基于MSP430與CC2420的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的硬件節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

摘要： 傳感器節(jié)點(diǎn)是組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本單位.本文通過對傳感器硬件節(jié)點(diǎn)的分析,以射頻芯片 CC2420 為核心，設(shè)計(jì)了一種基于CC2420 與 MSP430 單片機(jī)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的硬件節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞： 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)； 硬件節(jié)點(diǎn)； CC2420； MSP430

傳感器節(jié)點(diǎn)是組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本單位，是構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)。本文依據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)功耗低、成本低、體積小等硬件限制條件，設(shè)計(jì)了一種基于射頻芯片CC2420和單片機(jī)MSP430的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的硬件節(jié)點(diǎn)。

硬件節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

在進(jìn)行無線傳感節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時,應(yīng)考慮其具有的如下特點(diǎn):微型化, 應(yīng)用中的傳感器節(jié)點(diǎn)要高度集成，保證不會對目標(biāo)系統(tǒng)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(wǎng)絡(luò)往往部署在無人值守的地方，節(jié)點(diǎn)使用電池供電，不能頻繁更換電池，因此，如何節(jié)省電能是應(yīng)用的首要問題；運(yùn)行速度，網(wǎng)絡(luò)對節(jié)點(diǎn)的實(shí)時性要求很高，要求處理器的實(shí)時處理能力要強(qiáng)；擴(kuò)展接口,多功能的傳感器產(chǎn)品是發(fā)展的趨勢，而在前期設(shè)計(jì)中，不可能把所有的功能包括進(jìn)來，這就要求系統(tǒng)有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性；可靠性, 傳感器網(wǎng)絡(luò)可以分布在很廣的地域,因此，維護(hù)十分困難，傳感器網(wǎng)絡(luò)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(shè)計(jì)的傳感器節(jié)點(diǎn)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

傳感器節(jié)點(diǎn)由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)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(xiàn)出色，并且在惡劣條件下工作性能穩(wěn)定。以CC2420為無線收發(fā)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(jié)點(diǎn)的傳感器模塊與主板分離，模塊化的設(shè)計(jì)提高了節(jié)點(diǎn)在不同應(yīng)用中的靈活性。由于本節(jié)點(diǎn)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(fù)雜信號調(diào)理電路的數(shù)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(fā)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(yè)監(jiān)控等應(yīng)用系統(tǒng)。

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(shè)置和收發(fā)數(shù)據(jù)工作。許多單片機(jī)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(yīng)用在非常廉價的設(shè)備上。

MSP430

MSP430是具有超低功耗特點(diǎn)的16位單片機(jī)，本方案選用MSP430F149，其功耗電流已經(jīng)達(dá)到了mA級。它是功能強(qiáng)大的CPU內(nèi)核:16位CPU和高效的RISC指令系統(tǒng)，無外擴(kuò)的數(shù)據(jù)地址總線，在8MHz時可達(dá)到125ns的指令周期，具有16個快速響應(yīng)中斷，能及時處理各種緊急事件。豐富的片內(nèi)外圍功能模塊：12位的A/D轉(zhuǎn)換器ADC12內(nèi)包括采樣/保持功能的ADC內(nèi)核、轉(zhuǎn)換存儲邏輯、內(nèi)部參考電平發(fā)生器、多種時鐘源、采樣及轉(zhuǎn)換時序電路。有8個外通道,4個內(nèi)通道，高達(dá)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(nèi)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(shù)據(jù)。

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(fā)數(shù)據(jù)的狀態(tài);而處理器通過SPI接口與CC2420交換數(shù)據(jù)、發(fā)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(zhuǎn)為輸出低電平。FIFO和FIFOP引腳表示接收FIFO的緩存區(qū)狀態(tài)。如果接收FIFO緩存區(qū)有數(shù)據(jù)，F(xiàn)IFO引腳輸出高電平;如果接收FIFO緩存區(qū)為空，F(xiàn)IFO引腳輸出低電平。當(dāng)FIFOP引腳在接收FIFO緩存區(qū)的數(shù)據(jù)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(shè)置。

CCA引腳在信道有信號時輸出高電平，它只在接收狀態(tài)下有效。在CC2420進(jìn)入接收狀態(tài)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(tài)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(nèi)部寄存器和存儲器。在訪問過程中，CC2420是SPI接口的從設(shè)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(zhí)行輸入／輸出操作。SPI接口接收或者發(fā)送數(shù)據(jù)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(tài)的作用。CC2420與MSP430的接口電路如圖2所示。

圖2 視頻采集系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)及注意事項(xiàng)

在設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)時,重點(diǎn)是射頻部分, CC2420要求時鐘源的精度在±40ppm以內(nèi)。本文采用高精度、性能穩(wěn)定的四腳貼片晶振，來避免晶振的漂移。

進(jìn)行電路板設(shè)計(jì)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(dá)到有效抗干擾的目的；CC2420芯片底部應(yīng)接地；為了降低延遲、減少串?dāng)_，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(shè)置會直接影響整個無線通信網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行質(zhì)量。本節(jié)點(diǎn)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(shè)計(jì)方案。PCB引線天線是印制在電路板上的導(dǎo)線，通過它來感應(yīng)空中電波、接收信息。PCB天線的形狀、尺寸應(yīng)嚴(yán)格按照數(shù)據(jù)手冊設(shè)計(jì)。

圖3 電視跟蹤系統(tǒng)流程圖

軟件設(shè)計(jì)

軟件開發(fā)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(jī)后，就可以運(yùn)行任務(wù)程序了，以實(shí)現(xiàn)接收或發(fā)送數(shù)據(jù)。