李晶晶，吳學文

（河海大學 計算機與信息學院，江蘇 南京 211100）

隨著計算機技術的發(fā)展和廣泛應用，尤其是在工業(yè)控制領域的應用越來越廣泛，計算機通信顯得尤為重要。串行通信雖然使設備之間的連線大為減少，但隨之帶來串/并轉換和位計數(shù)等問題，這使串行通信技術比并行通信技術更為復雜，串/并轉換可用軟件實現(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/并轉換。正是這些串行接口芯片彌補了串行通信較為復雜這一缺陷[1]。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，是一種應用廣泛的異步串行通信的傳輸接口，專用UART芯片能夠實現(xiàn)比較全面的串行通信功能，而在實際應用中往往只需要使用到UART的部分功能，在設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實驗設計，實現(xiàn)無線傳感器節(jié)點間的通信。

1 總體設計

無線傳感器網絡系統(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)域內部或附近，能夠通過自組織方式構成網絡。傳感器節(jié)點具有本地數(shù)據(jù)采集傳輸和轉發(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，經過多跳后路由到匯聚節(jié)點，最后通過互聯(lián)網或衛(wèi)星到達管理節(jié)點[2]。

為簡化網絡結構，設計的網絡結構是由端節(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)進行轉發(fā)，最后通過網關節(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)點和網關節(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KMDONE 433，如圖1所示。

圖1 KM-DONE 433結構圖Fig.1 Framework of KM-DONE 433

KM-DONE 433硬件結構采用CC1100無線通信模塊，MCU選用MSP430F2132，具有低功耗特性，兩者的結合使用能滿足本實驗低功耗無線通信的要求。此結構的設計能實現(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[3-4]。

3 軟件設計

系統(tǒng)軟件設計使用C語言在IAR[5]軟件開發(fā)平臺上通過JTAG調試功能在芯片內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)位直到結束位依次設置每個位的電平。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[6-8]。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，當接收足夠的實驗數(shù)據(jù)后，依次關閉各節(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 實驗結果分析

首先，由實驗現(xiàn)象得出的結論：在實驗運行過程中，當給端節(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)在實驗前程序的設置，當發(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)。

圖2 端節(jié)點程序流程圖Fig.2 Flow chart of end node program

圖3 路由節(jié)點程序流程圖Fig.3 Flow chart of route node program

圖4 實驗數(shù)據(jù)Fig.4 Experimental data

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)接收并轉發(fā)成功，紅燈閃爍次數(shù)就是路由轉發(fā)的數(shù)據(jù)包個數(shù)。 同樣在端節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時網關節(jié)點的黃燈也開始有規(guī)律地閃爍，說明網關接收數(shù)據(jù)成功。其次，由PC機上串口顯示的數(shù)據(jù)得出結論。

在網關節(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)，這就是網關接收的數(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)標志位，從串口顯示的數(shù)據(jù)中可以看出：劃實線標注部分是ID為OX01的端節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù) （為01 01 02 03 04 05 06 07 08 09），劃虛線標注部分是ID為OX84的路由節(jié)點轉發(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關接收的端節(jié)點的數(shù)據(jù)與網關接收的路由節(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，網關接收的數(shù)據(jù)就是端節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)。

5 結束語

基于CC1100和MSP430的無線UART實驗設計的主要原理是通過IAR軟件開發(fā)平臺實現(xiàn)相應軟件開發(fā)，并配合采用無線傳感器節(jié)點及網關，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)轉發(fā)和網關節(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通信實驗設計取得成功，到達了預想的設計要求。

[1]孟志華.利用FPGA實現(xiàn)UART的設計[J].電子工程師，2007，33（4）：14.

MENG Zhi-hua.Design and implementation of UART based on FPGA[J].Electronic Engineer，2007，33（4）：14.

[2]孫利民，李建中，陳渝，等.無線傳感器網絡[M].北京：清華大學出版社，2005.

[3]沈建華，楊艷琴.MSP430系列超低功耗單片機原理與應用[M].北京：清華大學出版社，2004.

[4]孫維明，石江宏.由MSP430和CC1100構成的無線傳感器網絡[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2007，7（8）：31-33.

SUN Wei-ming，SHI Jiang-hong.Wireless sensor network based on MSP430 and CC1100[J].Microcontrollers&Embedded Systems，2007，7（8）：31-33.

[5]徐愛鈞.IAR EWARM V5嵌入式系統(tǒng)應用編程與開發(fā)[M].北京：北京航天航空大學出版，2009.

[6]黃海林，沈緒榜.基于有限狀態(tài)機的UART設計[J].微電子學與計算機，2002，19（12）：53-55.

HUANG Hai-lin，SHENG Xu-bang.FSM-based design methodology for UART[J].Microelectronics&Computer，2002，19（12）：53-55.

[7]蘇航，張寧.FPGA實現(xiàn)UART和MCU一體化設計[J].現(xiàn)代電子技術，2011（2）：22-25，28.

SU Hang，ZHANG Ning.Integrated design of uart and MCU based on FPGA[J].Modern Electronic Technique，2011（2）：22-25，28.

[8]王振華，何明華.基于Wishbone總線的UARTIP核設計[J].電子科技，2011（2）：50-53.

WANG Zhen-hua，HE Ming-hua.A UART IP core for Wishbone bus interface[J].Electronic Science and Technology，2011（2）：50-53.