管道地面定位盒无线唤醒与休眠单元设计.doc

密级：公开

管道地面定位盒无线唤醒与休眠单元设计
Design of Wireless Awake and Dormancy System to The Pipeline Ground Positioning Box

学 院：信息科学与工程学院
专 业 班 级：测控技术与仪器1004班
学 号：
学 生 姓 名：
指 导 教 师： （教授）

2015 年 06 月

I

摘要
随着近年来石油天然气能源需求的不断提高，我国油气管道建设也不断提速，预计2015年油气管道总里程将达到10万公里。如此长的距离必然需要定期对管道进行检测，以保证油气管道能正常的运输工作。管道检测过程中，管道距离比较长，检测装置的功耗能力直接影响到检测任务是否能够顺利完成。设计一款用于油气管道检测装置的低功耗无线网络节点，对保障管道检测顺利进行，提高检测装置寿命具有重要的现实意义。
根据实际情况及设计要求，本次设计主要内容为远距离无线唤醒与休眠单元系统。本文以系统低功耗、远距离传输为设计的主要参考指标，设计出了能够实现远距离无线唤醒的网络节点。
本文以超低功耗单片机MSP430和远距离无线收发芯片SI4432为基础，通过对射频及无线基础知识、射频电路匹配以及对网络节点的硬件电路如BALUN、滤波器电路、射频前端功率放大电路，3.3V稳压电路等电路理论的深入分析和研究，利用Altium Designer Summer 09电路设计软件、Advanced Design System 2009先进设计系统仿真软件等辅助设计工具，设计了能够适应野外工作环境特点的具有良好功率发射性能和较高接收灵敏度的无线网络节点。并对滤波电路、BALUN及LNA电路进行了电路仿真。实现了无线网络节点与PC机间的串口通讯，能实时显示MCU和无线收发芯片所处状态。电路通过输出功率控制实现了节点远距离传输与能量消耗的平衡。无线网络节点电路设计各项指标满足设计要求。

关键词：管道检测；低功耗；无线唤醒；MSP430；SI4432

Abstract
With the increasing demand for energy in recent years, oil and gas, oil and gas pipeline construction in China also continue to accelerate in 2015 oil and gas pipelines total mileage will reach 100,000 km. Necessarily require such a long distance pipeline regularly tested to ensure the transport of oil and gas pipelines normal work. Pipeline inspection process, long distance pipelines, power, the ability to detect whether the device detects a direct impact on the successful completion of the task. A low-power design for oil and gas pipeline inspection device's wireless network nodes, and to ensure the smooth progress of pipeline inspection, improve the detection device life has important practical significance.
According to the actual situation and design requirements, the design of the main contents of this remote is wireless unit system wake and sleep. In this paper, the system low power consumption, long-distance transmission as the main reference for the design, devised to achieve long-range wireless network nodes wake.
In this paper, ultra-low power MSP430 MCU and remote wireless transceiver chip SI4432-based, Through the RF circuit theory and basic knowledge of wireless RF matching circuit and the network node hardware circuit as BALUN, filter circuits, RF front-end power amplifier circuit, 3.3V voltage regulator circuit, in-depth analysis and research, Use Altium Designer Summer 09 circuit design software, Advanced Design System 2009 Advanced Design System Simulation software-aided design tools, Designed to adapt to the characteristics of the field emission performance of work environment and high receiver sensitivity of the wireless network node has good power. And a filter circuit, BALUN circuit of the LNA, and circuit simulation. Realization of serial communication with the PC wireless network between nodes can show MCU and wireless transceiver chip which the state in real time. Output power control circuit realized by balancing node distance transmission and energy consumption. Wireless network node circuit design of the indicators meet the design requirements.

Keywords：Pipeline Inspection；Low power consumption；Wireless wake；MSP430；SI4432

55

目录
摘 要 I
Abstract II
第1章 绪论 1
1.1 课题研究背景及意义 1
1.2 射频电路传输线理论 2
1.3 无线电波传播 3
1.3.1 无线电波传播机制 4
1.3.2 路径损耗 5
1.4 主要研究内容及要求 7
第2章 系统总体设计 8
2.1 无线唤醒与休眠系统总体设计 8
2.2 无线传输模块的设计 8
2.2.1 SI4432无线收发芯片介绍 9
2.2.2 两公里无线传输设计思想 11
2.3 单片机低功耗设计 12
2.3.1 低功耗设计考虑因素 12
2.3.2 MSP430单片机介绍 13
2.4 本章小结 15
第3章 系统硬件设计 16
3.1 MSP430单片机外围电路设计 16
3.1.1 单片机最小系统电路 16
3.1.2 单片机下载通讯电路 17
3.1.3 单片机串口通讯电路 18
3.2 SI4432无线收发电路设计 18
3.2.1 BALUN电路 18
3.2.2滤波电路 20
3.2.3 放大电路 21
3.2.4 LNA电路 23
3.2.5 射频天线 24
3.3 3.3V稳压电路设计 26
3.4 本章小结 27
第4章 系统软件设计 28
4.1 系统主程序设计 28
4.1.1 SPI端口初始化 28
4.1.2 串口通讯初始化 30
4.2 SI4432芯片程序设计 30
4.3 本章小结 32
第5章 仿真调试 33
5.1 仿真软件介绍 33
5.2 仿真电路及结果 33
5.2.1 滤波电路仿真 33
5.2.2 LNA电路仿真 35
5.2.3 BALUN电路仿真 37
5.3 串口调试仿真结果 38
5.4 本章小结 39

第6章 结论 40
参 考 文 献 41
致 谢 43
附录A：系统原理图 44
附录B：PCB版图 45
附录C：程序清单 46

沈阳工业大学本科生毕业设计（论文）
第1章 绪论
1.1 课题研究背景及意义
石油天然气是当今世界最重要的两种化石燃料，石油也被人们称之为“工业血液”和“黑色黄金”，是世界各国家可或缺的战略性资源。我国石油天然气管道的发展起步较晚。第一条长输油管道是1958年建于克拉玛依独山子炼油厂的双线输油管道，全长300Km，管径159mm，代表了我国输油管道零的突破。随着近年来经济的快速发展，我国管道业也迎来了快速发展期，目前已形成了东北、华东原油管网和西北区域性原油管网，南北天然气管道环网也已形成，且有多个在建和拟建的管道项目[1]。西气东输管道工程、中国俄罗斯原油管道工程、中缅石油管道工程等相继完成或开工建设。
但是，由于工业管道的工作条件非常恶劣，容易发生腐蚀、疲劳破坏或使管道内部的潜在缺陷发展成破损而引起泄漏事故，所以必须对管道进行定期的检查和维护。据中国石化集团管道储运分公司统计，我国目前长线输油管道已建成1.5万千米，其中管道公司自己所经营的4000千米输油管道每年的偷油漏油事故2000多起，直接经济损失保守估计也要几亿元[2]。如果能够对管道定期进行检测，发现管道缺陷，并且获得其位置、类型、程度等精确信息，将为管道的安全评价、寿命预测、检修维护等提供可靠依据。
如何对这些管道的运行进行有效检测管理对其战略价值的实现具有重要意义。由于石油天然气管道大都建设在比较偏僻地段，而且线路长度长达数百公里甚至数千公里，这样就给人工采集相应数据带来很大不便。特别是在遇到恶劣天气时，人工采集数据就变的十分困难，甚至导致无法进行数据采集[3]。因此，使用无线远程管道检测网络对石油天然气管道进行检测即可以节约人力资源成本，又能够实现对石油天然气管道的全天候自动化检测，这对于提高管道检测的实时性及可靠性具有重要意义。
通常在管道检测过程中，地表会有很多定位盒，它们相隔大约为2Km，而检测装置即管道猪只有一个。当其在管道内行走时，地表定位盒会接收其信号，为了不必要的能源浪费，设计一款无线通讯系统，使管道猪经过定位盒时开启定位盒上的接收系统，之后给下一个定位盒发送信号使下一个定位盒启动工作。无动作时保证所有定位盒处于低功耗状态，尽量减少能耗，延长设备使用寿命。石油管道无线检测网络由间隔一定距离的无线节点组成，节点安装于野外且一般使用电池供电，因此需要节点具有较远距离的通信能力，同时应尽量减少节点耗电量，这一对矛盾是本项目需要解决的关键性问题。因此，设计一款符合项目要求的远程无线通信节点，为石油管道无线检测网络搭建起基础的硬件平台是项目实现的重要保障。
1.2 射频电路传输线理论
随着通信技术的不断发展，特别是近几年物联网技术的兴起，无线通信技术得到越来越广泛的应用。在无线通信应用中，信号所采用的传输方式及其传输特性都是由信号的工作频率所决定的。信号所采用的工作频率越高，通信容量会变的越大，信号工作频率几乎与通信容量成正比。因此，随着社会对于无线通信带宽需求的不断提高，信号工作频率随之不断升高。由于信号工作频率越高，通信设备天线尺寸可以设计的更小，而且通信设备中可以使用体积更小的电感和电容，因此设备小型化的社会需求又从另一方面要求在无线通信系统中使用更高的频率。3G、GPS、Wi-Fi. WLAN、WIMAX等技术均采用无线通信的方式进行信息传递。尽管釆用这些技术进行通信的信号采用的频率各部相同，但是这些信号都有一个共同的特点，它们都工作在较高的频率上[4]。
从广义的角度讲，能够向外界辐射电磁信号的频率均可以称之为射频。当信号的频率比较高，信号波长可以与电路尺寸相比拟时所设计的电路可以称之为射频电路。但是，射频电路中信号分析与低频电路信号分析有着很大大不同。适用于低频电路的基尔霍夫电路理论已经不再适用于射频电路。射频电路理论是低频电子学原理与电磁场数理函数分析模式的结合。就电磁场理论而言，其分析方法中包含了波动的本质，但却没有涉及到射频放大器、低噪声放大器、振荡器等有源电路的讨论。射频电路的独特之处就在于将波动理论引入了电子学，进而形成了射频电路独特的设计方法。射频电路涵盖范围包括了传输线理论、射频网络理论、射频滤波电路、功率分配电路、分支親合电路、射频放大电路、射频混频电路及射频振荡电路等。以上各部分有机组合构成了射频电路的完整体系。由于传输线理论和射频网络理论为射频电路设计提供了基本概念和参数和基本的研究方法，因此在射频电路设计中作为研究重点具有重要地位。
传输线理论本质上就分布参数电路理论，它将基本电路理论与电磁场理论有机的联系在一起。与低频电路完全不同，当工作频率不断升高，信号波长不断减小并且信号波长可以与电路几何尺寸相比拟时，传输线上的电流与电压呈现出波动特性，电流与电压会随着空间位置的变化而发生变化。传输线理论就是用来分一般意义上将传输射频信号的线缆筒称为传输线。传输线种类很多主要包括平行线、同轴线、波导、带状线、微带线和共面线等不同类型。在早期低频电路中平行线得到广泛的使用，但是随着传输信号频率的不断升高，平行传输线上出现显著的福射损耗，因而不再适用与射频信号的传输线[5]。为了防止和减小辐射损耗，具有封闭结构的同轴线和波导应运而生。同轴线和波导的使用大大提高了射频系统的工作性能，将射频微波技术提升到一个新的水平。然而同轴线和波导却有着体积大、重量大、机械加工量大、成本高，不易进行调整等固有缺陷。随着社会需求的不断变化微带线和带状线应运而生。微带线和带状线的应用不但较好的解决了射频信号辐射损耗的问题，同时由于其体积小、重量轻、在印制电路板上布线灵活等特点在目前射频电路中得到广泛的应用。
1.3 无线电波传播
信息在点到点之间不借助物理媒体进行传播的现象就是无线电波传播。如果要设计一个高效的无线通信系统，即使在相当短的距离上使用，也需要了解通信的周边不同环境中无线信道的行为。尽管使用“强制力”即增加发射功率，可以克服过量的路径损耗，但是电池寿命或者管制部门对设计制定的限制，仍使得利用无线传播知识所提供的方案来进行长距离无线系统的研发和部署非常重要。
无线电波行为由麦克斯韦方程式描述。1873年，英国物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）发表了有关电磁理论的专著《电磁学通论（Treatise on Electricity and Magnetism）》，其中提供了一系列描述电磁场时间和空间特性的方程式。海因里希·鲁道夫·赫兹（Heinrich Rudolph Hertz）用实验证实了麦克斯韦理论，从而导致了无线电报和无线电广播的发明。以麦克斯韦方程式为基础，我们可以描述空间无线电波传播特性、导体和绝缘体材料中电磁场的变化特性，以及波导中波的流动特性等。由此可以得到不同种类天线附近的趋肤效应方程式和电场与磁场之间的关系。市场上大量的计算机程序以麦克斯韦方程式为基础帮助我们进行天线设计、预测电路板布局中的电磁辐射问题、计算屏蔽效果，并执行准确的超高频和微波电路的模拟工作。
1.3.1 无线电波传播机制
无线电波可以采用四种方式在收发设备之间进行传播：地波、天波、自由空间波和开阔空间波。
地波只存在于当收发天线与地球表面接近时由垂直电线产生的垂直极化方向上。穿透辐射在地面上产生感应电流，电波沿着地球表面进行传播，作为导体的地球将会吸收电波能量，从而造成衰减。水平天线对地波传播无效的原因是由于它们所产生的水平电场被地球所短路。地波传播只在最高位几兆赫兹的低频信号上起主导作用，所以我们不必担心。
天波传播靠电离层反射来实现，电离层是高于地球表面的稀薄空气被太阳电解后所形成的区域（主要是紫外线辐射），它负责3~30MHz之间的高频波段的长距离通信。天波特别依赖于每日的时段、季节经度及太阳黑子多年循环的产物等，它使得使用极低功率发射机的长距离通信成为可能[6]。
VHF和UHF波段上短距离通信最重要的传播机制是发生在开阔地的情况，这种情况下接收信号源信号经由地球反射后的反射信号直接视距信号的向量和。下面讨论在视距和开阔地形下信号强度和距离之间的关系。
不存在地球反射和电离层反射时，视距信号的范围是发射天线电波传播的函数。在自由空间中，信号强度与发射天线之间的距离成反比例。知道辐射功率时，可以采用公式（1-1）来计算场强：

（1-1）

其中，Pt是发射功率，单位为W；Gt是天线增益；d为距离，单位为m；E的单位为V/m。
在发射天线的输入功率已知的情况下，接收端功率Pr可以采用公式（1-2）进行计算；

（1-2）

其中，Gt和Gr分别为发射天线和接收天线增益，为波长。
当使用高增益天线而且天线比地面高出多个波长是，高UHF和微波频段的传播距离可以以此基础进行计算[7]。在微波频段，由于组成空气的水蒸气和其他气体所产生的大气吸收，信号强度也会相应减小。
1.3.2 路径损耗
路径损耗（Path loss）是在发射器和接收器之间由传播环境引入的损耗的量。可以采用数值表示，即发射天线的总辐射功率乘以接收方向的天线增益，之后再与接收天线所得功率相除。这是数字增益为1（0dB）的无损天线的发射功率与0dB接收天线的输出功率之间的比值。有时候为了明确起见，也称这个比值为各向同性路径损耗。各向同性辐射体是指在各个方向上辐射相等的李响天线，因此其增益为0dB。通路损耗的倒数有时候使用起来更为方便，它被称为路径增益，当采用dB表示时为负值。表1-1显示了不同环境下的路径增益指数。

表1-1 不同环境下的路径增益指数
环境
路径增益指数n
自由空间
2
开阔地（长距离）
4
蜂窝无线（城区）
2.7~4
被遮挡的城区蜂窝无线
5~6
建筑内部（视距）
1.6~1.8
建筑内部（阻挡）
4~6

表1-1显示不同环境下，路径增益指数的数值不等，增益指数越小，无线电波传播距离越远。无线通信传播距离计算公式分两种情况讨论。
（1）自由空间中无线通信距离计算公式

射频信号在自由空间传播时，其能量既不会被障碍物所吸收，也不会产生反射或散射，自由空间下射频信号的传输损耗仅与信号传输距离和射频信号工作频率有关，其计算公式见式（1-3）：

（1-3）

式中Los为射频信号传输损耗，c为光速，D为信号传输距离其单位以Km为单位，f为信号频率其单位以MHz计算。由式（1-3）可知，自由空间信号传播损耗只与工作频率f和传播距离D有关，当信号传输距离或者信号频率提高一倍时，信号传输损耗将提高6dB。由此可见，在通信距离一定的前提下，使用的射频信号频率越低，信号在自由空间中的损耗就越小，因此在设计确定网络节点时应选用较低的工作频率。
（2）自然环境下信号传输损耗的估算
不同自然环境下，信号是实际传输损耗是不同的。一定环境下信号传输损耗可以通过实际测量现有无线通信产品通信距离的方法计算得出，其一般方法如下：现有一款无线通信产品的输出功率Pout为26dBm、接收灵敏度RS为-105dBm，天线增益Gantenna为2dB、低噪声放大器LNA增益为GLNA25dB、工作频率f为433MHz。通过现场测试测得其通信距离D为1.3km，设实际大气信号附加衰减为X（dB），则信号在实际空间中的损耗的计算公式[8]为：

（1-4）

由于信号在传输过程中的能量最终全部衰减，因此有如下关系式：

（1-5）

于是，由式（1-4）及式（1-5）计算计算得到实际大气损耗为X≈71dB。根据此数据可以设计出符合课题要求的无线网络收发节点。
1.4 主要研究内容及要求
（1）主要研究内容
了解课题研究的背景、目的及意义，了解无线传感网络的兴起及发展、性能、关键技术、结构。学习射频和无线通信基础知识；针对实际应用的要求，对无线通信模块的结构进行设计。根据设计方案，对无线通信模块所需的芯片进行仔细比较和分析，选定性能优越的芯片。
理解无线通信模块中所采用芯片的结构、性能、工作原理等，然后分别对无线模块和单片机模块的各个硬件接口电路、和天线进行设计，画出设计硬件电路的原理图。熟悉、掌握无线通讯的唤醒和休眠技术；实现单片机与无线通讯控制下的唤醒和休眠的工作方式。
（2）课题要求
1）学习射频和无线通信基础知识；
2）掌握地面2Km距离发射、接收无线通讯技术；
3）熟悉、掌握无线通讯的唤醒和休眠技术；
4）实现单片机与无线通讯控制下的唤醒和休眠的工作方式。
（3）预期达到的目标
1）完成无线传输系统设计、原理说明及方案论证；
2）设计硬件电路原理图和PCB版图；
3）完成软件程序流程图；
4）系统主程序及部分子程序编写；
5）完成单片机低功耗调试工作。

沈阳工业大学本科生毕业设计（论文）
第2章 系统总体设计
2.1 无线唤醒与休眠系统总体设计
课题要求设计一个能达2Km无线通讯的模块和系统低功耗的设计，来保证系统在管道检测中消耗的电量最低。首先选定单片机型号，然后设计外围电路及供电电路；然后选择合适的无线收发芯片，加上放大电路及匹配电路和增益合适的天线来组成整个系统，系统总体框图见图2-1。

图2-1 系统总体框图

2.2 无线传输模块的设计
随着通信技术的不断发展，特别是近几年物联网技术的兴起，无线通信技术得到越来越广泛的应用。在无线通信应用中，信号所采用的传输方式及其传输特性都是由信号的工作频率所决定的。信号所采用的工作频率越高，通信容量会变的越大，信号工作频率几乎与通信容量成正比。但是频率越高其传播距离就会缩短[9]。为了使通讯距离能够达到2Km，工作频率不宜选择太高。
目前无线通讯一般选用收发一体的无线通讯芯片，它们一般工作在ISM频段（此频段主要是开放给工业、科学、医学三个主要机构使用，属于Free License，无需授权许可，只需要遵守一定的发射功率一般低于1W），并且不要对其它频段造成干扰即可。主流的无线通讯芯片有CC1100，NRF905，MICRF102，SI4432等。本着以实用经济为前提性能最优的原则，本设计采用芯片SI4432无线收发芯片来实现。
2.2.1 SI4432无线收发芯片介绍
Silicon Laboratories EZRadioPRO系列的Si4432是高度集成度单芯片无线ISM收发器件。其管脚分布图见图2-2。EZRadioPRO系列包括了发射机、接收机和射频收发器，让设计工程师可以有选择的设计利用里面的无线部分。Si4432提供了先进的无线功能，包括连续频率范围从240到930MHz和可调输出功率高达+20dBm。Si4432的高度集成带来降低BOM，同时简化整体设计。极低的接收灵敏度（-118dBm的），加上业界领先的+20dBm输出功率，保证传输范围和穿透能力。内置天线多样化和支持跳频。

图2-2 SI4432管脚分布

一些额外的功能，如自动唤醒定时器，低电池电量检测器，64字节发射/接收，自动数据包处理，并降低整体序言检测电流消耗，并允许使用较低成本的MCU。一个集成温度传感器，常用模拟数字转换器（ADC），上电复位（POR），和GPIO，进一步降低了整体成本和尺寸。
Si4432的数字接收架构采用高性能的ADC及基于DSP的调制解调器可实现解调，过滤和分组处理提高性能和灵活性。这一数字架构简化了系统设计，可允许使用低端的MCU来控制。数字传输调制和内部自动PA确保传输调制和减少频谱扩散，符合FCC和ETSI条例。
Si4432是一款CMOS的ISM无线收发器件，频段240-930MHz连续可调。工作电压范围为1.8～3.6V和低电流消耗，是电池供电解决方案的理想应用。
Si4432是一款分时双工（TDD的）收发器件，可交替传输和接收数据包。接收路径使用一个单转换结构镜像抑制混频。FSK/GFSK/OOK调制接收信号到一个低中频频率。跟随一个可编程增益功放（PGA）信号通过一个高性能ADC转换成数字领域，所以在数字领域执行过滤解调、切片、错误纠正和包处理，内置的DSP增加了接收器的性能和灵活性与模拟的架构。信号的解调输出，然后该系统通过一个可编程的微控制器的GPIO或通过标准SPI总线阅读64 K字节接收FIFO的。一个高精度振荡器（LO）是用于传输和接收模式，因为发射器和接收器不在同一时间工作。LO产生一个综合的VCO和N-PLL 合成器。合成器支持可设置的数据传输速率，240-930Mhz任意频率允许可配置波特率、输出频率、频偏、高斯滤波。发射FSK 数据直接调制到数据流，这个数据可以通过一个高斯低通滤波整形以达到一个更满意的频谱。
输出功率可配置范围以3dB的步长从+11～+20dbm。这个单端PA允许容易匹配和低成本精简外围，PA包含他自己突发信号的斜升和斜降为防止不希望大频谱散射，一个集成+20dBm的PA、容易跳频控制、收发切换控制、天线分集切换控制、能够赢得显著的优势。天线分集完整集成到IA4432 并且在一个典型的环境能够提高系统链路预算8-10db，视环境而定天线分集可以提高范围。在20 dBm 的功率放大器，也弥补了由于天线性能和PCB板面积性能的局限。而其他品牌的解决方案需要大量和昂贵的外部功率放大器来增加功率[10]。
Si4432外围电路有一个MCU、一个晶体和一些被动元件。芯片集成了电压调节器，工作电压从1.8～3.6V，只有4 针SPI线与MCU连接。三个配置通用I / O，可用于调整的需要的系统。SI4432特性，电气特性见表2-1。
SI4432功能特性：
（1）频率范围=240～930MHz；
（2）接收灵敏度：-118dBm；
（3最大发射功率：+20dBm，可配置+11到+20dBm；
（4）低功耗设计，接收：18.5mA，发射：27mA@+11dBm；
（5）数据传输率=1～128kbps；
（6）电压范围= 1.8～3.6V；
（7）待机超低功耗：400nA；
（8）数字信号强度指示；
（9）空中唤醒；
（10）自动频率校正（AFC）；
（11）天线分集，收发切换控制。

表2-1 SI4432电气特性
参考
最小值
典型值
最大值
单位
供电电压范围
1.8
3.0
3.6
V
省电模式关闭
—
10
TBD
nA
待机模式
—
400
TBD
nA

睡眠模式
—
800
TBD
nA
调谐模式电流
—
9.5
TBD
mA
接收模式电流
—
18.5
TBD
mA
发射模式电流_+20
—
60
TBD
mA
发射模式电流_+11
—
27
TBD
mA

2.2.2 两公里无线传输设计思想
根据以上分析，本设计采用SI4432无线收发芯片，它集成了PA和LNA电路，根据第1章公式（1-3）及式（1-4），将信号的实际大气信号附加衰减X以及需要的传输距离Z带入式（1-5），经计算可得到的总和，然后在系统设计过程中将总和拆分成输出功率、低噪声放大器增益、天线增益、接收灵敏度四部分，使它们分别作为设计各个功能电路、选取射频元器件时参考的设计指标。本设计所采用的芯片SI4432最大输出功率是20dBm，由于受到电路参数影响通常能达到19dBm，最大接收灵敏度为-118dBm，考虑到大气损耗约70dBm，传输距离为2Km时，计算可得所需总的输出约为43dBm，于是节点发射链路与接收链路指标分配大致如下：节点最大发射功率约为30dBm；接收链路低噪声放大器增益约为10dBm，天线增益约为3dBm。需要外接PA（功率放大器），功率需要达到11dBm，外接低噪声放大器增益达到10dBm。这样之后2Km无线通讯距离的问题就得到了解决。
2.3 单片机低功耗设计
2.3.1 低功耗设计考虑因素
单片机的低功耗模式是在单片机空闲时的一种减少耗电量的模式。为了使单片机具有更低的功耗，可以使它工作在低功耗、休眠或者掉电模式。对于工业应用来讲，应该选择一款自身就是低功耗的单片机。
目前单片机的种类很多，大多数都是针对某一类特定应用而设计的，合适的单片机系统选择与设计是节点微功耗设计的关键。单片机的微功耗设计可从下列几个因素考虑[11]。
（1）尽量选择集成度高的单片机。随着微电子技术的发展，单片机的集成度越来越高，实现了真正意义上的单片化。很多单片机都集成了大量的外围功能模块，如ADC、DAC、程序存储器、定时器、串行接口（RS232、SPI、I2C等）等。选择这样的器件，可有效加快开发进度、降低系统成本、减小体积、提高可靠性和抗干扰能力，同时SOC技术进一步降低了器件接口间的功耗。
（2）考虑到有些场合单片机的工作特点，选择单片机不光要关注工作电流，更应该关注单片机休眠时的静态电流。单片机丰富的低功耗模式和极低的静态电流，在满足特定应用功能的同时，有效降低系统的功耗。
（3）在满足应用要求的前提下，选择配较低的单片机，较小的RAM/ROM、较低的ADC分辨率、较低的ADC速率，较少的IO管脚都可以降低单片机的整体功耗。当然了，这个得能满足你产品需求的前提下。
（4）对于一个数字系统而言，其功耗大致满足公式：P=CV2f。其中C为系统的负载电容，V为电源电压f为系统工作频率。功耗与电源电压的平方成正比，因此电源电压对系统的功耗影响最大，其次是工作频率，再次就是负载电容。负载电容对设计人员而言，一般是不可控的，因此设计一个低功耗系统，在不影响系统性能的前提下，尽可能地降低电源的电压和工作频率。
（5）对于大多数低功耗单片机来说，工作频率越低，意味着消耗的电流也越小，但是不能认为频率越低，系统整体功耗越小，因为工作频率降低，意味着需要更长的处理时间，其他外围电路消耗的电能就越多。目前有很多单片机都允许有两个或者两个以上的时钟源，低频时钟作为如UART、定时器等外围功能器件的时钟源，高频时钟作为系统的主时钟。在不需要高速运行的场合下，低频时钟也可以作为系统主时钟使用。
2.3.2 MSP430单片机介绍
综合以上因素考虑，本设计采用MSP430单片机。TI公司的MSP430系列单片机是一个是一种超低功耗的混合信号控制器，能够在低电压以下超低功耗状态工作，具有5种低功耗模式，很适合用于电池供电的长时间工作场合。其控制器具有强大的能力和丰富的片内外设，MSP430F149的CPU采用了16位精简指令系统，集成有16位寄存器和常数发生器，发挥了最高的代码效率。它采用了数字控制振荡器（DCO），使得从低功耗模式到唤醒模式的转换时间小于6μs；代FLASH存储器的单片机还可以方便高效的进行在线仿真和编程。它包含有如下组件：
（1）基础时钟模块，包括1个数控振荡器（DCO）和2个晶体振荡器；
（2）看门狗定时器（Watchdog Timer），可用作通用定时器；
（3）带有3个捕捉/比较寄存器的16位定时器Timer_A；
（4）带有7个捕捉/比较寄存器的16位定时器Timer_B；
（5）2个具有中断功能的8位并行端口：P1与P2；
（6）4个8位并行端口：P3、P4、P5、P6；
（7）模拟比较器COMPARATOR_A；
（8）12位A/D转换器；
（9）2通道穿行通信接口（可用软件选择UART/SPI模式）；
（10）1个硬件乘法器；
（11）60KB+256字节FLASH，2KB的RAM；
（12）包含5种低功耗模式。
其管脚分布情况见图2-3。

图2-3 MSP430F149管脚分布

MSP430F149具有丰富的片内外设，MSP430系列单片机最显著的特点就是它的低功耗。在1.8~3.6V电压、1MHz的时钟条件下运行时的耗电电流在0.1~400μA之间，RAM在节电模式耗电流为0.1μA。等待模式仅为0.7μA，能耗是无线传感器网络的瓶颈，节点必须依靠电池供电，所以CPU采用MSP430F149是最佳的选择，MSP430F149采用16位RISC结构，简洁的内核指令，较高的处理速度，大量的寄存器以及片内数据存储器使之具有强大的处理能力，另外，MSP430F149的运行环境温度范围为-40~+85℃，可以适应各种恶劣环境[12]。
MSP430F149具有6种工作模式，包含5种低功耗模式，工作方式如下。
（1）活动模式（AM）：CPU和不同组合的外围模块被激活，处于活动状态。
（2）低功耗模式0（LPM0）：CPU停止工作， ACLK和SMCLK有效，MCLK有效。
（3）低功耗模式1（LPM1）：CPU停止工作，ACLK和SMCLK有效，MCLK无效。
（4）低功耗模式2（LPM2）：CPU停止工作，ACLK有效，SMCLK和MCLK无效。
（5）低功耗模式3（LPM3）：CPU停止工作，ACLK有效，SMCLK和MCLK无效，并且数字控制振荡器（DCO）的DC发生器被关闭。
（6）低功耗模式4（LPM4）：CPU停止工作，ACLK、SMCLK和MCLK全部无效，并且数字控制振荡器（DCO）的DC发生器被关闭。
MSP430可工作在一种活动模式（AM）和五种低功耗模式（LPM0~LPM4）下。通过软件设置控制位SCG1、SCG0、OscOff 和CPUOff，MSP430可进入相应的低功耗模式。各种低功耗模式又可通过中断方式返回活动模式。不同的工作模式耗电情况不同。活动模式下耗电量为200~300μA；LPM0模式耗电量为32~55μA；LPM2模式耗电量为11~17μA；LPM3模式耗电量为0.7~0.9μA；LPM4模式耗电量为0.1μA左右。
本设计采用低功耗模式3，在此模式下ACLK继续工作，但耗能已经达到很低，可以满足设计要求。
2.4 本章小结
本章介绍了系统总体设计思路，以及硬件电路芯片的选择。阐述了2Km无线数据传输网络节点的设计方案，对系统要求的低功耗做了详细描述，为系统整体设计提供了一个可行的方案。具体的硬件电路设计将在第4章做详细介绍。
第3章 系统硬件设计
3.1 MSP430单片机外围电路设计
3.1.1 单片机最小系统电路
单片机是整个系统的核心，为了保证单片机能够正常工作必须给单片机设定一个可行的工作环境，即单片机最小系统，包括复位电路，晶振电路，供电电路等，并对各个管