【正文】 支持；?具有獨立的定位檢測硬件核心。 電源模塊電源對于傳感器的穩(wěn)定工作和節(jié)能至關(guān)重要。本課題中采用新型的PWM調(diào)制的穩(wěn)壓電源模塊TPS63000，與傳統(tǒng)的線性分壓穩(wěn)壓芯片相比，明顯節(jié)能。其特點如下：? 具有96%高效率? 高輸出電流，（Vin）時可達800mA? 能夠在步進和Boost模式之間自動過渡? 高截止性，器件靜態(tài)電流小于50mA? 輸入電壓范圍較寬：~? ~ ? 溫度檢測與過溫保護 過車傳感器相關(guān)的通信 Zigbee 網(wǎng)絡的設(shè)備有兩種，協(xié)調(diào)器和終端。協(xié)調(diào)器：協(xié)調(diào)器的功能主要是建立網(wǎng)絡和進行網(wǎng)絡管理。ZigBee 協(xié)調(diào)器上電后通過掃描尋找一個空閑信道來創(chuàng)建新網(wǎng)絡；接收新節(jié)點加入并分配網(wǎng)絡地址，維護一個目前連接設(shè)備的網(wǎng)絡列表。在本課題研究中，協(xié)調(diào)器用于將主機端監(jiān)控程序發(fā)送的命令傳遞給具體的傳感器，或是接收過車傳感器采集的數(shù)據(jù)并上傳給上位機。協(xié)調(diào)器節(jié)點的程序流程如圖 所示。中國礦業(yè)大學（北京）碩士學位論文 22 圖 協(xié)調(diào)器節(jié)點的工作 Work of Coordinator node終端：系統(tǒng)復位時終端節(jié)點先進行硬件初始化，掃描所有可用信道來尋找臨近的協(xié)調(diào)器，申請加入該協(xié)調(diào)器所創(chuàng)建的網(wǎng)絡。過車傳感器為終端設(shè)備。終端設(shè)備的程序流程如圖 所示。中國礦業(yè)大學（北京）碩士學位論文 23 圖 終端設(shè)備的工作流程 Terminal equipment working process一個傳感器只能檢測一個車道的車輛。為了檢測車輛的速度，軸數(shù)和軸間距等參數(shù)，每個車道需要安裝兩個傳感器。對于六車道的高速公路，需要 12 個傳感器。在進行交通量數(shù)據(jù)采集時，采集系統(tǒng)中存在兩種通信，一種是傳感器之間的通信，另一種是傳感器與計算機之間的通信。車輛數(shù)據(jù)采集過程如下：當有車通過時，傳感器 1 檢測到車輛后，立即給同車道的傳感器 2 發(fā)送信息，傳感器 2 清零計時器并開始計時；在此之后，當傳感器 2 檢測到車輛時，讀出計時器值并放入環(huán)形緩沖器。傳感器之間的通信只限于同一車道的兩個傳感器之間，所以采用 Zigbee 中的綁定進行兩個傳感器之間的通信。在 ZigBee2022 版本中規(guī)定，在全部節(jié)點中實現(xiàn)綁定機制，并將其稱為源綁定。綁定機制允許一個應用服務在不知道目標地址的情況下向?qū)Ψ剑ǖ膽梅眨┌l(fā)送數(shù)據(jù)包。發(fā)送時使用的目標地址將由應用支持子層從綁定表中自動獲得，從而能使消息順利被目標節(jié)點的一個或多個應用服務，乃至分組接收。傳感器與計算機之間的通信由計算機通過主節(jié)點向具體的傳感器發(fā)出命令。中國礦業(yè)大學（北京）碩士學位論文 24 圖 傳感器網(wǎng)絡與通信 圖 傳感器網(wǎng)絡的通信 Sensor work munication 本章小結(jié) 本章中首先確定了系統(tǒng)設(shè)計的原則，建立了傳感器硬件框架，確定了傳感器系統(tǒng)的組成，對硬件進行了選型，Zigbee 無線通信選用了 TI 公司的 CC2430，該芯片除了無線通信功能外，還有一個功能強大的 C8051F CPU 和最高達 14 位的 A/D 轉(zhuǎn)換器，不需要單獨的A/D 轉(zhuǎn)換電路進行磁阻傳感器的采樣，選用該款 CPU 使得傳感器的體積和功耗大大減小。最后對傳感器之間及傳感器和計算機之間的組網(wǎng)通信進行了研究。行駛方向傳感器1傳感器2傳感器1傳感器2傳感器1傳感器2車道車道車道Zigbee 協(xié)調(diào)器計算機USB 接口中國礦業(yè)大學（北京）碩士學位論文 25 4. 過車傳感器的硬件電路和驅(qū)動開發(fā)過車傳感器的硬件系統(tǒng)由 CPU,數(shù)據(jù)存儲,RF 電路和電源電路組成。傳感器硬件設(shè)計遵循第 3 章中的原則，低功耗，抗干擾，工作可靠。 傳感器電路傳感器的硬件包括以下幾個部分：CPU，數(shù)據(jù)存儲，A/D 轉(zhuǎn)換，電源等。 CPU 電路系統(tǒng) CPU 采用 CC2430 系列的 Zigbee 芯片，該芯片內(nèi)部整合有一個功能強大的8051CPU，本課題中采用具有 128k 閃存的 CC2430F128。CPU 電路包括復位、晶振和天線電路。由于外接天線無法放置于路面上，因此，采用了 PCB 天線。這種天線的設(shè)計需要豐富的經(jīng)驗和測試設(shè)備，而課題研究中不具備這些條件，故采用市售的 CC2430 電路版，板子的面積為 ，能夠滿足傳感器對尺寸的要求。圖 傳感器所用 CC2430 電路圖 The CC2430 diagram of sensors A/D 轉(zhuǎn)換電路進行交通量數(shù)據(jù)采集時，要求精度為毫秒級，CC2430 的 A/D 轉(zhuǎn)換時間在 14 位時為中國礦業(yè)大學（北京）碩士學位論文 26 132μs，基本能夠滿足要求。為節(jié)省電能和減小體積，使用 CC2430 本身的 A/D 轉(zhuǎn)換器進行數(shù)據(jù)采集。 數(shù)據(jù)存儲器電路車輛記錄的存儲采用 AT45DB161B。這是一款串口連接的閃存芯片，只需要 7 根 CPU的 I/O 口線。技術(shù)指標如下：單一 — 電源供電SPI 兼容最大 20MHz 時鐘頻率頁編程操作支持頁和塊擦除操作低功耗：讀電流 4mA，待機電流 2uA硬件數(shù)據(jù)保護容量 4096 頁 X528 字節(jié) 電源電路 過車傳感器一般被安置于路面，工作環(huán)境惡劣，因此要保證傳感器穩(wěn)定工作首先需要可靠的供電設(shè)計，雖然數(shù)據(jù)采集的實時性要求很高，但一般情況下數(shù)據(jù)的發(fā)送在可以滯后一段時間或是集中發(fā)送，因此完全可以采用電池作為系統(tǒng)唯一的能量來源。CC2430 的電源電壓為 ，所以使用 的鋰電池供電。按照交通量調(diào)查的要求，需要采集連續(xù) 24 小時的車輛數(shù)據(jù)，考慮到特殊調(diào)查的需要，電池應能連續(xù)供電 48 小時。根據(jù) CC2430 的數(shù)據(jù)手冊，工作在 32MHz 時，8051CPU 的電流為 ，A/D 轉(zhuǎn)換的電流為 ，考慮到其它電路的耗電量，總的平均電流不會超過 15mA，故選擇 600mAh 的鋰電池作為電源。 [24]圖 傳感器的電源電路 The power circuit of the sensor中國礦業(yè)大學（北京）碩士學位論文 27 驅(qū)動程序的開發(fā)驅(qū)動程序?qū)嶋H上就是控制系統(tǒng)硬件設(shè)備的函數(shù)，它為硬件和計算機之間的連接提供軟件接口，使應用程序以規(guī)范的方式訪問硬件，而不必考慮面對不同硬件時如何具體實現(xiàn)對其控制。從位置上來說，驅(qū)動程序位于設(shè)備和應用之間。在開發(fā)嵌入式系統(tǒng)的過程中，一般沒有通用的驅(qū)動程序可以使用。因此，驅(qū)動程序開發(fā)是整個嵌入式系統(tǒng)研發(fā)過程中必不可少的一個組成部分。驅(qū)動程序是操作系統(tǒng)中連接和控制硬件的關(guān)鍵模塊，主要工作包括對硬件初始化、中斷響應、讀寫等，保證設(shè)備的基本功能能夠正常實現(xiàn)。另外，由于硬件在具體工作的時候難免會出現(xiàn)各種差錯，因此驅(qū)動程序還應當包括一些錯誤處理函數(shù)，具備一定的糾錯能力，能夠使設(shè)備能從錯誤的工作狀態(tài)中恢復過來。嵌入式系統(tǒng)中的所有驅(qū)動程序都會遵循通用的接口。采用的是面向?qū)ο蟮慕M織方式，即一個設(shè)備就是一個對象（數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)） 。而每個對象內(nèi)部都有自己的數(shù)據(jù)和方法，當一個設(shè)備的方法被調(diào)用的時候都是以設(shè)備對象本身作為第一個參數(shù)。對上層的應用而言，設(shè)備驅(qū)動程序隱藏了設(shè)備的具體細節(jié)，為各種不通型號、不通種類的設(shè)備提供了簡便、高效的接口，應用程序可以如同調(diào)用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)一樣對此設(shè)備進行操作。典型的驅(qū)動程序一般都會有以下幾部分：硬件的初始化：在系統(tǒng)啟動時，調(diào)用驅(qū)動程序中的初始化函數(shù)來創(chuàng)建設(shè)備對象。設(shè)備對象實際上是一個代表該設(shè)備的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，是一個全局變量。應用對這個設(shè)備的所有操作（讀取或改寫設(shè)備的參數(shù)，調(diào)用設(shè)備的功能等）都通過這個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。每個硬件設(shè)備的驅(qū)動程序必須有一個初始化函數(shù)，根據(jù)硬件的特征檢查硬件是否存在，配置和初始化硬件，將設(shè)備初始化等相應的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。設(shè)備的讀寫：讀和寫是對一個設(shè)備最基本的操作。任何一個硬件都要同系統(tǒng)中的其他部件（CPU 、系統(tǒng)中線、設(shè)備控制器）進行數(shù)據(jù)交流。進行數(shù)據(jù)交流就不可避免的要對該硬件設(shè)備進行讀寫操作。在有數(shù)據(jù)要發(fā)送時系統(tǒng)軟件就會調(diào)用驅(qū)動程序中的寫函數(shù)，而當從設(shè)備接收數(shù)據(jù)或是查詢設(shè)備狀態(tài)時，系統(tǒng)就會調(diào)用驅(qū)動程序中的讀函數(shù)。中斷服務程序：相對于 CPU，設(shè)備的運行速度要慢很多，因此，設(shè)備常常采用中斷工作的方式來維持整個系統(tǒng)的同步。另一方面，設(shè)備也需要中斷工作方式來提高其實時性。因此中斷服務對于設(shè)備的正常運行非常重要。驅(qū)動程序還要為設(shè)備的中斷請求提供響應。通常是將一個或幾個中斷處理函數(shù)注冊到設(shè)備相對應的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中。在設(shè)備發(fā)送中斷請求后，系統(tǒng)便會調(diào)用驅(qū)動程序中的中斷處理程序。時鐘：時鐘就相當于系統(tǒng)的計時裝置，是一種非常重要的系統(tǒng)資源，幾乎每個設(shè)備都會用到的，如網(wǎng)絡協(xié)議里的超時處理，系統(tǒng)硬件的輪詢等。在實現(xiàn)驅(qū)動程序時，需要對時鐘操作的函數(shù)進行設(shè)置，如時鐘的啟動、停止和時間設(shè)置。中國礦業(yè)大學（北京）碩士學位論文 28 過車傳感器的驅(qū)動程序過車傳感器的硬件設(shè)備有 A/D 轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)讀寫和無線通信。無線通信在 ZStack 中已經(jīng)實現(xiàn)。我們只需要開發(fā)數(shù)據(jù)存儲器和 A/D 轉(zhuǎn)換的基本操作函數(shù)。 數(shù)據(jù)存儲器的操作函數(shù)數(shù)據(jù)存儲器的操作包括：讀，寫和擦除。在編寫基本操作函數(shù)之前，先簡要介紹數(shù)據(jù)存儲器 45DB161B 的引腳和操作命令。表 45DB161 的引腳引腳 功能CS 片選信號SCK 串行時鐘SI 串行輸入SO 串行輸出WP 硬件頁寫保護RESET 復位RDY/BUSY 就緒/忙表 45DB161 的命令表命令 操作碼讀連續(xù)陣列 68H讀主存頁 E8H讀 BUFFER1 52H讀 BUFFER2 D2H讀狀態(tài)寄存器 54H寫 BUFFER1 84H寫 BUFFER2 87H帶擦除的將 Buffer1 編程到主存頁 83H帶擦除的將 Buffer2 編程到主存頁 86H不帶擦除的將 Buffer1 編程到主存頁 88H不帶擦除的將 Buffer2 編程到主存頁 89H頁擦除 81H塊擦除 50H通過 Buffer1 的主存頁編程 82H通過 Buffer2 的主存頁編程 85H中國礦業(yè)大學（北京）碩士學位論文 29 有關(guān)數(shù)據(jù)存儲器的操作方法可參考 45DB161B 的技術(shù)資料，這里不再介紹。// 數(shù)據(jù)存儲器操作命令define DM_STATE_READ 0x54 // 讀狀態(tài)寄存器define DM_WRITE_BUFFER1 0x84 // 寫 Buffer1define DM_WRITE_BUFFER2 0x87 // 寫 Buffer2define DM_READ_BUFFER1 0x54 // 讀 Buffer1define DM_READ_BUFFER2 0x56 // 讀 Buffer2define DM_BUF1_WRITE_ERASE 0x83 // 帶擦除 Buffer1 到主存define DM_BUF2_WRITE_ERASE 0x86 // 帶擦除 Buffer2 到主存//數(shù)據(jù)存儲器引腳定義define DM_CS BIT2 // CS 腳接 define DM_SCLK BIT3 // SCLK define DM_SI BIT1 // SI define DM_SO BIT2 // SO define DM_RDY BIT0 // RDY define DM_RESET BIT3 // RESET //SPI 時鐘脈沖define DM_SCLK_H P3OUT |= DM_SCLKdefine DM_SCLK_L P3OUT amp。= ~DM_SCLK//數(shù)據(jù)輸入口 1, 0define DM_SI_H P3OUT |= DM_SIdefine DM_SI_L P3OUT amp。= ~DM_SI//數(shù)據(jù)存儲器初始化void dm_init(void){// 采用模擬三線 SPI 方式 0 時序方式與 DataFlash 通訊P3DIR |= DM_SCLK + DM_SI。P3DIR amp。= ~(DM_SO + DM_RDY)。P3SEL amp。= ~(DM_SCLK + DM_SI + DM_SO)。P3OUT amp。= ~DM_SCLK。P2DIR |= DM_CS + DM_RESET。P2SEL amp。= ~(DM_CS + DM_RESET)。P2OUT |= DM_CS + DM_RESET。dmreset()。}// 數(shù)據(jù)存儲器復位中國礦業(yè)大學（北京）碩士學位論文 30 void dmreset(void){unsigned int i = 0。DM_RESET_H。DM_CS_L。delay(10)。DM_RESET_L。// 延時 10uS 以上，復位 DataFlashfor(i = 0。 i 0x1ff。 i++)。{_NOP()。}DM_CS_H。delay(10)。DM_RESET_H。DM_CS_L。delay(10)。DM_CS_H。}//忙狀態(tài)檢測int dm_busy_check(void){if((P3IN amp。 DF_RDY))return 0。return 1。}// 傳輸一個字節(jié)數(shù)據(jù)char dm_Byte_Send(char cData){// 收到的數(shù)據(jù)