畢業(yè)設(shè)計(jì)-----無(wú)線數(shù)傳模塊的設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　無(wú)線數(shù)傳模塊的設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)綜合了傳感器技術(shù)、微電子機(jī)械系統(tǒng)嵌入式計(jì)算技術(shù)．因其具有十分廣闊的應(yīng)用前景，所以成為國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工業(yè)界新的研究領(lǐng)域研究熱點(diǎn)。</p><p>　　本文首先介紹了無(wú)限傳感器網(wǎng)絡(luò)的

2、特點(diǎn)，然后介紹智能家居網(wǎng)絡(luò)研究意義，簡(jiǎn)要地介紹了智能家居在國(guó)內(nèi)外發(fā)的展現(xiàn)狀況，接著介紹幾種無(wú)線通信技術(shù)，鑒于比較結(jié)果，本文選取的無(wú)線通信技術(shù)為ZigBee技術(shù)，所以著重介紹ZigBee技術(shù)及其特點(diǎn)。</p><p>　　具體實(shí)現(xiàn)方面，本文從硬件、軟件著手。了解通信系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的一般開發(fā)原則，選擇合適的軟硬件平臺(tái)。采用Freescale公司一站式解決方案，采用MC13192作為RF射頻模塊，MC9S08GT60

3、作為微控制器（MCU），首先介紹這兩個(gè)芯片的功能，然后再說(shuō)明他們的具體設(shè)計(jì)以及他們之間的相互通信方式。接著從軟件部分入手，說(shuō)明開發(fā)環(huán)境，編寫他們的驅(qū)動(dòng)程序，根據(jù)軟件流程圖編寫程序，設(shè)計(jì)出一個(gè)基于ZigBee智能家居的無(wú)線數(shù)傳終端模塊。</p><p>　　關(guān)鍵詞：zigbee 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) MC9S08GT60 MC13192</p><p>　　Design of Wireles

4、s Data Communication Module</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Wireless sensor networking (WSN), a combination of sensor technology, embedded computing technology because it has a ver

5、y wide range of applications, so become academic and industrial research in new areas of research. </p><p>　　This paper describes the characteristics of infinite sensor networks, then introduces the intellig

6、ent home network of meaning, a brief introduction to the smart home display conditions issued at home and abroad, and then introduce several wireless communication technologies, given the results of the comparison, this

7、selection of wireless communications technology for the ZigBee technology, the highlight features of ZigBee technology and its.</p><p>　　Realizes the aspect specifically, this article from the hardware, the

8、software begins. The understanding communications system and embedded system's general development principle, chooses the appropriate software and hardware platform. Uses the Freescale Corporation "one-stop"

9、; work style solution, uses MC13192 to take the RF radio frequency module, MC9S08GT60 takes the micro controller (MCU), first introduced that these two chips the function, then shows their concrete design again as well a

10、s be</p><p>　　Key Words：zigbee；Wireless sensor networks；MC9S08GT60；MC13192</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　AbstractII</p

11、><p><b>　　第一章 緒論1</b></p><p>　　1.1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)介1</p><p>　　1.1.1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念1</p><p>　　1.1.2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)1</p><p>　　1.1.3 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用2</p>

12、<p>　　1.1.4 本文研究方向2</p><p>　　1.2 智能家居的研究意義和現(xiàn)狀3</p><p>　　1.2.1 智能家居的研究意義3</p><p>　　1.2.2 智能家居研究的現(xiàn)狀3</p><p>　　1.3 幾種常用的短距離無(wú)線通信技術(shù)4</p><p>　　1

13、.3.1 幾種常用的短距離無(wú)線通信技術(shù)4</p><p>　　1.4 ZigBee技術(shù)簡(jiǎn)介6</p><p>　　1.5 本文工作7</p><p>　　第二章 總體設(shè)計(jì)8</p><p>　　2.1 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)指導(dǎo)原則8</p><p>　　2.1.1 嵌入式系統(tǒng)的概念8</p>

14、;<p>　　2.1.2 嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)流程8</p><p>　　2.2 Zigbee網(wǎng)絡(luò)總體設(shè)計(jì)方案8</p><p>　　2.3 硬件平臺(tái)9</p><p>　　2.3.1 選型原則9</p><p>　　2.3.2 微處理器MC9S08GT60簡(jiǎn)介10</p><p>　　2

15、.3.3 MC13192簡(jiǎn)介10</p><p>　　2.4節(jié)點(diǎn)具體設(shè)計(jì)11</p><p>　　2.4.1 CPU支撐電路11</p><p>　　2.4.2 電源電路12</p><p>　　2.4.3 串口通信電路13</p><p>　　2.4.4 GT60與MC13192接口電路13&l

16、t;/p><p>　　2.5 射頻電路14</p><p>　　2.5.1 MC13192支撐電路15</p><p>　　2.5.2 天線電路16</p><p>　　第三章 軟件的設(shè)計(jì)18</p><p>　　3.1 開發(fā)環(huán)境18</p><p>　　3.2 硬件驅(qū)動(dòng)程序設(shè)

17、計(jì)19</p><p>　　3.2.1 驅(qū)動(dòng)程序總體概要19</p><p>　　3.2.2 SPI驅(qū)動(dòng)20</p><p>　　3.2.3 SPI通信程序22</p><p>　　3.2.4 MC1392驅(qū)動(dòng)23</p><p>　　3.3 硬件初始化25</p><p>

18、;　　3.4 系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì)25</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)29</b></p><p><b>　　致謝33</b></p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p>　　1.1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)介</p><p>

19、;　　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)就是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過(guò)無(wú)線通信方式形成的一個(gè)多跳自組織網(wǎng)絡(luò)。</p><p>　　近年來(lái)，隨著無(wú)線通信技術(shù)、微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、嵌入式技術(shù)、傳感器技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等的飛速發(fā)展和日益成熟，低成本、低功耗、多功能的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，已經(jīng)越來(lái)越引起人們的研究興趣和廣泛關(guān)注。本章首先論述了無(wú)線傳感器技術(shù)的概念、特點(diǎn)、應(yīng)用、體系結(jié)構(gòu)以及它的發(fā)展歷程，然

20、后再論述了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究意義和研究現(xiàn)狀，接著簡(jiǎn)單介紹了無(wú)線通信技術(shù)ZigBee，最后說(shuō)明本設(shè)計(jì)的主要研究?jī)?nèi)容。</p><p>　　1.1.1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念</p><p>　　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sense Network，簡(jiǎn)稱WSN），是傳感器、微電子和網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)被隨機(jī)分布在被檢測(cè)的區(qū)域內(nèi)，節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)無(wú)線通信技術(shù)相互通信

21、，從而形成一個(gè)多端點(diǎn)的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是采集被覆蓋區(qū)的信息，然后將信息集中在一個(gè)節(jié)點(diǎn)上，發(fā)送給觀察者。</p><p>　　1.1.2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)</p><p>　　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與其他無(wú)線通信技術(shù)相比較，其特征如下：</p><p>　　1、拓?fù)渥兓?。假若有新的?jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，或之前的節(jié)點(diǎn)因各種原因離開網(wǎng)絡(luò)，或其他的改變而使一些節(jié)點(diǎn)暫時(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn)通

22、信時(shí)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能夠做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整從而改變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以致順利完成通信。</p><p>　　2、自組織。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)自己的算法，自己組織成網(wǎng)絡(luò)，不管在何時(shí)何地都可以把覆蓋的范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)組織起來(lái)。</p><p>　　3、以數(shù)據(jù)為中心。在實(shí)際的應(yīng)用中，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要目的是獲得用戶所監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的相關(guān)數(shù)據(jù)。</p><p>　　4、規(guī)模大，密度高。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

23、可以在檢測(cè)區(qū)內(nèi)分布更多的節(jié)點(diǎn)，來(lái)提高網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍和面積。</p><p>　　5、可靠性強(qiáng)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以分布在一些環(huán)境惡劣或者無(wú)人區(qū)域，這樣，以致于網(wǎng)絡(luò)維護(hù)變得相當(dāng)困難。所以要求傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)要很堅(jiān)固而且不易破壞，更要適應(yīng)那些較為極端的環(huán)境。</p><p>　　6、安全性差。由于采用了無(wú)線信道、分布式控制技術(shù)，所以網(wǎng)絡(luò)就會(huì)更容易受到被動(dòng)竊聽、主動(dòng)入侵等攻擊。</p>

24、<p>　　1.1.3 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用</p><p>　　鑒于傳感器技術(shù)和節(jié)點(diǎn)間的無(wú)線通信能力，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)就有廣闊的應(yīng)用前景：</p><p>　　1、軍事應(yīng)用。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)研究最早起源于美國(guó)的軍事應(yīng)用領(lǐng)域。他能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)敵軍地形和兵力布防及裝備的偵查、戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)視、戰(zhàn)場(chǎng)評(píng)估、定位攻擊目標(biāo)和搜索等功能。如美國(guó)BAE系統(tǒng)公司為提高美國(guó)的電子戰(zhàn)能力而研發(fā)的“狼群

25、”地面無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，就是一個(gè)典型的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。</p><p>　　2、醫(yī)療應(yīng)用。通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)時(shí)的檢測(cè)人體的生理數(shù)據(jù)、健康狀況，還可以進(jìn)行醫(yī)院藥品的管理、以及遠(yuǎn)程治療等。</p><p>　　3、工業(yè)應(yīng)用。包括建筑設(shè)施的安全性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、交通管理系統(tǒng)、車輛的跟蹤系統(tǒng)，在一些危險(xiǎn)的工作環(huán)境，如核電站、礦井等，可利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)探測(cè)工作現(xiàn)場(chǎng)及他們的安全保障等重要信息并反饋

26、給觀察者。</p><p>　　4、家庭應(yīng)用。把傳感器嵌入到家具或者家電中，然后將其和因特網(wǎng)連接起來(lái)，將傳感器得知的信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳遞給人們，并讓人們可以控制家電家具，為人類提供舒適、方便和更具人性化的智能家居環(huán)境。用戶可以遠(yuǎn)程控制家中的電話、電腦、電飯鍋、錄像機(jī)等等讓其完成相應(yīng)的工作。</p><p>　　1.1.4 本文研究方向</p><p>　　隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)

27、和科學(xué)技術(shù)水平的提高，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、控制技術(shù)的迅猛發(fā)展與提高，促使了家庭實(shí)現(xiàn)了生活現(xiàn)代化，居住環(huán)境舒適化、安全化。家居智能化也正是在這種形勢(shì)下應(yīng)運(yùn)而生的。</p><p>　　所以本文主要以智能家居系統(tǒng)為研究方向。</p><p>　　1.2 智能家居的研究意義和現(xiàn)狀</p><p>　　近年來(lái)計(jì)算機(jī)、通信技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，己經(jīng)大大

28、地改變了人們的工作方式，極大地提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率，為社會(huì)創(chuàng)造了巨大的財(cái)富。然而相比之下，帶給個(gè)人和家庭生活的好處卻比較有限。</p><p>　　1.2.1 智能家居的研究意義</p><p>　　傳統(tǒng)的居家方式并沒(méi)有因信息時(shí)代的到來(lái)而產(chǎn)生多大變化．家電產(chǎn)品種類越來(lái)越多，以致于分散控制給人們帶來(lái)了極大的不便，所以家庭幾乎成為信息時(shí)代的孤島．在這樣的背景下，人們就開始關(guān)注居住的環(huán)境，注重

29、我們家居環(huán)境的健康、安全、便捷和舒適，例如如何有效地在我們居住環(huán)境中組建家庭的信息網(wǎng)絡(luò)，如何將各種家電產(chǎn)品結(jié)合成一個(gè)有機(jī)整體，并通過(guò)相關(guān)設(shè)備對(duì)家中的電器或者其他設(shè)備進(jìn)行異地操控與管理，并且還要能夠與外界進(jìn)行信息交流，更好地為人們提供我們居住環(huán)境內(nèi)的各類信息。目標(biāo)是為了開發(fā)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)化、智能化、數(shù)字化的新型住宅。從而引發(fā)了一個(gè)極具有吸引力的市場(chǎng)：智能家居系統(tǒng)。</p><p>　　1.2.2 智能家居研究的現(xiàn)狀&l

30、t;/p><p>　　在國(guó)外，智能家居己經(jīng)獲得長(zhǎng)足發(fā)展，自世界上第一幢智能建筑于1984年在美國(guó)康涅迪格州出現(xiàn)后，美國(guó)、澳大利亞、歐洲和東南亞等經(jīng)濟(jì)比較發(fā)達(dá)的國(guó)家和地區(qū)先后提出了各種智能家居的設(shè)計(jì)方案。如今，美國(guó)有近4萬(wàn)戶家庭安裝了這類系統(tǒng)，在新加坡有近50個(gè)社區(qū)的近8000戶家庭采用了這種智能化家居系統(tǒng)。美國(guó)智能家居行業(yè)公司PARKS的統(tǒng)計(jì)資料顯示：1998年，美國(guó)家庭要安裝一個(gè)家庭自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)備所需的平均費(fèi)用在7

31、000到9000美元之間，價(jià)格雖然有點(diǎn)昂貴，但是目前的費(fèi)用已經(jīng)太大降低。預(yù)計(jì)在今后的幾年內(nèi)，家庭自動(dòng)化市場(chǎng)的年平均增長(zhǎng)率為8%。</p><p>　　在國(guó)內(nèi)．智能家居系統(tǒng)盡管起步比較晚，但是有一種風(fēng)靡之勢(shì)。目前．建設(shè)部已經(jīng)批準(zhǔn)9個(gè)普及型網(wǎng)絡(luò)社區(qū)，而北京市已經(jīng)計(jì)劃建設(shè)30個(gè)網(wǎng)絡(luò)社區(qū)．總戶數(shù)將達(dá)3萬(wàn)戶，按照建設(shè)部的初步計(jì)劃，到2012年，大中城市中60％的住宅要實(shí)現(xiàn)家居智能化。</p><p>

32、;　　2001年是各個(gè)公司和科研機(jī)構(gòu)從規(guī)劃到實(shí)際研發(fā)的最為關(guān)鍵的一年。就像以往類似的產(chǎn)品(如彩電、VCD及DVD)在我國(guó)的發(fā)展過(guò)程一樣。起初有些機(jī)構(gòu)和公司開始先引進(jìn)一些國(guó)外的系統(tǒng)和產(chǎn)品，配置在一些豪華的公寓和住宅中，但由于沒(méi)有智能家庭所需的接口標(biāo)準(zhǔn)，可選配的智能家用設(shè)備也就比較少，同時(shí)也就限制了智能家庭網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。直到2002-2003年有相當(dāng)一部分中高檔的住宅小區(qū)和私人住宅，在控制和管理上實(shí)現(xiàn)一般意義上的智能化，寬帶網(wǎng)將進(jìn)入一般居民的

33、住宅和小區(qū)，為智能家庭網(wǎng)絡(luò)功能的完善提供一定的條件。</p><p>　　國(guó)內(nèi)一些公司的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品將逐漸進(jìn)入市場(chǎng)，一些國(guó)外的系統(tǒng)和產(chǎn)品也將在這一年開始以較大的規(guī)模進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)，開始在市場(chǎng)上與中國(guó)的產(chǎn)品接觸。我國(guó)關(guān)于智能家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的各種標(biāo)準(zhǔn)也將陸續(xù)出臺(tái)，各種具有一定智能的終端產(chǎn)品，例如智能家電或者其他設(shè)備，也將根據(jù)這些標(biāo)準(zhǔn)陸續(xù)研發(fā)出來(lái)，并逐步進(jìn)入市場(chǎng)。換句話說(shuō)：智能家庭網(wǎng)絡(luò)的市場(chǎng)將逐步形成了。</p>

34、<p>　　到2003-2004年，是智能家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在中國(guó)予以推廣應(yīng)用的兩年，我國(guó)自行研制的系統(tǒng)已經(jīng)較為成熟，并有能力與國(guó)外的系統(tǒng)和產(chǎn)品相抗衡。新建的住宅和小區(qū)大部分將配備一定的智能化設(shè)施和設(shè)備。國(guó)內(nèi)對(duì)于ZigBee技術(shù)和智能家居系統(tǒng)的研究主要集中在高校和研究院所，如中科院計(jì)算所的寧波分所就在專門從事這方面技術(shù)的研究。 </p><p>　　在國(guó)內(nèi)的一些大學(xué)，如浙江大學(xué)，上東大學(xué)等也在進(jìn)行Zi

35、gBee組網(wǎng)也應(yīng)用的研究，利用國(guó)外廠商的開發(fā)平臺(tái)和芯片建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)，并應(yīng)用于只能家居，無(wú)線抄表，物流管理，環(huán)境監(jiān)測(cè)方面。隨著我國(guó)對(duì)無(wú)線技術(shù)研究的深入，我相信將會(huì)有更多的國(guó)產(chǎn)ZigBee產(chǎn)品投入市場(chǎng)。</p><p>　　1.3 幾種常用的短距離無(wú)線通信技術(shù)</p><p>　　如今，存在有很多種短距離無(wú)線通信技術(shù)，在此我將這些相關(guān)技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)要地介紹并作出比較，目的在于更好地了解它

36、們各自的技術(shù)領(lǐng)域和應(yīng)用領(lǐng)域。</p><p>　　1.3.1 幾種常用的短距離無(wú)線通信技術(shù)</p><p>　　幾種常見的短距離無(wú)線通信技術(shù)：藍(lán)牙技術(shù)、超寬帶（UWB：Ultra-Wide Band）無(wú)線技術(shù)、Wi-Fi(IEEE 802.11 Wireless Fidelity) 、IrDA（Infrared）紅外技術(shù)、ZigBee（IEEE 802.15.4）等技術(shù)。</p&g

37、t;<p>　　藍(lán)牙技術(shù)：是使用2.4GHz的ISM公用頻道的一種低成本、短距離的無(wú)線接入技術(shù)，主要應(yīng)用于近距離的數(shù)據(jù)和語(yǔ)言傳輸業(yè)務(wù)。它是一種支持設(shè)備短距離通信的無(wú)線電技術(shù)。他能夠在包括移動(dòng)電話、無(wú)線耳機(jī)、筆記本電腦、相關(guān)外設(shè)等眾多設(shè)備之間進(jìn)行無(wú)線信息交換。利用藍(lán)牙技術(shù)，能夠有效地簡(jiǎn)化移動(dòng)通信設(shè)備之間的通信，也能夠成功地簡(jiǎn)化與因特網(wǎng)之間的通信，從而使數(shù)據(jù)傳輸變得更加迅速高效。</p><p>　　超

38、寬帶（UWB）：是一個(gè)新興的高速短距離通信技術(shù)，根據(jù)2002年2月14日美國(guó)FFC（Federal Communication Commission，聯(lián)邦通信委員會(huì)）從信號(hào)帶寬的角度給出了UWB信號(hào)的確切定義：UWB信號(hào)是指“－10dB功率點(diǎn)處的相對(duì)帶寬大于25％或射頻的絕對(duì)帶寬大于1.5GHz”的信號(hào)。該技術(shù)覆蓋的頻譜范圍為3.1～10.6GHz，頻譜范圍很寬，但是發(fā)射功率非常低，低于－41dbm。在短距離（13m以下）有很大優(yōu)勢(shì)，最

39、高傳輸速度可達(dá)1Gb/S。而傳統(tǒng)的窄帶技術(shù)在長(zhǎng)距離、低速傳輸具有優(yōu)勢(shì)。UWB技術(shù)目前可以支持114Mb/S的傳輸速度，距離13m完全可以滿足短距離家庭娛樂(lè)應(yīng)用需求，直接傳輸寬帶視頻數(shù)碼流。</p><p>　　Wi-Fi：使用IEEE 802.11b或802.11a無(wú)線電技術(shù)提供安全、可靠、快速的無(wú)線連通的技術(shù)。Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)可以使用電腦來(lái)連接互聯(lián)網(wǎng)。Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)在無(wú)執(zhí)照的2.4和5千兆Hz的無(wú)線電頻帶經(jīng)營(yíng)，數(shù)

40、據(jù)速率可達(dá)11Mbps(802.11b)～54Mbps（802.11a），或包含以上兩條頻帶的產(chǎn)品（雙重頻帶）。Wi-Fi覆蓋范圍很廣，可達(dá)100m，但其電波易受干擾速度較快。提供個(gè)人及公司內(nèi)部人員使用局域網(wǎng)，用戶不再使用Cable上網(wǎng)。由于使用電波作為傳送媒介，資料也可能被截取，這也就成為用戶擔(dān)心的問(wèn)題所在?，F(xiàn)在Wi-Fi產(chǎn)品利用WED（Wired Equivalent Privacy）技術(shù)對(duì)資料進(jìn)行加密，以防止被竊取或者篡改。<

41、;/p><p>　　紅外技術(shù)：1993年，由20多個(gè)大廠商發(fā)起成立了紅外數(shù)據(jù)協(xié)會(huì)（IrDA：Infrared DataAssociation）統(tǒng)一了紅外通信標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)就是紅外（IrDA）技術(shù)，最初傳輸速率為4Mbps，目前其傳輸速率已經(jīng)達(dá)到了16Mbps,采用4PPM調(diào)制解調(diào)。紅外通訊一般采用紅外波段內(nèi)的近紅外線、波長(zhǎng)0.75μm和25μm之間。由于波長(zhǎng)短，對(duì)障礙物的衍射能差，通信距離通常最大不超過(guò)10m，并且通信

42、角度不能超過(guò)30。，所以更適合應(yīng)用在需要短距離無(wú)線點(diǎn)對(duì)點(diǎn)場(chǎng)合。目前其應(yīng)用已相當(dāng)成熟，其規(guī)范協(xié)議主要有：物理層規(guī)范、連接建立協(xié)議和連接管理協(xié)議等。</p><p>　　ZigBee技術(shù)：ZigBee技術(shù)是一種新興的短距離無(wú)線通信技術(shù)，ZigBee技術(shù)并不是完全獨(dú)有、全新的標(biāo)準(zhǔn)，它的物理層、MAC層和鏈路層采用了IEEE802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，但在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了完善和擴(kuò)展，其網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用會(huì)聚層和高層應(yīng)用規(guī)范（API

43、）由ZigBee聯(lián)盟進(jìn)行了制定，ZigBee無(wú)線技術(shù)在應(yīng)用時(shí)使用底層的IEEE 802.15.2協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，上層網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層和高層應(yīng)用層使用的是ZigBee協(xié)議。在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范制訂方面，主要是IEEE 802.15.4小組與ZigBee Aliance兩個(gè)組織，兩者分別制訂硬件與軟件標(biāo)準(zhǔn)。</p><p>　　ZigBee協(xié)議依據(jù)802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)千個(gè)微小的ZigBee設(shè)備間相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)通信。這些設(shè)備只需要很

44、少的能量，以接力的方式通過(guò)無(wú)線電波將數(shù)據(jù)從一個(gè)設(shè)備傳到另一個(gè)設(shè)備，所以它們的通信效率非常高。IEEE 802.15.4規(guī)范是一種經(jīng)濟(jì)、高效、數(shù)據(jù)低速率（<250kbps）、工作在2.4GHz（全球，中國(guó)只能用這個(gè)）、868 MHz（歐洲）和915MHz（北美）的無(wú)線技術(shù)，它是ZigBee應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的基礎(chǔ)。ZigBee技術(shù)具有以下的特點(diǎn)：低功耗、成本低、時(shí)延短、網(wǎng)絡(luò)容量大、可靠、安全、數(shù)據(jù)傳輸速率低等。</p>

45、<p>　　表1-1從系統(tǒng)開銷、電池壽命、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量和物理范圍等幾個(gè)方面對(duì)上述幾種短距離的無(wú)線通信方式進(jìn)行了綜合性的比較。</p><p>　　表1-1 五種無(wú)線通信方式的比較</p><p>　　1.4 ZigBee技術(shù)的特點(diǎn)</p><p>　　經(jīng)上表的對(duì)比，我們不難看出ZigBee技術(shù)在家庭網(wǎng)絡(luò)中據(jù)有其他短距離通信技術(shù)無(wú)可比擬的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。&l

46、t;/p><p>　　Zigbee主要優(yōu)點(diǎn)如下：</p><p>　?。?）可靠：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)產(chǎn)生的沖突和競(jìng)爭(zhēng)。MAC層可以完全采用確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，也就是說(shuō)，每個(gè)將要發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接受方的確認(rèn)信息；</p><p>　　（2）省電：由于收發(fā)信息功耗低、工作周期短、并且采用了休眠模式，zigb

47、ee技術(shù)可以確保使用兩節(jié)五號(hào)電池支持，一個(gè)節(jié)點(diǎn)工作時(shí)長(zhǎng)可達(dá)6個(gè)月甚至2年之久，當(dāng)然不同的應(yīng)用功耗是不同的，應(yīng)看具體的設(shè)計(jì)；</p><p>　?。?）成本低：模塊的初始成本估計(jì)在1.5到2.5美元之間；</p><p>　?。?）安全：zigbee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，加密算法采用AES-128，同時(shí)各個(gè)應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性；</p><p>　　（

48、5）時(shí)延短：針對(duì)時(shí)延敏感的應(yīng)用做了相應(yīng)的優(yōu)化，通信時(shí)延和休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常的短。設(shè)備搜索時(shí)延典型值為30ms，休眠時(shí)延典型值為15ms，活動(dòng)設(shè)備信道接入時(shí)延值為15ms；</p><p>　?。?）網(wǎng)絡(luò)容量大：一個(gè)zigbee網(wǎng)絡(luò)可以最多容納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)最多存在100個(gè)zigbee網(wǎng)絡(luò)。</p><p>　　鑒于以上比較，ZigBee這個(gè)新技術(shù)的確有

49、很大的優(yōu)勢(shì)，所以設(shè)計(jì)中的家庭網(wǎng)絡(luò)采用ZigBee技術(shù)。</p><p><b>　　1.5 本文工作</b></p><p>　　本文從分析IEEE802.15.4和ZigBee協(xié)議入手，了解通信系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的一般開發(fā)原則，選擇合適的軟硬件平臺(tái)。采用Freescale公司一站式解決方案，采用MC13192作為RF射頻模塊，MC9S08GT60作為微控制器（MCU

50、），設(shè)計(jì)出一個(gè)基于ZigBee的無(wú)線數(shù)傳終端模塊。</p><p><b>　　第二章 總體設(shè)計(jì)</b></p><p>　　在對(duì)幾種短距離無(wú)線技術(shù)介紹后以后，我們選擇了適當(dāng)?shù)男酒?，接下?lái)將要具體設(shè)計(jì)其硬件連接電路。</p><p>　　2.1 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)指導(dǎo)原則</p><p>　　在進(jìn)行任何系統(tǒng)的開發(fā)之前，必

51、須了解該類系統(tǒng)的一般特性，了解并掌握開發(fā)所必須遵循的一般原則。</p><p>　　2.1.1 嵌入式系統(tǒng)的概念</p><p>　　一般認(rèn)為，嵌入式系統(tǒng)是相對(duì)于通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)而言的，IEEE對(duì)嵌入式系統(tǒng)也有了相應(yīng)的定義：“用于控制、監(jiān)視或者輔助操作機(jī)器和設(shè)備的裝置”（Devices used to control, monitor or assist the operation of

52、equipment, machinery or plants）。而在國(guó)內(nèi)普遍認(rèn)同的嵌入式系統(tǒng)定義：以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可以進(jìn)行適當(dāng)裁減，以適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。</p><p>　　2.1.2 嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)流程</p><p>　　由于嵌入式系統(tǒng)運(yùn)行在特定的目標(biāo)環(huán)境中，而且該目標(biāo)環(huán)境又面向特定的應(yīng)用領(lǐng)域，功能也比較

53、專一，所以就需要軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)。該方法要求在設(shè)計(jì)時(shí)從系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)考慮，把實(shí)現(xiàn)時(shí)的軟硬件同時(shí)考慮進(jìn)去，既可最大限度地利用有限資源，縮短開發(fā)的周期，又能取得更好的設(shè)計(jì)效果。</p><p>　　2.2 Zigbee網(wǎng)絡(luò)總體設(shè)計(jì)方案</p><p>　　設(shè)計(jì)一個(gè)基于zigbee的智能家居網(wǎng)絡(luò)（一個(gè)星型網(wǎng)絡(luò)），由一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者和若干個(gè)網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備構(gòu)成。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的管理工作，而終端節(jié)

54、點(diǎn)設(shè)備一方面采集模擬數(shù)據(jù)，同時(shí)把這些模擬數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給協(xié)調(diào)者。由于本方案的設(shè)計(jì)重點(diǎn)在軟件設(shè)計(jì)，因此并沒(méi)有著重考慮設(shè)備的功耗和成本，因此在硬件平臺(tái)選型時(shí)，可能并非是成本最低的方案，而是為了軟件調(diào)試的方便，選擇了功能相對(duì)較強(qiáng)的處理器。軟件平臺(tái)的選擇同樣有此因素，在選擇時(shí)考慮了調(diào)試和編程的方便忽略了額外開銷的成本。由于本設(shè)計(jì)需要，只設(shè)計(jì)一個(gè)終端模塊。</p><p><b>　　2.3 硬件平臺(tái)&l

55、t;/b></p><p>　　在總體方案確定下來(lái)以后，就要開始對(duì)硬件平臺(tái)進(jìn)行選型。選擇一個(gè)功能和成本都比較合適的硬件，是進(jìn)行具體開發(fā)的第一步。</p><p>　　2.3.1 選型原則</p><p>　　硬件平臺(tái)選型主要是處理器的選擇，最終的選擇必須滿足以下的測(cè)試：</p><p><b>　　（1）是否便于實(shí)現(xiàn)<

56、/b></p><p>　?。?）是否能提供足夠的性能</p><p>　?。?）是否有合適的操作系統(tǒng)支持</p><p>　?。?）是否有大量合適的開發(fā)工具支持</p><p>　　除了上述通用的選型標(biāo)準(zhǔn)外，針對(duì)于Zigbee網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，還必須有功耗、成本和芯片封裝的限制。Freescale公司是Zigbee聯(lián)盟的重要成員和Zigbe

57、e技術(shù)的市場(chǎng)推廣者，為Zigbee提供“一站式”的解決方案，包括完全符合IEEE802.15.4規(guī)范的射頻芯片MC13192/3，以及針對(duì)該市場(chǎng)推出的超低功耗控制器系列，包括8位的MC9S08GX系列。本設(shè)計(jì)選取MC9S08GT60和MC13192來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。</p><p>　　由于zigbee具有廣闊的應(yīng)用前景，世界各大半導(dǎo)體生產(chǎn)廠商紛紛推出了支持IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線收發(fā)芯片，比較典型的

58、有飛思卡爾公司的MC13191/13192/13211/13222/13223/13224，ChipCon公司的CC2420,CC2430，Atmel公司的AT86RF210/230等，這些芯片集成了zigbee物理層的功能，并且所需外圍元件少，所以使用起來(lái)比較方便。</p><p>　　因?yàn)橹拔覀冞x擇了飛思卡爾公司的MCU，所以在這里我就選擇了MC13192作為本設(shè)計(jì)中的射頻模塊。下面介紹MCU和射頻模塊。&

59、lt;/p><p>　　2.3.2 微處理器MC9S08GT60簡(jiǎn)介</p><p>　　家庭節(jié)點(diǎn)一般為半功能設(shè)備，由電池供電，為延長(zhǎng)更換電池的時(shí)間，我們選用低功耗處理器，MC9S08GT60是Freescale公司推出的超低功耗系列MC9S08GX中的一款。其主要特性如下：</p><p>　?。?）CPU：HCS08核，最高總線頻率可達(dá)40MHz；增加了16位指令

60、，能靈活方便地訪問(wèn)16位HX寄存器。同時(shí)支持1個(gè)WAIT和3個(gè)STOP模式，對(duì)低功耗模式提供全面的支持。</p><p>　?。?）模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊：8/10位的采樣精度；2MHz的采樣頻率，可滿足一般傳感器輸入輸出要求。</p><p>　?。?）存儲(chǔ)器：最精簡(jiǎn)的ZigBee協(xié)議棧大約為8K字節(jié)，最完整的ZigBee協(xié)議大約為32K字節(jié)左右，MC9S08GT60有FLASH 60K完全夠用。

61、</p><p>　?。?）背景調(diào)試模塊：能利用單線對(duì)HCS08核的系列MCU進(jìn)行方便地寫入和調(diào)試，加快開發(fā)的速度并大大降低了調(diào)試的難度。</p><p>　?。?）Condewarrior集成開發(fā)環(huán)境：界面友好的IDE，對(duì)08核提供完善的C語(yǔ)言支持。</p><p>　　2.3.3 MC13192簡(jiǎn)介</p><p>　　MC13192是

62、飛思卡爾公司推出的一種短距離、低功耗，工作于2.4GHz頻段的無(wú)線射頻調(diào)制解調(diào)器。它含有完全符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的物理模塊，可用于star、P2P和mesh網(wǎng)絡(luò)。配上一款合適的MCU可提一種性價(jià)比極高的短距離數(shù)據(jù)傳輸解決方案。MC13192與MCU的接口比較簡(jiǎn)單，只需要一個(gè)IRQ中斷請(qǐng)求線，四線的SPI和三個(gè)控制線。SPI用于MC13192和MCU進(jìn)行雙向的數(shù)據(jù)通信，MCU對(duì)MC13192的配置和控制命令也通過(guò)SPI進(jìn)行。M

63、C1392發(fā)生的事件通過(guò)IRQ管腳通知MCU，并由MCU作出相應(yīng)的仲裁處理。</p><p>　　MC13192的基本性能如下：</p><p>　?。?）16個(gè)通信信道</p><p>　?。?）輸出功率：額定輸出為0dB，也可以通過(guò)編程提高到最大輸出4 dB。</p><p>　?。?）三種省電模式：</p><p&g

64、t;　　Off模式：電流小于1uA；</p><p>　　Hibernate模式：電流約為1uA；</p><p>　　Doze模式：電流約為35uA（無(wú)時(shí)鐘輸出）；</p><p>　　（4）片上RAM緩存：為使用價(jià)格低廉MCU的簡(jiǎn)單應(yīng)用提供數(shù)據(jù)包收發(fā)的緩存功能；</p><p>　?。?）可編程時(shí)鐘頻率輸出供給MCU；</p>

65、<p>　　（6）四個(gè)內(nèi)部定時(shí)器：可削減MCU的資源需求。</p><p>　　2.4 節(jié)點(diǎn)具體設(shè)計(jì)</p><p>　　Zigbee平臺(tái)的控制電路硬件設(shè)計(jì)邏輯比較簡(jiǎn)單，但是射頻電路的設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，尤其是想達(dá)到或超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的性能時(shí)，需要豐富的射頻電路設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。本章給出Zigbee網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的硬件設(shè)計(jì)方案，即網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)的具體硬件設(shè)計(jì)。</p><p>　

66、　本設(shè)計(jì)采用的MCU是MC9S08GT60，射頻芯片是MC13192，外圍設(shè)備是2個(gè)串口。</p><p>　　圖2-1為節(jié)點(diǎn)硬件示意圖它主要由射頻模塊、微處理器和天線組成。</p><p>　　圖2-1 硬件示意圖</p><p>　　2.4.1 CPU支撐電路</p><p>　　MC9S08GT60的支撐電路包括晶振和復(fù)位電路。晶振

67、電路由一個(gè)4Mhz的晶振和兩個(gè)22pf的電容，以及一個(gè)10MΩ的電阻組成，具體電路連接如圖2-2所示。復(fù)位電路比較簡(jiǎn)單，只需要把RESET管腳用一個(gè)10KΩ的電阻上拉到Vcc就可以了。</p><p>　　圖2-2 GT60晶振電路</p><p>　　2.4.2 電源電路</p><p>　　微處理器MC9S08GT60的工作電源電壓范圍在2.5V～3.8V，

68、一般給其供應(yīng)3.3V左右的直流電壓即可。電路比較簡(jiǎn)單，輸入電源的電壓寬度為4～6V，通過(guò)一個(gè)3.3V的直流線性穩(wěn)壓器LT1085-3.3，然后輔助1個(gè)10uF電解電容和1個(gè)0.1uF的磁片電容濾去雜波就可以。由于模擬電路和數(shù)字電路會(huì)相互干擾，為了系統(tǒng)的穩(wěn)定，可以把模擬電路和數(shù)字電路通過(guò)電感或磁珠隔離。</p><p>　　2.4.3 串口通信電路</p><p>　　因?yàn)镸C9SO8GT

69、60支持了2個(gè)串口，每個(gè)串口需要2根線：TX和RX，分別進(jìn)行發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。由于串口可能接到電腦的串口外設(shè)，因此就會(huì)產(chǎn)生電平不匹配的現(xiàn)象，因此需要通過(guò)一個(gè)電平轉(zhuǎn)換的集成電路，本設(shè)計(jì)就選了MAXIM公司的MAX3232，具體線路邏輯示意圖見圖2-3。</p><p>　　圖2-3 串口電路連接圖</p><p>　　2.4.4 GT60與MC13192接口電路</p>&l

70、t;p>　　MC9S08GT6O通過(guò)4線SPI接口對(duì)MC13192的內(nèi)部寄存器進(jìn)行讀寫操作，從而完成 MC13192的控制和數(shù)據(jù)通信。GT60和MC13192的接口電路有8根線：4線的SPI接口用于相互通信，3根控制線和一根中斷線。SPI通信時(shí)，MC13192只能作為從機(jī)，因此對(duì)于MCU而言，MOSI線是發(fā)送數(shù)據(jù)線而MISO線是接收數(shù)據(jù)線，SPI的同步時(shí)鐘由GT60在SPSCK管腳上給出，連接到MC13192的SPICLK上。A

71、TTN引腳的作用是MCU將MC13192從低功耗模式下喚醒，而RXTXEN管腳則用來(lái)使MC13192工作，也就是起使能的作用。MC13192上產(chǎn)生的所有中斷事件，都通過(guò)芯片上的IRQ管腳連接到GT60的IRQ管腳上，當(dāng)GT60接收到來(lái)自MC13192的外部中斷時(shí)，此時(shí)需要查詢其中斷標(biāo)志寄存器，來(lái)判斷產(chǎn)生中斷事件，并做出相應(yīng)的處理。在通常情況，為了實(shí)現(xiàn)低功耗的功能，射頻芯片的收發(fā)器一般都是處于關(guān)閉狀態(tài)的，只有在發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的時(shí)候才被喚醒

72、，使其處于工作狀態(tài)，這樣就可以大大的降低射頻芯片的功耗，實(shí)現(xiàn)低功耗的要求。</p><p>　　當(dāng)射頻芯片工作異常的時(shí)候，MCU也可以通過(guò)RST管腳來(lái)使復(fù)位射頻芯片。這3根控制線都由GT60的GPIO口來(lái)進(jìn)行控制，需要指出的是PTE4和PTE6必須用10K歐的電阻上拉，起作用是防止毛刺來(lái)干擾MC13192的正常工作。圖2-4為線路連接的邏輯示意圖。</p><p>　　圖2-4 GT60

73、與MC13192硬件連接電路</p><p>　　MC13192引腳說(shuō)明：</p><p>　　MOSI——主出從入，表示輸入SPI數(shù)據(jù)；</p><p>　　MISO——主入從出，表示輸出SPI數(shù)據(jù)；</p><p>　　IRQ——低電平有效，產(chǎn)生中斷請(qǐng)求；</p><p>　　ATTN——低電平有效，使射頻模塊從休

74、眠模式向空閑模式轉(zhuǎn)換；</p><p>　　RXTXEN——高電平有效，當(dāng)該引腳從低到高切換時(shí)，按照編者對(duì)SPI的設(shè)置，決定具體進(jìn)行發(fā)送還是接收數(shù)據(jù)。在SPI發(fā)送或者接收數(shù)據(jù)期間，該引腳保持高電平，傳輸數(shù)據(jù)結(jié)束，將該引腳切換為低電平。當(dāng)其保持低電平時(shí)，強(qiáng)制射頻模塊進(jìn)入空閑模式；</p><p>　　片選端CE——由主機(jī)MCU驅(qū)動(dòng)片選端低電平有效信號(hào)啟動(dòng)SPI接口的一次數(shù)據(jù)傳輸。每次數(shù)據(jù)傳輸

75、最少使用三次SPICLK的脈沖組，或者更多。</p><p>　　SPICLK——主機(jī)給MC13192提供SPICLK信號(hào)。在SPICLK信號(hào)的上升沿，數(shù)據(jù)輸入主機(jī)或者輸入從機(jī)，在SPICLK信號(hào)的下降沿，改變數(shù)據(jù)輸出狀態(tài)。</p><p>　　RST——低電平復(fù)位有效的引腳，當(dāng)其保持低電平，射頻模塊處于待機(jī)模式，并且芯片內(nèi)的RAM和SPI寄存器等內(nèi)部數(shù)據(jù)丟失，射頻模塊進(jìn)入空閑模式，SPI

76、處于缺省狀態(tài)。</p><p><b>　　2.5 射頻電路</b></p><p>　　射頻電路的設(shè)計(jì)是整個(gè)硬件設(shè)計(jì)最復(fù)雜、最耗時(shí)的部分。由于許多電容電感的參數(shù)跟PCB板的制作材料、厚度有密切關(guān)系，其實(shí)際值一般都是經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，需要?jiǎng)討B(tài)的調(diào)整其大小，來(lái)滿足性能的要求。</p><p>　　在此電路中，射頻芯片MC13192上有兩組引腳，分別是接

77、收引腳1（RFIN-）和引腳2（RFIN+）。發(fā)送引腳PAO+和PAO-，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮到以下幾點(diǎn)：</p><p>　?。?）為減少電磁干擾，差分信號(hào)線間距設(shè)為19mil左右；</p><p>　?。?）差分信號(hào)線的阻抗匹配選為100歐姆；</p><p>　　2.5.1 MC13192支撐電路</p><p>　　MC13192的支撐電路

78、包括電源電路，濾波電路和晶振電路，其邏輯連接如圖2-5。VBATT和VDDINT是電源輸入引腳，MC13192的正常工作電壓為2.0-3.6V，若在在PCB上則必須接一個(gè)4.7uF的電容，起穩(wěn)壓作用。VDDA，VDDLO1和VDDLO2為經(jīng)過(guò)整流的模擬電壓，須旁接一個(gè)100pF的濾波電容。VDD為經(jīng)過(guò)內(nèi)部整流的數(shù)字電壓，旁接一個(gè)200pF的濾波電容。VDDVCO為VCO電路供電，同樣須旁路一個(gè)220pF的電容。XTAL1和XTAL2外接

79、16MHz的專用于2.4GHz射頻電路的晶振，其旁路電容為10pF。</p><p>　　圖2-5 MC13192的支撐電路</p><p>　　2.5.2 天線電路</p><p>　　用于2.4GHz射頻電路的天線有3種類型：外接直立天線、片式天線和PCB天線。在這三個(gè)里面，外接直立天線的性能說(shuō)最好的，但是體積過(guò)大，只能用于對(duì)體積無(wú)要求的場(chǎng)合；片式天線采用集

80、成電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，其性能一般，而且很難根據(jù)實(shí)際來(lái)調(diào)整本身的性能；相比較而言，PCB天線具有體積優(yōu)勢(shì)，有利就有弊，一般而言，它對(duì)設(shè)計(jì)和PCB布線要求說(shuō)比較高的，在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的硬件平臺(tái)上應(yīng)用尤為較多。圖2-6就是天線電路的原理圖。RFIN-和RFIN+為接收通道，2個(gè)18pF的電容的作用是為了過(guò)濾掉高頻干擾信號(hào)，而0.5pF的電容則是為了防止共扼干擾。PAO-和PAO+為發(fā)送通道，這兩個(gè)管腳和VDDA連在一起，給發(fā)送通道提供必要的能量。&l

81、t;/p><p>　　圖2-6 天線邏輯電路</p><p><b>　　2.6 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章在系統(tǒng)總體實(shí)現(xiàn)方案的基礎(chǔ)上，主要討論智能家居系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)部分。介紹了ZigBee芯片MC13192和MC9S08GT60的硬件結(jié)構(gòu)和應(yīng)用電路。具體介紹了他們的硬件連接電路以及MC13192射頻模塊的詳細(xì)設(shè)計(jì)。</p

82、><p>　　第三章 軟件的設(shè)計(jì)</p><p>　　本設(shè)計(jì)選用Metrowerks公司的codewarrior作為開發(fā)環(huán)境，采用串口通信模式，利用中斷的方法來(lái)完成數(shù)據(jù)的雙向通信。為了節(jié)能，節(jié)點(diǎn)一般處于休眠狀態(tài)，當(dāng)有中斷請(qǐng)求的時(shí)候，才被激活。</p><p>　　軟件設(shè)計(jì)是本設(shè)計(jì)的核心，關(guān)鍵在于軟件的總體架構(gòu)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。兩個(gè)著重要考慮的因素一個(gè)是效率，另一個(gè)是設(shè)

83、計(jì)的清晰性。本章從這兩點(diǎn)著手，介紹軟件設(shè)計(jì)的具體實(shí)現(xiàn)。</p><p><b>　　3.1 開發(fā)環(huán)境</b></p><p>　　開發(fā)平臺(tái)提供給用戶的開發(fā)環(huán)境是一套CodeWarrior軟件，它可以為飛思卡爾HCS08系列單片機(jī)提供高效率、更便捷的開發(fā)環(huán)境。CodeWarrior有以下特點(diǎn)：</p><p>　　1、支持飛思卡爾MCU芯片的匯

84、編、連接和源程序調(diào)試；</p><p>　　2、高級(jí)的項(xiàng)目管理功能；</p><p>　　3、提供芯片一級(jí)仿真和FLASH編程功能；</p><p>　　4、對(duì)C/C++最優(yōu)化編譯；</p><p>　　5、數(shù)據(jù)顯示和代碼加密；</p><p>　　6、進(jìn)行實(shí)時(shí)的全真代碼在線仿真。</p><p&g

85、t;　　圖3-1是codewarrior的工作界面，由于codewarrior只是作為軟件開發(fā)工具使用，因此本文不對(duì)其具體的應(yīng)用描述。具體可以參考codewarrior應(yīng)用教程。</p><p>　　圖3-1 Codewarrior工作界面</p><p>　　3.2 硬件驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)</p><p>　　硬件驅(qū)動(dòng)程序位于系統(tǒng)層，其他程序?qū)τ布氖褂枚际峭ㄟ^(guò)對(duì)硬

86、件驅(qū)動(dòng)程序的調(diào)用來(lái)實(shí)現(xiàn)的。</p><p>　　3.2.1 驅(qū)動(dòng)程序總體概要</p><p>　　硬件的控制都是通過(guò)對(duì)其寄存器的讀寫操作來(lái)實(shí)現(xiàn)的，在本方案選用的MCU而言，寄存器的訪問(wèn)是基于內(nèi)存映射模式的，因此可以設(shè)計(jì)兩個(gè)函數(shù)HwRead（）和HwWrite（），提供統(tǒng)一的寄存器訪問(wèn)接口，其函數(shù)原型如下：</p><p>　　UINT8 HwRead（UINT16

87、 RegAddress）； /*for MC9S08GT60*/</p><p>　　VOID HwWrite（UINT16 RegAddress,UINT8 Value）； /*for MC9S08GT60*/</p><p>　　硬件驅(qū)動(dòng)程序都設(shè)計(jì)成直接函數(shù)調(diào)用接口，按各硬件模塊進(jìn)行分類，封裝在單獨(dú)的C語(yǔ)言源文件中，具體見表3-1。<

88、;/p><p>　　表3-1 硬件驅(qū)動(dòng)</p><p>　　因?yàn)镸CU和MC13192的通信是基于SPI模塊的，而且為了通信的效率，MC13192在原始的SPI通信之上又定義了一層SPI協(xié)議，所以在下文就詳細(xì)介紹此SPI協(xié)議和MC13192的驅(qū)動(dòng)。</p><p>　　3.2.2 SPI驅(qū)動(dòng)</p><p>　　MCU控制MC13192的所有

89、行為以及數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送都是通過(guò)MC13192的4線SPI模塊完成的。SPI模塊被設(shè)置成靜態(tài)的模式，因而在訪問(wèn)內(nèi)部寄存器的時(shí)候，除了SPICLK之外，無(wú)需其他的時(shí)鐘信號(hào)。這就使得MC13192在SPI工作而其他模塊失電的時(shí)候，其功耗可以達(dá)到很低。</p><p>　　MCU與MC13192之間的協(xié)調(diào)工作實(shí)際上是通過(guò)訪問(wèn)SPI寄存器實(shí)現(xiàn)的，所有的SPI寄存器都被設(shè)置為16位的數(shù)據(jù)寬度。</p><

90、;p>　　MCU訪問(wèn)MC13192的SPI寄存器有兩種方式，一種是簡(jiǎn)單的字節(jié)讀寫模式，一種是包模式，稱之為巡回讀/寫模式。</p><p>　　圖3-2 讀字節(jié)訪問(wèn)時(shí)序</p><p>　　對(duì)于簡(jiǎn)單的字節(jié)讀寫模式，數(shù)據(jù)格式為8位的頭信息加上2個(gè)8位的數(shù)據(jù)信息。頭信息指定訪問(wèn)類型和要訪問(wèn)的寄存器地址，數(shù)據(jù)信息則為要讀或?qū)懙膶?shí)際數(shù)據(jù)。讀字節(jié)操作的時(shí)序如圖3-2所示，寫字節(jié)操作時(shí)序如圖3

91、-3所示，數(shù)據(jù)格式如圖3-4所示。</p><p>　　SPI的數(shù)據(jù)交換被分成兩個(gè)部分，一部分為頭信息，頭信息部分固定為8位，另一部</p><p>　　圖3-3 寫字節(jié)訪問(wèn)程序</p><p>　　分為2字節(jié)的整數(shù)倍的有效數(shù)據(jù)域。對(duì)于簡(jiǎn)單的讀寫模式，一次SPI的數(shù)據(jù)交換有24位的數(shù)據(jù)信息。頭信息中包含1位的讀寫標(biāo)志位（R/W）和6位的寄存器地址信息位（低6位），

92、讀寫標(biāo)志位的作用是為了標(biāo)明操作類型為向MC13192讀數(shù)據(jù)還是寫數(shù)據(jù)，當(dāng)R/W＝0時(shí)，為寫操作，R/W＝1時(shí)，為讀操作。6位的地址信息位可以尋址64個(gè)SPI寄存器，同時(shí)這個(gè)地址信息可以為巡回讀/寫提供一個(gè)起始地址。</p><p>　　圖3-4 簡(jiǎn)單字節(jié)讀寫模式的數(shù)據(jù)格式</p><p>　　MC13192除了提供簡(jiǎn)單的字節(jié)讀寫操作外，還提供了一種稱為巡回讀/寫模式的操作，可以用一個(gè)頭信

93、息，而操作多個(gè)連續(xù)的SPI寄存器，此時(shí)，頭信息中的地址信息為待訪問(wèn)的連續(xù)寄存器塊的起始地址。</p><p>　　這種讀寫方式一般用在以下場(chǎng)合中：MCU快速配置MC13192；方便快速的訪問(wèn)16位寬度以上的寄存器；用合適的方式訪問(wèn)片上RAM的數(shù)據(jù)。圖3-5和圖3-6給出了該模式下對(duì)片上RAM的讀寫過(guò)程。</p><p>　　圖3-5 RAM塊讀流程

94、 圖3-6 RAM塊寫流程</p><p>　　3.2.3 SPI通信程序</p><p>　　微控制器GT60和射頻芯片MC13192之間四線制的SPI通信程序如下：</p><p>　　uintl6 drv read_spi l(uint8 addr){ /*SPI讀函數(shù)*/</p><p>　　ui

95、ntl6_w； /*w[O]是高字節(jié)，w[1]是低字節(jié)*/</p><p>　　uint8_temp_value； /*用來(lái)暫存SPI數(shù)據(jù)寄存器的值*/</p><p>　　temp_value=SPI1S； /*清狀態(tài)寄存器*/</p>&

96、lt;p>　　temp_value=SPI1D； /*清接收數(shù)據(jù)寄存器*/</p><p>　　irq_value=IRQSC； /*保存IRQSC的值*/</p><p>　　MC13192_IRQ_SOURCE=irq_value&～(0x06)； /*禁止MC13192

97、產(chǎn)生中斷請(qǐng)求*/</p><p>　　AssertCE /*使能MC13192的SPI接口*/</p><p>　　SPI1D=addr＆0x3F)1 0x80； /*寫人要訪問(wèn)的6位地址，設(shè)置讀*/</p><p>　　while(!(SPI1S_SPRF))；

98、 /*等待接收滿標(biāo)志SPI1S_SPRF置1*/</p><p>　　Temp_value=SPI1 D；</p><p>　　SPI1D=addr；</p><p>　　while(!(SPI1S_SPRF))；</p><p>　　((_uint8_*)&w)[0]=SPI1D； /*

99、將高字節(jié)存人w[0]*/</p><p>　　3.2.4 MC1392驅(qū)動(dòng)</p><p>　　MC13192的驅(qū)動(dòng)主要是在hwdrf.c文件中，MC13192有48個(gè)片上寄存器，MCU通過(guò)SPI模塊對(duì)這些片上寄存器進(jìn)行讀寫，實(shí)現(xiàn)對(duì)MC13192的控制。MC13192的寄存器為16位，而地址為8位，訪問(wèn)的函數(shù)原型如下：</p><p>　　VOID SPIDrvW

100、rite（UINT8 u8Addr,UINT16 u16Content）； /*對(duì)寄存器進(jìn)行寫入*/</p><p>　　UINT16 SPIDrvRead（UINT8 u8Addr）； /*讀寄存器*/</p><p>　　表3-2 MC13192的工作模式</p><p>　　上電復(fù)位后，MC13192進(jìn)入OFF模式，經(jīng)

101、過(guò)25ms后，MC13192進(jìn)入IDLE模式，在此模式中，MC13192接受來(lái)自GT60的各種控制命令，并在相應(yīng)的模式之間進(jìn)行切換，具體切換狀態(tài)見圖3-7。</p><p>　　圖3-7 MC13192模式切換</p><p>　　MC13192有多種工作模式，可分成兩種類型，一類是活動(dòng)模式，一類是低功耗模式，具體可分為7種模式，各種模式對(duì)硬件的要求不同，模式之間的轉(zhuǎn)換條件及轉(zhuǎn)換時(shí)間也不

102、同，各模式對(duì)數(shù)據(jù)的影響也不同，具體的工作模式參見表3-2。</p><p>　　MC13192具有中斷能力，且有一根中斷線可以與MCU的IRQ管腳連接，當(dāng)MC13192發(fā)生中斷時(shí)，通過(guò)觸發(fā)MCU的IRQ中斷，MCU的中斷處理程序還要檢查MC13192的中斷狀態(tài)標(biāo)志，來(lái)判斷實(shí)際的中斷源。</p><p>　　圖3-8 MC13192中斷處理流程</p><p>　　

103、圖3-8描述了實(shí)際的中斷處理過(guò)程，在進(jìn)行實(shí)際中斷之前，必須進(jìn)行軟件去毛刺過(guò)程，防止產(chǎn)生誤中斷。此外，MC13192還具有中斷屏蔽功能，只有那些沒(méi)有被屏蔽的中斷才能進(jìn)行實(shí)際的中斷處理。</p><p>　　3.3 硬件初始化</p><p>　　初始化的過(guò)程分為兩個(gè)階段：第一個(gè)階段為MCU上電初始化，包括PLL設(shè)置、看門狗設(shè)置，堆棧初始化，C語(yǔ)言環(huán)境的建立；第二個(gè)階段是前一階段的基礎(chǔ)上，進(jìn)

104、行操作系統(tǒng)的初始化，包括各種堆棧的初始化，硬件資源的初始化，建立各種任務(wù)和資源。</p><p>　　圖3-9描述了MCU的初始化的一般流程。</p><p>　　圖3-9 MCU初始化流程</p><p>　　3.4 系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì)</p><p>　　流程圖如圖3-10，主程序源代碼見附錄。</p><p>　

105、　圖3-10 系統(tǒng)程序流程圖</p><p><b>　　本章小結(jié)</b></p><p>　　本章首先介紹了相關(guān)的硬件驅(qū)動(dòng)和MC13 192驅(qū)動(dòng)部分。其中MC13192的硬件驅(qū)動(dòng)部分介紹了它的單字節(jié)讀寫和巡回讀寫兩種通信模式并在這兩種通信模式基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了對(duì)MC13192寄存器和片上緩沖RAM的訪問(wèn)。它的驅(qū)動(dòng)部分主要包括它輸出時(shí)鐘的選擇設(shè)置、運(yùn)行狀態(tài)的切換和產(chǎn)生中斷

106、的處理流程，并在運(yùn)行狀態(tài)的切換中介紹了MC13192運(yùn)行狀態(tài)和相互切換所需的條件。最后給出系統(tǒng)流程圖。</p><p>　　第四章 全文總結(jié)與展望</p><p>　　智能家居網(wǎng)絡(luò)的研究，是當(dāng)今社會(huì)IT前沿技術(shù)之一，也是研究熱點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)，雖然說(shuō)是剛剛起步，但是具有廣泛的應(yīng)用前景，所以很值得我們投入時(shí)間和精力。一方面，我們應(yīng)該去研究基礎(chǔ)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信原理，另一方面，我們更應(yīng)該把目前所研究出

107、的成果市場(chǎng)化，通過(guò)具體的應(yīng)用實(shí)踐來(lái)檢驗(yàn)我們的研究成果。</p><p>　　隨著研究的深入，相關(guān)技術(shù)的日益成熟，和市場(chǎng)化的到來(lái)，智能家居將會(huì)走進(jìn)我們的每家每戶。本文所作的研究知識(shí)起點(diǎn)中的起點(diǎn)，今后要進(jìn)一步加強(qiáng)基礎(chǔ)知識(shí)的研究，使WSM的應(yīng)用更加廣泛，爭(zhēng)取為社會(huì)做一份貢獻(xiàn)。</p><p>　　本文研究工作的展望：</p><p>　?。?）進(jìn)一步完善基于ZigBee技

108、術(shù)的智能家居系統(tǒng)，使其在功能上和性能上實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化，就像電視、電話等家用電器一樣走進(jìn)每一個(gè)家庭。</p><p>　?。?）我們應(yīng)該充分利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、控制技術(shù)，使家庭內(nèi)每一個(gè)家用電器和設(shè)備都能通過(guò)無(wú)線設(shè)備形成獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)，并和因特網(wǎng)相連，從而從真正意義上實(shí)現(xiàn)家居的信息化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p>&l

109、t;p>　　[1] 中國(guó)ZigBee 聯(lián)盟. ZigBee 技術(shù)探析[D] . 技術(shù)手冊(cè), 2004 (8) :200-203.</p><p>　　[2] 劉驪,江虹,呂楊. 基于ZigBee 技術(shù)的嵌入式無(wú)線網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的研究[J] . 昆明理工大學(xué)學(xué)報(bào): 理工版,2007 ,32 (1) :40-44.</p><p>　　[3] 張維勇,馮琳. ZigBee 實(shí)現(xiàn)家庭組網(wǎng)技術(shù)的研