基于CC1100和MSP430的無線UART實驗設(shè)計

摘要：為了實現(xiàn)低功耗的無線串行通信，設(shè)計了一種對UART進行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用實驗。通過學(xué)習(xí)使用C語言在IAR Embedded Workben ch for ARM軟件開發(fā)平臺進行串口的基本設(shè)置和應(yīng)用，并配合使用無線收發(fā)模塊CC1100和具有低功耗MSP430F2132組成的無線傳感器節(jié)點實現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)功能，最后使用網(wǎng)關(guān)節(jié)點和PC機實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收并顯示，整個設(shè)計是一個實現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和數(shù)據(jù)接收，最終數(shù)據(jù)顯示的過程，即UART通信。
關(guān)鍵詞：UART；CC1100；MSP430F2132；串行通信；無線傳感器

    隨著計算機技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，尤其是在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，計算機通信顯得尤為重要。串行通信雖然使設(shè)備之間的連線大為減少，但隨之帶來串／并轉(zhuǎn)換和位計數(shù)等問題，這使串行通信技術(shù)比并行通信技術(shù)更為復(fù)雜，串／并轉(zhuǎn)換可用軟件實現(xiàn)，也可用硬件實現(xiàn)。用軟件實現(xiàn)串行傳送大多采用循環(huán)移位指令將一個字節(jié)由高位到低位(或低位到高位)一位一位依次傳送，這種方法雖然簡單但速度慢，而且大量占用CPU的時間，影響系統(tǒng)的性能。更為方便的實現(xiàn)方法是用硬件，目前微處理器串行接口常用的LSI芯片是UART、USART和ACIA等，不論是哪一種芯片，它們的一種基本功能是實現(xiàn)串／并轉(zhuǎn)換。正是這些串行接口芯片彌補了串行通信較為復(fù)雜這一缺陷。因此在串行通信中，傳輸接口是首先需要解決的基本問題。通用異接收發(fā)送器簡稱UART，是一種應(yīng)用廣泛的異步串行通信的傳輸接口，專用UART芯片能夠?qū)崿F(xiàn)比較全面的串行通信功能，而在實際應(yīng)用中往往只需要使用到UART的部分功能，在設(shè)計中如果使用無線數(shù)據(jù)節(jié)點即KM-DONE 433，那么在剩余資源充足的情況下就可以充分利用剩余資源實現(xiàn)所需的UART的功能，這樣就無需再外接專門的UART芯片，從而簡化了電路，縮小了體積、提高了可靠性、并且具有了更大的靈活性。
    基于以上考慮，提出一種基于CC1100和MSP430F2132的無線UART實驗設(shè)計，實現(xiàn)無線傳感器節(jié)點間的通信。

1 總體設(shè)計
    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常包括若干個傳感器節(jié)點、一個匯聚節(jié)點和一套管理節(jié)點。大量傳感器節(jié)點隨機部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)部或附近，能夠通過自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點具有本地數(shù)據(jù)采集傳輸和轉(zhuǎn)發(fā)鄰節(jié)點數(shù)據(jù)的雙重功能，傳感器節(jié)點監(jiān)測的數(shù)據(jù)沿著其他傳感器節(jié)點逐跳的進行傳輸，在傳輸過程中監(jiān)測數(shù)據(jù)可能被多個節(jié)點處理，經(jīng)過多跳后路由到匯聚節(jié)點，最后通過互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星到達管理節(jié)點。
    為簡化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是由端節(jié)點將接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送至路由節(jié)點，再由路由節(jié)點將數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)發(fā)，最后通過網(wǎng)關(guān)節(jié)點發(fā)送至PC機，整個過程實現(xiàn)的是數(shù)據(jù)的發(fā)送、轉(zhuǎn)發(fā)及接收，最終顯示。

2 硬件實現(xiàn)
    實驗使用的硬件裝置有端節(jié)點、路由節(jié)點和網(wǎng)關(guān)節(jié)點，其中端節(jié)點和路由節(jié)點都是使用的無線通信節(jié)點即KM-DONE 433，如圖1所示。

    KM-DONE 433硬件結(jié)構(gòu)采用CC1100無線通信模塊，MCU選用MSP430F2132，具有低功耗特性，兩者的結(jié)合使用能滿足本實驗低功耗無線通信的要求。此結(jié)構(gòu)的設(shè)計能實現(xiàn)串口通信透明傳輸，可配置各種數(shù)據(jù)格式，并且用戶可選擇保存配置信息，方便下次操作。同時，還能實現(xiàn)任意長度以及不間斷無線數(shù)據(jù)長度的數(shù)據(jù)發(fā)送，并具有防碰撞機制，實現(xiàn)多用戶的數(shù)據(jù)通信。

3 軟件設(shè)計
    系統(tǒng)軟件設(shè)計使用C語言在IAR軟件開發(fā)平臺上通過JTAG調(diào)試功能在芯片內(nèi)部進行引腳升級運行，主要包括端節(jié)點和路由節(jié)點兩部分。程序設(shè)計思路是通過UART端口配置實現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)的串口通信，在發(fā)送一個字符時，每個位周期，UART驅(qū)動一次發(fā)送信號線的狀態(tài)，從起始位到8個數(shù)據(jù)位直到結(jié)束位依次設(shè)置每個位的電平。在接收一個字符時，UART在第一個下降沿開始工作，之后在每個位時隙的中央對接收線上的信號狀態(tài)進行一次采樣。端節(jié)點和路由節(jié)點程序流程圖分別如圖2、圖3所示。

4 實驗測試及結(jié)果分析
4．1 實驗測試
    待串口配置完成后先打開路由節(jié)點，觀察現(xiàn)象和串口顯示情況，然后再打開端節(jié)點并觀察實驗現(xiàn)象和串口顯示情況，當(dāng)接收足夠的實驗數(shù)據(jù)后，依次關(guān)閉各節(jié)點和串口，并對實驗現(xiàn)象和數(shù)據(jù)進行分析，串口顯示的數(shù)據(jù)如圖4所示。
4．2 實驗結(jié)果分析
    首先，由實驗現(xiàn)象得出的結(jié)論：在實驗運行過程中，當(dāng)給端節(jié)點接通電源時，觀測到發(fā)送節(jié)點的綠燈有規(guī)律地閃爍，根據(jù)在實驗前程序的設(shè)置，當(dāng)發(fā)送完一個數(shù)據(jù)包時，綠燈閃爍，由此說明發(fā)送節(jié)點在接通電源時在發(fā)送數(shù)據(jù)成功；并且綠燈閃爍的次數(shù)就是發(fā)送數(shù)據(jù)包的個數(shù)。
    端節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時路由節(jié)點的紅燈也開始有規(guī)律地閃爍，說明路由節(jié)點數(shù)據(jù)接收并轉(zhuǎn)發(fā)成功，紅燈閃爍次數(shù)就是路由轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包個數(shù)。同樣在端節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時網(wǎng)關(guān)節(jié)點的黃燈也開始有規(guī)律地閃爍，說明網(wǎng)關(guān)接收數(shù)據(jù)成功。其次，由PC機上串口顯示的數(shù)據(jù)得出結(jié)論。
    在網(wǎng)關(guān)節(jié)點閃爍的同時，可以看到PC機上的串口有數(shù)據(jù)出現(xiàn)，這就是網(wǎng)關(guān)接收的數(shù)據(jù)。如圖5所示。

    根據(jù)規(guī)定的發(fā)送數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包格式，以節(jié)點的ID為數(shù)據(jù)包的第一個數(shù)據(jù)標(biāo)志位，從串口顯示的數(shù)據(jù)中可以看出：劃實線標(biāo)注部分是ID為0X01的端節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)(為0101 02 03 04 05 06 07 08 09)，劃虛線標(biāo)注部分是ID為0X84的路由節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)(為84 01 02 03 04 05 06 07 08 09)，由此可以輕易看出網(wǎng)關(guān)接收的端節(jié)點的數(shù)據(jù)與網(wǎng)關(guān)接收的路由節(jié)點的數(shù)據(jù)相同，再比較接收的數(shù)據(jù)與發(fā)送的數(shù)據(jù)(為01 02 03 04 05 06 07 08 09)也相同，由此可以斷定，網(wǎng)關(guān)接收的數(shù)據(jù)就是端節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)。

5 結(jié)束語
    基于CC1100和MSP430的無線UART實驗設(shè)計的主要原理是通過IAR軟件開發(fā)平臺實現(xiàn)相應(yīng)軟件開發(fā)，并配合采用無線傳感器節(jié)點及網(wǎng)關(guān)，最終實現(xiàn)無線傳感器節(jié)點間的UART通信，即實現(xiàn)端節(jié)點的數(shù)據(jù)發(fā)送、路由節(jié)點的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點的數(shù)據(jù)接收這一過程。通過觀測各個節(jié)點亮燈情況、閃爍次數(shù)以及電腦上的數(shù)據(jù)顯示來判定功能實現(xiàn)，綜合實驗現(xiàn)象及數(shù)據(jù)，表明無線UART通信實驗設(shè)計取得成功，到達了預(yù)想的設(shè)計要求。