無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)模塊化的接口電路設(shè)計(jì)

摘要：為了完成測(cè)試任務(wù)，傳感器節(jié)點(diǎn)采用模塊化設(shè)計(jì)。為了實(shí)現(xiàn)各模塊間方便、快速地通信，依據(jù)可編程邏輯器件CPLD編程靈活，在部分功能模塊內(nèi)擴(kuò)展了專用SPI接口電路。試驗(yàn)證明：接口電路工作穩(wěn)定、模塊間可快速便捷通信、系統(tǒng)擴(kuò)展性強(qiáng)，系統(tǒng)整體性能提高。
關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；模塊化設(shè)計(jì)；CPLD；SPI

0 引言
    無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線通信自組織構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，被認(rèn)為是將對(duì)21世紀(jì)產(chǎn)生巨大影響力的技術(shù)之一。在分布式測(cè)試中使用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，不受通信電纜的限制、組態(tài)靈活、重構(gòu)性強(qiáng)，可以在較惡劣的測(cè)試環(huán)境中使用。由無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)組成的分布式測(cè)試系統(tǒng)已應(yīng)用于水中爆炸測(cè)試系統(tǒng)。在一些分布場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)中，被測(cè)量種類繁雜，為完成測(cè)試任務(wù)，節(jié)點(diǎn)采用模塊化設(shè)計(jì)，SPI接口電路簡(jiǎn)單、傳輸速度快，各模塊通過(guò)SPI總線通信協(xié)同完成測(cè)試任務(wù)。但在實(shí)際開(kāi)發(fā)應(yīng)用中，由于系統(tǒng)要求，使某些模塊與多個(gè)模塊鏈接，且接口工作在不同的模式下，如果完成通信需要功能模塊的SPI接口主從切換，致使通信速度與靈活性降低。CPLD具有可編程性特點(diǎn)，可根據(jù)需要擴(kuò)展專用SPI接口電路，提高系統(tǒng)通信速度與靈活性，方便系統(tǒng)擴(kuò)展功能模塊，提高系統(tǒng)整體性能。

1 節(jié)點(diǎn)的模塊化設(shè)計(jì)及其接口電路
    無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，每個(gè)節(jié)點(diǎn)包括無(wú)線收發(fā)模塊、核心主控模塊和功能模塊。系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線收發(fā)模塊接收主站發(fā)送的命令碼，核心主控模塊對(duì)命令解碼，完成對(duì)各功能模塊的控制(開(kāi)啟采集、時(shí)統(tǒng)清零等)。系統(tǒng)要完成多次重復(fù)性試驗(yàn)，因此每次試驗(yàn)完畢要把實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(沖擊波數(shù)據(jù)、環(huán)境變量信息、時(shí)統(tǒng)跟定位信息等)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理模塊統(tǒng)一管理，同時(shí)準(zhǔn)備下次試驗(yàn)。系統(tǒng)工作時(shí)，數(shù)據(jù)儲(chǔ)存管理模塊SPI接口一方面工作在從模式，接收主控模塊發(fā)送的命令；另一方面工作在主模式，轉(zhuǎn)發(fā)控制其他功能模塊的命令碼并讀取試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理，圖1為在其內(nèi)擴(kuò)展專用工作在主模式下的SPI接口的模塊問(wèn)鏈接圖。專用工作在主模式下的SPI接口電路，具有提高模塊間數(shù)據(jù)傳輸速度與靈活性等特點(diǎn)。

2 SPI接口電路設(shè)計(jì)
    數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理系統(tǒng)以單片機(jī)和可編程邏輯器件組成核心控制器?？删幊踢壿嬈骷﨏PLD依據(jù)其編程靈活、易修改的特點(diǎn)，配合單片機(jī)在其內(nèi)部擴(kuò)展SPI接口電路，不僅簡(jiǎn)化了接口和控制，且提高了系統(tǒng)的整體性能及系統(tǒng)擴(kuò)展性。
    SPI接口電路設(shè)計(jì)分兩部分：
    (1)硬件部分：CPLD內(nèi)擴(kuò)展SPI接口框圖如圖2。在CPLD內(nèi)部編寫(xiě)雙向IO總線、地址鎖存譯碼電路、時(shí)鐘發(fā)生器、接收和發(fā)送數(shù)據(jù)移位寄存器、傳輸結(jié)束標(biāo)志SPIF產(chǎn)生器等電路完成SPI接口電路設(shè)計(jì)。READY1為與從機(jī)(沖擊波模塊等)通信時(shí)狀態(tài)標(biāo)志位，用于當(dāng)主機(jī)與從機(jī)通信時(shí)查詢使用，READY1為1時(shí)，可讀取沖擊波數(shù)據(jù)。

    當(dāng)單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，IO總線首先發(fā)送地址碼，地址鎖存譯碼電路生成數(shù)據(jù)裝載使能片選信號(hào)，之后IO總線待發(fā)送字節(jié)鎖存到數(shù)據(jù)寄存器SPDR，同時(shí)Sek時(shí)鐘發(fā)生器產(chǎn)生8個(gè)Sek時(shí)鐘，SPDR移位寄存器在Sek的時(shí)鐘沿把待發(fā)送字節(jié)從MOSI順序移出，同時(shí)把MISO引腳數(shù)據(jù)移入SPDR寄存器，Sek計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到8個(gè)Sek時(shí)鐘后，產(chǎn)生SPIF傳輸結(jié)束標(biāo)志，單片機(jī)讀取SPIF標(biāo)志是否為1，判斷一字節(jié)時(shí)候傳輸完畢。
    (2)軟件部分：?jiǎn)纹瑱C(jī)為主控制器，首先查詢從機(jī)狀態(tài)標(biāo)志位READY是否為1，判斷是否可以與從機(jī)通信。從機(jī)準(zhǔn)備就緒時(shí)，單片機(jī)可裝載1字節(jié)發(fā)送數(shù)據(jù)，啟動(dòng)CPLD內(nèi)部SPI接口電路，查詢并等待SPI傳輸結(jié)束標(biāo)志位SPIF為1，完成一字節(jié)數(shù)據(jù)傳輸，如此重復(fù)。圖3、圖4為主機(jī)發(fā)送與接收1字節(jié)流程圖。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析
    圖5為邏輯分析儀捕獲CPLD擴(kuò)展SPI接口電路讀取沖擊波模塊數(shù)據(jù)時(shí)波形。

    bit8：READY信號(hào)，從機(jī)高電平時(shí)主機(jī)讀取數(shù)據(jù)；bit9：Sck時(shí)鐘信號(hào)，主機(jī)查詢READY為高時(shí)裝載發(fā)送字節(jié)，并產(chǎn)生8個(gè)Sek時(shí)鐘，啟動(dòng)SPI傳輸；bit10：MOSI，主機(jī)輸出端口；bit11：MISO，主機(jī)輸入端口，Sek上升沿讀取數(shù)據(jù)，連續(xù)兩個(gè)周期讀取的數(shù)據(jù)分別為0x07(000001 11)，0Xb0(10110000)，兩周期時(shí)間間隔為20．400us，傳輸速度可達(dá)4×105bps，滿足系統(tǒng)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)
    為了滿足系統(tǒng)測(cè)試任務(wù)，無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)采用模塊化設(shè)計(jì)，各功能模塊通過(guò)SPI接口鏈接。由于系統(tǒng)功能要求，使一個(gè)模塊與多個(gè)模塊鏈接通信，其接口電路SPI工作在不同的主從機(jī)模式，使用單一SPI接口主從切換，勢(shì)必降低模塊間通信速度與靈活性。依據(jù)可編程邏輯器件CPLD有其編程靈活、易擴(kuò)展性，在模塊內(nèi)部擴(kuò)展專用SPI接口，試驗(yàn)證明SPI接口電路設(shè)計(jì)，有簡(jiǎn)化模塊間連接、提高通信速度、系統(tǒng)擴(kuò)展性強(qiáng)，以及提高系統(tǒng)整體性能的特點(diǎn)。