基于S12的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)樣機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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摘要闡述基于藍(lán)牙技術(shù)的無(wú)線傳感器技術(shù)模塊的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)方法。詳細(xì)描述了MC9S12DT128單片機(jī)在CodeWarrior開發(fā)環(huán)境下模/數(shù)轉(zhuǎn)換的中斷控制方式,以及主從藍(lán)牙模塊的驅(qū)動(dòng)過(guò)程。系統(tǒng)包含主從2個(gè)藍(lán)牙模塊:主藍(lán)牙模塊由PC機(jī)控制;從藍(lán)牙模塊采用Freescale公司的MC9S12DT128單片機(jī)作為核心處理器。
關(guān)鍵詞 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) 藍(lán)牙技術(shù) MC9S12DT128
引言
微傳感器技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用,使得無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)成為傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必然趨勢(shì)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量無(wú)處不在的、具有通信與計(jì)算能力的微小傳感器節(jié)點(diǎn),密集布設(shè)在無(wú)人值守的監(jiān)控區(qū)域,構(gòu)成的能夠根據(jù)環(huán)境自主完成制定任務(wù)的“智能”自治測(cè)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)期在無(wú)人值守的狀態(tài)下工作,無(wú)法經(jīng)常為傳感器節(jié)點(diǎn)更換電源,因此能耗成為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題之一,在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須盡可能降低系統(tǒng)能耗。本文以無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為理論依據(jù),以教學(xué)樣機(jī)系統(tǒng)為開發(fā)目標(biāo),提出了以MC9S12DT128為核心處理器,由藍(lán)牙無(wú)線通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)方法。
1 硬件設(shè)計(jì)
1.1 系統(tǒng)原理
作為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的一個(gè)節(jié)點(diǎn),本系統(tǒng)由傳感器單元、信號(hào)調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、信號(hào)處理單元(由單片機(jī)實(shí)現(xiàn))、從藍(lán)牙模塊、主藍(lán)牙模塊以及PC工作站7部分組成,如圖1所示。
具體工作過(guò)程是:傳感器采集的環(huán)境中的信號(hào)量經(jīng)過(guò)調(diào)理電路,送至MC9S12DT128單片機(jī)的模擬量輸入端口;由單片機(jī)內(nèi)置的ATD模塊實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換,并對(duì)轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行處理,將處理完畢的信號(hào)通過(guò)UART傳送至從藍(lán)牙模塊。主藍(lán)牙模塊由PC機(jī)控制,主從藍(lán)牙模塊通過(guò)藍(lán)牙協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。
圖1 系統(tǒng)原理框圖
1.2 MC9S12DT128簡(jiǎn)介
MC9S12DT128是Freescale公司的高性能16位單片機(jī),采用5 V供電,內(nèi)核為比68HC12的內(nèi)核CPU12更快的S12,總線頻率可達(dá)25 MHz。其特點(diǎn)是擁有豐富的I/O模塊和工業(yè)控制專用的通信模塊,如圖2所示,工業(yè)應(yīng)用非常廣泛。
圖2 MC9S12DT128片內(nèi)資源
MC9S12DT128單片機(jī)內(nèi)部帶有5 V轉(zhuǎn)換為2.5 V的電壓調(diào)整器,其內(nèi)核電壓僅為2.5 V,功耗很低;片外I/O采用5 V供電,但輸出功率軟件可調(diào),最低可將輸出功率降低為全功率的50%。此外,單片機(jī)提供了停止模式、休眠模式和等待模式3種低功耗的工作模式供用戶選擇;也可將部分通信模塊設(shè)置為休眠模式,以降低系統(tǒng)的功耗。MC9S12DT128不僅運(yùn)算速度快,而且功耗可以降至很低,適用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。
1.3 主從藍(lán)牙模塊
本系統(tǒng)包含相互配對(duì)的主從兩個(gè)藍(lán)牙模塊。從藍(lán)牙模塊為日立公司的DOCENGMBM0202藍(lán)牙模塊,遵從藍(lán)牙1.1規(guī)范,射頻輸出為class2級(jí)。其支持多種接口:USB接口、UART接口、PCM語(yǔ)音接口、PIO通用I/O口和ISP接口。另外,本系統(tǒng)中采用UART實(shí)現(xiàn)MC9S12DT128和藍(lán)牙模塊之間的通信,以及藍(lán)牙模塊的驅(qū)動(dòng)和信號(hào)的傳輸。
主藍(lán)牙模塊采用基于CSR的BlueCore02芯片開發(fā)的金甌藍(lán)牙開發(fā)平臺(tái)3.0版。它提供了UART、RS232、USB、SPI接口供用戶進(jìn)行開發(fā)、調(diào)試,音頻接口可進(jìn)行藍(lán)牙語(yǔ)音的傳輸。本系統(tǒng)中PC機(jī)通過(guò)RS232接口控制主藍(lán)牙模塊。
1.4 傳感器選擇
為降低系統(tǒng)能耗,本系統(tǒng)所選用的傳感器均為低功耗的小型傳感器。其中,溫度傳感器選用Maxim公司的MAX6611。正常工作狀態(tài)下,供電電流僅為150 μA,功耗為0.75 mW;在SHDN腳接地時(shí)處于省電狀態(tài),供電電流僅為1 μA,功耗僅為5 μW。濕度傳感器選用Honeywell公司的HIH4000,其正常工作狀態(tài)下的供電電流僅為200 μA,功耗為1 mW。壓力傳感器選用Motorola公司的MPX4100A,其正常工作狀態(tài)下的供電電流為7 mA,功耗為35 mW。3個(gè)傳感器在正常工作狀態(tài)下的總功耗為36.75 mW;在節(jié)電工作狀態(tài)下,總功耗為36.005 mW。
2 軟件設(shè)計(jì)
2.1 MC9S12DT128的中斷控制方式
本系統(tǒng)中,MC9S12DT128采用集編輯、編譯、調(diào)試、程序下載于一體的開發(fā)環(huán)境CodeWarrior4.5進(jìn)行開發(fā)。CodeWarrior4.5是一種交叉編譯器,支持高級(jí)語(yǔ)言(如C、C++和Java),以及大部分微控制器的匯編語(yǔ)言。
中斷控制方式是微處理器發(fā)展的一個(gè)重要里程碑,是提高CPU的工作效率、降低系統(tǒng)功耗的有效方式。
在CodeWarrior4.5下,中斷函數(shù)的定義只有2種方法:采用pragma TRAP_PROC或者interrupt關(guān)鍵字進(jìn)行定義。具體使用方法分別為(假定中斷函數(shù)名為INCount):
?、?#pragma TRAP_PROC
void INCount(void){
Tcount++;
}
② interrupt void INCount(void){
tcount++;
}
對(duì)應(yīng)于中斷函數(shù)不同的定義方式,CodeWarrior4.5下初始化中斷向量表也有2種方法:
① 采用VECTOR ADDRESS或者VECTOR關(guān)鍵字。具體實(shí)現(xiàn)方法為,在工程的.prm文件中加入中斷函數(shù)的入口地址:
VECTOR ADDRESS0x8AINCount
其中,0x8A為中斷入口地址?;蛘?,加入中斷向量標(biāo)號(hào):
VECTOR 69 INCount
其中,69為中斷向量標(biāo)號(hào)。
?、?采用關(guān)鍵字interrupt。具體實(shí)現(xiàn)方法為在中斷函數(shù)定義時(shí)加入中斷向量標(biāo)號(hào):
interrupt 69 void INCount(void){
tcount++;
}
其中,69為中斷向量標(biāo)號(hào)。
2.2 A/D轉(zhuǎn)換中斷方式的實(shí)現(xiàn)
本系統(tǒng)中,傳感器采集到模擬信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換是通過(guò)單片機(jī)的ATD模塊實(shí)現(xiàn)的。對(duì)ATD模塊采用中斷的控制方式,可以節(jié)約系統(tǒng)資源,提高系統(tǒng)執(zhí)行速度。
首先,必須在ATD模塊的初始化程序中將ATD模塊設(shè)置為中斷模式,啟用ATD轉(zhuǎn)換完成中斷。轉(zhuǎn)換完成中斷函數(shù)名為ATD0,其功能為讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果,采用interrupt關(guān)鍵字進(jìn)行定義:
#pragma CODE_SEG ATD0Interrupt_SEG
interrupt void ATD0(void){
ATD0STAT0_SCF = 0;//關(guān)中斷
MeasureResult[0]=ATD0DR0H;
MeasureResult[1]=ATD0DR0L;
MeasureResult[2]=ATD0DR1H;
MeasureResult[3]=ATD0DR1L;
MeasureResult[4]=ATD0DR2H;
MeasureResult[5]=ATD0DR2L;
}
#pragma CODE_SEG DEFAULT
中斷函數(shù)入口通過(guò)在預(yù)編譯文件中添加ATD中斷入口地址0xFFD2實(shí)現(xiàn),即在P&E_Multilink_CyclonePro_linker.prm中加入語(yǔ)句:
VECTOR ADDRESS 0xFFD2 ATD0
MC9S12DT128的Flash空間為128 KB,采用分頁(yè)管理方式,其地址分配為:
RAM = READ_WRITE 0x0400 TO 0x1FFF;
/*unbanked Flash*/
ROM_4000 = READ_ONLY0x4000TO0x7FFF;
ROM_C000 = READ_ONLY0xC000 TO0xFEFF;
/*banked Flash*/
PAGE_38=READ_ONLY0x388000TO0x38BFFF;
PAGE_39=READ_ONLY0x398000TO0x39BFFF;
PAGE_3A=READ_ONLY0x3A8000TO0x3ABFFF;
PAGE_3B=READ_ONLY0x3B8000TO0x3BBFFF;
PAGE_3C=READ_ONLY0x3C8000TO0x3CBFFF;
PAGE_3D=READ_ONLY0x3D8000TO0x3DBFFF;
可以看到Flash空間被劃分為兩部分:unbanked Flash以及banked Flash。對(duì)于banked Flash,定義在其空間內(nèi)的函數(shù)只能被本頁(yè)的程序所調(diào)用;而定義在unbanked Flash內(nèi)的函數(shù)則可以為工程內(nèi)任意程序所調(diào)用。中斷函數(shù)想要正確地響應(yīng)中斷請(qǐng)求,必須放在unbanked Flash內(nèi),因此需要將中斷函數(shù)置于特定的位置??梢詮腁/D中斷函數(shù)ATD0的定義中看出,ATD0被定義在CODE_SEG ATD0Interrupt_SEG部分。CODE_SEG ATD0Interrupt_SEG是自己定義的ATD0中斷代碼段,其存放位置在P&E_Multilink_CyclonePro_linker.prm文件的PLACEMENT關(guān)鍵字下定義:
PLACEMENT?
ATD0Interrupt_SEG,
COPY
INTOROM_C000
這樣,就將ATD0Interrupt_SEG的位置定義在了unbanked Flash空間的ROM_C000。
最后,在工程中建立ATD0Interrupt.c文件,在其中聲明中斷函數(shù)ATD0()為外部函數(shù):
#pragma CODE_SEG ATD0Interrupt_SEG
extern void ATD0();
#pragma CODE_SEG DEFAULT
這樣,就能保證置于任意存儲(chǔ)空間的主程序在請(qǐng)求中斷時(shí),都可以得到及時(shí)、正確的中斷響應(yīng)。
2.3 主從藍(lán)牙模塊驅(qū)動(dòng)
藍(lán)牙技術(shù)是一種使用2.4 GHz頻段的短距離無(wú)線通信技術(shù)。與其他幾種無(wú)線通信方式比較,藍(lán)牙的傳輸速率并不是最快的,但由于其具有主從式的自組織微微網(wǎng)、低功耗、頻段的開放性等優(yōu)勢(shì),因此在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用中具有良好的前景。
本設(shè)計(jì)中的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)模塊正是采用藍(lán)牙通信實(shí)現(xiàn)的。傳感器采集的信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換結(jié)果需要通過(guò)藍(lán)牙無(wú)線通信傳至PC機(jī)。藍(lán)牙系統(tǒng)能夠支持2種連接,即點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)連接。這就形成了2種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu):微微網(wǎng)和散射網(wǎng)。本系統(tǒng)屬于只有一個(gè)從設(shè)備的微微網(wǎng)。這個(gè)微微網(wǎng)中,主藍(lán)牙為與PC機(jī)相連的藍(lán)牙模塊,從藍(lán)牙由與單片機(jī)相連的藍(lán)牙模塊擔(dān)任。主從藍(lán)牙的區(qū)別在于:主藍(lán)牙可以主動(dòng)發(fā)出指令搜索藍(lán)牙設(shè)備,建立和斷開鏈接;而從藍(lán)牙則必須等待主藍(lán)牙的指令才能開始工作。
PC機(jī)與主藍(lán)牙模塊、單片機(jī)與從藍(lán)牙模塊之間都是串行通信,波特率為57 600 b/s。主從藍(lán)牙模塊的初始化過(guò)程大致相同,通過(guò)串行通信順序發(fā)送如下10條指令:
Reset[01 03 0C 00]
Read_Buffer_Size[01 05 10 00]
Clear:Set_Event_Filter[01 05 0C 01 00]
Write_Scan_Enable[01 1A 0C 01 03]
Write_Authentication_Enable[01 20 0C 01 00]
Write_Voice_Setting[01 26 0C 02 60 00]
Set_Event_Filter[01 05 0C 03 02 00 02]
Write_Connection_Accept_Timeout[01 16 0C 02 00 20]
Write_Page_Timeout[01 18 0C 02 00 30]
Read_BD_ADDR[01 09 10 00]
藍(lán)牙模塊接收指令后返回相應(yīng)的指令執(zhí)行狀態(tài),處理器判斷返回的指令狀態(tài),確定無(wú)誤之后,才能發(fā)送下一條指令;否則,當(dāng)前指令必須重新發(fā)送。主從藍(lán)牙模塊的工作流程如圖3所示。
圖3 主從藍(lán)牙模塊工作流程
采用VC6.0開發(fā)監(jiān)控程序,將藍(lán)牙指令封裝在函數(shù)中,實(shí)現(xiàn)PC機(jī)對(duì)主藍(lán)牙模塊的控制。具體包括:初始化并驅(qū)動(dòng)其開始工作,主動(dòng)搜索從藍(lán)牙模塊,完成鏈接,并將指令執(zhí)行狀態(tài)及搜索到的藍(lán)牙設(shè)備地址顯示出來(lái);控制與從藍(lán)牙模塊的通信,對(duì)主藍(lán)牙模塊接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,實(shí)時(shí)刷新數(shù)據(jù),顯示溫度、濕度、壓力傳感器的測(cè)量結(jié)果。系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果如圖4所示。
圖4 樣機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果
結(jié)語(yǔ)
本系統(tǒng)以MC9S12DT128為核心處理器,采用藍(lán)牙技術(shù)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與傳感器節(jié)點(diǎn)的無(wú)線通信,完成了一個(gè)具有3個(gè)傳感器的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)模塊的開發(fā)。實(shí)驗(yàn)證明,本系統(tǒng)具有功耗低、穩(wěn)定性高、實(shí)時(shí)性好、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定等特點(diǎn),其實(shí)現(xiàn)是建立無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)微傳感器節(jié)點(diǎn)的有益嘗試。