嵌入式超聲波數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計例概要

1、 * 實踐教學(xué)*蘭州理工大學(xué)計算機與通信學(xué)院年春季學(xué)期嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)課程設(shè)計題 目：嵌入式超聲波數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計專業(yè)班級： 姓 名： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： 成 績： II摘要 嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可定制，適用于不同應(yīng)用場合，對功能，可靠性，成本，體積，功耗有嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)它一般由嵌入式微處理器，外圍硬件設(shè)備，嵌入式操作系統(tǒng)，用戶應(yīng)用程序4 個部分組成。用于實現(xiàn)對其他設(shè)備的控制，監(jiān)視或管理等功能。本文設(shè)計了一種超聲波系統(tǒng)，它基于北京奧爾斯電子科技有限公司生產(chǎn)的物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新實驗系統(tǒng)OURSIOTU22530，利用其中的CC2530 及幾種相應(yīng)傳感器模塊采

2、集超聲波信號，并通過帶有LCD 的智能主板顯示出來。文章介紹了該系統(tǒng)的基本原理，系統(tǒng)分析，詳細設(shè)計及實現(xiàn)流程圖，并重點介紹了串口數(shù)據(jù)收集的原理，通過嵌入式設(shè)備完成超聲波信息的采集的采集至網(wǎng)關(guān)設(shè)備，通過上下位機實現(xiàn)終端嵌入式設(shè)備的信息收集及相關(guān)設(shè)備的控制。關(guān)鍵字：超聲波信號采集、串口通信、傳感器、ZigBee 協(xié)議。目錄一前言1二基本原理22.1 SHT10 引腳特性22.2 CC2530說明42.3超聲波采集模塊8三 系統(tǒng)分析13四 詳細設(shè)計144.1 超聲波數(shù)據(jù)采集的硬件部分144.2 超聲波采集的軟件部分164.3 總體結(jié)構(gòu)18參考文獻23總結(jié)24致謝25II一前言 在科技迅速發(fā)展的今天,

3、超聲波檢測是一種無損檢測的重要手段。超聲信號在15MHz,在實際工業(yè)運用中為了能恢復(fù)超聲波信號，以精確計算發(fā)射波和回波之間的時間差，對超聲信號的采樣速率要求大于超聲信號頻率的34倍，所以在工業(yè)運用中，對于超聲信號的采集一般需要20MHz的采樣速率。 本設(shè)計是一種基于 CC2530 和數(shù)字超聲波傳感器模塊的采集系統(tǒng)。即該系統(tǒng)是采用 Zigbee 無線通信技術(shù)結(jié)合傳感器，并通過運用 Zigbee 協(xié)議構(gòu)架組建無線傳感網(wǎng)絡(luò)，來實現(xiàn)主從節(jié)點的數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)模瑫r，需要在網(wǎng)絡(luò)層通過AODV 路由協(xié)議來進行節(jié)點間的連接以及數(shù)據(jù)的收發(fā)?？傊?，基于無線傳感技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)傳感器是一種將傳感器、控制器、計算能力

4、、通信能力完美的結(jié)合于一身的嵌入式設(shè)備。它們跟外界的物理環(huán)境交互，適時地采集信息，并且將采集到的信息通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳送給遠程用戶。無線網(wǎng)絡(luò)傳感器一般是由一個低功耗的微控制器(MCU)和若干個存儲器，無線電/光通信裝置、傳感器等組件所集成的，通過傳感器及通信裝置和它們所處的外界物理環(huán)境進行交互。由此而引入的無線傳感網(wǎng)絡(luò)更是一種開創(chuàng)了新的應(yīng)用領(lǐng)域的新興概念和技術(shù)，廣泛被應(yīng)用與醫(yī)療領(lǐng)域、大規(guī)模環(huán)境監(jiān)測、智能建筑、戰(zhàn)場監(jiān)視、智能家居、工業(yè)自動化和大區(qū)域內(nèi)的目標追蹤等領(lǐng)域。簡而言之，不管是工業(yè)，農(nóng)業(yè)，軍事及氣象預(yù)報領(lǐng)域，還是人類生活的環(huán)境都需要通過采集超聲波來進行判斷和測量。本文提出采用基于 Zig

5、Bee 技術(shù)的無線超聲波測量與傳輸?shù)姆桨?，通過無線通信模塊實現(xiàn)超聲波傳感器和智能主板之間的交互，實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)采集的數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理和分析。該系統(tǒng)具有快速展開，穩(wěn)定可靠，可維護性好的特點。總的來說，我們的工作及生活在無形的改變著，變得更精致更高效更美麗。而這無形中進行著的神奇改變的關(guān)鍵莫過于高端的技術(shù)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)及無線技術(shù)。26二基本原理 本實驗將使用 CC2530 讀取超聲波傳感器 SHT10 的采集的超聲波數(shù)據(jù)，并通過 CC2530 內(nèi)部串口將采樣到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換然后在 LCD 上顯示。其中對超聲波的讀取是利用 CC2530 的 I/O（P1.0 和P1.1）模擬一個類 IIC 的過程。其中該系

6、統(tǒng)所使用的 SHT10 是一款高度集成的超聲波傳感器芯片，提供全標定的數(shù)字輸出。它采用專利的 CMOSens 技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。傳感器包括一個電容性聚合體測濕敏感元件、一個用能隙材料制成的測溫元件，并連接在同一芯片上，與 14 位的 A/D轉(zhuǎn)換器以及串行接口電路實現(xiàn)無縫。2.1 SHT10 引腳特性 SHT10 是一款高度集成的超聲波傳感器芯片， 提供全標定的數(shù)字輸出。它采用專利的CMOSens 技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。傳感器 包括一個電容性聚合體測濕敏感元件、一個用能隙材料制成的測溫元件，并在同一芯片上，與 14 位的 A/D 轉(zhuǎn)換器

7、以及串行接口電路實現(xiàn)無縫連接。SHT10 引腳特性如下：圖2-1應(yīng)用電路2.1.1、 電源引腳SHT10的供電電壓為2.45.5V。傳感器上電后，要等待11ms以越過“休眠”狀態(tài)。在此期間無需發(fā)送任何指令。電源引腳（VDD，GND）之間可增加一個100nF的電容，用以去耦濾波。2.1.2、串行接口(兩線雙向) SHT10的串行接口，在傳感器信號的讀取及電源損耗方面，都做了優(yōu)化處理；但與I2C接口不兼容.2.1.3、串行時鐘輸入(SCK) SCK用于微處理器與SHTxx之間的通訊同步。由于接口包含了完全靜態(tài)邏輯，因而不存在最小SCK頻率。2.1.4、串行數(shù)據(jù)(DATA) DATA三態(tài)門用于數(shù)據(jù)的

8、讀取。DATA在SCK時鐘下降沿之后改變狀態(tài)，并僅在SCK時鐘上升沿有效。數(shù)據(jù)傳輸期間，在SCK時鐘高電平時，DATA必須保持穩(wěn)定。為避免信號沖突，微處理器應(yīng)驅(qū)動DATA在低電平。需要一個外部的上拉電阻（例如：10k）將信號提拉至高電平（參見圖2）。上拉電阻通常已包含在微處理器的I/O 電路中。2.1.5、串行時鐘輸入(SCK) SCK用于微處理器與SHTxx之間的通訊同步。由于接口包含了完全靜態(tài)邏輯，因而不存在最小SCK頻率。2.1.6、串行數(shù)據(jù)(DATA) DATA三態(tài)門用于數(shù)據(jù)的讀取。DATA在SCK時鐘下降沿之后改變狀態(tài)，并僅在SCK時鐘上升沿有效。數(shù)據(jù)傳輸期間，在SCK時鐘高電平時，

9、DATA必須保持穩(wěn)定。為避免信號沖突，微處理器應(yīng)驅(qū)動DATA在低電平。需要一個外部的上拉電阻（例如：10k）將信號提拉至高電平（參見圖2）。上拉電阻通常已包含在微處理器的I/O 電路中。2.1.7、測量時序(RH 和T) 發(fā)布一組測量命令（00000101表示相對濕度RH，00000011表示溫度T）后，控制器要等待測量結(jié)束。這個過程需要大約11/55/210ms，分別對應(yīng)8/12/14bit測量。確切的時間隨內(nèi)部晶振速度，最多有±15%變化。SHTxx通過下拉DATA至低電平并進入空閑模式，表示測量的結(jié)束?？刂破髟谠俅斡|發(fā)SCK時鐘前，必須等待這個“數(shù)據(jù)備妥”信號來讀出數(shù)據(jù)。檢測數(shù)

10、據(jù)可以先被存儲，這樣控制器可以繼續(xù)執(zhí)行其它任務(wù)在需要時再讀出數(shù)據(jù)。接著傳輸2個字節(jié)的測量數(shù)據(jù)和1個字節(jié)的CRC奇偶校驗。uC需要通過下拉DATA為低電平，以確認每個字節(jié)。所有的數(shù)據(jù)從MSB開始，右值有效（例如：對于12bit數(shù)據(jù)，從第5個SCK時鐘起算作MSB；而對于8bit 數(shù)據(jù)，首字節(jié)則無意義）。用CRC數(shù)據(jù)的確認位，表明通訊結(jié)束。如果不使用CRC-8校驗，控制器可以在測量值LSB后，通過保持確認位ack 高電平，來中止通訊。在測量和通訊結(jié)束后，SHTxx自動轉(zhuǎn)入休眠模式。2.1.8、通訊復(fù)位時序如果與SHTxx通訊中斷，下列信號時序可以復(fù)位串口：當DATA保持高電平時，觸發(fā)SCK時鐘9次

11、或更多。在下一次指令前，發(fā)送一個“傳輸啟動”時序。這些時序只復(fù)位串口，狀態(tài)寄存器內(nèi)容仍然保留。 圖2-2通訊復(fù)位時序圖2.2 CC2530說明2.2.1、簡介CC2530 是用于2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee 和RF4CE 應(yīng)用的一個真正的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案。它能夠以非常低的總的材料成本建立強大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。CC2530 結(jié)合了領(lǐng)先的RF 收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標準的增強型8051 CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8-KB RAM 和許多其它強大的功能。CC2530 有四種不同的閃存版本：CC2530F32/64/128/256，分別具有32/64/128/

12、256KB 的閃存。CC2530 具有不同的運行模式，使得它尤其適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)。運行模式之間的轉(zhuǎn)換時間短進一步確保了低能源消耗。CC2530F256 結(jié)合了德州儀器的業(yè)界領(lǐng)先的黃金單元ZigBee 協(xié)議棧（Z-Stack），提供了一個強大和完整的ZigBee 解決方案。CC2530F64 結(jié)合了德州儀器的黃金單元RemoTI，更好地提供了一個強大和完整的ZigBee RF4CE 遠程控制解決方案。2.2.2、引腳描述引腳名稱 引腳 引腳類型 描述AVDD1 28 電源（模擬） 2-V3.6-V 模擬電源連接AVDD2 27 電源（模擬） 2-V3.6-V 模擬電源連

13、接AVDD3 24 電源（模擬） 2-V3.6-V 模擬電源連接AVDD4 29 電源（模擬） 2-V3.6-V 模擬電源連接AVDD5 21 電源（模擬） 2-V3.6-V 模擬電源連接AVDD6 31 電源（模擬） 2-V3.6-V 模擬電源連接DCOUPL 40 電源（數(shù)字） 1.8V 數(shù)字電源去耦。不使用外部電路供應(yīng)。DVDD1 39 電源（數(shù)字） 2-V3.6-V 數(shù)字電源連接DVDD2 10 電源（數(shù)字） 2-V3.6-V 數(shù)字電源連接GND - 接地 接地襯墊必須連接到一個堅固的接地面。GND 1，2，3，4 未使用的引腳 連接到GNDP0_0 19 數(shù)字I/O 端口0

14、.0P0_1 18 數(shù)字I/O 端口0.1P0_2 17 數(shù)字I/O 端口0.2P0_3 16 數(shù)字I/O 端口0.3P0_4 15 數(shù)字I/O 端口0.4P0_5 14 數(shù)字I/O 端口0.5P0_6 13 數(shù)字I/O 端口0.6P0_7 12 數(shù)字I/O 端口0.7P1_0 11 數(shù)字I/O 端口1.0-20-mA 驅(qū)動能力P1_1 9 數(shù)字I/O 端口1.1-20-mA 驅(qū)動能力P1_2 8 數(shù)字I/O 端口1.2P1_3 7 數(shù)字I/O 端口1.3P1_4 6 數(shù)字I/O 端口1.4P1_5 5 數(shù)字I/O 端口1.5P1_6 38 數(shù)字I/O 端口1.6P1_7 37 數(shù)字I/O 端

15、口1.7P2_0 36 數(shù)字I/O 端口2.0P2_1 35 數(shù)字I/O 端口2.1P2_2 34 數(shù)字I/O 端口2.2P2_3 33 數(shù)字I/O 模擬端口2.3/32.768 kHz XOSCP2_4 32 數(shù)字I/O 模擬端口2.4/32.768 kHz XOSCRBIAS 30 模擬I/O 參考電流的外部精密偏置電阻RESET_N 20 數(shù)字輸入 復(fù)位，活動到低電平RF_N 26 RF I/O RX 期間負RF 輸入信號到LNARF_P 25 RF I/O RX 期間正RF 輸入信號到LNAXOSC_Q1 22 模擬I/O 32-MHz 晶振引腳1或外部時鐘輸入XOSC_Q2 23 模

16、擬I/O 32-MHz 晶振引腳22.2.3、模塊說明CC2530芯片系列中使用的8051 CPU內(nèi)核是一個單周期的8051兼容內(nèi)核。它有三種不同的內(nèi)存訪問總線（SFR，DATA 和CODE/XDATA），單周期訪問SFR，DATA 和主SRAM。它還包括一個調(diào)試接口和一個18 輸入擴展中斷單元。中斷控制器總共提供了18 個中斷源，分為六個中斷組，每個與四個中斷優(yōu)先級之一相關(guān)。當設(shè)備從活動模式回到空閑模式，任一中斷服務(wù)請求就被激發(fā)。一些中斷還可以從睡眠模式（供電模式1-3）喚醒設(shè)備。內(nèi)存仲裁器位于系統(tǒng)中心，因為它通過SFR 總線把CPU 和DMA 控制器和物理存儲器以及所有外設(shè)連接起

17、來。內(nèi)存仲裁器有四個內(nèi)存訪問點，每次訪問可以映射到三個物理存儲器之一：一個8-KB SRAM、閃存存儲器和XREG/SFR 寄存器。它負責(zé)執(zhí)行仲裁，并確定同時訪問同一個物理存儲器之間的順序。8-KB SRAM映射到DATA存儲空間和部分XDATA存儲空間。8-KB SRAM是一個超低功耗的SRAM，即使數(shù)字部分掉電（供電模式2 和3）也能保留其內(nèi)容。這是對于低功耗應(yīng)用來說很重要的一個功能。32/64/128/256 KB閃存塊為設(shè)備提供了內(nèi)電路可編程的非易失性程序存儲器，映射到XDATA 存儲空間。除了保存程序代碼和常量以外，非易失性存儲器允許應(yīng)用程序保存必須保留的數(shù)據(jù)，這

18、樣設(shè)備重啟之后可以使用這些數(shù)據(jù)。使用這個功能，例如可以利用已經(jīng)保存的網(wǎng)絡(luò)具體數(shù)據(jù)，就不需要經(jīng)過完全啟動、網(wǎng)絡(luò)尋找和加入過程。2.2.4、時鐘和電源管理數(shù)字內(nèi)核和外設(shè)由一個1.8-V 低差穩(wěn)壓器供電。它提供了電源管理功能，可以實現(xiàn)使用不同供電模式的長電池壽命的低功耗運行。有五種不同的復(fù)位源來復(fù)位設(shè)備。2.2.5、外設(shè)CC2530 包括許多不同的外設(shè)，允許應(yīng)用程序設(shè)計者開發(fā)先進的應(yīng)用。調(diào)試接口執(zhí)行一個專有的兩線串行接口，用于內(nèi)電路調(diào)試。通過這個調(diào)試接口，可以執(zhí)行整個閃存存儲器的擦除、控制使能哪個振蕩器、停止和開始執(zhí)行用戶程序、執(zhí)行8051 內(nèi)核提供的指令、設(shè)置代碼斷點，以及內(nèi)核中全部指令

19、的單步調(diào)試。使用這些技術(shù)，可以很好地執(zhí)行內(nèi)電路的調(diào)試和外部閃存的編程。設(shè)備含有閃存存儲器以存儲程序代碼。閃存存儲器可通過用戶軟件和調(diào)試接口編程。閃存控制器處理寫入和擦除嵌入式閃存存儲器。閃存控制器允許頁面擦除和4 字節(jié)編程。I/O控制器負責(zé)所有通用I/O引腳。CPU可以配置外設(shè)模塊是否控制某個引腳或它們是否受軟件控制，如果是的話，每個引腳配置為一個輸入還是輸出，是否連接襯墊里的一個上拉或下拉電阻。CPU 中斷可以分別在每個引腳上使能。每個連接到I/O 引腳的外設(shè)可以在兩個不同的I/O 引腳位置之間選擇，以確保在不同應(yīng)用程序中的靈活性。系統(tǒng)可以使用一個多功能的五通道DMA控制

20、器，使用XDATA存儲空間訪問存儲器，因此能夠訪問所有物理存儲器。每個通道（觸發(fā)器、優(yōu)先級、傳輸模式、尋址模式、源和目標指針和傳輸計數(shù)）用DMA 描述符在存儲器任何地方配置。許多硬件外設(shè)（AES 內(nèi)核、閃存控制器、USART、定時器、ADC 接口）通過使用DMA 控制器在SFR 或XREG 地址和閃存/SRAM 之間進行數(shù)據(jù)傳輸，獲得高效率操作。定時器1 是一個16 位定時器，具有定時器/PWM 功能。它有一個可編程的分頻器，一個16 位周期值，和五個各自可編程的計數(shù)器/捕獲通道，每個都有一個16 位比較值。每個計數(shù)器/捕獲通道可以用作一個PWM輸出或捕獲輸入信號邊沿的時序。它還可以

21、配置在IR產(chǎn)生模式，計算定時器3 周期，輸出是ANDed，定時器3 的輸出是用最小的CPU 互動產(chǎn)生調(diào)制的消費型IR 信號。MAC定時器（定時器2）是專門為支持IEEE 802.15.4 MAC或軟件中其他時槽的協(xié)議設(shè)計。定時器有一個可配置的定時器周期和一個8 位溢出計數(shù)器，可以用于保持跟蹤已經(jīng)經(jīng)過的周期數(shù)。一個16 位捕獲寄存器也用于記錄收到/發(fā)送一個幀開始界定符的精確時間，或傳輸結(jié)束的精確時間，還有一個16 位輸出比較寄存器可以在具體時間產(chǎn)生不同的選通命令（開始RX，開始TX，等等）到無線模塊。定時器3 和定時器4 是8 位定時器，具有定時器/計數(shù)器/PWM 功能。它們有一個可編程的分頻器

22、，一個8 位的周期值，一個可編程的計數(shù)器通道，具有一個8 位的比較值。每個計數(shù)器通道可以用作一個PWM 輸出。睡眠定時器是一個超低功耗的定時器，計算32-kHz 晶振或32-kHz RC 振蕩器的周期。睡眠定時器在除了供電模式3 的所有工作模式下不斷運行。這一定時器的典型應(yīng)用是作為實時計數(shù)器，或作為一個喚醒定時器跳出供電模式1 或2。ADC支持7到12位的分辨率，分別在30 kHz或4 kHz的帶寬。DC和音頻轉(zhuǎn)換可以使用高達八個輸入通道（端口0）。輸入可以選擇作為單端或差分。參考電壓可以是內(nèi)部電壓、AVDD 或是一個單端或差分外部信號。ADC 還有一個溫度傳感輸入通道。ADC 可以自動執(zhí)行定

23、期抽樣或轉(zhuǎn)換通道序列的程序。隨機數(shù)發(fā)生器使用一個16 位LFSR 來產(chǎn)生偽隨機數(shù)，這可以被CPU 讀取或由選通命令處理器直接使用。例如隨機數(shù)可以用作產(chǎn)生隨機密鑰，用于安全。AES加密/解密內(nèi)核允許用戶使用帶有128位密鑰的AES算法加密和解密數(shù)據(jù)。這一內(nèi)核能夠支持IEEE 802.15.4 MAC 安全、ZigBee 網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層要求的AES 操作。一個內(nèi)置的看門狗允許CC2530 在固件掛起的情況下復(fù)位自身。當看門狗定時器由軟件使能，它必須定期清除；否則，當它超時就復(fù)位它就復(fù)位設(shè)備。或者它可以配置用作一個通用32-kHz 定時器。USART 0和USART 1每個被配置為一個SP

24、I主/從或一個UART。它們?yōu)镽X和TX提供了雙緩沖，以及硬件流控制，因此非常適合于高吞吐量的全雙工應(yīng)用。每個都有自己的高精度波特率發(fā)生器，因此可以使普通定時器空閑出來用作其他用途。2.2.6、無線設(shè)備CC2530 具有一個IEEE 802.15.4 兼容無線收發(fā)器。RF 內(nèi)核控制模擬無線模塊。另外，它提供了MCU 和無線設(shè)備之間的一個接口，這使得可以發(fā)出命令，讀取狀態(tài)，自動操作和確定無線設(shè)備事件的順序。無線設(shè)備還包括一個數(shù)據(jù)包過濾和地址識別模塊。2.3超聲波采集模塊 超聲波傳感器模塊使用接收反射波的方式來進行距離的測量，傳感器有一個發(fā)射波的模塊和一個接收波的模塊組成。超聲波傳感器由于是采用發(fā)

25、射接收方式，所以在時間計算上有一個盲區(qū)，即 MCU 的最小反應(yīng)時間，我們的模塊的盲區(qū)在 6cm。主要技術(shù)參數(shù)：1：使用電壓：DC5V2：靜態(tài)電流：小于2mA3：電平輸出：高5V4：電平輸出：底0V5：感應(yīng)角度：不大于15度6：探測距離：6cm-80cm模塊工作原理：(1)采用IO觸發(fā)測距，給至少10us的高電平信號;(2)模塊自動發(fā)送8個40khz的方波，自動檢測是否有信號返回；(3)有信號返回，通過IO輸出一高電平，高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間測試距離=(高電平時間*聲速(340M/S)/2;原理圖如圖所示：圖2-3超聲波數(shù)據(jù)采集模塊原理圖說明：1：40K HZ 方

26、波產(chǎn)生器產(chǎn)生的方波由于數(shù)據(jù)和器件原因，將不能精確到 40KHZ，將會有3%左右的誤差。2：最后的產(chǎn)生的方波以低電平有效，所以在程序中以低電平中斷或下降沿中斷。3：每次產(chǎn)生多少個 40K 方波，依測試結(jié)果。原理圖如下：(a)(b)(c)(d) (e)圖2-4 超聲波數(shù)據(jù)采集模塊原理圖三 系統(tǒng)分析 該系統(tǒng)通過具有IIC 總線接口的單片全校準字式新型相對超聲波傳感器SHT10 實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的采集，將信號送至傳感器，從節(jié)點采集超聲波數(shù)據(jù)每隔一定的時間輪流向主節(jié)點發(fā)送，主節(jié)點收到數(shù)據(jù)之后通過串口將各節(jié)點的超聲波數(shù)據(jù)傳給智能主板。具體步驟描述如下：（1）給智能主板供電（USB 外接電源或2 節(jié)干電池）；（2

27、）將一個無線節(jié)點模塊插入到帶 LCD 的智能主板的相應(yīng)位置；（3）將超聲波及光電傳感器模塊插入到智能主板的傳感及控制擴展口位置；（4）接下來將 CC2530 仿真器的一端通過 USB 線（A 型轉(zhuǎn) B 型）連接到 PC 機，另一端通過 10Pin 下載線連接到智能主板的 CC2530 JTAG 口（J203）；（5）將智能主板上電源開關(guān)撥至開位置。按下仿真器上的按鈕，仿真器上的指示燈為綠色時，表示連接成功；（6）在主機編寫程序并調(diào)試，下載到下位機運行。（7）觀察變化；四 詳細設(shè)計 本設(shè)計是基于CC2530 的超聲波數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計。因此，其重點是超聲波數(shù)據(jù)采集設(shè)計的實現(xiàn)，主要可分為二大部分，一

28、是實現(xiàn)無線傳感的硬件模塊；二是實現(xiàn)無線傳感的軟件支持，也就是ZigBee 協(xié)議框架的編程。 實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的硬件部分主要包括：無線傳感基本結(jié)構(gòu)、無線傳感實現(xiàn)原理、本設(shè)計所使用的試驗箱以及軟件支持、常見的無線傳感模塊以及實現(xiàn)基于CC2530 的超聲波采集系統(tǒng)節(jié)點模塊設(shè)計。 實現(xiàn)超聲波數(shù)據(jù)采集的軟件部分主要包括：ZigBee 協(xié)議棧整體構(gòu)架，ZigBee協(xié)議棧網(wǎng)絡(luò)層。4.1 超聲波數(shù)據(jù)采集的硬件部分 嵌入式超聲波采集系統(tǒng)的硬件部分可以大體有無線傳感基本結(jié)構(gòu)、無線傳感實現(xiàn)原理、本設(shè)計所使用的試驗箱以及軟件支持、常見的無線傳感模塊以及實現(xiàn)基于CC2530 的超聲波采集系統(tǒng)節(jié)點模塊設(shè)計等組成。其具體內(nèi)容如

29、下：1、無線傳感基本結(jié)構(gòu)及實現(xiàn)原理 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在設(shè)計目標方面是以數(shù)據(jù)為中心的，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，因為節(jié)點通常運行在人無法接近的惡劣甚至危險的遠程環(huán)境中，所以除了少數(shù)節(jié)點也要移動外，大部分節(jié)點是靜止不動的。在被檢測區(qū)域內(nèi)，節(jié)點任意散落，節(jié)點除了需要完成感測特定的對象外，還需要進行簡單的計算，維持互相之間的網(wǎng)絡(luò)連接等功能。并且由于能源的無法替代以及低功耗的多跳通信模式，設(shè)計無線傳感節(jié)點時，有效的延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期以及節(jié)點的低功耗成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的核心問題，其無線傳感節(jié)點模型如下圖：圖4-1 設(shè)計硬件部分 無線傳感網(wǎng)絡(luò)的建立是基于傳感器加無線傳輸模塊的，傳感器采集的數(shù)據(jù)，簡單處理后經(jīng)過無

30、線傳輸模塊傳到服務(wù)器或應(yīng)用終端。目標，觀測節(jié)點，傳感節(jié)點和感知視場是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所包括的4個基本實體對象。大量傳感節(jié)點隨機部署，單個節(jié)點進過初始的通信和協(xié)議，通過自組織方式自行配置，形成一個傳輸信息的單跳鏈接或一系列無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點組成的網(wǎng)絡(luò)，協(xié)同形成對標的感知視場。傳感節(jié)點檢測的目標信號經(jīng)過傳感器本地簡單處理后通過單播或廣播以多跳的方式通過鄰近傳感節(jié)點傳輸?shù)接^測節(jié)點。用戶和遠程任務(wù)管理單元則能夠通過衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)或Internet 等外部網(wǎng)絡(luò)，與觀測節(jié)點進行數(shù)據(jù)信息的交互。觀測節(jié)點向網(wǎng)絡(luò)發(fā)布查詢請求和控制指令，接受傳感節(jié)點返回的目標信息。2、 使用的試驗箱以及軟件支持物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新試驗系統(tǒng)IOV-T

31、-2530采用系列傳感器模塊和無線節(jié)點模塊組成無線傳感網(wǎng)，擴展嵌入式網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)廣域訪問，可實現(xiàn)多種物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)架，完成物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的各種傳感器的信息采集、無線信號收發(fā)、ZigBee 網(wǎng)絡(luò)通訊，組件控制全過程。該工具提供了無線傳感網(wǎng)通信模塊，基本的傳感器及控制器模塊、嵌入式網(wǎng)關(guān)、計算機服務(wù)器參考軟件等。3、實現(xiàn)超聲波采集系統(tǒng)節(jié)點模塊設(shè)計實驗系統(tǒng)包含4個無線傳感網(wǎng)通信節(jié)點和一個無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，其中具體情況如下：無線節(jié)點模塊：主要有射頻單片機構(gòu)成，MCU 是TI 的CC2530，2.4G 載頻，棒狀天線。傳感器及控制模塊：包括超聲波傳感器模塊，繼電器模塊和RS232模塊等，也可以通過總線擴展用戶自己的傳感器

32、及控制部件。電源板或智能主板：即實現(xiàn)無線節(jié)點模塊與傳感器及控制模塊的連接，又實現(xiàn)系統(tǒng)供電。4.2 超聲波采集的軟件部分國家標準GB7665-87對傳感器下的定義是：“能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成”。傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。 傳感器的分類可以用不同的觀點對傳感器進行分類：它們的轉(zhuǎn)換原理(傳感器工作的基本物理或化學(xué)效應(yīng))；它們的用途；它們的輸出信號類型以

33、及制作它們的材料和工藝等。根據(jù)傳感器工作原理，可分為物理傳感器和化學(xué)傳感器二大類傳感器工作原理的分類物理傳感器應(yīng)用的是物理效應(yīng)，諸如壓電效應(yīng)，磁致伸縮現(xiàn)象，離化、極化、熱電、光電、磁電等效應(yīng)。被測信號量的微小變化都將轉(zhuǎn)換成電信號?；瘜W(xué)傳感器包括那些以化學(xué)吸附、電化學(xué)反應(yīng)等現(xiàn)象為因果關(guān)系的傳感器，被測信號量的微小變化也將轉(zhuǎn)換成電信號。有些傳感器既不能劃分到物理類，也不能劃分為化學(xué)類。大多數(shù)傳感器是以物理原理為基礎(chǔ)運作的?；瘜W(xué)傳感器技術(shù)問題較多，例如可靠性問題，規(guī)模生產(chǎn)的可能性，價格問題等，解決了這類難題，化學(xué)傳感器的應(yīng)用將會有巨大增長。 傳感器工作原理：電容式傳感器中的電容值以及電容變化值都非常

34、小，這樣微小的電容量還不能直接為目前的現(xiàn)實儀表所顯示，也和難為記錄儀所接受。這就必須借助于測量電路檢測這一微小電容增量。并將其轉(zhuǎn)換成與其成單值函數(shù)關(guān)系的電壓、電流或者頻率。電 容 轉(zhuǎn) 換 電 路 有 調(diào) 頻 電 路、運 算 放 大 器 式 電 路、二 極 管雙T型 交 流 電 橋 、脈 沖寬度調(diào)制電路等。經(jīng)過大量資料證明，調(diào)頻電容傳感器測量電具有較高的靈敏性度，可以測量高至0.01mm級位移變化量。信號的輸出頻率易于用數(shù)字儀器測量，并與計算機通訊，抗 干 擾 能 力 強，可 以 發(fā) 送 接 收，以 達 遙 控 遙 測的 目 的。這 正 好 符 合 了 智 能 化 與自動檢測的要求，因此選擇調(diào)頻

35、電容傳感器測量電路裝入此測量系統(tǒng)。調(diào)頻測量電路把電容式傳感器作為振蕩器諧振回路的一部分，當輸入量導(dǎo)致電容發(fā)生變化時，振蕩器的震蕩頻率就發(fā)生變化，經(jīng)過放大就可以用儀器指示記錄儀記錄下來。 實現(xiàn)超聲波采集的軟件部分主要有ZigBee 技術(shù)概述，協(xié)議棧整體架構(gòu)，ZigBee 協(xié)議棧網(wǎng)絡(luò)層，AODV 路由協(xié)議等幾部分組成。而ZigBee 協(xié)議層主要包括：網(wǎng)絡(luò)層概述，網(wǎng)絡(luò)層所實現(xiàn)的功能，網(wǎng)絡(luò)層中常用的路由協(xié)議。AODV路由協(xié)議主要包括：協(xié)議概述，協(xié)議的基本原理，AODV 路由協(xié)議消息控制幀。以下將是超聲波采集的軟件部分各部分的集體介紹：1、ZigBee 技術(shù)概述ZigBee 技術(shù)的使用與發(fā)展很大程度上彌

36、補了無線通信市場上低功耗，低成本，低速率的空缺。同時隨著ZigBee 技術(shù)的深入發(fā)展和應(yīng)用，越來越多的注意力和研究力量將會轉(zhuǎn)到應(yīng)用的設(shè)計，實現(xiàn)互聯(lián)互通測試和市場的推廣等方面。ZigBee 技術(shù)的關(guān)鍵是發(fā)展是一種易布建，低成本，低功耗的無線網(wǎng)絡(luò)。ZigBee 技術(shù)的應(yīng)用前景非常好。ZigBee 在未來的幾十年里將在工業(yè)無線定位，工業(yè)控制，消費電子，汽車自動化，家庭網(wǎng)絡(luò)，醫(yī)用設(shè)備控制等多個控制領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，特別是工業(yè)控制和家庭自動化，將會成為今后ZigBee 芯片的主要領(lǐng)域。通常符合以下條件之一的應(yīng)用，都可以采用此技術(shù)。（1）網(wǎng)絡(luò)多：需要數(shù)據(jù)采集或監(jiān)控的網(wǎng)絡(luò)多。（2）低傳輸量：要求傳輸?shù)臄?shù)據(jù)

37、量不大且要求數(shù)據(jù)成本低。（3）可靠性高：要求數(shù)據(jù)傳輸可靠性，安全性高。（4）體積?。涸O(shè)備體積小，體積較大的充電電池或者電源模塊不方便放置。（5）電池供電。（6）覆蓋量大：所需檢測點多，地形復(fù)雜，需要較大的網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積。（7）現(xiàn)有移動網(wǎng)絡(luò)的覆蓋盲區(qū)。（8）遙測，遙控系統(tǒng)：使用先從移動網(wǎng)絡(luò)進行的地數(shù)據(jù)量傳輸。（9）局部區(qū)域移動口標的定位系統(tǒng)：使用GPS 效果差，成本高ZigBee 無線傳感網(wǎng)是基于IEEE802.15.4 技術(shù)標準和ZigBee 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議而設(shè)計的無線傳輸數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)主要應(yīng)用在壓力過程控制數(shù)據(jù)采集，流量過程數(shù)據(jù)采集，超聲波監(jiān)控，工業(yè)控制，數(shù)據(jù)中心，社區(qū)安防，設(shè)備監(jiān)控，環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)控

38、，制冷監(jiān)控，倉庫貨物監(jiān)控等方面。使用與蔬菜大棚溫度，濕度和土壤酸堿度的監(jiān)控，鋼鐵冶煉溫度控制，煤氣抄表等各個領(lǐng)域。這種網(wǎng)絡(luò)主要用于無線系統(tǒng)中短距離的鏈接，提供傳感網(wǎng)絡(luò)接入，能夠滿足各種傳感器的數(shù)據(jù)輸出和輸入控制的命令和信息的需求，實現(xiàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化，無線化。ZigBee 技術(shù)是一種應(yīng)用與各種電子設(shè)備之間的無線通信技術(shù)，這種通信網(wǎng)絡(luò)是基于中短距離范圍內(nèi)，低傳輸速率下的，根據(jù)ZigBee 技術(shù)的本質(zhì)，它具有下列特性：低功耗高速擴展，可靠性等。1、ZigBee 協(xié)議棧ZigBee 協(xié)議棧由一組子層構(gòu)成。每層為上層提供一組特定的服務(wù)：一個數(shù)據(jù)實體提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)；一個管理實體提供全部其他服務(wù)。每個服務(wù)通過

39、一個服務(wù)接口（SAP）為上層提供服務(wù)接口，并且每個SAP 提供了一個系列的基本服務(wù)指令來完成相應(yīng)的功能。ZigBee 協(xié)議棧的體系結(jié)構(gòu)包括ZigBee 應(yīng)用層、ZigBee 網(wǎng)絡(luò)層、IEEE802.15.4MAC 層和IEEE 802.15.4PHY 層。它雖然是基于標準的7 層開放是系統(tǒng)互聯(lián)模型，但是對那些涉及ZigBee 層予以定義。IEEE 802.15.4_2003 標準定義最下面的兩層：物理層和介質(zhì)接入控制層。ZigBee 聯(lián)盟提供了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層框架的設(shè)計。其中應(yīng)用層的框架包括了應(yīng)用支持子層（APS）、ZigBee 設(shè)備對象（ZDD）和由制造商定制的應(yīng)用對象。2、ZigBee 協(xié)議

40、棧網(wǎng)絡(luò)層ZigBee 協(xié)議棧網(wǎng)絡(luò)層必須提供一定的功能，其主要是提供一些必要的函數(shù)，以保證IEEE 802.15.4_2003ZigBee 協(xié)議棧的MAC 層能夠正確操作，正常工作，并且為應(yīng)用層提供一個合適的服務(wù)接口。為了和應(yīng)用層通信，必須向其提供接口，10網(wǎng)絡(luò)層的概念包括了兩個必要的功能服務(wù)實體。她們分別為數(shù)據(jù)服務(wù)和管理服務(wù)實體。網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實體通過網(wǎng)絡(luò)層相關(guān)的數(shù)據(jù)庫服務(wù)接網(wǎng)絡(luò)層入點提供絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)層管理實體利用網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實體來獲得一些網(wǎng)絡(luò)管理任務(wù)，并完成一些網(wǎng)絡(luò)的管理工作。并且網(wǎng)絡(luò)層的管理實體還維護一個管理對象的數(shù)據(jù)庫，叫做網(wǎng)絡(luò)信息庫，網(wǎng)絡(luò)層管理實體完成對網(wǎng)絡(luò)信息庫的維護和管理。4.

41、3 總體結(jié)構(gòu)1、串口通信設(shè)計程序流程圖及核心代碼： 圖4-2 串口通信設(shè)計軟件流程圖源代碼：/* 函數(shù)名稱：initUART* 功能描述：CC2530 串口初始化*/void initUART(void)PERCFG = 0x00; /位置 1 P0 口P0SEL = 0x3c; /P0用作串口U0CSR |= 0x80; /UART 方式U0GCR |= 11; /baud_e = 11;U0BAUD |= 216; /波特率設(shè)為 115200UTX0IF = 1;U0CSR |= 0X40; /允許接收IEN0 |= 0x84; /uart0接收中斷/* 函數(shù)名稱：UartTX_Send_

42、String* 功能描述：串口發(fā)送數(shù)據(jù)函數(shù)*12* 參 數(shù)：*Data - 發(fā)送數(shù)據(jù)指針* len - 發(fā)送的數(shù)據(jù)長度* 返 回 值：無*/void UartTX_Send_String(UINT8 *Data,int len)int j;for(j=0;j<len;j+)U0DBUF = *Data+;while(UTX0IF = 0);UTX0IF = 0;/* 函數(shù)名稱：HAL_ISR_FUNCTION* 功能描述：串口接收數(shù)據(jù)中斷函數(shù)* 參 數(shù)：halUart0RxIsr - 中斷名稱* URX0_VECTOR - 中斷向量* 返 回 值：無*/HAL_ISR_FUNCTION(

43、 halUart0RxIsr, URX0_VECTOR )UINT8 temp;URX0IF = 0;temp = U0DBUF;*(str + count) = temp;count+;/* 函數(shù)名稱：main* 功能描述：串口間歇發(fā)送 字符串，當串口接收到數(shù)據(jù)后，再通過串口* 回發(fā)出去。*/void main()UINT8 *uartch = " "UINT8 temp = 0;SET_MAIN_CLOCK_SOURCE(CRYSTAL); /設(shè)置主時鐘為 32M 晶振14initUART(); /初始化串口while(1)UartTX_Send_String(uartch,17); /發(fā)送