嵌入式超声波数据采集系统设计例概要.docx
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嵌入式超声波数据采集系统设计例概要.docx
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嵌入式超声波数据采集系统设计例概要
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实践教学
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兰州理工大学
计算机与通信学院
年春季学期
嵌入式系统开发技术课程设计
题目:
嵌入式超声波数据采集系统设计
专业班级:
姓名:
学号:
指导教师:
成绩:
摘要
嵌入式系统是以应用为中心,以计算机技术为基础,软硬件可定制,适用
于不同应用场合,对功能,可靠性,成本,体积,功耗有严格要求的专用计算机系统它一般由嵌入式微处理器,外围硬件设备,嵌入式操作系统,用户应用程序4个部分组成。
用于实现对其他设备的控制,监视或管理等功能。
本文设计了一种超声波系统,它基于北京奥尔斯电子科技有限公司生产的物联网创新实验系统OURS—IOTU2—2530,利用其中的CC2530及几种相应传感器模块采集超声波信号,并通过带有LCD的智能主板显示出来。
文章介绍了该系统的基本原理,系统分析,详细设计及实现流程图,并重点介绍了串口数据收集的原理,通过嵌入式设备完成超声波信息的采集的采集至网关设备,通过上下位机实现终端嵌入式设备的信息收集及相关设备的控制。
关键字:
超声波信号采集、串口通信、传感器、ZigBee协议。
目录
一.前言1
二.基本原理2
2.1SHT10引脚特性2
2.2CC2530说明4
2.3超声波采集模块8
三.系统分析13
四.详细设计14
4.1超声波数据采集的硬件部分14
4.2超声波采集的软件部分16
4.3总体结构18
参考文献23
总结24
致谢25
一.前言
在科技迅速发展的今天,超声波检测是一种无损检测的重要手段。
超声信号在1~5MHz,在实际工业运用中为了能恢复超声波信号,以精确计算发射波和回波之间的时间差,对超声信号的采样速率要求大于超声信号频率的3~4倍,所以在工业运用中,对于超声信号的采集一般需要20MHz的采样速率。
本设计是一种基于CC2530和数字超声波传感器模块的采集系统。
即该系统是采用Zigbee无线通信技术结合传感器,并通过运用Zigbee协议构架组建无线传感网络,来实现主从节点的数据采集和传输的,同时,需要在网络层通过
AODV路由协议来进行节点间的连接以及数据的收发。
总之,基于无线传感技
术的无线网络传感器是一种将传感器、控制器、计算能力、通信能力完美的结合
于一身的嵌入式设备。
它们跟外界的物理环境交互,适时地采集信息,并且将采
集到的信息通过无线传感网络传送给远程用户。
无线网络传感器一般是由一个低
功耗的微控制器(MCU)和若干个存储器,无线电/光通信装置、传感器等组件所
集成的,通过传感器及通信装置和它们所处的外界物理环境进行交互。
由此而引
入的无线传感网络更是一种开创了新的应用领域的新兴概念和技术,广泛被应用
与医疗领域、大规模环境监测、智能建筑、战场监视、智能家居、工业自动化和
大区域内的目标追踪等领域。
简而言之,不管是工业,农业,军事及气象预报领域,还是人类生活的环境都需要通过采集超声波来进行判断和测量。
本文提出采用基于ZigBee技术的无线超声波测量与传输的方案,通过无线通信模块实现超声波传感器和智能主板之间的交互,实现对网络采集的数据统一管理和分析。
该系统具有快速展开,稳定可靠,可维护性好的特点。
总的来说,我们的工作及生活在无形的改变着,变得更精致更高效更美丽。
而这无形中进行着的神奇改变的关键莫过于高端的技术—嵌入式系统开发技术及无线技术。
二.基本原理
本实验将使用CC2530读取超声波传感器SHT10的采集的超声波数据,并
通过CC2530内部串口将采样到的数据转换然后在LCD上显示。
其中对超声波的读取是利用CC2530的I/O(P1.0和P1.1)模拟一个类IIC的过程。
其中该系统所使用的SHT10是一款高度集成的超声波传感器芯片,提供全标定的数字输出。
它采用专利的CMOSens技术,确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。
传感器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,并连接在同一芯片上,与14位的A/D转换器以及串行接口电路实现无缝。
2.1SHT10引脚特性
SHT10是一款高度集成的超声波传感器芯片,提供全标定的数字输出。
它
采用专利的CMOSens技术,确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。
传感器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,并在同一芯片上,与14位的A/D转换器以及串行接口电路实现无缝连接。
SHT10引脚特性如下:
图2-1应用电路
2.1.1、电源引脚
SHT10的供电电压为2.4~5.5V。
传感器上电后,要等待11ms以越过“休眠”状态。
在此期间无需发送任何指令。
电源引脚(VDD,GND)之间可增加一个100nF的电容,用以去耦滤波。
2.1.2、串行接口(两线双向)
SHT10的串行接口,在传感器信号的读取及电源损耗方面,都做了优化处理;但与I2C接口不兼容.
2.1.3、串行时钟输入(SCK)
SCK用于微处理器与SHTxx之间的通讯同步。
由于接口包含了完全静态逻辑,因而不存在最小SCK频率。
2.1.4、串行数据(DATA)
DATA三态门用于数据的读取。
DATA在SCK时钟下降沿之后改变状态,并仅在SCK时钟上升沿有效。
数据传输期间,在SCK时钟高电平时,DATA必须保持稳定。
为避免信号冲突,微处理器应驱动DATA在低电平。
需要一个外部的上拉电阻(例如:
10kΩ)将信号提拉至高电平(参见图2)。
上拉电阻通常已包含在微处理器的I/O电路中。
2.1.5、串行时钟输入(SCK)
SCK用于微处理器与SHTxx之间的通讯同步。
由于接口包含了完全静态逻辑,因而不存在最小SCK频率。
2.1.6、串行数据(DATA)
DATA三态门用于数据的读取。
DATA在SCK时钟下降沿之后改变状态,并仅在SCK时钟上升沿有效。
数据传输期间,在SCK时钟高电平时,DATA必须保持稳定。
为避免信号冲突,微处理器应驱动DATA在低电平。
需要一个外部的上拉电阻(例如:
10kΩ)将信号提拉至高电平(参见图2)。
上拉电阻通常已包含在微处理器的I/O电路中。
2.1.7、测量时序(RH和T)
发布一组测量命令(‘00000101’表示相对湿度RH,‘00000011’表示温度T)后,控制器要等待测量结束。
这个过程需要大约11/55/210ms,分别对应8/12/14bit测量。
确切的时间随内部晶振速度,最多有±15%变化。
SHTxx通过下拉DATA至低电平并进入空闲模式,表示测量的结束。
控制器在再次触发SCK时钟前,必须等待这个“数据备妥”信号来读出数据。
检测数据可以先被存储,这样控制器可以继续执行其它任务在需要时再读出数据。
接着传输2个字节的测量数据和1个字节的CRC奇偶校验。
uC需要通过下拉DATA为低电平,以确认每个字节。
所有的数据从MSB开始,右值有效(例如:
对于12bit数据,从第5个SCK时钟起算作MSB;而对于8bit数据,首字节则无意义)。
用CRC数据的确认位,表明通讯结束。
如果不使用CRC-8校验,控制器可以在测量值LSB后,通过保持确认位ack高电平,来中止通讯。
在测量和通讯结束后,SHTxx自动转入休眠模式。
2.1.8、通讯复位时序
如果与SHTxx通讯中断,下列信号时序可以复位串口:
当DATA保持高电平时,触发SCK时钟9次或更多。
在下一次指令前,发送一个“传输启动”时序。
这些时序只复位串口,状态寄存器内容仍然保留。
图2-2通讯复位时序图
2.2CC2530说明
2.2.1、简介
CC2530是用于2.4-GHz IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE应用的一个真正的片上系统(SoC)解决方案。
它能够以非常低的总的材料成本建立强大的网络节点。
CC2530结合了领先的RF收发器的优良性能,业界标准的增强型8051CPU,系统内可编程闪存,8-KBRAM和许多其它强大的功能。
CC2530有四种不同的闪存版本:
CC2530F32/64/128/256,分别具有32/64/128/256KB的闪存。
CC2530具有不同的运行模式,使得它尤其适应超低功耗要求的系统。
运行模式之间的转换时间短进一步确保了低能源消耗。
CC2530F256结合了德州仪器的业界领先的黄金单元ZigBee 协议栈(Z-Stack™),提供了一个强大和完整的ZigBee解决方案。
CC2530F64结合了德州仪器的黄金单元RemoTI,更好地提供了一个强大和完整的ZigBeeRF4CE 远程控制解决方案。
2.2.2、引脚描述
引脚名称引脚引脚类型描述
AVDD128电源(模拟)2-V–3.6-V模拟电源连接
AVDD227电源(模拟)2-V–3.6-V模拟电源连接
AVDD324电源(模拟)2-V–3.6-V模拟电源连接
AVDD429电源(模拟)2-V–3.6-V模拟电源连接
AVDD521电源(模拟)2-V–3.6-V模拟电源连接
AVDD631电源(模拟)2-V–3.6-V模拟电源连接
DCOUPL40电源(数字)1.8V数字电源去耦。
不使用外部电路供应。
DVDD139电源(数字)2-V–3.6-V数字电源连接
DVDD210电源(数字)2-V–3.6-V数字电源连接
GND-接地接地衬垫必须连接到一个坚固的接地面。
GND1,2,3,4未使用的引脚 连接到GND
P0_019数字I/O端口0.0
P0_118数字I/O端口0.1
P0_217数字I/O端口0.2
P0_316数字I/O端口0.3
P0_415数字I/O端口0.4
P0_514数字I/O端口0.5
P0_613数字I/O端口0.6
P0_712数字I/O端口0.7
P1_011数字I/O端口1.0-20-mA驱动能力
P1_19数字I/O端口1.1-20-mA驱动能力
P1_28数字I/O端口1.2
P1_37数字I/O端口1.3
P1_46数字I/O端口1.4
P1_55数字I/O端口1.5
P1_638数字I/O端口1.6
P1_737数字I/O端口1.7
P2_036数字I/O端口2.0
P2_135数字I/O端口2.1
P2_234数字I/O端口2.2
P2_333数字I/O模拟端口2.3/32.768kHzXOSC
P2_432数字I/O模拟端口2.4/32.768kHzXOSC
RBIAS30模拟I/O参考电流的外部精密偏置电阻
RESET_N20数字输入复位,活动到低电平
RF_N26RFI/ORX期间负RF输入信号到LNA
RF_P25RFI/ORX期间正RF输入信号到LNA
XOSC_Q122模拟I/O32-MHz晶振引脚1或外部时钟输入
XOSC_Q223模拟I/O32-MHz晶振引脚2
2.2.3、模块说明
CC2530芯片系列中使用的8051CPU内核是一个单周期的8051兼容内核。
它有三种不同的内存访问总线(SFR,DATA和CODE/XDATA),单周期访问SFR,DATA和主SRAM。
它还包括一个调试接口和一个18输入扩展中断单元。
中断控制器总共提供了18个中断源,分为六个中断组,每个与四个中断优先级之一相关。
当设备从活动模式回到空闲模式,任一中断服务请求就被激发。
一些中断还可以从睡眠模式(供电模式1-3)唤醒设备。
内存仲裁器位于系统中心,因为它通过SFR 总线把CPU和DMA控制器和物理存储器以及所有外设连接起来。
内存仲裁器有四个内存访问点,每次访问可以映射到三个物理存储器之一:
一个8-KBSRAM、闪存存储器和XREG/SFR 寄存器。
它负责执行仲裁,并确定同时访问同一个物理存储器之间的顺序。
8-KBSRAM映射到DATA存储空间和部分XDATA存储空间。
8-KBSRAM是一个超低功耗的SRAM,即使数字部分掉电(供电模式2和3)也能保留其内容。
这是对于低功耗应用来说很重要的一个功能。
32/64/128/256KB闪存块为设备提供了内电路可编程的非易失性程序存储器,映射到XDATA 存储空间。
除了保存程序代码和常量以外,非易失性存储器允许应用程序保存必须保留的数据,这样设备重启之后可以使用这些数据。
使用这个功能,例如可以利用已经保存的网络具体数据,就不需要经过完全启动、网络寻找和加入过程。
2.2.4、时钟和电源管理
数字内核和外设由一个1.8-V低差稳压器供电。
它提供了电源管理功能,可以实现使用不同供电模式的长电池寿命的低功耗运行。
有五种不同的复位源来复位设备。
2.2.5、外设
CC2530包括许多不同的外设,允许应用程序设计者开发先进的应用。
调试接口执行一个专有的两线串行接口,用于内电路调试。
通过这个调试接口,可以执行整个闪存存储器的擦除、控制使能哪个振荡器、停止和开始执行用户程序、执行8051 内核提供的指令、设置代码断点,以及内核中全部指令的单步调试。
使用这些技术,可以很好地执行内电路的调试和外部闪存的编程。
设备含有闪存存储器以存储程序代码。
闪存存储器可通过用户软件和调试接口编程。
闪存控制器处理写入和擦除嵌入式闪存存储器。
闪存控制器允许页面擦除和4 字节编程。
I/O控制器负责所有通用I/O引脚。
CPU可以配置外设模块是否控制某个引脚或它们是否受软件控制,如果是的话,每个引脚配置为一个输入还是输出,是否连接衬垫里的一个上拉或下拉电阻。
CPU中断可以分别在每个引脚上使能。
每个连接到I/O 引脚的外设可以在两个不同的I/O引脚位置之间选择,以确保在不同应用程序中的灵活性。
系统可以使用一个多功能的五通道DMA控制器,使用XDATA存储空间访问存储器,因此能够访问所有物理存储器。
每个通道(触发器、优先级、传输模式、寻址模式、源和目标指针和传输计数)用DMA描述符在存储器任何地方配置。
许多硬件外设(AES 内核、闪存控制器、USART、定时器、ADC接口)通过使用DMA控制器在SFR或XREG地址和闪存/SRAM之间进行数据传输,获得高效率操作。
定时器1是一个16位定时器,具有定时器/PWM功能。
它有一个可编程的分频器,一个16位周期值,和五个各自可编程的计数器/捕获通道,每个都有一个16位比较值。
每个计数器/捕获通道可以用作一个PWM输出或捕获输入信号边沿的时序。
它还可以配置在IR产生模式,计算定时器3周期,输出是ANDed,定时器3的输出是用最小的CPU互动产生调制的消费型IR信号。
MAC定时器(定时器2)是专门为支持IEEE802.15.4MAC或软件中其他时槽的协议设计。
定时器有一个可配置的定时器周期和一个8位溢出计数器,可以用于保持跟踪已经经过的周期数。
一个16位捕获寄存器也用于记录收到/发送一个帧开始界定符的精确时间,或传输结束的精确时间,还有一个16位输出比较寄存器可以在具体时间产生不同的选通命令(开始RX,开始TX,等等)到无线模块。
定时器3和定时器4是8位定时器,具有定时器/计数器/PWM功能。
它们有一个可编程的分频器,一个8位的周期值,一个可编程的计数器通道,具有一个8位的比较值。
每个计数器通道可以用作一个PWM输出。
睡眠定时器是一个超低功耗的定时器,计算32-kHz晶振或32-kHzRC振荡器的周期。
睡眠定时器在除了供电模式3的所有工作模式下不断运行。
这一定时器的典型应用是作为实时计数器,或作为一个唤醒定时器跳出供电模式1或2。
ADC支持7到12位的分辨率,分别在30kHz或4kHz的带宽。
DC和音频转换可以使用高达八个输入通道(端口0)。
输入可以选择作为单端或差分。
参考电压可以是内部电压、AVDD或是一个单端或差分外部信号。
ADC还有一个温度传感输入通道。
ADC可以自动执行定期抽样或转换通道序列的程序。
随机数发生器使用一个16位LFSR来产生伪随机数,这可以被CPU读取或由选通命令处理器直接使用。
例如随机数可以用作产生随机密钥,用于安全。
AES加密/解密内核允许用户使用带有128位密钥的AES算法加密和解密数据。
这一内核能够支持IEEE802.15.4MAC安全、ZigBee网络层和应用层要求的AES操作。
一个内置的看门狗允许CC2530在固件挂起的情况下复位自身。
当看门狗定时器由软件使能,它必须定期清除;否则,当它超时就复位它就复位设备。
或者它可以配置用作一个通用32-kHz 定时器。
USART0和USART1每个被配置为一个SPI主/从或一个UART。
它们为RX和TX提供了双缓冲,以及硬件流控制,因此非常适合于高吞吐量的全双工应用。
每个都有自己的高精度波特率发生器,因此可以使普通定时器空闲出来用作其他用途。
2.2.6、无线设备
CC2530具有一个IEEE802.15.4兼容无线收发器。
RF内核控制模拟无线模块。
另外,它提供了MCU和无线设备之间的一个接口,这使得可以发出命令,读取状态,自动操作和确定无线设备事件的顺序。
无线设备还包括一个数据包过滤和地址识别模块。
2.3超声波采集模块
超声波传感器模块使用接收反射波的方式来进行距离的测量,传感器有一个发射波的模块和一个接收波的模块组成。
超声波传感器由于是采用发射接收方式,所以在时间计算上有一个盲区,即MCU的最小反应时间,我们的模块的盲区在6cm。
主要技术参数:
1:
使用电压:
DC5V
2:
静态电流:
小于2mA
3:
电平输出:
高5V
4:
电平输出:
底0V
5:
感应角度:
不大于15度
6:
探测距离:
6cm-80cm
模块工作原理:
(1)采用IO触发测距,给至少10us的高电平信号;
(2)模块自动发送8个40khz的方波,自动检测是否有信号返回;
(3)有信号返回,通过IO输出一高电平,高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时
间.测试距离=(高电平时间*声速(340M/S))/2;
原理图如图所示:
图2-3超声波数据采集模块原理图
说明:
1:
40K HZ方波产生器产生的方波由于数据和器件原因,将不能精确到40KHZ,将会有3%左右的误差。
2:
最后的产生的方波以低电平有效,所以在程序中以低电平中断或下降沿中断。
3:
每次产生多少个40K方波,依测试结果。
原理图如下:
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
图2-4超声波数据采集模块原理图
三.系统分析
该系统通过具有IIC总线接口的单片全校准字式新型相对超声波传感器SHT10实现对数据的采集,将信号送至传感器,从节点采集超声波数据每隔一定的时间轮流向主节点发送,主节点收到数据之后通过串口将各节点的超声波数据传给智能主板。
具体步骤描述如下:
(1)给智能主板供电(USB外接电源或2节干电池);
(2)将一个无线节点模块插入到带LCD的智能主板的相应位置;
(3)将超声波及光电传感器模块插入到智能主板的传感及控制扩展口位
置;
(4)接下来将CC2530仿真器的一端通过USB线(A型转B型)连接
到PC机,另一端通过10Pin下载线连接到智能主板的CC2530JTAG口
(J203);
(5)将智能主板上电源开关拨至开位置。
按下仿真器上的按钮,仿真器上
的指示灯为绿色时,表示连接成功;
(6)在主机编写程序并调试,下载到下位机运行。
(7)观察变化;
四.详细设计
本设计是基于CC2530的超声波数据采集系统设计。
因此,其重点是超声波数据采集设计的实现,主要可分为二大部分,一是实现无线传感的硬件模块;二是实现无线传感的软件支持,也就是ZigBee协议框架的编程。
实现数据采集的硬件部分主要包括:
无线传感基本结构、无线传感实现
原理、本设计所使用的试验箱以及软件支持、常见的无线传感模块以及实现基于CC2530的超声波采集系统节点模块设计。
实现超声波数据采集的软件部分主要包括:
ZigBee协议栈整体构架,ZigBee协议栈网络层。
4.1超声波数据采集的硬件部分
嵌入式超声波采集系统的硬件部分可以大体有无线传感基本结构、无线传感实现原理、本设计所使用的试验箱以及软件支持、常见的无线传感模块以及实现基于CC2530的超声波采集系统节点模块设计等组成。
其具体内容如下:
1、无线传感基本结构及实现原理
无线传感器网络在设计目标方面是以数据为中心的,在无线传感器网络中,因为节点通常运行在人无法接近的恶劣甚至危险的远程环境中,所以除了少数节点也要移动外,大部分节点是静止不动的。
在被检测区域内,节点任意散落,节点除了需要完成感测特定的对象外,还需要进行简单的计算,维持互相之间的网络连接等功能。
并且由于能源的无法替代以及低功耗的多跳通信模式,设计无线传感节点时,有效的延长网络的生命周期以及节点的低功耗成为无线传感器网络研究的核心问题,其无线传感节点模型如下图:
图4-1设计硬件部分
无线传感网络的建立是基于传感器加无线传输模块的,传感器采集的数据,简单处理后经过无线传输模块传到服务器或应用终端。
目标,观测节点,传感节点和感知视场是无线传感器网络所包括的4个基本实体对象。
大量传感节点随机部署,单个节点进过初始的通信和协议,通过自组织方式自行配置,形成一个传输信息的单跳链接或一系列无线网络节点组成的网络,协同形成对标的感知视场。
传感节点检测的目标信号经过传感器本地简单处理后通过单播或广播以多跳的方式通过邻近传感节点传输到观测节点。
用户和远程任务管理单元则能够通过卫星通信网络或Internet等外部网络,与观测节点进行数据信息的交互。
观测节点向网络发布查询请求和控制指令,接受传感节点返回的目标信息。
2、使用的试验箱以及软件支持
物联网创新试验系统IOV-T-2530采用系列传感器模块和无线节点模块组成
无线传感网,扩展嵌入式网关实现广域访问,可实现多种物联网构架,完成物联网相关的各种传感器的信息采集、无线信号收发、ZigBee网络通讯,组件控制全过程。
该工具提供了无线传感网通信模块,基本的传感器及控制器模块、嵌入式网关、计算机服务器参考软件等。
3、实现超声波采集系统节点模块设计
实验系统包含4个无线传感网通信节点和一个无线网络协调器,其中具体情
况如下:
无线节点模块:
主要有射频单片机构成,MCU是TI的CC2530,2.4G载频,
棒状天线。
传感器及控制模块:
包括超声波传感器模块,继电器模块和RS232模块等,
也可以通过总线扩展用户自己的传感器及控制部件。
电源板或智能主板:
即实现无线节点模块与传感器及控制模块的连接,又实
现系统供电。
4.2超声波采集的软件部分
国家标准GB7665-87对传感器下的定义是:
“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置,通常由敏感元件和转换元件组成”。
传感器是一种检测装置,能感受到被测量的信息,并能将检测感受到的信息,按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出,以满足信息的传输、处理、存储、显示
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- 嵌入式 超声波 数据 采集 系统 设计 概要