基于cc2530的無線數據傳輸模塊的設計畢業論文正稿(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 XOCS_Q2）。實時時鐘晶體振蕩電路也屬于對稱電路，兩個引腳不過與區分，所以，芯片對應的引腳為引腳32（P241XOCS32K_Q1）、引腳33（P231XOCS32K_Q2）。 復位電路設計該電路主要完成系統的上電復位和系統運行時用戶的按鍵復位功能，有助于用戶調試程序。復位電路的基本功能是系統上電時提供復位信號直至系統電源穩定后撤銷復位信號為可靠起見電源穩定后還要經一定的延時才撤銷復位信號以防電源開關或電源插頭分合過程中引起的抖動而影響復位。復位電路如圖9所示。圖9 復位電路RESET_LN腳在CC2530芯片上的引腳號為 20，復位時活動到低電平。上電復位的情況：通電瞬間電容可以當短路，所以RESET_LN腳為低電平。隨著時間的飛逝（電容充電），穩定后+。電容上極板也就是RESET_LN腳最終為高電平。這樣，引腳RESET_LN持續一段低電平后，最終穩定在高電平，低電平持續時間由RC時間常數決定。按鍵按下去就相當于上電那一瞬，讓電容短路。 仿真跳線模塊設計JTAG是一種國際標準測試協議，主要用于芯片內部測試及對系統進行仿真、調試。JTAG技術是一種嵌入式測試技術。通過JTAG接口可對芯片內部的所有部件進行訪問，是開發調試嵌入式系統的一種簡潔高效的手段。標準的JTAG接口是4線接口：TIVIS、TCK、TDI以及TDO，分別為模式選擇、時鐘、數據輸入和數據輸出信號線。JTAG各引腳核心功能定義如表2。表2 JTAG引腳功能描述表管腳名名稱功能描述TDL測試數據輸入管腳JTAG指令和測試編程數據的串行輸入管腳，數據在TCK信號的上升沿時讀入。TDO測試數據輸出管腳JTAG指令和測試編程數據的串行輸出管腳，數據在TCK信號的下降沿時讀出，如果數據沒有輸出，則處于三態。TMS測試模式選擇管腳該數據管腳是控制信號，它決定TTAP控制器的轉換。TMS信號必須在TCK上升沿之前建立，在用戶狀態下TMS信號應是高電平。TCK測試時鐘輸入管腳JTAG鏈路的時鐘信號，直接輸入到邊界掃描電路，所有操作都在其上升沿或下降沿時刻發生。TRST測試復位輸入管腳用于異步初始化或復位JTAG邊界掃描電路，低電平有效。JTAG最初是用來對芯片進行測試的，基本原理是在器件內部定義一個TAP端口，通過專用的JTAG測試工具對進行內部節點進行測試。此外，JTAG協議允許多個器件通過JTAG接口串聯在一起，形成一個JTAG鏈，能實現對各個器件分別測試。此外，JTAG接口還常用于實現在線編程，對FLASH等器件進行編程。JTAG在線編程的特征也改變了傳統生產流程，將以前先對芯片進行預編程再裝到板上的工藝簡化為：先固定器件到電路板上，再用JTAG編程，從而大大加快工程進度。它有2種連接標準，即14針接口和20針接口。此處選擇20針接口的標準。JTAG接口電路如圖10所示。圖10 JTAG接口電路JTAG經過外圍電路后，還需要七個引腳接入CC2530芯片中，除了RESET_LN復位有明確的引腳外，其余六個需要用編程指定相應的引腳。其余六個引腳的對應P0接口如表3所示。表3 JTAG對應接口表JTAG（管腳）3（TRST）5（TDI）7（TMS）9（TCK）11（PTCK）13（TDO）CC253012（P0_7）13（P0_6）14（P0_5）15（P0_4）18（P0_1）19（P0_0）RS232是個人計算機上的通訊接口之一，由電子工業協會所制定的異步傳輸標準接口。通常RS232接口以9個接腳或是25個接腳的型態出現，一般個人計算機上會有兩組RS232接口，分別稱為COM1和COM2。在多數情況下主要使用主通道，對于一般雙工通信，僅需幾條信號線就可實現，如一條發送線、一條接收線及一條地線。RS232C標準規定的數據傳輸速率為每秒50、7100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特。RS232C標準規定，驅動器允許有2500pF的電容負載，通信距離將受此電容限制，例如，采用150pF/m的通信電纜時，最大通信距離為15m；若每米電纜的電容量減小，通信距離可以增加。傳輸距離短的另一原因是RS232屬單端信號傳送，存在共地噪聲和不能抑制共模干擾等問題，因此一般用于20m以內的通信。串行通信接口標準經過使用和發展，目前已經有幾種。但都是在RS232標準的基礎上經過改進而形成的。所以，以RS232C為主來討論。RS232C標準是美國EIA(電子工業聯合會)與BELL等公司一起開發的1969年公布的通信協議。它適合于數據傳輸速率在0—20000b/s范圍內的通信。這個標準對串行通信接口的有關問題，如信號線功能、電器特性都作了明確規定。由于通行設備廠商都生產與RS232C制式兼容的通信設備，因此，它作為一種標準，目前己在微機通信接口中廣泛采用。RS232是單片機間，或單片機與上位機間通信聯絡用。MAX232作為RS232的電平轉換芯片，完成TTL電平和RS232電平的轉換。MAX232是一種雙組驅動器/接收器，片內含有一個電容性電壓發生器以便在單5V電源供電時提供EIA/TIA232E電平。典型的RS232信號在正負電平之間擺動，在發送數據時，發送端驅動器輸出正電平在+5～+15V，負電平在5～15V電平。當無數據傳輸時，線上為TTL，從開始傳送數據到結束，線上電平從TTL電平到RS232電平再返回TTL電平。、左右的電容，有極性無極性均可，但是使用有極性的電容一定注意正負方向。MAX232主要特點有單5V電源工作、兩個驅動器、兩個接收器、+30V輸入電平、低電源電流（8mA）。MAX232的不足之處：接口的信號電平值較高，易損壞接口電路的芯片，又因為與TTL電平不兼容故需使用電平轉換電路方能與TTL電路連接；傳輸速率較低，在異步傳輸時，波特率最大為19200bps；接口使用一根信號線和一根信號返回線而構成共地的傳輸形式，這種共地傳輸容易產生共模干擾，所以抗噪聲干擾性弱；傳輸距離受限。圖11為MAX232串口的連接電路圖，用來與數據傳輸終端設備進行串行通信口實驗和仿真調試下載程序的。圖11 MAX232串口的連接圖MAX232 是用來做電平轉換的，標準RS232電平很高，達正負12V。常用的TTL電平最高 5V。相互連接的話，必須進行電平轉換，由于電腦串口輸出電壓高達12V，直接與單片機連接會燒壞芯片。所以用MAX232來進行電平轉換。MAX232芯片采用單+5V電源供電，僅需幾個外接電容即可完成從TTL到RS232電平的轉換，共兩路。其中13腳（R1IN）、12腳（R1OUT）、11腳（T1IN）、14腳（T1OUT）為第一數據通道。8腳（R2IN）、9腳（R2OUT）、10腳（T2IN）、7腳（T2OUT）為第二數據通道。TTL/CMOS數據從T1IN、T2IN輸入轉換成RS232數據從T1OUT、T2OUT送到電腦DP9插頭；DP9插頭的RS232數據從R1IN、R2IN輸入轉換成TTL/CMOS數據后從R1OUT、R2OUT輸出。圖11是模塊與PC間通信最有力的電路，是模塊進行調試仿真唯一的接口。 它通過COMPIM中的2（RXD）、3（TXD）與電腦相連，進行數據間的交換。而MAX232引腳中的11（T1IN）、12（R1OUT）與對應的CC2530芯片中的17（P0_2 TXDD）、16（P0_3 RXDD）通信。 外接模塊設計外接模塊（傳感器模塊）可以測量各種物理量和感知環境的，比如溫度、濕度、光強、雨雪等。在設計外接模塊時，首先要根據應用需求選擇參數、性能合適的傳感器，并設計相應的驅動電路及信號處理電路(如放大、濾波、轉換等)。此次設計中所選用均為模擬輸出信號類傳感器，包括有輸出電流信號、輸出電壓信號和輸出開關量信號三種類型。由于大部分傳感器是電流輸出型，針對這個特點，設計了電流電壓轉換電路。電路采用∏，電路如圖12所示。圖12 I/V轉換電路在設計過程中要考慮信號的輸入、輸出特性，接觸時對被測物體的影響，防滴滑、防爆、抗干擾、接地處理等。傳感器按照其信號輸出類型大致可分為：模擬信號輸出類、數字信號輸出類。采用模擬信號輸出的傳感器一般采用模數轉換(ADC)進行信號采集；采用的數字輸出方式的傳感器主要包括脈寬調制信號輸出、壓頻轉換信號輸出以及串行數字信號輸出等。那么，模擬信號轉數字信號的電路如圖13所示。圖13 A/D轉換電路ALE設置為高電平，對地址信號進行鎖存，經譯碼后選通對應通道，被選中通道的模擬量進入轉換器進行轉換，ST為啟動轉換信號。ST上跳沿清零所有寄存器，下跳沿開始AD轉換；轉換期間ST保持低電平。ST啟動過程中，ALE信號與其保持一致。當AD轉換結束時，EOC變為高電平，表明轉換結束。OE輸出允許信號。高電平有效，OE=1：輸出轉換得到的數據；OE=0：輸出數據線呈現高阻態。CLK 0809工作時鐘。因為ADC0809內部沒有時鐘，故必須由外部提供工作時鐘，可由CC2530內部定時器中斷產生時鐘脈沖信號。 LED指示燈模塊設計在數據傳輸指令中，正確的數據傳輸和設備的工作正常是否是通過讀LED指示燈的通斷狀態實現的，為了防止模塊假狀態，使用光電器件將CC2530的輸入、輸出隔離開。電路的指示燈電路如圖14所示。圖14 LED指示燈模塊電路圖LED模塊可以直觀的反映模塊工作狀態，是無線數據傳輸模塊不可缺少的一部分。那么此電路在CC2530芯片上對應的引腳接口是LED1對應引腳8（P1_2），LED2對應引腳9（P1_1）。 RF天線電路設計天線作為無線通信不可缺少的一部分，其基本功能是輻射和接收無線電波。發射時，把高頻電流轉換為電磁波；接收時，把電滋波轉換為高頻電流。圖15為RF射頻天線安裝的電路圖。圖15 RF天線安裝電路圖無線RF的外圍電路連接與CC2530芯片有對應的引腳接口：引腳25對應RF_N，引腳26對應RF_P。在為基于CC2530無線數據傳輸模塊選擇天線時，應注意到性能的好壞。天線作為無線通信系統的重要組成部分，其性能的好壞直接影響通信系統的指標，在選擇天線時必須首先注重其性能。具體說有兩個方面，第一選擇天線類型；第二選擇天線的電氣性能。選擇天線類型的意義是：所選天線的方向圖是否符合系統設計中電波覆蓋的要求；選擇天線電氣性能的要求是：選擇天線的頻率帶寬、增益、額定功率等電氣指標是否符合系統設計要求。增益是天線的主要指標之一，它是方向系數與效率的乘積，是天線輻射或接收電波大小的表現。增益大小的選擇取決于系統設計對電波覆蓋區域的要求，簡單地說，在同等條件下，增益越高，電波傳播的距離越遠。天線輸入阻抗和饋線的特性阻抗不一致時，產生的反射波和入射波在饋線上疊加形成的磁波，其相鄰電壓的最大值和最小值之比是電壓駐波比，它是檢驗饋線傳輸效率的依據，，電壓駐波比過大，將縮短通信距離，而且反射功率將返回發射機功放部分，容易燒壞功放管，影響通信系統正常工作。 硬件總體設計由于CC2530內部已經建成大量必要電路，因此其外圍只需較少的電路即可完成功能實現。基于CC2530無線數據傳輸模塊電路包含了CC2530主芯片、電源轉變模塊電路、濾波模塊電路、外接模塊電路、天線模塊電路、仿真跳線模塊電路、晶振模塊電路、LED模塊電路、復位電路、PC串口模塊電路以及PP2接口。外圍電路設計的電路圖如圖16所示，所用參數已標注在圖上 。圖16 硬件總體設計電路圖4 Zigbee技術概況和網路配置IEEE 。該標準以能量消耗、低速率傳輸、低成本作為重點目標。旨在為個人或者家庭種不同設備之間的低速率無線互聯提供統一標準。該標準定義的LRWPAN網絡的特征與無線傳感器網絡有很多相似之處。很多研究機構把它作為傳感器網絡的通信標準。IEEE ：物理層（PHY）和媒體訪問控制層（MAC）。ZigBee直接使用了這兩層，并在此基礎上定義了網絡層（NWK）和應用層（APL）架構。下面我們具體介紹下這兩層的結構和它們是如何工作的。 物理層（PHY）物理層定義了物理無線信道和與MAC層之間的接口，提供物理層數據服務和物理層管理服務。物理層數據服務是從無線信道上收發數據，物理層管理服務維護一個與物理層相關數據組成的數據庫。（1）無線信道的分配IEEE ：868MHz（歐洲）、915北美）和2400 MHz（全球范圍）。在這三個頻段上發送數據使用的速率信號處理過程以及調制方式等方面存在一定差異，其中2400 MHZ頻段的數據傳輸速率為250 kbit/s。915 MHz、868 MHZ分別為40 kbit/s和20 kbit/s。IEEE ，新到編號從0至26，每個具體的信道對應著一個中心頻率，覆蓋了以上的3個不同的頻段。不同的頻段所對應的寬度不同，868 MHz頻段定義了1個信道（0號信道）；915 MHz定義了10個信道（1～10號信道）2400 MHz定義了16個信道（11～26信道）。（2）物理層主要功能物理層功能相對簡單，主要用于硬件驅動程序的基礎上，實現數據距傳輸和物理信道的管理。一個簡單的PHY模型圖如圖17所示。圖17 PHY模型其中，RFSAP是有驅動程序提供的接口，PDSAP是PHY層提供給MAC層的數據服務接口，PLAMESAP是PHY層給MAC層提供的管理服務接口。物理層主要完成：激活/休眠無線收發設備，對當前頻道進行能量檢測，鏈接質量指示，為載波檢測多址與碰撞避免（CSMA—CA）進行空閑頻道評估，頻道選擇，數據的發送和接收等。在PHY層有關函數中，傳輸能量（POWER），傳輸中心頻率的兼容性及頻率穩定度(標識了無線解碼器工作頻率的穩定程度)，接收器之感度，接收信號強度指示的測量時較為重要的參數。（3）IEEE ，每個數據符號又被映射成32位偽隨機噪聲數據碼片。數據碼片采用半正弦脈沖波形的偏移正交四相相移鍵控技術（OQPSK）調制。每片的形狀如同半個正弦波，交替在同相(I)信道和正交相位(