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(多图) 基于RF芯片CC2510的无线传感器网络节点设备设计

来源:国外电子元器件/霍宏伟?? 牛延超?? 徐晓羽?? 2006年11月30日 ?? 收藏0

天线接收的射频信号经过低噪声放大器和I/O下变频处理后,中频信号只有2MHz,此混合I/O信号经过滤波、放大、AD变换,自动增益控制、数字调节和解扩,最终恢复出传输的正确数据,发射机部分基于直接上变频,CC2510的发射部分基于RF频率的直接合成。频率合成器包括一个完整的片上LC压控振荡器和一个90°得相移器,产生接收模式时下变频器作为合成器、AD时钟和数字部分时钟的参考频率,系统使用SFR(特殊功能寄存器)寄存器作为接口为来自CPU的数据进行缓冲,寄存器的配置和状态可以从寄存器映射存储器XDATA中查询。数字基带信号支持通道配置,包处理和数据缓冲,片上的电压校正器产生一个校正过的1.8V供电电压。

  

  3 无线传感器网络节点设备设计

  3.1 硬件设置

  针对无线传感器网络的特点,依据CC2510的内部结构,针对器件内部已嵌入的温度传感器,添加其他传感器件,可以设计基于多传感器的无线传感器网络节点设备,图4给出了基于片内温度传感器和光敏器件的温度-光强传感器的节点设备电路图,其中Pa为光敏电阻,C21为去耦电容,器件本振信号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振荡器和负载电容,电容的取值取决于晶体的频率及输入容抗等参数,该设备可采用3.0V电池供电。

  ?????????????????? 基于片内温度传感器和光敏器件的温度

  射频输入/输出匹配电路主要用来匹配器件的输入/输出阻抗,使其输入/输出阻抗为50Ω,发射部分经过前端π型匹配网络向50Ω垂直天线馈电,如果不希望采用上述匹配网络,可以采用T型PCB天线直接与器件相连。

  3.2 软件设置

  软件设置主要包括三个方面:主机调度函数、数据采集与处理方式、射频数据收发处理函数,对于应用多传感器的传感器网络节点设备,主机调度函数可以采用有竞争的中断方式进行全局调度,数据采用与处理方式依据硬件自身特点实现,希望通过描述性语言给出主机调度函数的实现思想:

  软件设置

  CC2510内置一个可以在不同操作状态(模式)之间转换的状态机,应用该状态机,可以通过使用写入指令来实现状态之间的转换,图5给出了射频控制的状态转换图。这里借用MARCSTATE状态寄存器中读出的状态字作为各个状态的标识。

  ???????????????????? 射频控制的状态转换图

  在节点工作过程中,设定两个激活状态:接收(RX)和发送(TX),通过CPU向RFST寄存器中写入SRX和STX指令来实现状态的迁移。当RX被激活时,器件将处于接收状态,直至RX终止定时器超时或成功地收到一个包。如果射频控制及当前位于发送状态,并且SRX写入,当前的发送状态被中止,开始向RX过渡。如果射频控制器当前位于RX状态,当STX或者SFSTXON命令发布时,如果是畅通的信道就进入TX状态,如果信道不畅通,器件仍将处于RX状态,在任何时候,SIDLE命令总是能够迫使射频控制器进入空闲状态。

  注意:由于使用了PQT、CS、最大同步字长和同步字评价模式,可以有效减少探测到错误同步字的可能性。在成功地接收到数据包以后,射频控制器将根据系统设置进入如下状态:

  IDLE:空闲;

  FSTXON:在TX频率时,频率合成器打开并且已经准确好,用STX激活TX;

  TX:开始发送开端;

  RX:开始搜寻一个新的包。

  类似地,当TX被激活时,器件一直处于TX状态,直到当前的包被成功地发送出,然后状态会根据MCSM1.TXOFF_MODE设置提示的状态改变。有关状态转换条件需要根据实际应用场合人为地选择设定,在此不再赘述。

  4 配置传感器网络节点间的通信

  根据CC2510的特点,可以人为设定MAC层协议以完成节点间的通信,从而构成星型或者网型(MESH)无线传感器网络,本文设计了一种基于载波侦听、冲突避免机制的可变包长的MAC层协议—— MAC_S,采用8bit地址标识各个无线传感器节点,该协议支持基于RSSI的LQI链路质量描述、物理层采用曼彻斯特码编码的2-FSK调制方式,在这里,可以利用CC2510中通过软件设定让信号通过一个高斯滤波器,从而产生一个GFSK调制信号,限于篇幅有关这一MAC层协议的细节将另撰文论述,这里仅简单介绍包格式及其处理过程,图6给出了上述MAC_S协议的包格式。???????????????


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