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基于CC1100的无线传感器模块设计

发布时间:2015-12-14 13:52

摘 要:该文章介绍使用TI公司的MSP430F449单片机作为控制器,使用CC1100无线通信模块实现无线通信,可以将他们构造成无线传感器模块主单元,当配合不同的传感器后该通讯系统可适用于无线抄表、无线数据传输等工程。

关键词:无线通讯;CC1100;MSP430F449;传感器
1、 引言
  当今对工业控制造成的限制主要不是受控制理论的影响,而是受采集到得信号的制约。早期的工业控制采用的是有线传输的方式,传输方式有RS232、RS485,虽然这些传输较为简单,但是容易受到传输距离和传输环境的限制,不适合与远距离传输,因此有线传输在很大程度上限制了工业控制的发展,随着网络技术的发展,网线传输提高了传输距离,但随着传输距离的扩大,但在传输过程中线路的阻抗对信号产生衰减。为了克服数据传输中的衰减,无线通讯技术成为了主要的研究方向,随着计算机网络技术使得无线通讯网络得到了广泛的应用。WLAN(无线局域网络)技术能够在工业控制中,为各种智能设备、机器人以及各种自动化设备之间的通信提供高带宽的无线数据链路和灵活的网络拓扑结构,在很大成度上弥补了有线网络的不足,但是投入成本较高,不适于大规模使用,为了弥补这一缺点,出现了大量的以射频芯片为代表的无线通信模块,这些模块以低廉的价格,较高的性能占据着无线通信广阔的市场。与单片机结合后可以将传感器采集到得信号进行无线传输,然后交由主控制器操作。
2、 无线通信传感器
2.1模块架构
  本设计中的无线通信传感器是在传统传感器基础上利用MCU和无线传输模块相结合的方式构的,无线通信模块是由两部分构成的,一部分是无限发射模块其基本单元包括传感器、MCU、CC1100,三者构成了采集、处理和发送的三个过程。另一部分是无线接收单元包括CC1100、MCU、传输接口,这三者构成了接收、处理和传输的三个过程。其无线传感器的构造原理图如下图所示:

图2-1无线传感器发射模块原理框图    图2-2无线传输接收模块原理框图
2.2处理器
  本设计中采用的处理器是TI公司的MSP430F449单片机,该单片机是一个 16 位的、具有精简指令集的、超低功耗的混合型单片机,处理器的晶振较高,可以满足系统硬件需要和外部事件快速响应。更重要的是其低功耗的特点,工作电压为3.3v,使其很适合与在手持设备或者无线设备中使用。其内部集成了12位的ADC转换模块,使其对简单模拟信号可以直接进行采集。而对特殊信号进行采集时还需要传感器来采集信号。接口方面支持SPI通信接口可以与无线通信模块实现连接。
2.3 CC110
  它是Chipcon公司生产的,体积小(QLP 4×4mm封装,20脚),真正的单片UHF RF收发器,频率波段较宽,高灵敏度(1.2kbps下-110dBm,1%数据包误差率)等特性。它的RF收发器集成了一个高度可配置的调制解调器。这个调制解调器支持不同的调制格式,其数据传输率可达500kbps。通过开启集成在调制解调器上的前向误差校正选项,能使性能得到提升,CC1100为数据包处理、数据缓冲、突发数据传输、清晰信道评估、连接质量指示和电磁波激发提供广泛的硬件支持。
2.4通信方式
SPI通信
  发射和接收模块是MSP430与CC1100之间的通信。CC1100支持的是SPI通信,SPI串行通信是一种同步串行接口通信,可以通过3条或4条线与MCU进行通信,3条通信线的接口为SOMI、SIMO、UCLK,端口的含义如表2-1所示
表2-1 SPI通信接口的含义
引脚含义主机模式从机模式SIMO从进主出数据输出引脚数据输入引脚SOMI从出主入数据输入引脚数据输出引脚UCLKUSART时钟输出时钟输入时钟4线SPI通信模式的SET含义
0 允许从机发送接收数据,SOMI正常操作。
1 禁止从机发送接收数据,SOMI被强制进入输入状态。
串口通信
  在接收模块中的传输接口采用RS232串口进行传输,RS-232串口标准是一种可以在低速率串行通讯条件下增加通讯距离的单端标准。RS-232采用了不平衡传输方式,即单端通讯。其收发端的数据信号都是相对于地信号的,而不是采用差分信号。所以其共模抑制能力差,并且双绞线的分布电容也对传输信号有很大影响,其传输距离最大约为15M,最高速率为20KBPS,且其只能支持点对点通信。对于一般双工通信,仅需几条信号线就可实现,如一条发送线、一条接收线及一条地线。在RS-232-C中任何一条信号线的电压均为负逻辑关系。即:逻 辑“1”为-3 ~-15V;逻辑“0” 为+3 ~+15V,介于-3 ~+3V之间的电压无意义,高于+15V或低于-15V的电压也认为无意义。需要注意的是这与TTL以高低电平的表示逻辑状态的规定有所不同。因此为了实现计算机和终端的TTL器件连接,必须在两者之间添加电平的转换。目前转换的方法广泛使用集成电路转换器,例如MAX323。RS-232-C标准规定,驱动器允许有2500pF的电容负载,通信距离将受此电容限制。采用该种传输方式的优势在于该接口是PC机中的专用接口,方便与上位机之间进行通信。
2.5接收部分的电路图设计
  接收单元的设计是利用MSP430对CC1100中的数据进行处理,然后利用串口将数据传输给其他的控制器或者上位机,其设计电路如下图所示:电路利用MSP430的两个通信端口,SPI通信占用4个端口,分别为UCLKO、MIOS0、MOSI0、SET0,通过时序控制和驱动程序实现MCU与CC1100之间的通信。与其他单片机的通信则采用最简串口通信,占用两个端口TX、RX。通过串口驱动程序实现通信。CC1100的外部电路则可参照数据手册中提供的数据进行设计。
  
3低功耗功能
  本设计的低功耗表现在两个方面,一方面是MSP430工作电压较低,在非正常运行时可以处于睡眠状态,当需要进行运算控制时,则可以切换到工作模式下。另一方面则体现在CC1100上,CC1100 的电磁波唤醒功能可以保证无线芯片在没有微处理器的干预下从睡眠状态中周期性的醒来接收数据包。苏醒周期由WOR 定时器控制,该定时器时钟来源于内部RC 震荡器。当在接收状态周期内检测到同步词汇,则CC1100 就会通过可配置的通用数字输出引脚( GDO) 将MCU 唤醒,然后由MCU 来进行进一步的数据处理,如果在这个周期内没有检测到同步词汇则CC1100 将会自动回到睡眠状态。
4软件设计
  软件设计部分也分为发射部分程序和接收部分程序,无限发射程序首先要进行系统的初始化设定,然后进行数据的A/D采集,采集完毕后要跳出中断采集,而进入数据的处理过程,进入低功耗模式。此时 引发无线触发的中断从而进行无线模块行初始化,然后将数据有无线模块发送出去,发送完毕后单片机进入低功耗模式。无线发射部分程序流程图如下图所示:

图4-1无线发射模块的程序流程图
无线接收模块的程序和发射模块的程序基本相同,只是在接受模块中缺少了A/D采集的单元,并在数据传输方面添加了串口传输功能,程序流程图如下图所示:

图4-2无线接收模块程序流程图
5总结
  无线通信在无线抄表系统中已得到广泛的应用,本课题从无线传感器为出发点,设计了无线传感器的通用模块,采用这种方法进行设计后可以生产传感器的信号传输通用模块,通过修改MCU中的指令实现不同的工作需要。
参考文献:
. 中国电子网,2002 (12) :16 - 19.

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