【正文】 圖 MAC 幀格式MAC 子層載荷，其長(zhǎng)度可變，不同的幀類型包含不同的信息，如 MAC 子層業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)單元(MSDU)：但整個(gè),MAC 幀的長(zhǎng)度應(yīng)該小于 127 字節(jié)，其內(nèi)容取決于幀類型。MAC子層幀頭由 2 字節(jié)的幀控制域、1 字節(jié)的幀序號(hào)域和最多 20 字節(jié)的地址域組成。圖 4．7 給出了 MAC 子層的數(shù)據(jù)包格式。MAC 層包括一個(gè)稱之為 MLME 的管理實(shí)體，該實(shí)體通過(guò)一個(gè)服務(wù)接口可調(diào)用 MAC 層管理功能，該實(shí)體還負(fù)責(zé)維護(hù) MAC 層固有的管理對(duì)象的數(shù)據(jù)庫(kù)。MAC 子層處理所有物理層無(wú)線信道的接入，其主要工作有：網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器產(chǎn)生并發(fā)送網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)幀：支持多個(gè)域網(wǎng)(PAN)的關(guān)聯(lián)和取消關(guān)聯(lián)；為設(shè)備的安全提供支持；與網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)同步；信道接入方式采用載波監(jiān)聽多址接入／沖突避免(CSMA／CA)機(jī)制；處理和維護(hù)保護(hù)時(shí)隙(GTS)機(jī)制：基于 eZ430RF2500 的無(wú)線溫度傳感器的設(shè)計(jì)13在兩個(gè)對(duì)等的 MAC 實(shí)體之間提供一個(gè)可靠的通信鏈路。MAC 子層使用物理層提供的服務(wù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)幀傳輸，而 LLC 子層在 MAC 子層的基礎(chǔ)上，在設(shè)備之間提供面向連接(關(guān)聯(lián))和非連接(取消關(guān)聯(lián))的服務(wù)。如果數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度類型為 5 字節(jié)或大于8 字節(jié)，那么物理層服務(wù)數(shù)據(jù)單元(PSDU)攜帶 MAC 層的幀信息，即 MAC 層協(xié)議數(shù)據(jù)單元。ZigBee 物理層數(shù)據(jù)包由同步包頭、物理層包頭和物理層凈荷三部分組成。通過(guò)這兩個(gè)服務(wù)接入點(diǎn)提供如下服務(wù)：通過(guò)物理層數(shù)據(jù)服務(wù)接基于 eZ430RF2500 的無(wú)線溫度傳感器的設(shè)計(jì)12入點(diǎn)(PD—SAP)為物理層數(shù)據(jù)提供服務(wù)；通過(guò)物理層管理實(shí)體(PLME)服務(wù)的接入點(diǎn)(PLME—SAP)為物理層管理提供服務(wù)。物理層通過(guò)射頻固件和射頻硬件提供了一個(gè)從 MAC 層到物理層無(wú)線信道的接口。PHY 數(shù)據(jù)服務(wù)：在物理無(wú)線信道上接收和發(fā)送 PHY 協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PPDUs)，物理層負(fù)責(zé)下面的任務(wù)：無(wú)線收發(fā)信機(jī)的激活和去激活；在當(dāng)前信道上的能量監(jiān)測(cè)(ED)；鏈路質(zhì)量指示(LQI)，用在接收的數(shù)據(jù)包上；清除信道評(píng)估(CCA)；信道頻率選擇；數(shù)據(jù)發(fā)送和接收；IEEE 在物理層中還規(guī)范了傳輸速率以及調(diào)制方式等相關(guān)要求。868MHz 上的傳輸速率為 20kb／s，915MHz 上的傳輸速率則是 40kb／s。2．4GHz 的物理層通過(guò)采用 16 相調(diào)制技術(shù)，能夠提供250kb／s 的傳輸速率，從而提高了數(shù)據(jù)吞吐率，縮短了通信時(shí)延和數(shù)據(jù)收發(fā)的時(shí)間，所以更加省電。兩個(gè)物理層都基于直接序列擴(kuò)頻(DSSS，Direct Sequence Spread Spectrum)技術(shù)，使用相同的物理層數(shù)據(jù)包格式，區(qū)別在于工作頻率、調(diào)制技術(shù)、擴(kuò)頻碼片長(zhǎng)度和傳輸速率的不同。4．2．1 PHY(物理)層ZigBee 的通信頻率在物理層來(lái)規(guī)范，ZigBee 根據(jù)不同的國(guó)家和地區(qū)為其提供不同的工作頻率范圍，ZigBee 所使用的頻率范圍分別為 2．4GHz 和868／915MHz。所有基于競(jìng)爭(zhēng)的傳輸都要在 CFP 開始前結(jié)束，同樣，GTS 的傳輸也要確保在下個(gè) GTS 開始前結(jié)束。GTS 由無(wú)競(jìng)爭(zhēng)時(shí)段(CFP)組成，它總是緊跟著 CAP，在活躍的超幀尾部。在非活躍部分，協(xié)調(diào)器將不與網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系，進(jìn)入低能模式。所有的傳輸要在下一個(gè)信標(biāo)到來(lái)之前結(jié)束。信標(biāo)可用來(lái)使接入的設(shè)備同步，描述超幀結(jié)構(gòu)。超幀的格式由傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器定義，超幀被分為 16 個(gè)大小相等的時(shí)隙 n 別，由協(xié)調(diào)器發(fā)送，如圖 4．2所示。ZigBee 的網(wǎng)絡(luò)層主要用于 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)連接、數(shù)據(jù)管理以及網(wǎng)絡(luò)安全等，而應(yīng)用層主要用于對(duì) ZigBee 技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用提供一些應(yīng)用框架模型等。管理服務(wù)通過(guò) MAC 層管理實(shí)體(MLME)服務(wù)接入點(diǎn)(SAP)訪問(wèn)高層，MAC 層數(shù)據(jù)服務(wù)使 MAC 層協(xié)議數(shù)據(jù)單元(MPDU)的收發(fā)可以通過(guò)物理層數(shù)據(jù)服務(wù)。然后這個(gè)連續(xù)的偽噪聲 CHIP序列被調(diào)制(采用最小鍵控方式)到載波上，即采用半正弦脈沖波形的偏移正交相移鍵控(OOPSK)調(diào)制方式。從能量、成本和效率來(lái)看，不同的數(shù)據(jù)速率能為不同的應(yīng)用提供較好的選擇。在 IEEE802．15．4 中，總共分配了 27 個(gè)具有 3 種速率的信道：在 2．4GHz 頻段有 16 個(gè)速率為 250kb／s 的信道；在915MHz 頻段有 lO 個(gè) 40kb／s 的信道；在 868MHz 頻段有一個(gè) 20kb／s 的信道。ZigBee 聯(lián)盟提供了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層(APL)框架的設(shè)計(jì)，其中應(yīng)用層的框架包括了應(yīng)用支持子層(APS)、ZigBee 設(shè)備對(duì)象(ZDO)和由制造商制訂的應(yīng)用對(duì)象。它是基于標(biāo)準(zhǔn)的開放式系統(tǒng)互聯(lián)(OSI)模型，但僅對(duì)那些涉及 ZigBee 的層予以定義。每個(gè)服務(wù)實(shí)體通過(guò)一個(gè)服務(wù)接入點(diǎn)(SAP)為其上層提供服務(wù)接口，并且每個(gè) SAP 提供了一系列的基本服務(wù)指令來(lái)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。4．1 ZigBee 協(xié)議棧概述ZigBee 技術(shù)是一個(gè)具有統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的短距離無(wú)線通信技術(shù)?；鶐盘?hào)的同相分量和正交分量直接被數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，通過(guò)低通濾波器后，直接變頻到設(shè)定的信道上。接收數(shù)據(jù)時(shí)，這些部分只用于幀同步和CRC 校驗(yàn)，而不會(huì)保存到接收 FIFO 緩存區(qū)。CC2500 的 FIFO 緩存區(qū)保存 MAC 幀的長(zhǎng)度、MAC 幀頭和 MAC 幀負(fù)載數(shù)據(jù)三個(gè)部分，而不保存幀校驗(yàn)碼。后續(xù)的處理，如自動(dòng)增益控制、最終信道選擇、解擴(kuò)以及字節(jié)同步等，都是以數(shù)字信號(hào)的形式處理。CC2500 從天線接收到射頻信號(hào)時(shí)，首先經(jīng)過(guò)低噪聲放大器(Low Noise Amplifier,LNA)，然后在正交下變頻到2MHz 的中頻上，形成中頻信號(hào)的同向分量和正交分量。8)與微處理器的接口配置容易(4 總線 SPI 接口)。5)所需外圍元件很少。2)工作頻帶范圍:3)數(shù)據(jù)傳輸速率為 500kpbs。CC2500 的選擇性和敏感性質(zhì)數(shù)超過(guò)了 IEEE8 標(biāo)準(zhǔn)的要求，可確保短距離通信的有效性和可靠性，且其數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達(dá) 500kpbs，因此可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的快速組網(wǎng)。而且 CC2500。CC2500 具有片上載波感應(yīng)指示燈和數(shù)字 RSSI 輸出，有助于提高無(wú)線鏈路的質(zhì)量。CC2500 基于 Chipcon 公司的 SmartRF03 技術(shù)，以 ,no CMOS 工藝制成。2．3．3 MSP430F2274 的尋址模式MSP430F2274有 7種尋址方式，其中源操作數(shù)可用全部的 7種方式尋址，而目的操作數(shù)只有 4種方式尋址。程序代碼可分為 3 種情況：中斷向量區(qū)、用戶程序代碼及系統(tǒng)引導(dǎo)程序。程序存儲(chǔ)器 ROM程序 ROM 區(qū)位 0FFFFH 以下一定數(shù)量存儲(chǔ)空間，可存放指令代碼和數(shù)據(jù)表 格。在字節(jié)操作時(shí)，每 8 位為一個(gè)操作單位；在字操作時(shí)，每?jī)蓚€(gè)字節(jié)為一個(gè)操作單位，而且對(duì)準(zhǔn)偶地址操作?？梢宰植僮?，也可以字節(jié)操作，通過(guò)指令后綴加以區(qū)別。由于采用“馮諾依曼”結(jié)構(gòu)，ROM 和 RAM 在同一地址空間，從00000H～0FFFFH 這一段范圍內(nèi)從低到高分別是：特殊功能寄存器、外圍模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、程序存儲(chǔ)器和中斷向量表。當(dāng)存儲(chǔ)器組織為 64KB 或更少時(shí)采用小模式，地址空間為最低的 64KB，而目前的器件都設(shè)計(jì)成小模式，最大的程序存儲(chǔ)空間 60KB 空間中。在小模式時(shí)，總的尋址空間為 64KB；大模式時(shí)，總的尋址空間為 1MB。2．3．2 MSP430F2274 的存儲(chǔ)器組織MSP430F2274 的存儲(chǔ)空間采用“馮諾依曼”結(jié)構(gòu)，ROM 和 RAM 在同一地址空間，使用一組地址數(shù)據(jù)總線。這 4種尋址方式均可用于源操作數(shù)，而索引、符號(hào)和絕對(duì)尋址方式只可以用于目的操作數(shù)。MSP430F2274 的通用寄存器是 430 活動(dòng)的打不風(fēng)場(chǎng)所，可以執(zhí)行算術(shù)邏輯運(yùn)算，也可以作為臨時(shí)的暫存單元；可以字操作，也可以字節(jié)操作。表 列出了 CG1 和 CG2 可以產(chǎn)生的常數(shù)。位 8 V 當(dāng)算術(shù)運(yùn)算結(jié)果超出有符號(hào)數(shù)范圍時(shí)置位。要設(shè)置 OscOff=1，必須同時(shí)設(shè)置 CPUOFF=1.位 6 SCG0 此位與位 7 一起控制系統(tǒng)時(shí)鐘發(fā)生器的 4 中活動(dòng)狀態(tài)。位 4 CPUOFF CPU 控制位 置位使 CPU 進(jìn)入關(guān)閉模式，此時(shí)除了 RAM內(nèi)容、端口、寄存器保持外，CPU 處于停止?fàn)顟B(tài)，可用所有允許的中斷將 CPU 從此狀態(tài)喚醒。位 3 GIE 中斷控制位 置位允許中斷，復(fù)位禁止所有的中斷?；?eZ430RF2500 的無(wú)線溫度傳感器的設(shè)計(jì)4位 1 Z 零標(biāo)志 當(dāng)運(yùn)算結(jié)果為 0 時(shí)置位，否則復(fù)位。簡(jiǎn)寫 功能ROR1R2R3R4…R15 程序計(jì)數(shù)器 PC，指示下一條將要執(zhí)行的指令的地址 堆棧指針 SP，指向堆棧的棧頂狀態(tài)寄存器 SR/常數(shù)發(fā)生器 CGI 常數(shù)發(fā)生器 CG2通用工作寄存器 R4 …… 通用工作寄存器 R15表 MSP430F2274 的 CPU 的 16 個(gè)寄存器 SR狀態(tài)寄存器記錄程序執(zhí)行過(guò)程中的現(xiàn)場(chǎng)情況，在程序設(shè)計(jì)中有相當(dāng)重要的地位。系統(tǒng)對(duì)堆棧的操作為隱式，主要為自動(dòng)保存 PC 的數(shù)值。系統(tǒng)在將數(shù)據(jù)壓入堆棧時(shí)，總是先將堆棧指針 SP 的值減 2，然后再將數(shù)據(jù)送到 SP 所指的 RAM 單元。 SP系統(tǒng)堆棧在系統(tǒng)調(diào)用子程序或進(jìn)入中斷服務(wù)程序是，保護(hù)程序計(jì)數(shù)器 PC。程序計(jì)數(shù)器 PC 的內(nèi)容總是偶數(shù)，指向偶字節(jié)地址。表 對(duì) 16 個(gè)寄存器做了簡(jiǎn)要的說(shuō)明。16 個(gè)寄存器中有 4 個(gè)為特殊用途，他們分別是：程序計(jì)數(shù)器、堆棧指針、狀態(tài)寄存器和常數(shù)發(fā)生器。中央處理單元 CPU 采用了精簡(jiǎn)的、高透明的、高效率的正交設(shè)計(jì)。因此,MSP430F2274 單片機(jī)在許多領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。其內(nèi)部帶有 10 位 A/ D ,1. 8～ 3. 6V 的工作電壓,5 種低功耗省電模式,從待機(jī)到喚醒的響應(yīng)時(shí)間不超過(guò) 1μs ,片內(nèi)高頻時(shí)鐘源,頻率高達(dá)16MHZ,內(nèi)部還有低功耗低頻振蕩器 VLO ,32KHZ 晶振模塊。開發(fā)語(yǔ)言有匯編語(yǔ)言和 C 語(yǔ)言。對(duì)于 OTP 型和 ROM 型的器件是用相對(duì)應(yīng)的 EPROM 型器件作為開發(fā)片，或使用仿真器開發(fā)成功之后再燒寫或掩膜芯片；而對(duì)于FLASH 型則有十分方便的開發(fā)調(diào)試環(huán)境，因?yàn)槠骷瑑?nèi)有 JTAG 調(diào)試接口，還有可電擦寫的 FLASH 存儲(chǔ)器，因此采用先下載程序到 FLASH 內(nèi)，再在器件內(nèi)通過(guò)軟件控制程序的運(yùn)行，由 JTAG 就扣讀取片內(nèi)信息供設(shè)計(jì)者調(diào)試使用的方法進(jìn)行開發(fā)。?方便高效的開發(fā)環(huán)境目前 MSP430 系列有 4 種類型器件：OTP 型、FLASH 型、EPROM 型和 ROM 型。其中，看門狗可以使程序時(shí)空是迅速?gòu)?fù)位；比較器進(jìn)行模擬電壓的比較，配合定時(shí)器可以設(shè)計(jì)為 A/D 轉(zhuǎn)換器；定時(shí)器具有捕獲/比較功能，可用于時(shí)間技術(shù)、時(shí)序發(fā)生、PMW 等；有的器件更具有兩個(gè)串口，可方便地實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信等應(yīng)用；具有較多的并行端口，最多可達(dá) 200Kbps，能滿足大多數(shù)數(shù)據(jù)采集應(yīng)用；能直接驅(qū)動(dòng)液晶多達(dá) 120 段。?豐富的片內(nèi)外設(shè)MSP430 系列單片機(jī)的各成員都集成了較豐富的片內(nèi)外設(shè)。然后軟件可設(shè)置適當(dāng)?shù)募拇嫫鞯目刂莆粊?lái)確定最后的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率。這些特點(diǎn)保證了可編制出高效率的源程序。MSP430 系列單片機(jī)具有以下一些共同的特點(diǎn)?低電壓、超低功耗MSP430 系列單片機(jī)，在 電壓、1MHZ 的時(shí)鐘條件下運(yùn)行，耗電電流因不同的工作模式而不同；具有 16 個(gè)中斷源，并且可以任意嵌套，使用靈活方便；用中斷請(qǐng)求將 CPU 喚醒只要 6μs，可編制出實(shí)時(shí)性特別高的源代碼；可將 CPU 置于省電模式，以用中斷方式喚醒程序。MSP430 系列單片機(jī)片上集成了豐富的功能模塊。2．2 MSP430 單片機(jī)的功能TI 公司的 MSP430 系列單片機(jī)是 16 位超低功耗微控制器，其中包括一系列器件，它們針對(duì)不同的應(yīng)用而由各種不同的模塊組成，這些微控制器被設(shè)計(jì)為可用電池工作，而且可以有很長(zhǎng)的使用時(shí)間。它是一個(gè) 16 位的精簡(jiǎn)指令架構(gòu)，有大量的工作寄存器和數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器，其 RAM 單元也可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)算。TI 公司的 MSP430 系列是一個(gè)超低功耗類型的單片機(jī)，特別適合于電池應(yīng)用的場(chǎng)合或手持設(shè)備。同時(shí)，提供溫度數(shù)據(jù)的 Web發(fā)布功能。實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場(chǎng)總線之間的連接。因此，設(shè)計(jì)一種成本低、覆蓋面積廣、容量大、易擴(kuò)展、便于安裝和維護(hù)的溫度傳感器系統(tǒng)將很有意義．基于網(wǎng)絡(luò)的溫度傳感器系統(tǒng)采用新興的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)溫度數(shù)據(jù)的分布式采集，解決了傳統(tǒng)溫度傳感器系統(tǒng)受布線限制、系統(tǒng)容量小、不易擴(kuò)展的問(wèn)題，拓展了溫度監(jiān)測(cè)的地域范圍．另外，系統(tǒng)采用成熟的 Modbus總線技術(shù)和以太網(wǎng)等技術(shù)構(gòu)建了完整的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的匯聚和遠(yuǎn)傳等功能．本課題綜合運(yùn)用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)和以太網(wǎng)技術(shù)，用網(wǎng)絡(luò)化思想構(gòu)建了溫度傳感器系統(tǒng)，具有成本低、覆蓋面積廣、容量大、易擴(kuò)展、便于安裝和維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)．本課題旨在實(shí)現(xiàn)一個(gè)覆蓋面積廣、易擴(kuò)展、便于安裝和維護(hù)的低成本溫度傳感器系統(tǒng)．具體需要實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：建立體積小、成本低、適應(yīng)性強(qiáng)且功耗低的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件平臺(tái)。很多情況下，布線成本很高，或者根本無(wú)法布線，導(dǎo)致溫度傳感器系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)范圍受到限制。關(guān)鍵詞：MSP430F2274 ZIGBEE CC2500 基于 eZ430RF2500 的無(wú)線溫度傳感器的設(shè)計(jì)【Abstract 】With the rapid