毕业设计175武汉理工大学基于无线传感控制网络的智能小车研制.docx
- 文档编号:3647919
- 上传时间:2022-11-24
- 格式:DOCX
- 页数:38
- 大小:223.60KB
毕业设计175武汉理工大学基于无线传感控制网络的智能小车研制.docx
《毕业设计175武汉理工大学基于无线传感控制网络的智能小车研制.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《毕业设计175武汉理工大学基于无线传感控制网络的智能小车研制.docx(38页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
毕业设计175武汉理工大学基于无线传感控制网络的智能小车研制
基于无线传感/控制网络的智能小车研制
——基于CC2420芯片的无线通讯模块设计
摘要
当今的各种智能化控制系统均离不开数据信息的传输。
其中,无线数据传输是区别于传统的有线传输的新型传输方式,系统不需要传输线缆、成本低廉、施工简单。
将无线通讯芯片和单片机配上相应的无线通讯接口电路,就可以实现无线数据传输。
本设计做的无线通讯接口电路是以无线收发芯片CC2420为核心设计的电路。
本文介绍了无线通讯芯片CC2420的工作原理和主要特点,在此基础上设计了与MSP430的硬件接口电路。
CC2420工作在从机模式,单片机工作在主机模式,通过SPI(串行外围接口)读/写CC2420缓冲器内的数据,同时给出了单片机控制CC2420工作所需的软件设计,分析了如何利用单片机的USART模块实现与CC2420的数据通讯以及CC2420的初始化配置问题。
最后分析了发射程序和接收程序的编程思路,并编程实现收发程序的设计。
关键词:
CC2420;MSP430;SPI;无线通讯;硬件和软件设计
Abstract
Today,allkindsofintelligentcontrolsystemneeddatacommunications.Wirelessdatacommunicationsystemisanewdatacommunicationstyle.Itneednotcommunicationcable,andissimpleandcheap.Wirelessdatacommunicationbetweenthewirelesscommunicationmoduleandthesinglechipmicrocomputersisrealizedbywirelesscommunicationcircuit.CC2420isusedinwirelesscommunicationcircuitinthispaper.ThispaperintroducestheoperationprincipleandmaincharacteristicsofCC2420,followedbythedesignofinterfacecircuitwithmicrocontrollerMSP430.MicrocontrollerreadsandwritesbufferdatainCC2420throughSPIinterface.CC2420worksinslavemodeandMSP430inmastermode.ItalsointroducesthesoftwaredesignwhichCC2420andthesinglechipmicrocomputersneedtorealizewirelesscommunication.ItanalyzeshowtouseUSARTrealizecommunicationandthedisposeofCC2420initialization.Basedonthese,itanalyzestheprogrammingideaofsenderandreceiversothedesigncanberealizedthroughprogramming.
Keywords:
CC2420;MSP430;SPI;wirelesscommunication;
hardwareandsoftwaredesign
绪论
工业领域在现代化的进程中通过引入各种先进技术,实现了劳动生产率的提高和生产成本的下降。
在这些技术中,最典型的就是数字化技术和现代通讯技术。
在现代工业数字化的基础上工业生产监控早已突破了单回路控制和监视的功能。
随着计算机软硬件技术、网络技术和工业综合自动化系统整合水平的不断发展,对数据接口的开放性、数据传输的时效性、数据连接的安全性等方面提出了更高的要求。
许多大型企业其生产地域分散,业务分工复杂,往往设有一个或者多个控制中心,以及大量的现场数据采集点。
这些采集点因分散而需要通过一定的通讯手段来实现与中心控制单元间的数据交互,进而实现生产过程的自动化。
由于传统有线网络本身的局限性,许多特殊环境下的网络覆盖和网络支持仍然是个难题。
目前国内微机网络多为有线通讯方式。
有线通讯的优点是数据传输可靠性较高,但需要铺设较多的明线,而有些领域由于条件所限,难以铺设线路,这时就需要无线通讯来解决问题。
因此,无线通讯对于现代工业的发展有着重要的意义,也是通讯发展的趋势。
将无线通讯技术用于小车实现自动导引,解决了有线通讯的很多缺点,将智能控制的优点也体现出来了,更是提高工业领域设备自动化的有效途径。
无线传感器网络由随机分布的集成有传感器、数据处理单元和通讯模块的微型节点,通过自组织方式构成网络,传感器网络具有分布式处理带来的监测高精度、高容错性、大覆盖区域、可远程监控等众多优点,成为近期国际上网络研究的重要热点之一。
无线传感器网络被认为是影响人类未来生活的十大新兴技术之一,越来越得到学术界和工业界的高度重视。
它集成了传感器技术、计算机技术和通讯技术,相互交叉渗透而成为现实。
它们能够协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息,并对其进行处理。
本设计是做基于无线传感/控制网络的智能小车的通讯模块。
该通讯模块是作为一个独立的无线传感器网络微型节点。
无线传感器微型节点是一次性的,要求节点成本低廉和工作时间尽可能长。
因此,通讯模块的设计采用了CC2420无线收发芯片来实现自动导引小车以无线方式通讯。
无线通讯方式实现了有线通讯很多不能实现的功能,从某些程度上降低了有线通讯所需的成本,并提高了劳动生产率,是工业现代化发展的方向。
将无线通讯技术用于导引小车,使小车的行动路径更加灵活,控制更加方便,提高了智能小车的性能。
论文的总体框架安排如下:
论文的第一部分无线通讯概述介绍了无线通讯的基本原理、几种无线通讯技术介绍及其比较以及ZigBee无线通讯技术的技术内容以及主要的特点,并讲述了基于CC2420无线通讯芯片的通讯模块的功能结构,也是整篇论文设计的基础。
论文的第二部分是无线通讯模块的硬件设计,主要介绍了CC2420以及微处理器MSP430。
这一部分分析了射频芯片的选用原则,CC2420无线通讯芯片的主要特点、内部结构、典型应用电路、引脚的功能以及如何配置IEEE802.15.4工作模式,概述了MCU(MSP430)的主要特点,以及CC2420与MSP430的硬件SPI接口,并在这一章中提供了通讯模块的原理图以及PCB制板图和相关的问题。
论文的第三部分无线通讯模块的软件设计首先介绍了程序语言的选择,以及数据传输的帧格式,并重点讲述了通讯模块发射程序设计与接收程序设计。
在程序设计时画出了程序设计的结构图,给出了编程的思路。
最后一部分总结了本论文所讲述的基于CC2420的通讯模块的特点,软硬件设计的主要内容,以及通过设计所得出的结论。
1无线通讯概述
1.1无线通讯原理
各种智能化控制系统均离不开数据信息的传输。
其中,无线数据传输是区别于传统的有线传输的新型传输方式,系统不需要传输线缆、成本低廉、施工简单。
无线数据传输有着重要的研究意义。
理解无线通讯原理是设计无线通讯网络的基础。
通讯的主要任务就是传送信息。
所谓信息,就是要传送的文字、图象、数据等,通常它们都是以电信号的形式出现。
它由发信设备、收信设备、信道等各部分组成。
在无线通讯中,信道就是电磁波传播的途径,发送端用户通过发信设备将消息变为适合于信道传送的信号,收信设备则把收到的信号还原成信息,并传送到接收端用户。
其原理图如图1所示:
图1无线信号收发的典型框图
发射机中,振荡器的作用是产生最初的高频信号,它的频率等于或低于所需的工作频率fs,在后一种情况下,倍频器输出的信号频率为振荡器频率的整数倍,高频功率放大器的主要功能是将振荡器或倍频器输出的小信号放大到足够的功率电平,用以推动功率更大的高频输出功率放大器,输出功放的一个功能是直接产生大功率的高频信号,并发送到发射天线上去,另一个功能是对高频信号进行振幅调制,使高频信号的振幅随传送信号的大小而变化。
接收机输入端的高频放大器的功能是对天线上收到的所需信号进行初步的选择和放大,“选择”就是只选取频率为fs的所需信号,抑制其它频率的无用信号,这通常是靠放大器中的调谐电路实现。
混频器将来自本地振荡器,频率为fl的信号与所需信号相混(频率相加或相减),得到频率为fl=fl-fs的中频信号,中频放大器是中心频率固定的频带(带通)放大器,它可以进一步滤除无用信号,检波器的功能是将得到的调幅信号还原成原信号(称为解调)。
1.2无线通讯技术
1.2.1几种无线通讯技术介绍及其比较
在现有的无线网络技术发展条件下,无线标准增加了灵活性,并降低了集成专利无线通讯的风险。
在工控场合的应用条件下,短距离的无线传输尤其受到瞩目。
在最近的几年中,人们不断探索,形成了当今令人眼花缭乱的无线通讯协议和产品。
最流行的短距离无线数据通讯的标准有蓝牙(Bluetooth)、Wi-Fi(IEEE802、11)、IrDA以及极具发展潜力、已被众多业界认可的ZigBee(IEEE802、15、4)等。
1)蓝牙(BlueTooth)
蓝牙(BlueTooth)最早是爱立信在1994年开始研究的一种能使手机与其附件(如耳机)之间互相通讯的无线模块。
1998年,爱立信、诺基亚、IBM等公司共同推出了蓝牙技术,主要用于通讯和信息设备的无线连接。
它的工作频率为2、4GHz,有效范围大约在10m半径内。
Bluetooth列入了IEEE802、15、1,规定了包括PHY、MAC、网络和应用层等集成协议栈。
为对语音和特定网络提供支持,需要协议栈提供250kB系统开销,从而增加了系统成本和集成复杂性。
另外,Bluetooth对每个“Piconet”(微微网)有只能配置7个节点的限制,制约了其在大型传感器网络开发中的应用。
2)Wi-Fi(IEEE802.11)
Wi-Fi(WirelessFidelity,无线高保真)也是一种无线通讯协议。
IEEE802.11的最初规范是在1997年提出的。
主要目的是提供WLAN接入,也是目前WLAN的主要技术标准,其工作频率也是2、4GHz。
目前,IEEE802.11标准还没有被工业界广泛接受。
IEEE802.11流行的几个版本包括“a”(在5、8GHz波段带宽为54MBps)、“b”(波段2、4GHz带宽为11MBps)、“g”(波段2、4GHz带宽为22MBps)。
这种复杂性为用户选择标准化无线平台增加了困难。
Wi-Fi规定了协议的物理(PHY)层和媒体接入控制(MAC)层,并依赖TCP/IP作为网络层。
由于其优异的带宽是以大的功耗为代价的,因此大多数便携Wi-Fi装置都需要常规充电。
这些特点限制了它在工业场合的推广和应用。
3)IrDA
红外线数据协会IrDA(InfraredDataAssociation)成立于1993年。
IrDA是一种利用红外线进行点对点通讯的技术。
IrDA标准的无线设备传输速率已从115、2kbps逐步发展到4Mbps、16Mbps。
目前,支持它的软硬件技术都很成熟,在小型移动设备(如PDA、手机)
上被广泛使用。
它具有移动通讯所需的体积小、功耗低、连接方便、简单易用、成本低廉的特点。
IrDA用于工业网络上的最大问题在于只能在2台设备之间连接,并且存在有视距角度等问题。
4)ZigBee
ZigBee(IEEE802、15、4)技术是最近发展起来的一种短距离无线通讯技术,功耗低,被业界认为是最有可能应用在工控场合的无线方式。
它同样使用2、4GHz波段,采用跳频技术和扩频技术。
另外,它可与254个节点联网。
节点可以包括仪器和家庭自动化应用设备。
它本身的特点使得其在工业监控、传感器网络、家庭监控、安全系统等领域有很大的发展空间。
几种常用无线传输方式的主要性能比较见表1。
表1几种常用无线通讯方式的主要性能比较
BlueTooth
Wi-Fi
IrDA
ZigBee
系统开销
较大
大
小
小
电池寿命
较短
短
长
最长
网络节点
7
30
2
255/65000+
物理范围(有效)
10m
100m
定向1m
1-100+
传输率
1Mbps
11Mbps
16Mbps
20/250kbps
传输介质
2、4GHz射频
2、4GHz射频
980nm红外
2、4GHz射频
1.2.2ZigBee的技术内容及特点
ZigBee是最新确定的商业名称,在以前曾被发起者以“HomeRFlite”、“Firefly”和“RF-EasyLink”等命名。
为了满足类似于传感器的小型、低成本设备无线联网的要求,2000年12月IEEE成立了IEEE802、15、4工作组,致力于定义一种供廉价的固定、便携或移动设备使用,且复杂度、成本和功耗均很低的低速率无线连接技术。
ZigBee联盟成立于2001年8月。
到目前为止,除了Invensys、三菱电子、摩托罗拉、三星和飞利浦等国际知名的大公司外,该联盟大约已有百余家成员企业,并在迅速发展壮大。
其中涵盖了半导体生产商、IP服务提供商、消费类电子厂商及OEM商等,例如Honeywell、Eaton和InvensysMeteringSystems等工业控制和家用自动化公司,甚至还有像Mattel之类的玩具公司。
所有这些公司都参加了负责开发ZigBee物理和媒体控制层技术标准的IEEE802、15、4工作组。
在工业、农业、车载电子系统、家用网络、医疗传感器和伺服执行机构等领域,对于无线网络的要求与民用场合有很大区别。
它通常对数据吞吐量的要求很低,功率消耗要低。
此外,简单方便、可以随意使用的无线装置大量涌现,需要布置大量的无线接入点,而低廉的价格将起着关键作用。
所以ZigBee标准要解决的问题是设计一个维持最小流量的通讯链路和低复杂度的无线收发信机。
要考虑的核心问题是低功耗和低价格的设计,这就要求该标准应提供低带宽、低数据传输率的应用。
ZigBee的特点:
1)低功耗:
由于ZigBee的传输速率低,发射功率仅为1mW,而且采用了休眠模式,功耗低,因此ZigBee设备非常省电。
据估算,ZigBee设备仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间,这是其它无线设备望尘莫及的。
2)成本低:
ZigBee模块的初始成本在6美元左右,估计很快就能降到1.15~2.15美元,并且ZigBee协议是免专利费的。
低成本对于ZigBee也是一个关键的因素。
3)时延短:
通讯时延和从休眠状态激活的时延都非常短,典型的搜索设备时延为30ms,休眠激活的时延是15ms,活动设备信道接入的时延为15ms。
因此ZigBee技术适用于对时延要求苛刻的无线控制(如工业控制场合等)应用。
4)网络容量大:
一个星型结构的ZigBee网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备,而且网络组成灵活。
5)可靠:
采取了碰撞避免策略,同时为需要固定带宽的通讯业务预留了专用时隙,避开了发送数据的竞争和冲突。
MAC层采用了完全确认的数据传输模式,每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。
如果传输过程中出现问题可以进行重发。
6)安全:
ZigBee提供了基于循环冗余校验(CRC)的数据包完整性检查功能,支持鉴权和认证,采用了AES-128的加密算法,各个应用可以灵活确定其安全属性。
[1]
1.3基于CC2420芯片的无线通讯模块的功能结构
本设计是做基于无线传感/控制网络的智能小车的通讯模块。
该通讯模块是作为一个独立的无线传感器网络微型节点与主控单元相接。
无线传感器微型节点是一次性的,要求节点成本低廉和工作时间尽可能长。
因此,通讯模块的设计采用了CC2420无线通讯芯片来实现自动导引小车以无线方式通讯。
CC2420是挪威Chipcon公司推出的一款符合IEEE80215.4标准的ZigBee无线网络模块,只需很少的外围元件就能单片机构成一个无线通讯系统。
本论文介绍采用CC2420与单片机的结合来组成一个点对点(也可以扩展成点对多点)无线通讯系统,能够低成本、低误码率的完成近距离无线通讯。
该通讯模块要正常工作需要的功能模块主要包括晶振时钟电路、天线、电源、射频输入/输出匹配电路。
其功能模块图如图2所示:
图2通讯模块的功能模块图
2无线通讯模块硬件设计
2.1无线收发芯片CC2420
2.1.1射频芯片的选用原则
当今信息技术高速发展,形成了令人眼花缭乱的无线通讯协议和产品。
由于无线收发芯片的厂商和种类比较多,如何在设计中选择所需要的芯片是非常关键的,正确的选择可以少走弯路,降低成本,提高设计的成功率,对于产品生产型企业也能够更快的将产品推向市场。
在选择芯片时主要考虑的因素是:
1)功耗
大多数无线通讯芯片是应用在便携式产品上的,因此功耗非常重要,应该根据需要选择综合功耗比较小的产品,CC2420发射电流17.4mA、接收电流19.7mA,是同类产品中功耗较小的。
2)收发芯片的数据传输控制是否容易
CC2420是一种采用串行传输的芯片,在编程上不会需要较高的技巧和经验,不需要更多的内存和程序容量,并且传送的效率很高。
CC2420收发芯片只需通过与微处理器的简单接口就能和芯片传输数据。
而且对CC2420的工作方式控制方法非常简单,只需通过CC2420的四线串行接口线(时钟、数据输入、数据输出、片选)对内部的寄存器进行初始化,就可设定其接收、发送等各种工作状态。
3)收发芯片所需的外围元件数量
芯片外围元件的数量直接决定产品的成本和设计难度,因此应该选择外围元件少的收发芯片。
有些芯片似乎很便宜,可是外围元件使用很多昂贵的元件,如变容管以及声表滤波器等;有些芯片收发分别需要两根天线,会大大增加成本。
这方面CC2420做得很好,外围元件很少,无需昂贵的元件,只需要便宜且易于获得的16MHz晶振、普通的电容电感、并且收发天线合一。
4)收发芯片的封装和管脚数
较少的管脚以及较小的封装,有利于减少印刷电路板PCB的面积,适合便携式产品的设计,有利于开发和生产等。
综合考虑上述的各种因素,决定采用Chipcon公司的无线收发芯片CC2420。
2.1.2CC2420芯片的主要特点
CC2420是挪威Chipcon公司推出的一款符合IEEE802.15.4标准的ZigBee无线网络模块,只需很少的外围元件就可以与单片机构成一个无线通讯系统。
该器件包括众多额外功能,是第一款适用于ZigBee产品的RF器件。
它基于Chipcon公司的SmartRF03技术,以0.18umCMOS工艺制成,只需极少的外围元器件,性能稳定且功耗极低。
CC2420的选择性和敏感性指数超过了IEEE802.15.4标准的要求,可确保短距离通讯的有效性和可靠性。
利用此芯片开发的无线通讯设备支持数据传输率高达250kbps,可以实现多点对多点的快速组网。
CC2420是IEEE802.15.4标准的低成本、低功耗单片高集成度解决方案。
它工作在ISM(工业、科学、医疗)免费频带上,工作频率为2.4GHz。
CC2420符合欧洲ETSIEN300328、EN300440class2,美国FCCCFR4715部分标准和日本ARBSTD-T66标准。
它适合在2.4GHzIEEE802.15.4系统、ZigBee系统、消费类电子产品、工业控制和PC外设等领域中应用。
可以看出:
该芯片具有良好的性能,尤其是其极低的电流消耗和封装尺寸,可以满足无线传感网络中节点体积小、功耗小、成本低的特点,具有广泛的应用前景。
CC2420的主要性能参数如下:
·工作频带范围:
2.400~2.4835GHz;
·采用IEEE802.15.4规范要求的直接序列扩频方式;
·数据传输速率达250kbps,码片速率达2MChip/s;
·采用0-QPSK调制方式;
·超低电流消耗(RX:
19.7mA,TX:
17.4mA)高接收灵敏度(-99dBm);
·抗邻频道干扰能力强(39dB);
·内部集成有VCO、LAN、PA以及电源整流器,采用低电压供电(2.1~3.6V);
·输出功率编程可控;
·IEEE802.15.4MAC层硬件可支持自动帧格式生成、同步插入与检测、16bitCRC校验、完全自动MAC层安全保护(CTR,CBR-MAC,CCM);
·与控制微处理器的接口配置容易(4总线SPI接口);
·开发工具齐全,提供有效的开发工具和演示套件;
·采用QLP-48封装,外形尺寸只有7mm×7mm。
[2]
2.1.3CC2420内部结构及典型应用电路
CC2420芯片内部结构主要由接收部分、发射部分、控制逻辑(ControlLogic)、偏置(On-chipBIAS)、晶体振荡器(XOSC)、稳压器(SerialVoltageRegulator)和接口等电路组成。
接收部分的数字解调器(DigitalDemodulator)、具有数字信号强度指示器(DigitalRSSI)、增益控制(GainControl)、镜频抑制(ImageSuppression)、信道滤波(ChannelFiltering)、解调(Demodulation)和帧同步(FrameSynchronization)等功能。
发射部分的数字调制器(DigitalDemodulator)具有数字扩频(DataSpreading)和调制(Modulation)等功能。
接口部分包括数字和模拟测试接口(DigitalandAnalogTestInterface),含有先进先出缓冲器、循环冗余码校验和加密的数字接口(DigitalInterfaceWithFIFOBuffers,CRCandEncryption)及串行微处理器接口(SerialMicrocontrollerInterface)。
芯片的工作过程:
天线接收的射频信号经过低噪声放大器和I/Q下变频处理后,中频信号只有2MHz,此混合I/Q信号经过滤波、放大、AD变换、自动增益控制、数字解调和解扩,最终恢复出传输的正确数据。
发射机部分基于直接上变频。
要发射的数据先被送入
128字节的发送缓存器中,头帧和起始帧是通过硬件自动产生的。
根据IEEE802.15.4标准,所要发送的数据流的每4个比特被32码片的扩频序列扩频后送到DA转换器,然后,经过低通滤波和上变频的混频后的射频信号最终被调制到2.4GHz,并经放大后送到天线发射出
去。
CC2420的应用电路:
CC2420只需要极少的外围器件,其外围电路包括晶振时钟电路、射频输入/输出匹配电路和微控制器接口电路三个部分。
芯片本振信号既可由外部有源晶体提供,也可以由内部电路提供。
由内部电路提供时需外加晶体震荡器和两个负载电容,电容的大小取决于晶体的频率及输入容抗等参数。
射频输入/输出匹配电路主要用来匹配芯片的输入输出阻抗,使输入输出阻抗为50Ω,同时为芯片内部的PA及LAN提供直流偏置。
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 毕业设计 175 武汉理工大学 基于 无线 传感 控制 网络 智能 小车 研制