单片机原理与接口技术课件单片机系统无线扩展技术.ppt

1,*,单片机原理与接口技术,第11章 单片机系统无线扩展技术,2,*,（1）熟悉单片机无线接口的工作原理。（2）熟悉nRF905无线数传芯片接口电路的设计方法。（3）了解无线传感网络ZigBee的基本原理和应用。,本章教学要求,3,*,本 章 目 录,11.1 点对点无线通信11.1.1 nRF905芯片介绍11.1.2 应用nRF905扩展单片机无线接口11.2 ZigBee无线网络技术简介11.2.1 ZigBee网络框架11.2.2 ZigBee网络中的设备11.2.3 ZigBee网络拓扑结构11.2.4 ZigBee技术的特点和应用领域,11.3 ZigBee无线网络技术应用实例11.3.1 支持ZigBee无线网络的单片机选择11.3.2 串行总线接口的数字式温湿度传感器选择11.3.3 ZigBee无线网络节点的硬件电路设计11.3.4 软件设计习题与思考题,4,*,前 言,与有线通信技术相比，无线通信技术具有如下优点：布线成本低，不需要专门的电缆；只需将设备与无线数据传输模块相连接，建网快捷、扩展性好；维护方便,灵活性高,易用性好,可快速构建应用系统。随着射频技术和集成电路的发展，短距离无线数据传输速率也越来越快，抗干扰能力也越来越强，体积却越来越小，功率和成本越来越低，开发简单快速，极大地促进了移动电子设备的发展。目前，无线数据传输使用范围非常广泛，包括工业控制、交通物流、环境监测、市政设施、粮情监测、仓库监测、医疗监护、家庭电子、社区服务和物业管理等诸多方面。,5,*,前 言,目前广泛应用的无线通信技术主要有：无线传感网络（ZigBee）；蓝牙（Bluetooth）；红外（IrDA）；无线局域网802.11（Wi-Fi）。还有一些近距离无线技术标准，例如：射频标签RFID；超宽频UWB（UltraWideBand）；短距离通信（NFC）；HomeRF等。这些技术都有各自的特点和适用的场合。本章将以点对点无线通信和ZigBee无线传感网络为例介绍单片机无线接口技术。,6,*,11.1 点对点无线通信,早期的无线收发电路采用分立元件组成，调试复杂而且稳定性欠佳。随着大规模集成电路技术的发展，短距离无线收发芯片已经集成化，形成单片数字信号射频收发芯片，只需要增加少量外围器件就可组成一致性良好，性能稳定的无线收发模块。这些射频收发芯片一般均采用串行接口同单片机进行通信，因此单片机只要通过通信接口对射频收发芯片内部的寄存器进行配置就可以改变发射功率、工作频率等参数，数据的传输也是通过串行接口进行的，极大地方便了单片机无线应用开发。这些射频收发芯片主要有挪威Nordic公司生产的nRF401，nRF905，nRF2401等，美国Analog公司生产的ADF7021，ADF7022，ADF7025等，Chipcon公司生产的CC1100，CC1020，CC2500等，Silicon Labs公司生产的Si4430/31/32等芯片。本节将以nRF905为例介绍射频收发芯片与单片机的接口技术。,-射频收发芯片,7,*,11.1.1 nRF905芯片介绍,nRF905是集成度很高的多频段单片射频收发器。工作于433/868/915MHz三个ISM(工业、科学和医学)频道。nRF905采用GFSK调制方式，最高工作速率50kbps。芯片内部集成了曼彻斯特编码和解码器。利用SPI接口同单片机进行数据交换。外部只需连接少量电阻和电容元件，配置简单方便。最大发射功率为10dBm。接收灵敏度为-100dBm。工作电压为1.93.6V。功耗低，发送功率-10dBm时电流为9mA，接收时为12.5mA，待机模式下仅为2.5A。适用于无线数据通信、无线报警及安全系统、无线监测等领域。,-nRF905芯片,8,*,11.1.1 nRF905芯片介绍,nRF905内部结构图,nRF905由电源管理模块,频率合成器,接收解调器,功率放大器,晶体振荡器,低噪声放大器,功率放大器,调制器,内部寄存器和SPI总线接口等模块组成。,nRF905采用32引脚QFN封装(55mm),-nRF905结构,9,*,11.1.1 nRF905芯片介绍,1nRF905的引脚功能,-nRF905引脚,10,*,11.1.1 nRF905芯片介绍,2nRF905的工作模式,nRF905有两种工作模式和两种节能模式。两种工作模式是：ShockBurstTM接收模式ShockBurstTM发送模式两种节能模式是：掉电模式和待机模式。其工作模式由PWR_UP、TRX_CE和TX_EN三个引脚决定，见下表。,-nRF905工作模式,11,*,11.1.1 nRF905芯片介绍,3nRF905的内部寄存器,nRF905有5个内部寄存器,可通过对这5个寄存器的操作实现对芯片控制、发送和接收数据。各寄存器功能描述：1）状态寄存器 状态寄存器(Status-Register)是只读寄存器,其中位7是地址匹配状态(AM)信息,位5是数据就绪DR,其他位没有用。2）射频配置寄存器 射频配置寄存器(RF-Configuration Register)共有9字节，用来配置nRF905的射频工作频段、输出功率，工作方式、本机地址、发送和接收字节数等信息。具体内容见表11-3和表11-4。,-nRF905寄存器,12,*,11.1.1 nRF905芯片介绍,表11-3 nRF905的射频配置寄存器字节列表,-nRF905射频配置寄存器,13,*,11.1.1 nRF905芯片介绍,表11-4 nRF905的RF配置寄存器相关位说明,-nRF905的RF配置寄存器,14,*,11.1.1 nRF905芯片介绍,3）发送地址寄存器 发送地址寄存器（TX-Address）用来写入要访问的目标无线终端设备的地址信息。该寄存器共有4字节，但实际使用的字节数由射频配置寄存器中的TX_AFW决定。4）发送数据缓冲区 发送数据缓冲区（TX-Payload）用来写入要向目标无线终端设备发送的数据信息。该缓冲区共有32字节，但实际使用的字节数由射频配置寄存器中的TX_PW决定。5）接收数据缓冲区 接收数据缓冲区（RX-Payload）用来保存nRF905接收到的数据信息，供主机进行读取。该数据信息包含字头和CRC校验位信息。该缓冲区共有32字节，但实际使用的字节数由射频配置寄存器中的RX_PW决定。,-nRF905寄存器,15,*,11.1.1 nRF905芯片介绍,4nRF905的SPI接口命令主机在访问nRF905相关寄存器时需要按下表中的工作命令操作。,-nRF905命令,16,*,11.1.1 nRF905芯片介绍,nRF905的SPI接口读写时序,该接口支持SPI工作模式0,每条命令都从CSN的下降沿启动。读状态寄存器没有相应命令,而是每当CSN下降沿跳变时,状态寄存器的内容就随着时钟信号逐位移出。推荐在芯片处于待机状态时操作SPI接口。,-nRF905读写时序,17,*,11.1.2 应用nRF905扩展单片机无线接口,1nRF905的收发流程采用nRF905为单片机设计无线数据传输接口,需要考虑单片机如何控制数据的发送和接收,各引脚之间的配合关系是怎么样的,同时还要考虑多个无线终端设备存在时如何防止数据发送的冲突。nRF905发送工作时序图,-nRF905发送时序,18,*,11.1.2 应用nRF905扩展单片机无线接口,nRF905的发送流程如下：(1)单片机由SPI接口向nRF905传送目标终端地址和待发送数据。(2)单片机拉高TRX_CE和TX_EN，使nRF905进入发送模式，nRF905做如下处理：启动射频电路；为数据加上字头和计算出的CRC校验码，形成数据包；发送数据包；当数据发送完成,数据准备好引脚DR被置高;通知单片机nRF905可以接收新的数据。(3)如果射频配置寄存器中AUTO_RETRAN配置为1,nRF905将不断重发数据包,直到TRX_CE被置低。(4)当TRX_CE被置低,nRF905在当前数据包发送完成后,自动进入空闲模式。,在发送模式时,DR引脚在数据包传输开始或转换到其他模式时变为低电平。一旦发送数据的过程开始,无论TRX_CE和TX_EN引脚是高或低,发送过程都会被处理完。只有在前一个数据包被发送完毕,nRF905才能接收下一个发送数据包。,-nRF905发送流程,19,*,11.1.2 应用nRF905扩展单片机无线接口,nRF905接收工作时序图,-nRF905接收时序,20,*,11.1.2 应用nRF905扩展单片机无线接口,nRF905的接收流程如下：(1)当TRX_CE为高、TX_EN为低时,nRF905进入接收模式。(2)650s后，nRF905开始监测，等待接收数据。(3)当nRF905检测到同一频段的载波时,载波检测引脚被置高。(4)当接收到的数据包的地址部分与配置的本机地址相同,AM引脚被置高。(5)当nRF905接收完数据后进行CRC校验，校验结果正确，则nRF905自动移去字头、地址和CRC校验位，然后把DR引脚置高。如果CRC校验有误，则DR引脚保持低电平，而且将AM引脚复位置低。(6)单片机把TRX_CE置低，nRF905进入空闲模式。(7)单片机通过SPI口把数据从接收缓冲区读回。,-nRF905接收流程,21,*,11.1.2 应用nRF905扩展单片机无线接口,当数据缓冲区中的数据被读空时，nRF905把DR引脚和AM引脚置低。此时nRF905可以进入接收模式、发送模式或关机模式。当nRF905正在接收一个数据包时，如果改变芯片的工作模式会造成数据丢失。CD引脚的作为载波检测的输出，为nRF905提供了简易的冲突检测功能。当芯片处于接收模式时，如果在芯片所配置的射频工作频段内，能够检测到载波信号，则说明有设备处于发送状态，此时载波检测（CD）引脚变高。为了避免冲突，造成双方数据发射失败，单片机在发送数据前，要先将芯片置为接收模式，检查CD引脚状态，为低电平时才可发送数据。,-nRF905接收流程,22,*,11.1.2 应用nRF905扩展单片机无线接口,2nRF905的接口电路 图11-5是采用8051内核单片机STC90C54所设计的nRF905的接口电路。nRF905的外部连接包括天线、晶振、电阻和电容。天线可以采用PCB环形天线和外部单端天线,不同的频段和不同的天线对电路中元件的要求不同。设计印制电路板时严格按照芯片的手册给出的天线电路的布局、尺寸和形状绘制PCB天线。nRF905的电源应尽量采用独立的直流电源供电，电源引线尽量短。电源引脚VDD应接去耦电容，去耦电容应尽量接近nRF905的电源引脚，最好用一个大的钽电容（4.7 F）和一个小的电容并联。,-nRF905接口电路,23,*,11.1.2 应用nRF905扩展单片机无线接口,-nRF905接口电路,24,*,11.1.2 应用nRF905扩展单片机无线接口,图11-5中，STC90C54的P2.0P2.3作为SPI接口与nRF905的SPI接口连接,实现地址和数据的传输。nRF905的CD、AM、DR、PWR_UP、TRX_CE和TXEN均与STC90C54的I/O口相连，用于实现nRF905的状态检测和工作模式控制。系统工作在433MHz频段，相应的外部元器件参数和要求见表11-6。,-nRF905外围元件,25,*,11.2 ZigBee无线网络技术简介,前面介绍的点对点无线通信方法适用于通信节点比较少和数据通信量较小的场合。当通信节点数较多时，这种通信方式就不可取了。因为这种情况下，管理大量的通信节点，对于编程人员来说将是非常的困难，而且这种通信方式没有可以遵循的标准协议，不利于通信的兼容性。因此在节点数较多时一般采用无线组网来达到目的。随着市场需求的迅速发展，无线通信技术朝着网络化、标准化的方向发展。众多无线网络通信技术迅速发展，并有了各自相应标准，如WLAN（Wi-Fi）、WMAN（WiMAX）、GSM/CDMA、GPRS、3G等。这些技术根据通信距离以及通信速率的不同应用在不同的场合中。随着人们生活水平的不断提高，人们提出了以人为中心的WPAN（Wireless Personal Area Network），即无线个人区域网。在这种要求下，IEEE协会成立了802.15工作组来研究并制订这种网络的标准。我们熟知的蓝牙技术的底层协议就是由小组制订的。,-ZigBee,26,*,11.2 ZigBee无线网络技术简介,在2000年12月，IEEE协会成立了工作组，制定了无线网络标准，为个人无线网络增加了以ZigBee为代表的低速无线个人区域网（Low Rate Wireless Personal Area Network，LR-WPAN）。ZigBee是一种短距离，低功耗，低数据速率，低成本，低复杂度的无线网络技术。这个名字来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式，蜜蜂通过跳Zigzag形状的舞蹈来分享新发现的食物源的位置、距离和方向等信息。ZigBee的基础是，具有无线物理层所规定的全部优点：省电，简单，成本低，ZigBee联盟对其网络层协议和API进行了标准化，又增加了逻辑网络、网络安全和应用层。由于具有完善的网络协议，从而使得其在大容量无线节点通信时组网十分简便，应用也十分广泛。,-ZigBee,27,*,11.2.1 ZigBee网络框架,与众多其它网络协议一样，ZigBee也是采用分层的结构，基于标准的开放式系统互联（OSI）模型开发的。仅是定义了ZigBee的物理层（PHY）与媒体介质控制层（MAC）规范。,2002年，英国Invcnsys公司、日本三菱电气公司、美国Motorola公司及荷兰Philips公司宣布组成ZigBee技术联盟，该联盟对ZigBee网络层协议和API进行了标准化，对网络层（NWK）、应用层（APL）以及安全服务规范进行了定义。,ZigBee协议框架用图,-ZigBee框架,28,*,11.2.1 ZigBee网络框架,ZigBee的物理层通过射频固件和硬件提供MAC层与物理无线信道之间的接口，主要完成开启和关闭无线收发信机、能量检测、链路质量指示、空闲信道评估、信道选择和数据发送与接收等任务。MAC层提供了服务协议汇聚层和物理层之间提供了一个接口，完成对无线物理信道的接入过程管理。MAC规范定义了3种数据传输模型：数据从设备到网络协调器从网络协调器到设备点对点对等传输模型网络层主要功能包括设备连接和断开网络时所采用的机制，以及在帧信息传输过程中所采用的安全性机制。此外，还包括设备的路由发现和路由维护和转交。网络层还为应用层提供合适的服务接口。,-ZigBee协议,29,*,11.2.1 ZigBee网络框架,ZigBee应用层主要负责把不同的应用映射到ZigBee网络上，包括：应用支持层APS（Application Support）应用框架AF（Application Fraework）ZigBee设备对象ZDO（ZigBee Device Object）应用支持层提供了网络层和应用层之间的接口，维护绑定表和在绑定设备之间传递信息。应用框架为ZigBee技术的实际应用提供一些应用框架模型，以便对ZigBee技术的开发应用。ZigBee设备对象负责定义设备在网络中的角色，发现设备并决定设备能提供的服务。,-ZigBee协议,30,*,11.2.2 ZigBee网络中的设备,根据设备的功能不同，把网络中的设备分为：全功能设备(Full function device,FFD)。实现全部协议集。精简功能设备(Reduced functlon device,RFD)。根据需要选择协议中的部分功能，存储器容量要求少。根据设备在网络中任务不同,ZigBee标准定义了三种逻辑设备：ZigBee协调器(ZigBee Coordinator,ZC)。协调器是ZigBee网络中的总控制器，主要功能是通过设置参数建立和启动网络，配置网络成员地址，维护网络，维护节点的关系表等，需要最多的存储空间和计算能力。每个网络有且只有一台ZigBee协调器。ZigBee路由器(ZigBee Router,ZR)。路由器主要实现扩展网络及路由消息的功能,作为网络中的潜在父节点,允许更多的设备接入网络。ZigBee终端设备(ZigBee EndDevice,ZE)。终端设备与实际的监控对象相连，完成信息传感和控制功能，只与自己的父节点通讯，具体的信息路由则全部交由其父节点及网络中具有路由功能的协调器和路由器完成。,-ZigBee设备,31,*,11.2.3 ZigBee网络拓扑结构,ZigBee无线网络可采用多种类型的网络拓扑。星状网络：由一个协调器节点和一个或多个终端设备节点组成。所有终端设备都只与协调器通信，依靠协调器将数据转发到目的终端设备。树状网络：是多个星状拓扑的集合，若干个星状拓扑连接到一起。树状网络在信息源与目的设备之间只有一条传输路径，任何一个节点的中断或故障将会使部分节点脱离网络。网状网络：每个节点都是一个小的路由器，信息源与终端设备之间有多个信息传输路径，具有重新路由选择的能力，以确保网络最大限度的可靠性。,-ZigBee拓扑,32,*,11.2.4 ZigBee技术的特点和应用领域,由于ZigBee协议的PHY与MAC规范采用标准，于是ZigBee的很多底层技术特性是由标准决定的。表11-7列出了ZigBee的主要技术特性。,-ZigBee特点,33,*,11.2.4 ZigBee技术的特点和应用领域,ZigBee在低功耗、低成本等方面有着非常独到的优势，具体来说，ZigBee具有以下优点：省电。由于工作周期短，收发信息时功耗低，并采用了休眠模式，ZigBee技术可以确保只有两节五号电池的网络节点工作6个月到2年甚至更长的时间。成本低廉。ZigBee协议相对于蓝牙、Wi-Fi要简单很多，可以采用8位单片机处理器，使模块成本很低，广泛应用时大约为20元左右，而且无需ZigBee协议专利费用。可靠。采用碰撞避免机制，避免了发送数据时的竞争和冲突；能进行确认信息回复，若没有得到确认的回复将自动再传一次。采用这种方法可以提高系统信息传输的可靠性。延时短。通信时延和从休眠状态激活的延时都非常短，ZigBee设备搜索延时一般为30 ms，休眠延时为15 ms，活动设备信道接入延时为15 ms。网络容量大。可支持节点达65 000个。,-ZigBee优点,34,*,11.2.4 ZigBee技术的特点和应用领域,安全。ZigBee提供了数据完整性检查功能，加密算法采用通用的AES-128。维护方便。ZigBee可以在任何地点，不依靠其他的移动和固定通信网络设备，迅速地建立无线网络，例如，可以在建筑物内、隧道中，以及偏远地区建立该网络系统。自组织和自配置：ZigBee通过网络协调器自动建立网络，在给某节点上电后，它就能收听到邻近节点，如果它找到了一个或若干个节点，就会要求加入网络，满足一定条件下会获得准入。ZigBee的应用领域：ZigBee主要应用在短距离、低功耗且传输速率不高的各种电子设备之间。目前主要应用于工业控制（如自动控制设备、无线传感器网络），医疗护理（如监视和传感），家庭自动化（如照明、水电气计量及报警），消费类电子设备的遥控装置、建筑自动化、智能能源等领域。,-ZigBee应用领域,35,*,11.3 ZigBee无线网络技术应用实例,在工农业生产过程中及环境信息监控系统中，经常需要对环境的温湿度进行监测。传统的温湿度监控系统主要是基于有线通信方式，在生产实践中存在诸如布线复杂、维护困难、传感器节点不能灵活部署等问题。ZigBee无线传感器网络具有节点规模大、体积小、成本低、自组网等特点，十分适合在环境监测领域的应用。本节以基于ZigBee无线网络技术实现的温湿度采集系统为例，介绍ZigBee无线网络技术的应用。,-ZigBee应用,36,*,11.3 ZigBee无线网络技术应用实例,无线网络温湿度采集系统结构图,系统由监控计算机、中心节点和现场温湿度传感节点组成。多个独立的温湿度传感节点按实际需要布置在不同位置，采用数字温湿度传感器测,量环境温湿度变化数据，利用无线网络与中心节点进行通信，中心节点通过串行接口与计算机进行通信，同时中心节点上也具有显示功能，可以循环显示各测量节点的温湿度数据。,-ZigBee应用系统,37,*,11.3.1 支持ZigBee无线网络的单片机选择,支持ZigBee无线通信的芯片种类和数量繁多，ZigBee芯片的选择在设计中至关重要，正确的选择可以减小开发难度，缩短开发周期，降低成本。在选择ZigBee芯片时，应考虑需要以下几点因素：功耗、发射功率、接收灵敏度、ZigBee芯片所需的外围元件数量、芯片成本等。本节选用TI公司生产的CC2430单片机作为ZigBee网络节点的处理器。1CC2430芯片的结构 CC2430是TI公司推出的用来实现嵌入式ZigBee应用的片上系统,由一个增强型8051内核处理器和一个CC2420无线收发器组成。CC2420 RF收发器支持协议。根据芯片内置Flash存储器的不同有3个版本,即CC2430-F32/64/128，分别对应内置内存32/64/128 KB。内部结构如图11-9所示。,-ZigBee芯片,38,*,11.3.1 支持ZigBee无线网络的单片机选择,-CC2430芯片结构,39,*,11.3.1 支持ZigBee无线网络的单片机选择,CC2430增强的8051MCU内核的性能是工业标准8051内核性能的8倍。CC2430还具有DMA控制器、可编程看门狗定时器、AES-128安全协议处理器、多达8输入的8-14位ADC、USART、睡眠模式定时、上电复位、掉电检测电路。两个可编程的USART用于主/从SPI或USART操作。21个通用可编程I/O引脚，其中2个具有20 mA的电流吸收或电流供给能力。只需一个晶体，外接少量的外部元件，即可满足组网需要。电流消耗小（当微控制器内核运行在32 MHz时，RX为27 mA，TX为25 mA），挂起方式下电流消耗小于0.6 A，支持外部中断或者实时时钟唤醒。还具有电池监视器和温度传感器。CC2430集成了4个振荡器用于系统时钟和定时操作：一个32 MHz晶体振荡器，一个16 MHz RC振荡器，一个可选的32.768 kHz晶体振荡器和一个可选的32.768 kHz的RC振荡器。,-CC2430性能,40,*,11.3.1 支持ZigBee无线网络的单片机选择,CC2430包括4个定时器：一个16位MAC定时器，用以为的CSMA-CA算法提供定时以及为的MAC层提供定时。一个通用的16位和两个8位定时器，支持典型的定时/计数功能，例如，输入捕捉、比较输出和PWM功能。增强型的8051CPU有18个中断源，每个中断都被赋予4个中断优先级中的某一个。调试接口采用两线串行接口，该接口被用于在电路调试和外部Flash编程。CC2430采用的增强型8051内核的目标代码与标准的8051微处理器完全兼容，可以使用标准的8051汇编器和编译器进行软件开发。IAR为CC2430的应用提供了强大的集成开发环境，降低了软件编程工作量。,-CC2430性能,41,*,11.3.1 支持ZigBee无线网络的单片机选择,2CC2430的外部引脚功能CC2430芯片采用7 mm7 mm QLP封装，共有48个引脚。其封装和引脚如图11-10所示。全部引脚可分为I/O端口线引脚、电源线引脚和控制线引脚3类。CC2430有21个可编程的I/O口引脚，P0、Pl口是完全的8位口，P2口只有5个可使用的位。全部21个数字I/O口引脚在输入时有上拉和下拉能力，而且都具有响应外部中断的能力。通过软件对SFR寄存器设定，可使这些引脚作为通常的I/O口或作为连接ADC、计时器或USART部件的外围设备I/O口使用。I/O端口线引脚功能见表11-8。电源线引脚功能见表11-9。控制线引脚功能见表11-10。,-CC2430引脚,42,*,11.3.2 串行总线接口的数字式温湿度传感器选择,本例中温度测量采用美国Dallas公司的单总线数字温度传感器芯片DS18B20，以使读者了解采用单总线方式的应用扩展方法。湿度测量采用瑞士Sensirion公司生产的一种采用串行总线接口的数字式温湿度传感器芯片SHT75，以使读者了解采用串行总线接口方式的应用扩展方法。1温度传感器1)DS18B20的主要特性 DS18B20数字温度传感器芯片的功能是将被测温度转换为串行数字信号，供微控制器进行处理，具有低功耗、高性能、抗干扰能力强等优点。器件的主要特点如下：采用单线接口方式，微处理器通过一条信号线实现与DS18B20的双向通信。使用中不需要任何外围器件。,-温度芯片,43,*,11.3.2 串行总线接口的数字式温湿度传感器选择,在每个传感器的内部ROM里面都有一个唯一的64位地址码。可以实现简单的多点分布式温度检测。可选的供电方式。可以选择从电源引脚接入外接电源的方式，电压范围：3.05.5 V，也可以选择只利用数据线的方式，它会利用内部的寄生电源来实现供电。测温范围：-55125，在-1085之间测量时具有0.5的分辨率。具有温度高和低报警比较功能。通过编程可实现912位的数字数据方式，分别对应0.5、0.25、0.125和0.0625的分辨率。12位的数据转换模式下最多在750 ms内把温度转换为数字值。用户可自行设定非易失性的报警上下限值。,-温度芯片,44,*,11.3.2 串行总线接口的数字式温湿度传感器选择,DS18B20的封装有TO-92和SOIC两种形式,以满足不同的实际应用。其封装和引脚如图11-11所示。,DS18B20的引脚和引脚功能如下：VDD：可选的VDD引脚,当工作于寄生电源模式时引脚必须接地。DQ：开漏形式的单线接口引脚,在寄生电源模式下,通过该引脚给器件提供电源。GND：接地。,-温度芯片,45,*,11.3.2 串行总线接口的数字式温湿度传感器选择,2)DS18B20的存储器 DS18B20的存储器结构图,DS18B20包括一个高速暂存SRAM和一个EEPROM，数据先写入SRAM，经校验后再传给EEPROM。EEPROM主要用于存储温度上限报警(TH)和温度下限报警(TL)值。,-芯片结构,46,*,11.3.2 串行总线接口的数字式温湿度传感器选择,SRAM包含了9个连续字节（字节08）。字节0和字节1：测得的温度信息。字节0：温度值的低8位字节1：温度值的高8位字节2：TH值。字节3：TL值。字节4：配置寄存器，用于确定输出分辨率（912位）。第5、6、7字节：预留寄存器，用于内部计算。字节8：存储前面8个字节的CRC校验码。,-芯片结构,47,*,11.3.2 串行总线接口的数字式温湿度传感器选择,BIT0BIT4：始终为1。BIT7：测试模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式，出厂时该位被设置为0。R1(BIT6)和R0(BIT5)：决定温度转换的精度。00-9位；01-10位；10-11位；11-12位（默认为12位转换精度）。,字节4：配置寄存器,用于确定温度值的数字转换分辨率(912位),DS18B20工作时按照此寄存器的设置将温度转换为相应精度的数值。配置寄存器的格式：,-配置格式,48,*,11.3.2 串行总线接口的数字式温湿度传感器选择,3)DS18B20的操作命令 DS18B20除了遵循如第9章所述的单总线协议所规定的基本命令外，还提供了适用于温度转换和控制的6个命令。(1)写暂存器(4Eh)：向RAM写数据，连续写入3个字节依次到TH、TL和配置寄存器，之后发出复位信号。(2)读暂存器(BEh)：读取RAM中9字节的内容。(3)复制暂存器(BEh)：把RAM中TH、TL和配置寄存器的内容复制到EEPROM中。(4)温度转换(44h)：启动DS18B20进行温度转换，该命令被执行后DS18B20返回到低功耗空闲状态。转换结果存储在RAM的两个温度寄存器中。(5)重调EEPROM(B8h)：把EEPROM中TH、TL和配置寄存器的内容恢复到RAM中。(6)读供电方式(B4h)：在发送完读时序命令后发送该命令来检测总线上的DS18B20是否在使用寄生电源方式，在读时序时，使用寄生电源模式的DS18B20会拉低总线。,-芯片命令,49,*,11.3.2 串行总线接口的数字式温湿度传感器选择,4)DS18B20的温度值读取和处理DS18B20接受单片机的启动转换命令(44h)之后,将转换完成的温度值以16位带符号二进制补码形式存储在SRAM的0,1字节。单片机可通过单总线读取该温度数据(低位字节在前，高位字节在后)。温度值低位和高位字节格式为：,S：符号位，温度为负值时全为1，温度为正值时全为0。BIT10BIT0：温度值数据位。12位时BIT10BIT0有效；11位时BIT10BIT1有效；10位时BIT10BIT2有效；9位时BIT10BIT3有效。,-数据格式,50,*,11.3.2 串行总线接口的数字式温湿度传感器选择,温度值数据的处理方法：例如，分辨率取12位，对应的温度变化增量为0.0625。用C语言编程。定义两个 unsigned char 类型的变量：TempH，存储温度值高字节数据TempL，存储温度值低字节数据定义一个浮点型变量：fTemp，存储转换结果的实际温度值则转换算式为：fTemp=(TempH8)+TempL)*0.0625,-数据处理,51,*,11.3.2 串行总线接口的数字式温湿度传感器选择,2湿度传感器1)SHT75的主要特性SHT75数字式温湿度传感器芯片结构包括：一个电容性聚合体测湿敏感元件；一个用能隙材料制成的测温元件；校准系数存储器；14位的A/D转换器；串行接口电路。每个传感器芯片都是在极为精确的湿度腔室中进行标定,校准系数以程序形式存储在SHT75内存中,用于内部的信号校准。SHT75与微控制器采用两线制的串行接口，输出经过标定的数字信号。具有响应迅速、抗干扰能力强、性价比高等优点。,-湿度芯片,52,*,11.3.2 串行总线接口的数字式温湿度传感器选择,SHT75的内部结构图和外形及引脚图,SHT75的引脚定义如下：SCK：串行时钟，输入口。DATA：双向串行数据传输信号。如果单片机的I/O口不带上拉电阻或把I/O口配置为不带上拉电阻模式，就必须外接上拉电阻将信号拉至高电平，上拉电阻的推荐值为10 k。VDD：电源，范围为2.45.5V，为保证传感器的最高精度，建议供电电压为3.3 V。GND：接地。,-芯片引脚,53,*,11.3.2 串行总线接口的数字式温湿度传感器选择,SHT75传感器的测量范围、精度和默认分辨率：温度：-40123.8，0.3(环境温度为25时)，14位湿度：0100%RH，1.8%，12位在测量过程中可对相对湿度自动校准，使SHT75具有100%的互换性。虽然SHT75带有温度传感器，但由于在低温和高温环境时温度测量特性变差，所以本例另配了DS18B20温度传感器。,-芯片性能,54,*,11.3.2 串行总线接口的数字式温湿度传感器选择,3)SHT75的命令发送方式传感器上电后需要11 ms进入休眠状态，在此之前不能对传感器发送任何命令。单片机向SHT75发送命令之前需要用一组“启动”时序，唤醒芯片完成数据传输的初始化。过程为：当SCK时钟高电平时DATA翻转为低电平，在下一个SCK时钟高电平时DATA翻转为高电平。当SHT75正确地接收到指令后，会在第8个SCK时钟的下降沿后将DATA下拉为低电平，类似于I2C协议中的应答信号。并在第9个SCK时钟的下降沿之后释放DATA恢复高电平。在从传感器中读出数据时，单片机在收到1字节后也需要通过下拉DATA为低电平，以确认每个字节。,-工作方式,55,*,11.3.2 串行总线接口的数字式温湿度传感器选择,SHT75的命令SHT75命令包含3个地址位（目前只支持“000”）和5个命令位。,-芯片命令,56,*,11.3.2 串行总线接口的数字式温湿度传感器选择,4)SHT75使用方法 单片机控制SHT75进行温湿度测量时，需要发送相应命令。例如：使用SHT75进行湿度测量的过程。单片机首先发送“启动”时序；接着发送湿度测量命令00000101；SHT75需要大约80ms时间完成测量过程,此时单片机需要等待；SHT75完成测量过程后将DATA下拉为低电平并进入空闲模式,表示测量结束；单片机需要在检测到SHT75拉低DATA信号后，才能再次触发SCK时钟;此时单片机连续触发SCK时钟信号，将SHT75中的两个字节的测量数据和一个字节的CRC奇偶校验移出;每8个SCK脉冲后，单片机需要拉低DATA来确认每个字节。数据传输从最高位（MSB）开始;在收到CRC字节的确认位之后，表明通讯结束。,-测量过程,57,*,11.3.3 ZigBee无线网络节点的硬件电路设计,1传感节点的电路设计 由于CC2430的高度集成化，使得采用CC2430的设计开发大为简化。要增加采集接点，只需要在CC2430基本应用电路的基础上增加与DS18B20温度传感器和SHT75温湿度传感器的串行接口即可。由于上述两个传感器均支持3.3 V供电，因此可以利用CC2430的I/O口与传感器的串行总线直接相连，无需考虑电平转换。利用CC2430的P0.6和P0.7分别连接SHT75的SCK和DATA。利用P1.2实现与DS18B20的单线接口。传感节点的电路设计如图11-18所示。,-传感节点,58,*,11.3.3 ZigBee无线网络节点的硬件电路设计,-传感节点,59,*,11.3.3 ZigBee无线网络节点的硬件电路设计,2中心节点的电路设计 根据应用需求，中心节点的电路设计在CC2430基本应用电路的基础上，主要考虑与计算机的串行通信接口和显示部件。为此增加了RS-232C接口芯片MAX3232E，该芯片为3.3 V供电，依靠内部的电荷泵为RS-232C串行接口提供9V的电压，可提供两路RS-232C接口，本例只使用其中一路，与CC2430的P0.4和P0.5相连，P0.4和P0.5是CC2430内置USART1的UART功能的复用引脚。液晶显示采用点阵式的12864液晶显示模块，该模块具有SPI接口，因此与CC2430的P1.3、P1.4和P1.5相连，这3个引脚是CC2430内置USART0的SPI功能的复用引脚。此外还扩充了3个按键，便于查询操作。中心节点的电路如图11-19所示。,-中心节点,60,*,11.3.3 ZigBee无线网络节点的硬件电路设计,-中心节点,61,*,11.3.4 软件设计,本例中，中心节点和传感节点的主要功能分别是：中心节点：创建无线网络，配置网络节点属性，接收传感节点采集的数据，然后通过串口上传到计算机。传感节点：采集温湿度数据，并将采集到的数据通过无线信道发送出去。为了减少传感器节点能耗，传感器节点在运行状态和休眠状态之间转换，处于休眠状态节点的无线通信模块、传感模块及MCU部分电路是处于关闭状态的，只保留MCU内部定时器和中断。定时器到时唤醒节点，进行新一轮的数据采集和发送。,-节点功能,62,*,11.3.4 软件设计,本例以TI公司的ZigBee2006协议栈为基础，在IAR Embedded Workbench（简称EW）平台完成。ZigBee2006协议栈采用一个小型的操作系统来管理整个协议栈及硬件设备。采用事件轮询机制，当各层初始化之后，使所有任务进行一次轮询。对于终端节点如果没有事件产生，一般会进入低功耗模式。当事件发生时，唤醒系统，开始进入中断处理事件，结束后继续进入低功耗模式，通过这种方式可以极大地降低系统功耗。而如果是协调器，则一般会对各任务进行往复轮询，如果同时有几个事件发生，判断优先级，逐次处理事件。,-软件开发平台,63,*,11.3.4 软件设计,系统上电后,会进行一系列的初始化动作,其中主要包括：板级硬件配置HAL_BOAR