基于S12的无线传感器网络样机系统设计

　　摘要阐述基于蓝牙技术的无线传感器技术模块的设计及实现方法。详细描述了MC9S12DT128单片机在CodeWarrior开发环境下模/数转换的中断控制方式，以及主从蓝牙模块的驱动过程。系统包含主从2个蓝牙模块：主蓝牙模块由PC机控制；从蓝牙模块采用Freescale公司的MC9S12DT128单片机作为核心处理器。关键词无线传感器网络蓝牙技术MC9S12DT128

　　引言微传感器技术的发展和广泛应用，使得无线传感器网络成为传感器网络发展的必然趋势。无线传感器网络是由大量无处不在的、具有通信与计算能力的微小传感器节点，密集布设在无人值守的监控区域，构成的能够根据环境自主完成制定任务的“智能”自治测控网络系统。由于无线传感器网络长期在无人值守的状态下工作，无法经常为传感器节点更换电源，因此能耗成为无线传感器网络设计的关键问题之一，在系统设计时必须尽可能降低系统能耗。本文以无线传感器网络技术为理论依据，以教学样机系统为开发目标，提出了以MC9S12DT128为核心处理器，由蓝牙无线通信协议实现的无线传感器网络节点的设计方法。1硬件设计1.1系统原理作为无线传感器网络内的一个节点，本系统由传感器单元、信号调理电路、A/D转换电路、信号处理单元（由单片机实现）、从蓝牙模块、主蓝牙模块以及PC工作站7部分组成，如图1所示。具体工作过程是：传感器采集的环境中的信号量经过调理电路，送至MC9S12DT128单片机的模拟量输入端口；由单片机内置的ATD模块实现A/D转换，并对转换结果进行处理，将处理完毕的信号通过UART传送至从蓝牙模块。主蓝牙模块由PC机控制，主从蓝牙模块通过蓝牙协议实现数据交换。

　　* Freescale全球大学计划项目。图1系统原理框图1.2MC9S12DT128简介MC9S12DT128是Freescale公司的高性能16位单片机，采用5 V供电，内核为比68HC12的内核CPU12更快的S12，总线频率可达25 MHz。其特点是拥有丰富的I/O模块和工业控制专用的通信模块，如图2所示，工业应用非常广泛。图2MC9S12DT128片内资源MC9S12DT128单片机内部带有5 V转换为2.5 V的电压调整器，其内核电压仅为2.5 V，功耗很低；片外I/O采用5 V供电，但输出功率软件可调，最低可将输出功率降低为全功率的50%。此外，单片机提供了停止模式、休眠模式和等待模式3种低功耗的工作模式供用户选择；也可将部分通信模块设置为休眠模式，以降低系统的功耗。MC9S12DT128不仅运算速度快，而且功耗可以降至很低，适用于无线传感器网络。1.3主从蓝牙模块本系统包含相互配对的主从两个蓝牙模块。从蓝牙模块为日立公司的DOCENGMBM0202蓝牙模块，遵从蓝牙1.1规范，射频输出为class2级。其支持多种接口：USB接口、UART接口、PCM语音接口、PIO通用I/O口和ISP接口。另外，本系统中采用UART实现MC9S12DT128和蓝牙模块之间的通信，以及蓝牙模块的驱动和信号的传输。主蓝牙模块采用基于CSR的BlueCore02芯片开发的金瓯蓝牙开发平台3.0版。它提供了UART、RS232、USB、SPI接口供用户进行开发、调试，音频接口可进行蓝牙语音的传输。本系统中PC机通过RS232接口控制主蓝牙模块。1.4传感器选择为降低系统能耗，本系统所选用的传感器均为低功耗的小型传感器。其中，温度传感器选用Maxim公司的MAX6611。正常工作状态下，供电电流仅为150 μA，功耗为0.75 mW；在SHDN脚接地时处于省电状态，供电电流仅为1 μA，功耗仅为5 μW。湿度传感器选用Honeywell公司的HIH4000，其正常工作状态下的供电电流仅为200 μA，功耗为1 mW。压力传感器选用Motorola公司的MPX4100A，其正常工作状态下的供电电流为7 mA，功耗为35 mW。3个传感器在正常工作状态下的总功耗为36.75 mW；在节电工作状态下，总功耗为36.005 mW。2软件设计2.1MC9S12DT128的中断控制方式本系统中，MC9S12DT128采用集编辑、编译、调试、程序下载于一体的开发环境CodeWarrior4.5进行开发。CodeWarrior4.5是一种交叉编译器，支持高级语言（如C、C++和Java），以及大部分微控制器的汇编语言。中断控制方式是微处理器发展的一个重要里程碑，是提高CPU的工作效率、降低系统功耗的有效方式。在CodeWarrior4.5下，中断函数的定义只有2种方法：采用pragma TRAP_PROC或者interrupt关键字进行定义。具体使用方法分别为（假定中断函数名为INCount）：① #pragma TRAP_PROCvoid INCount(void){Tcount++;}② interrupt void INCount(void){tcount++;

　　}对应于中断函数不同的定义方式，CodeWarrior4.5下初始化中断向量表也有2种方法：① 采用VECTOR ADDRESS或者VECTOR关键字。具体实现方法为，在工程的.prm文件中加入中断函数的入口地址：

　　VECTOR ADDRESS0x8AINCount其中，0x8A为中断入口地址。或者，加入中断向量标号：

　　VECTOR 69 INCount其中，69为中断向量标号。② 采用关键字interrupt。具体实现方法为在中断函数定义时加入中断向量标号：interrupt 69 void INCount(void){tcount++;}其中，69为中断向量标号。2.2A/D转换中断方式的实现本系统中，传感器采集到模拟信号的A/D转换是通过单片机的ATD模块实现的。对ATD模块采用中断的控制方式，可以节约系统资源，提高系统执行速度。首先，必须在ATD模块的初始化程序中将ATD模块设置为中断模式，启用ATD转换完成中断。转换完成中断函数名为ATD0，其功能为读取A/D转换结果，采用interrupt关键字进行定义：#pragma CODE_SEG ATD0Interrupt_SEGinterrupt void ATD0(void){ATD0STAT0_SCF = 0;//关中断MeasureResult\[0\]=ATD0DR0H;MeasureResult\[1\]=ATD0DR0L;MeasureResult\[2\]=ATD0DR1H;MeasureResult\[3\]=ATD0DR1L;MeasureResult\[4\]=ATD0DR2H;MeasureResult\[5\]=ATD0DR2L;}#pragma CODE_SEG DEFAULT中断函数入口通过在预编译文件中添加ATD中断入口地址0xFFD2实现，即在P&E_Multilink_CyclonePro_linker.prm中加入语句：VECTOR ADDRESS 0xFFD2 ATD0MC9S12DT128的Flash空间为128 KB，采用分页管理方式，其地址分配为：RAM = READ_WRITE 0x0400 TO 0x1FFF;/*unbanked Flash*/ROM_4000 = READ_ONLY0x4000TO0x7FFF;ROM_C000 = READ_ONLY0xC000 TO0xFEFF;/*banked Flash*/PAGE_38=READ_ONLY0x388000TO0x38BFFF;PAGE_39=READ_ONLY0x398000TO0x39BFFF;PAGE_3A=READ_ONLY0x3A8000TO0x3ABFFF;PAGE_3B=READ_ONLY0x3B8000TO0x3BBFFF;PAGE_3C=READ_ONLY0x3C8000TO0x3CBFFF;PAGE_3D=READ_ONLY0x3D8000TO0x3DBFFF;可以看到Flash空间被划分为两部分：unbanked Flash以及banked Flash。对于banked Flash，定义在其空间内的函数只能被本页的程序所调用；而定义在unbanked Flash内的函数则可以为工程内任意程序所调用。中断函数想要正确地响应中断请求，必须放在unbanked Flash内，因此需要将中断函数置于特定的位置。可以从A/D中断函数ATD0的定义中看出，ATD0被定义在CODE_SEG ATD0Interrupt_SEG部分。CODE_SEG ATD0Interrupt_SEG是自己定义的ATD0中断代码段，其存放位置在P&E_Multilink_CyclonePro_linker.prm文件的PLACEMENT关键字下定义：PLACEMENTATD0Interrupt_SEG，COPY INTOROM_C000这样，就将ATD0Interrupt_SEG的位置定义在了unbanked Flash空间的ROM_C000。最后，在工程中建立ATD0Interrupt.c文件，在其中声明中断函数ATD0()为外部函数：#pragma CODE_SEG ATD0Interrupt_SEGextern void ATD0();#pragma CODE_SEG DEFAULT这样，就能保证置于任意存储空间的主程序在请求中断时，都可以得到及时、正确的中断响应。2.3主从蓝牙模块驱动蓝牙技术是一种使用2.4 GHz频段的短距离无线通信技术。与其他几种无线通信方式比较，蓝牙的传输速率并不是最快的，但由于其具有主从式的自组织微微网、低功耗、频段的开放性等优势，因此在无线传感器网络的应用中具有良好的前景。本设计中的无线传感器网络模块正是采用蓝牙通信实现的。传感器采集的信号经过A/D转换，转换结果需要通过蓝牙无线通信传至PC机。蓝牙系统能够支持2种连接，即点对点连接和点对多点连接。这就形成了2种网络结构：微微网和散射网。本系统属于只有一个从设备的微微网。这个微微网中，主蓝牙为与PC机相连的蓝牙模块，从蓝牙由与单片机相连的蓝牙模块担任。主从蓝牙的区别在于： 主蓝牙可以主动发出指令搜索蓝牙设备，建立和断开链接；而从蓝牙则必须等待主蓝牙的指令才能开始工作。PC机与主蓝牙模块、单片机与从蓝牙模块之间都是串行通信，波特率为57 600 b/s。主从蓝牙模块的初始化过程大致相同，通过串行通信顺序发送如下10条指令：Reset\[01 03 0C 00\]Read_Buffer_Size\[01 05 10 00\]Clear:Set_Event_Filter\[01 05 0C 01 00\]Write_Scan_Enable\[01 1A 0C 01 03\]Write_Authentication_Enable\[01 20 0C 01 00\]Write_Voice_Setting\[01 26 0C 02 60 00\]Set_Event_Filter\[01 05 0C 03 02 00 02\]Write_Connection_Accept_Timeout\[01 16 0C 02 00 20\]Write_Page_Timeout\[01 18 0C 02 00 30\]Read_BD_ADDR\[01 09 10 00\]蓝牙模块接收指令后返回相应的指令执行状态，处理器判断返回的指令状态，确定无误之后，才能发送下一条指令；否则，当前指令必须重新发送。主从蓝牙模块的工作流程如图3所示。图3主从蓝牙模块工作流程采用VC6.0开发监控程序，将蓝牙指令封装在函数中，实现PC机对主蓝牙模块的控制。具体包括： 初始化并驱动其开始工作，主动搜索从蓝牙模块，完成链接，并将指令执行状态及搜索到的蓝牙设备地址显示出来；控制与从蓝牙模块的通信，对主蓝牙模块接收到的数据进行处理，实时刷新数据，显示温度、湿度、压力传感器的测量结果。系统运行结果如图4所示。图4样机系统运行结果结语本系统以MC9S12DT128为核心处理器，采用蓝牙技术实现上位机与传感器节点的无线通信，完成了一个具有3个传感器的无线传感器网络模块的开发。实验证明，本系统具有功耗低、稳定性高、实时性好、数据传输稳定等特点，其实现是建立无线传感器网络微传感器节点的有益尝试。