基于S12的無線傳感器網(wǎng)絡樣機系統(tǒng)設計

摘要闡述基于藍牙技術的無線傳感器技術模塊的設計及實現(xiàn)方法。詳細描述了MC9S12DT128單片機在CodeWarrior開發(fā)環(huán)境下模/數(shù)轉換的中斷控制方式，以及主從藍牙模塊的驅動過程。系統(tǒng)包含主從2個藍牙模塊：主藍牙模塊由PC機控制；從藍牙模塊采用Freescale公司的MC9S12DT128單片機作為核心處理器。
關鍵詞 無線傳感器網(wǎng)絡 藍牙技術 MC9S12DT128
引言
　　微傳感器技術的發(fā)展和廣泛應用，使得無線傳感器網(wǎng)絡成為傳感器網(wǎng)絡發(fā)展的必然趨勢。無線傳感器網(wǎng)絡是由大量無處不在的、具有通信與計算能力的微小傳感器節(jié)點，密集布設在無人值守的監(jiān)控區(qū)域，構成的能夠根據(jù)環(huán)境自主完成制定任務的“智能”自治測控網(wǎng)絡系統(tǒng)。由于無線傳感器網(wǎng)絡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)點更換電源，因此能耗成為無線傳感器網(wǎng)絡設計的關鍵問題之一，在系統(tǒng)設計時必須盡可能降低系統(tǒng)能耗。本文以無線傳感器網(wǎng)絡技術為理論依據(jù)，以教學樣機系統(tǒng)為開發(fā)目標，提出了以MC9S12DT128為核心處理器，由藍牙無線通信協(xié)議實現(xiàn)的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的設計方法。
1 硬件設計
1.1 系統(tǒng)原理
　　作為無線傳感器網(wǎng)絡內的一個節(jié)點，本系統(tǒng)由傳感器單元、信號調理電路、A/D轉換電路、信號處理單元（由單片機實現(xiàn)）、從藍牙模塊、主藍牙模塊以及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)境中的信號量經(jīng)過調理電路，送至MC9S12DT128單片機的模擬量輸入端口；由單片機內置的ATD模塊實現(xiàn)A/D轉換，并對轉換結果進行處理，將處理完畢的信號通過UART傳送至從藍牙模塊。主藍牙模塊由PC機控制，主從藍牙模塊通過藍牙協(xié)議實現(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，采用5 V供電，內核為比68HC12的內核CPU12更快的S12，總線頻率可達25 MHz。其特點是擁有豐富的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)應用非常廣泛。

圖2 MC9S12DT128片內資源
　　MC9S12DT128單片機內部帶有5 V轉換為2.5 V的電壓調整器，其內核電壓僅為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，最低可將輸出功率降低為全功率的50%。此外，單片機提供了停止模式、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置為休眠模式，以降低系統(tǒng)的功耗。MC9S12DT128不僅運算速度快，而且功耗可以降至很低，適用于無線傳感器網(wǎng)絡。
1.3 主從藍牙模塊
　　本系統(tǒng)包含相互配對的主從兩個藍牙模塊。從藍牙模塊為日立公司的DOCENGMBM0202藍牙模塊，遵從藍牙1.1規(guī)范，射頻輸出為class2級。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實現(xiàn)MC9S12DT128和藍牙模塊之間的通信，以及藍牙模塊的驅動和信號的傳輸。
　　主藍牙模塊采用基于CSR的BlueCore02芯片開發(fā)的金甌藍牙開發(fā)平臺3.0版。它提供了UART、RS232、USB、SPI接口供用戶進行開發(fā)、調試，音頻接口可進行藍牙語音的傳輸。本系統(tǒng)中PC機通過RS232接口控制主藍牙模塊。
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 軟件設計
2.1 MC9S12DT128的中斷控制方式
　　本系統(tǒng)中，MC9S12DT128采用集編輯、編譯、調試、程序下載于一體的開發(fā)環(huán)境CodeWarrior4.5進行開發(fā)。CodeWarrior4.5是一種交叉編譯器，支持高級語言（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關鍵字進行定義。具體使用方法分別為（假定中斷函數(shù)名為INCount）：
　?、?#pragma TRAP_PROC
　　　　void INCount(void){
　　　　　　Tcount++;
　　}
　?、?interrupt void INCount(void){
　　　　　　tcount++;
　　}
　　對應于中斷函數(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關鍵字。具體實現(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?；蛘?，加入中斷向量標號：
　　VECTOR 69 INCount
　　其中，69為中斷向量標號。
　?、?采用關鍵字interrupt。具體實現(xiàn)方法為在中斷函數(shù)定義時加入中斷向量標號：
　　interrupt 69 void INCount(void){
　　　　tcount++;
　　}
　　其中，69為中斷向量標號。
2.2 A/D轉換中斷方式的實現(xiàn)
　　本系統(tǒng)中，傳感器采集到模擬信號的A/D轉換是通過單片機的ATD模塊實現(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模塊設置為中斷模式，啟用ATD轉換完成中斷。轉換完成中斷函數(shù)名為ATD0，其功能為讀取A/D轉換結果，采用interrupt關鍵字進行定義：
　　#pragma CODE_SEG ATD0Interrupt_SEG
　　interrupt void ATD0(void){
　　　　ATD0STAT0_SCF = 0;//關中斷
　　　　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)入口通過在預編譯文件中添加ATD中斷入口地址0xFFD2實現(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，定義在其空間內的函數(shù)只能被本頁的程序所調用；而定義在unbanked Flash內的函數(shù)則可以為工程內任意程序所調用。中斷函數(shù)想要正確地響應中斷請求，必須放在unbanked Flash內，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空間的主程序在請求中斷時，都可以得到及時、正確的中斷響應。
2.3 主從藍牙模塊驅動
　　藍牙技術是一種使用2.4 GHz頻段的短距離無線通信技術。與其他幾種無線通信方式比較，藍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)絡的應用中具有良好的前景。
　　本設計中的無線傳感器網(wǎng)絡模塊正是采用藍牙通信實現(xiàn)的。傳感器采集的信號經(jīng)過A/D轉換，轉換結果需要通過藍牙無線通信傳至PC機。藍牙系統(tǒng)能夠支持2種連接，即點對點連接和點對多點連接。這就形成了2種網(wǎng)絡結構：微微網(wǎng)和散射網(wǎng)。本系統(tǒng)屬于只有一個從設備的微微網(wǎng)。這個微微網(wǎng)中，主藍牙為與PC機相連的藍牙模塊，從藍牙由與單片機相連的藍牙模塊擔任。主從藍牙的區(qū)別在于：主藍牙可以主動發(fā)出指令搜索藍牙設備，建立和斷開鏈接；而從藍牙則必須等待主藍牙的指令才能開始工作。
　　PC機與主藍牙模塊、單片機與從藍牙模塊之間都是串行通信，波特率為57 600 b/s。主從藍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]
　　藍牙模塊接收指令后返回相應的指令執(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，當前指令必須重新發(fā)送。主從藍牙模塊的工作流程如圖3所示。

圖3 主從藍牙模塊工作流程
　　采用VC6.0開發(fā)監(jiān)控程序，將藍牙指令封裝在函數(shù)中，實現(xiàn)PC機對主藍牙模塊的控制。具體包括：初始化并驅動其開始工作，主動搜索從藍牙模塊，完成鏈接，并將指令執(zhí)行狀態(tài)及搜索到的藍牙設備地址顯示出來；控制與從藍牙模塊的通信，對主藍牙模塊接收到的數(shù)據(jù)進行處理，實時刷新數(shù)據(jù)，顯示溫度、濕度、壓力傳感器的測量結果。系統(tǒng)運行結果如圖4所示。

圖4 樣機系統(tǒng)運行結果
結語
　　本系統(tǒng)以MC9S12DT128為核心處理器，采用藍牙技術實現(xiàn)上位機與傳感器節(jié)點的無線通信，完成了一個具有3個傳感器的無線傳感器網(wǎng)絡模塊的開發(fā)。實驗證明，本系統(tǒng)具有功耗低、穩(wěn)定性高、實時性好、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定等特點，其實現(xiàn)是建立無線傳感器網(wǎng)絡微傳感器節(jié)點的有益嘗試。