同時芯片具有豐富的外設(shè)資源。Atmega162有PDIP和TQTP兩種封裝形式，圖44是其PDIP封裝的引腳分配圖。圖44 Atmega62 PDIP封裝引腳分配 Pins assignment of PDIP seal Atmega162表45是Atmega162的特性參數(shù)。表45 Atmega162特性 Features of Atmega162高性能低功耗的8位AVR微控制器（MCU）先進(jìn)RISC結(jié)構(gòu)131條功能強大的指令，大部分指令的執(zhí)行時間為單個時鐘周期。32個8位通用寄存器，全靜態(tài)工作，工作于16MHz時性能高達(dá)16MIPS，片上兩個時鐘周期的硬件乘法器非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲器16K 字節(jié)系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash，擦/寫壽命：10,000次，具有獨立鎖定位的可選Boot代碼區(qū)，通過片上Boot程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程，真正的同時讀寫操作。512字節(jié)的EEPROM，擦/寫壽命：100,000次。1K字節(jié)的片內(nèi)SRAM。可擴展至64K字節(jié)的外部存儲空間。可以對鎖定位進(jìn)行編程以實現(xiàn)用戶程序加密。JTAG接口（與IEEE ）符合JTAG標(biāo)準(zhǔn)的邊界掃描功能，支持?jǐn)U展的片內(nèi)調(diào)試功能，通過JTAT接口可以實現(xiàn)對Flash、EEPROM、熔絲位和鎖定位的編程外設(shè)特點兩個具有獨立預(yù)分頻器和比較器功能的8位定時器/計數(shù)器，兩個具有獨立預(yù)分頻器、比較功能和捕獲功能的16位定時器/計數(shù)器，具有獨立振蕩器的實時計數(shù)器RTC，6通道PWM，兩個可編程串行USART（通用同步/異步收發(fā)器），可工作主機/從機模式的SPI串行接口，具有獨立片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器，片內(nèi)模擬比較器特殊的微控制器特點上電復(fù)位和可編程的掉電檢測，片內(nèi)經(jīng)過標(biāo)定的RC振蕩器，片內(nèi)/片外中斷源，5種睡眠模式：空閑模式、省電模式、掉電模式、Standby模式以及擴展Standby模式I/O和封裝35個可編程I/O口，40引腳PDIP封裝，4引腳TQFP封裝，44引腳MLF封裝。工作電壓Atmega162V：~；Atmega162：~速度等級Atmega162V：0~8MHzAtmega162：0~16MHz表46是針對圖43的ATmega162芯片引腳功能列表。表46 Atmega162引腳功能列表 The functional group of Atmega162 pinsVCC數(shù)字電路電源GND地端口A（PA0~PA7）雙向8位I/O口，具有內(nèi)部上拉電阻。輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流，作為輸入時，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口外部電路拉低時將輸出電流。復(fù)位過程中，即使系統(tǒng)時鐘未起振，端口A處于高阻狀態(tài)。端口A也可以用作其他不同的特殊功能。端口B（PB0~PB7）雙向8位I/O口，具有內(nèi)部上拉電阻。輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流，作為輸入時，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口外部電路拉低時將輸出電流。復(fù)位過程中，即使系統(tǒng)時鐘未起振，端口B處于高阻狀態(tài)。端口B也可以用作其他不同的特殊功能。端口C（PC0~PC7）雙向8位I/O口，具有內(nèi)部上拉電阻。輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流，作為輸入時，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口外部電路拉低時將輸出電流。復(fù)位過程中，即使系統(tǒng)時鐘未起振，端口C處于高阻狀態(tài)。如果JTAG接口使能，即使出現(xiàn)復(fù)位，引腳PC7(TDI)、PC5（TMS）、PC4（TCK）的上拉電阻也會被激活。端口C也可以用做JTAG接口和其他不同的特殊功能。端口D（PD0~PD7）雙向8位I/O口，具有內(nèi)部上拉電阻。輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流，作為輸入時，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口外部電路拉低時將輸出電流。復(fù)位過程中，即使系統(tǒng)時鐘未起振，端口D處于高阻狀態(tài)。端口D也可以用做其他特殊功能。端口E（PE0~PE2）雙向3位I/O口，具有內(nèi)部上拉電阻。輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流，作為輸入時，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口外部電路拉低時將輸出電流。復(fù)位過程中，即使系統(tǒng)時鐘未起振，端口E處于高阻狀態(tài)。端口E也可以用做其他特殊功能。復(fù)位輸入引腳。持續(xù)時間超過最小門限時間的低電平將引起系統(tǒng)復(fù)位。XTAL1反向振蕩放大器與片內(nèi)時鐘操作電路輸入端XTAL2反向振蕩放大器輸出端圖45為Atmega162的結(jié)構(gòu)框圖。porta drivers/buffersportc drivers/buffersporte drivers/buffersporta digial interfaceporte digial interfaceportc digial interfacepa0~pa7pe0~pe2pc0~pc7programcounterprogramflashinstruction registerinstruction docoderstackpointerSRAMgeneral purposeregisterXYZALUstatusregisterinternaloscillatorwatchdogtimermcu ctrlamp。timinginterruptunittimers/countersEEPROMUSART0USART1programming logicSPIrinterfaceportb drivers/buffersportb digial interfacepb0~pb7portd drivers/buffersportd digial interfacepd0~pb7+oscillatorinternalcalibratedoscillatoroscillatorcontrollinextal1xtal2圖45 Atmega162的結(jié)構(gòu)框圖 Atmega162 block diagramAtmega162很方便搭建控制系統(tǒng)，而且AVR單片機基本都有ISP功能，可以方便開發(fā)，省去了昂貴的開發(fā)費用。圖46是Atmega162的典型應(yīng)用電路圖。圖46 Atmega162應(yīng)用電路圖 The application circuit of Atmega162（3）時鐘模塊時鐘模塊主要為基站提供實時時鐘，方便記錄監(jiān)測數(shù)據(jù)，對于數(shù)據(jù)的存儲和管理有重要作用。時鐘模塊可以采用軟件或硬件的形式來實現(xiàn)。采用軟件形式即由主控單元利用定時器或精確時鐘來進(jìn)行計時，進(jìn)而提供日期與時間信息。采用軟件計時不需要專門的硬件電路，可以減少硬件開銷，降低成本，但同時會占用主控單元較多的資源。采用硬件形式也就是設(shè)計專門的計時電路，該電路直接為MCU提供時間信息。本文采用硬件電路來完成時鐘模塊。DS1302是一種應(yīng)用較多的實時時鐘芯片，本文采用DS1302來設(shè)計時鐘模塊。下面簡要說明一下這款芯片。DS1302是美國DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗、帶RAM的實時時鐘電路，它可以對年、月、日、周日、時、分、秒進(jìn)行計時，具有閏年補償功能，～。采用三線接口與CPU進(jìn)行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個字節(jié)的時鐘信號或RAM數(shù)據(jù)。DS1302內(nèi)部有一個318的用于臨時性存放數(shù)據(jù)的RAM寄存器。DS1302是DS1202的升級產(chǎn)品，與DS1202兼容，但增加了主電源/后背電源雙電源引腳，同時提供了對后背電源進(jìn)行涓細(xì)電流充電的能力。圖47 DS1302引腳分配圖Fig47 Assignment of DS1302 Pins圖47是DS1302的引腳分配圖，由于采用串行通信方式，DS1302的引腳較少，外圍電路也相當(dāng)簡單。DS1302的引腳功能如下：表47 DS1302引腳說明Tab47 Pin description of DS1302XX2GND地復(fù)位引腳I/O數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳SCLK串行時鐘引腳VCCVCC2電源引腳表中VCC1為后備電源，VCC2為主電源。在主電源關(guān)閉的情況下，也能保持時鐘的連續(xù)運行（有后備電源）。DS1302由VCC1或VCC2兩者中的較大者供電。當(dāng)VCC2大于VCC1＋，VCC2給DS1302供電。當(dāng)VCC2小于VCC1時，DS1302由VCC1供電。X1和X2是振蕩源。RST是復(fù)位/片選線，通過把RST輸入驅(qū)動置高電平來啟動所有的數(shù)據(jù)傳送。RST輸入有兩種功能：首先，RST接通控制邏輯，允許地址/命令序列送入移位寄存器；其次，RST提供終止單字節(jié)或多字節(jié)數(shù)據(jù)的傳送手段。當(dāng)RST為高電平時，所有的數(shù)據(jù)傳送被初始化，允許對DS1302進(jìn)行操作。如果在傳送過程中RST置為低電平，則會終止此次數(shù)據(jù)傳送，I/O引腳變?yōu)楦咦钁B(tài)。上電運行時，在Vcc≥，RST必須保持低電平。只有在SCLK為低電平時，才能將RST置為高電平。I/O為串行數(shù)據(jù)輸入輸出端(雙向)，與MCU串行通信。，加上電源電路就可工作。圖47是基于DS1302的時鐘模塊設(shè)計電路。，后備電源采用3V電池供電。SCLK、I/O、分別與單片機相連。圖48 時鐘模塊電路Fig48 Circuit of clock model（4）電源模塊電源模塊為基站提供所需的不同等級的電壓，保證可靠的供電。電源模塊從井下的電源箱輸出的本安電源取電，確保安全。井下電源箱（礦用防爆型）將井下變電所送出的電壓（供電電壓可以選擇為：660V/380V/127V）進(jìn)行變換和整定，輸出為較低電壓的本安電源（12V/18V），由此可簡化基站電源模塊的設(shè)計。圖49 基站供電示意圖Fig49 Schematic diagram of power supply to BS基站的供電要求是：主控單元（Atmega162）DC+，無線收發(fā)模塊DC+，時鐘模塊DC+，通信模塊需要DC+5V電壓（后續(xù)設(shè)計中會進(jìn)行說明）。因此要求電源模塊要將電源箱輸出的電壓調(diào)整至+5V和+?？梢圆捎眉煞€(wěn)壓器來進(jìn)行電壓調(diào)整，先將電壓調(diào)整至+5V，然后再穩(wěn)壓到+。+5V穩(wěn)壓器選用常用的L7805，L7805最高輸入電壓+35V，輸出+5V。+，該芯片輸入電壓+~+10V，輸出+。圖410為電源模塊的電路圖，輸入電壓經(jīng)過L7805穩(wěn)壓到+5V，可以為通信模塊提供電源；++，為主控單元、無線收發(fā)模塊和時鐘模塊供電。圖410 電源模塊電路Fig410 Circuit of power supply model（5）基站硬件電路圖設(shè)計完基站的各個模塊后很容易得到基站的電路圖，圖410是基站的硬件電路圖（不包括通信模塊）。ATmega162是主控單元，nRF9E5是無線收發(fā)模塊的射頻收發(fā)芯片，DS1302是時鐘電路模塊的實時時鐘芯片。ATmega162與無線收發(fā)模塊的通信是通過串行接口來完成的，nRF9E5的突發(fā)傳輸模式可以實現(xiàn)低速MCU控制高速無線收發(fā)數(shù)據(jù)。Atmega162的SPI接口可以對片外的Flash存儲器進(jìn)行讀寫，也可以用來對nRF9E5進(jìn)行配置。圖411 基站（無線收發(fā)）電路 BS circuit(wireless receive and transmit) 射頻卡硬件電路設(shè)計射頻卡由于要讓工人隨身攜帶，要求體積小巧。同時由于需要采用電池供電要求其功耗低，工作時間長。圖412 射頻標(biāo)簽原理框圖Fig412 Block diagram of RF tag前面所述的射頻芯片nRF9E5由于內(nèi)部集成有MCU因此可以省去附加的MCU使得電路設(shè)計簡化，同時功耗也很低，因此采用nRF9E5設(shè)計射頻卡。射頻卡的工作較為簡單，與基站的無線收發(fā)模塊部分基本相同，只不過電源模塊只需+，因此可以參考基站部分的設(shè)計。圖413是射頻卡的硬件電路圖。圖413 射頻卡硬件電路圖 Hardware circuit of RF card 無線通信子系統(tǒng)的軟件設(shè)計無線通信部分有兩個部分：基站和射頻卡。基站的無限收發(fā)部分與射頻卡的軟件設(shè)計要配合完成數(shù)據(jù)的傳輸。由于nRF9E5內(nèi)部集成有MCU，基站的軟件設(shè)計包括主控單元和無線收發(fā)模塊。無