利用S12的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)樣機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

利用S12的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)樣機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

闡述基于藍(lán)牙技術(shù)的無線傳感器技術(shù)模塊的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)方法。詳細(xì)描述了MC9S12DT128單片機(jī)在CodeWarrior開發(fā)環(huán)境下模/數(shù)轉(zhuǎn)換的中斷控制方式，以及主從藍(lán)牙模塊的驅(qū)動(dòng)過程。系統(tǒng)包含主從2個(gè)藍(lán)牙模塊：主藍(lán)牙模塊由PC機(jī)控制；從藍(lán)牙模塊采用Freescale公司的MC9S12DT128單片機(jī)作為核心處理器。

關(guān)鍵詞 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)? 藍(lán)牙技術(shù)? MC9S12DT128

引言

　　微傳感器技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)成為傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必然趨勢。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量無處不在的、具有通信與計(jì)算能力的微小傳感器節(jié)點(diǎn)，密集布設(shè)在無人值守的監(jiān)控區(qū)域，構(gòu)成的能夠根據(jù)環(huán)境自主完成制定任務(wù)的“智能”自治測控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)長期在無人值守的狀態(tài)下工作，無法經(jīng)常為傳感器節(jié)點(diǎn)更換電源，因此能耗成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題之一，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須盡可能降低系統(tǒng)能耗。本文以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為理論依據(jù)，以教學(xué)樣機(jī)系統(tǒng)為開發(fā)目標(biāo)，提出了以MC9S12DT128為核心處理器，由藍(lán)牙無線通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)方法。

1? 硬件設(shè)計(jì)

1.1? 系統(tǒng)原理

　　作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，本系統(tǒng)由傳感器單元、信號(hào)調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、信號(hào)處理單元（由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)）、從藍(lán)牙模塊、主藍(lán)牙模塊以及PC工作站7部分組成，如圖1所示。

　　具體工作過程是：傳感器采集的環(huán)境中的信號(hào)量經(jīng)過調(diào)理電路，送至MC9S12DT128單片機(jī)的模擬量輸入端口；由單片機(jī)內(nèi)置的ATD模塊實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換，并對轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行處理，將處理完畢的信號(hào)通過UART傳送至從藍(lán)牙模塊。主藍(lán)牙模塊由PC機(jī)控制，主從藍(lán)牙模塊通過藍(lán)牙協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

圖1? 系統(tǒng)原理框圖

1.2? MC9S12DT128簡介

　　MC9S12DT128是Freescale公司的高性能16位單片機(jī)，采用5 V供電，內(nèi)核為比68HC12的內(nèi)核CPU12更快的S12，總線頻率可達(dá)25 MHz。其特點(diǎn)是擁有豐富的I/O模塊和工業(yè)控制專用的通信模塊，如圖2所示，工業(yè)應(yīng)用非常廣泛。

圖2? MC9S12DT128片內(nèi)資源

　　MC9S12DT128單片機(jī)內(nèi)部帶有5 V轉(zhuǎn)換為2.5 V的電壓調(diào)整器，其內(nèi)核電壓僅為2.5 V，功耗很低；片外I/O采用5 V供電，但輸出功率軟件可調(diào)，最低可將輸出功率降低為全功率的50%。此外，單片機(jī)提供了停止模式、休眠模式和等待模式3種低功耗的工作模式供用戶選擇；也可將部分通信模塊設(shè)置為休眠模式，以降低系統(tǒng)的功耗。MC9S12DT128不僅運(yùn)算速度快，而且功耗可以降至很低，適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

1.3? 主從藍(lán)牙模塊

　　本系統(tǒng)包含相互配對的主從兩個(gè)藍(lán)牙模塊。從藍(lán)牙模塊為日立公司的DOCENGMBM0202藍(lán)牙模塊，遵從藍(lán)牙1.1規(guī)范，射頻輸出為class2級(jí)。其支持多種接口：USB接口、UART接口、PCM語音接口、PIO通用I/O口和ISP接口。另外，本系統(tǒng)中采用UART實(shí)現(xiàn)MC9S12DT128和藍(lán)牙模塊之間的通信，以及藍(lán)牙模塊的驅(qū)動(dòng)和信號(hào)的傳輸。

　　主藍(lán)牙模塊采用基于CSR的BlueCore02芯片開發(fā)的金甌藍(lán)牙開發(fā)平臺(tái)3.0版。它提供了UART、RS232、USB、SPI接口供用戶進(jìn)行開發(fā)、調(diào)試，音頻接口可進(jìn)行藍(lán)牙語音的傳輸。本系統(tǒng)中PC機(jī)通過RS232接口控制主藍(lán)牙模塊。

1.4? 傳感器選擇

　　為降低系統(tǒng)能耗，本系統(tǒng)所選用的傳感器均為低功耗的小型傳感器。其中，溫度傳感器選用Maxim公司的MAX6611。正常工作狀態(tài)下，供電電流僅為150 μA，功耗為0.75 mW；在SHDN腳接地時(shí)處于省電狀態(tài)，供電電流僅為1 μA，功耗僅為5 μW。濕度傳感器選用Honeywell公司的HIH4000，其正常工作狀態(tài)下的供電電流僅為200 μA，功耗為1 mW。壓力傳感器選用Motorola公司的MPX4100A，其正常工作狀態(tài)下的供電電流為7 mA，功耗為35 mW。3個(gè)傳感器在正常工作狀態(tài)下的總功耗為36.75 mW；在節(jié)電工作狀態(tài)下，總功耗為36.005 mW。

2? 軟件設(shè)計(jì)

2.1? MC9S12DT128的中斷控制方式

　　本系統(tǒng)中，MC9S12DT128采用集編輯、編譯、調(diào)試、程序下載于一體的開發(fā)環(huán)境CodeWarrior4.5進(jìn)行開發(fā)。CodeWarrior4.5是一種交叉編譯器，支持高級(jí)語言（如C、C++和Java），以及大部分微控制器的匯編語言。

　　中斷控制方式是微處理器發(fā)展的一個(gè)重要里程碑，是提高CPU的工作效率、降低系統(tǒng)功耗的有效方式。

　　在CodeWarrior4.5下，中斷函數(shù)的定義只有2種方法：采用pragma TRAP_PROC或者interrupt關(guān)鍵字進(jìn)行定義。具體使用方法分別為（假定中斷函數(shù)名為INCount）：

　　①? #pragma TRAP_PROC
　　　　void INCount(void){
　　　　　　Tcount++;
　　}
　?、? interrupt void INCount(void){
　　　　　　tcount++;
　　}

　　對應(yīng)于中斷函數(shù)不同的定義方式，CodeWarrior4.5下初始化中斷向量表也有2種方法：

　　①? 采用VECTOR ADDRESS或者VECTOR關(guān)鍵字。具體實(shí)現(xiàn)方法為，在工程的.prm文件中加入中斷函數(shù)的入口地址：
　　VECTOR ADDRESS0x8AINCount
　　其中，0x8A為中斷入口地址。或者，加入中斷向量標(biāo)號(hào)：
　　VECTOR 69 INCount
　　其中，69為中斷向量標(biāo)號(hào)。
　?、? 采用關(guān)鍵字interrupt。具體實(shí)現(xiàn)方法為在中斷函數(shù)定義時(shí)加入中斷向量標(biāo)號(hào)：
　　interrupt 69 void INCount(void){
　　　　tcount++;
　　}
　　其中，69為中斷向量標(biāo)號(hào)。

2.2? A/D轉(zhuǎn)換中斷方式的實(shí)現(xiàn)

　　本系統(tǒng)中，傳感器采集到模擬信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換是通過單片機(jī)的ATD模塊實(shí)現(xiàn)的。對ATD模塊采用中斷的控制方式，可以節(jié)約系統(tǒng)資源，提高系統(tǒng)執(zhí)行速度。

　　首先，必須在ATD模塊的初始化程序中將ATD模塊設(shè)置為中斷模式，啟用ATD轉(zhuǎn)換完成中斷。轉(zhuǎn)換完成中斷函數(shù)名為ATD0，其功能為讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，采用interrupt關(guān)鍵字進(jìn)行定義：

　　#pragma CODE_SEG ATD0Interrupt_SEG
　　interrupt void ATD0(void){
　　　　ATD0STAT0_SCF = 0;//關(guān)中斷
　　　　MeasureResult[0]=ATD0DR0H;
　　　　MeasureResult[1]=ATD0DR0L;
　　　　MeasureResult[2]=ATD0DR1H;
　　　　MeasureResult[3]=ATD0DR1L;
　　　　MeasureResult[4]=ATD0DR2H;
　　　　MeasureResult[5]=ATD0DR2L;
　　}
　　#pragma CODE_SEG DEFAULT

　　中斷函數(shù)入口通過在預(yù)編譯文件中添加ATD中斷入口地址0xFFD2實(shí)現(xiàn)，即在P&E_Multilink_CyclonePro_linker.prm中加入語句：

　　VECTOR ADDRESS 0xFFD2 ATD0

　　MC9S12DT128的Flash空間為128 KB，采用分頁管理方式，其地址分配為：

　　RAM = READ_WRITE 0x0400 TO 0x1FFF;
　　/*unbanked Flash*/
　　ROM_4000 = READ_ONLY0x4000TO0x7FFF;
　　ROM_C000 = READ_ONLY0xC000 TO0xFEFF;
　　/*banked Flash*/
　　PAGE_38=READ_ONLY0x388000TO0x38BFFF;
　　PAGE_39=READ_ONLY0x398000TO0x39BFFF;
　　PAGE_3A=READ_ONLY0x3A8000TO0x3ABFFF;
　　PAGE_3B=READ_ONLY0x3B8000TO0x3BBFFF;
　　PAGE_3C=READ_ONLY0x3C8000TO0x3CBFFF;
　　PAGE_3D=READ_ONLY0x3D8000TO0x3DBFFF;

　　可以看到Flash空間被劃分為兩部分：unbanked Flash以及banked Flash。對于banked Flash，定義在其空間內(nèi)的函數(shù)只能被本頁的程序所調(diào)用；而定義在unbanked Flash內(nèi)的函數(shù)則可以為工程內(nèi)任意程序所調(diào)用。中斷函數(shù)想要正確地響應(yīng)中斷請求，必須放在unbanked Flash內(nèi)，因此需要將中斷函數(shù)置于特定的位置?？梢詮腁/D中斷函數(shù)ATD0的定義中看出，ATD0被定義在CODE_SEG ATD0Interrupt_SEG部分。CODE_SEG ATD0Interrupt_SEG是自己定義的ATD0中斷代碼段，其存放位置在P&E_Multilink_CyclonePro_linker.prm文件的PLACEMENT關(guān)鍵字下定義：

　　PLACEMENT?
　　ATD0Interrupt_SEG，
　　COPY
　　INTOROM_C000

　　這樣，就將ATD0Interrupt_SEG的位置定義在了unbanked Flash空間的ROM_C000。

　　最后，在工程中建立ATD0Interrupt.c文件，在其中聲明中斷函數(shù)ATD0()為外部函數(shù)：

　　#pragma CODE_SEG ATD0Interrupt_SEG
　　　　extern void ATD0();
　　#pragma CODE_SEG DEFAULT

　　這樣，就能保證置于任意存儲(chǔ)空間的主程序在請求中斷時(shí)，都可以得到及時(shí)、正確的中斷響應(yīng)。

2.3? 主從藍(lán)牙模塊驅(qū)動(dòng)

　　藍(lán)牙技術(shù)是一種使用2.4 GHz頻段的短距離無線通信技術(shù)。與其他幾種無線通信方式比較，藍(lán)牙的傳輸速率并不是最快的，但由于其具有主從式的自組織微微網(wǎng)、低功耗、頻段的開放性等優(yōu)勢，因此在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用中具有良好的前景。

　　本設(shè)計(jì)中的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模塊正是采用藍(lán)牙通信實(shí)現(xiàn)的。傳感器采集的信號(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果需要通過藍(lán)牙無線通信傳至PC機(jī)。藍(lán)牙系統(tǒng)能夠支持2種連接，即點(diǎn)對點(diǎn)連接和點(diǎn)對多點(diǎn)連接。這就形成了2種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：微微網(wǎng)和散射網(wǎng)。本系統(tǒng)屬于只有一個(gè)從設(shè)備的微微網(wǎng)。這個(gè)微微網(wǎng)中，主藍(lán)牙為與PC機(jī)相連的藍(lán)牙模塊，從藍(lán)牙由與單片機(jī)相連的藍(lán)牙模塊擔(dān)任。主從藍(lán)牙的區(qū)別在于： 主藍(lán)牙可以主動(dòng)發(fā)出指令搜索藍(lán)牙設(shè)備，建立和斷開鏈接；而從藍(lán)牙則必須等待主藍(lán)牙的指令才能開始工作。

　　PC機(jī)與主藍(lán)牙模塊、單片機(jī)與從藍(lán)牙模塊之間都是串行通信，波特率為57 600 b/s。主從藍(lán)牙模塊的初始化過程大致相同，通過串行通信順序發(fā)送如下10條指令：

　　Reset[01 03 0C 00]
　　Read_Buffer_Size[01 05 10 00]
　　Clear:Set_Event_Filter[01 05 0C 01 00]
　　Write_Scan_Enable[01 1A 0C 01 03]
　　Write_Authentication_Enable[01 20 0C 01 00]
　　Write_Voice_Setting[01 26 0C 02 60 00]
　　Set_Event_Filter[01 05 0C 03 02 00 02]
　　Write_Connection_Accept_Timeout[01 16 0C 02 00 20]
　　Write_Page_Timeout[01 18 0C 02 00 30]
　　Read_BD_ADDR[01 09 10 00]

　　藍(lán)牙模塊接收指令后返回相應(yīng)的指令執(zhí)行狀態(tài)，處理器判斷返回的指令狀態(tài)，確定無誤之后，才能發(fā)送下一條指令；否則，當(dāng)前指令必須重新發(fā)送。主從藍(lán)牙模塊的工作流程如圖3所示。

圖3? 主從藍(lán)牙模塊工作流程

　　采用VC6.0開發(fā)監(jiān)控程序，將藍(lán)牙指令封裝在函數(shù)中，實(shí)現(xiàn)PC機(jī)對主藍(lán)牙模塊的控制。具體包括： 初始化并驅(qū)動(dòng)其開始工作，主動(dòng)搜索從藍(lán)牙模塊，完成鏈接，并將指令執(zhí)行狀態(tài)及搜索到的藍(lán)牙設(shè)備地址顯示出來；控制與從藍(lán)牙模塊的通信，對主藍(lán)牙模塊接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)時(shí)刷新數(shù)據(jù)，顯示溫度、濕度、壓力傳感器的測量結(jié)果。系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果如圖4所示。

圖4? 樣機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果

結(jié)語

　　本系統(tǒng)以MC9S12DT128為核心處理器，采用藍(lán)牙技術(shù)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與傳感器節(jié)點(diǎn)的無線通信，完成了一個(gè)具有3個(gè)傳感器的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模塊的開發(fā)。實(shí)驗(yàn)證明，本系統(tǒng)具有功耗低、穩(wěn)定性高、實(shí)時(shí)性好、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定等特點(diǎn)，其實(shí)現(xiàn)是建立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)微傳感器節(jié)點(diǎn)的有益嘗試。