基于无线组网技术的前端节点设计学士学位论文(52页).docx

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1、-基于无线组网技术的前端节点设计学士学位论文-第 43 页电 子 科 技 大 学UNIVERSITY OF ELECTRONIC SCIENCE AND TECHNOLOGY OF CHINA学 士 学 位 论 文BACHELOR DISSERTATION论文题目 基于无线组网技术的前端节点设计 学生姓名 李子宏 学号 2011084040001 专业 电气工程及其自动化 学院 机械电子工程学院 指导教师 李小兵 副教授 指导单位 机械电子工程学院 2015年6月2日摘要无线传感器网络（WSN，Wirelss Sensor Networks）技术综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线

2、通信技术，具有巨大的发展潜力。无线传感器网络节点是构成无线传感器网络的最基本单位，在无线传感器网络系统中具有举足轻重的作用。节点技术的提升与无线传感器网络发展有着密不可分的关系，它直接决定整个网络的性能。本文以工业环境下的温度监测为背景，致力于无线传感器网络节点的开发研究。本文首先对节点结构进行了简要分析，选择芯片MSP430F149作为节点开发核心，然后按照嵌入式系统开发流程，合理选择所需元器件，结合模块化设计思想认真细致地分析，制定了系统方案，经过反复论证最终实现了节点设计原理图。最后根据节点原理图设计实现了节点PCB板，并完成了相关的程序设计。关键字：WSN，MSP430，温度采集，RS

3、485，节点硬件设计ABSTRACTWireless sensor networks(WSN) technology, which combines sensor technology, embedded computing technology, modern network and wireless communications technology, has the potential for development. As a basic unit of wireless sensor networks, wireless sensor network nodes play a ver

4、y important role in wireless sensor network system. Node technology, which directly determines the performance of the entire network, has a close relationship in upgrading and development of wireless sensor network. In this dissertation, based on the background of temperature monitoring in the indus

5、trial environment, the wireless sensor network note is researched and designed.Firstly, the structure of the nodes is studied. MSP430F149 is selected as the nucleus of the network node. According to the procedure of the embedded system, the components which are needed in nodes design are selected. A

6、fter analyzing the rules of modular design carefully, the PCB boards of the wireless sensor network nodes are designed and debugging.Key Words: WSN, MSP430, temperature monitoring, RS485, hardware design目 录第一章 引言11.1课题背景11.2课题的价值及意义11.3课题的国内外研究现状21.4课题难点、重点、核心问题及方向4第二章 无线传感器网络节点的基本理论52.1无线传感器网络节点的概念

7、52.2无线传感器网络节点的特点52.3无线传感器网络节点的硬件结构62.4本章小结7第三章 前端节点的硬件设计83.2总体结构设计93.3MSP430微处理器模块的设计与实现103.3.1核心芯片MSP430F149103.3.2晶振电路123.3.3电源电路133.3.4复位电路133.4节点采集模块的设计与实现143.4.1温度传感器DS18B20153.4.27段数码管动态显示驱动163.5串行通信模块的设计与实现173.5.1RS-232通信173.5.1.1RS-232C接口标准173.5.1.2硬件连接183.5.2RS-485通信193.5.2.1RS-485总线具体参数203

8、.5.2.2RS-485可靠性分析203.5.2.3硬件连接233.5.3无线通信233.6本章小结24第四章 PCB板的设计与调试254.1PCB设计常见问题及设计原则254.1.1PCB的电磁兼容问题254.1.2PCB的信号完整性问题274.1.3PCB的电源完整性问题284.1.4PCB设计的一般布局布线原则284.2PCB板的设计软件介绍294.3节点PCB硬件设计294.4PCB调试分析314.4.1调试环境314.4.2调试程序314.5本章小结38第五章 结束语39参考文献40致谢42翻译文章43原文43译文53第一章 引言1.1 课题背景在人类科学技术迅猛发展的今天，数据处理

9、、数据采集、数据存储、无线通信等各方面的技术都达到了很高的水平。人们发现将这些技术融合、协调可以轻而易举地对自然界、人类的生产生活等方面进行有效的检测，无线传感器网络技术就此应运而生。无线传感器网络技术融合了嵌入式技术、传感器技术、网络及无线通信技术、分布式信息处理技术，它能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或检测对象的信息，再通过嵌入式技术对信息进行处理，通过随机自组织无线通信网络以多跳中继方式将所采集信息传送到用户终端1。随着科学技术的高速发展，人们对自然环境的监测以及对生产生活环境的检测要求不断地提高。一方面，人类需要及时而准确地从自然环境中采集所需要的数据，

10、对采集数据进行技术分析，从而做出相应的预测。另一方面，人类需要对生产生活环境进行准确有效的检测，以避免不良环境给人类带来的伤害。而在这种环境指标检测和监测过程中不可避免地会遇到人类无法或难以操作的情况，如工厂高温加热炉的温度检测、野外地质变化、水文情况等。无线传感器网络拥有体积小、功耗低、稳定性强、数据获取实时性等优点，因此人类意识到将无线传感器网络用于监测各类环境因素会提高监测的效率、降低监测的难度、增强监测的准确性。因此发展无线传感器网络技术越来越受到人们的重视。无线传感器网络能广泛用于军事、环境监测和预报、健康护理、智能家居、建筑物状态监控、复杂机械控制、城市交通、空间探索、大型车间和仓

11、库管理，以及机场、大型工业园区的安全检测等领域。随着无线传感器网络的深入研究和广泛应用，传感器网络将逐渐深入到人类生活的各个领域，并对人类未来的生活方式产生深远的影响。1.2 课题的价值及意义无线传感器应用领域广泛，但由于其技术尚未完全成熟，全面应用还有待时日，所以仍然存在着巨大的应用缺口和发展潜力，因此无线传感器网络及传感器节点的研究具有很大的必要性。无线传感器网络(WSN)由部署在监测区域内的大量小型传感器节点组成,通过无线通讯方式形成一个多跳的自组织的网络系统,其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息,并发送给观察者2。同普通的无线传感器网络相比较,在工业环境下,无线

12、传感器网络的工作稳定性面临着更多的挑战。在蓝牙技术的使用过程中，人们发现蓝牙技术尽管有许多优点，但仍存在许多缺陷。对工业，家庭自动化控制和工业遥测遥控领域而言，蓝牙技术太复杂，功耗大，距离近，组网规模太小等。而工业自动化，对无线数据通信的需求越来越强烈，而且，对于工业现场，这种无线传输必须是高可靠的，并能抵抗工业现场的各种电磁干扰。1.3 课题的国内外研究现状无线传感器网络的研究开始于20世纪90年代末，最早是用于军事领域，用于收集战场情报。从21世纪开始，凭借其广泛的应用前景，逐渐受到学术界和工业界的极大关注，国外一些公司和研究所相继开始了许多有关无线传感器网络的研究计划，目前在国内一些大学

13、也已开始对无线传感器网络的片上系统进行研究34。到目前为止，军事领域、工业领域比较有代表性的研究计划和成果有：（1）无线传感器网络节点高集成度的特点使其适合应用于环境恶劣的地方，如战场侦察，敌情监控等军事用途，美国军方的无人值守地面传感器群等相关项目。（2）美国Dust Networks公司的“智能尘埃Smart Mote”。（3）美国Crossbow技术公司推出工业领域第一款采用蓝牙通信协议的无线传感器网络节点。（4）Intel推出基于无线传感器网络的家庭护理技术，通过在家中的家具和电气设备嵌入无线传感器节点芯片，来帮助老年人的日常生活。此外，Motorola等公司也推出自己的无线传感器方案

14、5。学术领域代表性的研究成果有：（1）美国加州大学巴克利分校的Smart Dust和PicoRadio采用的就是片上系统技术。目前WSN节点的开发，一般是现在FPGA平台进行试验，验证完成后再转为专用集成电路。由于FPGA开发具有较好的灵活性，便于对设计进行优化和改进，在FPGA验证完成后，通过先进的工艺设计专用集成电路芯片，可以大幅降低节点功耗、体积并且提高其性能可靠性。（2）Smart Dust（智能尘埃）是美国国防部委托加州大学伯克利分校开发的一款无线传感器网络节点，其采用了SOC设计方案，将传感单元、处理器、光通信模块等集成到一个芯片，成功达到体积和功耗设计要求。采用光通信代替传统的射

15、频，同时采用了多种先进的微加工技术，使得它的长控制度在5mm之内。（3）PicoRadio研究组隶属于伯克利的无线研究中心，主要从事小体积低功耗片上系统的研究。为了研发无线传感器网络节点PicoNode，设计了PicoRadio Test Bed研发平台。采用ARM系列处理器，配合Xilinx的现场可编程门阵协同工作，以蓝牙作为通信方式。由于其只是测试平台，功耗和体积还难以达到较为理想的设计要求6。除了以上无线传感网络节点芯片，Chipcon公司的CC2431和CC2510也是典型代表。Chipcon在射频芯片研发具有很强的实力，将8051处理模块和射频模块集成到一起，开发出CC2431和CC

16、2510两款片上系统芯片7，有效地减小了体积，使得其能够应用于小型设备的无线通信场合，但他们并非针对无线传感器网络节点而设计的，用于无线传感器网络节点还有些问题。我国在现代意义的无线传感器网络及应用方面几乎与发达国家同步启动。中国科学院于1999年知识创新工程试点领域方向研究将无线传感器网络作为重大项目之一，国家“十五”科技攻关项目同样把WSN列为重大研究项目。2004年11月，中国计算机学会青年计算机科技论坛在北京召开中国第一次关于无线传感器网络的专题报告会。会议讨论了WSN技术及其在中国的发展问题。国内第一次无线传感器网络产业发展高峰论坛2007年11月17日在杭州举行，“中国无线传感网产

17、业发展联盟”在这次会议上宣告正式成立，这标志着我国关于WSN的研究进入到新阶段。在国内，关于无线传感器网络主要研究在于以下方面：（1）煤矿监测8。在煤矿应用中，将围绕在煤矿环境中的特定条件，结合无线传感器网络在井下应用的特性，研究基于无线传感器网络的、低成本、分布式煤矿安全监测网络系统的关键技术。它具有自组织、多跳式通信组网功能和分布式组网的高度灵活性，以解决井下无线通信距离有限这一瓶颈。（2）水环境监测9。在水环境应用中，它针对水环境监测和无线传感器网络各自的特性，重点研究数据融合和聚焦技术，以保证水污染等报警的正确率；研究实时的信息路由技术，使报警的信息能够以最快的速度报告给远程服务器；研

18、究多网信息融合问题，使无线传感器网络与英特网和已有的其他监测网络进行无缝连接。1.4 课题难点、重点、核心问题及方向课题难点：前端节点与无线网络之间的关系的理解。课题重点：设计前端节点的硬件电路图。核心问题：通过Altium Designer绘制电路原理图，并以此设计PCB。课题方向：本课题基于M2M（machine-to-machine）的工业无线互联网应用架构，结合了有线和无线两种通信模式。此前端节点是其重要组成部分，采用低功耗单片机系统设计，实现工业生产现场各种传感器数据的采集，如温度、速度、张力、振动等等。前端节点采用220V供电，包括3路010V A/D；支持RS485总线；支持工业

19、级无线通信；通信距离要求200米；具有掉电保护功能；信号必须隔离。第二章 无线传感器网络节点的基本理论 无线传感器网络是一种新型的信息获取和信息处理技术，其主要由网络和节点两部分构成，其中，节点的性能直接关系到无线传感器网络在实际环境中的应用，是无线传感器网络的核心组成部分1012。节点随机分布在监测区域，通过自组织构成网络，通过节点内集成不同的传感器采集外部环境信息，节点对收发到的数据信息进行处理并发送到下一个节点，完成信息的传递13。2.1 无线传感器网络节点的概念无线传感器网络节点集成了传感技术、嵌入式系统和无线通信技术14，通常将成千上万个传感器节点随机分布于需要检测的区域，节点间自组

20、织形成网络，通过节点内集成的传感器探测周围的温度、湿度、压力等环境数据，节点通过无线通信模块传送到数据处理中心完成数据信息的采集，处理和传输等操作，多角度反映出被检测区域的实时状态，给用户提供重要数据信息参考15。1.2 无线传感器网络节点的特点无线传感器网络节点是一种比较典型的嵌入式应用系统，它不同于传统意义上的无线通信系统，主要有以下特点：构成网络的节点数量庞大，分布密集16。通常来说由节点构成的无线传感器网络是检测特定区域内的实时环境变量，因此需要大量节点长时间地对某一区域进行检测；由于节点的能量来源通常是自身所携带的电池，非常有限，为了让节点之间构成网络，节点之间的分布距离不能太远，所

21、以在检测区域内节点的分布间距往往需要很大17。节点的能源和处理资源有限。节点通常具有体积小成本低的特点，因此节点内的资源就非常有限，目前节点的能量来源主要由电池或者太阳能等方式获取，由于电池供电的节点寿命有限，由太阳能供电等其他方式供电的节点则会受到外部条件影响，能量容易间断，不够稳定；无线传感器网络节点通常由于成本和体积的限制，导致节点上不能集成过多的存储资源和数据处理资源，节点要充分利用资源，在用尽量少的资源和能源完成节点功能18。节点自组织构成网络。无线传感器网络一般是通过随机分布到检测区域的节点自组织构成网络，检测区域环境较为恶劣，节点网络开始工作后，很难进行人工干预，因此需要其具有自

22、组织构成网络的能力。节点地位不固定。检测区域内各个节点的地位是平等的，可以是处理数据收发，完成数据转发节点功能，也可以是信息收集终端节点，随着网络动态变换角色，由于外界因素的干扰会导致某些节点可能工作异常而退出网络，可见无线传感器网络是拓扑动态变化的网络。1.3 无线传感器网络节点的硬件结构无线传感器网络节点是典型的嵌入式系统，遵循通用嵌入式系统设计原则，以应用为核心，软硬件可裁剪，满足功能、可靠性、成本、功耗等设计要求。其中低功耗是其核心19。按节点在无线传感器网络中所处的具体位置不同，电路组成结构不完全相同2022，无线传感器网络节点一般可以按照功能上划分为四个部分，分别是电源模块、传感器

23、模块、处理器模块和无线通信模块。传感器节点的硬件组成如下图所示：图2-1 无线传感器网络节点结构示意图（1）电源模块为其他模块提供工作能源，在整个无线传感器网络节点的设计中具有极其重要的意义。在不同的应用环境和应用目的下，可以采取不同的组态以满足工作需要。本次电源设计采用USB供电。（2）传感器模块用于获取被检测对象的信息以及相关物理量。由于工作目的和工作环境的不同，所关心的物理量不同，选取的传感器类型也各不相同。很多传感器采集的数据为模拟量，需将其转换为数字量方便处理，所以节点应在硬件设计上具有AD采样的功能。（3）处理器模块是采集节点的核心部分，由嵌入式系统构成。处理器模块负责处理存储传感

24、器采集的数据并协调传感器节点各模块部分的工作，同时处理器模块需要负责处理其他节点发来的数据信息。对于有节能要求的应用系统，处理器模块还需要具有控制电源工作模式的功能以实现节能。（4）无线通信模块实现了节点间的通信，完成数据收发及命令发送功能。具有低功耗、短距离通信的特点。本次设计根据工业应用需求，将节点通信距离要求为200米。通过上面对节点硬件结构的介绍，结合图2-1可以看到节点的核心模块为嵌入式系统，整个节点可以视为一个具有特殊应用功能的嵌入式系统。采集模块、无线通信模块、电源模块可视作处理器的外围电路。了解嵌入式系统及其相关设计不仅能够加深对于处理模块的认识，还可以帮助我们成功设计出性能优

25、异的无线传感器网络节点。1.4 本章小结本章对无线传感器网络节点功能及结构进行阐述分析，针对节点的嵌入式系统结构对嵌入式系统的设计进行了介绍。第三章 前端节点的硬件设计构建一个合理的无线传感器网络节点的硬件平台是无线传感器网络体系建立的基础。硬件平台的构建直接决定了节点的功耗、体积、安全性能等等。这些都是整个无线传感器网络体系中的重点。本章主要从前端节点的各个功能模块的角度，对节点的硬件构架进行研究和设计。3.1 前端节点设计要求无线传感器网络的应用范围和工作方式决定了无线传感器网络节点的硬件设计与普通无线网络设计有着显著的区别，尤其是对于能量效率的要求，而且无线传感器网络的硬件设计在不同应用

26、场合侧重也不同。无线传感器网络应用范围非常广泛，结合实际应用，本小节将对应用于数据采集的节点设计要求进行简要分析。单一的无线传感器网络节点是无线传感器网络现实应用的底层核心，为通信协议、应用处理等提供硬件支持，实现任务管理、功耗管理等功能，因此无线传感器网络的硬件平台设计就是实现满足应用要求的无线传感器节点。数据采集应用的主要功能是在一定的时间跨度内，传感器节点可以采集所需数据并将其通过无线网络传递到用户手中。在本文中这种应用针对工业环境中的各种复杂因素，应具有以下特点：工作寿命长、时间同步精确、传输延时不敏感、采样数据率低、网络拓扑稳定，所以在设计时需充分考虑到上述要求，尤其是对工作寿命的要

27、求，其传感器节点的硬件设计应该仔细考虑以下几个方面：（1）尽可能降低功耗。多数传感器采用电池供电方式，而且工作环境差异较大，节点数目较多，一般较难完成额外能量补充，因此节能是硬件设计非常关键的考虑因素，通过节能以延长传感器网络的使用寿命。（2）低成本。实际应用中，传感器节点数目多，节点的成本也成为硬件设计中的重要因素。从无线传感器网络的应用推广角度看，单个节点的造价一定要低廉，所以节点设计要综合考虑成本和性能之间的平衡。传感器网络的硬件开发和维护会耗费较大的成本。（3）稳定性和安全性。传感器的稳定性和安全性是网络稳定和安全的基础。软硬件设计中都要考虑节点的稳定性和安全性，确保在恶劣的工作条件下

28、能够保证代码安全和通信安全。（4）灵活性。无线传感器网络的应用范围很广泛，不同的应用场合要求会有所不同，比如采样速率和处理能力等。所以在硬件体系上要求足够灵活，可以适应多种应用需求，因此节点要具有不同的传感器接口，能够与不同的传感器结合。另外，选择合适的软硬件组合会使无线传感器网络的组建更为简易方便，节点的设计还应该采用特殊的软硬件模块以方便组合。1.5 总体结构设计本课题的无线传感器网络节点的基本组成包括如下四个基本模块：采集模块、处理器模块、通信模块以及电源模块。结构如图3-1所示。图3-1 节点总体结构设计图处理器模块主要进行节点数据的处理，按照既定协议进行装载，并协调整个节点系统各部分

29、的工作，它是节点的核心控制部分，对于无线传感器网络节点，处理器模块通常由低功耗控制器及其外围设备构成，本课题使用TI的MSP430F149作为主芯片。通信模块是多个节点构成网络的必需组件，它为网络传输提供物理支撑，通信模块由无线收发芯片、外围电路及天线构成，基于本课题要求，前端节点同样支持RS485总线。采集模块负责将环境信息转化为系统可处理的数据信息，它是节点数据的原始来源，该部分通常包含一个或多个各种类型的传感器，传感器的数量和类型选择由具体的应用而决定。本课题使用单一传感器，DS18B20来采集温度信息。电源模块是节点能量来源。本课题的前端节点采用USB供电，由电压转换电路转换成3.3V

30、作为节点系统的电源电压。1.6 MSP430微处理器模块的设计与实现传感器节点的功耗、体积要求决定了其器件的选择除要求功能上的完备还必须综合考虑功耗、设计复杂程度、对应用环境的适应能力等因素。 1.6.1 核心芯片MSP430F149 MSP430F149的外观如图3-2所示。图3-2 MSP430F149外观示意图作为前端节点的核心部件，MSP430F149微控制器是MSP430家族的一款FLASH型单片机，其结构与功能如图3-3所示。现将结合MSP430F149在系统中的应用简单介绍一下该单片机的一些特点。图3-3 MSP430F149结构与功能框图1、低电压和超低功耗工作电压在1.83.

31、6V之间，在2.2V供电电压、1MHz主频时钟频率下，活动模式的工作电流为280A，关闭模式时的电流为0.1A；具有16个中断源，并且可以任意嵌套，使用灵活方便；从备用状态唤醒只需要6s，可编制出实时性较高的源代码。2、强大的处理能力MSP430F149单片机运行16位RISC指令集，具有丰富的寻址方式（7种源操作数寻址，4种目的操作数寻址）、简洁的27条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可以参加各种运算；还有高效的查表处理方法；有高效的处理速度，在6M晶体振动下，指令周期为167ns，满足了前端节点的处理速度的要求。3、系统工作稳定上电复位时，先由DCO振荡器启动C

32、PU，保证程序从正确的位置开始运行，使晶体振荡器有足够的时间起振和稳定。然后可通过软件来设置系统的时钟频率。如果晶体振荡器在用作CPU时钟时发生故障，DCO会自动启动，保证系统正常运行；如果程序跑飞，可用看门狗将其复位。4、丰富的片上外围模块它们是以下外围模块的不同组合：基础时钟模块、FLASH存储器、48个I/O端口（其中12个I/O端口具有中断功能）、硬件乘法器、通用的串行同步/异步通信模块USART、看门狗定时器WDT、16位TIMER_A定时器、16位TIMER_B定时器、通用模拟比较器和12位A/D转换器AD12。丰富的资源满足了前端节点的外围接口电路的要求。5、多种时钟模块MSP4

33、30F149具有三种时钟源可以选择提供给MCLK、SMCLK和ACLK。其中LFXT1提供给外围设备32768Hz的时钟，LFXT2可以提供高达8MHz的时钟供单片机运行使用，DCO为单片机内部提供，并具有锁相环，为系统提供一个内部时钟源，当XTALT2没有提供时，系统依靠DCO运行，整个时钟配置可以通过DCOCTL、BCSCTL1、BCSCTL2和SR等控制寄存器中的相应的位来选择和控制，非常灵活，方便了系统的开发应用。6、存储空间结构MSP430F149的存储空间采用“冯诺依曼”结构，ROM、RAM、外围模块和SFR由同一组地址及数据总线连在同一个地址空间中，寻址能力为64KB。它具有60

34、KB的程序ROM、256字节的信息ROM和2KB的RAM，能够完全满足系统程序驻留和用户程序存储的要求。7、方便高效的开发方式MSP430F149单片机可以由IAR for MSP430仿真工具（FET）提供支持。该FET是一种完整的集成开发环境，包括源代码级调试器、仿真器、C编译器等。通过器件片内的JTAG接口，可以电擦写FLASH；也可以先下载程序到FLASH存储器内，再进行程序调试。8、适应工业级的运行环境MSP430F149单片机的运行环境温度为-40+85，因此适合于工业运行环境下的前端节点系统使用。1.6.2 晶振电路对于一个高可靠性的系统设计，晶振的选择非常重要，尤其是设计带有睡

35、眠唤醒（往往采用低电压以求低功耗）的系统。这是因为低供电电压提供给晶体的激励功率减小，造成晶体起振很慢或者根本不起振。这一现象在上电复位时并不特别明显，因为上电时电路有足够的扰动，很容易建立振荡。在睡眠唤醒时，点路上的扰动要比系统上电时小得多，起振就很不容易。在振荡回路中，晶体既不能过激励（容易振荡到高次谐波上），也不能欠激励（不容易起振）。系统电路选用32768Hz和8M两个外部晶振。每一种晶振都有各自的特性，需要按照制造厂商提供的数值选择外部元器件。根据推荐值，32768Hz的晶振选用15pF的陶瓷电容，8M的晶振选用30pF的晶振。1.6.3 电源电路前端节点系统中MSP430F149微

36、控制器需要3.3V的电压，它是通过AMS1117电压转换电路来实现的，如图3-4所示。图3-4 系统电源AMS1117应用电路 AMS1117是一款低压差三端线性稳压器，外围应用电路简单，固定电压版本只需输入输出两个电容和负载即可工作。芯片内部包括启动电路、偏置电路、电压基准源电路、过热保护、过流保护、功率管及其驱动电路等模块组成。其中过流保护和过热保护模块，能够在应用电路的环境温度大于125以上或负载电流大于1.4A时，保证芯片和系统的安全。当输出1A电流时，输入输出的电压差典型值仅为1.2V23。1.6.4 复位电路MSP430的复位信号有2种：上电复位信号（POR）和上电清除信号（PUC

37、）。能够触发POR和PUC的信号分别来自复位引脚（硬件复位分别为上电复位和手动复位）、看门狗、FLASH键值出现错误产生的信号。POR信号只在上电或者RST/NMI管脚上产生低电平时系统复位的时候发生。POR信号后，MCU的状态变化有：RST/NMI管脚功能被设置为复位功能；所有I/O管脚被设置为输入；外围模块被初始化，其寄存器值为相关手册上的默认值；状态寄存器SR复位；看门狗激活，进入工作模式；程序计数器PC载入0xFFFE处的地址，微处理器从此地址开始执行程序。PUC信号产生的条件为：POR信号产生；看门狗有效时，看门狗定时器溢出；写看门狗定时器安全键值出现错误；写FLASH存储器安全键值

38、出现错误。POR和PUC两者的关系：POR信号的产生会导致系统复位并产生PUC信号。而PUC信号不会引起POR信号的产生。除了POR触发PUC信号外，其他的通过读取相应的中断向量来判断是何种原因引起的PUC信号，以便做相应的处理。硬件复位分为上电复位和手动复位。如果没有上电复位电路，系统上电后将会从断电时执行到程序的地方开始执行程序，导致运行出错。上电复位即系统通电后芯片产生复位，复位后从程序的入口开始执行代码。手动复位是人为地在芯片的复位引脚输入相应的脉冲，使芯片复位23。单片机的复位引脚RST低电平有效，当输入到单片机的RST引脚的低电平超过一定的时钟周期时，系统产生复位。复位电路设计如图

39、3-5所示。图3-5 复位电路当上电时，电容两端为低电平，在充电过程中，电容的右端逐渐变为高电平，并一直保持（除了断电和按键S2按下）也就满足了“上电复位”的要求。手动复位时，按下按键S2，RST端口为低电平，单片机复位。1.7 节点采集模块的设计与实现采集模块的主要器件是温度传感器DS18B20，锁存器SN74HC573N和3个7段数码管。温度传感器DS18B20采集到温度的数据信息，经MSP430F149处理后，以摄氏度为单位显示在3位数码管上。1.7.1 温度传感器DS18B20 DS18B20是数字化温度传感器，采用单总线协议，接口电路相对较为简单，主要是DS18B20的工作方式。DS

40、18B20数字温度计提供9位温度读数，指示器件的温度。信息经过单线接口送入DS1820或从DS1820送出，因此从中央处理器到DS1820仅需连接一条线和地，读写线完成温度变换检测所需的电源，可以由数据线本身提供，而不需要外部电源，因为每一个DS1820有唯一的系列号，所以多个DS1820可以存在于同一条单线总线上，这允许在许多不同的地方放置温度灵敏器件，此特性的应用范围包括HVAC环境控制建筑物设备或机械内的温度检测以及过程监视和控制中的温度检测。作为一款数字式温度传感器，DS18B20具有以下特性：1、独特的单线接口，只需一个接口引脚即可通信。2、多点能力使分布式温度检测应用得以简化。3、

41、不需要外部元件。4、可用数据线供电。5、不需备份电源。6、测量范围为-55+125，增量值为0.5。7、在1s典型值内把温度变换为数字。8、用户可定义的非易失性的温度告警设置。9、报警搜索命令识别和寻址温度在编定的极限之外的器件温度报警情况。10、应用范围包括恒温控制工业系统、消费类产品温度计或任何热敏系统23。本设计利用MSP430F149单片机的P2.0与DS18B20芯片实现数据传输，接口电路如图3-6所示。图3-6 DS18B20硬件连接1.7.2 7段数码管动态显示驱动数显硬件电路如图3-7所示。图3-7 三位7段数码管显示电路数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式，

42、动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划“a，b，c，d，e，f，g，dp”的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制（本系统中MSP430F149的P1.0、P1.1、P1.2作为位选通的I/O端口），当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是哪个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为12ms，

43、由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感。动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低24。在实际使用中，如果直接用单片机引脚驱动数码管，由于MSP430端口驱动能力有限，则会导致数码管亮度不高，要提高数码管亮度，本系统采用锁存器来驱动数码管。1.8 串行通信模块的设计与实现为了方便点对点通信，本前端节点系统带有标准串行通信接口，支持RS-232、RS-485总线。本小节对RS-232、RS-485及其在前端节点系统中的应用进行介绍。1.8.1 RS-232通

44、信RS-232C标准是美国电子工业协会（EIA）在1969年公布的数据通信标准。该标准定义了数据终端设备（DTE）数据通信设备（DCE）之间的连接信号的含义及其电压信号规范等参数。其中，DTE可以是计算机，DCE一般指调制解调器Modem25。1.8.1.1 RS-232C接口标准RS-232C标准规定使用25根插针的标准连接器，25根插针的连接器具有DTE与DCE连接的全部信号内容，但是其中的许多信号几乎从来不用，经常使用的是9或者15的子集的连接器，常用的数据线包括以下9根：发送数据（TXD）；接收数据（RXD）；数据终端就绪（DTR）、数据设备就绪（DSR）；发送请求（RTS）、清除发送

45、（CTS）、载波检测（CD）、响铃指示器（RI）、信号地（GND）。RS-232C采用的是负逻辑，逻辑0与逻辑1信号电平与信号状态之间的关系如图3-8所示。任何插针信号都对应着ON/OFF（或SPACE/MARK）状态中的一种。ON状态对应逻辑0，OFF状态对应逻辑1。驱动器或信源要发送逻辑0，必须提供+5V到+15V电压；发送逻辑1必须提供-5V到-15V电压。而接收器端逻辑0的电压范围为+3V到+15V，逻辑1的电压范围为-3V到-15V。可见，信号在从信号源到终点的传递过程中允许有2V的电压降（即2V噪声容限）。显然，RS-232C电平与TTL、CMOS逻辑电路产生的电平不同，它们之间的

46、连接必须采用电平转换电路。图3-8 RS-232C接口的电气特性1.8.1.2 硬件连接前端节点系统中RS-232串口通信的硬件连接如图3-9所示。系统采用三线连接，左侧为3.3V电源的MSP430F149系统，右侧为RS-232电平系统的PC主机，通过电平转换芯片MAX3221连接起来。MAX3221是MAXIM公司生产的一种单组驱动器/接收器芯片，片内含有一个电容性电压发生器，用来在单3.3V电源供电时提供EIA/TIA-232-E电平。每个接收器将EIA/TIA-232-E电平输入转换为3.3V电平，这些接收器还可以接受5V的宽范围电平输入。每个驱动器将3.3输入电平转换为EIA/TIA

47、-232-E电平。MAX3221的工作温度范围为07026。图3-9 RS-232串口通信硬件连接图1.8.2 RS-485通信RS-485标准是EIA于1983年在RS-422基础上制定的，增加了多点、双向通信的能力，即允许多个发送器连接到同一条总线上，同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性，扩展了总线共模范围，后命名为TIA/EIA-485-A标准。RS-485与RS-232不同，它使用差分方式传输信号（也称平衡传输），它使用一对双绞线，将其中一线定义为A，另一线定义为B。1.8.2.1 RS-485总线具体参数通常情况下，标准规定，在数据端发送驱动器A、B之间的正电平在+2+6V，是一个逻辑状态，负电平在-2-6V，是另一个逻辑状态。同样，在接收端接收器也做与发送端相对的规定，当在接收端A、B线之间有大