低功耗无线风压监测系统设计.docx

CENTRAL SOUTH UNIVERSITY本科生毕业论文（设计）题 目低功耗无线风压监测系统设计学生姓名指导教师学 院专业班级完成时间目录摘要IABSTRACTII第一章绪论11.1 研究背景11.1.1列车制动原理11.1.2 列车的试风11.2 研究现状21.2.1 列车试风的历史21.2.2列车试风的发展21.2.3无线风压监测系统的意义41.3 关键技术的发展及研究现状41.3.1 压力传感器与检测41.3.2 嵌入式单片机51.3.2 无线通信61.4 本设计研究内容及安排6第二章 总体设计82.1 无线风压监测系统的结构82.2 设计需求分析与主要器件选型9本章小结11第三章 模块电路设计123.1压力传感器及其调理电路123.1.1 风压传感器原理123.1.2 传感器供电电路133.1.3传感器调理电路153.2控制电路设计163.2.1单片机的选择163.2.2 MCU接口电路设计183.3数据存储和实时时钟193.4 无线通信模块203.4.1 ZigBee介绍203.4.2 MSP430与CC2420的接口电路223.5电源模块24本章小结25第四章 软件设计流程及性能评估264.1 程序流程图264.2低功耗管理设计及性能评估284.2.1低功耗管理284.2.2系统功耗估算及性能评估29本章小结31第五章 总结与展望325.1总结325.2 展望33致谢34参考文献35附录 ：系统总电路原理图37摘要传统的列车制动试风测试由工作人员携带对讲机和机械压力表到列车尾部的指定位置量取压力，然后通过对讲机向中心口述报告测量情况，观察结果不能存储备查。为提高列检试风设备技术水平，适应长大列车列检试风作业要求，需要研制开发列车试风尾部智能风压实时监测系统。这对于加强列检安全监控，确保行车安全，适应列车提速重载有着重要的意义。本文以MSP430为控制器设计了一种低功耗实现风压数据无线监测系统。分析了系统低功耗设计的一般原则和实现方法，并结合实际应用需求，从系统的硬、软件方面进行了针对性的低功耗设计。系统外围扩展了FLASH存储器以增强系统存储实测数据的能力、提供了实时时钟芯片以便于对实时数据记录和查询。无线传输使用CC2420集成无线通信模块。本文根据任务要求，设计了一种低功耗列尾无线风压监测系统，该系统能满足铁路的性能要求，采用智能电源管理，具有很低的功耗，同时可以无线传送风压数据。该系统满足铁路需要的同时也能工作在其它工业现场。关键词：列车试风，风压监测，低功耗，MSP430，CC2420ABSTRACTTraditionally，the rear air pressure data of train air testing in railway station is fetched manually by mechanical manometer and reported to monitoring center by intercom. The air pressure data could not be preserved and the testing is not be implemented automaticallyIn order to improve the air brake testing on train，it is necessary to develop an intelligent rear air pressure real-time monitor system，which is significant to enhancing the safety of train inspection，ensuring the safety of train driving and adapting for raising speed and loading heavilyThis thesis designs a portable train air pressure data acquiring and recording device based on MSP430The thesis generally analyzes the principle and implementation about ultra-low power designThe ultra-low power designing on the requirement of the system is achieved in the thesisIn the system，one flash memory is added to enhance the data storage capability and one realtime IC is supplied for checking up history dataWireless transmission using CC2420 integrated wireless communication module.The thesis according to the task requirements, designs a low power train tail wireless pressure monitoring system, this system can meet the requirements of the performance of the railway, the intelligent power management, has a very low power consumption, and wireless transmission pressure data. The system can meet the need of the railway can also work in other industrial field.train air testing, pressure monitoring, wireless transmission, MSP430, CC2420第一章 绪论1.1研究背景1.1.1 列车制动原理火车的制动要靠风,即一般说的气、风,和一般大型汽车气动刹车原理相似。火车的风由机车内安装的的空气压缩机产生的,保存在机车的总风缸之内, 之后由均衡风缸装置进行均压处理,一般铁路上规定为为600千帕,这些经过处理的风由总风管传递到各节车厢,总风管一般装在两节车厢连接处（在车钩的旁边），当火车刹车制动时,火车司机按下开关打开制动阀,风便从这根风管里压到各节车厢制动缸里面,使活塞运动,活塞与制动的闸瓦连连在一起，故闸瓦将紧紧抱住车轮,以使火车缓慢减速最终停车（至少需要800米滑行距离）1。这即是所谓的火车空气制动原理，也就是说，通过在列车风管里面存在的压力，顶住列车下的制动闸瓦或制动盘，以使它们与车轮脱离接触，当列车司机驾驶列车开始减速，便会照列车司机给的制动级位进行分级减压，闸瓦就会抱住车轮，制动盘的夹钳将会紧紧夹住制动盘，从而实现对应不同的制动力的分等级制动减压。列车采取减压制动的另一个理由是如果风管出现状况， 例如说漏风或断裂等意外事故， 空气压力将会快速下降，列车便会迅速停下来，从而避免很多可能的事故发生，在铁路术语中称之为安全导向功能。下图为列车制动原理图示。图1.1 火车制动原理图1.1.2 列车的试风铁路通常上以列车试风实验作为考核列车制动性能好坏的重要依据。列车试风即是于火车出发前对风压制动机的制动作用进行试验，这时列车发车前的必要工序。不论是编组完、换火车头有火车时长时间停车，发动机启动前必须执行者到作业。火车的质量大且速度快，若是制动能力减小或失灵都很有可能造成重大事故，给人们生命财产安全造成损失2。1.2 研究现状1.2.1 列车试风的历史试风实验的传统方法为在火车站或者编组场、站段列检所内配置设列车试风仪器，对列检工作进行管理，对列车制动机性能进行检验维护。一个完整的传统老式试风系统由管理控制计算机、地下及地面空气管路系统、空压机、电子控制列车试风机、传感网络等几部分组成，微机系统控制电空阀、中继阀 ，还可以通过带按键的手持移动遥控对讲机进行遥控指挥操作完成列车试风试验的全部内容 。随着铁路高科技的飞速发展，传统老式试风方案的缺点显得更加突出，主要表现在以下几方面3：(1)测量工具方法陈旧在全部试验（充风试验、安定试验、泄漏试验、持续试验、感度试验）、 简略试验和持续较长时间的全部试验等过程中，对列尾风压的检测是通过用指针式压力仪表进行测量，之后将测量所得结果结合车次、列车车厢节数、轨道号等身份信息通过对讲机与试风室取得联系并记录数据。(2)风压测量精度低老式空气压力指针式仪表本身就精度较低，列检人员读数也必然会有误差，这些结合都将致使测量结果无法做到足够精确，有时候会严重到影响作业者对逐步试风作业 、自动试风作业 、本务机试风作业（异常试）结果好坏的判断。(3)试风管理方法落后列检试风试验历史记录是由人工记录在表格上进行保存的，这种记录方式是非连续的，缺少整个试风作业过程的数据，日后的查询也受到极大影响，同时也无法让列检值班员监控试风全过程进行监控，无法便利的进行信息化管理。人为的不确定因素同时增加，一些漏检或者怠工的行为容易人为漏过不合格车辆， 为列车安全行驶埋下了隐患，也使得事故的后续分析排查原因更加困难。1.2.2列车试风的发展近些年来，随着中国铁路跨跃式发展的背景下，列车被应用上了许许多多更先进的技术，各铁路局也意识到了列车试风系统的改进工程的重要性。广铁集团甚至还专门成立了列为风压监测系统的项目小组。许多更好的方案被提出来甚至已经在铁路上广泛的应用了。 最早对传统试风系统的改造升级是使用工业中先代替人工对讲机，他在列车上安装足够长的总线保证数据的稳定及时传输。但由于它采用的是工业总线传输，不限制能局限于列车车厢内部，对于列车和试风室、铁路局的控制室还需要人员来协调工作。这虽然减少了人力资源的浪费，但还不够彻底，并且RS485总线或CAN总线这种系统需要长时间供电，对列车宝贵的电源消耗较大，所以并没有得到广泛的应用4。还有一些专家提出一种基于利用移动运营通信商GPRS通信网络将列尾压力发送到手持机和试风室的方案。该方案可行性强，充分利用通信运营商的现成通信网络，节省了组网的成本开支，而且速率较快，稳定性良好。但是总所周知，铁路总是在人们过节放假时候比较繁忙，人流量的激增，移动通信运营商的服务器也不堪重负，导致繁忙延时增加，甚至于发送失败，在节假日恰恰是铁路安全问题最突出的时候，而且通过短信发送的方式不仅费用高，列检人员工作的强度对比用手写记录效率没有明显的改善这样的方案显然难以保证系统的长期稳定工作，故也没有得到真正的发展5。随着科技的快速发展，现代铁路的风压检测系统一般集成在一套列尾装置中，该列位装置不仅包括风压监测，好包括温度检测、列车信息等多种实用功能，这在以高科技应用集中二著称的高铁中应用广泛。虽然这种列尾装置集成度高，功能强大，但是价格昂贵，功耗也高，在高铁以外应用不广泛。普通列车仍然作为铁路系统的主要运力，需要的是一个性价比高的列尾风压检测系统。下图为某公司设计的列尾装置图6。图1.2 深圳思科泰公司800MHz列车防护报警系统和客车列尾系统1.2.3无线风压监测系统的意义随着铁路自动化技术的普及。原有的改进方案已远远不能满足日益繁忙的铁路系统。人们需要更高效更智能的列车试风系统。故将列尾风压监测系统进行无线化，将是大势所趋。现代画的是风系统将试风控制室和列尾装置通过无线装置很好的结合起来，列检人员只需在试风室锂输出控制命令，就能对列车的运行、制动状况了如指掌7。为满足现代铁路运输更高的要求，列车的风压监测应该要满足以下几点要求：(1)精确，准确的风压数值才能让货车司机对列车的状况有准确的了解，是保证列车安全行车只懂得关键，来不得马虎。(2)节能，采用电池供电的列尾装置，可长时间工作，不需要列车员经常去维护。(3)智能化，单片机根据便宜的程序自动运行，在需要的时候传回数据，整个过程列检员只需在试风室PC上监控。检测端在工作模式和节能模式之间智能切换。(4)耐用可靠，能长时间在恶劣的条件下工作,在工业级环境温度(-2050)下长时间可靠运行。 (5)实时性，当进行试风实验是，控制空或手持机向列为发送控制命令或者请求，列尾装置能尽快将数据传回以便分析。(6)无线通信,极大提高了工作效率，方便操作，但在实际应用中还有很多问题有待解决。因此，研究无线低功耗风压监测系统对于铁路的安全管理、提高工作效率、合理对列车监控都有重要的意义。1.3 关键技术的发展及研究现状1.3.1 压力传感器与检测传感器技术是自动化系统和现代测量的主要技术之一,几乎每一项生产开发的过程控制技术都离不开传感器,又被称为工业的眼睛。工业发达国家对传感器技术的研究非常重视8。对风压的检测一般是通过压力传感器来实时测量风管里的空气压力。对风压的检测的首要关键在于合适的压力传感器以及相应的测量和处理技术。用于工业环境压力测量的压力传感器的主要类型有金属应变式压力传感器和基于陶瓷材料的压力传感器。（1）金属应变式压力传感器，这种压力传感器是靠金属上的贴片感测压力的，老旧型号的压力传感器贴片要靠人工粘贴，不仅精度低，而且工艺差。先进的压力传感器多采用先进的工艺将贴片与应变电路结合，不断提高测量精度同时保持较高的稳定性，在工业中的应用越来越多。（2）耐高温压力传感器，新型半导体材料碳化硅(SiC)的发明使得单晶体的高温传感器的制作成为可能。这类压力传感器工作温度甚至高达573K,而且耐辐射。室温下,实验得出这种压力传感器的灵敏度为20.2muV/ VKPa，达到较高水准！对于传统型的压力传感器，归纳起来主要有以下几个改进趋势：(1)小型化，工业过程控制市场对小型压力传感器的需求越来越大,这类小型传感器可工作于非常恶劣的环境中,并且保养和维护也较简单,对周围环境的影响也小得可以忽略不计,甚至能放进人体的各个重要器官中方便医生收集资料而不会影响一个人的正常生活。(2)集成化（含信号调理），单一传感器已经无法满足要求越来越多的工业测控环境，压力传感器也因此趋向于的与别的类型传感器集成在一起以形成一套完整的测控系统。集成测控系统在工厂自动化和过程控制中可显著提高工作效率。(3)智能化（含微处理器），半导体技术的进步使得将一部分单片机的功能集成当中成为现实，传感器可以完成一些简单的逻辑功能或者对监测对象进行补偿修正。(4)网络化，随着工业自动化的进一步发展。人力劳动强度越来越小，传感器作为工业的眼睛对工业自动化的进步有着举足轻重的地步。将传感器接入工业网络，如总线、无线网等，使整个工业过程控制得意有序、有效的执行，不断的提高工业生产效率，降低生产成本。目前铁路中应用的压力传感器主要有两种，一种是陶瓷封装压力传感器，1.3.2 嵌入式单片机随着信息化、智能化、网络化的发展，嵌入式技术将全面展开，现在嵌入式已经成为通信和消费类产品的共同发展方向，嵌入式系统必将成为当今IT界的又一焦点。嵌入式技术(单片机技术) 以计算机技术为硬件基础,以软件编程应用为中心，软硬件可以相互剪裁配套适应，拥有较低成本，较完善的功能、较小的功耗和较满意的可靠性。这是一种将半导体技术、计算机微处理器、电工电子技术与各行各业的过程控制、产品功能控制相结合配套的热门技术。嵌入式系统的组成一般包括：微处理器、外围拓展电路和配套编程软件组成，具有高度分散、技术密集、技术革新飞快的显著特点。随着社会的发展，嵌入式早已经广泛应用于军事、航天、工业过程控制、测控检测、家电、手持设备等领域，与人类的日常生活紧紧结合在一起。1.3.2 无线通信20世纪初随着科技的进步，无线通信技术也步入了了飞速发展时期。得益于硬件技术的日新月异,多种多样功能完善强大的电子元件相继发明改进,无线通信技术更是获得了质的飞跃,开始广泛渗透到各个领域9。各种无线通信技术迅猛发展，固然能够极大的提供了人们的工作效率和生活质量。然而，在日常生活中，我们依然会被各种电线毫无章法的布局所束缚，所以短距离无线通信技术也得到了很好的发展壮大。短距离通信技术主要有以下几种成熟方案：ZigBee、Bluetooth、Wi-Fi、GPS、433MHz等。这些方案各有侧重点，各有优缺点，目前还没有能够完美兼顾各方面的方案。用户一般根据他们的特点和自身需求选择其中一种方案或几种方案混用。下表简要对比当下流行的几种短距离无线通信方案10。表1.1 各种段距离传输方法对比通信距离功耗组网规模安全性成本ZigBee100-500m低6500高低Blutooth10-50m中点对点高低433MHz1km低250低低wifi10-100m低24小时，待机时间一周。要求该系统能自动记录和传送实时测量数据并包括实时时钟、日历，符合手持设备工作要求可由USB电缆供电，适用恶劣工作环境。根据2.2得出的风压传感采集装置终端结构，根据铁路上的需求需要，选择合适的元器件。这些器件不仅要求尽可能低功耗包是长时间的待机状态，还要求功能够用的前提下尽可能降低成本。下图为本次设计主要涉及的列尾风压检测装置端。图2.3 风压传感采集装置终端结构图以下是风压采集端选用器件型号。（1）风压传感器：根据任务需求选择美国精量公司的1471系列低功耗单片机，美国经两公司的传感器质量一向在工业过程控制系统中广泛应用，并得到大家的一致好评，性价比非常突出，功耗控制出色，测量精度1%，测压范围高达250PSI，体积小，安装方便，非常易于扩展封装16。图2.4 压力传感器（2）信号调理电路：选用最新的AD627芯片，可将风压传感器的输出电压放大到主控芯片的数模转化模块的输入范围。（3）主控芯片，选用TI公司的MSP430F1611单片机，该单片机具有超低功耗的特点，真正进军微安级别的功耗，适合对节能有要求的工业环境17。图2.5 MSP430F1611管脚图（4）无线通信模块选用深圳TS公司的TS-zigbee无线集成通信模块，该模块集成必要的外围电路的和天线，易用性良好，在需要的场合只需接上通信口就能轻松完成工业现场无线网的组建和使用18。（5）电源选用锂电池供电，并使用ADG821电子逻辑开关控制对某些模块的供电，在不使用该模块时对其停止供电。本章小结本章首先结合设计要求主要介绍了列车试风系统的整体结构和原理，同时重点介绍了本次设计的主要内容，即列为风压监测系统。最后就系统要实现的功能介绍了将要使用的元器件。第三章 模块电路设计 3.1压力传感器及其调理电路3.1.1 风压传感器原理根据任务要求选择的风压传感器是应变电阻桥式的压力传感器，它的核心部件是一个电阻桥。电阻桥上的电阻把压力的变化转换为电阻值的变化。列尾风压传感器由金属电阻组成电桥，电阻的电阻率与其长度、截面积正相关，当受到空气压力挤压时，其长度增加而横截面积减小，电阻值将对风管内压力的增加而成正比例增加19。图3.1 风压传感器等效电路图R1R3R2R4U0 U0= （3-1）由上式可见：若R1R3=R2R4，则输出电压必为零，此时电桥处于平衡状态，称为平衡电桥。平衡电桥的平衡条件为：R1R3=R2R4 应变片工作时，其电阻变化R，此时有不平衡电压输出。 （3-2）本设计采用美国精量公司的低功耗系列压力测量传感器，该系列传感器表面贴装硅压阻式传感器适用于大批量，体积小，重量轻，可进行自动化贴装的应用领域。可针对客户的高精度需求进行室温下的量程和偏差校正。其有以下特点：3.1.2 传感器供电电路系统需要两种规格的电源，传感器的供电电压为5V，以提高电压输出灵敏度。33V左右。锂电池经过稳压电路后工作电为33V。为得到稳定的+5V电压，需要电压转换芯片把锂电池稳压电路的3.3V电压转换为+5V电压。美国MAXIM公司的MAX660是一种COMS独立电压转换器。它一般有两种典型电路，当用作电压转换器时，GND端接地，+Vin端接15V到55V的电压输入，输出端将15V到55V的正电压转化为相应的负电压。当GND接15V到55V输入时，将输出端OUT接地，+V端可将15V到55V的正电压放大一倍。本设计使用第二种，使用MAX660将锂电池稳压电路供应的3.3V电压加倍。图3.3 MAX660典型电路（电压转换）图3.4 MAX660典型电路（电压加倍）MAX666是一种新型COMS工艺微功耗电压控制器，它具有外围元件少、功耗低和效率高等特点。MAX666也有两种典型应用，一种是固定+5V输出，另一种是15V至15V的可选输出。在本系统中使用固定5V输出方案，其输出的5V电压转化效率高，稳定性良好。其电路如下图所示21。图3.5 MAX666固定5V输出电路综上分析，传感器供电电路作下设计，李典稳压电路提供的电压由MAX660的GND端输入，然后由Vin端将加倍后的电压由MAX666转化为稳定的5V输出，其转化稳定度高达0.2%,完全满足铁路系统的要求。图3.6压力传感器供电电路3.1.3传感器调理电路 压力传感器的耐压范围是O250PSI、输出灵敏度是13mV/V，在供电电压为5V的情况下，则电压输出范围是o60mV。MSP430单片机的ADC转换模块要求的是02.5V的输入。为使传感器电桥输出电压符合单片机的AD输入要求，需要对原始电桥输出电压信号放大2223。AD627在提供出色的放大功能的同时最大工作功耗仅为其内部原理及外部管脚图如下图所示AD627的放大误差极其小，有信号漂移补偿，能很好抑制信号的噪声和谐波。并且功能的升级并没有带来更大的芯片占用面积，片内布局很合理，而且成本还有所下降。其外接电阻与可调增益的关系给有给定的公式算的的阻值由放大倍数决定。对比参考电压V3.2控制电路设计3.2.1单片机的选择本系统要求适应铁路上上时间使用的特点，对功耗控制有更高的要求，因此，MCP。这种微处理器不仅要求处理能力强，还要求功耗低，同时还肩负着协调风压系统各部分模块合理工作的重任。对技术发展日新月异的单片机来说，处理速度达到非常快的地步，工业过程控制应用中，在保证按时处理完所有指令任务外还有大量的空余时间。在这些空余时间里，在待机状态中，单片机不处理任务，但在不停的询问是否有新的任务，即是否有新的命令请求。若想取得较低的功耗，就需要在这些待机时间里让内部电路关闭不使用的电路，仅保留必要的唤醒请求电路。综合考虑列车的试风的要求、条件以及系统的低功耗、成本、实用性，（TI）公司的MSP430系列低功耗单片机，具体型号为MSP430F1611。MSP430系列单片机是一种超低功耗的16位单片机24。MSP430：(1)SP43016位的单片机，采用了精简指令集（RISC）结构，具有极其丰富的寻址方式、27 条内核指令还支持很多模拟指令；此外它的查表处理能理想的的高效率。执行运算程序的效率很高。(2) 运算速度快MSP430 系列单片机指令周期很短，运算速度相当令人满意。16位的数据宽度、40ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能实现乘加运算）相配合，能实现数字信号处理的某些算法（如FFT等）。(3)超低功耗 MSP430 系列单片机最突出的优点是有超低的功耗，他有多种低功耗模式，通过调节关闭相应的时钟实现对六种工作模式的选择17。MSP430 系列单片机供电电压仅需1.8-3.6V 电压。高时钟频率下电流也不超过70A左右，在低功耗模式甚至可实现功耗只有0.1A。MSP430 单片机有高速和低速两种不同的时钟系统，这种设计非常的独特。MSP430f1661可以根据需要选择:高频时钟系统、低频时钟系统和DCO内部数字振荡器时钟系统。在本列尾低功耗无线风压监测系统中选用的是低速低频的时钟系统，频率为32768Hz。MSP430F1611根据需要可以处在多种不同工作模式之下，包括正常工作模式和五种不同等级的低功耗模式。任何一种终端响应都可以将MSP430从低功耗模式改唤醒为正常工作模式。五种低功耗模式主要区别在于MSP430内部的CPU、DCO直流发生器和几个时钟：ACLK（辅助时钟，来自外围低频或高频晶振）、SMCLK（次主时钟，外围模块使用的时钟）、MCLK（主时钟，MAP430内部使用主时钟）的关闭与否。表3.1 MSP430的工作模式CPUACLKSMCLKMCLKDCO正常模式LPM0LPM1-LPM2LPM3LPM4 (4)片内资源丰富MSP430 系列根据具体型号的不同集成了种类繁多的功能模块。为使用者设计方案提供了极大的便利。MSP430F1611内置要继承集成了以下功能模块：表3.2 具体集成模块48 KB Flash ROM和10KB RAM定时器硬件乘法器串口 (USART) 0，lLCD显示驱动看门狗WDT通用端口l-6(P1-P6)12位ADC（ADC12）比较器 (5) 方便高效的开发环境需求的设备简单，开发语言可以是汇编或C 语言，可由开发者选择自己擅长的。3.2.2 MCU接口电路设计MSP430F161 1单片机是整个系统的核心，负责控制传感器对风压数据进行采集，同时要将压力传感器传回的压力数据结合实时时间进行处理、压缩、存储以及无线发送等，其接线图如图所示。图 3.9 单片机接线图空气压力数据只需占用一个AD12通道，选用P6.O口为经过放大电路放大的风压电压信号输入口。MCU的接收到压力放大信号厚将使用芯片内自带的AD12进行AD转化。事实上，MSP430片内的AD转换器已经达到了很高的精度，它是12位的，也就是说片内AD分辨率可高达1212=1/4096，这样的转换精度足以保证采集的风压信号拥有足够的精确度25。本设计选用的电源管理芯片为ADG821，这是一种电子逻辑开关，片内有两个逻辑开关，使用两个控制端控制两个对应的输出端。他的两个输入端为IN1和IN2,当输入端（控制端）为高电平时，片内开关的两边就会联通，即S1、S2分别和D1、D2联通，一般使用D为输出口；反之，当输入端（控制端）为低电平时，开关两边断开。用该芯片管理传感器供电的原理是，单片机的一个输出口控制一个开关的控制端，在必要的时候才给控制端一个高电平，逻辑开关的两边链接3.3V电源和传感器升压稳压电路。本设计选用D1即第一个逻辑开关，有MCU一个I/O接口电路控制输入端。其理图和接线如下图所示。3.10 电源管理芯片原理图3.3数据存储和实时时钟为了增强风压数据的存储能力，本论文选用512KB串行FLASHAT45DB041存储数据。与普通的数据存储器相比，该芯片具有功耗低、体积小、串行接口、外部电路简单等特点，适合传感器节点使用。数据存储电路示意图如图所示。存储芯片的内容按页存放,共2048页,每页 264字节，故总容量为2642048=528K字节（大约为4M容量大小）。主存中存储的数据掉电不会丢失，可较长时间保存数据。除了主存以外芯片还有两个数据缓存器，容量为264 byte。缓存在主存与外部进行数据通信是被用做缓冲区,在内部使用时可用来做数据的临时存储。缓存与主存不一样，她读写速度快而且方便快捷，但是掉电会丢失数据。AT45DB041芯片数据的读写采用串行方式,这种方式速度较快。与处理器接口由MCU得一组通用I/O接口连接，其中片选和抚慰也同样使用这组通用I/O接口。本设计用P61P6.6控制，P6.1控制只读端口，P6.5控制复位，P6.6控制片选，P6.1-p6.4jie通用接口，作为数据写入读出借口。设置读写方式为可读写。供电电源为3.3V。器接线原理图如下所示。图3.11 存储芯片接线图为了给以后的试风实验查询提供历史查询功能，需要实时时钟芯片来提供实时时间。本文使用常见的DSl302时钟芯片这块时钟芯片具有很高的能耗比，实现功能与节能的双管齐下，它可以精确到对时、分、秒计数，在对年、月、日计时的时候能智能判断大小月，甚至还能识别闰年。可谓是一款非常优秀的时钟芯片。其原理图如图所示。图3.12 时钟模块接线图DSl302需要设置一个32768K的晶振，供电电压有较大范围，这里与单片机一起用3.3V供电。3.4 无线通信模块3.4.1 ZigBee介绍与其他类型无线网络一样，无线传感网络链路层上需要提供可靠的点对点传输、流量监控等功能。但区别于其他无线网络，无线传感网络对无线传输没有对传输速度的严格要求，它更重视传感网络能否保证长期稳定的工作，同时无线风压传感网络大部分时间都处于休眠待机状态，所以也要求通信的同步，即通信双方进行通信必须双方都在活动状态中，在网络节点上优先级一致。列尾低功耗无线风压监测传感网络要求低功耗、成本合适，对传输速度要求不高。802.15.4协议，即ZIGBEE协议，定义250kbps的低复杂度、超低功耗和超低成本的无线数据通信的物理层和MAC层，同时支持无线安全通信。ZIGBEE的设计充分适应了传感网络的要求，在低功耗、同步通信、通信安全方面也做了特别设计。Zigbee定义了700MHz、800MHz、2.4GHz等几个频段，支持几种不同的传输速度。正是因为它的这些特点，使zigbee在无线传感网络的应用越来越多。各大公司纷纷推出了支持ZIGBEE协议的通信芯片，比如Freescale公司推出的MC13192和Chipcon公司（已被TI公司收购）推出的CC2420芯片都是应用很广泛的zigbee射频芯片。本设计采用CC2420芯片，下面对其进行简要介绍26。CC2420是Chipcon公司在2003年推出的首款符合2.4GHz IEEE802.15.4标准的射频收发芯片。CC2420集成很多附加功能模块世界上，是第一款适用于ZigBee产品的RF芯片。它基于Chipcon公司的Smart RF03技术，以0.18um CMOS工艺制成，集成度很高，拥有超低的功耗，并且稳定性良好。CC2420的各项指标均达到或者说远超IEEE802.15.4标准，有力保证可靠、便捷的短距离通信。组网方式多样便捷，传输速度高达250kbps27。CC2420是一款高度集成的芯片，仅需要天线、晶振等少量外部电路元件。是目前在免授权的工业用频段上最优秀的短距离无线通信解决方案，并且功耗低，成本低。CC2420设计之初就考虑好了与微处理器的接口问题，拥有良好的兼容性，能与多款常用的微处理器实现完美连接。通过SPI口与MCU连接，协调处理数据的采集、发送和接收。其内部结构如下图所示。图3.13 CC2420芯片内部结构3.4.2 MSP430与CC2420的接口电路MSP430与CC2420接口如下： MSP430通用IO外部中断通用IO