中心議題：

• 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的模塊化接口電路設(shè)計
• SPI接口電路設(shè)計

解決方案：

• SPI接口電路硬件和軟件部分設(shè)計
• CPLD擴(kuò)展SPI接口電路實驗結(jié)果分析

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量傳感器節(jié)點通過無線通信自組織構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，被認(rèn)為是將對21世紀(jì)產(chǎn)生巨大影響力的技術(shù)之一。在分布式測試中使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，不受通信電纜的限制、組態(tài)靈活、重構(gòu)性強(qiáng)，可以在較惡劣的測試環(huán)境中使用。由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組成的分布式測試系統(tǒng)已應(yīng)用于水中爆炸測試系統(tǒng)。在一些分布場測試系統(tǒng)中，被測量種類繁雜，為完成測試任務(wù)，節(jié)點采用模塊化設(shè)計，SPI接口電路簡單、傳輸速度快，各模塊通過SPI總線通信協(xié)同完成測試任務(wù)。但在實際開發(fā)應(yīng)用中，由于系統(tǒng)要求，使某些模塊與多個模塊鏈接，且接口工作在不同的模式下，如果完成通信需要功能模塊的SPI接口主從切換，致使通信速度與靈活性降低。CPLD具有可編程性特點，可根據(jù)需要擴(kuò)展專用SPI接口電路，提高系統(tǒng)通信速度與靈活性，方便系統(tǒng)擴(kuò)展功能模塊，提高系統(tǒng)整體性能。

1 節(jié)點的模塊化設(shè)計及其接口電路

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點采用模塊化的設(shè)計方法，每個節(jié)點包括無線收發(fā)模塊、核心主控模塊和功能模塊。系統(tǒng)通過無線收發(fā)模塊接收主站發(fā)送的命令碼，核心主控模塊對命令解碼，完成對各功能模塊的控制(開啟采集、時統(tǒng)清零等)。系統(tǒng)要完成多次重復(fù)性試驗，因此每次試驗完畢要把實驗數(shù)據(jù)(沖擊波數(shù)據(jù)、環(huán)境變量信息、時統(tǒng)跟定位信息等)存儲到數(shù)據(jù)存儲管理模塊統(tǒng)一管理，同時準(zhǔn)備下次試驗。系統(tǒng)工作時，數(shù)據(jù)儲存管理模塊SPI接口一方面工作在從模式，接收主控模塊發(fā)送的命令;另一方面工作在主模式，轉(zhuǎn)發(fā)控制其他功能模塊的命令碼并讀取試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理，圖1為在其內(nèi)擴(kuò)展專用工作在主模式下的SPI接口的模塊問鏈接圖。專用工作在主模式下的SPI接口電路，具有提高模塊間數(shù)據(jù)傳輸速度與靈活性等特點。

2 SPI接口電路設(shè)計

數(shù)據(jù)存儲管理系統(tǒng)以單片機(jī)和可編程邏輯器件組成核心控制器?？删幊踢壿嬈骷﨏PLD依據(jù)其編程靈活、易修改的特點，配合單片機(jī)在其內(nèi)部擴(kuò)展SPI接口電路，不僅簡化了接口和控制，且提高了系統(tǒng)的整體性能及系統(tǒng)擴(kuò)展性。

SPI接口電路設(shè)計分兩部分：

(1)硬件部分：CPLD內(nèi)擴(kuò)展SPI接口框圖如圖2。在CPLD內(nèi)部編寫雙向IO總線、地址鎖存譯碼電路、時鐘發(fā)生器、接收和發(fā)送數(shù)據(jù)移位寄存器、傳輸結(jié)束標(biāo)志SPIF產(chǎn)生器等電路完成SPI接口電路設(shè)計。READY1為與從機(jī)(沖擊波模塊等)通信時狀態(tài)標(biāo)志位，用于當(dāng)主機(jī)與從機(jī)通信時查詢使用，READY1為1時，可讀取沖擊波數(shù)據(jù)。

當(dāng)單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時，IO總線首先發(fā)送地址碼，地址鎖存譯碼電路生成數(shù)據(jù)裝載使能片選信號，之后IO總線待發(fā)送字節(jié)鎖存到數(shù)據(jù)寄存器SPDR，同時Sek時鐘發(fā)生器產(chǎn)生8個Sek時鐘，SPDR移位寄存器在Sek的時鐘沿把待發(fā)送字節(jié)從MOSI順序移出，同時把MISO引腳數(shù)據(jù)移入SPDR寄存器，Sek計數(shù)器計數(shù)到8個Sek時鐘后，產(chǎn)生SPIF傳輸結(jié)束標(biāo)志，單片機(jī)讀取SPIF標(biāo)志是否為1，判斷一字節(jié)時候傳輸完畢。
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(2)軟件部分：單片機(jī)為主控制器，首先查詢從機(jī)狀態(tài)標(biāo)志位READY是否為1，判斷是否可以與從機(jī)通信。從機(jī)準(zhǔn)備就緒時，單片機(jī)可裝載1字節(jié)發(fā)送數(shù)據(jù)，啟動CPLD內(nèi)部SPI接口電路，查詢并等待SPI傳輸結(jié)束標(biāo)志位SPIF為1，完成一字節(jié)數(shù)據(jù)傳輸，如此重復(fù)。圖3、圖4為主機(jī)發(fā)送與接收1字節(jié)流程圖。

3 試驗結(jié)果與分析

圖5為邏輯分析儀捕獲CPLD擴(kuò)展SPI接口電路讀取沖擊波模塊數(shù)據(jù)時波形。

bit8：READY信號，從機(jī)高電平時主機(jī)讀取數(shù)據(jù);bit9：Sck時鐘信號，主機(jī)查詢READY為高時裝載發(fā)送字節(jié)，并產(chǎn)生8個Sek時鐘，啟動SPI傳輸;bit10：MOSI，主機(jī)輸出端口;bit11：MISO，主機(jī)輸入端口，Sek上升沿讀取數(shù)據(jù)，連續(xù)兩個周期讀取的數(shù)據(jù)分別為0x07(000001 11)，0Xb0(10110000)，兩周期時間間隔為20.400us，傳輸速度可達(dá)4×105bps，滿足系統(tǒng)要求。

結(jié)束語

為了滿足系統(tǒng)測試任務(wù)，無線傳感器節(jié)點采用模塊化設(shè)計，各功能模塊通過SPI接口鏈接。由于系統(tǒng)功能要求，使一個模塊與多個模塊鏈接通信，其接口電路SPI工作在不同的主從機(jī)模式，使用單一SPI接口主從切換，勢必降低模塊間通信速度與靈活性。依據(jù)可編程邏輯器件CPLD有其編程靈活、易擴(kuò)展性，在模塊內(nèi)部擴(kuò)展專用SPI接口，試驗證明SPI接口電路設(shè)計，有簡化模塊間連接、提高通信速度、系統(tǒng)擴(kuò)展性強(qiáng)，以及提高系統(tǒng)整體性能的特點。