[優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計(jì)精品] 基于eZ430RF2500的無(wú)線(xiàn)溫度傳感器的設(shè)計(jì)

1、基于 ez430-rf2500 的無(wú)線(xiàn)溫度傳感器的設(shè)計(jì) 【摘摘 要要】 隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，人類(lèi)目前已經(jīng)置身于信息時(shí)代，信息的獲取是 實(shí)現(xiàn)信息他的前提，獲取信息的一種重要工具就是傳感器。綜合了傳感器技術(shù)、 嵌入式計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)、分布式信號(hào)處理技術(shù)等的無(wú)線(xiàn) 傳感器 網(wǎng)絡(luò)是多學(xué)科高度交叉的新興前沿研究熱點(diǎn)領(lǐng)域。在作戰(zhàn)人員通信、 環(huán)境和氣象監(jiān)測(cè)、災(zāi)害預(yù)警、智能家具、輻射監(jiān)測(cè)等眾多領(lǐng)域都發(fā)揮著重要作 用。低成本、低功耗、應(yīng)用簡(jiǎn)單的 ieee802154 和 zigbee 協(xié)議的誕生為無(wú) 線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)提供了互聯(lián)互通酶規(guī)范。 zigbee 協(xié)議是由 ieee80215 4 標(biāo)準(zhǔn)的

2、phy 和 mac 層再加上 zigbee 的網(wǎng) 終層和應(yīng)用層組成的，由于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)具有成本低、體積小、能量和通信能力有 限等特點(diǎn)，所以此種網(wǎng)絡(luò)的突出特點(diǎn)是兩絡(luò)系統(tǒng)支持低成本、易實(shí)現(xiàn)、低功耗 等。 本課題綜合運(yùn)用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)和以太網(wǎng)技術(shù)，用網(wǎng) 絡(luò)化思想構(gòu)建了溫度傳感器系統(tǒng)。 關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：msp430f2274 zigbee cc2500 基于 ez430-rf2500 的無(wú)線(xiàn)溫度傳感器的設(shè)計(jì) 【abstract】 with the rapid development of technology，human has been in informationera. obtai

3、ning information is the precondition of realizing informationization while one of the most important tools which were used toacquire information is the sensorsthe wireless sensor network which combinessens or technology，wireless communication technology，embedded computertechnology，modern network and

4、 distributed information disposal technology together is a multistudy，highly crossed new research fieldsit plays an important part in campaign people communication，invironmental and weather control，disaster detection，intelligent building，radiation inspection and so onthe ieee802154 and zigbee protoc

5、ol offer the criterion for wireless sensor netwok zigbee protocol is constituted of ieee802154 phy and mac layerzigbee network layer and application layerbecause the node has some characteristics such as lowcost，small volume，1imited energy and limited communication，the networks characteristic cs are

6、 the system supporting low cost operation，easily realization and very low power consumption key words: msp430f2274 zigbee cc2500 基于 ez430-rf2500 的無(wú)線(xiàn)溫度傳感器的設(shè)計(jì) 目錄 1 1 引言引言.1 1 2 2 msp430msp430 單片機(jī)介紹單片機(jī)介紹 .2 2 21 msp430 單片機(jī)的用途.2 22 msp430 單片機(jī)的功能.2 23 msp430f2274 的介紹 .3 231 msp430f2274 的 16 位 cpu .4 232

7、msp430f2274 的存儲(chǔ)器組織.5 233 msp430f2274 的尋址模式.6 24 msp430f2274 的原理圖.6 3 3 無(wú)線(xiàn)射頻芯片無(wú)線(xiàn)射頻芯片 cc2500cc2500 .8 8 31 cc2500 的性能參數(shù).8 32 cc2500 的內(nèi)部結(jié)構(gòu).9 4 4 zigbeezigbee 協(xié)議棧研究協(xié)議棧研究 .1010 41 zigbee協(xié)議棧概述.10 42 ieee802.15.4 通信層 .12 421 phy(物理)層 .12 422 mac(介質(zhì)接入控制子層) .13 43 zigbee網(wǎng)絡(luò)層.15 431 網(wǎng)絡(luò)層概況 .15 432 網(wǎng)絡(luò)層幀結(jié)構(gòu).17 433

8、 網(wǎng)絡(luò)層功能介紹.17 44 zigbee應(yīng)用層.18 5 5 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì).1919 51 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則 .19 52 系統(tǒng)元件概述 .19 521 存取點(diǎn)（ap） .19 522 終端設(shè)備（ed） .20 53 操作模式 .20 531 冗余模式 .20 532 最簡(jiǎn)模式 .20 54 溫度傳感器節(jié)點(diǎn)硬件方案研究設(shè)計(jì) .21 55 傳感器節(jié)點(diǎn)主電路設(shè)計(jì) .21 551 控制器電路設(shè)計(jì).21 552 輸入輸出模塊設(shè)計(jì).21 56 傳感器節(jié)點(diǎn)電源設(shè)計(jì) .22 561 終端節(jié)點(diǎn)的可控電源設(shè)計(jì).22 562 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì).23 57 傳感器節(jié)點(diǎn)通信模塊設(shè)計(jì) .23 基于

9、 ez430-rf2500 的無(wú)線(xiàn)溫度傳感器的設(shè)計(jì) 571 無(wú)線(xiàn)通信模塊設(shè)計(jì) .23 6 6 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì).2525 61 存取點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì) .25 62 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì) .25 621 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件總體設(shè)計(jì).25 622 zigbee 協(xié)議應(yīng)用對(duì)象設(shè)計(jì).26 63 溫度傳感器終端節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì).28 631 溫度傳感器終端節(jié)點(diǎn)軟件總體設(shè)計(jì).28 632 溫度采集程序設(shè)計(jì).28 633 溫度顯示程序設(shè)計(jì).29 7 7 結(jié)論結(jié)論.3131 致致 謝謝.3232 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn).3333 附錄附錄.3434 附錄 1：msp430 與 cc2500 主接線(xiàn)圖.34 附錄

10、2：msp430 與 cc2500 實(shí)物圖.35 附錄 3：ez430-rf2500 網(wǎng)絡(luò)顯示設(shè)置 .36 基于 ez430-rf2500 的無(wú)線(xiàn)溫度傳感器的設(shè)計(jì) 0 1 引言 在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及科學(xué)研究中，溫度傳感器系統(tǒng)為分析決策系統(tǒng)提供準(zhǔn)確、 實(shí)時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)溫度數(shù)據(jù)，是許多監(jiān)控系統(tǒng)中不可缺少的一部分，廣泛應(yīng)用在電力、 化工、冶金、石油、環(huán)境、機(jī)械制造、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、糧食存儲(chǔ)、酒類(lèi)生產(chǎn)等領(lǐng) 域隨著生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，生產(chǎn)車(chē)間等在地域上分布越來(lái)越廣，溫度監(jiān)測(cè) 的范圍隨之?dāng)U大。溫度傳感器系統(tǒng)逐漸由單點(diǎn)、集中式向多點(diǎn)、分布式演 變由于溫度采樣點(diǎn)數(shù)量不斷增加，與監(jiān)控中心的距離越來(lái)越遠(yuǎn)，它們之間的 數(shù)據(jù)交換必須

11、通過(guò)傳輸網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前國(guó)內(nèi)廣泛應(yīng)用的溫度變送器大多采用兩線(xiàn)制， 兩線(xiàn)制雖然解決了電源線(xiàn)和信號(hào)線(xiàn)的復(fù)用問(wèn)題，很大程度上減少了布線(xiàn)成本， 但沒(méi)有徹底擺脫導(dǎo)線(xiàn)的束縛。很多情況下，布線(xiàn)成本很高，或者根本無(wú)法布線(xiàn)， 導(dǎo)致溫度傳感器系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)范圍受到限制。此外，采用兩線(xiàn)制溫度變送器的溫 度傳感器系統(tǒng)的容量比較小，且不易擴(kuò)展。因此，設(shè)計(jì)一種成本低、覆蓋面積 廣、容量大、易擴(kuò)展、便于安裝和維護(hù)的溫度傳感器系統(tǒng)將很有意義 基于網(wǎng)絡(luò)的溫度傳感器系統(tǒng)采用新興的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)溫 度數(shù)據(jù)的分布式采集，解決了傳統(tǒng)溫度傳感器系統(tǒng)受布線(xiàn)限制、系統(tǒng)容量小、 不易擴(kuò)展的問(wèn)題，拓展了溫度監(jiān)測(cè)的地域范圍另外，系統(tǒng)采用成熟的

12、modbus 總線(xiàn)技術(shù)和以太網(wǎng)等技術(shù)構(gòu)建了完整的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的匯聚和遠(yuǎn)傳 等功能 本課題綜合運(yùn)用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)和以太網(wǎng)技術(shù)，用網(wǎng) 絡(luò)化思想構(gòu)建了溫度傳感器系統(tǒng)，具有成本低、覆蓋面積廣、容量大、易擴(kuò)展、 便于安裝和維護(hù)的優(yōu)點(diǎn) 本課題旨在實(shí)現(xiàn)一個(gè)覆蓋面積廣、易擴(kuò)展、便于安裝和維護(hù)的低成本溫度 傳感器系統(tǒng)具體需要實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)： 建立體積小、成本低、適應(yīng)性強(qiáng)且功耗低的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件平臺(tái)。 選擇和開(kāi)發(fā)功耗低、可靠性高、適應(yīng)低速率、小數(shù)據(jù)量傳輸?shù)臒o(wú)線(xiàn)傳感 器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)和數(shù)據(jù)傳輸。 實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)之間的連接。 設(shè)計(jì)網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)和

13、以太網(wǎng)間的連接。同時(shí)，提供溫度數(shù)據(jù)的 web 發(fā)布功能。 基于 ez430-rf2500 的無(wú)線(xiàn)溫度傳感器的設(shè)計(jì) 1 2 msp430 單片機(jī)介紹 21 msp430 單片機(jī)的用途 單片機(jī)技術(shù)如今已經(jīng)滲透到人類(lèi)生活的方方面面，在家用電器、通信產(chǎn)品 等日用電子設(shè)備中都可以看見(jiàn)單片機(jī)，估計(jì)全世界人均有幾片單片機(jī)，此技術(shù) 正在積極地影響著人類(lèi)的生活。 ti 公司的 msp430 系列是一個(gè)超低功耗類(lèi)型的單片機(jī)，特別適合于電池應(yīng) 用的場(chǎng)合或手持設(shè)備。同時(shí)，該系列將大量的外圍模塊整合到片內(nèi)，也特別適 合于設(shè)計(jì)片上系統(tǒng)；有豐富的不同型號(hào)的器件可供選擇，給設(shè)計(jì)者帶來(lái)很大的 靈活性。它是一個(gè) 16 位的精簡(jiǎn)指

14、令架構(gòu)，有大量的工作寄存器和數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器， 其 ram 單元也可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)算。msp430 系列是眾多單片機(jī)系列中的一顆耀眼的新 星。 22 msp430 單片機(jī)的功能 ti 公司的 msp430 系列單片機(jī)是 16 位超低功耗微控制器，其中包括一系列 器件，它們針對(duì)不同的應(yīng)用而由各種不同的模塊組成，這些微控制器被設(shè)計(jì)為 可用電池工作，而且可以有很長(zhǎng)的使用時(shí)間。它們具有 16 位 risc 結(jié)構(gòu)，cpu 中的 16 個(gè)寄存器和常數(shù)發(fā)生器使 msp430 微控制器能達(dá)到最高的代碼效率；靈 活的時(shí)鐘源可以使器件達(dá)到最低的功率消耗；數(shù)字控制的振蕩器（doc）可是器 件從低功耗模式迅速喚醒，在少于 6s

15、的時(shí)間內(nèi)激活到跳躍的工作方式。 msp430 系列單片機(jī)片上集成了豐富的功能模塊。溫度傳感器終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé) 溫度數(shù)據(jù)的采集，同時(shí)實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的顯示和無(wú)線(xiàn)發(fā)送。 msp430 系列單片機(jī)具有以下一些共同的特點(diǎn) 低電壓、超低功耗 msp430 系列單片機(jī)，在 1.8-3.6v 電壓、1mhz 的時(shí)鐘條件下運(yùn)行，耗電電 流因不同的工作模式而不同；具有 16 個(gè)中斷源，并且可以任意嵌套，使用靈活 方便；用中斷請(qǐng)求將 cpu 喚醒只要 6s，可編制出實(shí)時(shí)性特別高的源代碼；可 將 cpu 置于省電模式，以用中斷方式喚醒程序。 強(qiáng)大的處理能力 msp430 系列單片機(jī)，為 16 為 risc 結(jié)構(gòu)，具有豐富的

16、尋址方式（7 中源操 作數(shù)尋址、4 種目的操作數(shù)尋址） 、簡(jiǎn)潔的 27 條內(nèi)核指令以及大量的模擬指令； 大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器都可參加多種運(yùn)算；還有高效的查表處理方 法；有較高的處理速度，在 8mhz 晶體驅(qū)動(dòng)下，指令周期為 125s。這些特點(diǎn) 保證了可編制出高效率的源程序。 系統(tǒng)工作穩(wěn)定 基于 ez430-rf2500 的無(wú)線(xiàn)溫度傳感器的設(shè)計(jì) 2 上電復(fù)位后，首先由 dcoclk 啟動(dòng) cpu，以保證程序從正確的位置開(kāi)始執(zhí)行， 保證晶體振蕩器有足夠的起振及穩(wěn)定時(shí)間。然后軟件可設(shè)置適當(dāng)?shù)募拇嫫鞯目?制位來(lái)確定最后的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率。如果晶體振蕩器在用作 cpu 時(shí)鐘 mclk 時(shí)發(fā)生 故障

17、，dco 會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)，以保證系統(tǒng)正常工作；如果程序跑飛，可用看門(mén)狗將 其復(fù)位。 豐富的片內(nèi)外設(shè) msp430 系列單片機(jī)的各成員都集成了較豐富的片內(nèi)外設(shè)。他們風(fēng)別是以下 一些外圍模塊的不同組合： 看門(mén)狗（wdt） 定時(shí)器 a（timer-a） 定時(shí)器 b（timer-b） 比較器 串口 0、1（usart0、1） 硬件乘法器 液晶驅(qū)動(dòng)器 10 位/12 位 adc 14 位 adc 端口 0（p0） 端口 1-6（p1_p6） 基本定時(shí)器（basic timer） 以上外圍模塊再加上多種存儲(chǔ)器方式就構(gòu)成了不同型號(hào)的器件。其中，看 門(mén)狗可以使程序時(shí)空是迅速?gòu)?fù)位；比較器進(jìn)行模擬電壓的比較，配合定時(shí)

18、器可 以設(shè)計(jì)為 a/d 轉(zhuǎn)換器；定時(shí)器具有捕獲/比較功能，可用于時(shí)間技術(shù)、時(shí)序發(fā)生、 pmw 等；有的器件更具有兩個(gè)串口，可方便地實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信等應(yīng)用；具有較多 的并行端口，最多可達(dá) 200kbps，能滿(mǎn)足大多數(shù)數(shù)據(jù)采集應(yīng)用；能直接驅(qū)動(dòng)液 晶多達(dá) 120 段。msp430 系列單片機(jī)的這些片內(nèi)外設(shè)為系統(tǒng)的單片解決方案提供 了極大的方便。 方便高效的開(kāi)發(fā)環(huán)境 目前 msp430 系列有 4 種類(lèi)型器件：otp 型、flash 型、eprom 型和 rom 型。 這些器件的開(kāi)發(fā)手段不同。對(duì)于 otp 型和 rom 型的器件是用相對(duì)應(yīng)的 eprom 型 器件作為開(kāi)發(fā)片，或使用仿真器開(kāi)發(fā)成功之后再燒寫(xiě)或

19、掩膜芯片；而對(duì)于 flash 型則有十分方便的開(kāi)發(fā)調(diào)試環(huán)境，因?yàn)槠骷瑑?nèi)有 jtag 調(diào)試接口，還有 可電擦寫(xiě)的 flash 存儲(chǔ)器，因此采用先下載程序到 flash 內(nèi)，再在器件內(nèi)通過(guò) 軟件控制程序的運(yùn)行，由 jtag 就扣讀取片內(nèi)信息供設(shè)計(jì)者調(diào)試使用的方法進(jìn)行 開(kāi)發(fā)。這種方式只需一臺(tái) pc 機(jī)和一個(gè) jtag 調(diào)試器，而不需要仿真器和編程器。 開(kāi)發(fā)語(yǔ)言有匯編語(yǔ)言和 c 語(yǔ)言。 23 msp430f2274 的介紹 msp430f2274 單片機(jī)是由 ti 公司生產(chǎn)一種 16 位的單片機(jī)，綜合比較， 本設(shè)計(jì)將采用之。其內(nèi)部帶有 10 位 a/ d ,1. 83. 6v 的工作電壓,5 種低功

20、 耗省電模式,從待機(jī)到喚醒的響應(yīng)時(shí)間不超過(guò) 1s ,片內(nèi)高頻時(shí)鐘源,頻率高達(dá) 16mhz,內(nèi)部還有低功耗低頻振蕩器 vlo ,32khz 晶振模塊。除此,其還具有非常 基于 ez430-rf2500 的無(wú)線(xiàn)溫度傳感器的設(shè)計(jì) 3 強(qiáng)的處理能力,非常適合一些對(duì)處理要求比較高的嵌入式系統(tǒng)。因此, msp430f2274 單片機(jī)在許多領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。 231 msp430f2274 的 16 位 cpu msp430f2274 系列采用的是“馮-諾依曼”結(jié)構(gòu)，rom 和 ram 在同一地址空 間，使用一組地址數(shù)據(jù)總線(xiàn)。中央處理單元 cpu 采用了精簡(jiǎn)的、高透明的、高 效率的正交設(shè)計(jì)。他包括：一

21、個(gè) 16 位的 alu、16 個(gè)寄存器和一個(gè)指令控制單元。 16 個(gè)寄存器中有 4 個(gè)為特殊用途，他們分別是：程序計(jì)數(shù)器、堆棧指針、狀態(tài) 寄存器和常數(shù)發(fā)生器。程序流程通過(guò)程序計(jì)數(shù)器控制，而呈現(xiàn)執(zhí)行的現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài) 體現(xiàn)在程序狀態(tài)字中那個(gè)。表 1.1 對(duì) 16 個(gè)寄存器做了簡(jiǎn)要的說(shuō)明。 1. 程序計(jì)數(shù)器 pc msp430 的指令根據(jù)其操作數(shù)的多少，其指令長(zhǎng)度分別為 1、2 或 3 字長(zhǎng)。 程序計(jì)數(shù)器 pc 的內(nèi)容總是偶數(shù)，指向偶字節(jié)地址。其內(nèi)容在調(diào)試程序是，可通 過(guò)寄存器窗口查看。 2.堆棧指針 sp 系統(tǒng)堆棧在系統(tǒng)調(diào)用子程序或進(jìn)入中斷服務(wù)程序是，保護(hù)程序計(jì)數(shù)器 pc。 堆棧指針 sp 總是指向堆棧

22、的頂部。系統(tǒng)在將數(shù)據(jù)壓入堆棧時(shí)，總是先將堆棧指 針 sp 的值減 2，然后再將數(shù)據(jù)送到 sp 所指的 ram 單元。講數(shù)據(jù)從堆棧中彈出 正好相反：先將數(shù)據(jù)從 sp 所指示的內(nèi)存單元取出，再將 sp 的值加 2.堆棧的操 作有兩種情況：隱式與顯式。系統(tǒng)對(duì)堆棧的操作為隱式，主要為自動(dòng)保存 pc 的 數(shù)值。在用戶(hù)程序中那個(gè)也可對(duì) sp 操作。 簡(jiǎn)寫(xiě)功能 ro r1 r2 r3 r4 r15 程序計(jì)數(shù)器 pc，指示下一條將要執(zhí)行的指令的地址 堆棧指針 sp，指向堆棧的棧頂 狀態(tài)寄存器 sr/常數(shù)發(fā)生器 cgi 常數(shù)發(fā)生器 cg2 通用工作寄存器 r4 通用工作寄存器 r15 表 2.1 msp430f

23、2274 的 cpu 的 16 個(gè)寄存器 3.狀態(tài)寄存器 sr 狀態(tài)寄存器記錄程序執(zhí)行過(guò)程中的現(xiàn)場(chǎng)情況，在程序設(shè)計(jì)中有相當(dāng)重要的 地位。msp430f2274 的狀態(tài)幾寸器為 16 位，目前只用到前 9 位，其結(jié)構(gòu)如下： 159 8 7 6 5 4 3 2 1 0 保留 vscg1scg0oscoffcpuoffgienzc 位 0 c 進(jìn)位標(biāo)志 當(dāng)運(yùn)算結(jié)果產(chǎn)生進(jìn)位時(shí)置位，否則復(fù)位。 基于 ez430-rf2500 的無(wú)線(xiàn)溫度傳感器的設(shè)計(jì) 4 位 1 z 零標(biāo)志 當(dāng)運(yùn)算結(jié)果為 0 時(shí)置位，否則復(fù)位。 位 2 n 負(fù)標(biāo)志 當(dāng)運(yùn)算結(jié)果為負(fù)時(shí)置位，否則復(fù)位。 位 3 gie 中斷控制位 置位允許中斷

24、，復(fù)位禁止所有的中斷。 該位中斷復(fù)位，reti 指令置位，也可以用哪個(gè)指令改變。 位 4 cpuoff cpu 控制位 置位使 cpu 進(jìn)入關(guān)閉模式，此時(shí)除了 ram 內(nèi)容、端口、寄存器保持外，cpu 處于停止?fàn)顟B(tài)，可用 所有允許的中斷將 cpu 從此狀態(tài)喚醒。 位 5 oscoff 晶振控制位 置位使晶體振蕩器處于停止?fàn)顟B(tài)，cpu 從 此狀態(tài)喚醒；只有在 gie 置位的情況下，由外部中斷或 nmi 喚醒。要設(shè)置 oscoff=1，必須同時(shí)設(shè)置 cpuoff=1. 位 6 scg0 此位與位 7 一起控制系統(tǒng)時(shí)鐘發(fā)生器的 4 中活動(dòng)狀態(tài)。 位 7 scg1 此位與位 6 一起控制系統(tǒng)時(shí)鐘發(fā)生器

25、的 4 中活動(dòng)狀態(tài)。 位 8 v 當(dāng)算術(shù)運(yùn)算結(jié)果超出有符號(hào)數(shù)范圍時(shí)置位。 4.常數(shù)發(fā)生器 cg1 和 cg2 在 16 個(gè)寄存器中 r2 和 r3 位常數(shù)發(fā)生器，利用 cpu 的 27 調(diào)內(nèi)核指令配合 常數(shù)發(fā)生器可以生成一些見(jiàn)解高效的模擬指令。表 1.2 列出了 cg1 和 cg2 可以 產(chǎn)生的常數(shù)。 寄存器 as 常數(shù)說(shuō)明 r2 r2 r2 r2 r3 r3 r3 r3 00 01 10 11 00 01 10 11 - (0) 00004h 00008h 0000h 00001h 0002h 0ffffh 寄存器模式 絕對(duì)尋址模式 +4，位處理 +8，位處理 0，字處理 +1 +2，位處理

26、 -1，字處理 表 2.2 cg1 和 cg2 可以產(chǎn)生的常數(shù) 5.通用工作寄存器 r4r15 為通用工作寄存器。msp430f2274 的通用寄存器是 430 活動(dòng)的打 不風(fēng)場(chǎng)所，可以執(zhí)行算術(shù)邏輯運(yùn)算，也可以作為臨時(shí)的暫存單元；可以字操作， 也可以字節(jié)操作。 msp430f2274 指令的尋址方式包括立即尋址、索引尋址和絕對(duì)尋址。這 4 種尋址方式均可用于源操作數(shù)，而索引、符號(hào)和絕對(duì)尋址方式只可以用于目的 操作數(shù)。源操作數(shù)和目的操作數(shù)的指令集需占用代碼存儲(chǔ)器中的 13 個(gè)字。 232 msp430f2274 的存儲(chǔ)器組織 msp430f2274 的存儲(chǔ)空間采用“馮-諾依曼”結(jié)構(gòu)，rom 和

27、ram 在同一地址 空間，使用一組地址數(shù)據(jù)總線(xiàn)。存儲(chǔ)空間的組織又分大模式和小模式。在小模 式時(shí)，總的尋址空間為 64kb；大模式時(shí)，總的尋址空間為 1mb。小模式時(shí)采用 基于 ez430-rf2500 的無(wú)線(xiàn)溫度傳感器的設(shè)計(jì) 5 線(xiàn)性尋址空間；大模式時(shí)代碼可訪(fǎng)問(wèn) 16 個(gè) 64kb 的代碼段，數(shù)據(jù)可訪(fǎng)問(wèn)的地址 空間為 16 個(gè) 64kb 的頁(yè)，即為分段分頁(yè)方式。 當(dāng)存儲(chǔ)器組織為 64kb 或更少時(shí)采用小模式，地址空間為最低的 64kb，而 目前的器件都設(shè)計(jì)成小模式，最大的程序存儲(chǔ)空間 60kb 空間中。現(xiàn)在只討論 64kb 存儲(chǔ)空間的使用情況。 由于采用“馮-諾依曼”結(jié)構(gòu)，rom 和 ram

28、在同一地址空間，從 00000h0ffffh 這一段范圍內(nèi)從低到高分別是：特殊功能寄存器、外圍模塊、 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、程序存儲(chǔ)器和中斷向量表。 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 ram msp430f2274 的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器位于存儲(chǔ)器地址空間的 0200h 以上，這些存儲(chǔ) 器一般用做數(shù)據(jù)的保存與堆棧，同時(shí)也是數(shù)據(jù)運(yùn)算的場(chǎng)所，在特殊場(chǎng)合還可以 用作程序存儲(chǔ)器?？梢宰植僮鳎部梢宰止?jié)操作，通過(guò)指令后綴加以區(qū)別。但 用做程序存儲(chǔ)器時(shí)只能字操作。 在字節(jié)操作時(shí)，每 8 位為一個(gè)操作單位；在字操作時(shí)，每?jī)蓚€(gè)字節(jié)為一個(gè) 操作單位，而且對(duì)準(zhǔn)偶地址操作。msp430f2274 為 flash 型的器件，它還有信 息存儲(chǔ)區(qū)，也可以當(dāng)做數(shù)據(jù)

29、 ram 使用，同時(shí)它是 flash 型，掉電后數(shù)據(jù)部丟失， 可以保存重要參數(shù)。 程序存儲(chǔ)器 rom 程序 rom 區(qū)位 0ffffh 以下一定數(shù)量存儲(chǔ)空間，可存放指令代碼和數(shù)據(jù)表 格。程序代碼必須偶地址尋址。程序代碼可分為 3 種情況：中斷向量區(qū)、用戶(hù) 程序代碼及系統(tǒng)引導(dǎo)程序。中斷向量區(qū)用來(lái)說(shuō)明相應(yīng)中斷的中斷服務(wù)程序首地 址。 233 msp430f2274 的尋址模式 msp430f2274 有 7 種尋址方式，其中源操作數(shù)可用全部的 7 種方式尋址， 而目的操作數(shù)只有 4 種方式尋址。但他們都可訪(fǎng)問(wèn)整個(gè)地址空間，由 as 和 ad 模式位的內(nèi)容確定，這 7 種方式分別是： 1. 寄存器尋

30、址模式 2. 變址尋址模式 3. 符號(hào)模式 4. 絕對(duì)尋址模式 5. 間接尋址模式 6. 間接增量尋址模式 7. 立即尋址模式 24 msp430f2274 的原理圖 圖 2.1 為 msp430f2274 的引腳圖 基于 ez430-rf2500 的無(wú)線(xiàn)溫度傳感器的設(shè)計(jì) 6 圖 2.1 msp430f2274 的引腳出線(xiàn)圖 圖 2.2 為 msp430f2274 的結(jié)構(gòu)框圖 圖 2.2 msp430f2274 的結(jié)構(gòu)框圖 基于 ez430-rf2500 的無(wú)線(xiàn)溫度傳感器的設(shè)計(jì) 7 3 無(wú)線(xiàn)射頻芯片 cc2500 cc2500 芯片是 chipcon 公司的第四代產(chǎn)品，工作頻率為 2.4ghz

31、，符合 ieee802.15.4 規(guī)范。cc2500 基于 chipcon 公司的 smartrf03 技術(shù)，以 0.18,no cmos 工藝制成。只需極少外部元器件，性能穩(wěn)定且功耗極低。 cc2500 具有片上載波感應(yīng)指示燈和數(shù)字 rssi 輸出，有助于提高無(wú)線(xiàn)鏈路 的質(zhì)量。自動(dòng)消除通道評(píng)價(jià)功能(cca)使其更適用于載波偵聽(tīng)(listen-before- talk,lb t)系統(tǒng)。而且 cc2500。可通過(guò)掃描 2.4ghz 的數(shù)字 rss91 尋找最佳工 作通道.cc2500 采用 4x4mm 20 引腳 qfp 封裝，由于外形小，而且需要的外部元 件數(shù)量少，因此適合開(kāi)發(fā)小型 2.4gh

32、z 產(chǎn)品。 cc2500 的選擇性和敏感性質(zhì)數(shù)超過(guò)了 ieee8 02.15.4 標(biāo)準(zhǔn)的要求，可確 保短距離通信的有效性和可靠性，且其數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達(dá) 500kpbs，因此 可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的快速組網(wǎng)。 31 cc2500 的性能參數(shù) cc2500 的主要性能參數(shù)如下所示: 1)采用 qlp 封裝，尺寸為 4 x 4mm; 2)工作頻帶范圍:2400mhz-2483.5mhz 3)數(shù)據(jù)傳輸速率為 500kpbs; 4)低電流消耗(rx: 15.6ma ).高靈敏度(-98dbm); 5)所需外圍元件很少; 6)抗干擾能力強(qiáng): 7)采用低壓供電(2.1v -3.6v) ; 8)與微處理器的

33、接口配置容易(4 總線(xiàn) spi 接口); 9)開(kāi)發(fā)工具齊全，提供開(kāi)發(fā)套件 圖 3.1 為 cc2500 的引腳接線(xiàn)圖 圖 3.1 cc2500 引腳圖 基于 ez430-rf2500 的無(wú)線(xiàn)溫度傳感器的設(shè)計(jì) 8 32 cc2500 的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖 3-2 是 cc2500 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。cc2500 從天線(xiàn)接收到射頻信號(hào)時(shí)， 首先經(jīng)過(guò)低噪聲放大器(low noise amplifier,lna)，然后在正交下變頻到 2mhz 的中頻上，形成中頻信號(hào)的同向分量和正交分量。兩路信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波和放 大后，直接通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(analog to digital converter, adc)轉(zhuǎn)換成數(shù)

34、字 信號(hào)。后續(xù)的處理，如自動(dòng)增益控制、最終信道選擇、解擴(kuò)以及字節(jié)同步等， 都是以數(shù)字信號(hào)的形式處理。 當(dāng) cc2500 的 sfd 引腳為低電平時(shí)，表示接收到了物理幀的 sfd 字節(jié).接收 到的數(shù)據(jù)存放在 128 字節(jié)的接收 fifo 緩存區(qū)中，幀的 crc 校驗(yàn)由硬件完成。 cc2500 的 fifo 緩存區(qū)保存 mac 幀的長(zhǎng)度、mac 幀頭和 mac 幀負(fù)載數(shù)據(jù)三 個(gè)部分，而不保存幀校驗(yàn)碼。cc2500 發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)幀的前導(dǎo)序列、幀的起 始分隔符以及幀檢驗(yàn)序列由硬件產(chǎn)生;接收數(shù)據(jù)時(shí)，這些部分只用于幀同步和 crc 校驗(yàn)，而不會(huì)保存到接收 fifo 緩存區(qū)。 cc2500 發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，

35、使用直接正交上變頻?；鶐盘?hào)的同相分量和正交分 量直接被數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，通過(guò)低通濾波器后，直接變頻到設(shè)定的 信道上。 圖 3-2 cc2500 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖 基于 ez430-rf2500 的無(wú)線(xiàn)溫度傳感器的設(shè)計(jì) 9 4 zigbee 協(xié)議棧研究 本章介紹的是基于 ieee802154 的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn) zigbee 協(xié)議棧，簡(jiǎn)單 講解 zigbee 的 mac 以及 phy 層(即 ieee802154 定義)，比較詳細(xì)地講解由 zigbee 聯(lián)盟所定義的 zigbee 協(xié)議棧網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。 41 zigbee 協(xié)議棧概述 zigbee 技術(shù)是一個(gè)具有統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的短距離無(wú)線(xiàn)通

36、信技術(shù)。zigbee 協(xié) 議棧由一組子層構(gòu)成，每層為其上層提供一組特定的服務(wù)：一個(gè)數(shù)據(jù)實(shí)體提供 數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，一個(gè)管理實(shí)體提供全部其他服務(wù)。每個(gè)服務(wù)實(shí)體通過(guò)一個(gè)服務(wù) 接入點(diǎn)(sap)為其上層提供服務(wù)接口，并且每個(gè) sap 提供了一系列的基本服務(wù)指 令來(lái)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。 圖 4.1 zigbee 體系結(jié)構(gòu)模型 zigbee 協(xié)議棧的體系結(jié)構(gòu)如圖 31 所示。它是基于標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)放式系統(tǒng)互 聯(lián)(osi)模型，但僅對(duì)那些涉及 zigbee 的層予以定義。ieee802154-2003 標(biāo)準(zhǔn)定義了最下面的兩層：物理層(phy)和介質(zhì)接入控制子層(mac)。zigbee 聯(lián) 盟提供了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層(apl)

37、框架的設(shè)計(jì)，其中應(yīng)用層的框架包括了應(yīng)用支持 子層(aps)、zigbee 設(shè)備對(duì)象(zdo)和由制造商制訂的應(yīng)用對(duì)象。 ieee802154 在工業(yè)科學(xué)醫(yī)療(ism)領(lǐng)域，定義了兩個(gè)工作頻段： 24ghz 頻段和 868915mhz 頻段。在 ieee802154 中，總共分配了 27 個(gè) 具有 3 種速率的信道：在 24ghz 頻段有 16 個(gè)速率為 250kbs 的信道；在 915mhz 頻段有 lo 個(gè) 40kbs 的信道；在 868mhz 頻段有一個(gè) 20kbs 的信道。 這些信道的中心頻率按如下定義(k 為信道數(shù)) 基于 ez430-rf2500 的無(wú)線(xiàn)溫度傳感器的設(shè)計(jì) 10 一個(gè)

38、ieee802154 可以根據(jù) ism 頻段、可用性、擁擠狀況和數(shù)據(jù)速率 在 27 個(gè)信道中選擇一個(gè)工作信道。從能量、成本和效率來(lái)看，不同的數(shù)據(jù)速率 能為不同的應(yīng)用提供較好的選擇。 來(lái)自 ieee802154 物理層協(xié)議數(shù)據(jù)單元(ppdu)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)被依次(按 字節(jié)從低到高)組成 4 位二進(jìn)制數(shù)據(jù)符號(hào)，每種數(shù)據(jù)符號(hào)(對(duì)應(yīng) 16 狀態(tài)組中的一 組)被映射成 32 位偽噪聲碼片(chip)，以便傳輸。然后這個(gè)連續(xù)的偽噪聲 chip 序列被調(diào)制(采用最小鍵控方式)到載波上，即采用半正弦脈沖波形的偏移正交 相移鍵控(oopsk)調(diào)制方式。 ieee802154mac 層提供兩種服務(wù)：mac 層數(shù)據(jù)服

39、務(wù)和 mac 層管理服務(wù)。 管理服務(wù)通過(guò) mac 層管理實(shí)體(mlme)服務(wù)接入點(diǎn)(sap)訪(fǎng)問(wèn)高層，mac 層數(shù)據(jù)服 務(wù)使 mac 層協(xié)議數(shù)據(jù)單元(mpdu)的收發(fā)可以通過(guò)物理層數(shù)據(jù)服務(wù)。 ieee802154mac 層的特征有信標(biāo)管理、信道接入機(jī)制、保證時(shí)隙(gts)管理、 幀確認(rèn)、確認(rèn)幀傳輸、節(jié)點(diǎn)接入和分離。 zigbee 的網(wǎng)絡(luò)層主要用于 zigbee 網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)連接、數(shù)據(jù)管理以及網(wǎng)絡(luò)安 全等，而應(yīng)用層主要用于對(duì) zigbee 技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用提供一些應(yīng)用框架模型等。 低速率的無(wú)限個(gè)局域網(wǎng)允許使用超幀結(jié)構(gòu)。超幀的格式由傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié) 調(diào)器定義，超幀被分為 16 個(gè)大小相等的時(shí)隙 n 別，

40、由協(xié)調(diào)器發(fā)送，如圖 42 所示。每個(gè)超幀之間由網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)分隔。信標(biāo)可用來(lái)使接入的設(shè)備同步，描述超 幀結(jié)構(gòu)。任何想要在競(jìng)爭(zhēng)接入時(shí)段(cap)通信的設(shè)備都要使用有時(shí)隙的載波監(jiān)聽(tīng) 多址接入沖突避免(csmaca)機(jī)制。所有的傳輸要在下一個(gè)信標(biāo)到來(lái)之前結(jié) 束。 圖 4.2 超幀結(jié)構(gòu) 從圖 42 可以看出，超幀結(jié)構(gòu)有活躍和非活躍兩部分。在非活躍部分，協(xié) 調(diào)器將不與網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系，進(jìn)入低能模式。對(duì)于低延遲應(yīng)用或需要特殊帶寬的應(yīng)用 基于 ez430-rf2500 的無(wú)線(xiàn)溫度傳感器的設(shè)計(jì) 11 來(lái)說(shuō)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器為它貢獻(xiàn)出超幀的活躍部分，這部分叫做 gts。gts 由無(wú)競(jìng)爭(zhēng) 時(shí)段(cfp)組成，它總是緊跟著 cap，在

41、活躍的超幀尾部。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器可以分配 7 個(gè) gts，每個(gè) gts 可以占用一個(gè)以上的時(shí)隙，而 cap 有充足的時(shí)間留給基于競(jìng) 爭(zhēng)的接入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備或想加入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備。所有基于競(jìng)爭(zhēng)的傳輸都要在 cfp 開(kāi) 始前結(jié)束，同樣，gts 的傳輸也要確保在下個(gè) gts 開(kāi)始前結(jié)束。 42 ieee802.15.4 通信層 zigbee 協(xié)議棧的體系結(jié)構(gòu)如圖 21 所示ieee802154 標(biāo)準(zhǔn)定義了最 下面的兩層一一物理層(phy)和介質(zhì)接入控制子層(mac)，而 zigbee 直接使用了 ieee802154 所定義的物理層和介質(zhì)接入控制子層來(lái)作為 zigbee 的物理層 和介質(zhì)接入控制子層。 421 p

42、hy(物理)層 zigbee 的通信頻率在物理層來(lái)規(guī)范，zigbee 根據(jù)不同的國(guó)家和地區(qū)為其提 供不同的工作頻率范圍，zigbee 所使用的頻率范圍分別為 24ghz 和 868915mhz。因此，ieee802154 定義了兩個(gè)物理層標(biāo)準(zhǔn)，分別是 24ghz 物理層和 868915mhz 物理層。兩個(gè)物理層都基于直接序列擴(kuò)頻(dsss，direct sequence spread spectrum)技術(shù)，使用相同的物理層數(shù)據(jù)包格式，區(qū)別在于工 作頻率、調(diào)制技術(shù)、擴(kuò)頻碼片長(zhǎng)度和傳輸速率的不同。 24ghz 波段為全球統(tǒng)一、無(wú)須申請(qǐng)的 ism 頻段，有助于 zigbee 設(shè)備的推 廣和生產(chǎn)成本

43、的降低。24ghz 的物理層通過(guò)采用 16 相調(diào)制技術(shù)，能夠提供 250kbs 的傳輸速率，從而提高了數(shù)據(jù)吞吐率，縮短了通信時(shí)延和數(shù)據(jù)收發(fā)的 時(shí)間，所以更加省電。 868mhz 是歐洲附加的 ism 頻段，915mhz 是美國(guó)附加的 ism 頻段，工作在這 兩個(gè)頻段上的 zigbee 設(shè)備避開(kāi)了來(lái)自 24ghz 頻段中其他無(wú)線(xiàn)通信設(shè)備和家用 電器的無(wú)線(xiàn)電干擾。868mhz 上的傳輸速率為 20kbs，915mhz 上的傳輸速率則 是 40kbs。物理層提供兩個(gè)服務(wù)：phy 數(shù)據(jù)服務(wù)和 phy 管理服務(wù)，phy 管理服 務(wù)和物理層管理實(shí)體(plme)接口。phy 數(shù)據(jù)服務(wù)：在物理無(wú)線(xiàn)信道上接收和

44、發(fā) 送 phy 協(xié)議數(shù)據(jù)單元(ppdus)，物理層負(fù)責(zé)下面的任務(wù)： 無(wú)線(xiàn)收發(fā)信機(jī)的激活和去激活； 在當(dāng)前信道上的能量監(jiān)測(cè)(ed)； 鏈路質(zhì)量指示(lqi)，用在接收的數(shù)據(jù)包上； 清除信道評(píng)估(cca)； 信道頻率選擇； 數(shù)據(jù)發(fā)送和接收； ieee 在物理層中還規(guī)范了傳輸速率以及調(diào)制方式等相關(guān)要求。在 24ghz 的物理層，數(shù)據(jù)傳輸速率為 250kbs，采用的是 16 相位正交調(diào)制技術(shù)(o- qpsk)：在 915mhz 的物理層，數(shù)據(jù)傳輸速率為 40kbs；采用的是帶有二進(jìn)制 移相鍵控(bpsk)的直接序列擴(kuò)頻(dsss)技術(shù)；在 868mhz 的物理層，數(shù)據(jù)傳輸速 率為 20kbs，采用的是

45、帶有二進(jìn)制移相鍵控(bpsk)的直接序列擴(kuò)頻(dsss)技 術(shù)。 物理層通過(guò)射頻固件和射頻硬件提供了一個(gè)從 mac 層到物理層無(wú)線(xiàn)信道的 接口。從圖 44 可以看到，在物理層中存在數(shù)據(jù)服務(wù)接入點(diǎn)和物理層管理實(shí)體 服務(wù)的接入點(diǎn)。通過(guò)這兩個(gè)服務(wù)接入點(diǎn)提供如下服務(wù)：通過(guò)物理層數(shù)據(jù)服務(wù)接 基于 ez430-rf2500 的無(wú)線(xiàn)溫度傳感器的設(shè)計(jì) 12 入點(diǎn)(pdsap)為物理層數(shù)據(jù)提供服務(wù)；通過(guò)物理層管理實(shí)體(plme)服務(wù)的接入 點(diǎn)(plmesap)為物理層管理提供服務(wù)。 圖 4.4 物理層參考模型 圖 45 給出了物理層數(shù)據(jù)包的格式。zigbee 物理層數(shù)據(jù)包由同步包頭、 物理層包頭和物理層凈荷三部

46、分組成。同步包頭由前同步碼(前導(dǎo)碼)和數(shù)據(jù)包 (幀)分隔符組成，用于獲取符號(hào)同步、擴(kuò)頻碼同步和幀同步，也有助于粗略的 頻率調(diào)整；物理層包頭指示凈荷部分的長(zhǎng)度，物理層凈荷部分含有 mac 層數(shù)據(jù) 包，凈荷部分的最大長(zhǎng)度是 127 字節(jié)。如果數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度類(lèi)型為 5 字節(jié)或大于 8 字節(jié)，那么物理層服務(wù)數(shù)據(jù)單元(psdu)攜帶 mac 層的幀信息，即 mac 層協(xié)議 數(shù)據(jù)單元。 4 字節(jié)1 字節(jié)1 字節(jié)變量（127 字節(jié)） 前導(dǎo)碼 幀起始分隔符幀長(zhǎng)度 （7bit） 預(yù)留位 （1bit）psdu 同步頭phy 幀頭phy 凈載 圖 4.5 phy 幀結(jié)構(gòu) 422 mac(介質(zhì)接入控制子層) 在 iee

47、e802 系列中，osi 參考模型的數(shù)據(jù)鏈路層又被分為 mac 和 llc 兩個(gè) 子層。mac 子層使用物理層提供的服務(wù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)幀傳輸，而 llc 子 層在 mac 子層的基礎(chǔ)上，在設(shè)備之間提供面向連接(關(guān)聯(lián))和非連接(取消關(guān)聯(lián)) 的服務(wù)。 ieee802154 mac 子層實(shí)現(xiàn)包括設(shè)備間無(wú)線(xiàn)鏈路的建立、維護(hù)和斷開(kāi)， 確認(rèn)模式的幀傳送與接收，信道接入與控制，幀校驗(yàn)與快速自動(dòng)請(qǐng)求重發(fā)(arq)， 預(yù)留時(shí)隙管理以及廣播信息管理等。mac 子層處理所有物理層無(wú)線(xiàn)信道的接入， 其主要工作有： 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器產(chǎn)生并發(fā)送網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)幀： 支持多個(gè)域網(wǎng)(pan)的關(guān)聯(lián)和取消關(guān)聯(lián)； 為設(shè)備的安全提供支持；

48、與網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)同步； 信道接入方式采用載波監(jiān)聽(tīng)多址接入沖突避免(csmaca)機(jī)制； 處理和維護(hù)保護(hù)時(shí)隙(gts)機(jī)制： 基于 ez430-rf2500 的無(wú)線(xiàn)溫度傳感器的設(shè)計(jì) 13 在兩個(gè)對(duì)等的 mac 實(shí)體之間提供一個(gè)可靠的通信鏈路。 mac 層在服務(wù)協(xié)議匯聚層(sscs)和物理層之間提供了一個(gè)接口。mac 層包括 一個(gè)稱(chēng)之為 mlme 的管理實(shí)體，該實(shí)體通過(guò)一個(gè)服務(wù)接口可調(diào)用 mac 層管理 功能，該實(shí)體還負(fù)責(zé)維護(hù) mac 層固有的管理對(duì)象的數(shù)據(jù)庫(kù)。從圖 36 可以看出， 在 mac 層兩個(gè)不同服務(wù)的接入點(diǎn)提供了兩個(gè)不同的 mac 層服務(wù)：mac 層通過(guò)它 的公共部分子層服務(wù)接入點(diǎn)為它提供數(shù)

49、據(jù)服務(wù)；mac 層通過(guò)它的管理實(shí)體服務(wù) 接入點(diǎn)為它提供管理服務(wù)。 圖 47 給出了 mac 子層的數(shù)據(jù)包格式。mac 子層數(shù)據(jù)包由 mac 子層幀頭 (mhr， mac header)、mac 子層載荷和 mac 子層幀尾(mfr，mac footer)組成。mac 子層幀頭由 2 字節(jié)的幀控制域、1 字節(jié)的幀序號(hào)域和最多 20 字節(jié)的地址域組成。 幀控制域指明了 mac 幀的類(lèi)型、地址域的格式以及是否需要接收方確認(rèn)等控制 信息；幀序號(hào)域包含了發(fā)送方對(duì)幀的順序編號(hào)，用于匹配確認(rèn)幀，實(shí)現(xiàn) mac 子 層的可靠傳輸；地址域采用的尋址方式可以是 64 位的 ieee mac 地址或者 8 位 的 z

50、igbee 網(wǎng)絡(luò)地址。 圖 4.6 mac 子層參考模型 圖 4.7 mac 幀格式 mac 子層載荷，其長(zhǎng)度可變，不同的幀類(lèi)型包含不同的信息，如 mac 子層 業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)單元(msdu)：但整個(gè),mac 幀的長(zhǎng)度應(yīng)該小于 127 字節(jié)，其內(nèi)容取決于 幀類(lèi)型。ieee802154 的 mac 子層定義了 4 種幀類(lèi)型：廣播(信標(biāo))幀、數(shù)據(jù) 幀、確認(rèn)幀和 mac 命令幀。只有廣播幀和數(shù)據(jù)幀包含了高層控制命令或者數(shù)據(jù)， 確認(rèn)幀和 mac 命令幀則用于 zigbee 設(shè)備間與 mac 子層功能實(shí)體間控制信息的收 發(fā)。 mac 子層幀尾含有采用 16 位 crc 算法計(jì)算出來(lái)的幀校驗(yàn)序列(fcs)，用于

51、 基于 ez430-rf2500 的無(wú)線(xiàn)溫度傳感器的設(shè)計(jì) 14 接收方判斷該數(shù)據(jù)包是否正確，從而決定是否采用 arq 進(jìn)行差錯(cuò)恢復(fù)。廣播幀 和確認(rèn)幀不需要接收方的確認(rèn)；數(shù)據(jù)幀和 mac 命令幀的幀頭包含幀控制域，指 示收到的幀是否需要確認(rèn)，如果需要，并且已經(jīng)通過(guò)了 crc 檢驗(yàn)，接收方將立 即發(fā)送確認(rèn)幀，若發(fā)送方在一定時(shí)間內(nèi)收不到確認(rèn)幀，將自動(dòng)重傳該幀，這就 是 mac 子層可靠傳輸?shù)幕具^(guò)程。 ieee802154mac 子層定義了兩種基本的信道接入方法，分別用于兩種 zigbee 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中。這兩種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分別是基于中心控制的星狀網(wǎng)絡(luò)和基 于對(duì)等操作的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。在星狀網(wǎng)絡(luò)中，中心設(shè)備承

52、擔(dān)網(wǎng)絡(luò)的形成和維護(hù)、時(shí) 隙的劃分、信道接入控制和專(zhuān)用帶寬分配等功能，其余設(shè)備根據(jù)中心設(shè)備的廣 播信息來(lái)決定如何接入和使用無(wú)線(xiàn)信道。這是一種時(shí)隙化的載波偵聽(tīng)沖突避 免(csmaca)信道接入算法。在對(duì)等網(wǎng)狀方式的網(wǎng)絡(luò)中，沒(méi)有中心設(shè)備的控制， 也沒(méi)有廣播信道和廣播信息，而是使用標(biāo)準(zhǔn)的 csmaca 信道接入算法接入網(wǎng)絡(luò)。 43 zigbee 網(wǎng)絡(luò)層 zigbee 協(xié)議棧是在 ieee802154 標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上建立的，我們知道 ieee802154 僅定義了協(xié)議的 mac 和 phy 層。zigbee 設(shè)備應(yīng)該包括 ieee802154 的 phy 和 mac 層以及 zigbee 協(xié)議棧層：網(wǎng)絡(luò)層(

53、nwk)、應(yīng)用層 和安全服務(wù)管理。 從應(yīng)用角度看，通信的本質(zhì)就是端點(diǎn)到端點(diǎn)的連接(例如，一個(gè)帶開(kāi)關(guān)組件 的設(shè)備與帶一個(gè)或多個(gè)燈組件的遠(yuǎn)端設(shè)備進(jìn)行通信，目的是將這些燈點(diǎn)亮)。端 點(diǎn)之間的通信是通過(guò)稱(chēng)之為簇的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的。 每個(gè)接口都能接收(用于輸入)或發(fā)送(用于輸出)簇格式的數(shù)據(jù)。一共有兩 個(gè)特殊的端點(diǎn)，即端點(diǎn) 0 和端點(diǎn) 255。端點(diǎn) 0 用于整個(gè) zigbee 設(shè)備的配置和管 理，應(yīng)用程序可以通過(guò)端點(diǎn) 0 與 zigbee 協(xié)議棧的其他層通信，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)這些 層的初始化和配置，附屬在端點(diǎn) 0 的對(duì)象被稱(chēng)為 zigbee 設(shè)備對(duì)象(zdo)；端點(diǎn) 255 用于向所有端點(diǎn)的廣播。端點(diǎn) 241，

54、254 是預(yù)留端點(diǎn)。 所有端點(diǎn)都使用應(yīng)用支持子層(aps)提供的服務(wù)。aps 通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層和安全服 務(wù)提供層與端點(diǎn)相接，并為數(shù)據(jù)傳送、安全和綁定提供服務(wù)，所以能夠適配不 同但兼容的設(shè)備，比如帶燈的開(kāi)關(guān)。 aps 使用網(wǎng)絡(luò)層(nwk)提供的服務(wù)。nwk 負(fù)責(zé)設(shè)備到設(shè)備的通信，并負(fù)責(zé)網(wǎng) 絡(luò)中設(shè)備初始化所包含的活動(dòng)、消息路由和網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)。應(yīng)用層可以通過(guò) zigbee 設(shè)備對(duì)象(zdo)對(duì)網(wǎng)絡(luò)層參數(shù)進(jìn)行配置和訪(fǎng)問(wèn)。 根據(jù) zigbee 協(xié)議棧規(guī)定的所有功能和支持，我們很容易推測(cè) zigbee 協(xié)議 棧的實(shí)現(xiàn)需要用到設(shè)備中的大量存儲(chǔ)器資源。 zigbee 規(guī)范定義了三種類(lèi)型的設(shè)備，每種都有自己的功能要求。z

55、igbee 協(xié) 調(diào)器是啟動(dòng)和配置網(wǎng)絡(luò)的一種設(shè)備，可以保持間接尋址用的綁定表格，支持關(guān) 聯(lián)，同時(shí)還能設(shè)計(jì)信任中心和執(zhí)行其他活動(dòng)，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)中正常工作以及保持同 網(wǎng)絡(luò)其他設(shè)備的通信，一個(gè) zigbee 網(wǎng)絡(luò)只允許有一個(gè) zigbee 協(xié)調(diào)器。zigbee 路由器是一種支持關(guān)聯(lián)的設(shè)備，能夠?qū)⑾⑥D(zhuǎn)發(fā)到其他設(shè)備，zigbee 網(wǎng)格或樹(shù) 狀網(wǎng)絡(luò)可以有多個(gè) zigbee 路由器。zigbee 終端設(shè)備可以執(zhí)行它的相關(guān)功能， 并使用 zigbee 網(wǎng)絡(luò)到達(dá)其他需要與其通信的設(shè)備，它的存儲(chǔ)器容量要求最小。 三種設(shè)備根據(jù)功能完整性分為全功能(ffd)和減功能(rfd)設(shè)備。其中全功能設(shè) 備可作為協(xié)調(diào)器、路由器和終

56、端設(shè)備，而減功能設(shè)備只能用于終端設(shè)備。一個(gè) 基于 ez430-rf2500 的無(wú)線(xiàn)溫度傳感器的設(shè)計(jì) 15 全功能設(shè)備可與多個(gè) rfd 設(shè)備或多個(gè)其他 ffd 設(shè)備通信，而一個(gè)減功能設(shè)備只 能與一個(gè) ffd 通信。 網(wǎng)絡(luò)的特定結(jié)構(gòu)會(huì)戲劇性地影響設(shè)備所需的資源。nwk 支持的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆?星狀、樹(shù)(串)狀和網(wǎng)格狀。在這幾種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲?，星狀網(wǎng)絡(luò)對(duì)資源的要求最低。 431 網(wǎng)絡(luò)層概況 zigbee 網(wǎng)絡(luò)層的主要功能就是提供一些必要的函數(shù)，確保 zigbee 的 mac 層正常工作，并且為應(yīng)用層提供合適的服務(wù)接口。為了向應(yīng)用層提供其接口， 網(wǎng)絡(luò)層提供了兩個(gè)必需的功能服務(wù)實(shí)體，它們分別是數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)體和管理服

57、務(wù) 實(shí)體，如圖 28 所示。網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)(nlde- sap)提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)管理層實(shí)體通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn) (nlme-sap)提供網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體利用網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體完成一些 網(wǎng)絡(luò)的管理工作，并且網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體完成對(duì)網(wǎng)絡(luò)信息庫(kù)(nib)的維護(hù)和管理。 網(wǎng)絡(luò)層通過(guò) mcpssap 和 mlmesap 接口為 mac 層提供接口，通過(guò) nlde- sap 與 nlmesap 接口為應(yīng)用層提供接口服務(wù)。 網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體提供網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)，允許應(yīng)用與協(xié)議棧相互作用。網(wǎng)絡(luò)層 管理實(shí)體提供如下服務(wù)： 配置一個(gè)新設(shè)備：為操作按照要求充分布局協(xié)議棧的能力

58、。布局選擇包括 作為 zigbee 協(xié)調(diào)器開(kāi)始操作或加入一個(gè)現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)； 開(kāi)始一個(gè)網(wǎng)絡(luò)：有能力建立一個(gè)新網(wǎng)絡(luò)； 加入和離開(kāi)網(wǎng)絡(luò)：有能力加入或離開(kāi)網(wǎng)絡(luò)以及為對(duì) zigbee 協(xié)調(diào)器或 zigbee 路由器請(qǐng)求設(shè)備離開(kāi)網(wǎng)絡(luò)的能力； 尋址：zigbee 協(xié)調(diào)器和路由器為加入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備分配地址的能力； 鄰居友備發(fā)現(xiàn) j 有能力發(fā)現(xiàn)、記錄和報(bào)告設(shè)備一跳鄰居的信息： 路由發(fā)現(xiàn)：發(fā)現(xiàn)并記錄通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的路徑，通過(guò)這些路徑，消息被有效路由 的能力； 接收控 n-設(shè)備控制接收機(jī)何時(shí)被激活、激活多久及使能 mac 子層同步或直 接接收的能力； 網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體 服務(wù)接入點(diǎn)服務(wù)接入點(diǎn) mac 管理實(shí)體管理實(shí)

59、體 服務(wù)接入點(diǎn)服務(wù)接入點(diǎn) mac 命令部分子層命令部分子層 服務(wù)接入點(diǎn)服務(wù)接入點(diǎn) 網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體 網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體 服務(wù)接入點(diǎn)服務(wù)接入點(diǎn) 基于 ez430-rf2500 的無(wú)線(xiàn)溫度傳感器的設(shè)計(jì) 16 圖 4.8 網(wǎng)絡(luò)層參考模型 網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體為數(shù)據(jù)提供服務(wù)。在兩個(gè)或多個(gè)設(shè)備之間傳送數(shù)據(jù)時(shí)，將 按照應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元(apdu)的格式進(jìn)行傳送，并且這些設(shè)備必須在同一個(gè)網(wǎng) 絡(luò)中，即在同一個(gè)內(nèi)部局域網(wǎng)中。網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體提供如下服務(wù)： 生成網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議數(shù)據(jù)單元(npdu)：nlde 能夠通過(guò)添加合適的協(xié)議頭從應(yīng)用 支持子層生成 npdu； 指定拓?fù)鋫鬏?/p>

60、路由。nlde 應(yīng)能夠送 npdu 到一個(gè)適當(dāng)?shù)难b置，此設(shè)備是通 信 的最終目標(biāo)或是通信鏈路下一步的最后目的； 432 網(wǎng)絡(luò)層幀結(jié)構(gòu) 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)據(jù)單元(npdu)即網(wǎng)絡(luò)層幀的結(jié)構(gòu)，如圖 49 所示。 2 字節(jié)2 字節(jié)2 字節(jié)1 字節(jié)1 字節(jié)變量 目的地址來(lái)源地址半徑域序列號(hào)幀控制 路由域 frame 凈載 nwk 頭nwk 凈載 圖 4.9 網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)包(幀)格式 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)據(jù)單元(npdu)結(jié)構(gòu)(幀結(jié)構(gòu))的基本組成部分是：網(wǎng)絡(luò)層幀報(bào)頭， 包含幀控制、地址和序列信息；網(wǎng)絡(luò)層幀的可變長(zhǎng)有效載荷，包含幀類(lèi)型所 指定的信息。 圖 49 表示的是網(wǎng)絡(luò)層的通用幀結(jié)構(gòu)，不是所有的幀都包含地址和序列域， 但