解析基于射頻芯片AT86RF230實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

?zigbee是一種基于ieee802.15.4規(guī)范的無線技術(shù)，是介于無線標(biāo)記技術(shù)和藍(lán)牙之間的技術(shù)提案，主要用于近距離無線連接。它依據(jù)802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)千個(gè)微小的傳感器之間實(shí)現(xiàn)了相互協(xié)調(diào)和通信。它具有在ieee802.15.4規(guī)范上創(chuàng)建的安全和應(yīng)用層接口、工作于免授權(quán)的2.4ghz頻段、以年計(jì)算的超低電池壽命、極大可伸縮的網(wǎng)絡(luò)和星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌總€(gè)主設(shè)備可支持4萬多個(gè)節(jié)點(diǎn)）等諸多優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)防軍事、工業(yè)控制、消費(fèi)性電子設(shè)備等領(lǐng)域有很大的發(fā)展空間。

at86rf230是atmel公司于2007年2月新推出的一款基于zigbee/ieee802.15.4設(shè)計(jì)的低功率2. 4ghz無線收發(fā)芯片。

　　at86rf230芯片介紹

at86rf230單個(gè)芯片集成了除天線、晶振和去耦合電容之外的所有標(biāo)準(zhǔn)射頻單元。

單片射頻收發(fā)芯片為天線和微控制器之間提供了完整的無線接口。它由模擬無線模塊，含有時(shí)間和頻率同步及數(shù)據(jù)緩沖的數(shù)字調(diào)制模塊組成。外圍電路只需天線、晶振和四個(gè)去耦合電容以達(dá)到最簡(jiǎn)。雙向的天線引腳可供發(fā)送和接收模塊使用，無需天線轉(zhuǎn)換裝置。

信道濾波器由3個(gè)單邊帶rc回路構(gòu)成的2mhz巴特沃茲帶通濾波器組成。兩個(gè)高優(yōu)先級(jí)高通濾波器加入信號(hào)通道實(shí)現(xiàn)與單邊帶濾波器輸出的電容耦合，以抑制直流偏置。三級(jí)放大器為克服后面單信道模數(shù)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的直流偏置提供足夠的增益。

直接壓控振蕩器調(diào)制用以產(chǎn)生發(fā)射信號(hào)。調(diào)制模塊輸出單極脈沖波形和32位長(zhǎng)塊編碼。當(dāng)轉(zhuǎn)化為合適的傳輸碼序列時(shí)，與最小頻移鍵控相當(dāng)。兩片低跌落電壓調(diào)節(jié)器提供1.8v模擬和數(shù)字電壓。當(dāng)調(diào)節(jié)器關(guān)閉時(shí)，串行外圍設(shè)備接口和控制寄存器在休眠模式將會(huì)保持原有設(shè)置。接收和發(fā)送信號(hào)處理通道高度集成和優(yōu)化以達(dá)到低耗電。

　　硬件設(shè)計(jì)

　　硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)組成

傳感器節(jié)點(diǎn)一般由數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元和數(shù)據(jù)傳輸單元以及電源管理單元等模塊組成。微處理器atmega128通過spi總線與射頻收發(fā)芯片at86rf230進(jìn)行通信。

數(shù)據(jù)采集單元主要對(duì)外界的信息進(jìn)行感知和采集，包括光、溫度、濕度、加速度 、光電、液位、熱釋電、磁感應(yīng)、壓力等傳感器。為適應(yīng)多種應(yīng)用，設(shè)計(jì)了通用接口，通用接口中有適配電路，以適應(yīng)不同電參數(shù)部件直接接入系統(tǒng)。通常節(jié)點(diǎn)的輸出控制器即通過該通用接口接入。數(shù)據(jù)采集模塊也利用通用接口與微處理器相連結(jié)，因此可以根據(jù)多種不同應(yīng)用隨時(shí)更換為各類型的模擬傳感部件（本文以lm60系列溫度傳感器為例進(jìn)行介紹）。數(shù)據(jù)處理單元采用atmel公司的8位低功耗微處理器atmega128l作為控制核心。

atmega128l是基于avr risc結(jié)構(gòu)的低功耗cmos 8位微處理器，相對(duì)于其它通用的8位微控制器來說，它具有更加豐富的資源，并且具有極低的功耗。更值得一提的是，除了正常 操作模式外，它還具有六種不同等級(jí)的低功耗操作模式。因此該微處理器非常適合于zigbee無線通信節(jié)點(diǎn)這種需要低功耗的應(yīng)用場(chǎng)合。

數(shù)據(jù)傳輸單元采用at86rf230芯片，并使用單極天線（有效覆蓋范圍70m~100m ）。處理器通過 spi 接口編程控制寄存器，同時(shí)完成與at86rf230交換數(shù)據(jù)。為節(jié)約能源，通用接口模塊與微處理器間的信號(hào)傳輸采用單總線方式。根據(jù)各個(gè)電路特點(diǎn)、設(shè)定不同的時(shí)鐘周期，在自己的時(shí)鐘周期到來時(shí)，方能與mcu進(jìn)行通信，其余時(shí)間不工作以便降低功耗。

　　射頻通信模塊電路設(shè)計(jì)

單端射頻連接器的應(yīng)用電路如圖3所示。一個(gè)非平衡smd轉(zhuǎn)換將100ω的at86rf230差分射頻輸入輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為50ω的單端射頻輸出。電容c1和c2用于去除直流偏置。供電電源去耦合電容 cb2和cb4接至模擬端28引腳和數(shù)字端15引腳。電容cb1和cb3作為模擬和數(shù)字電壓調(diào)節(jié)器的負(fù)載電容，用以保證低電壓時(shí)，芯片工作穩(wěn)定。

所有的去耦合電容應(yīng)連接到離芯片引腳盡可能近的位置，并且以低阻抗低電感接地，以達(dá)到最好的性能。晶振xtal 與負(fù)載電容cx1和cx2連 接到芯片的xtal1和xtal2引腳構(gòu)成晶振電路。為了使得參考頻率達(dá)到更高的精確性和穩(wěn)定性，在選擇電容時(shí)，應(yīng)避免與其參考值的值偏差過大。在mcu與射頻單元的通信中采用并行總線制通信方式。射頻單元通過spi總線控制芯片工作模式并實(shí)現(xiàn)讀寫緩存數(shù)據(jù)。

　　軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的靈魂，采用c語(yǔ)言完成。適應(yīng)層軟件按功能包括主調(diào)度函數(shù)、初始化模塊、系統(tǒng)狀態(tài)處理模塊和上層接口。主調(diào)度函數(shù)負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各模塊工作、進(jìn)行中斷處理、調(diào)度其他模塊運(yùn)行。

初始化函數(shù)完成mcu、at86rf230和相關(guān)組件的初始化。上層接口負(fù)責(zé)為協(xié)議棧和其他應(yīng)用程序提供底層調(diào)度接口，通過上層接口狀態(tài)標(biāo)識(shí)產(chǎn)生軟件中斷。

系統(tǒng)狀態(tài)處理模塊依據(jù)mcu的工作狀態(tài)將系統(tǒng)分為閑置模式、工作模式、喚醒模式、省電模式和空閑模式五種狀態(tài)。狀態(tài)處理模塊依據(jù)模式寄存器采取有限狀態(tài)機(jī)（fsm）的方式進(jìn)行調(diào)度處理。系統(tǒng)狀態(tài)處理模塊中的閑置模式、工作模式為系統(tǒng)工作狀態(tài)的模式。

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