【正文】 為保證每個器件都可以得到良好的電源供應， 需要對電源的阻抗 進行控制 。 SSN 噪聲可以表述為： 公式 (43) 其中 I 是指 整個開關的輸出電流 ， N 是 同步開關的數(shù)目 ， LLoop 是 整個 回流路徑上 的 電感 ， VSSN 是 同步噪聲 大小。 對于特性阻抗相同的導線， 使用介電常數(shù)較小的材料 將會減小串擾。 前者 發(fā)生在大多數(shù) 連接到導線上 ， 后者 發(fā)生在接插件和封裝上。 由此可見 ，當 Zt= Z0 時， ρ =0，負載完全吸收 到達 的能量， 沒有任何信號反射回原端， 這時就不會發(fā)生反射 。 通常，對于 高度數(shù)字電路 信號完整性要求 嚴格的系統(tǒng) 需要在 PCB板 設計 前簡歷 SI模型進行預分析、仿真處理， 再根據(jù)仿真結果完成 PCB 布局布線工作， 必要時需要對信號線進行阻抗匹配。 電子科技大學學士學位論文 26 PCB 的信號完整性 問題 信號完整性 （ SI） 指 信號在電路板中 以正 確的時序和電壓做出響應的能力 ，是對信號線上 信號質量好壞 的一種描述。 任何由頻率源 產(chǎn)生 的 電磁干擾 （ EMI） 的 傳播都會降低級與級之間的隔離度， 或者導致無線電系統(tǒng)的 其他 形成諧波 或 混頻分量 ， 而進入合成器或者 VCO 的 EMI 會產(chǎn)生 我們 所不希望的寄生信號 。 由于電源線 和 地線 存在一定的電阻， 其電流的變化 將通過阻抗引起尖峰電壓， 這種 電壓造成的電磁干擾可能引起誤操作。 高頻 和模擬電路的電磁敏感度 主要取決于器件的靈敏度和帶寬 [35]。 其次 ， 節(jié)點電路包含了 模擬電路 、數(shù)字電路、微波電路等 ， 其中包含了多種放大器 。 PCB 的 電磁兼容問題 電磁兼容 （ EMC） 指 電子設備在 共同環(huán)境中 能夠 一起 執(zhí)行各自功能 ， 設備 的正常工作不會被 由于受到處于同一電磁環(huán)境中的 其他 設備 產(chǎn)生的 電磁發(fā)射 所影響 ，也不會使其他設備 由于 其電磁發(fā)射 而導致 性能降級 [32]~[33]。 在結構與布局設計時 ， 常按照功能特點在整體上進行布板區(qū)域劃分， 形成相互 聯(lián)系功能卻 區(qū)別明顯不同的模塊 ， 比如可以將模擬電路 與 數(shù)字電路進行劃分 、 高頻電路與低頻電路 劃分 、 產(chǎn)生干擾信號器件 與 敏感器件區(qū)域劃分 等 。 隨著電子 、通信技術的發(fā)展， PCB 設計 的重要性與日俱增 ， PCB 設計 也得到越來越多的關注。用戶也可以通過 各種 命令 ， 以控制模塊 完成 多 種不同的操作， 使用非常靈活。同時將 A 和 B 端之間加匹配電阻，一般可選 121Ω的電阻。 MAX487 芯片的結構和引腳都非常簡單 ,內部含有一個驅動器和接收器。 扛過流能力 可以使用 自恢復保險絲實現(xiàn) ， 在過流時其內阻升高， 過流后可以實現(xiàn)自動恢復。 因此 ， 需要保證 只在總線終端 的節(jié)點 才將終端電阻啟用 。 圖 312 利用終端電阻實現(xiàn)失效保護 總線 匹配 由于在總線的兩端 總線結束時， 會存在阻抗不匹配和 阻抗不連續(xù)的情況， 因此會出現(xiàn)信號的反射， 降低了通信的可靠性。 具體的參數(shù)選擇 可以通過連續(xù)的通信實驗取得 。 通信速率 通信速率的提高 可以增加抄收速度 ， 但是與 總線實際情況 不匹配的 過高的通信速率會降低 通信的可靠性 。 RS485在 實際 應用中 需要 綜合考慮以下 幾個方面 來提高其可靠性： 網(wǎng)絡拓撲結構 ： RS485 網(wǎng)絡拓撲一般采用終端匹配 的 總線型結構 ， 不支持環(huán)形或星形網(wǎng)絡，最好采用 一條總線將各個節(jié)點串聯(lián)起來， 且節(jié)點與總線 間 的分支線 不應該超過 5米 ， 以盡量減少總線上的信號突變。同樣 ，在接收端接收器 也做與發(fā)送端相對的規(guī)定， 當在 接收端 A、 B 線 之間 有大于 177。MAX3221 的 工作溫度 范圍 為 0℃ ~70℃ [26]。 MAX3221 是 MAXIM 公司生產(chǎn) 的一種 單組驅動器 /接收器 芯片 ， 片內含有一個電容性 電壓 發(fā)生器 ， 用來在 單 電源供電時 提供 EIA/TIA232E 電平 ?？梢?，信號 在從信號源到 終點的傳遞過程中 允許 有 2V 的 電壓降 （即 2V 噪聲容限）。 任何 插針信號都對應著 ON/OFF（或 SPACE/MARK）狀態(tài)中的一種 。該標準 定義 了數(shù)據(jù)終端設備 （ DTE）數(shù)據(jù)通信設備 （ DCE） 之間 的連接信號的含義 及其 電壓信號規(guī)范 等 參數(shù) 。 在 實際使用中，如果直接用單片機引腳驅動數(shù)碼管，由于 MSP430 端口驅動能力有限 ，則會導致數(shù)碼管亮度不高，要提高數(shù)碼管亮度， 本系統(tǒng) 采用鎖存器來第三章 前端節(jié)點的硬件設計 17 驅動數(shù)碼管。 圖 37 三位 7 段 數(shù)碼 管 顯示電路 數(shù)碼管 動態(tài)顯示接口是單片機中應用最 為 廣泛 的 一種顯示方式，動態(tài)驅動是將所有數(shù)碼管的 8 個顯示筆劃“ a， b， c， d， e， f， g， dp”的 同名端連在一起，另外為每個數(shù)碼管的公共極 COM 增加位選通控制電路 ，位選通由各自獨立的 I/O線 控制 （本系統(tǒng)中 MSP430F149 的 、 、 作為 位選通的 I/O 端口） ，當單片機輸出字形碼時，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是哪個數(shù)碼管會顯示出字形，取決于單片機對位選通 COM 端電路 的控制，所以只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開，該位就顯示出字形，沒有 選通的數(shù)碼管就不會亮。 報警搜索命令識別和尋址溫度 在編定的極限之外的器件溫度報警情況 。 不需備份電源 。 作為一款數(shù)字式溫度傳感器 ， DS18B20 具有以下特性 ： 獨特的單線接口，只需一個接口引腳即可通信。 溫度傳感器 DS18B20 采集 到溫度 的 數(shù)據(jù)信息，經(jīng) MSP430F149 處理 后，以攝氏度為單位顯示在 3 位 數(shù)碼管上。 復位電路 設計如圖 35 所示 。如果沒有上電復位電路 ， 系統(tǒng)上電后將會從斷電時執(zhí)行到程序的地方開始執(zhí)行程序，導致 運行出錯。 POR和 PUC 兩者 的關系： POR信號 的產(chǎn)生會導致系統(tǒng)復位并產(chǎn)生 PUC 信號 。能夠 觸發(fā) POR 和 PUC 的 信號分別來自 復位引腳 （ 硬件復位分別為上電復位和手動復位 ） 、 看門狗、 FLASH 鍵值出現(xiàn)錯誤產(chǎn)生的信號 。芯片內部包括啟動電路 、 偏置電路、電壓基準源電路、過熱保護、過流保護、功率管及其驅動電路等模塊組成。 每一種晶振 都有各自的特性， 需要按照制造廠商提供的數(shù)值選擇 外部元器件。 這一 現(xiàn)象 在上電復位時 并不第三章 前端節(jié)點的硬件設計 13 特別明顯 ， 因為上電時電路有足夠的擾動 ， 很容易建立振蕩 。通過 器件 片內的 JTAG 接口， 可以電擦寫 FLASH；也可以 先下載程序到 FLASH存儲器 內， 再進行程序調試。 存儲空間結構 MSP430F149 的 存儲空間 采用 “馮 ——諾依曼 ”結構 ， ROM、 RAM、 外圍模塊和 SFR 由同一組地址及數(shù)據(jù)總線連在同一個地址空間中 ， 尋址能力為 64KB。 電子科技大學學士學位論文 12 豐富的片上外圍模塊 它們是以下外圍模塊的不同組合： 基礎時鐘模塊、 FLASH 存儲器 、 48 個 I/O端口（其中 12 個 I/O 端口 具有中斷功能 ）、 硬件乘法器、 通用的 串行同步 /異步通信模塊 USART、 看門狗 定時器 WDT、 16 位 TIMER_A 定時器、 16 位 TIMER_B定時器 、 通用模擬比較器和 12 位 A/D 轉換器 AD12。 強大的處理能力 MSP430F149 單片機運行 16 位 RISC 指令集 ， 具有豐富的尋址方式 （ 7 種 源操作數(shù)尋址， 4 種 目的操作數(shù)尋址） 、 簡潔的 27 條 內核指令 以及大量的模擬指令； 大量的寄存器以及 片內數(shù)據(jù)存儲器 都可以 參加各種運算； 還有高效的查表處理方法 ；有高效的處理速度 ， 在 6M 晶體 振動下， 指令周期 為 167ns，滿足了 前端節(jié)點的 處理速度的要求 。 核心芯片 MSP430F149 MSP430F149 的 外觀如圖 32 所示 。本課題 使用單一傳感器， DS18B20 來 采集溫度信息。 結構 如圖 31 所示 。 無線傳感器網(wǎng)絡 的應用范圍很廣泛， 不同的應用場合 要求會有所不同， 比如采樣速率 和 處理能力 等。 第三章 前端節(jié)點的硬件設計 9 （ 3）穩(wěn)定性和安全性 。 （ 2）低成本 。 單一的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點是 無線傳感器網(wǎng)絡 現(xiàn)實應用的底層核心， 為通信協(xié)議、 應用處理 等 提供硬件支持， 實現(xiàn)任務管理、功耗管理等功能 ， 因此無線傳感器網(wǎng)絡的硬件 平臺設計就是 實現(xiàn) 滿足 應用要求的無線傳感器節(jié)點 。 這些都是 整個無線傳感器網(wǎng)絡體系 中 的重點。 了解嵌入式系統(tǒng)及其相關設計不僅能夠加深對于處理模塊的認識， 還可以幫助我們成功設計出 性能優(yōu)異的 無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點。 具有 低功耗、 短距離通信的特點。 第二章 無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的基本理論 7 （ 3）處理器模塊 是采集節(jié)點 的 核心部分， 由 嵌入式系統(tǒng)構成 。 本次電源設計 采用 USB 供電 。 其中 低功耗是其核心 [19]。無線傳感器網(wǎng)絡一般是 通過 隨機分布到 檢測區(qū)域的 節(jié)點自組織構成網(wǎng)絡， 檢測區(qū)域環(huán)境較為惡劣， 節(jié)點網(wǎng)絡開始工作后 ， 很難進行人工干預 ， 因此需要其 具有自組織 構成網(wǎng)絡 的能力。通常來說由節(jié)點構成的無線傳感器網(wǎng)絡是 檢測特定區(qū)域內的實時環(huán)境變量 ， 因此需要大量節(jié)點長時間地 對某一區(qū)域進行檢測； 由于節(jié)點的能量來源 通常是自身所攜帶的電池， 非常有限， 為了讓節(jié)點之間構成網(wǎng)絡 ， 節(jié)點之間的分布距離不能 太遠 ，所以在檢測區(qū)域內節(jié)點 的 分布間距往往 需要很大 [17]。 第二章 無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的基本理論 5 第二章 無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點 的基本理論 無線傳感器網(wǎng)絡是 一種新型的 信息獲取 和信息處理技術， 其主要由網(wǎng)絡和節(jié)點兩部分構成 ， 其中 ，節(jié)點的性能 直接關系到無線傳感器網(wǎng)絡在實際環(huán)境中的應用 ， 是 無線傳感器網(wǎng)絡的核心組成部分 [10]~[12]。 核心問題 ：通過 Altium Designer 繪制 電路原理圖，并以此設計 PCB。 （ 2） 水環(huán)境監(jiān)測 [9]。 國內第一次無線傳感器 網(wǎng)絡 產(chǎn)業(yè) 發(fā)展 高峰論壇 20xx 年 11 月 17 日在 杭州舉行， “中國 無線傳感網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展 聯(lián)盟”在 這次 會議 上 宣告 正式成立， 這 標志著我 國關于 WSN 的 研究進入到 新階段。 我國在 現(xiàn)代意義的 無線傳感器網(wǎng)絡及 應用方面 幾乎與發(fā)達國家同步啟動。 采用 ARM 系列處理器， 配合 Xilinx 的 現(xiàn)場可編程 門陣 協(xié)同 工作，以藍牙作為通信方式。 （ 2） Smart Dust（智能塵埃）是 美國國防部委托 加州大學伯克利分校開發(fā) 的一款無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點， 其 采用了 SOC 設計方案 ， 將 傳感單元、 處理器 、光通信模塊 等 集成到一個芯片， 成功達到 體積 和 功耗設計要求 。 此外， Motorola 等公司也 推出自己的無線傳感器方案 [5]。到目前為止 ，軍事領域、工業(yè)領域 比較有代表性 的研究 計劃 和成果有： （ 1） 無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點高集成度 的特點 使其適合應用于環(huán)境惡劣的地方 ，如戰(zhàn)場偵察，敵情監(jiān)控 等軍事用途， 美國軍方 的無人值守地面 傳感器 群 等 相關項目。對工業(yè)，家庭自動化控制和工業(yè)遙測遙控領域而言，藍牙技術太復雜，功耗大，距離近，組網(wǎng)規(guī)模太小等。 課題的價值及意義 無線傳感器 應用領域廣泛 ， 但由于其技術尚未完全成熟 ， 全面應用還有待時電子科技大學學士學位論文 2 日 ， 所以仍然存在著 巨大的 應用缺口 和 發(fā)展?jié)摿?， 因此無線傳感器網(wǎng)絡 及 傳感器節(jié)點的研究 具有很大的 必要性。 無線傳感器網(wǎng)絡 擁有體積小、功耗低 、 穩(wěn)定性強、數(shù)據(jù)獲取實時性 等 優(yōu)點，因此人類意識到將無線傳感器網(wǎng)絡 用于 監(jiān)測各類環(huán)境因素 會提高 監(jiān)測 的效率 、 降低監(jiān)測的難度、 增強監(jiān)測的準確性。 隨著科學技術的高速發(fā)展，人們對自然環(huán)境 的監(jiān)測 以及 對生產(chǎn)生活環(huán)境 的 檢測要求 不斷地 提高 。最后根據(jù)節(jié)點原理圖 設計實現(xiàn)了 節(jié)點 PCB 板， 并完成了相關的 程序設計。 無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點 是 構成無線傳感器網(wǎng)絡 的 最基本單位， 在無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)中具有舉足輕重的作用 。節(jié)點技術的提升 與無線傳感器網(wǎng)絡發(fā)展 有著 密不可分的關系， 它直接決定整個網(wǎng)絡的性能。 關鍵字： WSN， MSP430， 溫度采集 ， RS485， 節(jié)點硬件設計 ABSTRACT Ⅱ ABSTRACT Wireless sensor works(WSN) technology, which bines sensor technology, embedded puting technology, modern work and wireless munications technology, has the potential for development. As a basic unit of wireless sensor works, wireless sensor work