毕业文(设计)
题目
车辆传感器网络车载节点设计
学生姓名
学号
指导教师
系部名称
信息科学工程系
专业班级
电子科学技术班
完成时间
2013年X月
XX学院教务处制
科毕业文(设计)
车辆传感器网络车载节点设计
学生姓名：
系部名称：
信息科学工程系
专业名称：
电子科学技术
指导教师：
摘
着国济断发展车辆日常生活中断普通信技术嵌入式技术传感器技术发展线传感器网络运汽车中奠定定基础车辆传感器网络（Vehicular Sensor Networks VSN）作新代网络技术受越越关注汽车安装传感器设备汽车够感知部件工作状况行驶途中种信息量车辆传感器节点通线通信方式相互连接够时减少交通事缓解交通压力起决定性作
CAN 总线协议 ZigBee 协议分析基础设计双 MCU 结构 CANZigBee 网关硬件电路线通信模块线通信模块中线通信模块CC2430实现线收发线通信CAN总线实现中编写网关相关应程序通试验验证CAN ZigBee 网关实现 CAN 总线ZigBee 线网络间数交换 CAN 总线特殊场合线拓展提供种解决方案网关没针具体应层协议开发具体应进行修改具通性推广性
关键词：网络节点CAN总线ZigBee技术C8051F060CC2430CAN收发器
ABSTRACT
With the continuous development of China＇s economy the growing popularity of vehicles in our daily lives And the development of communication technology embedded technology and sensor technology used in cars has laid a foundation for wireless sensor networks The vehicle sensor networks (Vehicular Sensor Networks VSN) is receiving more and more attention as the next generation of network technology Sensor devices installed in the car the car can perceive the working conditions of each of its components and with the way a variety of information a large number of vehicle sensor nodes connected to each other through wireless communication timely reduce traffic to ease traffic pressure played a decisive effect
On the basis of the analysis on the CAN bus protocol and ZigBee protocol designed dual MCU structure of CAN ZigBee gateway hardware circuit wireless communication module and wired communication module Wireless communication module CC2430 wireless transceiver wired communication by CAN bus which prepared a gateway application Verified by experiment CAN ZigBee gateway can achieve data exchange between CAN Bus and ZigBee wireless network to provide a solution for wireless expansion of the CAN bus on special occasions The gateway is not for a specific application layer protocol development in accordance with the specific application to be modified with the versatility and replicability
Key wordsNetwork nodesCAN bus ZigBee technology C8051F060 CC2430 CAN transceiver
目 录
摘 I
Abstract II
第章 绪 1
11课题研究背景意义 1
111 课题背景 1
112 课题意义 1
12 线传感器网络节点概述 1
13 文研究容目标 2
131 课题研究容 2
132 研究目标 3
14 文结构 3
第二章 车载网络节点总体结构设计 4
21 CAN总线简介 4
22 ZigBee简介 4
23 节点总体设计 5
第三章 车载网络节点硬件电路设计 7
31 硬件电路设计 7
311 C8051F060简介 8
312 PCA82C250简介 8
313 CC2430简介 10
32 电源模块设计 10
33 抗干扰电路 11
第四章 车载网络节点软件设计 12
41 CAN节点模块软件设计 12
411 系统初始化 13
412 发送程序 15
413 接收程序 16
42 线通信软件设计 18
421线通信数帧格式 18
422 线通信程序设计实现 18
参考文献 24
第章 绪
11课题研究背景意义
111 课题背景
生活水断提高时汽车逐渐成日常生活中非常重部分量车辆传感器节点通线通信方式相互连接组成线车辆传感器网络[1]年着线通信集成电路传感器微机电系统等技术飞速发展低成低功耗功微型线传感器量生产成微型线传感器具线通信数采集处理协合作等功传感器网络应前景非常广泛线传感器网络传感器节点协组织起传感器网络节点机者特定布置目标环境中间通特定协议组织起够获取周围环境信息相互协工作完成特定务车辆传感器网络涵盖线传感网络组织网络国学者许企业感知节点状况信息采集存储数处理线通信等方面掀起股研究应热潮整网络效监控突发事件处理整车辆传感网络安全性保证留众研究者身难题现节点电量存储计算力限协工作已成设计难点
112 课题意义
通车辆安装传感器设备车辆节点够感知两类信息：车辆车辆外信息车辆信息包括车辆运行状态汽车位置汽车速度等车辆外信息环境信息包括温度适度气指数行驶路途中信息包括交通流量路面状况等传感器设备外驾驶员实种高智传感器通见闻够感知复杂事件检测交通事行车危险等重时间车辆传感器节点感知区域时刻数感知数量应提供宝贵数支持通数分析较加强车辆节点控制助更掌握车辆部情况效减少类交通事发生时相关部门车辆交通情况重积极意义
12 线传感器网络节点概述
线传感器网络量体积成低具线通信传感数处理传感器节点组成线传感器节点网络基单元节点稳定运行整网络性基保证线传感器节点负责传感信息预处理响应监控机指令发送数般数采集模块(传感器AD转换器)数处理控制模块(微处理器存储器)通信模块(线收发器)供电模块(电池DCDC量转换器)等组成线传感器网络中节点功相量传感器节点布置整观测区域中传感器节点探测信息通初步数处理信息融合传送户数传送程通相邻节点接力传送方式传送回基站然通基站卫星信道者线网络连接方式传送终户节点网络中充数采集者数中转站类头节点(clusterhead node)角色作数采集者数采集模块收集周围环境数(温度湿度等)通通信路协议直接间接数传输远方基站汇节点作数中转站节点完成采集务外接收邻居节点数转发距离基站更邻居节点者直接转发基站汇节点作类头节点节点负责收集该类节点采集数数融合发送基站汇节点相传统线网络线传感器网络具明显技术特点：
a)网络节点密度高传感器节点数量众单位面积拥网络节点数远传统线网络
b)传感器节点电池供电节点量限干节点数量线传感器网络应难直接操作方更换传感器节点电池现实决定传感器节点生命网络寿命限性
c)网络应具备容错力传感器节点处环境通常较恶劣(噪声风吹雨淋等)导致节点易受干扰易出错求线传感器网络应具容错力会应前景
13 文研究容目标
131 课题研究容
文设计车载节点CAN总线通信线通信前者车载节点车辆部节点通信者车辆外部网络进行通信硬件设计中采电路模块法设计整车载节点分量供应模块通信模块处理器模块线收发模块采模块化设计整电路设计简单便易实现设计模块电路时着重研究电路芯片选型考虑芯片价格功功耗实现性
132 研究目标
次设计完成网关节点设计节点进行数采集处理够进行线线通信整设计留出两类接口种CAN线接口方便车辆相关节点通信种线接口远程通信实现采集现场信号采集回信号通转换成电压抗干扰处理送 AD 转换器中转变成数字信号通 CAN 总线接口电路信号传送总线节点实现数传送时通线收发芯片实现节点接收数
14 文结构
文充分解国际国研究发展状况查阅量文献资料基础线传感器网络项关键技术进行初步研究探讨线传感器网络硬件台设计出传感器节点设计方案作节点应文探讨设计节点进行线传感器网络时间步问题文容安排：
第1章绪介绍车辆传感器网络车载节点课题研究背景意义次设计达预期目标线传感器网络节点进行概述
第2章介绍车辆传感器网络节点总体框架设计着重介绍两种典型通信技术CAN总线通信ZigBee技术
第3章详细介绍线传感器网络车载节点硬件电路设计针微处理器收发芯片介绍进行较选取合适芯片
第4章重点程序设计包括CAN节点软件设计线通信软件设计
第二章 车载网络节点总体结构设计
21 CAN总线简介
控制器局域网CAN (Controller Area Network)总线作种性高价格低廉技术成熟现场总线国外广泛应汽车行业CAN总线更优异性成汽车局域网发展趋势控制器局域网络( CAN)德国Robert Bosch公司20世纪80年代初解决现代汽车中众控制单元测试仪器间实时数交换开发种串行数通信总线具高保密性种效支持分布式控制实时控制串行通信网络CAN具特点[2]：
1CAN 方式工作说网络节点均意时刻动网络节点发送信息分通信方式较灵活站点址等节点信息
2CAN 网络节点信息分成优先级满足实时求高优先级数 134us 传输
3CAN 总线采非破坏性总线仲裁技术节点时总线发送信息时优先级较低节点会动退出发送高优先级节点受影响继续传输数节省总线突仲裁时间
4CAN 总线需通报文滤波实现点点点点全局广播等种方式传送接收数
5CAN 直接通信距离远达 10km(速率 5kbps )通信速率高达 1 Mbps (时通信距离长 40m)
6CAN 节点取决总线驱动电路目前达 110 报文标识符达 2032 种(CAN20A)扩展标准(CAN20B)报文标识符受限制
7CAN 总线采短帧结构传输时间短受干扰概率具极检错效果
8CAN 帧信息 CRC 检验检错措施保证数出错率极低
9CAN 通信介质双绞线轴电缆光纤选择灵活
总CAN总线具实时性强性高通信速率快结构简单互操作性总线协议具完善错误处理机制灵活性高价格低廉等特点
22 ZigBee简介
CAN 总线作种成熟现场总线技术性高实时性成低等特点广泛应汽车电子工业控制楼宇动化等领域［3］特殊场适通布线实现网络连接时线网络接入解决问题ZigBee 种新兴短距离线通信技术特点低成低功耗低速率免执频段工作广泛应工业控制环境监测商 业 监 控汽 车 电 子家庭动化等领域实现CANZigBee 互联会现场总线线网络优势互补满足特殊应需求
ZigBee种线连接工作214GHz(全球流行)868MHz(欧洲流行)915 MHz(美国流行)3频段分具高250kbits20kbits40kbits传输速率传输距离1075m范围继续增加作种线通信技术ZigBee具特点
(1) 低功耗 ZigBee传输速率低发射功率仅1mW采休眠模式功耗低ZigBee设备非常省电估算ZigBee设备仅两节5号电池维持长达6月2年左右时间线设备尘莫 (2) 成低 ZigBee模块初始成6美元左右估计快降15—25美元ZigBee协议免专利费低成ZigBee关键素
(3) 时延短 通信时延休眠状态激活时延非常短典型搜索设备时延30ms休眠激活时延15ms 活动设备信道接入时延15msZigBee技术适时延求苛刻线控制(工业控制场合等)应 (4) 网络容量 星型结构Zigbee网络容纳254设备设备区域时存100ZigBee网络网络组成灵活 (5) 采取碰撞避免策略时需固定带宽通信业务预留专时隙避开发送数竞争突MAC层采完全确认数传输模式 发送数包必须等接收方确认信息 (6) 安全 ZigBee提供基循环冗余校验(CRC)数包完整性检查功支持鉴权认证采AES128加密算法应灵活确定安全性
23 节点总体设计
设计CAN节点总体装备线收发装备组成中CAN系统 CAN 总线CAN控制器CAN收发器微处理器构成系统框图图21示节点网络信息接收发送站 CAN 总线网络节点达 110 CAN 总线节点方面担负着总线智设备通信联络 时完成连接节点仪器设备数采集控制 该节点应带微处理器智节点
图21 CAN系统组成框图
次设计电源模块CAN线通信模块线通信模块微处理器模块四模块组成系统总体框图图22示中采 C8051F040作核心处理器嵌CAN控制器通CAN收发器PCA82C250进行线通信选CC2430作线通信设备实现远距离通信
图22 系统总体框图
第三章 车载网络节点硬件电路设计
31 硬件电路设计
单片机固件程序完成务：系统初始化程序谓智节点微控制器编程CAN控制器组成目前市面两类 CAN总线器件供选择 类兼微控制器CAN功器件 P8XC591287C196CACBMC68376PowerPC555等种集成器件电路更紧凑方便户制作印制板类独立CAN控制器 Philips公司SJA1000Intel 公司82526MCP2510等次设计采兼微控制器CAN功芯片C8051F060C8051F060部集成CAN总线控制器需外加总线驱动器加适隔离 电路显非常简洁缩短开发周期提高性系统采双MCU 结构功分两部分：CAN 总线接口模块 ZigBee 网络接口模块
CAN总线信号CANTXCANRXC8051F060出先分高速光耦6N137进行电气隔离避免总线瞬时干扰CAN总线收发器接口芯片PCA82C250然接CAN数线ZigBee网络接口模块选线单片机CC2430 作核心处理芯片节点硬件组成框图图31示
图31 节点硬件组成框图
CC2430 C8051F060 两单片机间采 SPI 接口进行通信实现 CAN 总线 ZigBee网络物理连接 CC2430 SPI 接口支持机工作方式处采 C8051F060 作机CC2430 作机单机工作方式时 CC2430 IO 口控制 C8051F060 外部中断INT0通中断启动C8051F060 SPI 接口进行数传输样保证 CAN 网络 ZigBee线网络间数交互
311 C8051F060简介
C8051F060单片机Silicon Laboratories公司推出完全集成混合信号片系统型MCU具特点[4]：高速流水线结构8051兼容CIP51核(达25MIPS)两16位1 MspsADC带DMA控制器控制器局域网(CAN20B)控制器具32消息象消息象标识掩码全速非侵入式系统调试接口(片)10位200 kspsADC带8通道模拟路开关两12位DAC具编程数更新方式64 KB系统编程FLASH存储器4 352(4 K+256)字节片RAM寻址64 KB址空间外部数存储器接口硬件实现SPISMBusI2C两UART串行接口5通16位定时器具6捕捉较模块编程计数器定时器阵列片门狗定时器VDD监视器温度传感器
C8051F060单片机部集成CAN控制器符合Bosch规范20A(基CAN)20B(全功CAN)方便CAN网络通信设计CAN通讯网络具高速度高性强抗干扰力等优点具强扩展力C8051F060高集成度需少量外围测量电路便组成集数采集控制通信功体单片系统时提高系统整体性外C8051F060核普通51系列兼容指令简单易学缩短系统研发周期
312 PCA82C250简介
PAC82C250 CAN 协议控制器物理总线间接口汽车中高速通讯(高达 1Mbps)应设计该器件总线提供差动发送力 CAN控制器提供差动接收力完全符合ISO11898标准PAC82C250 特性[5]：
1完全符合ISO11898标准
2高速率(高达 1Mbps)
3具抗汽车环境中瞬间干扰保护总线力
4斜率控制降低射频干扰(RFI)
5差分接收器抗宽范围模干扰抗电磁干扰(EMI)
6热保护7防止电池间发生短路
8低电流机模式
9未电节点总线影响
10连接110节点
11具限流保护
设计常规电路设计方案PCA82C250作CAN收发器PAC82C250功：首先P82C250驱动电路部具限流电路防止输出级电源负载短路然种障条件出现时功耗增加致输出级破坏次P82C250采双线差动驱动助抑制恶劣环境瞬变干扰引脚图图32示
图32 PCA82C250引脚图
引脚Rs选择三种工作方式：高速斜率控制机高速工作方式发送器输出晶体快速度启闭种方式采措施限制升降斜率时建议屏蔽电缆避免射频干扰问题通引脚RS接选择高速方式较低速度较短总线长度总线行线双绞线物理总线两端终端电阻Rt匹配否CAN总线数通信抗干扰力性会降低表现通信线路处空闲方式时整网络数混乱[18]降低射频干扰应限制升降斜率升降斜率通引脚8连接电阻进行控制斜率正引脚8电流输出脚8接高电电路进入低电机方式种方式发送器关闭接收器转低电流检测显畦位RXD转低电微控制器应通引脚8发送器变正常方式作条件作出反应机方式接收器慢速第报文丢失CAN控制器带CAN总线接口器件P82C250必须器件数CAN控制器均具配置灵活收发器件允许总线障驱动力允许2030节点连接条总线P82C250支持达 110 节点1Mbps速率工作恶劣电气环境利82C250方便CAN控制器收发器间建立光电隔离实现总线节点间电气隔离
313 CC2430简介
CC2430颗真正系统芯片(SoC)CMOS解决方案种解决方案够提高性满足ZigBee基础24GHz ISM波段应结合高性24GHz DSSS(直接序列扩频)射频收发器核心颗工业级巧高效8051控制器集成射频收发模块拥独立射频输入输出端口需外部TXRX开关芯片天线间电路构架衡非衡器少量电容电感组成时片资源丰富具128KB编程存8KBRAM包含88—14位模拟数字转换器4定时器AS128协处理器门狗定时器32768KHZ晶振休眠模式定时器21编程IO引脚功耗非常低机时电流消耗仅02uA32768KHZ晶振时钟运行电流消耗1uA具较高性价
32 电源模块设计
C8051F060工作电压27V～36VCC2430工作电压20V～36V需设计电源转换电路保证芯片正常工作系统选LM1117作电源转换芯片输入电压20V输出电压33V电压转换电路图图33示
图33 电压转换电路
33 抗干扰电路
增强 CAN 节点抗干扰力C8051F060TX0RX0直接P82C250 TXD RXD 相连通高速光耦 6N137 P8X250 相连样实现总线 CAN 节点间电气隔离P82C250 CAN 总线接口部分采定安全抗干扰措施P82C250 CANH CANL 引脚通 5 欧姆电阻 CAN 总线相连电阻起定限流作保护 P8X250 免收流击CANH CANL 间联两 3μF电容起滤总线高频干扰定防电磁辐射作CANH CANL 间加 120 欧姆终端电阻匹配总线阻抗提高总线抗干扰力电路图图33示
图33 CAN收发器抗干扰电路
第四章 车载网络节点软件设计
车载网络节点软件设计包括两方面：CAN通信ZigBee线通信CAM通信三部分组成：CAN初始化CAN发送数CAN接收数
41 CAN节点模块软件设计
单片机固件程序完成务：系统初始化程序发送程序接收程序等系统程序流程图41示系统软件采结构化程序设计方案具较模块性移植性系统功应环境方便进行编程重组CAN节点通讯协议包括种通讯帧组织发送均CAN控制器完成应层软件核心部分CPUCAN控制器间数接收发送程序CPU 发送数发送CAN控制器CAN控制器发总线CAN总线接收数CPU 数接收缓区取走处理
设计CAN节点通信软件分3部分：CAN初始化数发送数接收CAN初始化设置CAN通信参数发送数程序数存储区中发送数取出组成信息帧机ID址填入帧头然信息帧发送CAN控制器发送缓区信息CAN控制器发送总线CAN控制器动完成数接收程序需接收缓区读取信息存储数存储区信息CAN总线CAN控制器接收缓区CAN控制器动完成
图41 CAN系统流程图
411 系统初始化
初始化程序完成报文象进行初始化（般值置零） CAN 控制寄存器位定时寄存器进行设置发送报文象接收报文象分进行初始化系统初始化流程图图42示中位定时寄存器设置较复杂里外部晶振 221184 MHzCAN 通信速率1MbsBITREG初始值0x5EC0面CAN 启动程序：
void start_can(void)
{
SFRPAGE CAN0_PAGE
CAN0CN | 0x41 CEE INIT 位
CAN0ADRBITREG 指位定时寄存器
CAN0DAT0x5EC0 位定时器赋值
CAN0ADRIF1CMDMSK 指命令掩码寄存器 1
CAN0DAT0x0087
CAN0ADRIF2CMDMSK 指命令掩码寄存器 2
CAN0DATL0x1F 设置接收：读 CANRAM读数字节
CAN0CN | 0x26 全局初始化 IE SIE
CAN0CN & ~0x41 清 CEE INIT 位
}
图42 系统初始化流程图
412 发送程序
CAN 报文发送 CAN 控制器动完成户需根接收远程帧识符应数转移发送缓寄存器然报文象编码写入命令请求寄存器启动发送发送硬件完成里定时更新发送报文象中数数发送控制器动完成收数帧时具相识符数帧发送出发送流程图图43示发送子程序结构：
void transmit(unsigned char MsgNum)
{
xdata char TRdata[8]{0x000x010x020x030x040x050x060x07}
char num
SFRPAGECAN0_PAGE IF1 already set up for TX
CAN0ADRIF1CMDMSK 指命令掩码寄存器 1
CAN0DAT0x0087
CAN0ADRIF1DATA1 指数场第位
for(num0num<8num++) 发送 8 字节
{
CAN0DATHTRdata[num]
num++
CAN0DATLTRdata[num]
}
CAN0ADRIF1CMDRQST 指命令请求寄存器
CAN0DATLMsgNum 传输新数指定消息象
}
图43 发送程序流程图
413 接收程序
CAN报文接收发送样CAN控制器动完成接收程序需接收缓存器中读取接收数进行相应处理接收流程图44示基方法发送程序致
void receive_data(unsigned char MsgNum)
{
int j
xdata char REdata[8]
char SFRPAGE_SAVESFRPAGE 保存 SFR 页
SFRPAGECAN0_PAGE IF1 already set up for RX
CAN0ADRIF2CMDRQST 指命令掩码寄存器
CAN0DATLMsgNum 接收消息象新数
CAN0ADRIF2DATA1 指数域第位
for(j0j<8j++) 接收八字节
{
REdata[j]CAN0DATH
j++
REdata[j]CAN0DATL
}
SFRPAGESFRPAGE_SAVE
}
图44 接收程序流程图
42 线通信软件设计
421线通信数帧格式
CC2430符合IEEE802154标准硬件支持部分IEEE802154MAC帧步头包括前导码帧起始分隔符(SFD)CC2420中前导码帧起始分隔符配置默认值4BIB符合IEEE802154标准MODEMCTRIJOAUZTOCRC
控制位置位时动产生ZB帧校验序列CC2420硬件动插入CC2420线
通信发送数帧格式接收确认帧格式分表4142示
表41 CC2430线通信数帧格式
PHY帧
MAC协议数单元（MPDU）
前导码
帧起始分隔符（SFD）
帧长度
帧控制字段
序列号
PAN标识符
目标址
源址
效载荷
帧校验序列
4B
1B
1B
2B
1B
址信息6B
nB
2B
表42 CC2430线通信确认帧格式
PHY帧
MAC协议数单元（MPDU
前导码
帧起始分隔符（SFD）
帧长度
帧控制字段
序列号
帧校验序列
4B
1B
1B
2B
1B
2B
422 线通信程序设计实现
CAN总线ZigBee技术通信协议体系结构完全符合 OSI( Open System Interconnection) 网络模型［10］网关软件设计需规定相应层级进行CANZigBee网关软件设计应层编写CAN节点ZigBee节点数接收提取转发程序址映射表建立理程序
1) 址映射表建立理
CAN协议特点采传统节点址编码通信数块进行编码［11］C8051F040单片机部32消息象初始化时消息象写入消息ID写入消息象数固定ID发送CAN总线技术ZigBee 技术采节点址编码进行消息收发ZigBee通信协议中规定两种址 唯64位IEEE址16位短址ZigBee协议栈通信时16位短址ZigBee短址网络建立时动态分配CAN节点指定ZigBee节点发送数ZigBee节点分配节点代码协议转换中建立表43 列址映射
表43 址映射
网关接收CAN消息ID
64长址
SADDR
节点代码
0x0001
0x00000000000A
0x1699
0x0001
0x00000000000C
0x169A
0x0002
…
…
…
网关固定ZigBee短址0x0000时接收ID0x0001CAN报文转发ZigBee网络址映射表中节点代码固定ZigBee路节点启动旦节点加入该网络协调器该节点分配局域网唯短址果第次组建ZigBee网络认址映射表建立程时网关新加入网络节点长址短址写入址映射表节点代码构成应果ZigBee网络失败重建程查询址映射表新加入节点短址写址映射表中长址应位置样 ZigBee网络建立节点长址短址节点代码保持应关系CAN节点通网关ZigBee节点发送消息时利节点代码查前ZigBee短址ZigBee节点CAN节点发送数时ZigBee消息中应包含目标节点CAN报文ID网关根CAN报文ID数转发CAN总线
2) 协议转换实现
协议转换网关两网络接口模块编程实现完成网络数收发基础编写SPI接口程序两模块间进行数交互ZigBee传输速率CAN总线ZigBee网络接口模块设计缓区接收CAN总线数SPI通信数包作图45示定义
图45 SPI数包定义
数包目标址( ADDR) 数长度(DLC)数载荷(DATA)3部分组成ZigBeeCAN发送SPI数包长度 10 字节中ADDR CAN 消息号占 1 字节DLC占1字节DATA 长度固定8字节效字节数DLC确定CANZigBee发送SPI数包长度9字节CAN报文采短帧中帧中传送8字节数处定义两字节传输ZigBee节点代码6字节作数载荷封装SPI数包时1字节DLC表示数包中效载荷长度
CAN接口模块程序功分3部分 初始化程序CAN消息转发程序 SPI 数包转发程序初始化程序中完成IO口交叉配置SPI设置CAN寄存器初始化SPI设置时应保证时钟相位时钟极性CC2430致确保两单片机正确通信CAN 初始化时1消息象接收ID0x0001报文余31消息象CAN网络应层协议初始化发送报文网关中断方式接收ID0x0001CAN报文根DLC值提取效载荷调SPI发送子程序发送ZigBee网络接口模块SPI数接收INT0中断处理程序中完成流程图46 示CAN 接口模块次 SPI 接收数存储 RxBUFF 缓区接收完整数包调 CAN 报文发送子程序 RxBUFF 中数发送 CAN 总线
图 46 SPI 数包接收转发程序流程
ZigBee 接口模块程序协议栈基础开发ZigBee 协议栈采限状态机结构物理层( PHY) 媒体访问控制层 ( MAC) 网 络 层( NWK) 应层( APL) 组成［12］协议栈层状态机( FSM) 追踪进行操作开发时应层编写相关应程序应程序中应早调顶层状态机周期调状态机函数维持协议栈运行ZigBee 接口模块程序实现 ZigBee 消息转发SPI 数包转发址映射表建立维护功流程图47示初始化程完成协议栈SPI 接口硬件电路设置调aplFormNetwork( )函数组建网络网络组建程序开始循环执行循环中顶层状态机函数首先调然检查CAN 接收缓区否数果缓区空缓区中数块提取 ZigBee 节点代码数载荷利节点代码查址映射表获节点短址调 ZigBee 发送函数数包发送ZigBee节点顶层状态机中会调apsRxFSM( )检查否接收 ZigBee 消息接收消息时调 ZigBee 接收子程序ZigBee 接收子程序提取消息中效载荷调 SPI 发送子程序发送CAN网络接口模块节点加入网络时状态机调 usrJoinNotifyCallback( LADDR * ptr) 子程序建立维护址映射表ZigBee 接口模块SPI接口中断方式接收CAN网络接口模块数接收完整SPI数包存入CAN接收缓区等发送
图 47 ZigBee 接口模块程序流程
3） 缓区理
ZigBee接口模块CAN接收缓区结构单输入单输出循环消息队列缓区结构体数组数组元素存储SPI数包数组长度缓区定义读数指针变量(R_Point)写数指针变量(W_Point)缓区进行操作缓区读写发执行R_PointW_Point初始化时指缓区第数块网关 ZigBee 接口模块接收 SPI 数包数包写入W_Point指缓区W_Point指相邻数块数块执行写操作W_Point指缓区第数块缓区中读数指针变量R_Point完成读缓区前首先较R_PointW_Point值果R_PointW_Point值相认缓区空进行读操作否认缓区中数等发送读取R_Point前指数块R_Point指相邻数块缓区数块进行读操作样指缓区第数块样便完成缓区循环读写操作保证先收数先发送缓区数块结构定义
typedef struct BUFF_UNION{
UINT16 Node_Code
UINT8 Data_Len
UINT8 RxData［6］
} CAN_Z_Buff_UNION
中Node_Code 存储 ZigBee 节点代码 Data_Len 值表示数块中效载荷长度RxData 数组存储数载荷
参考文献
[1]朱艳明李明禄倪明选车辆传感器网络研究[J]中兴通信技术200915(5)2832
[2]饶运涛邹继军现场总线CAN原理应技术[M]北京北京航空航天学出版社2003
[3]黄明梁旭岳洋． 基 CAN 总线设计实现数采集监控系统［J］． 化工动化仪表201037( 6)79 ～81．
[4]周立功iCAN现场总线原理应[M]北京北京航空航天学出版社2007
[5] EISELE H Application note PCA82C250251 CAN transceiver[M] Philips semiconductors 19968391
[6]张培仁孙立．基C语言C8051系列微控制器原理应[M]．第1版．北京 清华学出版社2007 123 ～ 150．
[7]Philips Semiconductor． PCA82C250 CAN Controller Interface[DB OL]． http www．semiconductors．philips．com2000．
[8] TIChipcon．CC2430 PRELIMINARY Data Sheet[DBOL]．http www． chipcon． com2006．
[9]李旭车辆传感器网络应关键技术研究[D]海海交通学20091123
[10]Carlos SCunha J BMorais R．A Networked Platform for Agricultural Management Systems [J]．Computers and Electronics in Agriculture200131( 1) 75 ～ 90．
[11]Gmbh R B．CAN Specification Version 2 Parts A andB[DB OL]． http www． zlgmcu． com1991．
[12]PekhteryevSahinoglu GOrlik Z． Image Transmission Over IEEE 802． 15． 4 and ZigBee Networks[C]．IEEE International Symposium on Circuits and Systems． Kobe IEEE Press2005 3539 ～ 3542．
[13]张河新王晓辉黄晓东基STM32CAN总线智数采集节点设计[J]化工动化仪表201239(01)7880
[14]夏琳琳谷利君王建国杨冰CAN总线ZigBee线网络网关设计[J]化工动化仪表201239(01)6367
[15]莫莉张叶茂基CAN总线嵌入式监控网络智节点设计[J]广西轻工业201235(4)8283
[16]黄长喜线传感器网络节点设计研究[D]合肥合肥工业学2006541
[17]唐军辉基ZigBee协议线传感器网络节点设计[D]沈阳东北学2008763
[18]赵家礼 张庆达等 变压器障诊断修理[M]北京机械工业出版社 1998
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毕业文(设计)
题目
车辆传感器网络车载节点设计
学生姓名
学号
指导教师
系部名称
信息科学工程系
专业班级
电子科学技术班
完成时间
2013年X月
XX学院教务处制
科毕业文(设计)
车辆传感器网络车载节点设计
学生姓名：
系部名称：
信息科学工程系
专业名称：
电子科学技术
指导教师：
摘
着国济断发展车辆日常生活中断普通信技术嵌入式技术传感器技术发展线传感器网络运汽车中奠定定基础车辆传感器网络（Vehicular Sensor Networks VSN）作新代网络技术受越越关注汽车安装传感器设备汽车够感知部件工作状况行驶途中种信息量车辆传感器节点通线通信方式相互连接够时减少交通事缓解交通压力起决定性作
CAN 总线协议 ZigBee 协议分析基础设计双 MCU 结构 CANZigBee 网关硬件电路线通信模块线通信模块中线通信模块CC2430实现线收发线通信CAN总线实现中编写网关相关应程序通试验验证CAN ZigBee 网关实现 CAN 总线ZigBee 线网络间数交换 CAN 总线特殊场合线拓展提供种解决方案网关没针具体应层协议开发具体应进行修改具通性推广性
关键词：网络节点CAN总线ZigBee技术C8051F060CC2430CAN收发器
ABSTRACT
With the continuous development of China＇s economy the growing popularity of vehicles in our daily lives And the development of communication technology embedded technology and sensor technology used in cars has laid a foundation for wireless sensor networks The vehicle sensor networks (Vehicular Sensor Networks VSN) is receiving more and more attention as the next generation of network technology Sensor devices installed in the car the car can perceive the working conditions of each of its components and with the way a variety of information a large number of vehicle sensor nodes connected to each other through wireless communication timely reduce traffic to ease traffic pressure played a decisive effect
On the basis of the analysis on the CAN bus protocol and ZigBee protocol designed dual MCU structure of CAN ZigBee gateway hardware circuit wireless communication module and wired communication module Wireless communication module CC2430 wireless transceiver wired communication by CAN bus which prepared a gateway application Verified by experiment CAN ZigBee gateway can achieve data exchange between CAN Bus and ZigBee wireless network to provide a solution for wireless expansion of the CAN bus on special occasions The gateway is not for a specific application layer protocol development in accordance with the specific application to be modified with the versatility and replicability
Key wordsNetwork nodesCAN bus ZigBee technology C8051F060 CC2430 CAN transceiver
目 录
摘 I
Abstract II
第章 绪 1
11课题研究背景意义 1
111 课题背景 1
112 课题意义 1
12 线传感器网络节点概述 1
13 文研究容目标 2
131 课题研究容 2
132 研究目标 3
14 文结构 3
第二章 车载网络节点总体结构设计 4
21 CAN总线简介 4
22 ZigBee简介 4
23 节点总体设计 5
第三章 车载网络节点硬件电路设计 7
31 硬件电路设计 7
311 C8051F060简介 8
312 PCA82C250简介 8
313 CC2430简介 10
32 电源模块设计 10
33 抗干扰电路 11
第四章 车载网络节点软件设计 12
41 CAN节点模块软件设计 12
411 系统初始化 13
412 发送程序 15
413 接收程序 16
42 线通信软件设计 18
421线通信数帧格式 18
422 线通信程序设计实现 18
参考文献 24
第章 绪
11课题研究背景意义
111 课题背景
生活水断提高时汽车逐渐成日常生活中非常重部分量车辆传感器节点通线通信方式相互连接组成线车辆传感器网络[1]年着线通信集成电路传感器微机电系统等技术飞速发展低成低功耗功微型线传感器量生产成微型线传感器具线通信数采集处理协合作等功传感器网络应前景非常广泛线传感器网络传感器节点协组织起传感器网络节点机者特定布置目标环境中间通特定协议组织起够获取周围环境信息相互协工作完成特定务车辆传感器网络涵盖线传感网络组织网络国学者许企业感知节点状况信息采集存储数处理线通信等方面掀起股研究应热潮整网络效监控突发事件处理整车辆传感网络安全性保证留众研究者身难题现节点电量存储计算力限协工作已成设计难点
112 课题意义
通车辆安装传感器设备车辆节点够感知两类信息：车辆车辆外信息车辆信息包括车辆运行状态汽车位置汽车速度等车辆外信息环境信息包括温度适度气指数行驶路途中信息包括交通流量路面状况等传感器设备外驾驶员实种高智传感器通见闻够感知复杂事件检测交通事行车危险等重时间车辆传感器节点感知区域时刻数感知数量应提供宝贵数支持通数分析较加强车辆节点控制助更掌握车辆部情况效减少类交通事发生时相关部门车辆交通情况重积极意义
12 线传感器网络节点概述
线传感器网络量体积成低具线通信传感数处理传感器节点组成线传感器节点网络基单元节点稳定运行整网络性基保证线传感器节点负责传感信息预处理响应监控机指令发送数般数采集模块(传感器AD转换器)数处理控制模块(微处理器存储器)通信模块(线收发器)供电模块(电池DCDC量转换器)等组成线传感器网络中节点功相量传感器节点布置整观测区域中传感器节点探测信息通初步数处理信息融合传送户数传送程通相邻节点接力传送方式传送回基站然通基站卫星信道者线网络连接方式传送终户节点网络中充数采集者数中转站类头节点(clusterhead node)角色作数采集者数采集模块收集周围环境数(温度湿度等)通通信路协议直接间接数传输远方基站汇节点作数中转站节点完成采集务外接收邻居节点数转发距离基站更邻居节点者直接转发基站汇节点作类头节点节点负责收集该类节点采集数数融合发送基站汇节点相传统线网络线传感器网络具明显技术特点：
a)网络节点密度高传感器节点数量众单位面积拥网络节点数远传统线网络
b)传感器节点电池供电节点量限干节点数量线传感器网络应难直接操作方更换传感器节点电池现实决定传感器节点生命网络寿命限性
c)网络应具备容错力传感器节点处环境通常较恶劣(噪声风吹雨淋等)导致节点易受干扰易出错求线传感器网络应具容错力会应前景
13 文研究容目标
131 课题研究容
文设计车载节点CAN总线通信线通信前者车载节点车辆部节点通信者车辆外部网络进行通信硬件设计中采电路模块法设计整车载节点分量供应模块通信模块处理器模块线收发模块采模块化设计整电路设计简单便易实现设计模块电路时着重研究电路芯片选型考虑芯片价格功功耗实现性
132 研究目标
次设计完成网关节点设计节点进行数采集处理够进行线线通信整设计留出两类接口种CAN线接口方便车辆相关节点通信种线接口远程通信实现采集现场信号采集回信号通转换成电压抗干扰处理送 AD 转换器中转变成数字信号通 CAN 总线接口电路信号传送总线节点实现数传送时通线收发芯片实现节点接收数
14 文结构
文充分解国际国研究发展状况查阅量文献资料基础线传感器网络项关键技术进行初步研究探讨线传感器网络硬件台设计出传感器节点设计方案作节点应文探讨设计节点进行线传感器网络时间步问题文容安排：
第1章绪介绍车辆传感器网络车载节点课题研究背景意义次设计达预期目标线传感器网络节点进行概述
第2章介绍车辆传感器网络节点总体框架设计着重介绍两种典型通信技术CAN总线通信ZigBee技术
第3章详细介绍线传感器网络车载节点硬件电路设计针微处理器收发芯片介绍进行较选取合适芯片
第4章重点程序设计包括CAN节点软件设计线通信软件设计
第二章 车载网络节点总体结构设计
21 CAN总线简介
控制器局域网CAN (Controller Area Network)总线作种性高价格低廉技术成熟现场总线国外广泛应汽车行业CAN总线更优异性成汽车局域网发展趋势控制器局域网络( CAN)德国Robert Bosch公司20世纪80年代初解决现代汽车中众控制单元测试仪器间实时数交换开发种串行数通信总线具高保密性种效支持分布式控制实时控制串行通信网络CAN具特点[2]：
1CAN 方式工作说网络节点均意时刻动网络节点发送信息分通信方式较灵活站点址等节点信息
2CAN 网络节点信息分成优先级满足实时求高优先级数 134us 传输
3CAN 总线采非破坏性总线仲裁技术节点时总线发送信息时优先级较低节点会动退出发送高优先级节点受影响继续传输数节省总线突仲裁时间
4CAN 总线需通报文滤波实现点点点点全局广播等种方式传送接收数
5CAN 直接通信距离远达 10km(速率 5kbps )通信速率高达 1 Mbps (时通信距离长 40m)
6CAN 节点取决总线驱动电路目前达 110 报文标识符达 2032 种(CAN20A)扩展标准(CAN20B)报文标识符受限制
7CAN 总线采短帧结构传输时间短受干扰概率具极检错效果
8CAN 帧信息 CRC 检验检错措施保证数出错率极低
9CAN 通信介质双绞线轴电缆光纤选择灵活
总CAN总线具实时性强性高通信速率快结构简单互操作性总线协议具完善错误处理机制灵活性高价格低廉等特点
22 ZigBee简介
CAN 总线作种成熟现场总线技术性高实时性成低等特点广泛应汽车电子工业控制楼宇动化等领域［3］特殊场适通布线实现网络连接时线网络接入解决问题ZigBee 种新兴短距离线通信技术特点低成低功耗低速率免执频段工作广泛应工业控制环境监测商 业 监 控汽 车 电 子家庭动化等领域实现CANZigBee 互联会现场总线线网络优势互补满足特殊应需求
ZigBee种线连接工作214GHz(全球流行)868MHz(欧洲流行)915 MHz(美国流行)3频段分具高250kbits20kbits40kbits传输速率传输距离1075m范围继续增加作种线通信技术ZigBee具特点
(1) 低功耗 ZigBee传输速率低发射功率仅1mW采休眠模式功耗低ZigBee设备非常省电估算ZigBee设备仅两节5号电池维持长达6月2年左右时间线设备尘莫 (2) 成低 ZigBee模块初始成6美元左右估计快降15—25美元ZigBee协议免专利费低成ZigBee关键素
(3) 时延短 通信时延休眠状态激活时延非常短典型搜索设备时延30ms休眠激活时延15ms 活动设备信道接入时延15msZigBee技术适时延求苛刻线控制(工业控制场合等)应 (4) 网络容量 星型结构Zigbee网络容纳254设备设备区域时存100ZigBee网络网络组成灵活 (5) 采取碰撞避免策略时需固定带宽通信业务预留专时隙避开发送数竞争突MAC层采完全确认数传输模式 发送数包必须等接收方确认信息 (6) 安全 ZigBee提供基循环冗余校验(CRC)数包完整性检查功支持鉴权认证采AES128加密算法应灵活确定安全性
23 节点总体设计
设计CAN节点总体装备线收发装备组成中CAN系统 CAN 总线CAN控制器CAN收发器微处理器构成系统框图图21示节点网络信息接收发送站 CAN 总线网络节点达 110 CAN 总线节点方面担负着总线智设备通信联络 时完成连接节点仪器设备数采集控制 该节点应带微处理器智节点
图21 CAN系统组成框图
次设计电源模块CAN线通信模块线通信模块微处理器模块四模块组成系统总体框图图22示中采 C8051F040作核心处理器嵌CAN控制器通CAN收发器PCA82C250进行线通信选CC2430作线通信设备实现远距离通信
图22 系统总体框图
第三章 车载网络节点硬件电路设计
31 硬件电路设计
单片机固件程序完成务：系统初始化程序谓智节点微控制器编程CAN控制器组成目前市面两类 CAN总线器件供选择 类兼微控制器CAN功器件 P8XC591287C196CACBMC68376PowerPC555等种集成器件电路更紧凑方便户制作印制板类独立CAN控制器 Philips公司SJA1000Intel 公司82526MCP2510等次设计采兼微控制器CAN功芯片C8051F060C8051F060部集成CAN总线控制器需外加总线驱动器加适隔离 电路显非常简洁缩短开发周期提高性系统采双MCU 结构功分两部分：CAN 总线接口模块 ZigBee 网络接口模块
CAN总线信号CANTXCANRXC8051F060出先分高速光耦6N137进行电气隔离避免总线瞬时干扰CAN总线收发器接口芯片PCA82C250然接CAN数线ZigBee网络接口模块选线单片机CC2430 作核心处理芯片节点硬件组成框图图31示
图31 节点硬件组成框图
CC2430 C8051F060 两单片机间采 SPI 接口进行通信实现 CAN 总线 ZigBee网络物理连接 CC2430 SPI 接口支持机工作方式处采 C8051F060 作机CC2430 作机单机工作方式时 CC2430 IO 口控制 C8051F060 外部中断INT0通中断启动C8051F060 SPI 接口进行数传输样保证 CAN 网络 ZigBee线网络间数交互
311 C8051F060简介
C8051F060单片机Silicon Laboratories公司推出完全集成混合信号片系统型MCU具特点[4]：高速流水线结构8051兼容CIP51核(达25MIPS)两16位1 MspsADC带DMA控制器控制器局域网(CAN20B)控制器具32消息象消息象标识掩码全速非侵入式系统调试接口(片)10位200 kspsADC带8通道模拟路开关两12位DAC具编程数更新方式64 KB系统编程FLASH存储器4 352(4 K+256)字节片RAM寻址64 KB址空间外部数存储器接口硬件实现SPISMBusI2C两UART串行接口5通16位定时器具6捕捉较模块编程计数器定时器阵列片门狗定时器VDD监视器温度传感器
C8051F060单片机部集成CAN控制器符合Bosch规范20A(基CAN)20B(全功CAN)方便CAN网络通信设计CAN通讯网络具高速度高性强抗干扰力等优点具强扩展力C8051F060高集成度需少量外围测量电路便组成集数采集控制通信功体单片系统时提高系统整体性外C8051F060核普通51系列兼容指令简单易学缩短系统研发周期
312 PCA82C250简介
PAC82C250 CAN 协议控制器物理总线间接口汽车中高速通讯(高达 1Mbps)应设计该器件总线提供差动发送力 CAN控制器提供差动接收力完全符合ISO11898标准PAC82C250 特性[5]：
1完全符合ISO11898标准
2高速率(高达 1Mbps)
3具抗汽车环境中瞬间干扰保护总线力
4斜率控制降低射频干扰(RFI)
5差分接收器抗宽范围模干扰抗电磁干扰(EMI)
6热保护7防止电池间发生短路
8低电流机模式
9未电节点总线影响
10连接110节点
11具限流保护
设计常规电路设计方案PCA82C250作CAN收发器PAC82C250功：首先P82C250驱动电路部具限流电路防止输出级电源负载短路然种障条件出现时功耗增加致输出级破坏次P82C250采双线差动驱动助抑制恶劣环境瞬变干扰引脚图图32示
图32 PCA82C250引脚图
引脚Rs选择三种工作方式：高速斜率控制机高速工作方式发送器输出晶体快速度启闭种方式采措施限制升降斜率时建议屏蔽电缆避免射频干扰问题通引脚RS接选择高速方式较低速度较短总线长度总线行线双绞线物理总线两端终端电阻Rt匹配否CAN总线数通信抗干扰力性会降低表现通信线路处空闲方式时整网络数混乱[18]降低射频干扰应限制升降斜率升降斜率通引脚8连接电阻进行控制斜率正引脚8电流输出脚8接高电电路进入低电机方式种方式发送器关闭接收器转低电流检测显畦位RXD转低电微控制器应通引脚8发送器变正常方式作条件作出反应机方式接收器慢速第报文丢失CAN控制器带CAN总线接口器件P82C250必须器件数CAN控制器均具配置灵活收发器件允许总线障驱动力允许2030节点连接条总线P82C250支持达 110 节点1Mbps速率工作恶劣电气环境利82C250方便CAN控制器收发器间建立光电隔离实现总线节点间电气隔离
313 CC2430简介
CC2430颗真正系统芯片(SoC)CMOS解决方案种解决方案够提高性满足ZigBee基础24GHz ISM波段应结合高性24GHz DSSS(直接序列扩频)射频收发器核心颗工业级巧高效8051控制器集成射频收发模块拥独立射频输入输出端口需外部TXRX开关芯片天线间电路构架衡非衡器少量电容电感组成时片资源丰富具128KB编程存8KBRAM包含88—14位模拟数字转换器4定时器AS128协处理器门狗定时器32768KHZ晶振休眠模式定时器21编程IO引脚功耗非常低机时电流消耗仅02uA32768KHZ晶振时钟运行电流消耗1uA具较高性价
32 电源模块设计
C8051F060工作电压27V～36VCC2430工作电压20V～36V需设计电源转换电路保证芯片正常工作系统选LM1117作电源转换芯片输入电压20V输出电压33V电压转换电路图图33示
图33 电压转换电路
33 抗干扰电路
增强 CAN 节点抗干扰力C8051F060TX0RX0直接P82C250 TXD RXD 相连通高速光耦 6N137 P8X250 相连样实现总线 CAN 节点间电气隔离P82C250 CAN 总线接口部分采定安全抗干扰措施P82C250 CANH CANL 引脚通 5 欧姆电阻 CAN 总线相连电阻起定限流作保护 P8X250 免收流击CANH CANL 间联两 3μF电容起滤总线高频干扰定防电磁辐射作CANH CANL 间加 120 欧姆终端电阻匹配总线阻抗提高总线抗干扰力电路图图33示
图33 CAN收发器抗干扰电路
第四章 车载网络节点软件设计
车载网络节点软件设计包括两方面：CAN通信ZigBee线通信CAM通信三部分组成：CAN初始化CAN发送数CAN接收数
41 CAN节点模块软件设计
单片机固件程序完成务：系统初始化程序发送程序接收程序等系统程序流程图41示系统软件采结构化程序设计方案具较模块性移植性系统功应环境方便进行编程重组CAN节点通讯协议包括种通讯帧组织发送均CAN控制器完成应层软件核心部分CPUCAN控制器间数接收发送程序CPU 发送数发送CAN控制器CAN控制器发总线CAN总线接收数CPU 数接收缓区取走处理
设计CAN节点通信软件分3部分：CAN初始化数发送数接收CAN初始化设置CAN通信参数发送数程序数存储区中发送数取出组成信息帧机ID址填入帧头然信息帧发送CAN控制器发送缓区信息CAN控制器发送总线CAN控制器动完成数接收程序需接收缓区读取信息存储数存储区信息CAN总线CAN控制器接收缓区CAN控制器动完成
图41 CAN系统流程图
411 系统初始化
初始化程序完成报文象进行初始化（般值置零） CAN 控制寄存器位定时寄存器进行设置发送报文象接收报文象分进行初始化系统初始化流程图图42示中位定时寄存器设置较复杂里外部晶振 221184 MHzCAN 通信速率1MbsBITREG初始值0x5EC0面CAN 启动程序：
void start_can(void)
{
SFRPAGE CAN0_PAGE
CAN0CN | 0x41 CEE INIT 位
CAN0ADRBITREG 指位定时寄存器
CAN0DAT0x5EC0 位定时器赋值
CAN0ADRIF1CMDMSK 指命令掩码寄存器 1
CAN0DAT0x0087
CAN0ADRIF2CMDMSK 指命令掩码寄存器 2
CAN0DATL0x1F 设置接收：读 CANRAM读数字节
CAN0CN | 0x26 全局初始化 IE SIE
CAN0CN & ~0x41 清 CEE INIT 位
}
图42 系统初始化流程图
412 发送程序
CAN 报文发送 CAN 控制器动完成户需根接收远程帧识符应数转移发送缓寄存器然报文象编码写入命令请求寄存器启动发送发送硬件完成里定时更新发送报文象中数数发送控制器动完成收数帧时具相识符数帧发送出发送流程图图43示发送子程序结构：
void transmit(unsigned char MsgNum)
{
xdata char TRdata[8]{0x000x010x020x030x040x050x060x07}
char num
SFRPAGECAN0_PAGE IF1 already set up for TX
CAN0ADRIF1CMDMSK 指命令掩码寄存器 1
CAN0DAT0x0087
CAN0ADRIF1DATA1 指数场第位
for(num0num<8num++) 发送 8 字节
{
CAN0DATHTRdata[num]
num++
CAN0DATLTRdata[num]
}
CAN0ADRIF1CMDRQST 指命令请求寄存器
CAN0DATLMsgNum 传输新数指定消息象
}
图43 发送程序流程图
413 接收程序
CAN报文接收发送样CAN控制器动完成接收程序需接收缓存器中读取接收数进行相应处理接收流程图44示基方法发送程序致
void receive_data(unsigned char MsgNum)
{
int j
xdata char REdata[8]
char SFRPAGE_SAVESFRPAGE 保存 SFR 页
SFRPAGECAN0_PAGE IF1 already set up for RX
CAN0ADRIF2CMDRQST 指命令掩码寄存器
CAN0DATLMsgNum 接收消息象新数
CAN0ADRIF2DATA1 指数域第位
for(j0j<8j++) 接收八字节
{
REdata[j]CAN0DATH
j++
REdata[j]CAN0DATL
}
SFRPAGESFRPAGE_SAVE
}
图44 接收程序流程图
42 线通信软件设计
421线通信数帧格式
CC2430符合IEEE802154标准硬件支持部分IEEE802154MAC帧步头包括前导码帧起始分隔符(SFD)CC2420中前导码帧起始分隔符配置默认值4BIB符合IEEE802154标准MODEMCTRIJOAUZTOCRC
控制位置位时动产生ZB帧校验序列CC2420硬件动插入CC2420线
通信发送数帧格式接收确认帧格式分表4142示
表41 CC2430线通信数帧格式
PHY帧
MAC协议数单元（MPDU）
前导码
帧起始分隔符（SFD）
帧长度
帧控制字段
序列号
PAN标识符
目标址
源址
效载荷
帧校验序列
4B
1B
1B
2B
1B
址信息6B
nB
2B
表42 CC2430线通信确认帧格式
PHY帧
MAC协议数单元（MPDU
前导码
帧起始分隔符（SFD）
帧长度
帧控制字段
序列号
帧校验序列
4B
1B
1B
2B
1B
2B
422 线通信程序设计实现
CAN总线ZigBee技术通信协议体系结构完全符合 OSI( Open System Interconnection) 网络模型［10］网关软件设计需规定相应层级进行CANZigBee网关软件设计应层编写CAN节点ZigBee节点数接收提取转发程序址映射表建立理程序
1) 址映射表建立理
CAN协议特点采传统节点址编码通信数块进行编码［11］C8051F040单片机部32消息象初始化时消息象写入消息ID写入消息象数固定ID发送CAN总线技术ZigBee 技术采节点址编码进行消息收发ZigBee通信协议中规定两种址 唯64位IEEE址16位短址ZigBee协议栈通信时16位短址ZigBee短址网络建立时动态分配CAN节点指定ZigBee节点发送数ZigBee节点分配节点代码协议转换中建立表43 列址映射
表43 址映射
网关接收CAN消息ID
64长址
SADDR
节点代码
0x0001
0x00000000000A
0x1699
0x0001
0x00000000000C
0x169A
0x0002
…
…
…
网关固定ZigBee短址0x0000时接收ID0x0001CAN报文转发ZigBee网络址映射表中节点代码固定ZigBee路节点启动旦节点加入该网络协调器该节点分配局域网唯短址果第次组建ZigBee网络认址映射表建立程时网关新加入网络节点长址短址写入址映射表节点代码构成应果ZigBee网络失败重建程查询址映射表新加入节点短址写址映射表中长址应位置样 ZigBee网络建立节点长址短址节点代码保持应关系CAN节点通网关ZigBee节点发送消息时利节点代码查前ZigBee短址ZigBee节点CAN节点发送数时ZigBee消息中应包含目标节点CAN报文ID网关根CAN报文ID数转发CAN总线
2) 协议转换实现
协议转换网关两网络接口模块编程实现完成网络数收发基础编写SPI接口程序两模块间进行数交互ZigBee传输速率CAN总线ZigBee网络接口模块设计缓区接收CAN总线数SPI通信数包作图45示定义
图45 SPI数包定义
数包目标址( ADDR) 数长度(DLC)数载荷(DATA)3部分组成ZigBeeCAN发送SPI数包长度 10 字节中ADDR CAN 消息号占 1 字节DLC占1字节DATA 长度固定8字节效字节数DLC确定CANZigBee发送SPI数包长度9字节CAN报文采短帧中帧中传送8字节数处定义两字节传输ZigBee节点代码6字节作数载荷封装SPI数包时1字节DLC表示数包中效载荷长度
CAN接口模块程序功分3部分 初始化程序CAN消息转发程序 SPI 数包转发程序初始化程序中完成IO口交叉配置SPI设置CAN寄存器初始化SPI设置时应保证时钟相位时钟极性CC2430致确保两单片机正确通信CAN 初始化时1消息象接收ID0x0001报文余31消息象CAN网络应层协议初始化发送报文网关中断方式接收ID0x0001CAN报文根DLC值提取效载荷调SPI发送子程序发送ZigBee网络接口模块SPI数接收INT0中断处理程序中完成流程图46 示CAN 接口模块次 SPI 接收数存储 RxBUFF 缓区接收完整数包调 CAN 报文发送子程序 RxBUFF 中数发送 CAN 总线
图 46 SPI 数包接收转发程序流程
ZigBee 接口模块程序协议栈基础开发ZigBee 协议栈采限状态机结构物理层( PHY) 媒体访问控制层 ( MAC) 网 络 层( NWK) 应层( APL) 组成［12］协议栈层状态机( FSM) 追踪进行操作开发时应层编写相关应程序应程序中应早调顶层状态机周期调状态机函数维持协议栈运行ZigBee 接口模块程序实现 ZigBee 消息转发SPI 数包转发址映射表建立维护功流程图47示初始化程完成协议栈SPI 接口硬件电路设置调aplFormNetwork( )函数组建网络网络组建程序开始循环执行循环中顶层状态机函数首先调然检查CAN 接收缓区否数果缓区空缓区中数块提取 ZigBee 节点代码数载荷利节点代码查址映射表获节点短址调 ZigBee 发送函数数包发送ZigBee节点顶层状态机中会调apsRxFSM( )检查否接收 ZigBee 消息接收消息时调 ZigBee 接收子程序ZigBee 接收子程序提取消息中效载荷调 SPI 发送子程序发送CAN网络接口模块节点加入网络时状态机调 usrJoinNotifyCallback( LADDR * ptr) 子程序建立维护址映射表ZigBee 接口模块SPI接口中断方式接收CAN网络接口模块数接收完整SPI数包存入CAN接收缓区等发送
图 47 ZigBee 接口模块程序流程
3） 缓区理
ZigBee接口模块CAN接收缓区结构单输入单输出循环消息队列缓区结构体数组数组元素存储SPI数包数组长度缓区定义读数指针变量(R_Point)写数指针变量(W_Point)缓区进行操作缓区读写发执行R_PointW_Point初始化时指缓区第数块网关 ZigBee 接口模块接收 SPI 数包数包写入W_Point指缓区W_Point指相邻数块数块执行写操作W_Point指缓区第数块缓区中读数指针变量R_Point完成读缓区前首先较R_PointW_Point值果R_PointW_Point值相认缓区空进行读操作否认缓区中数等发送读取R_Point前指数块R_Point指相邻数块缓区数块进行读操作样指缓区第数块样便完成缓区循环读写操作保证先收数先发送缓区数块结构定义
typedef struct BUFF_UNION{
UINT16 Node_Code
UINT8 Data_Len
UINT8 RxData［6］
} CAN_Z_Buff_UNION
中Node_Code 存储 ZigBee 节点代码 Data_Len 值表示数块中效载荷长度RxData 数组存储数载荷
参考文献
[1]朱艳明李明禄倪明选车辆传感器网络研究[J]中兴通信技术200915(5)2832
[2]饶运涛邹继军现场总线CAN原理应技术[M]北京北京航空航天学出版社2003
[3]黄明梁旭岳洋． 基 CAN 总线设计实现数采集监控系统［J］． 化工动化仪表201037( 6)79 ～81．
[4]周立功iCAN现场总线原理应[M]北京北京航空航天学出版社2007
[5] EISELE H Application note PCA82C250251 CAN transceiver[M] Philips semiconductors 19968391
[6]张培仁孙立．基C语言C8051系列微控制器原理应[M]．第1版．北京 清华学出版社2007 123 ～ 150．
[7]Philips Semiconductor． PCA82C250 CAN Controller Interface[DB OL]． http www．semiconductors．philips．com2000．
[8] TIChipcon．CC2430 PRELIMINARY Data Sheet[DBOL]．http www． chipcon． com2006．
[9]李旭车辆传感器网络应关键技术研究[D]海海交通学20091123
[10]Carlos SCunha J BMorais R．A Networked Platform for Agricultural Management Systems [J]．Computers and Electronics in Agriculture200131( 1) 75 ～ 90．
[11]Gmbh R B．CAN Specification Version 2 Parts A andB[DB OL]． http www． zlgmcu． com1991．
[12]PekhteryevSahinoglu GOrlik Z． Image Transmission Over IEEE 802． 15． 4 and ZigBee Networks[C]．IEEE International Symposium on Circuits and Systems． Kobe IEEE Press2005 3539 ～ 3542．
[13]张河新王晓辉黄晓东基STM32CAN总线智数采集节点设计[J]化工动化仪表201239(01)7880
[14]夏琳琳谷利君王建国杨冰CAN总线ZigBee线网络网关设计[J]化工动化仪表201239(01)6367
[15]莫莉张叶茂基CAN总线嵌入式监控网络智节点设计[J]广西轻工业201235(4)8283
[16]黄长喜线传感器网络节点设计研究[D]合肥合肥工业学2006541
[17]唐军辉基ZigBee协议线传感器网络节点设计[D]沈阳东北学2008763
[18]赵家礼 张庆达等 变压器障诊断修理[M]北京机械工业出版社 1998
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