畢業(yè)論文----基于單片機的土壤溫濕度采集系統(tǒng)設(shè)計

1、<p>　　本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計</p><p>　　論文題目： 土壤溫濕度采集系統(tǒng)設(shè)計 </p><p>　　學(xué)生姓名： </p><p>　　專業(yè)年級：電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè) </p><p>　　指導(dǎo)教師：

2、 職稱 講 師 </p><p>　　2008 年 6 月 2 日</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　題目與摘要I</b></p><p><b>　　1 前 言1</b></p><p>

3、;　　1.1題目的來源與開發(fā)意義1</p><p>　　1.2系統(tǒng)功能概述1</p><p>　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計2</p><p>　　2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計概述2</p><p>　　2.1.1無線傳輸核心技術(shù)——ZigBee2</p><p>　　2.1.2終端設(shè)備解決方案2</p>&l

4、t;p>　　2.2 系統(tǒng)框圖3</p><p>　　2.2.1網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)框圖3</p><p>　　2.2.2終端設(shè)備系統(tǒng)框圖4</p><p>　　2.3 方案論證4</p><p>　　2.3.1網(wǎng)絡(luò)制式選擇4</p><p>　　2.3.2終端設(shè)備方案選擇5</p><p>

5、;　　2.4 硬件設(shè)計與物理實現(xiàn)6</p><p>　　2.4.1 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)——ZigBee無線傳輸技術(shù)介紹7</p><p>　　2.4.2 終端設(shè)備硬件實現(xiàn)方法9</p><p>　　2.4.2.1 主控芯片CC2430與無線收發(fā)9</p><p>　　2.4.2.2 數(shù)據(jù)采集13</p><p>　　2

6、.4.2.3 數(shù)據(jù)顯示32</p><p>　　2.4.2.4 數(shù)據(jù)存儲33</p><p>　　2.4.2.5 按鍵控制34</p><p>　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計35</p><p>　　3.1 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計思想35</p><p>　　3.2 各功能模塊軟件程序設(shè)計35</p><

7、;p><b>　　4 系統(tǒng)調(diào)試45</b></p><p>　　4.1 硬件電路調(diào)試45</p><p>　　4.2 各功能模塊軟件調(diào)試45</p><p><b>　　5 結(jié) 論46</b></p><p>　　附錄一 系統(tǒng)總體硬件電路圖48</p><p>

8、;　　附錄二 系統(tǒng)程序流程圖49</p><p>　　附錄三 系統(tǒng)程序清單52</p><p>　　土壤溫濕度采集系統(tǒng)設(shè)計</p><p><b>　　學(xué) 生：韓</b></p><p>　　專 業(yè)：電子信息科學(xué)與技術(shù)</p><p><b>　　指導(dǎo)教師：</b&

9、gt;</p><p>　　摘 要：本設(shè)計基于CC2430無線片上系統(tǒng)為核心部件，用時域反射型（TDR）抗腐蝕土壤濕度傳感器采集濕度數(shù)據(jù)，以DS18B20采集土壤溫度，同時根據(jù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要附加SHT11溫濕度模塊采集空氣溫濕度值，使用OLED屏顯示測得數(shù)據(jù)，并用AT24C08存儲數(shù)據(jù)。本設(shè)計是土壤溫濕度環(huán)境無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的初步設(shè)計，目的在于實現(xiàn)終端設(shè)備的功能，后待開發(fā)建立在IEEE 802.15.4的 Zi

10、gBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)建網(wǎng)方案。</p><p>　　關(guān)鍵詞：ZigBee；OLED顯示；溫濕度采集；時域反射；無線傳輸；CC2430。</p><p>　　A Design of a Collecting System for Soil Temperature and Humidity</p><p>　　Name：Han Yunxiao </p>

11、<p>　　Major：Electronics Information Science and Technology</p><p>　　Tutor：Gong He</p><p>　　Abstract: This design bases on CC2430 wireless system as core component, using Time-Domain Refle

12、ctor(TDR) Anti-corrosion Soil Humidity Sensors to collect humidity data, using DS18B20 to collect soil temperature, in the meanwhile, adding SHT11 temperature-humidity module to collect air temperature and air humidity a

13、ccording to agriculture production needs, using OLED screen to get the data, and saving them with AT24C08.This design is a basic design of soil temperature-humidity wireless monitor sy</p><p>　　Key words: Zi

14、gBee; oled; Collect temperature and humidity; TDR; Wireless; CC2430.</p><p><b>　　1 前 言</b></p><p>　　1.1題目的來源與開發(fā)意義</p><p>　　土壤墑情(溫度和濕度等)是重要的土壤信息，是農(nóng)作物和樹木生長的重要生態(tài)因素，進行土壤墑情的測

15、定，掌握土壤墑情變化的規(guī)律，對作物生態(tài)狀況的監(jiān)測和預(yù)報具有重要意義。土壤墑情無線采集系統(tǒng)已成為現(xiàn)代農(nóng)林監(jiān)管的高科技手段，隨著電子計算機技術(shù)的飛速發(fā)展和智能化測量技術(shù)的不斷進步，以及ZigBdee無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進一步成熟，因此土壤墑情無線監(jiān)管系統(tǒng)的ZigBee解決方案已經(jīng)成為可能。</p><p>　　總結(jié)以往在土壤濕度采集過程中的經(jīng)驗可知，雖然測量的精確性可以保證，但是方便性與精確性卻很難同時達到，便捷的手持

16、設(shè)備可以方便采集到接近的數(shù)據(jù)，但不夠精確又不耐腐蝕，使用壽命短，配合電子計算機的大型設(shè)備又不能隨身攜帶。更為困難的是在大面積的土地中是不可能人工采集方法獲得數(shù)據(jù)的，我們無法安排足夠的人力每天多次測量大面積的土地，所測得的數(shù)據(jù)也不便于統(tǒng)計分析。因此無線傳感網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)勢在必得。</p><p>　　基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的土壤溫濕度無線采集系統(tǒng)，完全符合我們的要求，首先我們使用最專業(yè)的土壤溫濕度采集傳感器，

17、濕度采集利用時域反射原理設(shè)計而成，精度極高，耐腐蝕極強，這也是長期在土壤中安置的前提保證。智能型網(wǎng)絡(luò)可以快捷方便的獲得每個檢測點的土壤狀況數(shù)據(jù)，以超低功耗的傳輸機制使得系統(tǒng)靈活方便，即使每天使用高精度傳感器多次測量也可以保證一塊鋰電池可以使用一、兩年之久，當(dāng)然，我們可以使用太陽能電池，能源問題完全不必擔(dān)心。配合電源管理芯片可以將終端采集設(shè)備的運行狀況及時的報告給遠端的監(jiān)控設(shè)備確保運行正常。使用計算機的統(tǒng)計與管理功能，我們可以方便高效的對

18、土壤資源狀況進行統(tǒng)計分析。</p><p>　　因此，決定建設(shè)套無線傳感網(wǎng)絡(luò)，于是設(shè)計終端便成為網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，本設(shè)計也就由此開始了。</p><p><b>　　1.2系統(tǒng)功能概述</b></p><p>　　本次設(shè)計中網(wǎng)絡(luò)架設(shè)及終端設(shè)備的遠程控制將不做為重點研究內(nèi)容，主要完成終端設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、顯示、發(fā)送與存儲工作，實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的底層設(shè)

19、計。整體設(shè)計是將TDR土壤濕度傳感器獲得濕度數(shù)據(jù)、DS18B20采集的土壤溫度數(shù)據(jù)利以及SHT11獲得的空氣溫濕度數(shù)據(jù)通過CC2430無線單片機發(fā)送出去，并可以根據(jù)需要將數(shù)據(jù)顯示在OLED顯示屏上，通過導(dǎo)航按鍵可以方便設(shè)定采集數(shù)據(jù)的時間間隔、采集數(shù)據(jù)的類型（便于統(tǒng)計分析）、系統(tǒng)時間等信息。使用AT24C08串行EEPROM將數(shù)據(jù)同步存儲在設(shè)備終端，即便網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障或者設(shè)備中斷，所測得數(shù)據(jù)依然安全保存。</p><p&

20、gt;<b>　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計</b></p><p>　　2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計概述</p><p>　　2.1.1無線傳輸核心技術(shù)——ZigBee</p><p>　　ZigBee名字來源于蜂群使用的賴以生存和發(fā)展的通信方式，蜜蜂通過跳ZigZag形狀的舞蹈來通知發(fā)現(xiàn)的新食物源的位置、距離和方向等信息，以此作為新一代無線通訊技術(shù)的名稱。Z

21、igBee過去又稱為 “HomeRF Lite”、“RF-EasyLink”或“FireFly”無線電技術(shù)，目前統(tǒng)一稱為ZigBee技術(shù)。[1]</p><p>　　ZigBee是一種新興的短距離、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本、低復(fù)雜度的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。ZigBee 采取了IEEE 802.15.4強有力的無線物理層所規(guī)定的全部優(yōu)點：省電、簡單、成本又低的規(guī)格； ZigBee增加了邏輯網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)安全和應(yīng)用層。ZigB

22、ee聯(lián)盟預(yù)測的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括工業(yè)控制、消費性電子設(shè)備、汽車自動化、家庭和樓宇自動化、醫(yī)用設(shè)備控制等。</p><p>　　鑒于ZigBee技術(shù)的諸多優(yōu)勢，本次設(shè)計將采用這一組網(wǎng)方式，硬件設(shè)備采用德州儀器生產(chǎn)的無線單片機CC2430為核心部件，它是世界上首個真正的單芯片ZigBee解決方案，是世界上第一個真正意義上的SoC-ZigBee一站式產(chǎn)品，具有芯片可編程閃存以及通過認證的ZigBee TM協(xié)議棧，它們都集

23、成在一個硅片內(nèi)，方便日后的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。</p><p>　　2.1.2終端設(shè)備解決方案</p><p>　　在設(shè)計的開始前我們還需要作一部分工作：</p><p>　　TDR土壤濕度傳感器的使用是十分不便的，我們并不知道它的輸出與采樣的對應(yīng)關(guān)系，使用的傳感器來自于計算機平臺上的傳感器，它使用計算機串口，通過軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析，最終得到濕度數(shù)據(jù)。我們的工作就是需要從它的

24、原有計算機平臺中取出對應(yīng)關(guān)系，然后才能夠?qū)鞲衅魍ㄟ^終端設(shè)備獨立使用，告別計算機。這部分也是設(shè)計的難點。設(shè)計中選擇了從計算機平臺中“偷取數(shù)據(jù)”的辦法實現(xiàn)獲得采樣與輸出的對應(yīng)關(guān)系。即在計算機平臺工作時將傳感器送出的數(shù)據(jù)定時竊取一個存入終端設(shè)備中，持續(xù)重復(fù)數(shù)次，然后按時間與計算機平臺中丟失的數(shù)據(jù)的相鄰兩個數(shù)據(jù)的平均值對比，這樣就可以獲得輸出與采樣的對應(yīng)關(guān)系。這種方法簡便有效（只需要安裝一個程控繼電器即可），誤差較低。</p>

25、<p>　　根據(jù)需要，完整的終端設(shè)備包括中心控制與數(shù)據(jù)收發(fā)、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲及按鍵五個部分。</p><p>　　中心控制單元主要是CC2430無線片上系統(tǒng)，強大的功能優(yōu)勢足以滿足系統(tǒng)的全部需求。數(shù)據(jù)收發(fā)部分利用CC2430自身的功能，通過2.4G天線、晶體振蕩器及簡單外圍電路即可實現(xiàn)。</p><p>　　數(shù)據(jù)采集部分包括三個大部分：</p><

26、p>　　TDR土壤濕度傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換：使用耐腐蝕TDR土壤濕度傳感器和MAX1301高速率A/D轉(zhuǎn)換搭建完成，可以將數(shù)據(jù)以數(shù)字信號的方式通過SPI總線模式送入中心控制單元。</p><p>　　DS18B20溫度采集模塊采集土壤溫度，由于DS18B20是單總線模式，所以使用還是相當(dāng)?shù)姆奖恪?lt;/p><p>　　SHT11空氣溫濕度采集模塊。數(shù)字信號直接輸出，以I2C總線模式傳送數(shù)據(jù)

27、應(yīng)用方便。</p><p>　　數(shù)據(jù)顯示部分通過OLED屏幕（冷光屏）顯示數(shù)據(jù)。OLED屏是利用有機發(fā)光材料受激輻射發(fā)光原理，因此無需背光、亮度高、功耗低，最符合系統(tǒng)需要。</p><p>　　數(shù)據(jù)存儲部分使用的AT24C08支持I2C 總線數(shù)據(jù)傳送協(xié)議。I2C 總線協(xié)議規(guī)定任何將數(shù)據(jù)傳送到總線的器件作為發(fā)送器，任何從總線接收數(shù)據(jù)的器件為接收器，存儲能力為8k，在不影響使用的情況下減小了設(shè)

28、計成本。</p><p>　　按鍵采用了上、下、左、右四個方向鍵和確認、取消兩個功能鍵作。四個方向鍵采用 ADC 采樣輸入，兩個功能鍵直接讀取端口電平。節(jié)約了CC2430的端口充分利用了內(nèi)部的剩余資源（內(nèi)部ADC）。</p><p><b>　　2.2 系統(tǒng)框圖</b></p><p>　　2.2.1網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)框圖</p><

29、p>　　圖2-1 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)框圖</p><p>　　Fig. 2-1 Block diagram of network system</p><p>　　本系統(tǒng)的總體網(wǎng)絡(luò)框圖如圖2-1所示，這部分內(nèi)容將是后待開發(fā)的主要內(nèi)容，目前不做細致研究。</p><p>　　2.2.2終端設(shè)備系統(tǒng)框圖</p><p>　　本系統(tǒng)的終端設(shè)備框圖如

30、圖2-2所示，這部分內(nèi)容將作為本次設(shè)計重點研究。</p><p>　　圖2-2 終端設(shè)備系統(tǒng)框圖</p><p>　　Fig. 2-2 Systematic block diagram of the terminal device</p><p><b>　　2.3 方案論證</b></p><p>　　2.3.1網(wǎng)絡(luò)制

31、式選擇</p><p>　　ZigBee（IEEE802.15.4）技術(shù)是最近發(fā)展起來的一種短距離無線通信技術(shù)，功耗低，被業(yè)界認為是最有可能應(yīng)用在工控場合的無線方式。它同樣使用2.4GHz波段，采用跳頻技術(shù)和擴頻技術(shù)。另外，它可與254 個節(jié)點聯(lián)網(wǎng)。節(jié)點可以包括儀器和家庭自動化應(yīng)用設(shè)備。它本身的特點使得其在工業(yè)監(jiān)控、傳感器網(wǎng)絡(luò)、家庭監(jiān)控、安全系統(tǒng)等領(lǐng)域有很大的發(fā)展空間。</p><p>　

32、　藍牙（BlueTooth）最早是愛立信在1994 年開始研究的一種能使手機與其附件（如耳機）之間互相通信的無線模塊。1998 年，愛立信、諾基亞、IBM 等公司共同推出了藍牙技術(shù)，主要用于通信和信息設(shè)備的無線連接。它的工作頻率為2.4GHz，有效范圍大約在10m 半徑內(nèi)。Bluetooth 列入了IEEE802.15.1，規(guī)定了包括PHY、MAC、網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用層等集成協(xié)議棧。為對語音和特定網(wǎng)絡(luò)提供支持，需要協(xié)議棧提供250kB系統(tǒng)開銷，

33、從而增加了系統(tǒng)成本和集成復(fù)雜性。另外，Bluetooth 對每個“Piconet”（微微網(wǎng)）有只能配置7 個節(jié)點的限制，制約了其在大型傳感器網(wǎng)絡(luò)開發(fā)中的應(yīng)用。</p><p>　　Wi-Fi （Wireless Fidelity，無線高保真）也是一種無線通信協(xié)議。IEEE802 . 11 的最初規(guī)范是在1997 年提出的。主要目的是提供WLAN 接入，也是目前WLAN 的主要技術(shù)標(biāo)準，其工作頻率也是2.4GHz。

34、目前，IEEE802 .11 標(biāo)準還沒有被工業(yè)界廣泛接受。IEEE802 .11 流行的幾個版本包括“a”（在5.8GHz 波段帶寬為54MBps）、“b”（波段2.4GHz 帶寬為11MBps）、“g”（波段2.4GHz帶寬為22MBps）。這種復(fù)雜性為用戶選擇標(biāo)準化無線平臺增加了困難。Wi-Fi 規(guī)定了協(xié)議的物理（PHY）層和媒體接入控制（MAC）層，并依賴TCP/ IP作為網(wǎng)絡(luò)層。由于其優(yōu)異的帶寬是以大的功耗為代價的，因此大多數(shù)便

35、攜Wi-Fi 裝置都需要常規(guī)充電。這些特點限制了它在工業(yè)場合的推廣和應(yīng)用。</p><p>　　紅外線數(shù)據(jù)協(xié)會IrDA（Infrared DataAssociation）成立于1993 年。IrDA 是一種利用紅外線進行點對點通信的技術(shù)。IrDA 標(biāo)準的無線設(shè)備傳輸速率已從115.2kbps 逐步發(fā)展到4Mbps、16Mbps。目前，支持它的軟硬件技術(shù)都很成熟，在小型移動設(shè)備（如PDA、手機）上被廣泛使用。它具有

36、移動通信所需的體積小、功耗低、連接方便、簡單易用成本低廉的特點。IrDA 用于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)上的最大問題在于只能在2 臺設(shè)備之間連接，并且存在有視距角度等問題。</p><p>　　四種無線傳輸?shù)臋C制完全不同，無論從應(yīng)用領(lǐng)域的功耗要求還是從技術(shù)創(chuàng)新方面考慮，ZigBee都具有最佳建網(wǎng)優(yōu)勢，這就是我們選擇ZigBee作為本次設(shè)計網(wǎng)絡(luò)拓撲方案的原因。</p><p>　　2.3.2終端設(shè)備方案選擇&

37、lt;/p><p>　　我們總結(jié)一下土壤墑情監(jiān)測的方法如下：</p><p>　　負壓計土壤濕度監(jiān)測系統(tǒng)</p><p>　　負壓計，又稱張力計，以測量土壤負壓(張力)來顯示土壤水分狀況。負壓計瓷頭埋設(shè)于土壤中某一高程后，負壓計內(nèi)部的水分通過瓷頭上的微孔同土壤水分進行交換，使內(nèi)外水勢漸趨平衡，儀器上所指示的負壓值即代表土壤水勢，可以直接反映土壤水分能為植物吸收利用的程度

38、，同時又可換算為土壤含水率。負壓計結(jié)構(gòu)簡單，易于制造，因此使用較為廣泛。但是負壓計易受環(huán)境溫度的影響，儀器穩(wěn)定性較差。此外，負壓計具有滯后性，往往不能及時反映土壤水分狀況，在土壤干燥過程中尤為顯著。</p><p><b>　　中子土壤濕度計</b></p><p>　　中子土壤濕度計以測量快中子與土壤水分中氫原子碰撞而轉(zhuǎn)化為慢中子的數(shù)量來感知土壤水分狀況。土孔上下移

39、動即可測定不同高程點的土壤含水量。目前主要采用手工方法測量，也可以改造為自動化或半自動化監(jiān)測儀，從田間監(jiān)測室監(jiān)測，以防止或減少中子對人體的輻射。</p><p><b>　　γ透射儀</b></p><p>　　γ透射儀利用γ射線透射土壤后的衰減程度來測定土壤水分狀況。此種裝置在實驗室內(nèi)應(yīng)用效果較好，可進行土壤水分自動化和半自動化監(jiān)測。</p><

40、p><b>　　時域反射儀</b></p><p>　　時域反射儀(TDR儀)，利用時域反射原理定點測量某一土層內(nèi)的土壤水分情況。此儀器有較好的測量效果，是目前較先進的土壤濕度儀，便于實現(xiàn)自動化監(jiān)測，但價格較為昂貴。</p><p>　　電阻/電容式土壤濕度監(jiān)測系統(tǒng)</p><p>　　電阻/電容式土壤濕度監(jiān)測系統(tǒng)包括電阻式土壤濕度監(jiān)測系

41、統(tǒng)和電容式土壤濕度監(jiān)測系統(tǒng)，它們分別以電阻式土壤濕度傳感器和電容式土壤濕度傳感器為基礎(chǔ)。</p><p>　　電阻式土壤濕度傳感器，用裝有電極的感濕材料做成傳感器的感濕元件(探頭)，感濕材料常為石膏、陶瓷、尼龍絲繞塊等。將感濕元件埋設(shè)在土壤中某一定點上，使其同土壤保持緊密接觸，以便感濕元件的水分與土壤水分達到平衡，由于感濕元件的電阻值與其含水量具有一定關(guān)系，測量感濕元件的電阻值可以得到感濕元件的濕度，從而間接求得

42、土壤濕度。感濕元件在同土壤進行水分交換的同時，也常具有溶質(zhì)交換，特別是由于元件埋設(shè)時間較長以后，元件中常有溶質(zhì)積累，從而影響到水分測定的精度。此外，由于感濕元件具有一定的滯后作用，往往不能及時反映土壤水分現(xiàn)狀。</p><p>　　電容法測定土壤濕度是根據(jù)土壤介電常數(shù)隨土壤濕度變化的原理來進行的。它同電阻法相比，受土壤鹽分的影響較小。</p><p>　　考慮上述多種濕度采集方法的優(yōu)勢，我

43、們決定采用時域反射儀，它設(shè)計靈活、便于自動控制，更符合設(shè)計要求。</p><p>　　在對濕度傳感器的應(yīng)用方面我們考慮了以下兩種方案：</p><p>　　方案一：使用12V、電源供電的傳感器，得到的模擬信號為0~12V，而我們的控制單元CC2430電壓范圍是2~3.3V這樣在模擬與數(shù)字信號轉(zhuǎn)換方面就產(chǎn)生了困難要么使用信號壓縮的方法將其轉(zhuǎn)換為3.3V的模擬信號后再進行A/D轉(zhuǎn)換，但是這樣將

44、會導(dǎo)致數(shù)據(jù)誤差大。如果先進行A/D轉(zhuǎn)換再進行數(shù)字信號的電壓轉(zhuǎn)換，這樣又增加了設(shè)計的復(fù)雜性。本身傳感器的12V電壓也不利于功耗降低，對整體的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計不利。</p><p>　　方案二：使用一種低電壓的土壤濕度傳感器自身工作電壓為5V，輸出數(shù)據(jù)為標(biāo)準的傳感器數(shù)據(jù)：4~20mA電流。在A/D轉(zhuǎn)換方面，我們采用美信公司生產(chǎn)的MAX1301A芯片，它能完好的將電流轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并且可以直接和+2.7V~+5.25V設(shè)備相

45、連接，這樣與CC2430就可以方便的結(jié)合，再加上MAX1301A具有完全關(guān)閉模式，這樣就可以配合CC2430的休眠模式實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)與終端的同時休眠模式，可以將功耗降至最低。</p><p>　　方案二的優(yōu)勢使我們覺得設(shè)計變得方便，無疑的采用了這個方案。</p><p>　　2.4 硬件設(shè)計與物理實現(xiàn)</p><p>　　本部分將不重點介紹ZigBee網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方法，只簡單

46、介紹ZigBee標(biāo)準及特點。著重介紹終端設(shè)備的硬件解決方案與原理。 </p><p>　　2.4.1 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)——ZigBee無線傳輸技術(shù)介紹</p><p>　　ZigBee與IEEE 802.15.4</p><p>　　ZigBee是一組基于IEEE 802.15.4無線標(biāo)準研制開發(fā)的、有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的技術(shù)， IEEE 802.15.4僅處理MA

47、C層和物理層協(xié)議，ZigBee聯(lián)盟對其網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和API進行了標(biāo)準化[3]。</p><p>　　ZigBee是由ZigBee Alliance所主導(dǎo)的標(biāo)準，定義了網(wǎng)絡(luò)層（Network Layer）、安全層（Security Layer）、應(yīng)用層（Application Layer）、以及各種應(yīng)用產(chǎn)品的資料（Profile）；而由國際電子電機工程協(xié)會（IEEE）所制訂的802.15.4標(biāo)準，則是定義了物理層（P

48、HY Layer）及媒體存取層（Media Access Control Layer；MAC Layer）。</p><p><b>　　ZigBee協(xié)議</b></p><p>　　ZigBee標(biāo)準提供了網(wǎng)絡(luò)、安全和應(yīng)用支持服務(wù)，這些服務(wù)工作在IEEE 802.15.4媒體存取控制(MAC)和物理層(PHY)無線標(biāo)準之上。它采用了一整套技術(shù)來實現(xiàn)可擴展、自組織、自恢

49、復(fù)的網(wǎng)絡(luò)，這種網(wǎng)絡(luò)可以管理各種各樣的數(shù)據(jù)傳輸模式(如圖2-3所示)。[4]</p><p>　　盡管ZigBee常常被默認為無線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)，但該標(biāo)準實際上支持多種網(wǎng)絡(luò)拓撲，包括星型、簇樹型(cluster tree)或星/網(wǎng)格混合型網(wǎng)絡(luò)(如圖2-4所示)</p><p>　　ZigBee技術(shù)優(yōu)勢</p><p>　　數(shù)據(jù)傳輸速率低：10KB/秒~250KB /秒，專注

50、于低傳輸應(yīng)用</p><p>　　功耗低：在低功耗待機模式下，兩節(jié)普通5號電池可使用6~24個月</p><p>　　成本低：ZigBee數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡單，所以大大降低了成本</p><p>　　網(wǎng)絡(luò)容量大：網(wǎng)絡(luò)可容納65,000個設(shè)備</p><p>　　時延短：典型搜索設(shè)備時延為30ms，休眠激活時延為15ms，活動設(shè)備信道接入時

51、延為15ms。</p><p>　　網(wǎng)絡(luò)的自組織、自愈能力強，通信可靠</p><p>　　數(shù)據(jù)安全： ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，采用AES-128加密算法（美國新加密算法，是目前最好的文本加密算法之一）,各個應(yīng)用可靈</p><p>　　工作頻段靈活：使用頻段為2.4GHz、868MHz（歐洲）和915MHz（美國），均為免執(zhí)照（免費）的頻段&l

52、t;/p><p>　　ZigBee通信可靠性保證</p><p>　　物理層RF 通信鏈接</p><p>　　直序擴頻采用高處理增益</p><p><b>　　明晰的信道檢測</b></p><p><b>　　對干擾能量進行檢測</b></p><p&g

53、t;　　采用跳頻技術(shù)Frequency agility</p><p><b>　　協(xié)議</b></p><p>　　基于CRC的誤碼檢測/校正</p><p>　　采取了避免沖突的策略CSMA/CA</p><p>　　為固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用的有保證的時隙</p><p>　　發(fā)送的數(shù)據(jù)

54、包都有待于接受方的確認，如出現(xiàn)問題進行重發(fā)</p><p>　　保持數(shù)據(jù)包的及時傳輸Packet data freshness</p><p><b>　　通信可靠機制</b></p><p>　　zigbee采用了CSMA－CA的碰撞避免機制，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突；明晰的信道檢測</p

55、><p>　　MAC層采用了完全確認的數(shù)據(jù)傳輸機制，每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認信息。</p><p>　　網(wǎng)絡(luò)的自組織、自愈能力強</p><p>　　zigbee的自組織功能：無需人工干預(yù)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能夠感知其他節(jié)點的存在，并確定連接關(guān)系，組成結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)絡(luò)；</p><p>　　zigbee自愈功能：增加或者刪除一個節(jié)點，節(jié)點位置發(fā)生

56、變動，節(jié)點發(fā)生故障等等，網(wǎng)絡(luò)都能夠自我修復(fù)，并對網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)進行相應(yīng)地調(diào)整，無需人工干預(yù)，保證整個系統(tǒng)仍然能正常工作。</p><p>　　在低信噪比的環(huán)境下ZigBee具有很強的抗干擾性能</p><p>　　ZigBee物理信道</p><p><b>　　如圖如圖2-5所示</b></p><p>　　圖2-5 Z

57、igBee物理信道示意圖</p><p>　　Fig.-5 Physical channel sketch map of ZigBee </p><p>　　2.4.2 終端設(shè)備硬件實現(xiàn)方法</p><p>　　2.4.2.1 主控芯片CC2430與無線收發(fā)</p><p>　　CC2430主要特征外設(shè)[5]：CC2430芯片延用了以往CC2

58、420芯片的架構(gòu)，在單個芯片上整合了ZigBee射頻(RF)前端、內(nèi)存和微控制器。它使用1個8位MCU（8051），具有32/64/128 KB可編程閃存和8KB的RAM，還包括模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、幾個定時器、AES128協(xié)同處理器、看門狗定時器、32 kHz晶振的休眠模式定時器、上電復(fù)位電路、掉電檢測電路以及21個可編程I/O引腳。引腳如圖如圖2-6所示，原理圖如圖2-6所示。</p><p>　　圖2-6

59、 CC2430引腳示意圖</p><p>　　Fig. 2-6 Pinout top view of CC2430 </p><p>　　CC2430包括3個8位輸入/輸出端口，分別為P0、P1、P2。其中，P0和P1分別有8個引腳，P2有5個引腳，共21個數(shù)字I/O口引腳。</p><p>　　這些引腳都可以作為通用I/O端口，同時通過獨立編程還可以作為特殊功能的

60、輸</p><p>　　入/輸出，通過軟件設(shè)置還可以改變引腳的輸入/輸出硬件狀態(tài)配置。</p><p>　　21個I/O引腳都可以作為外部中斷源輸入口，因此如果需要，外部設(shè)備可以產(chǎn)生中斷。外部中斷功能也可以喚醒休眠模式。</p><p>　　為了提高數(shù)據(jù)存取的效率，CC2430專門在內(nèi)存與外設(shè)之間開辟了一條專用數(shù)據(jù)通道。這條數(shù)據(jù)通道在DMA控制器硬件的控制下，直接進

61、行數(shù)據(jù)交換而不通過8051內(nèi)核，不用I/O指令。</p><p>　　圖2-7 CC2430應(yīng)用框圖</p><p>　　Fig. 2-7 Application block diagram of CC2430</p><p>　　DMA控制器可以把外設(shè)（如ADC、射頻收發(fā)器）的數(shù)據(jù)移到內(nèi)存而不需要CC2430內(nèi)核的干涉。這樣，傳輸數(shù)據(jù)速度上限取決于存儲器的速度。采

62、用DMA方式發(fā)送時，由DMA控制器向8051內(nèi)核發(fā)送DMA請求，內(nèi)核響應(yīng)DMA請求，這時數(shù)據(jù)輸入/輸出完全由DMA控制器指揮。</p><p>　　CC2430包括4個定時器：1個一般的16位定時器和2個8位定時器，支持典型的定時/計數(shù)功能；一個16位MAC定時器，用于為IEEE802.15.4的CSMA-CA算法以及IEEE802.15.4的MAC層提供定時。</p><p>　　CC2

63、430的數(shù)據(jù)加密由一個支持先進的高級加密技術(shù)標(biāo)準AES的協(xié)處理器來實現(xiàn).該協(xié)處理器允許加密/解密將使用最小CPU使用率。</p><p>　　AES安全協(xié)處理器工作在128位。組128位的數(shù)據(jù)下載到協(xié)處理器中加密，須在下一組數(shù)據(jù)送至協(xié)處理器前完成加密.每組數(shù)據(jù)送至協(xié)處理器加密前，須給協(xié)處理器一個開始指令。</p><p>　　由于AES協(xié)處理器加密的數(shù)據(jù)都是以128位為一組的，因此當(dāng)一組數(shù)

64、據(jù)不足128位的時，必須在后面添加0后才能把數(shù)據(jù)送至協(xié)處理器加密。</p><p>　　CC2430的ADC支持14位的模/數(shù)轉(zhuǎn)換，這跟一般的單片機8位ADC不同。這個ADC包括一個參考電壓發(fā)生器、8個獨立可配置通道、電壓發(fā)生器和通過DMA模式把轉(zhuǎn)化結(jié)果寫入內(nèi)存的控制器。</p><p>　　當(dāng)使用ADC時，P0口必須配置成ADC輸入作為8位ADC輸入；把P0相應(yīng)的引腳當(dāng)作ADC輸入使用，

65、寄存器ADCCFC相應(yīng)位置設(shè)置為1。否則寄存器ADCCFG的各為處始值是0，則不當(dāng)作ADC輸入使用。ADC完成順序模/數(shù)轉(zhuǎn)換以及把結(jié)果送至內(nèi)存而不需要CPU的干涉。</p><p>　　CC2430無線收發(fā)</p><p>　　CC2430的無線接收器是一個低中頻接收器。接收到的射頻信號通過低噪聲放大器放大而正交降頻轉(zhuǎn)換到中頻。在中頻2MHz中，當(dāng)ADC模/數(shù)轉(zhuǎn)換時，輸入/增益調(diào)相信號被過

66、濾和放大。</p><p>　　CC2430的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)通過“先進先出”的方式來接收128位數(shù)據(jù)。使用“先進先出”方式讀取數(shù)據(jù)需要通過特殊功能寄存器接口。內(nèi)存與先進先出緩沖區(qū)數(shù)據(jù)移動使用DMA方式來實現(xiàn)。</p><p>　　CRC校驗使用硬件實現(xiàn)。接受信號強度指標(biāo)（RSSI）和相關(guān)值添加到幀中。在接受模式中可以用中斷來使用清除通道評估（CCA）。</p><p>

67、　　CC2430的發(fā)送器是基于上變頻器的。接受數(shù)據(jù)存放在一個接受先進先出的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)。發(fā)送數(shù)據(jù)幀的前導(dǎo)符和開始符由硬件生成。通過數(shù)/模轉(zhuǎn)化把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號發(fā)送出去。</p><p>　　CC2430無線部分主要參數(shù)如下：</p><p>　　頻帶范圍為2.400~2.4835GHz。</p><p>　　采用IEEE802.15.4規(guī)范要求的直接序列擴頻方

68、式。</p><p>　　數(shù)據(jù)速率達250kbps，碎片速率達2Mchip/s。</p><p>　　采用O-QPSK調(diào)制方式。</p><p>　　高接收靈敏度（-94dBm）。</p><p>　　抗鄰頻道干擾能力強（39dB）。</p><p>　　內(nèi)部集成有VCO、LNA、PA以及電源穩(wěn)壓器。</p>

69、;<p>　　采用低電壓供電（2.1~3.6V）。</p><p><b>　　輸出功率編程可控。</b></p><p>　　典型的外圍電路配置如圖2-8所示</p><p>　　IEEE802.15.4MAC硬件可支持自動幀可是生成、同步插入與檢測、10比特的CRC校驗、電源檢測以及完全自動MAC層保護（CTR、CBC-MAC

70、和CCM）。</p><p>　　圖2-8 CC2430應(yīng)用電路</p><p>　　Fig. 2-8 CC2430 Application Circuit</p><p>　　IEE802.15.4調(diào)制模式</p><p>　　IEEE802.15.4的數(shù)字高頻調(diào)制使用2.4G直接序列擴頻(DSSS)技術(shù)。擴展調(diào)制功能如圖2-9所示[6]

71、。</p><p>　　圖2-9 擴展調(diào)制功能示意圖</p><p>　　Fig. 2-9 Expand and modulate the function </p><p>　　從圖2-9可以看出，在調(diào)制前需要將數(shù)據(jù)信號進行轉(zhuǎn)換處理。每1個字節(jié)信息分為2個符號，每個符號包括4比特。根據(jù)符號數(shù)據(jù)，從16個幾乎正交的偽隨機序列中，選取其中一個序列作為傳送序列。根據(jù)所發(fā)

72、送的連續(xù)的數(shù)據(jù)信息將所選出的PN序列串連接起來，并使用Q-QFSK的調(diào)制方法將這些集合在一起的序列調(diào)制到載波上。</p><p>　　在比特-符號轉(zhuǎn)換時，將每個字節(jié)中的低4位轉(zhuǎn)換成為一個符號，高4位轉(zhuǎn)換成另一個符號。每一個字節(jié)都要逐個進行處理，即從它的前同步碼字段開始到最后一個字節(jié)。在每個字節(jié)的處理過程中，優(yōu)先處理低4位，隨后處理高4位。</p><p>　　2.4.2.2 數(shù)據(jù)采集<

73、;/p><p>　?。?）土壤濕度采集：數(shù)據(jù)采集包括傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換兩大部分，使用耐腐蝕土壤濕度專用傳感器和MAX1301高速率ADC搭建完成，可以將數(shù)據(jù)以數(shù)字信號的方式通過SPI總線模式送入中心控制單元。</p><p>　　土壤濕度傳感器（型號:TDR）簡介：</p><p>　?、?dr的工作原理 </p><p>　　水分是決定土壤的介電

74、常數(shù)的主要因素。tdr土壤水分傳感器測量土壤的介電常數(shù)，直接穩(wěn)定地測量各種土壤的真實水分含量。傳感器的信號輸出可以用來直接控制灌溉。 tdr可測量土壤水分的體積百分比，與土壤的本身的機理無關(guān)。 </p><p><b>　　②特點 </b></p><p><b>　　高穩(wěn)定性； </b></p><p>　　安裝維護操作

75、簡便； </p><p>　　有效測量長度超過45cm，增加了精確度； </p><p>　　測量不受土壤類型影響； </p><p>　　支撐的材料為環(huán)氧樹脂，強度和壽命得到保證。 </p><p><b>　　③ 遠程操作 </b></p><p>　　tdr土壤水分傳感器與數(shù)采，遠距離傳輸設(shè)

76、備可以構(gòu)成遙測系統(tǒng)。例如：土壤干燥時，警告信號可以自動響起來提醒人們應(yīng)該灌溉的時間到了。自動控制系統(tǒng)能開關(guān)水泵和閥門等。配合一些附加的傳感器，可能可以計算出土壤水分蒸發(fā)量和農(nóng)作物所需的水分參數(shù)。3個灌溉表技術(shù)(蒸發(fā)量，作物水脅迫指數(shù)cwsi和土壤水分)的綜合應(yīng)用可以提供農(nóng)作物適宜生長的最大的保證。 </p><p><b>　?、?規(guī)格 </b></p><p>　　

77、電源要求：5vdc+20%@40ma </p><p>　　輸出：0～1ma，可選4～20ma或0～2.5v </p><p>　　全部尺寸：直徑：19mm；長度： 635mm </p><p><b>　　預(yù)熱時間：1秒 </b></p><p><b>　?、?可選項： </b></p&g

78、t;<p><b>　　4～20ma輸出 </b></p><p><b>　　0～2.5v輸出 </b></p><p><b>　?、?安裝： </b></p><p>　　傳感器測量土壤的有效部分為18英寸長，靠近電纜的9英寸和頂部的0.5英寸區(qū)域。不包括在測量區(qū)域內(nèi)。測量有效區(qū)域

79、必須與土壤緊密并可以被放置在任何的方向和深度。對于比較深的農(nóng)作物，例如果樹，它通常垂直的放置。對于垂直安裝，挖一個0.5英寸 足夠深的洞把傳感器放下到所要測量的區(qū)域。用0.5英寸的土壤采樣器可以很方便的挖出這個洞。傳感器必須與土壤緊密的接觸。確保土壤填滿傳感器，用一個直徑0.5英寸的棒深入到土壤中，棒與傳感器的距離大約為3英寸，與傳感器同樣的深度。確保棒與傳感器保持平行并避免碰到損壞傳感器。移動棒到相反的方向，距離同樣為3英寸的位置，然

80、后重復(fù)這個過程在先前2洞的90度方向。</p><p>　　在上部填上泥土來阻止水進入頂部。一個可選的方法是把事先用當(dāng)?shù)赝寥浪龅哪酀{沿著傳感器注入孔中，然后插入傳感器。這些泥漿將填滿傳感器與土壤之間的間隙。水平傳感器將安裝在溝中，然后填土埋好。注意：不要把傳感器安裝在太陽直接照射的地方</p><p>　　傳感器使用時使用光耦控制啟動，輸出選擇4~20mA電流方式， MAX1301可以與

81、其完美的結(jié)合。MAX1301引腳如圖2-10所示。</p><p>　　MAX1301ADC介紹：</p><p>　　MAX1301多量程、低功耗、16 位逐次逼近型 ADC 采用添+5V單電源供電，并具有獨立的數(shù)字電源，允許和 2.7V至 5.25V系統(tǒng)連接。此ADC帶有支持單端和全差分輸人的內(nèi)部采樣保持（T/H）電路進行單端信號轉(zhuǎn)換時，有效模擬輸入電壓范圍從地電</p>

82、<p>　　位以下的-VREF到地電位以上的+VREF。允許的最大差分輸人電壓范圍為-12V到+12V。</p><p>　　表2-1MAX1301電源與電源旁路</p><p>　　Table 2-1. MAX1301 Power Supplies and Bypassing</p><p>　　表2-2 MAX1301 模擬輸入配置字節(jié)</p

83、><p>　　Table 2-2. Analog Input Configuration Byte</p><p>　　數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換可通過軟件編程實現(xiàn)多種通道配置和數(shù)據(jù)采集應(yīng)用。微處理器（μC）很容易通過SPITM/QSPITM/MICROWIRETM兼容的串行接口控制轉(zhuǎn)換器。MAX1301 具有4路單端模擬輸人通道或2路差分通道。每一個模擬輸人通道均可通過軟件獨立編程設(shè)置為7種單端輸人范圍（0至

84、+6V、-6V至0、0至+12V、-12V至0、 ±3V、±6V和±12V）和3種差分輸人范圍±6V, ±12V, ±24V。此外，所有模擬輸人通道均具有±16.5V故障容限。空閑通道的故障狀態(tài)不會影響其它通道的轉(zhuǎn)換結(jié)果[7]。</p><p>　　電源：為使工作環(huán)境保持低噪聲， MAX1301為電路的每一部分提供獨立的電源。表2-1所示為4個

85、獨立電源。采用獨立的 AVDD1、 AVDD2、 DVDD和 DVDD0電源供電，可獲得最佳性能。另一種做法是在盡可能靠近器件的位置將 AVDD1、 AVDD2和DVDD連接到一起，以方便電源連接。同時在盡可能靠近器件的位置將AGND1、AGND2、AGXD3、DGND 和 DGND0連接在一起分別使用0.1μF電容將每一個供電電源旁路到各自對應(yīng)的接地點（表2-1）。如果出現(xiàn)較大的低頻噪聲，則應(yīng)增加一個 10μF電容與0.1μF旁路電容

86、并聯(lián)。</p><p>　　轉(zhuǎn)換器工作：MAX1301采用全差分逐次逼近寄存器（SAR）轉(zhuǎn)換技術(shù)，并提供片上T/H模塊，可將電壓信號換成16位數(shù)字結(jié)果。器件支持單端和差分輸入結(jié)構(gòu)，并可編程設(shè)置單極性和雙極性信號范圍。</p><p>　　采樣保持電路：MAX1301具有開關(guān)電容T / H架構(gòu)，允許模擬輸人信號以電荷的形式存儲在采樣電容上。各種工作模式下的T/H時序和采樣時間如圖2-11、圖

87、2-12和圖2-13所示。 MAX1301的模擬輸人電路對取樣電容的輸人信號進行了緩沖，使模擬輸人電流和輸入電壓保持線性關(guān)系（如圖2-14）</p><p>　　模擬輸入電路：通過寫相應(yīng)的模擬輸人配置字節(jié)（表2-2)，可將模擬輸人單獨配置成差分或單端轉(zhuǎn)換方式。模擬輸人信號源必須能夠驅(qū)動ADC的17k?輸人阻抗如圖2-15。 圖2-15給出了簡化的模擬輸人電路。模擬輸人具有± 16.5V故障容限，并通過背

88、向二極管提供保護。求和結(jié)點電壓VSJ是通道輸人共模電壓的函數(shù)見公式1[8]：</p><p><b>　?。ü?）</b></p><p>　　這樣一來，在整個輸人電壓范圍內(nèi)，模擬輸人阻抗才相對恒定，如圖2.4.12所示。單端轉(zhuǎn)換內(nèi)部以AGND1作為參考點（表2-3和表2-4）。在差分模式下，IN+和IN-根據(jù)表2-3和表2-5進行選擇。設(shè)置差分通道時，差分對兒按照

89、正通道的模擬配置字節(jié)來設(shè)置。例如，要將CH2和CH3配置為量程為±12V的差分轉(zhuǎn)換輸人時，應(yīng)將CH2的模擬配置字節(jié)設(shè)置成量程為±12V的差分轉(zhuǎn)換方式（10101100）。為啟動CH2和CH3差分對兒轉(zhuǎn)換，發(fā)送命令10101100[9]。</p><p>　　表2-3 輸入數(shù)據(jù)字格式</p><p>　　Table 2-3. Input Data Word Formats

90、</p><p>　　表2-4 單端模式(DIF/= 0)下的通道選擇</p><p>　　Table 2-4 Channel Selection in Single-Ended Mode (DIF/ = 0)</p><p>　　表2-5 真差分模式(DIF/= 1)下的通道選擇</p><p>　　Table 2-5 Channel Se

91、lection in True-Differential Mode (DIF/ = 1)</p><p>　　模擬輸入帶寬：MAX1301輸人采樣電路具有2MHz小信號帶寬。2MHz輸人帶寬使該系列器件能夠數(shù)字化高速瞬變信號。當(dāng)需要數(shù)字化的信號頻率超過15kHz時，諧波失真將會加劇。</p><p>　　模擬輸入范圍和故障容限：如圖2-16所示，可通過軟件選擇能夠產(chǎn)生有效數(shù)字輸出的單端模擬

92、輸人電壓范圍。時，每一個模擬輸入通道均可通過設(shè)置R[2:0]控制位獨立編程為7種單端輸人范圍之一。圖2-17說明了可軟件選擇的差分模擬輸人電壓范圍，并能夠產(chǎn)生有效數(shù)字輸出．在 時，每一個模擬輸人差分對兒均能通過設(shè)置R[2:0]控制位獨立編程為3 種差分輸入范圍之一。無論所指定的輸人電壓范圍是多少，以及通道是否被選擇，每個模擬輸人都具有±16.5V故障容限．而且無論器件是否上電，模擬輸人故障保護均有效。對于超出FSR的任何電壓，

93、只要在±16.5V故障容限范圍之，加到模擬輸人通道后都將產(chǎn)生滿量程輸出電壓結(jié)果。箝位二極管的擊穿電壓門限超過16.5V，可在ESD和其它瞬態(tài)沖擊情況下保護MAX1301的模擬輸人（圖2-15）。器件正常工作時，箝位二極管不會導(dǎo)通，也不會在瞬態(tài)沖擊下限制電流。當(dāng)工作環(huán)境具有潛在的高能量電壓和／或電流瞬變時，需要從外部對MAX1301提供保護。</p><p>　　差分共模范圍：MAX1301的差分共模范圍

94、（VCMDR）必須保持在-14V至＋10V以內(nèi)，以得到有效的轉(zhuǎn)換結(jié)果．差分共模范圍定義見公式2：</p><p><b>　?。ü?）</b></p><p>　　除了共模輸人電壓范圍的限制外，每個獨立的模擬輸人相對于AGND1還必須限制在±16.5V之內(nèi)。模擬輸人配置字節(jié)中的量程范圍選擇位R[2:0]決定了相應(yīng)通道的滿量程范圍（表2-2和表2-6 )。&

95、lt;/p><p>　　數(shù)字接口：MAX1301具有SPITM/QSPITM/MICROWIRETM兼容的串行接口。MAX1301通過DIN、DOUT、SCLK、和SSTRB可方便地與主機進行通信。SCLK速率可高達10MHz（內(nèi)部時鐘模式、模式2）、3.7MHz（外部時鐘模式、模式0）或4.39MHz （外部時鐘模式，模式1）。主機（通常采用微控制器）應(yīng)該采用 CPOL=0、CPHA=0的SPI傳輸格式，時序圖如圖

96、2-11、圖2-12和圖2-13所示。</p><p>　　表2-6 量程范圍選擇</p><p>　　Table 2-6 Range-Select Bits</p><p>　　數(shù)字接口用于完成以下功能：</p><p>　　選擇單端或真差分輸人通道配置 </p><p>　　選擇單極性或雙極性輸人范圍 </p

97、><p><b>　　選擇工作模式：</b></p><p><b>　　外部時鐘（模式0）</b></p><p><b>　　外部采樣（模式1）</b></p><p><b>　　內(nèi)部時鐘（模式2）</b></p><p><

98、;b>　　復(fù)位（模式4）</b></p><p>　　局部關(guān)斷模式（模式6）</p><p>　　完全關(guān)斷模式（模式7）</p><p><b>　　啟動轉(zhuǎn)換和讀取結(jié)果</b></p><p>　　片選（）：主機通過使能與MAX1301之間的通信，當(dāng)為低時，數(shù)據(jù)在SCLK 的上升沿由DIN同步移人器件，

99、并且數(shù)據(jù)在SCLK的下降沿從DOUT同步移出器件。當(dāng)為高時，將忽略SCLK和DIN的狀態(tài)變化，此時DOUT為高阻態(tài)，所以允許其它外圍設(shè)備共享DOUT線。由于SSTRB永遠都不會是高阻態(tài)，因此其它設(shè)備不能共享該信號線。</p><p>　　轉(zhuǎn)換狀態(tài)指示（SSTRB）：如圖2-12和圖2-13所示，SSTRB變高時表示ADC已經(jīng)完成了一次轉(zhuǎn)換，并且主機攤以讀取已準備好的結(jié)果。SSTRB在外部時鐘模式下（圖2-11）始

100、終保持低電平，因此可以不連接。SSTRB會被驅(qū)動為高電平或低電平，與的狀態(tài)無關(guān)，因此其它外部設(shè)備不能共享SSTRB。</p><p>　　起始位：如表2-5所示，使用3種輸人數(shù)據(jù)字格式與MAX1301進行通信。每一個輸人數(shù)據(jù)字均由一個起始位開始。該起始位定義為：為低時，同步移人DIN的第一個邏輯高電平位，同時需符合下列條件之一：</p><p>　　器件未進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，且先前轉(zhuǎn)換的所有數(shù)據(jù)

101、均己從 DOUT 移出。</p><p>　　器件配置為外部時鐘模式（模式0），且先前的轉(zhuǎn)換結(jié)果位B13—B1已經(jīng)從DOUT 移出。</p><p>　　器件配置為外部采集模式（模式1），且先前的轉(zhuǎn)換結(jié)果位B13—B5已經(jīng)從DOUT移出。</p><p>　　器件配置為內(nèi)部時鐘模式（模式2），且先前的轉(zhuǎn)換結(jié)果位B13—B2已經(jīng)從DOUT移出。</p>

102、<p>　　輸出數(shù)據(jù)格式：在SCLK的下降沿，輸出數(shù)據(jù)以偏移二進制碼的格式從DOUT同步輸出，井且MSB在前（B13）。</p><p>　　配置模擬輸入：每一個模擬輸人都提供兩個配置參數(shù)： </p><p><b>　　單端或真差分輸入。</b></p><p><b>　　輸人電壓范圍</b></p&g

103、t;<p>　　這些參數(shù)可用表2-2所示的模擬輸人配置字節(jié)來進行配置。每一個模擬輸入都有一個專門的寄存器用于存儲其輸入配置信息。圖2-18所示的時序圖說明了如何寫模擬輸人配置寄存器、圖2-19給出了DOUT和SSTRB的時序。</p><p>　　傳輸函數(shù)：ADC的傳輸函數(shù)定義了模擬輸入電壓和數(shù)字輸出代碼之間的關(guān)系,該傳輸函數(shù)取決于下列因素：</p><p><b>

104、;　　模擬輸人電壓范圍</b></p><p><b>　　單端或差分配置</b></p><p><b>　　基準電壓</b></p><p>　　ADC 傳輸函數(shù)坐標(biāo)軸的單位通常采用最低有效位（LSB）。對于MAX1301, LSB采用公式3進行計算：</p><p><b&g

105、t;　?。ü?）</b></p><p>　　其中N是位數(shù)（N=14）, FSR為滿量程范圍（見圖2-16和圖2-17）。</p><p>　　模式控制：MAX1301包含1個字節(jié)寬度的模式控制寄存器。模式控制字節(jié)的格式如表2.4.7所示。利用模式控制字節(jié)來選擇轉(zhuǎn)換方式，控制MAX1301的功率模式。</p><p>　　選擇轉(zhuǎn)換方式：利用模式控制字節(jié)

106、選擇轉(zhuǎn)換方式，并使用轉(zhuǎn)換啟動命令（參見表2-5、圖2-11、圖2-12和圖2-13）來啟動轉(zhuǎn)換。MAX1301采用下列三種方法之一將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號：</p><p>　?、偻獠繒r鐘模式，模式0（圖2-11）</p><p><b>　　最高吞吐速率。</b></p><p><b>　　用戶控制采樣時間。</b>&

107、lt;/p><p>　　轉(zhuǎn)換期間保持低電平。</p><p>　　在整個ADC轉(zhuǎn)換期間和從DOUT讀取數(shù)據(jù)過程中，均由用戶提供SCLK。</p><p>　?、谕獠坎杉Ｊ剑Ｊ?(圖2-12) </p><p><b>　　最低吞吐速率。</b></p><p><b>　　用戶控制采樣時

108、間。</b></p><p>　　用戶提供2個字節(jié)的SCLK，然后將驅(qū)動為高電平，可在ADC轉(zhuǎn)換期間減輕處理器的負擔(dān).。</p><p>　　在SSTRB變高之后，用戶提供2個字節(jié)的SCLK，并讀取DOUT數(shù)據(jù)。</p><p>　?、蹆?nèi)部時鐘模式，模式2（圖2-13）</p><p><b>　　高吞吐速率。</

109、b></p><p>　　內(nèi)部時鐘控制采樣時間。</p><p>　　用戶提供1個字節(jié)的SCLK，然后將驅(qū)動為高電平，可在ADC轉(zhuǎn)換時減輕處理器的負擔(dān)。</p><p>　　在SSTRB變高之后，用戶提供2個字節(jié)的SCLK，并讀取DOUT數(shù)據(jù)。</p><p>　　外部時鐘模式：MAX1301工作在外部時鐘模式時，可獲得最快的吞吐速率。

110、SCLK既控制模擬信號的采集，也控制模擬信號的轉(zhuǎn)換，便于精確控制采集模擬信號的時間在SCLK的第14個下降沿開始模擬輸人采樣（圖2-11）。</p><p>　　外部時鐘模式下，由于采用SCLK驅(qū)動轉(zhuǎn)換，為轉(zhuǎn)換提供時鐘時SCLK頻率應(yīng)該保持恒定，最低的SCLK頻率也能夠避免內(nèi)部采樣電容上的電壓在轉(zhuǎn)換期間發(fā)生跌落。</p><p>　　外部時鐘模式下，SSTRB保持低電平，因此，如果MAX1

111、301一直工作在外部時鐘模式下，SSTRB可以不接。</p><p>　　外部采樣模式（模式1）：采用外部采集模式時，吞吐速率最低。在外部采集模式下，SCLK控制模擬信號的采集，便于精確控制采樣模擬信號的時間。內(nèi)部時鐘控制模擬輸入電壓的轉(zhuǎn)換在SCLK的第16個下降沿進行模擬輸入采樣（圖2-12）。</p><p>　　對于外部采集模式，必須在開始的15個時鐘周期內(nèi)保持低電平，然后在第16個

112、時鐘周期的下降沿或之后變?yōu)楦唠娖?，如圖2-12所示，要獲得最佳性能，轉(zhuǎn)換期間將DIN和SCLK置為空閑狀態(tài)。仔細進行電路板布局，使轉(zhuǎn)換期間DIN和SCLK的狀態(tài)變化對轉(zhuǎn)換結(jié)果的影響極小。</p><p>　　轉(zhuǎn)換完成后，SSTRB變高，可拉低以讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。在隨后對應(yīng)起始位的SCLK上升沿，SSRTRB返回低電平。</p><p>　　內(nèi)部時鐘模式（模式2）：內(nèi)部時鐘模式下，內(nèi)部時鐘控制模

113、擬信號的采集和轉(zhuǎn)換。內(nèi)部時鐘在SCLK的第8個下降沿后100ns到400ns之間啟動，速率大約為4.5MHz。在內(nèi)部時鐘信號的第11個下降沿開始對模擬輸人采樣（圖2-13）。</p><p>　　對于內(nèi)部時鐘模式，在開始的7個SCLK時鐘周期內(nèi)必須保持低電平，然后在第8個SCLK時鐘周期的下降沿或之后變?yōu)楦唠娖?。轉(zhuǎn)換完成后，SSTRB變?yōu)楦唠娖?，可以拉低并讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。在隨后對應(yīng)起始位的SCLK上升沿，SSTRB