无线传感器网络节点模块化的接口电路设计

摘要：为了完成测试任务，传感器节点采用模块化设计。为了实现各模块间方便、快速地通信，依据可编程逻辑器件CPLD编程灵活，在部分功能模块内扩展了专用SPI接口电路。试验证明：接口电路工作稳定、模块间可快速便捷通信、系统扩展性强，系统整体性能提高。
关键词：无线传感器网络；模块化设计；CPLD；SPI

0 引言
    无线传感器网络是由大量传感器节点通过无线通信自组织构成的网络，被认为是将对21世纪产生巨大影响力的技术之一。在分布式测试中使用无线传感器网络，不受通信电缆的限制、组态灵活、重构性强，可以在较恶劣的测试环境中使用。由无线传感器网络组成的分布式测试系统已应用于水中爆炸测试系统。在一些分布场测试系统中，被测量种类繁杂，为完成测试任务，节点采用模块化设计，SPI接口电路简单、传输速度快，各模块通过SPI总线通信协同完成测试任务。但在实际开发应用中，由于系统要求，使某些模块与多个模块链接，且接口工作在不同的模式下，如果完成通信需要功能模块的SPI接口主从切换，致使通信速度与灵活性降低。CPLD具有可编程性特点，可根据需要扩展专用SPI接口电路，提高系统通信速度与灵活性，方便系统扩展功能模块，提高系统整体性能。

1 节点的模块化设计及其接口电路
    无线传感器网络节点采用模块化的设计方法，每个节点包括无线收发模块、核心主控模块和功能模块。系统通过无线收发模块接收主站发送的命令码，核心主控模块对命令解码，完成对各功能模块的控制(开启采集、时统清零等)。系统要完成多次重复性试验，因此每次试验完毕要把实验数据(冲击波数据、环境变量信息、时统跟定位信息等)存储到数据存储管理模块统一管理，同时准备下次试验。系统工作时，数据储存管理模块SPI接口一方面工作在从模式，接收主控模块发送的命令；另一方面工作在主模式，转发控制其他功能模块的命令码并读取试验数据进行统一管理，图1为在其内扩展专用工作在主模式下的SPI接口的模块问链接图。专用工作在主模式下的SPI接口电路，具有提高模块间数据传输速度与灵活性等特点。

2 SPI接口电路设计
    数据存储管理系统以单片机和可编程逻辑器件组成核心控制器。可编程逻辑器件CPLD依据其编程灵活、易修改的特点，配合单片机在其内部扩展SPI接口电路，不仅简化了接口和控制，且提高了系统的整体性能及系统扩展性。
    SPI接口电路设计分两部分：
    (1)硬件部分：CPLD内扩展SPI接口框图如图2。在CPLD内部编写双向IO总线、地址锁存译码电路、时钟发生器、接收和发送数据移位寄存器、传输结束标志SPIF产生器等电路完成SPI接口电路设计。READY1为与从机(冲击波模块等)通信时状态标志位，用于当主机与从机通信时查询使用，READY1为1时，可读取冲击波数据。

    当单片机发送数据时，IO总线首先发送地址码，地址锁存译码电路生成数据装载使能片选信号，之后IO总线待发送字节锁存到数据寄存器SPDR，同时Sek时钟发生器产生8个Sek时钟，SPDR移位寄存器在Sek的时钟沿把待发送字节从MOSI顺序移出，同时把MISO引脚数据移入SPDR寄存器，Sek计数器计数到8个Sek时钟后，产生SPIF传输结束标志，单片机读取SPIF标志是否为1，判断一字节时候传输完毕。
    (2)软件部分：单片机为主控制器，首先查询从机状态标志位READY是否为1，判断是否可以与从机通信。从机准备就绪时，单片机可装载1字节发送数据，启动CPLD内部SPI接口电路，查询并等待SPI传输结束标志位SPIF为1，完成一字节数据传输，如此重复。图3、图4为主机发送与接收1字节流程图。

3 试验结果与分析
    图5为逻辑分析仪捕获CPLD扩展SPI接口电路读取冲击波模块数据时波形。

    bit8：READY信号，从机高电平时主机读取数据；bit9：Sck时钟信号，主机查询READY为高时装载发送字节，并产生8个Sek时钟，启动SPI传输；bit10：MOSI，主机输出端口；bit11：MISO，主机输入端口，Sek上升沿读取数据，连续两个周期读取的数据分别为0x07(000001 11)，0Xb0(10110000)，两周期时间间隔为20．400us，传输速度可达4×105bps，满足系统要求。

4 结束语
    为了满足系统测试任务，无线传感器节点采用模块化设计，各功能模块通过SPI接口链接。由于系统功能要求，使一个模块与多个模块链接通信，其接口电路SPI工作在不同的主从机模式，使用单一SPI接口主从切换，势必降低模块间通信速度与灵活性。依据可编程逻辑器件CPLD有其编程灵活、易扩展性，在模块内部扩展专用SPI接口，试验证明SPI接口电路设计，有简化模块间连接、提高通信速度、系统扩展性强，以及提高系统整体性能的特点。