基于zigbee的無(wú)線壓力測(cè)量系統(tǒng)說(shuō)明書(shū)

1、<p><b>　　摘要</b></p><p>　　數(shù)據(jù)采集技術(shù)是信息科學(xué)的一個(gè)重要分支，它與傳感器技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)共同構(gòu)建了現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)。本文在分析了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的相關(guān)現(xiàn)狀以及主要短距離無(wú)線通信技術(shù)的基礎(chǔ)上，針對(duì)有線數(shù)據(jù)采集方式成本高、不易擴(kuò)展、移動(dòng)性差等缺陷，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于ZigBee技術(shù)的低成本、低功耗的無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。ZigBee技術(shù)是一種近

2、距離、低復(fù)雜度、低功耗、率、低成本的無(wú)線通信技術(shù)，工作在2.4GHz的ISM頻段上，傳輸速率為20kb/s-250kb/s，傳輸距離為10m-75m，主要用于短距離無(wú)線傳輸將ZigBee技術(shù)與數(shù)據(jù)采集技術(shù)相結(jié)合，具有廣泛的應(yīng)用前景。</p><p>　　本課題基于當(dāng)前數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的需要，以礦山單體液壓支柱壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為題，對(duì)礦山的壓力進(jìn)行檢測(cè)，保證礦山的安全。采用基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線單片機(jī)CC2430，設(shè)計(jì)

3、并實(shí)現(xiàn)了無(wú)線壓力數(shù)據(jù)采集的硬件電路。硬件電路主要包括壓力傳感器的采樣保持電路和電源電路。利用IAR開(kāi)發(fā)環(huán)境對(duì)程序進(jìn)行編寫(xiě)、下載。</p><p>　　關(guān)鍵詞：無(wú)線通信， ZigBee技術(shù)， CC2430， 壓力傳感器，IAR</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　Data acquisition is an

4、important branch of information technology and is the foundation of modern measurement technology with sensor technology,signal processing technology and computer technology.Based on the research situation of data acquis

5、ition system and the main short-range wireless communication technology, a wireless data acquisition system based on ZigBee technology which has the features of low price and low power consumption was designed and realiz

6、ed aiming at solving the disadvantage</p><p>　　This topic based on the current data acquisition system needs, to mine single hydraulic prop pressure monitoring system of mine pressure problem, testing, to en

7、sure the safety of mine.Based on the ZigBee technology wireless single chip CC2430, the design and implementation of wireless pressure data acquisition hardware circuit.The hardware circuit including a pressure sensor in

8、 the sample and hold circuit and power supply circuit.The use of IAR development environment for the process to prepare,</p><p>　　Key words: wireless communication, ZigBee technology, CC2430, pressure sensor

9、, IAR</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要I</b></p><p>　　ABSTRACTII</p><p><b>　　目錄1</b></p><p><b>　　1 緒論1</b&

10、gt;</p><p>　　1.1 課題的內(nèi)容及背景1</p><p>　　1.2短距離無(wú)線技術(shù)比較1</p><p>　　1.3 基于ZigBee數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的意義2</p><p>　　1.4 論文的主要工作及結(jié)構(gòu)3</p><p>　　2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)4</p><p>　　

11、2.1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則4</p><p>　　2.2 系統(tǒng)的硬件的組成4</p><p>　　2.3 關(guān)鍵技術(shù)的介紹4</p><p>　　2.3.1 ZigBee技術(shù)簡(jiǎn)介及主要特點(diǎn)5</p><p>　　2.3.2 ZigBee協(xié)議體系結(jié)構(gòu)6</p><p>　　2.4 ZigBee無(wú)線芯片選取8<

12、/p><p>　　2.4.1 CC2420芯片主要特點(diǎn)及方案設(shè)計(jì)8</p><p>　　2.4.2 CC2430的主要特點(diǎn)及方案設(shè)計(jì)10</p><p>　　2.4.3無(wú)線芯片比較選擇12</p><p>　　2.5 壓力傳感器的選擇12</p><p>　　2.5.1 壓力傳感器簡(jiǎn)介12</p>

13、<p>　　2.5.2 系統(tǒng)對(duì)傳感器選擇14</p><p>　　2.5.3傳感器的比較選擇15</p><p>　　2.6 本章小結(jié)16</p><p>　　3 數(shù)據(jù)采集部分硬件設(shè)計(jì)17</p><p>　　3.1 硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖17</p><p>　　3.2 無(wú)線傳輸模塊的設(shè)計(jì)17</p

14、><p>　　3.3主要模塊的設(shè)計(jì)18</p><p>　　3.3.1 采樣保持電路19</p><p>　　3.3.2電源供電電路19</p><p>　　3.5 本章小結(jié)20</p><p>　　4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)21</p><p>　　4.1 開(kāi)發(fā)環(huán)境的介紹及使用21</p&

15、gt;<p>　　4.2 整體軟件設(shè)計(jì)22</p><p>　　4.3 壓力傳感器軟件設(shè)計(jì)23</p><p>　　4.4無(wú)線數(shù)據(jù)的發(fā)送24</p><p>　　4.5 本章小結(jié)25</p><p>　　5 實(shí)物的制作與調(diào)試26</p><p>　　5.1 硬件調(diào)試26</p>

16、<p>　　5.2 模擬實(shí)驗(yàn)一26</p><p>　　5.2 模擬實(shí)驗(yàn)二27</p><p>　　5.3本章小結(jié)27</p><p>　　6 系統(tǒng)的總結(jié)和展望28</p><p>　　6.1本文總結(jié)28</p><p>　　6.2 工作展望28</p><p><b

17、>　　參考文獻(xiàn)29</b></p><p><b>　　致謝31</b></p><p>　　附錄A 模擬實(shí)驗(yàn)源程序32</p><p><b>　　A.1主程序32</b></p><p>　　A.2 數(shù)據(jù)發(fā)送子程序34</p><p>　　A.

18、3片內(nèi)溫度傳感器程序36</p><p>　　A.4 DS18B20傳感器程序37</p><p>　　附錄B 模擬實(shí)驗(yàn)二實(shí)物圖42</p><p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　1.1 課題的內(nèi)容及背景</p><p>　　數(shù)據(jù)采集技術(shù)是信息科學(xué)的一個(gè)重要分支，它與傳感

19、器技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)一起構(gòu)成了現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是綜合利用計(jì)算機(jī)、通信、測(cè)控等技術(shù)采集、記錄和顯示現(xiàn)場(chǎng)的各種物理參量，方便管理人員和現(xiàn)場(chǎng)操作者參考的系統(tǒng)。在工業(yè)生產(chǎn)和控制中，應(yīng)用這一系統(tǒng)可以采集工作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的溫度、濕度、電壓、電流等諸多參數(shù)，將這些模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變成數(shù)字量并進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算處理后，所得的結(jié)果可以反饋給用戶或控制系統(tǒng)，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以提供大量的動(dòng)態(tài)信息，已廣泛應(yīng)用地質(zhì)、醫(yī)藥器械

20、、雷達(dá)、通訊等領(lǐng)域。</p><p>　　本課題主要來(lái)源于礦山單體液壓支柱壓力監(jiān)測(cè)。單體液壓支柱所處地理位置較為偏僻，壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要及時(shí)對(duì)其礦山狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，反映故障，但生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，這些情況都導(dǎo)致了布線不方便，且升級(jí)維護(hù)費(fèi)用昂貴，同時(shí)這些情況的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)量都不大，使用一種低速低功耗的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)就可以很好的解決這些問(wèn)題。</p><p>　　在數(shù)據(jù)傳輸方式上，分為有線傳輸和無(wú)線傳輸兩種。

21、目前傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基本上是通過(guò)有線方式進(jìn)行連接，有線傳輸具有傳輸速度快、可靠性高以及運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，但是受到環(huán)境、應(yīng)用對(duì)象的限制。在有些場(chǎng)合，如高腐蝕性、現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)明線連接等環(huán)境，采用傳統(tǒng)的有線數(shù)據(jù)傳輸采集系統(tǒng)已經(jīng)滿足不了數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)男枰?。再則，為一次數(shù)據(jù)采集而架設(shè)有線網(wǎng)絡(luò)的投資較大。在這種情況下，無(wú)線方式是一種有效的替代方式。</p><p>　　隨著射頻技術(shù)、微電子技術(shù)及集成電路的進(jìn)步，無(wú)線通信技術(shù)

22、取得了飛速的發(fā)展，無(wú)線通信的實(shí)現(xiàn)成本越來(lái)越低，傳輸速度越來(lái)越快，可靠性越來(lái)越高，并且逐漸達(dá)到可以和有線網(wǎng)絡(luò)相媲美的水平。工業(yè)環(huán)境下的無(wú)線數(shù)據(jù)通信技術(shù)是近年來(lái)新的發(fā)展趨勢(shì)，將無(wú)線技術(shù)引入數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域，可以解決某些不便布線環(huán)境下的數(shù)據(jù)采集問(wèn)題，克服有線網(wǎng)絡(luò)布線麻煩和維護(hù)困難的缺點(diǎn)，提高采集系統(tǒng)的適應(yīng)性。</p><p>　　本課題將傳感器技術(shù)和新興的無(wú)線通信技術(shù)相結(jié)合，力圖通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o(wú)線化來(lái)達(dá)到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中布線不便

23、時(shí)對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集。</p><p>　　1.2短距離無(wú)線技術(shù)比較</p><p>　　短距離無(wú)線通信技術(shù)已在我們?nèi)粘Ｉ钪械玫搅藦V泛的應(yīng)用，目前主要有Wi-Fi、藍(lán)牙、IrDA、ZigBee等。這幾種無(wú)線個(gè)域網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，他們?cè)诓煌膽?yīng)用場(chǎng)景中作為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的底層協(xié)議方案。其也有不同之處，如表1.1所示。</p><p>　　表1.1 幾種短距離無(wú)線技術(shù)比較<

24、/p><p>　　由上表可知，ZigBee的傳輸速率是低，最高速率不超過(guò)250KbpS，可見(jiàn)專門(mén)為了礦山壓力采集這類低數(shù)據(jù)量的場(chǎng)合設(shè)計(jì)，電池壽命最長(zhǎng)，是通過(guò)ZigBee設(shè)備大部分時(shí)間處于睡眠狀態(tài)，激活時(shí)工作周期很短來(lái)實(shí)現(xiàn)低功耗的;網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)大大超過(guò)其他短距離傳輸技術(shù)，展示了高容量的節(jié)點(diǎn);雖然和藍(lán)牙和WIFi同處于2.4GHZ的頻段，但是并不互相沖突。</p><p>　　通過(guò)對(duì)上述技術(shù)特點(diǎn)的比較

25、和分析，在礦山中節(jié)點(diǎn)到路由節(jié)點(diǎn)最多100米的有限范圍內(nèi)，控制網(wǎng)絡(luò)非基于ZigBee的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)莫屬。引以為豪的低功耗，通過(guò)電池節(jié)點(diǎn)設(shè)備可以工作1年甚至更久，用于數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)木W(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)上每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)只需在有限的時(shí)間內(nèi)發(fā)送幾個(gè)比特的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)流是異步的，并在數(shù)據(jù)等待時(shí)間上限制極小。而采用標(biāo)準(zhǔn)模塊化的設(shè)計(jì)可以大大降低成本，20-25OKbps的低速率也能過(guò)滿足數(shù)據(jù)采集和控制，由ZigBee聯(lián)盟專門(mén)設(shè)計(jì)的安全層則可以保證節(jié)點(diǎn)信息的不被

26、泄露，毫無(wú)疑問(wèn)，ZigBee技術(shù)是礦山數(shù)據(jù)采集自動(dòng)化方案的最佳選擇，搭建這樣一個(gè)平臺(tái)后也可以與其它網(wǎng)絡(luò)的連接做到無(wú)縫連接。</p><p>　　1.3 基于ZigBee數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的意義</p><p>　　ZigBee技術(shù)作為數(shù)據(jù)采集的技術(shù)載體，有著重要意義，它能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)采集的優(yōu)點(diǎn)，還具有一些特有的優(yōu)點(diǎn)：</p><p>　　(l) 低功耗:在低耗電待機(jī)模式

27、下，2節(jié)5號(hào)干電池可支持1個(gè)節(jié)點(diǎn)工作6-</p><p>　　24個(gè)月，甚至更長(zhǎng)。</p><p>　　(2) 高度擴(kuò)充性:ZigBee可采用星狀、對(duì)等網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由一個(gè)主節(jié)點(diǎn)管理若干子節(jié)點(diǎn)，最多一個(gè)主節(jié)點(diǎn)可管理254個(gè)子節(jié)點(diǎn);同時(shí)主節(jié)點(diǎn)還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理，最多可組成65000個(gè)節(jié)點(diǎn)的大網(wǎng)。</p><p>　　(3) 自組織功能:無(wú)需人工干預(yù)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能夠感知

28、其他節(jié)點(diǎn)的存在，并確定連接關(guān)系，組成結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)絡(luò)。</p><p>　　(4) 自愈功能:增加或者刪除一個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)位置發(fā)生變動(dòng)，節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障等等，網(wǎng)絡(luò)都能夠自我修復(fù)，并對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)地調(diào)整，無(wú)需人工干預(yù)，保證整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)仍然能正常工作。</p><p>　　1.4 論文的主要工作及結(jié)構(gòu)</p><p>　　根據(jù)本論文的實(shí)際情況，根據(jù)ZigBee技術(shù)，完

29、成無(wú)線壓力的數(shù)據(jù)采集部分的硬件電路的設(shè)計(jì)和軟件部分的設(shè)計(jì)。</p><p>　　本文的結(jié)構(gòu)安排如下：</p><p>　　1.緒論：介紹選題的背景和意義，以及短距離無(wú)線通信技術(shù)的比較，闡述了論文的研究重點(diǎn)，最后給出論文的結(jié)構(gòu)安排。</p><p>　　2.系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)：確定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則，給出系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，根據(jù)芯片比較，選定方案所用元件及講述所用到的關(guān)鍵

30、技術(shù)。</p><p>　　3.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)：針對(duì)所選的方案，完成硬件電路的連接，并對(duì)部分電路的原理及在系統(tǒng)中所完成的功能做詳細(xì)的介紹。</p><p>　　4.系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)：介紹軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)基于模塊化的設(shè)計(jì)思路，本論文中按照所完成不同的功能設(shè)計(jì)不同模塊，給出系統(tǒng)的各部分模塊的程序流程圖及其具體實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　5.系統(tǒng)實(shí)物制作調(diào)試：根據(jù)

31、軟、硬件制作實(shí)物，進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行調(diào)試分析。</p><p>　　6.系統(tǒng)的總結(jié)與展望：根據(jù)軟硬件調(diào)試的結(jié)果，以及系統(tǒng)整體調(diào)試情況，完成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)?？偨Y(jié)本文的研究?jī)?nèi)容，針對(duì)系統(tǒng)在其他更高要求領(lǐng)域中的應(yīng)用，提出一些改進(jìn)完善措施。</p><p>　　2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)</p><p>　　2.1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則</p><p><b&

32、gt;　　1、低功耗</b></p><p>　　考慮到系統(tǒng)應(yīng)用于無(wú)法布線環(huán)境下的數(shù)據(jù)采集，因而采集的終端節(jié)點(diǎn)電源由電池來(lái)提供，由于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行的長(zhǎng)期性及更換電池的諸多不便，采集節(jié)點(diǎn)必須具有低功耗，以確保系統(tǒng)在電池供電條件下能正常工作半年以上。</p><p><b>　　2、可靠性</b></p><p>　　抗干擾能力也是設(shè)計(jì)本

33、系統(tǒng)時(shí)所考慮的重要因素之一，考慮到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的工作條件惡劣，各種干擾因素多，以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、元器件選擇等因素，數(shù)據(jù)將受到來(lái)自系統(tǒng)內(nèi)部和外部的各種電氣干擾，因此提高系統(tǒng)的抗干擾能力，從而保證系統(tǒng)的可靠性是設(shè)計(jì)中的又一關(guān)鍵。</p><p>　　3、自組織性， 自適應(yīng)性</p><p>　　采集終端設(shè)備位置的頻繁更換和網(wǎng)絡(luò)控制器的癱瘓等，都可能引起拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化和無(wú)線通信不暢，從而使整個(gè)采集系

34、統(tǒng)停止工作等。因此需要確保系統(tǒng)具有自組織性和自適用性，以適應(yīng)各種復(fù)雜的場(chǎng)合。</p><p>　　2.2 系統(tǒng)的硬件的組成</p><p>　　圖2.1 基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線壓力測(cè)量系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)</p><p>　　由圖2.1可知傳感器與無(wú)線芯片的連接為數(shù)據(jù)采集部分，無(wú)線芯片與液晶的連接為就地顯示部分。兩者之間通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)男酒牡陌l(fā)送和接收，緊密聯(lián)系，上位

35、機(jī)主要功能就是，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和接收，數(shù)據(jù)的進(jìn)一步處理和顯示。</p><p>　　2.3 關(guān)鍵技術(shù)的介紹</p><p>　　2.3.1 ZigBee技術(shù)簡(jiǎn)介及主要特點(diǎn)</p><p>　　傳統(tǒng)的無(wú)線技術(shù)，往往設(shè)備的成木高、體積大和能源消耗大，如果針對(duì)現(xiàn)實(shí)中存在應(yīng)用需求:傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通常為小量的突發(fā)信號(hào)，數(shù)據(jù)量小，并要求實(shí)時(shí)傳輸，往往無(wú)法滿足。這種需求下，體積小、成木低

36、、功耗小和傳輸速率低的短距離無(wú)線通信技術(shù)—基于IEEE802.15.4協(xié)議的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，越來(lái)越引起人們的重視。</p><p>　　IEEE802.15.4是新興的無(wú)線通訊協(xié)議，是IEEE確定的低速個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。該工作組成立于2000年1月，專注于規(guī)范一種廉價(jià)的，固定、便攜或移動(dòng)設(shè)備使用的，低功耗、低成本、低復(fù)雜度、低速率的無(wú)線線連接技術(shù)，于2003年12月通過(guò)了第1個(gè)802.15.4標(biāo)準(zhǔn)。</

37、p><p>　　2002年，日木三菱電氣公司、美國(guó)摩托羅拉公司、英國(guó)Invensys公司和荷蘭飛利浦半導(dǎo)體公司共同宣布加入ZigBee聯(lián)盟，研發(fā)名為“ZigBee”的下一代無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)。ZigBee聯(lián)盟是為了在全球統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)上實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單可靠、低功耗、低價(jià)格、無(wú)線連接的監(jiān)測(cè)和控制產(chǎn)品，于2004.12發(fā)布首個(gè)ZigBee正式標(biāo)準(zhǔn)。ZigBee從IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)始著手，定義了允許不同廠商制造的設(shè)備相互兼容的應(yīng)用

38、綱要。截至目前，該聯(lián)盟大約己有76家成員企業(yè)，并在迅速發(fā)展壯大。涵蓋了消費(fèi)類電子廠商、IP服務(wù)提供商、半導(dǎo)體生產(chǎn)商及OEM商等，所有這些成員公司都參加了負(fù)責(zé)開(kāi)發(fā)ZigBee的PHY和MAC技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的IEEE802.15.4工作組。</p><p>　　ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的定義是以802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的PHY及MAC層為基礎(chǔ)的拓展，并對(duì)網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和API進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。ZigBee定義了一個(gè)安全靈活的網(wǎng)絡(luò)層，支持種拓?fù)?/p>

39、結(jié)構(gòu)，在動(dòng)態(tài)的射頻環(huán)境中提供高可靠性的無(wú)線傳輸。此外，ZigBee盟還定義了應(yīng)用層、安全管理、應(yīng)用接口等規(guī)范。</p><p>　　ZigBee技術(shù)的主要特點(diǎn)包括以下幾個(gè)部分:</p><p>　　(1) 低功耗: 在工作模式下，由于ZigBee技術(shù)的傳輸速率低，傳輸數(shù)據(jù)量小，因此信號(hào)收發(fā)時(shí)間短；在非工作模式下，ZigBee節(jié)點(diǎn)處于休眠狀態(tài)。一般兩節(jié)五號(hào)電池支持長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月到2年的左右的使用

40、時(shí)間。</p><p>　　(2) 可靠性:ZigBee的媒體接入控制層(MAC層)采用了碰撞避免機(jī)制，同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時(shí)隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突。MAC層支持確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸模式，要求每個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息，如果在傳輸過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題可以重新發(fā)送，從而建立了可靠的通信模式。</p><p>　　(3) 時(shí)延短: 通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延

41、都非常短，典型的搜索設(shè)備時(shí)延30ms,休眠激活的時(shí)延是15ms, 活動(dòng)設(shè)備信道接入的時(shí)延為15ms。因此ZigBee技術(shù)適用于對(duì)時(shí)延要求苛刻的無(wú)線控制(如工業(yè)控制場(chǎng)合等)應(yīng)用。</p><p>　　(4) 網(wǎng)絡(luò)容量大： 一個(gè)星型結(jié)構(gòu)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可以容納254個(gè)從設(shè)備和一個(gè)主設(shè)備， 一個(gè)區(qū)域內(nèi)可以同時(shí)存在最多100個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò), 而且網(wǎng)絡(luò)組成靈活。</p><p>　?。?）

42、 安全性：ZigBee提供了基于循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能,支持鑒權(quán)和認(rèn)證， 采用了AES-128的加密算法,各個(gè)應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。</p><p>　　2.3.2 ZigBee協(xié)議體系結(jié)構(gòu)</p><p>　　ZigBee聯(lián)盟制定的是一種低成本、低功耗，雙向的無(wú)線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。ZigBee的協(xié)議構(gòu)架是建立在IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)之上的。IEEE802.1

43、5.4標(biāo)準(zhǔn)定義了ZigBee的物理層(PHY)和媒體訪問(wèn)控制層(MAC);ZigBee聯(lián)盟則定義了ZigBee協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)層(NWK)、應(yīng)用層(APL)和安全服務(wù)規(guī)范。</p><p>　　ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)體系見(jiàn)圖2.2，雖然基于標(biāo)準(zhǔn)的七層開(kāi)放式系統(tǒng)互聯(lián)（OSI）模型，但僅對(duì)那些涉及ZigBee的層予以定義。IEEE802.15.4-2003標(biāo)準(zhǔn)定義了最下面兩層：物理層（PHY）和介質(zhì)接入控制層（MAC）。Z

44、igBee聯(lián)盟提供網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層（APL）的設(shè)計(jì)，其中應(yīng)用層的框架包括了應(yīng)用支持子層（APS）、ZigBee設(shè)備對(duì)象（ZDO）和由制造商制訂的應(yīng)用對(duì)象。</p><p>　　圖2.2 ZigBee 協(xié)議棧結(jié)構(gòu)</p><p><b>　　1、物理層</b></p><p>　　物理層提供的服務(wù)是由硬件和軟件共同實(shí)現(xiàn)的，定義了物理無(wú)線信道(對(duì)于2

45、.4GHz頻段，有16個(gè)信道，編號(hào)為11-16)和MAC子層之間的連接，提供物理層數(shù)據(jù)服務(wù)(PLDE)和物理層管理服務(wù)(PLME)。通過(guò)該接可以喚醒層管理服務(wù)功能，同時(shí)也負(fù)責(zé)維護(hù)與物理層相關(guān)的一些管理對(duì)象的數(shù)據(jù)庫(kù)(PIB)。物理層通過(guò)物理層數(shù)據(jù)服務(wù)接入點(diǎn)(PD.SAP)和物理層管理實(shí)服務(wù)接入點(diǎn)（PLME.SAP)與MAC層通信，PD.SAP支持在對(duì)等的MAC層實(shí)體間進(jìn)行MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元傳送，PLME.SAP則在MAC層管理實(shí)體之間提供

46、管理命令的傳送。</p><p>　　物理層主要完成以下幾項(xiàng)任務(wù)：開(kāi)啟和關(guān)閉無(wú)線收發(fā)機(jī)、能量檢測(cè)（ED）、鏈路質(zhì)量指標(biāo)（LQI）、空閑信道評(píng)估（CCA）、信道選擇、數(shù)據(jù)發(fā)送和接收。</p><p><b>　　2、MAC層</b></p><p>　　與物理層類似，MAC層也包括管理實(shí)體(MLME)和數(shù)據(jù)實(shí)體(MLDE)。MAC層管理實(shí)體提供可

47、以喚醒MAC層管理服務(wù)的服務(wù)接口，同時(shí)也維護(hù)一個(gè)與MAC層相關(guān)的管理對(duì)象數(shù)據(jù)庫(kù)(MIB)。MAC層與物理層之間通過(guò)PLME.SAP和PD.SAP進(jìn)行通信，通過(guò)MAC數(shù)據(jù)實(shí)體服務(wù)點(diǎn)(MLDE.SAP)和MAC層管理實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)向相關(guān)子層提供MAC層數(shù)據(jù)和管理服務(wù)。另外，MAC層能支持多種LLC標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)業(yè)務(wù)相關(guān)會(huì)聚子層(SSCS)協(xié)議承載802．2類型的LLC標(biāo)準(zhǔn)。</p><p>　　MAC子層處理所有物理層無(wú)

48、線信道接入，主要功能有:網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)；與信標(biāo)同步；支持個(gè)域網(wǎng)(PAN)鏈路的建立和斷開(kāi)；為設(shè)備的安全提供支持；信道接入方式采用載波監(jiān)聽(tīng)多址接入/沖突避免機(jī)制(CSMA/CA)；處理和維護(hù)保護(hù)時(shí)隙(GTS)機(jī)制；在兩個(gè)對(duì)等的MAC實(shí)體之間提供一個(gè)可靠的通信鏈路。</p><p><b>　　3、網(wǎng)絡(luò)層</b></p><p>　　網(wǎng)絡(luò)層對(duì)于ZigBee協(xié)議棧非

49、常重要，每一個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)都包含網(wǎng)絡(luò)層，網(wǎng)絡(luò)層主要實(shí)現(xiàn)組建網(wǎng)絡(luò)，為新加入網(wǎng)絡(luò)訪分配地址、路由發(fā)現(xiàn)、路由維護(hù)等。另外網(wǎng)絡(luò)層還提供一些必要的函數(shù)，確保ZigBee的MAC層正常工作，并且為應(yīng)用層提供合適的服務(wù)接口，這種結(jié)構(gòu)使得網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用基本能夠?qū)崿F(xiàn)。為了向應(yīng)用層提供其接口，網(wǎng)絡(luò)層提供了兩個(gè)必須的功能服務(wù)實(shí)體，它們分別為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)體(NLDE)和管理服務(wù)實(shí)體(NLME)。NLDE通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，網(wǎng)

50、絡(luò)層管理實(shí)體(NLME)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)提供網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體利用網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體完成一些網(wǎng)絡(luò)的管理工作，并且，網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體完成對(duì)網(wǎng)絡(luò)信息的維護(hù)和管理。</p><p><b>　　4、應(yīng)用層</b></p><p>　　ZigBee應(yīng)用層由三個(gè)部分組成，APS子層、ZDO(包含ZDO管理平臺(tái))和制造商定義的應(yīng)用對(duì)象。APS子層的任務(wù)是維護(hù)綁定表

51、和在綁定設(shè)備之間傳遞信息。ZDO負(fù)責(zé)定義設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的角色(如ZigBee協(xié)調(diào)器或終端設(shè)備)、發(fā)現(xiàn)設(shè)備并決定設(shè)備所能提供的應(yīng)用服務(wù)、初始化并響應(yīng)綁定請(qǐng)求和在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間建立安全關(guān)系。</p><p>　　應(yīng)用支持子層給網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層通過(guò)ZigBee設(shè)備對(duì)象和制造商定義的應(yīng)用對(duì)象使用的一組服務(wù)提供了接口，該接口提供了ZigBee設(shè)備對(duì)象和制造商定義的應(yīng)用對(duì)象使用的一組服務(wù)。通過(guò)兩個(gè)實(shí)體提供這些服務(wù):數(shù)據(jù)服務(wù)和管理服

52、務(wù)。APS數(shù)據(jù)實(shí)體(APSDE)通過(guò)與之連接的SAP，即APSDE-SAP提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。APS管理實(shí)體(APSME)通過(guò)與之連接的SAP，即APSME-SAP提供管理服務(wù)，并且維護(hù)一個(gè)管理實(shí)體數(shù)據(jù)庫(kù)，即APS信息庫(kù)(NIB)。</p><p><b>　　5、安全服務(wù)層</b></p><p>　　ZigBee提供的安全服務(wù)包括密鑰建立，密鑰運(yùn)輸、幀保護(hù)和設(shè)備管理

53、的方法。ZigBee的安全層的構(gòu)架包括協(xié)議棧中三個(gè)層次的安全機(jī)制，MAC子層，網(wǎng)絡(luò)層和APS層主要負(fù)責(zé)各自的數(shù)據(jù)幀的安全傳輸。另外，APS子層為建立和保持安全關(guān)聯(lián)提供服務(wù)，ZigBee設(shè)備的安全策略和安全構(gòu)架由ZDO管理。ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的安全密鑰(security keys)主要是基于鏈接密鑰(link key)和網(wǎng)絡(luò)密鑰(network key)。APL對(duì)等層之間的單播通信安全主要依靠?jī)蓚€(gè)設(shè)備共享的128位鏈接密鑰來(lái)保證，而多播(

54、broadcast)通信安全則由網(wǎng)絡(luò)中眾多設(shè)備分享的128位網(wǎng)絡(luò)密鑰來(lái)保證。這樣信息接收者就能夠知道確切的安全措施，也就是說(shuō)信息接收者可以知道一個(gè)數(shù)據(jù)幀是否被鏈路密鑰或網(wǎng)絡(luò)密鑰加密了。</p><p>　　2.4 ZigBee無(wú)線芯片選取</p><p>　　目前市場(chǎng)上上符合ZigBee標(biāo)準(zhǔn)芯片多種多樣。ZigBee聯(lián)盟的各大芯片生產(chǎn)商Chipcon、Freescale、Ember、Jen

55、nic、RadioPu1se、OKI、Helicomm等公司紛紛推出各自的ZigBee無(wú)線解決方案。本論文主要使用Chipcon和Ti公司生產(chǎn)的CC2420和CC2430作為無(wú)線傳輸芯片，兩者進(jìn)行比較，確定無(wú)線芯片的選取。</p><p>　　2.4.1 CC2420芯片主要特點(diǎn)及方案設(shè)計(jì)</p><p>　　CC2420是Chipcon As公司推出的首款符合2.4GHz IEEE80

56、2.15.4標(biāo)準(zhǔn)的射頻收發(fā)器。該器件包括眾多額外功能，是第一款適用于ZigBee產(chǎn)品的RF器件。它基于Chipcon公司的SmartRF技術(shù)，以0.18um CMOS工藝制成 只需極少外部元器件，性能穩(wěn)定且功耗極低。CC2420的選擇性和敏感性指數(shù)超過(guò)了IEEE標(biāo)準(zhǔn)的要求，可確保短距離通信的有效性和可靠性。利用此芯片開(kāi)發(fā)的無(wú)線通信設(shè)備支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸率高達(dá)250kbps可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的快速組網(wǎng)。</p><p>

57、　　CC2420外圍參考電路圖，如圖2.3所示，其芯片的主要特點(diǎn)如下：</p><p>　　● 工作頻帶范圍：2.400～2.4835GHz。 </p><p>　　● 采用IEEE802.15.4規(guī)范要求的直接序列擴(kuò)頻方式。 </p><p>　　● 數(shù)據(jù)速率達(dá)250kbps碼片速率達(dá)2MChip/s。 </p><p>　　● 采用O-Q

58、PSK調(diào)制方式。 </p><p>　　● 超低電流消耗（RX:19.7mA,TX:17.4mA）高接收靈敏度（-99dBm）。</p><p>　　● 抗鄰頻道干擾能力強(qiáng)(39dB)。 </p><p>　　● 內(nèi)部集成有VCO、LNA、PA以及電源整流器，采用低電壓供電(2.1～3.6V)。 </p><p>　　● 輸出功率編程可控。

59、 </p><p>　　● IEEE802.15.4 MAC層硬件可支持自動(dòng)幀格式生成、同步插入與檢測(cè)、16bit CRC校驗(yàn)、電源檢測(cè)、完全自動(dòng)MAC層安全保護(hù)(CTR,CBC－MAC，CCM)。</p><p>　　● 與控制微處理器的接口配置容易(4總線SPI接口)。</p><p>　　● 開(kāi)發(fā)工具齊全。 </p><p>　　圖2.

60、3 CC2420 外圍參考電路</p><p>　　根據(jù)CC2420的工作特點(diǎn)，CC2420并不能直接接模擬量的傳感器，而且就地顯示部分需要與低功耗單片機(jī)MSP430組成最小系統(tǒng)，才能接液晶及報(bào)警等電路。其方案設(shè)計(jì)如圖2.4，本方案使用的傳感器必須為數(shù)字量，若為模擬量，需要在傳感器與CC2420之間添加一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器。</p><p>　　圖2.4 基于CC2420無(wú)線芯片設(shè)計(jì)方案<

61、;/p><p>　　2.4.2 CC2430的主要特點(diǎn)及方案設(shè)計(jì)</p><p>　　CC2430單片機(jī)是TI公司（德州儀器）生產(chǎn)的一款專用于IEEE802.15.4和ZigBee協(xié)議通信的片上系統(tǒng)解決方案。其RF內(nèi)核是基于工業(yè)領(lǐng)先的射頻通信芯片CC2420。在單個(gè)芯片上集成了CPU、存儲(chǔ)器、常用片內(nèi)外設(shè)和RF射頻單元。它具有1個(gè)8 位CPU（8051），主頻達(dá)32MHZ，具有最大128 KB

62、可編程FLASH和8KB的SRAM，片內(nèi)外設(shè)非常豐富，主要包括1個(gè)8通道8位至14位可編程ADC轉(zhuǎn)換器、4個(gè)定時(shí)器（其中包括一個(gè)MAC定時(shí)器）、2個(gè)USART，1個(gè)DMA控制器、1個(gè)AES128 協(xié)同處理器、1個(gè)看門(mén)狗定時(shí)器、1個(gè)內(nèi)部穩(wěn)壓器、21個(gè)可編程I/O 引腳。I/O 引腳可配置為通用I/O，也可配置為外設(shè)專用引腳。I/O口在輸入時(shí)有上拉和下拉能力。全部21數(shù)字的I/O引腳都具有響應(yīng)外部的中斷能力。如果需要外部設(shè)備，可對(duì)I/O 引

63、腳產(chǎn)生中斷，同時(shí)外部外部中斷時(shí)間也能被用來(lái)喚醒休眠模式。CC2430 芯片采用0.18μm CMOS工藝生產(chǎn)，在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27mA和25mA。具有3種休眠模式,從休眠模式轉(zhuǎn)換到正常模式僅需54us，特別適合要求電池長(zhǎng)期供電的應(yīng)</p><p>　　CC2430外圍參考電路如圖2.5，其芯片主要特點(diǎn)如下：</p><p>　　● 高性能和低功耗的8051微控制器核。&

64、lt;/p><p>　　● 集成符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的2.4 GHz的RF無(wú)線電收發(fā)機(jī)。</p><p>　　● 優(yōu)良的無(wú)線接收靈敏度和強(qiáng)大的抗干擾性。</p><p>　　● 32，64，128KB在線系統(tǒng)可編程FLASH。</p><p>　　● 在休眠模式時(shí)僅0.9μA 的電流功耗，外部的中斷或RTC 能喚醒系統(tǒng)。</p&

65、gt;<p>　　● 在待機(jī)模式時(shí)少于0.6μA 的流耗，外部的中斷能喚醒系統(tǒng)?！?lt;/p><p>　　● 從低功耗到正常工作模式需要的時(shí)間極少。</p><p>　　● 多通道DMA控制器，非常少的外部組件。</p><p>　　● 硬件支持CSMA/CA 功能。</p><p>　　● 較寬的電壓范圍（2.0～3.6 V）。

66、</p><p>　　● 支持?jǐn)?shù)字RSSI/LQI指示。</p><p>　　● 具有電池監(jiān)測(cè)和溫度傳感器。</p><p>　　● 8通道8～14 位模數(shù)轉(zhuǎn)換的ADC。</p><p>　　● 集成 AES 安全協(xié)處理器。</p><p>　　● 帶有 2 個(gè)強(qiáng)大的支持多組串行協(xié)議的USART。</p>

67、<p>　　● 1個(gè)符合IEEE802.15.4 規(guī)范的MAC定時(shí)器，1個(gè)16位定時(shí)器和2個(gè)8位定時(shí)器。</p><p>　　● 21個(gè)通用I/O引腳，其中有2個(gè)具有20mA灌電流和拉電流能力。</p><p>　　● ZigBee/802.15.4全兼容的硬件、物理層。</p><p>　　● 強(qiáng)大和靈活的開(kāi)發(fā)工具。</p><p&

68、gt;　　圖2.5 CC2430 外圍參考電路</p><p>　　根據(jù)CC2430的特點(diǎn)可知，CC2430自身帶有ADC，因此傳感器既可以是模擬量也可以是數(shù)字量。CC2430具有高性能和低功耗的8051微控制器核，可以直接連接液晶與報(bào)警電路等。方案設(shè)計(jì)如圖2.6所示。</p><p>　　圖2.6 基于CC2430無(wú)線芯片設(shè)計(jì)方案</p><p>　　2.4.3無(wú)

69、線芯片比較選擇</p><p>　　根據(jù)圖2.4與圖2.6無(wú)線芯片設(shè)計(jì)方案比較，既能完成設(shè)計(jì)要求又能簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的原則，通過(guò)比較方案設(shè)計(jì)，只有CC2430采用標(biāo)準(zhǔn)8051處理器，CC2420不具有，在這里我們選用Ti公司的CC2430作為本設(shè)計(jì)的主芯片。</p><p>　　CC2430簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，它可以直接與液晶相連，簡(jiǎn)化了軟件部分的編寫(xiě)，與CC2420相比，具有巨大的優(yōu)勢(shì)。這種解決方案能夠

70、提高性能并滿足以ZigBee為基礎(chǔ)的2.4GHz ISM波段應(yīng)用對(duì)低成本，低功耗的要求。CC2430以強(qiáng)大的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境作為支持，內(nèi)部線路的交互式調(diào)試以遵從IDE的IAR工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為支持，同時(shí)其結(jié)合了Chipcon公司全球先進(jìn)的ZigBee協(xié)議棧、工具包和參考設(shè)計(jì)，展示了領(lǐng)先的ZigBee解決方案。</p><p>　　2.5 壓力傳感器的選擇</p><p>　　傳感器將被研究對(duì)象的動(dòng)態(tài)參

71、數(shù)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，是檢測(cè)與控制系統(tǒng)之首。傳感器成為感知、獲取與檢測(cè)信息的窗口，一切科學(xué)研究與自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程要獲得信息，都要通過(guò)傳感器并通過(guò)傳感器它轉(zhuǎn)換成容易傳輸與處理的電信號(hào)。傳感器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用是整個(gè)測(cè)試裝置的基礎(chǔ)之一。因此，傳感器的選擇是否合理就顯得尤為重要。</p><p>　　2.5.1 壓力傳感器簡(jiǎn)介</p><p>　　壓力傳感器是工業(yè)實(shí)踐中最為常用的一種傳感器，其廣泛應(yīng)用于各種工

72、業(yè)自控環(huán)境，涉及水利水電、鐵路交通、智能建筑、生產(chǎn)自控、航空航天、軍工、石化、油井、電力、船舶、機(jī)床、管道等眾多行業(yè)。</p><p>　　壓力傳感器是工業(yè)實(shí)踐中最常用的一種傳感器，根據(jù)壓力傳感器的工作原理，可分為應(yīng)變式壓力傳感器、壓電式壓力傳感器、壓阻式壓力傳感器。</p><p>　?。?）應(yīng)變式壓力傳感器</p><p>　　應(yīng)變式壓力傳感器是把壓力的變化轉(zhuǎn)換

73、成電阻值的變化來(lái)進(jìn)行測(cè)量的，應(yīng)變片是由金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體制成的電阻體，其阻值隨壓力所產(chǎn)生的應(yīng)變而變化。</p><p>　?。?）壓電式壓力傳感器</p><p>　　壓電式傳感器的原理是基于某些晶體材料的壓電效應(yīng)，目前廣泛使用的壓電材料有石英和鈦酸鋇等，當(dāng)這些晶體受壓力作用發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，在其相對(duì)的兩個(gè)側(cè)面上產(chǎn)生異性電荷，這種現(xiàn)象稱為“壓電效應(yīng)”。</p><p>

74、　?。?）壓阻式壓力傳感器</p><p>　　壓阻式壓力傳感器利用單晶硅的壓阻效應(yīng)而構(gòu)成。采用單晶硅片為彈性元件，在單晶硅膜片上利用集成電路的工藝，在單晶硅的特定方向擴(kuò)散一組等值電阻，并將電阻接成橋路，單晶硅片置于傳感器腔內(nèi)。 當(dāng)壓力發(fā)生變化時(shí)，單晶硅產(chǎn)生應(yīng)變，使直接擴(kuò)散在上面的應(yīng)變電阻產(chǎn)生與被測(cè)壓力成比例的變化，再由橋式電路獲得相應(yīng)的電壓輸出信號(hào)。</p><p>　　目前市場(chǎng)上壓力傳

75、感器的種類繁多，規(guī)格及技術(shù)性能不一，價(jià)格差別也很大，對(duì)于不同的場(chǎng)合，要選用合適的壓力傳感器。選用原則便是以最經(jīng)濟(jì)的價(jià)格買(mǎi)到滿足其用途、壓力量程、精度要求、溫度范圍、電和機(jī)械要求的壓力傳感器。因此選用壓力傳感器時(shí)要考慮一下幾個(gè)參數(shù)：</p><p><b>　　1.額定壓力范圍</b></p><p>　　額定壓力范圍是滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值的壓力范圍，也就是在最高和最低溫度之

76、間，傳感器輸出符合規(guī)定工作特性的壓力范圍，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)傳感器所測(cè)壓力在該范圍之內(nèi)。</p><p><b>　　2.最大壓力范圍</b></p><p>　　最大壓力范圍是指?jìng)鞲衅髂荛L(zhǎng)時(shí)間承受的最大壓力，且不引起輸出特性永久性改變，特別是半導(dǎo)體壓力傳感器，為提高線性和溫度特性，一般都大幅度減小額定壓力范圍，因此，即使在額定壓力以上連續(xù)使用也不會(huì)被損壞。一般最大壓力是額

77、定壓力最高值的2－3倍。</p><p><b>　　3.精度</b></p><p>　　精度是指某一特定溫度（一般室溫25℃）下應(yīng)達(dá)到的精度?？煞譃槿龣n：0.01%～0.1%FS為超高精度；0.1%～1%FS為高精度；1%～2%FS為普通精度；2%～10%FS為低精度。</p><p><b>　　4. 壓力遲滯</b>

78、;</p><p>　　為在室溫下及工作壓力范圍內(nèi)，從最小工作壓力和最大工作壓力趨近某一壓力時(shí)，傳感器輸出之差。</p><p><b>　　5.溫度范圍</b></p><p>　　壓力傳感器的溫度范圍分為補(bǔ)償溫度范圍和工作溫度范圍，補(bǔ)償溫度范圍是由于施加了溫度補(bǔ)償，精度進(jìn)入額定范圍內(nèi)的溫度范圍，工作溫度范圍是保證壓力傳感器能正常工作的溫度范

79、圍。</p><p>　　當(dāng)然根據(jù)場(chǎng)合不同的需要，考慮的參數(shù)也各不相同。本論文是礦山單體液壓支柱壓力監(jiān)測(cè)。對(duì)于參數(shù)的考慮就不止上面幾個(gè)方面。根據(jù)需要不同，也會(huì)用到壓力變送器，壓力變送器主要由測(cè)壓元件傳感器（也稱作壓力傳感器）、測(cè)量電路和過(guò)程連接件三部分組成。根據(jù)本論文需要場(chǎng)合，更適合選用壓力變送器。</p><p>　　2.5.2 系統(tǒng)對(duì)傳感器選擇</p><p>

80、　　根據(jù)論文的需要，本系統(tǒng)對(duì)壓力測(cè)量范圍在0～60MPa，而且耐腐蝕。因此根據(jù)需要選用兩種合適的壓力傳感器進(jìn)行比較，從而選出更能滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的傳感器。</p><p>　　1.PT500-500壓力變送器</p><p>　　PT500-500系列壓力變送器采用高精度高穩(wěn)定性電阻應(yīng)變計(jì)/擴(kuò)散硅晶體/陶瓷晶體等做為變送器的感壓芯片，選進(jìn)的貼片工藝，配套帶有零點(diǎn)、滿量程補(bǔ)償，溫度補(bǔ)償?shù)母呔?/p>

81、度和高穩(wěn)定性放大集成電路，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)采用全封焊結(jié)構(gòu)，使之產(chǎn)品的抗沖擊能力、過(guò)載能力、產(chǎn)品密封性等性能有了較大提高，產(chǎn)品最高壓力可達(dá)150MPa.其主要技術(shù)參數(shù)如表2.1所示。</p><p>　　表2.1 PT500-500壓力變送器參數(shù)</p><p>　　2.BYP300小巧型壓力變送器</p><p>　　BYP300壓力傳感壓力變送器選用進(jìn)口壓力芯片，敏感元件

82、采用擴(kuò)散或離子注入等工藝形成電阻并連接成惠斯通電橋，用微機(jī)械加工技術(shù)在電橋下形成壓力敏感膜片。當(dāng)壓力作用在膜片上時(shí)，電阻值發(fā)生變化并且產(chǎn)生一個(gè)與作用壓力成正比的線性輸出信號(hào)。在惠斯通電橋上加上直流電源，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)直流電壓信號(hào)的輸出。經(jīng)過(guò)二次轉(zhuǎn)換線路，實(shí)現(xiàn)兩線制4～20mA輸出。</p><p>　　BYP300小巧型壓力變送器，采用進(jìn)口原裝擴(kuò)散硅傳感器，靈敏度高、抗過(guò)載能力強(qiáng)。傳感器和放大電路高度集成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單

83、不松動(dòng)，重復(fù)行好，體積小巧，易安裝；可廣泛應(yīng)用于航空航天、科學(xué)實(shí)驗(yàn)、石油化工、制冷設(shè)備、工程機(jī)械等液壓系統(tǒng)產(chǎn)品及所有壓力測(cè)控領(lǐng)域。主要特點(diǎn)為:寬電壓供電；抗沖擊、耐震動(dòng)、體積??；溫度補(bǔ)償功能；高穩(wěn)定性、高精度、寬的工作溫度。其主要參數(shù)如表2.2所示。</p><p>　　表2.2 BYP300小巧型壓力變送器參數(shù)</p><p>　　2.5.3傳感器的比較選擇</p><

84、;p>　　根據(jù)系統(tǒng)對(duì)傳感器的要求，由表2.1與表2.2的比較，根據(jù)兩種傳感器技術(shù)指標(biāo)的比較以及測(cè)試系統(tǒng)對(duì)傳感器的要求來(lái)看，可發(fā)現(xiàn)BYP300更具有優(yōu)勢(shì)。又根據(jù)設(shè)計(jì)的原則，本設(shè)計(jì)要求低功耗、可靠性，BYP300小巧型壓力變送器更具有優(yōu)勢(shì)。因此本論文選用BYP300小巧型壓力變送器。</p><p>　　BYP300小巧型壓力變送器的主要特點(diǎn):寬電壓供電；抗沖擊、耐震動(dòng)、體積??；溫度補(bǔ)償功能；高穩(wěn)定性、高精度、

85、寬的工作溫度。這些特點(diǎn)更加適用于此系統(tǒng)。為此系統(tǒng)設(shè)計(jì)安裝帶來(lái)方便。</p><p><b>　　2.6 本章小結(jié)</b></p><p>　　正如前章所述，采用傳統(tǒng)的有線方式傳輸數(shù)據(jù)的采集系統(tǒng)在應(yīng)用時(shí)容易受到布線、采集對(duì)象的運(yùn)動(dòng)性等條件的限制，無(wú)線通信技術(shù)的日益成熟為解決這一問(wèn)題提供了有效的途徑。本章對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了整體的規(guī)劃，首先分析了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則、系統(tǒng)的性能要求

86、，提出了系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案，講述了系統(tǒng)中用到的關(guān)鍵技術(shù)，并對(duì)系統(tǒng)用到的關(guān)鍵器件進(jìn)行了比較，確定使用的器件。</p><p>　　3 數(shù)據(jù)采集部分硬件設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1 硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖</p><p>　　前一章已對(duì)系統(tǒng)所需要的器件的已選定，對(duì)于系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)圖做了相應(yīng)的完善，如圖3.1所示。此圖包括了數(shù)據(jù)采集部分、就地顯示部分及上位機(jī)部分。更清新的呈現(xiàn)無(wú)線

87、壓力測(cè)量系統(tǒng)的工作原理。總體原理圖見(jiàn)附錄C。</p><p>　　圖3.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　其CC2430無(wú)線傳輸模塊，除天線電路外，還有接口電路、電源濾波電路、晶振電路、復(fù)位電路等。</p><p>　　3.2 無(wú)線傳輸模塊的設(shè)計(jì)</p><p>　　無(wú)線傳輸模塊電路包括CC2430芯片及其外圍電路，由于CC2430將

88、8051內(nèi)核與無(wú)線收發(fā)模塊集成到一個(gè)芯片當(dāng)中因而簡(jiǎn)化了電路的設(shè)計(jì)過(guò)程，省去了對(duì)單片機(jī)與無(wú)線收發(fā)芯片之間接口電路的設(shè)計(jì)，縮短了研發(fā)周期。該電路設(shè)計(jì)原理圖如圖3.2所示。其原理圖主要包括接口電路、3.3v和1.8V電源濾波路、芯片晶振電路、天線電路、收發(fā)指示電路及復(fù)位電路6部分。其余電路均參照CC2430的參考設(shè)計(jì)來(lái)完成。</p><p>　　圖3.2 CC2430無(wú)線傳輸模塊原理圖</p><p

89、>　　接口電路:采用一個(gè)16腳排針和一個(gè)10腳的排針，10腳排針引出的引腳主要用于程序的燒寫(xiě)，16腳排針引出的引腳主要是方便無(wú)線模塊擴(kuò)展，這兩個(gè)排針將CC2430所有的21個(gè)帕功能定義，增加無(wú)線模塊的通用性。</p><p>　　電源濾波電路：為得到更好的電源性能，選擇了合適的去耦電容（如C7，C8等）對(duì)電源進(jìn)行濾波，該部分電路參考Ti公司濾波電容組設(shè)計(jì)。</p><p>　　芯片晶

90、振設(shè)計(jì)：CC2430工作需要兩個(gè)時(shí)鐘晶振，第一個(gè)為32MHz，為無(wú)線收發(fā)時(shí)鐘；第二個(gè)為32.068KHz，為休眠模式提供時(shí)鐘。C18和C19為32MHz晶振的負(fù)載點(diǎn)電容，電容值取決于負(fù)載電容的大小。C18和C19的典型值為27PF。</p><p>　　天線電路：電路中采用非平衡天線加上一個(gè)非平衡變壓器構(gòu)成天線電路。電路中的非平衡變壓器由L1、L2、L3和C11組成，其中，L2和L3匹配RF輸入/輸出阻抗匹配。C

91、11為5.6PF，L1為2.2nH,L2為5.6nH,L3為1.8nH。此電路參照Ti公司提供的設(shè)計(jì)。</p><p>　　復(fù)位電路：由限流電阻R7，濾波電容C20和按鍵組成，實(shí)現(xiàn)低電平復(fù)位。</p><p>　　收發(fā)指示電路：右上角為收發(fā)指示電路，數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，紅綠燈均閃爍。</p><p>　　3.3主要模塊的設(shè)計(jì)</p><p>　　主要

92、模塊設(shè)計(jì)主要有采樣保持電路、電源供電電路、串口轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)。</p><p>　　3.3.1 采樣保持電路</p><p>　　在A/D轉(zhuǎn)換中，A/D器件將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)需要一定的時(shí)間。為了避免模擬信號(hào)變換過(guò)快致使A/D轉(zhuǎn)換器件來(lái)不及轉(zhuǎn)換，一般根據(jù)實(shí)際需要使用采樣保持電路對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行穩(wěn)定，使輸出穩(wěn)定。本論文采用的是壓力變送器，可有可無(wú)采樣保持電路，但為了穩(wěn)定輸出信號(hào)和其他模擬量的

93、傳感器的使用，對(duì)于壓力傳感器加上采樣保持電路。如圖3.3所示。</p><p>　　圖3.3 采樣保持電路原理圖</p><p>　　本設(shè)計(jì)采用了AD585采樣保持器件，是一個(gè)完整的單片采樣保持電路組成的高性能運(yùn)算放大器系列，具有超低泄漏模擬開(kāi)關(guān)和一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管輸入整合光柵放大器。AD585具有快速的采樣時(shí)間，因此可以將其用于多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，完成高頻信號(hào)和高通過(guò)率的高速A/D變換。

94、AD585完成信號(hào)的采樣保持工作，AD585的14和13管腳用于輸入控制模擬開(kāi)關(guān)的脈沖，這個(gè)脈沖的寬度決定了采樣周期。模擬信號(hào)通過(guò)2腳進(jìn)入AD585。3、5腳之間可以連接一個(gè)電位器以調(diào)整偏置電壓。采樣保持電路與CC2430的P0.7口相連。本論文使用采樣保持電路，為了輸出穩(wěn)定。</p><p>　　3.3.2電源供電電路</p><p>　　本論文的要求低功耗，CC2430的引腳有兩種工作

95、電壓1.8V和3.3V，考慮到就地顯示部分的液晶顯示需要用3.3V供電，此電源設(shè)計(jì)為3.3V供電，如圖3.4所示。本設(shè)計(jì)中采用2節(jié)AA電池供電。開(kāi)關(guān)S1用于控制電路是否供電。C4和C5具有濾波作用。</p><p>　　圖3.4 供電電路電路原理圖</p><p><b>　　3.5 本章小結(jié)</b></p><p>　　根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，本

96、章首先對(duì)論文的總體設(shè)計(jì)方案畫(huà)出結(jié)構(gòu)框圖，接著通過(guò)Ti公司提供的CC2430資料，利用Protel對(duì)原理圖進(jìn)行繪制，并對(duì)其CC2430原理圖進(jìn)行了詳細(xì)介紹。對(duì)于主要模塊（采樣保持電路、電源供電電路）詳細(xì)介紹了每個(gè)模塊的具體實(shí)現(xiàn)及功能作用。因本人做的數(shù)據(jù)采集部分，液晶電路在此不做介紹。</p><p><b>　　4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　4.1 開(kāi)發(fā)

97、環(huán)境的介紹及使用</p><p>　　CC2430所用的開(kāi)發(fā)環(huán)境并不是Keil，Keil適用于51系列單片機(jī)，并不適合CC2430的程序編寫(xiě)。CC2430所用的開(kāi)發(fā)環(huán)境是IAR。</p><p>　　IAR公司是全球領(lǐng)先的嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具和服務(wù)供應(yīng)商，成立于1983年，迄今已有20多年歷史，其提供的產(chǎn)品和服務(wù)設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、和測(cè)試的每一個(gè)階段。IAR的Embedded Work

98、bench系列適用于開(kāi)發(fā)基于8位、16位以及32位微處理器的嵌入式系統(tǒng)，其集成開(kāi)發(fā)環(huán)境具有統(tǒng)一界面，為用戶提供了一個(gè)易學(xué)易用的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，以及對(duì)各種特殊目標(biāo)的支持。IAR的Embedded Workbench系列是一種增強(qiáng)型一體化嵌入式集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，其中完全集成了開(kāi)發(fā)嵌入式系統(tǒng)所需要的文件編輯、項(xiàng)目管理、編譯、鏈接和調(diào)試工具。IAR公司獨(dú)具特色的C-SPY調(diào)試器，不僅可以在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)初期進(jìn)行無(wú)目標(biāo)硬件的純軟件仿真，也可以結(jié)合IAR公司推出的

99、J-Link硬件仿真器，實(shí)現(xiàn)用戶系統(tǒng)實(shí)時(shí)在線仿真調(diào)試。</p><p>　　本文選擇IAR Embedded Workbench作為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)。其界面友好，調(diào)試功能強(qiáng)大得到了廣泛的應(yīng)用。本系統(tǒng)所有源程序代碼均在IAR下調(diào)試通過(guò)。IAR Systems的C/C++編譯器可以生成高效可靠的可執(zhí)行代碼，并且應(yīng)用程序規(guī)模越大，效果越明顯；與其他的工具開(kāi)發(fā)商相比，系統(tǒng)提示使用全局和針對(duì)具體芯片的優(yōu)化技術(shù)；連接器提供的全局

100、類型檢測(cè)和范圍檢測(cè)對(duì)于生成目標(biāo)代碼的質(zhì)量是至關(guān)重要的。IAR Embedded Workbench生成的可執(zhí)行代碼可以運(yùn)行于更小尺寸、更低成本的微處理之上，從而降低了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)成本。</p><p>　　IAR Embedded Workbench集成的編譯器的主要產(chǎn)品特征有：</p><p>　　高效的PROMable代碼</p><p><b>　　完

101、全標(biāo)準(zhǔn)的C兼容</b></p><p>　　內(nèi)建對(duì)芯片的程序速度和大小優(yōu)化器</p><p><b>　　目標(biāo)特性擴(kuò)充</b></p><p>　　版本控制和擴(kuò)展工具支持良好</p><p>　　便捷的中斷處理和模擬</p><p><b>　　瓶頸性能分析</b>

102、;</p><p><b>　　高效浮點(diǎn)支持</b></p><p><b>　　內(nèi)存模式選擇</b></p><p>　　IAR EW的工作界面如下圖4.1所示，生成程序代碼后，對(duì)于源程序的下載，可見(jiàn)圖4.1右上角紅框中按鈕就是Debug按鈕，單擊可將程序下載到CC2430中，完全集成了開(kāi)發(fā)嵌入式系統(tǒng)所需要的文件編輯、項(xiàng)

103、目管理、編譯、鏈接和調(diào)試工具。</p><p>　　圖4.1 IAR工作界面</p><p>　　IAR Embedded Workbench工作界面的按鍵各有作用，建立工程后，一定要根據(jù)要求，選擇Project/Options命令中，配置與CC2430相關(guān)的選項(xiàng)。一般默認(rèn)設(shè)置已經(jīng)可以，但對(duì)于Debugger的設(shè)置要注意。IAR Embedded Workbench使用方面有很多要注意的

104、地方，在這里不在做一一介紹。最后在Project/Make命令，完成編譯和連接工程。</p><p>　　總體來(lái)說(shuō)，用IAR EW進(jìn)行開(kāi)發(fā)的典型步驟如下：</p><p>　　第一步 配置開(kāi)發(fā)環(huán)境，選擇芯片類型、程序堆棧大小、仿真器類型等。</p><p>　　第二步 編輯并編譯源文件。</p><p>　　第三步 連接目標(biāo)文件，包含調(diào)試選項(xiàng)

105、。</p><p>　　第四步 調(diào)試程序，若發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，返回第二步，修改文件后繼續(xù)進(jìn)行。</p><p>　　第五步 調(diào)試通過(guò)后，去掉調(diào)試選項(xiàng)，重新連接。</p><p>　　第六步 生成程序代碼，下載到SOC片上系統(tǒng)中。</p><p>　　4.2 整體軟件設(shè)計(jì)</p><p>　　考慮到數(shù)據(jù)采集部分，主要是壓力傳感器

106、的的數(shù)據(jù)采集和無(wú)線發(fā)送的軟件設(shè)計(jì)。整體軟件流程圖如4.2所示。</p><p>　　在CC2430上電復(fù)位后，要進(jìn)行初始化工作，包括些協(xié)議棧的初始化、串口初始化、定時(shí)器初始化、頻率信道初始化、變量初始化等。</p><p>　　ha1Init()； // 硬件層初始化</p><p>　　evbInit()； // CC2430初始化</p>

107、<p>　　phyInit()； // 初始化物理層</p><p>　　macInit()； // 初始化MAC層</p><p>　　ap1Init()； // 初始化協(xié)議棧</p><p>　　initUART()； // 初始化串口，波特率5600,8位數(shù)據(jù)位，無(wú)奇偶校驗(yàn)，1位停止位</p><p>　　ENAB

108、LE＿GLOBAL＿INTERRUPT(); // 使能中斷</p><p>　　圖4.2 整體軟件流程圖</p><p>　　4.3 壓力傳感器軟件設(shè)計(jì)</p><p>　　壓力傳感器初始化后，通過(guò)采樣保持電路，輸出穩(wěn)定，與CC2430相連，讀出寄存器內(nèi)容，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。其程序流程圖如下圖4.3所示。數(shù)據(jù)處理之后，由CC2430進(jìn)行無(wú)線傳輸，與另一塊CC243

109、0進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)的發(fā)送和傳輸，并在另一塊CC2430所接的液晶電路中顯示壓力值，也可以通過(guò)上位機(jī)在PC上動(dòng)態(tài)顯示。</p><p>　　圖4.3 壓力傳感器程序流程圖</p><p>　　4.4無(wú)線數(shù)據(jù)的發(fā)送</p><p>　　數(shù)據(jù)的發(fā)送都是以幀的格式發(fā)送的，而且只有已經(jīng)與網(wǎng)絡(luò)連接的設(shè)備才可從網(wǎng)絡(luò)層發(fā)送數(shù)據(jù)幀。如果未連接設(shè)備收到傳輸幀的請(qǐng)求命令，將丟棄該幀。在網(wǎng)絡(luò)層

110、傳送的數(shù)據(jù)幀，都是根據(jù)表4.1所示的通用幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行構(gòu)造，并采用MAC層數(shù)據(jù)服務(wù)進(jìn)行發(fā)送的。所有網(wǎng)絡(luò)層傳輸幀都包含一個(gè)目的地址和源地址，當(dāng)構(gòu)造好網(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)據(jù)單元后，如果對(duì)該幀需要進(jìn)行安全處理，則根據(jù)安全方案對(duì)他進(jìn)行安全處理。當(dāng)安全處理完成后，將返回該處理幀并且有網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行傳輸。經(jīng)過(guò)處理后的幀將附加一個(gè)檢驗(yàn)輔助的頭。</p><p>　　表4.1 網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)幀格式</p><p>　　程序流程