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傳感器節點是組成無線傳感器網絡的基本單位，是構成無線傳感器網絡的基礎。本文依據傳感器節點功耗低、成本低、體積小等硬件限制條件，設計了一種基于射頻芯片CC2420和單片機MSP430的無線傳感器網絡的硬件節點。 硬件節點設計 在進行無線傳感節點設計時,應考慮其具有的如下特點:微型化, 應用中的傳感器節點要高度集成，保證不會對目標系統的特性造成影響，受外形尺寸限制，模塊必須能夠集成更多部件；低功耗,網絡往往部署在無人值守的地方，節點使用電池供電，不能頻繁更換電池，因此，如何節省電能是應用的首要問題；運行速度，網絡對節點的實時性要求很高，要求處理器的實時處理能力要強；擴展接口,多功能的傳感器產品是發展的趨勢，而在前期設計中，不可能把所有的功能包括進來，這就要求系統有很強的可擴展性；可靠性, 傳感器網絡可以分布在很廣的地域,因此，維護十分困難，傳感器網絡的軟、硬件必須具有高魯棒性和容錯性；盡可能低的成本。 綜合以上考慮,本文設計的傳感器節點框圖如圖1所示。 圖1 系統硬件結構框圖 傳感器節點由數據采集、數據處理、數據傳輸和電源等模塊組成，本方案采用了以MSP430為核心的控制模塊。MSP430在低功耗方面表現出色，并且在惡劣條件下工作性能穩定。以CC2420為無線收發模塊，MSP430與CC2420通過SPI方式通信，MSP430采用主模式，CC2420采用從模式。節點的傳感器模塊與主板分離，模塊化的設計提高了節點在不同應用中的靈活性。由于本節點為電池供電，要求傳感器體積小、功耗低、外圍電路簡單，最好采用不需要復雜信號調理電路的數字傳感器。 主要芯片介紹 CC2420 CC2420是一款兼容2.4GHz IEEE 802.15.4的無線收發芯片。該芯片體積小、功耗低，非常適合于家庭及樓宇自動化、工業監控等應用系統。 CC2420具有完全集成的壓控振蕩器，只需要天線、16MHz晶振等非常少的外圍電路就能在2.4GHz頻段工作。CC2420只提供一個SPI接口與微處理器連接，通過這個接口完成設置和收發數據工作。許多單片機都集成了SPI控制器，例如MSP430，可以非常方便地與CC2420配合使用。簡單的外圍電路和處理器接口，使得CC2420可以應用在非常廉價的設備上。 MSP430 MSP430是具有超低功耗特點的16位單片機，本方案選用MSP430F149，其功耗電流已經達到了mA級。它是功能強大的CPU內核:16位CPU和高效的RISC指令系統，無外擴的數據地址總線，在8MHz時可達到125ns的指令周期，具有16個快速響應中斷，能及時處理各種緊急事件。豐富的片內外圍功能模塊：12位的A/D轉換器ADC12內包括采樣/保持功能的ADC內核、轉換存儲邏輯、內部參考電平發生器、多種時鐘源、采樣及轉換時序電路。有8個外通道,4個內通道，高達200kbps的采樣速率，多種采樣方式。兩路USART通信串口，可用于UART和SPI模式;片內有精密硬件乘法器、兩個16位定時器，6個并行口Pl～P6, 48條I/O口線，其具有64KＢ的閃存,用于存儲采集數據。 CC2420與MSP430的 硬件接口電路 CC2420與處理器的連接非常方便。它使用SFD、 FIFO、 FIFOP、和CCA 4個引腳表示收發數據的狀態;而處理器通過SPI接口與CC2420交換數據、發送命令等。 CC2420收到物理幀的SFD字段后，會在SFD引腳輸出高電平，直到接收完該幀。如果啟動了地址辨識，在地址辯識失敗后，SFD引腳立即轉為輸出低電平。FIFO和FIFOP引腳表示接收FIFO的緩存區狀態。如果接收FIFO緩存區有數據，FIFO引腳輸出高電平;如果接收FIFO緩存區為空，FIFO引腳輸出低電平。當FIFOP引腳在接收FIFO緩存區的數據超過某個臨界值時，或者在CC2420接收到一個完整的幀以后輸出高電平。臨界值可以通過CC2420的寄存器設置。 CCA引腳在信道有信號時輸出高電平，它只在接收狀態下有效。在CC2420進入接收狀態至少8個符號(symbol)周期后，才會在CCA引腳上輸出有效的信道狀態信息。 SPI接口由CSn、SI、SO和SCLK引腳組成。處理器通過SPI接口訪問CC2420內部寄存器和存儲器。在訪問過程中，CC2420是SPI接口的從設備，接收來自處理器的時鐘信號和片選信號，并在處理器的控制下執行輸入／輸出操作。SPI接口接收或者發送數據時，都與時鐘下降沿對齊。CC2420與MSP430是通過SPI連接的，其中，MSP430處于主模式，CC2420處于從模式。MSP430還有4個I/O與CC2420相連，主要起查詢CC2420狀態的作用。CC2420與MSP430的接口電路如圖2所示。 圖2 視頻采集系統硬件結構框圖 節點設計的要點及注意事項 在設計節點時,重點是射頻部分, CC2420要求時鐘源的精度在±40ppm以內。本文采用高精度、性能穩定的四腳貼片晶振，來避免晶振的漂移。 進行電路板設計時,要采取抗干擾措施：射頻電路沒有用做布線的面積均需用銅填充并連接到地，以提供RF屏蔽，達到有效抗干擾的目的；CC2420芯片底部應接地；為了降低延遲、減少串擾，確保高頻信號的傳輸，要使用多個接地過孔將CC 2420芯片底部和地層相連； 器件要緊密地分布在CC2420的四周，并使用較小的封裝。 另一個要考慮的是天線。天線在無線通信中起著舉足輕重的作用，天線的選擇和設置會直接影響整個無線通信網絡的運行質量。本節點射頻芯片CC2420可以使用金屬倒F型PCB引線天線和單極天線兩種設計方案。PCB引線天線是印制在電路板上的導線，通過它來感應空中電波、接收信息。PCB天線的形狀、尺寸應嚴格按照數據手冊設計。 圖3 電視跟蹤系統流程圖 軟件設計 軟件開發以IAR Workbench V2.10為平臺，采用C語言編寫，軟件編程的基本思路是：先對SPI、CC2420控制端口初始化；使能SPI、UART端口，使能ADC，對CC2420芯片初始化;開啟接收機后，就可以運行任務程序了，以實現接收或發送數據。 |
