1、摘要随着网络的飞速发展，人们呼吁快速便捷的网络的呼声也越来越来强烈，无 线网络必定是未来世界的网络主要发展方向。而3G时代无线应用的日渐丰富， 以及无线终端设备的层出不穷，对于无线网络，尤其是基于802. 11技术标准的 Wi-Fi无线网络，802. lln产品技术应用逐渐成为市场主流应用。ZigBee技术是 一种新兴的短距离、低速率无线网络技术。它是一种介于无限标记技术和蓝牙之 间的技术提案，主要用于近距离无线连接。自己在学校学习期间熟悉了通信原理, 简单的单片机知识，c语言编程等等。这些都能在这次的srtp里面得到体现。 我们本次srtp重点研究了 zigbee无线组网，结合TI z-st2、ack无线传感协议， 在cc2530芯片的基础上实现温湿度光敏等数据的无线监测，通过此次设计过程 来验证zigbee无线网络的便捷性。关键词无线网络zigbee数据监测第一章绪论1课题背景机车在做牵引试验时，需对机车上的试验数据进行采集与传输系统，目前还 是通过有线方式实现数据的采集与传输，由于线缆本身十分笨重，占用空间多， 这就使得每次牵引试验时，不但接线非常繁琐，而且费时费力。又由于受到振动, 连接电缆易损坏或者断线，大大影响了数据采集的可靠性。针对目前牵引试验数 据采集与传输系统存在的不足，拟采用无线传感器网络来实现牵引试验数据的采 集与传输。该系统采用无线传感器网络节点构成测量系统。由3、于该系统取消了常 规的测量接线，采用无线传输采用由无线传感器节点构成的无线传感器网络，来 实现机车牵引试验时，试验数据的采集与传输。所以采用ZigBee无线通信技术 实现数据的无线传输。采用软测量方法实现试验数据的检测。测量数据，大大减 少了试验所需的连线。提髙了试验效率和试验的灵活性。本文通过对ZigBee无 线网络的讨论，重点研究了无线传感器网络节点设备。无线技术在传感监测领域有自己独特的优势，传统的有线通信方式因为其成 本高、布线复杂，已经不能完全满足人们的应用需求了。由此，无线通信技术应 运而生。无线网络技术按照传输围来划分，可分为无线广域网、无线城域网、无 线局域网和无线个人域网。无4、线个人域网即短距离无线网络，典型的短距离无线 传输技术有：蓝牙(Bluetooth)、ZigBee. WiFi 等。在工业控制、家庭自动化和遥测遥感领域，蓝牙(Bluetooth)虽然成本较 低，成熟度高，但是传输距离有限，仅为10米，可以参与组网的节点少。WiFi 虽然传输速度较快，传输距离达到100米，但是其价格偏高，功耗较大，组网能 力较差。相比之下ZigBee技术则主要针对低成本、低功耗和低速率的无线通信市场, 具有如下特点：功耗低：工作模式情况下，ZigBee技术传输速率低，传输数据量很小，因 此信号的收发时间很短，其次在非工作模式时，ZigBee节点处于休眠模式。设 备搜索时延一般5、为30ms,休眠激活时延为15ms,活动设备信道接入时延为15ms。 由于工作时间较短、收发信息功耗较低且采用了休眠模式，使得ZigBee节点非 常省电，ZigBee节点的电池工作时间可以长达6个月到2年左右。同时，由于 电池时间取决于很多因素，例如：电池种类、容量和应用场合，ZigBee技术在 协议上对电池使用也作了优化。对于典型应用，碱性电池可以使用数年，对于某 些工作时间和总时间(工作时间+休眠时间)之比小于1%的情况.数据传输可靠：ZigBee的媒体接入控制层(MAC层)采用talk-when-ready 的碰撞避免机制。在这种完全确认的数据传输机制下，当有数据传送需求时则立 刻传送，6、发送的每个数据包都必须等待接收方的确认信息，并进行确认信息回复， 若没有得到确认信息的回复就表示发生了碰撞，将再传一次，采用这种方法可以 提高系统信息传输的可靠性。同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙， 避免了发送数据时的竞争和冲突。同时ZigBee针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和休眠状态激活的时延都非常短。网络容量大：ZigBee低速率、低功耗和短距离传输的特点使它非常适宜支 持简单器件o ZigBee定义了两种器件：全功能器件（FFD）和简化功能器件（RFD）。 对全功能器件，要求它支持所有的49个基本参数。而对简化功能器件，在最小 配置时只要求它支持38个基本参数。一个全功能7、器件可以与简化功能器件和其 他全功能器件通话，可以按3种方式工作，分别为：个域网协调器、协调器或器 件。而简化功能器件只能与全功能器件通话，仅用于非常简单的应用。一个 ZigBee的网络最多包括有255个ZigBee网路节点，其中一个是主控（Master） 设备，其余则是从属（Slave）设备。若是通过网络协调器（Network Coordinator）, 整个网络最多可以支持超过64000个ZigBee网路节点，再加上各个Network Coordinator可互相连接，整个ZigBee网络节点的数目将十分可观。兼容性：ZigBee技术与现有的控制网络标准无缝集成。通过网络协调器 （Coor8、dinator）自动建立网络,采用载波侦听/冲突检测（CSMA-CA）方式进行 信道接入。为了可靠传递，还提供全握手协议。安全性：Zigbee提供了数据完整性检查和鉴权功能，在数据传输中提供了 三级安全性。第一级实际是无安全方式，对于某种应用，如果安全并不重要或者 上层已经提供足够的安全保护，器件就可以选择这种方式来转移数据。对于第二 级安全级别，器件可以使用接入控制清单（ACL）来防止非法器件获取数据，在 这一级不采取加密措施。第三级安全级别在数据转移中采用属于高级加密标准 （AES）的对称密码。AES可以用来保护数据净荷和防止攻击者冒充合法器件。实 现成本低：模块的初始成本估计在6美元左右9、，很快就能降到1.5-2. 5美元，且 Zigbee协议免专利费用。目前低速低功率的UWB芯片组的价格至少为20美元。 而ZigBee的价格目标仅为几美分。由于ZigBee技术具有上述特点，因而广泛应用在短距离低速率电子设备之 间的数据传输。ZigBee联盟预测的主要应用领域包括工业控制、消费性电子设 备、汽车自动化、农业自动化和医用设备控制等。2课题研究的目的意义ZigBee技术具有低成本、低功耗、近距离、短时延、高容量、髙安全及免 执照频段等优势，广泛应用于智能家庭、工业控制、自动抄表、医疗监护、传感 器网络应用和电信应用等领域。智能家庭：现今家用电器已经随处可见了，如何将这些电器和电子设10、备联系 起来，组成一个网络，甚至可以通过网关连接到Intemet,使得用户可以方便 地在任何地方监控自己家里的情况？ ZigBee技术提供了家庭智能化的技术支 持，在ZigBee技术的支持下，家用电器可以组成一个无线局域网，省却了在家 里布线的烦恼。工业控制：工厂环境当中有大量的传感器和控制器，可以利用ZigBee技术 把它们连接成一个网络进行监控，加强作业管理，降低成本。自动抄表：现在在大多数地方还是使用人工的方式来逐家逐户进行抄表，十 分不方便。而ZigBee可以用于这个领域，利用传感器把表的读数转化为数字信 号，通过ZigBee网络把读数直接发送到提供煤气或水电的公司。使用ZigBee 11、进行抄表还可以带来其它好处，比如煤气或水电公司可以直接把一些信息发送给 用户，或者和节能相结合，当发现能源使用过快的时候可以自动降低使用速度。医疗监护：医疗工作中，时常要获得病人的生理指标、环境指标，可以通过 放置传感器构成传感器网络，实时监测这些数据。由于是无线技术，传感器之间 不需要有线连接，被监护的人也可以比较自由的行动，非常方便。传感器网络应用：传感器网络也是最近的一个研究热点，像货物跟踪、建筑 物监测、环境保护等方面都有很好的应用前景。传感器网络要求节点低成本、低 功耗，并且能够自动组网、易于维护、可靠性高。ZigBee在组网和低功耗方面 的优势使得它成为传感器网络应用的一个很好的技12、术选择。此外，ZigBee技术也可以应用到汽车电子、农业生产和军事领域中。随着 物联网技术的日渐兴起，ZigBee技术将会扮演更为重要的角色。但是，物联网 的全面普及将是一个十分漫长的过程，至少目前还在探索和实验阶段，距离实用 还有很长的路要走。虽然前景一片大好，但是我们应该清楚认识到由于各方面的制约，ZigBee 技术的大规模商业应用还有待时日，基于ZigBee技术的无线网络应用还远远说 不上成熟，主要表现在：ZigBee市场仍处于起步探索阶段，终端产品和应用大 多处于研发阶段，真正上市的少，且以家庭自动化为主；潜在应用多，但具有很 大出货量的典型应用少，市场缺乏明确方向；使用点对多点星状拓13、扑的应用较多， 体现ZigBee优势的网状网络应用少；基于IEEE 802. 15. 4底层协议的应用多， 而基于ZigBee标准协议的应用少3设计的准备工作及预期实现的目的1熟悉通信原理zigbee是一种无线网络技术，在组网过程中涉及到的广 播原理以及网络标识等都需要我去补充通信原理方面的知识2熟悉掌握IAR软件的应用zigbee硬件里面的程序大部分是在IAR环境 下完成编译调试的3掌握基础的射频知识cc2530的芯片就是右51单片机跟射频前端组成 的，信息的发送与接受是靠射频前端完成的4熟悉c语言网络硬件编程，在设计传感器网络的时候需要在zigbee网络 的应用层做编程工作，用到的语言就是14、c语言。5 了解TI的z-stack协议预期实现的效果：把调试完成的程序烧写进zigbee硬件后可以成功组 网，通过电脑可以观察到网络拓扑结构，在电脑上可以监测节点的温湿度光敏数 值。第二章zigbee无线网络概述2. 1 ZigBee 概述ZigBee 词来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飞翔和“嗡嗡”(zig)地 抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的 方式构成了群体中的通信网络，它是一种低成本、低功耗的近距离无线组网通信 技术。2000年，IEEE 802. 15工作组成立的任务组TG4 (Task Group, TG)制定 了 IEEE 802.15、 15.4标准。该标准以低能耗、低速率传输、低成本为重点目标，为 设备之间的低速无线互连提供了统一标准，就是ZigBee无线通信技术。ZigBee 协议是基于 IEEE 802. 15. 4 标准的，由 IEEE 802. 15. 4 和 ZigBee 联 盟共同制定。IEEE 802. 15.4工作组制定ZigBee协议的物理层(PHY)和媒体访 问控制层(MAC层)协议。ZigBee联盟成立用于2002年，定义了 ZigBee协议 的网络层(NWK)、应用层(APL)和安全服务规。协议栈结构如图2-1。应用层(含应用接口 层)用户应用支持子层tZigBee联盟1网络层MAC层IEEE 8016、2. 15.41:物理层图2-1 ZigBee协议栈结构ZigBee协议由物理层(PHY)、介质访问控制子层(MAC)、网络层(NWK),应用 层(APL)及安全服务提供层(SSP)五块容组成。其中PHY层和MAC层标准由IEEE 802.15.4标准定义，MAC层之上的K层，APL层及SSP层，由ZigBee联盟的 ZigBee标准定义。APL层由应用支持层(APS),应用框架(AF)以及ZigBee设备对 象(ZDO)及ZDO管理平台组成。PHY层定义了无线射频应该具备的特征，提供了 868MHz-868. 6IHz、 902MHz-928MHz 和 2400MHz-24835MHz 三种17、不同的频段，分别支持 20kbps、40kbps 和250kbps的传输速率，1个、10个以及16个不同的信道I1L ZigBee的传输距 离与输出功率和环境参数有关，一般为10100米之间。PHY层提供两种服务： PHY层数据服务和PHY层管理服务，PHY层数据服务是通过无线信道发送和接收 物理层协议数据单元(PPDU), PHY层的特性是激活和关闭无线收发器、能量检测、 链路质量指示、空闲信道评估、通过物理媒介接收和发送分组数据。MAC层使用CSMA-CA冲突避免机制对无线信道访问进行控制，负责物理相邻 设备问的可靠，支持关联(Association)和退出关联(Disassociatio18、n)以及MAC 层安全。MAC层提供两种服务：MAC层数据服务和MAC层管理服务，MAC层数据 服务通过物理层数据服务发送和接收MAC层协议数据单元(MPDU) o MAC层的主要 功能是：进行信标管理、信道接入、保证时隙(GTS)管理、帧确认应答帧传送、 连接和断开连接。NWK层提供网络节点地址分配，组网管理，消息路由，路径发现及维护等功 能。NWK层主要是为了确保正确地操作IEEE 802.15.4. 2003MAC子层和为应用 层提供服务接口。NWK层从概念上包括两个服务实体：数据服务实体和管理服务 实体。NWK层的责任主要包括加入和离开一个网络用到的机制、应用帧安全机制 和他们的目的地19、路由帧机制，ZigBee协调器的网络层还负责建立一个新的网络。ZigBee应用层包括应用支持子层(APS子层)、应用框架(AF)和ZigBee设备 对象(ZDO) o APS子层负责建立和维护绑定表，绑定表主要根据设备之间的服务 和他们的需求使设备相互配对。ZigBee的应用框架(AF)为各个用户自定义的应 用对象提供了模板式的活动空间，并提供了键值对(KVP)服务和报文(MSG)服务供 应用对象的数据传输使用。一个设备允许最多240个用户自定义应用对象，分别 指定在端点1至端点240上。ZDO可以看成是指配到端点0上的一个特殊的应用 对象，被所有ZigBee设备包含，是所有用户自定义的应用对20、象调用的一个功能 集，包括网络角色管理，绑定管理，安全管理等。ZDO负责定义设备在网络中的角色(例如是ZigBee协调器或者ZigBee终端 设备)、发现设备和决定他们提供哪种应用服务，发现或响应绑定请求，在网络 设备之间建立可靠的关联。安全服务提供者SSP(Security Service Provider)向NWK层和APS层提供 安全服务。ZigBee协议层与层之问是通过原语进行信息的交换和应答的。大多数层都 向上层提供数据和管理两种服务接口，数据SAP (Service Access Point)和管理 SAP (Service Access Point) 0数据服务接口的目标是向上层21、提供所需的常规数 据服务，管理服务接口的目标是向上层提供访问部层参数、配置和管理数据的机制。2.2 ZigBee网络基础ZigBee网络基础主要包括设备类型，拓扑结构和路由方式三方面的容， ZigBee标准规定的网络节点分为协调器(Coordinator).路由器(Router)和终 端节点(End Device)o节点类型是网络层的概念，反映了网络的拓扑形式0ZigBee 网络具有三种拓扑形式：星型拓扑、树型拓扑、网状拓扑。2.2.1网络节点类型(1) 协调器(Coordinator)在各种拓扑形式的ZigBee网络中，有且只有一个协调器节点，它负责选择 网络所使用的频率通道、建立网络并将其22、他节点加入网络、提供信息路由、安全 管理和其他服务。(2) 路由器(Router)当采用树型和网状拓扑结构时，需要用到路由器节点，它也可以加入协调器， 是网络远距离延伸的必要部件。它负责发送和接受节点自身信息；节点之间转发 信息；允许子节点通过它加入网络。(3) 终端节点终端节点的主要任务就是发送和接收信息，通常一个终端节点不处在数据收 发状态时可进入休眠状态以降低能耗。2.2.2网络拓扑形式(1) 星型拓扑星型拓扑是最简单的拓扑形式，如图2-2。图中包含一个协调器节点和一些终端节点。每一个终端节点只能和协调器节点进行通讯，在两个终端节点之间进 行通讯必须通过协调器节点进行转发，其缺点是节点之23、间的数据路由只有唯一路径。O路由器图2-2星形拓扑结构(2) 树型拓扑树型拓扑结构如图2-3。协调器可以连接路由器节点和终端节点，子节点的 路由器节点也可以连接路由器节点和终端节点。直接通信只可以在父节点和子节点之间进行，非父子关系的节点只能间接通信。协调器o珞由器、Q图2-3树状拓扑结构(3) 网状拓扑网状拓扑如图2-4。网状拓扑具有灵活路由选择方式，如果某个路由路径出 现问题，信息可自动沿其他路径进行传输。任意两个节点可相互传输数据，网络 会自动按照ZigBee协议算法选择最优化路径，以使网络更稳定，通讯更有效率。协训器o賂由盟图2-4网状拓扑结构2. 2.3工作模式Z i gBee网络的24、工作模式可以分为信标(Beacon)模式和非信标(Non-beacon) 模式两种。信标模式可以实现网络中所有设备的同步工作和同步休眠，以达到最 大限度地节省功耗，而非信标模式只允许ZE进行周期性休眠，协调器和所有路 由器设备长期处于工作状态。在信标模式下，协调器负责以一定的间隔时间(一般在15ms4mins之间) 向网络广播信标帧，两个信标帧发送间隔之间有16个相同的时槽，这些时槽分 为网络休眠区和网络活动区两个部分，消息只能在网络活动区的各个时槽发送。非信标模式下，ZigBee标准采用父节点为子节点缓存数据，终端节点主动 向其父节点提取数据的机制，实现终端节点的周期性(周期可设置)休眠。网25、络中 所有的父节点需要为自己的子节点缓存数据帧，所有子节点的大多数时间都处于 休眠状态，周期性的醒来与父节点握手以确认自己仍处于网络中，并向父节点提 取数据，其从休眠模式转入数据传输模式一般只需要15ms。第三章CC2530芯片介绍3.1 CC2530 概述CC2530 是用于 2. 4-GHz IEEE 802. 15. 4、ZigBee 和 RF4CE 应用的一个真正 的片上系统(SoC)解决方案。它能够以非常低的总的材料成本建立强大的网络 节点CC2530结合了领先的RF收发器的优良性能，业界标准的增强型8051 CPU, 系统可编程闪存，8-KB RAM和许多其他强大的功能。CC25326、0有四种不同的闪存 版本：CC2530F32/64/128/256,分别具有 32/64/128/256KB 的闪存。CC2530 具 有不同的运行模式，使得它尤其适应超低功耗要求的系统。运行模式之间的转换 时间短进一步确保了低能源消耗。CC2530芯片延用了以往CC2430芯片的架构，在单个芯片上整合了 ZigBee 射频(RF)前端、存和微控制器。它使用1个8位MCU (8051),具有128 KB可 编程闪存和8 KB的RAM,还包含模拟数字转换器(ADC)、几个定时器(Timer). AES 128协同处理器、看门狗定时器(Watchdog timer). 32 kHz晶振的休眠模 式27、定时器、上电复位电路(Power On Reset)、掉电检测电路(Brown out detection),以及21个可编程I/O引脚。CC2530芯片采用0.18 u m CMOS工艺生产；在接收和发射模式下，电流损 耗分别低于27 mA或25 mA。CC2530的休眠模式和转换到主动模式的超短时间 的特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。3.2 CC2530模块描述hIKAI LLLLtHUNiLLjCC2530数据手册F2_2,F2丄?2_0：PD.7P0 6P1.7Fl_6Fl_5 ?l_i 門_3Pl_2Pl 1PCUZF0_3NF0_ 2 XP0Z PO oS数宇 模拟 混28、合resetjjE*0EC_Q2gHXQSQl XFF2-4 矗片上稳压器p VDD(2.0-3 67)HXI DCOUPLKilRC-CSC32NHz晶振RCY5C（洌试接口V
DMA8051 CPU 孩心32. T62EH2MMADCAES:溺/直流知密和解密I 8iftilIRA控制FLASH写睡眠定时器;睡眠樓式控制器;32/04/128 /258 KB 存潴器 flash 仲我：強8KB耐期频寄存器CSIA/CB通处理器US&RTL射頻数据接口USART2计时器116位计时器3（8位）自动增益扌电制先进尢出和（IEEE显!諾聲RAC汗BT器）CC2530方框图图中模块大致可以分为三29、类：CPU和存相关的模块；外设、时钟和电源管理 相关的模块，以及无线电相关的模块。CPU和存CC253x芯片系列中使用的8051 CPU核是一个单周期的8051兼容核。它有 三种不同的存访问总线（SFR, DATA和CODE/XDATA）,单周期访问SFR, DATA和 主SRAMo它还包括一个调试接口和一个18输入扩展中断单元。中断控制器总共提供了 18个中断源，分为六个中断组，每个与四个中断优 先级之一相关。当设备从活动模式回到空闲模式，任一中断服务请求就被激发。 一些中断还可以从睡眠模式（供电模式1-3）唤醒设备。存仲裁器位于系统中心，因为它通过SFR总线把CPU和DMA控制器和物理 存30、储器以及所有外设连接起来。存仲裁器有四个存访问点，每次访问可以映射到 三个物理存储器之一：一个8-KB SRAM、闪存存储器和XREG/SFR寄存器。它负 责执行仲裁，并确定同时访问同一个物理存储器之间的顺序。8-KB SRAM映射到DATA存储空间和部分XDATA存储空间。8-KB SRAM是一个 超低功耗的SRAM,即使数字部分掉电（供电模式2和3）也能保留其容。这是 对于低功耗应用来说很重要的一个功能。32/64/128/256 KB闪存块为设备提供了电路可编程的非易失性程序存储器, 映射到XDATA存储空问。除了保存程序代码和常量以外，非易失性存储器允许 应用程序保存必须保留的数据，这31、样设备重启之后可以使用这些数据。使用这个 功能，例如可以利用已经保存的网络具体数据，就不需要经过完全启动、网络寻 找和加入过程。时钟和电源管理数字核和外设由一个1.8-V低差稳压器供电。它提供了电源管理功能，可 以实现使用不同供电模式的长电池寿命的低功耗运行。有五种不同的复位源来复 位设备。外设CC2530包括许多不同的外设，允许应用程序设计者开发先进的应用。调试接口执行一个专有的两线串行接口，用于电路调试。通过这个调试接口， 可以执行整个闪存存储器的擦除、控制使能哪个振荡器、停止和开始执行用户程 序、执行8051核提供的指令、设置代码断点，以及核中全部指令的单步调试。 使用这些技术，可以很好32、地执行电路的调试和外部闪存的编程。设备含有闪存存储器以存储程序代码。闪存存储器可通过用户软件和调试接 口编程。闪存控制器处理写入和擦除嵌入式闪存存储器。闪存控制器允许页面擦 除和4字节编程。I/O控制器负责所有通用I/O引脚。CPU可以配置外设模块是否控制某个引 脚或它们是否受软件控制，如果是的话，每个引脚配置为一个输入还是输出，是 否连接衬垫里的一个上拉或下拉电阻CPU中断可以分别在每个引脚上使能。每 个连接到I/O引脚的外设可以在两个不同的I/O引脚位置之间选择，以确保在 不同应用程序中的灵活性。系统可以使用一个多功能的五通道DMA控制器，使用XDATA存储空间访问存 储器，因此能够访问所33、有物理存储器。每个通道（触发器、优先级、传输模式、 寻址模式、源和目标指针和传输计数）用DMA描述符在存储器任何地方配置。 许多硬件外设（AES核.闪存控制器、USART、定时器、ADC接口）通过使用DMA 控制器在SFR或XREG地址和闪存/SRAM之间进行数据传输，获得髙效率操作。 定时器1是一个16位定时器，具有定时器/PWM功能。它有一个可编程的分频 器，一个16位周期值，和五个各自可编程的计数器/捕获通道，每个都有一个 16位比较值。每个计数器/捕获通道可以用作一个PWM输出或捕获输入信号边沿 的时序。它还可以配置在IR产生模式，计算定时器3周期，输出是ANDed,定 时器3的输出是34、用最小的CPU互动产生调制的消费型IR信号。MAC定时器（定时器2）是专门为支持IEEE 802. 15.4 MAC或软件中其他时 槽的协议设计。定时器有一个可配置的定时器周期和一个8位溢出计数器，可 以用于保持跟踪已经经过的周期数。一个16位捕获寄存器也用于记录收到/发 送一个帧开始界定符的精确时间，或传输结束的精确时间，还有一个16位输出 比较寄存器可以在具体时间产生不同的选通命令（开始RX,开始TX,等等）到 无线模块。定时器3和定时器4是8位定时器，具有定时器/计数器/PWM功能。 它们有一个可编程的分频器，一个8位的周期值，一个可编程的计数器通道， 具有一个8位的比较值。每个计数器通35、道可以用作一个PWM输出。睡眠定时器是一个超低功耗的定时器，计算32-kHz晶振或32-kHz RC振荡 器的周期。睡眠定时器在除了供电模式3的所有工作模式下不断运行。这一定 时器的典型应用是作为实时计数器，或作为一个唤醒定时器跳出供电模式1或 2。ADC支持7到12位的分辨率，分别在30 kHz或4 kHz的带宽。DC和音频转 换可以使用髙达八个输入通道（端口 0） O输入可以选择作为单端或差分。参考 电压可以是部电压、AVDD或是一个单端或差分外部信号。ADC还有一个温度传 感输入通道。ADC可以自动执行定期抽样或转换通道序列的程序。随机数发生器使用一个16位LFSR来产生伪随机数，这可以36、被CPU读取或 由选通命令处理器直接使用。例如随机数可以用作产生随钥，用于安全。AES加密/解密核允许用户使用带有128位密钥的AES算法加密和解密数据。 这一核能够支持IEEE 802.15.4 MAC安全、ZigBee网络层和应用层要求的AES 操作。一个置的看门狗允许CC2530在固件挂起的情况下复位自身。当看门狗定时 器由软件使能，它必须定期清除；否则，当它超时就复位它就复位设备。或者它 可以配置用作一个通用32-kHz定时器。USART 0和USART 1每个被配置为一个SPI主/从或一个UART。它们为RX 和TX提供了双缓冲，以及硬件流控制，因此非常适合于髙吞吐量的全双工应用。每37、个都有自己的高精度波特率发生器，因此可以使普通定时器空闲出来用作其他 用途。无线设备CC2530具有一个IEEE 802. 15.4兼容无线收发器。RF核控制模拟无线模 块。另外，它提供了 MCU和无线设备之间的一个接口，这使得可以发出命令， 读取状态，自动操作和确定无线设备事件的顺序。无线设备还包括一个数据包过 滤和地址识别模块。3.3 CC2530引脚描述90QW& yz&sox寻ddCMlzd2dlzd卜Ld9Ld 500Id HO 00e I M )GND二，严 39GND二2IGNDAI1GND=4 1P1 5ZDsi1P1,4二访1P1 3r 711P12二 811P1二6DVDD38、2MO11 12fl门U U H U U U () 37 36 35 34 33 32GNDGround Pad13 14 15 16 17 18 19 n i i n ci n n nu % 二RBIAS29二AVDD42&二AVDD1二AVDD226二RF NMB23二RF_P24二AVDD323二XOSC 0222rXOSC Q1OB2卞_-20、AVDD5fl 0 CC2530的引脚图引脚名称AVDD1AVDD2AVDD3AVDD4AVDD5AVDD6282724292131引脚 电源 电源 电源 电源 电源 电源引脚类型描述 （模拟） （模拟） （模拟） （模拟） （模拟） （模拟）39、2-V - 3. 6-V2-V - 3. 6-V2-V - 3. 6-V2-V - 3. 6-V2-V - 3. 6-V2-V 一 3. 6-V模拟电源连接 模拟电源连接 模拟电源连接 模拟电源连接 模拟电源连接 模拟电源连接DCOUPL 40电源（数字）1.8V数字电源去耦。不使用外部电路供应。 DVDD1 39电源（数字）2-V - 3. 6-V数字电源连接DVDD2 10电源（数字）2-V - 3. 6-V数字电源连接 GND -接地接地衬垫必须连接到一个坚固的接地面。GND 1, 2, 3, 4未使用的引脚连接到GNDP0_0 19 数字 I/O 端 口 0.0P0_l 18 数字 I40、/O 端 口 0. 1P0_2 17 数字 I/O 端 口 0.2P0_3 16 数字 I/O 端 口 0.3P0_4 15 数字 I/O 端 口 0.4P0_5 14 数字 I/O 端 口 0.5P0 _6 13 数字 I/O 端 口 0.6P0_7 12 数字 I/O 端 口 0. 7Pl_0 11数字I/O端口 1. O-20-mA驱动能力Pl_19数字I/O端口1. l-20-mA驱动能力Pl_28数字I/O端口1.2Pl_37数字I/O端口1.3Pl_46数字I/O端口1.4Pl_55数字I/O端口1. 5Pl_6 38 数字 I/O 端口 1.6Pl_7 37 数字 I/O 端口 41、1.7P2_0 36 数字 I/O 端 口 2.0P2_l 35 数字 I/O 端 口 2. 1P2_2 34 数字 I/O 端 口 2. 2P2_3 33 数字 I/O 模拟端口 2. 3/32. 768 kHz XOSCP2_4 32 数字 I/O 模拟端口 2. 4/32. 768 kHz XOSCRBIAS 30模拟I/O参考电流的外部精密偏置电阻RESET_N 20数字输入复位，活动到低电平RF_N 26 RF I/O RX期间负RF输入信号到LNARF_P 25 RF I/O RX期间正RF输入信号到LNAXOSC_Q1 22模拟I/O 32-MHz晶振引脚1或外部时钟输入XOSC42、 Q2 23模拟I/O 32-MHz晶振引脚2第四章系统的整体设计4.1系统的结构简介本系统由三类节点组成：ZigBee协调器节点、路由器节点、传感器节点。 图3-1所示是其组成示意图，其中ZigBee协调器是分布式处理中心，即汇聚节 点。多个传感器节点置于不同的监测区域，每个传感器节点会先把数据传给汇聚 节点，然后汇聚节点把数据通过串口传给上位机做进一步处理并显示给用户。协 调器节点可以与多个传感器节点通信，这样可以使本系统同时监测多个区域，何 时检测哪个区域通常由用户通过协调器节点来控制。当被检测区域的障碍物较多 或者协调器节点距离传感器节点较远时，可以通过增加路由器节点来增强网络的 稳定43、性。当用户没有数据请求时，传感器节点只进行低功耗的信道扫描。系统工 作流程示意图如下图4-1采集监测系统示意图4.2对每个部分的功能和指标进行详细介绍(1) 信息收集终端：即协调器，就是设计的zigbee网络的网关，完成 网络的建立与维护，和节点之间绑定的建立，实现数据的汇总，然后 以有线的方式传送到上位机软件，进行进一步数据处理。本设计采用 RS-232串口将采集到的数据发送到上位机。在本设计中可以通过串口 助手老查看温湿度光敏等传感器数据。(2) 温湿度光敏传感器节点：即节点，放置在需要采集数据的地方。温 湿度光敏采集终端可以实现网络的加入、与协调器绑定的建立对温湿 度光敏的检测。检测到的44、数据通过ZigBee无线网络发送到协调器。(3) 上位机：本系统的设计的上位机选择了 PC机，由于srtp确定以来反复对方 案进行了探讨研究用PC机作为上位机软件最稳定，查阅了大量资料可以用通过 不同的技术手段选择不同的上位机，带ARM设备开发板，移动终端等等都可以作 为上位机。4.3系统的程序设计(1)设备的描述程序中，两种设备被配置：传感器和中心收集设备。 中心收集设备作为协调器或路由器启动，描述为： const SimpleDescriptionFormat_t zb SimpleDesc =MY ENDPOINTID,MY PROFILED,DEV_ID_COLLECTOR,DEVIC45、E_VERSION_COLLECTOR,0,NUM.IN_CMD COLLECTOR, (cldt *) zblnCmdList,NUM_OUT_CMD.COLLECTOR, (cld_t *) NULL;/端点/ Profile ID/设备ID/设备版本/保留/输入命令数量/输入命令列表/输出命令数量/输出命令列表传感器设备的描述为:MY ENDPOINT JD,/端点const SimpleDescriptionFormatt zbSimpleDesc =/ Profile ID/设备ID/设备版本/保留/输入命令数量/输入命令列表/输出命令数量/输出命令列表MY PROFILE ID,D46、EV_ID COLLECTOR,DEVICE.JERSION COLLECTOR,0,NUM_IN_CMD_COLLECTOR,(cldt *) zb InCmdList,NUM OUT_CMD SENSOR,(cldt *) zb OutCmdList;(2) shtll温湿度传感器部分工作程序#define data pll#define sck pl0#define ack 1#define noack 0ttdefine measure_temp 0x03 /测量温度命令#define measure humi 0x05 /测量湿度命令/读温湿度命令char s-measure(uns47、igned char *p-valuer unsigned char *p-checksumf unsigned char mode )unsigned charerror=0；unsigned int i；Cs_transstart (); /传输开始switch(mode)case temp:error+=s_ write_byte(measure_temp)；break；case humi:error+=s_write_byte(measure_humi)；breakdefault：break；for(i=0；i65535；i+) if(data=0) break；if(data) re48、eor+=l；* (pvalue)=s_read byte (ack)；*(p_value+l)=s_read byte (ack)；*p _checksum=s_read byte(noack)；return error；/温湿度值变换及温度补偿void calc_sthl5(float *p humidity,float *p_temperature) const float cl二一4 0；const float c2=0. 0405；const float c3二-0. 0000028；const float tl=-0. 01；const float t2=0. 00008；floa49、t rh=*p_humidity；float t=*p temperature；float rh lin；float th ture；float t_c；t_c=t*0. 01-40；rh_l in=c3*rh*rh+c2*ih+cl ；trh_ture=(t_c25)*(tl+t2*rh)+rh 1 in； *p_temperature=t-c；*p humidity=rh_ture:/从相对温度和湿度计算靂点char calcdewpoint(float h,float t)float logex,dewpoint；logex=0. 66077+7. 5*t/(237. 3+t) + lo50、g 10(h)-2;dew_point=(logex-0. 6607)*237. 3/(0. 66077+7. 5-logex)；return dewpoint；动态显示接口程序DIR： MOV R0,#79HMOV R3,#01HMOV A,R3LDO： MOV DPTR,#0101HMOVX DPTR.AINC DPTRMOV A,R0ADD A,#12HMOVX A.A+PCMOVX DPTR,AACLL DL1INC ROMOV AfR3ACC.5,LD1RL AMOV R3.AAJMP LDOLDl：RETDSEG：DB3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DHDSEG1：DB751、DH,07H,7FH,6FH,77H,7CHDSEG2：DB39H,5EH,79H,71H,73H,3EHDSEG3：DB31H,61H,1CH,23H,40H,03HDSEG4：DB18H,OOH,OOH,OOHDL1：MOVR7,#02HDWDL：MOVR6,#OFFHDL6：DJNZR6,DL6DJNZ R7. DLRET光敏采集实现程序ftinclude ,rioCC2530. h,r #include stringhtypedef signed short intl6；typedef unsigned shortuintl6；typedef unsignedchar uchar；ty52、pedef unsigned intuint；char TxData2:存储发送字符串uintl6 LightLevel；uintl6 myApp ReadLightLevel ( void ):* 名 称：InitUart()*功 能：串口初始化函数*入口参数：无*岀口参数：无*void InitUart(void)PERCFG = 0x00；口位置1POSEL = 0x0c；P2DIR &= OXCO；UOCSR
= 0x80；UOGCR
= 11；UOBAUD
= 216；UTXOIF = 0；/外设控制寄存器USART 0的IO位置：0为PO/P0_2,P0_3用作串口 （外设功53、能）/P0优先作为UARTO/设置为UART方式波特率设为115200/UARTO TX中断标志初始置位0/* 名称：UartSendStringO*功能：串口发送函数*入口参数：Data：发送缓冲区 len：发送长度*出口参数：无* * *:*:*:*:*:*:*:*:*:*:*:*:*:*void UartSendString(char *Data, int len)uint i；for (i=0； ilen； i+)UODBUF = *Data+； while(UTX0IF = 0)；UTXOIF = 0；,* 名 称：DelayMSO*功 能：以毫秒为单位延时16M时约为535,32M时要调整，系统时钟不修改 默认为16M*入口参数：msec延时参数，值越大延时越久*出口参数：无*/void De}

1、Advance technologies; Automate the world.数据采集基础知识数据采集基础知识张斌张斌北京凌华技术支持部北京凌华技术支持部http:/http:/Advance technologies; Automate the world.内容大纲内容大纲 信号与系统初步信号与系统初步 基本定义基本定义 A/D D/A DIO Timer/CounterAdvance technologies; Automate the world.信号与系统初步信号与系统初步 一个典型的系统：一个典型的系统：模拟输入模拟输入采样采样/量化量化1101数字输入数字输入数字信号数字信号处2、理处理1101数字输出数字输出模拟重建模拟重建模拟输出模拟输出Advance technologies; Automate the world.信号与系统初步信号与系统初步 ( (续续) ) 信号的分类：信号的分类：信息信息状态状态速率速率幅值幅值形状形状频率频率onofft1-0-t0.985ttf信号信号模拟量模拟量数字量数字量开开/关信号关信号脉冲队列脉冲队列直流信号直流信号时域信号时域信号频域信号频域信号Advance technologies; Automate the world.信号与系统初步信号与系统初步 ( (续续) ) 数数字字信信号号onofft1-0-t开关信号开关信号3、输入：输入：检测一个开关的打开检测一个开关的打开/闭合闭合输出：输出：打开打开/关闭一个阀门关闭一个阀门驱动能力驱动能力通道数通道数脉冲队列脉冲队列输入：输入：读光编码器的输出信号读光编码器的输出信号输出：输出：产生一个方波产生一个方波时钟频率时钟频率对采集卡的要求对采集卡的要求Advance technologies; Automate the world.信号与系统初步信号与系统初步 ( (续续) ) 模模拟拟信信号号电压信号电压信号温度温度压力压力流量流量应力应力DC精度精度频域信号频域信号振动振动语音语音声呐声呐分辨率分辨率采样频率采样频率精度精度触发触发对采集卡的要求对采集卡的要求时4、域信号时域信号雷达回波雷达回波血压变化血压变化汽车点火波形汽车点火波形分辨率分辨率采样频率采样频率精度精度触发触发0.985ttfAdvance technologies; Automate the world.信号采集信号采集 传感器传感器 信号调理信号调理 放大放大 滤波滤波 信号转换信号转换 将外部信号采入计算机，并加以处理，最后输出将外部信号采入计算机，并加以处理，最后输出Advance technologies; Automate the world.采样频率、抗混频滤波器和样本数采样频率、抗混频滤波器和样本数 奶奎斯特频率：给定采样频率那么能正确显示信号而不奶奎斯特频率：给定采样频5、率那么能正确显示信号而不发生畸变的最大频率。发生畸变的最大频率。 混频：由于采样频率太低而使得还原的信号频率与原信混频：由于采样频率太低而使得还原的信号频率与原信号频率不同，这种畸变称为混频。号频率不同，这种畸变称为混频。 抗混频滤波器：在信号被抗混频滤波器：在信号被A/D转换前让信号经过一个能转换前让信号经过一个能将高于奶奎斯特的信号成分滤除掉的低通滤波器。将高于奶奎斯特的信号成分滤除掉的低通滤波器。 工程实践中按照信号最高频率成分的工程实践中按照信号最高频率成分的510倍进行采样。倍进行采样。Advance technologies; Automate the world.数据采集系统的构6、成数据采集系统的构成A/D转换BUFFER/FIFO驱动程序内存/BUFFER程序显示硬件外触发信号数据采集是否需要板上的BUFFER?数据采集是否需要使用外触发启动、停止或同步？Advance technologies; Automate the world.缓冲和触发缓冲和触发缓冲指计算机中的缓冲指计算机中的BUFFER，板上的不能保存数据。如果所使用，板上的不能保存数据。如果所使用DAQ卡上有卡上有DMA那就直接进入计算机内存了。那就直接进入计算机内存了。在以下几种情况需要使在以下几种情况需要使用用BUFFER: 1.需要采集许多样本，其速率超过显示或处理速度的。需要采集许多样本，其速率7、超过显示或处理速度的。 2.需要连续采集并且同时进行分析和显示数据的。需要连续采集并且同时进行分析和显示数据的。 3.采样周期必须准确均匀通过样本的。采样周期必须准确均匀通过样本的。 在下列情况不适用在下列情况不适用BUFFER: 1.数据短小每秒只采集有限点的。数据短小每秒只采集有限点的。 2.需要缩减存储器开支的。需要缩减存储器开支的。触发可以分为软触发和硬件触发。触发可以分为软触发和硬件触发。1.当用户需要对所有采集操作有明确的控制并且事件定时不需要非常准确的采用软触发。当用户需要对所有采集操作有明确的控制并且事件定时不需要非常准确的采用软触发。2.当采集事件需要定时非常准确、用户削减软8、件开支或采集事件需要与外部装置同步时当采集事件需要定时非常准确、用户削减软件开支或采集事件需要与外部装置同步时可以考虑采用硬件触发。可以考虑采用硬件触发。Advance technologies; Automate the world.典型物理量的经验采样周期典型物理量的经验采样周期被测物理量被测物理量采样周期（秒）采样周期（秒）流量流量1-2压力压力3-5液位液位6-8温度温度10-15成分成分15-20Advance technologies; Automate the world.采样技术采样技术 常规采样：变化缓慢信号常规采样：变化缓慢信号 间歇采样：高速数据采集间歇采样：高速数据采集9、 变频采样：得明确信号随时间变化的关系变频采样：得明确信号随时间变化的关系 下采样：即带通采样，适合于当被采集信号中最低频率下采样：即带通采样，适合于当被采集信号中最低频率大于最高频率一半时，可以采用。大于最高频率一半时，可以采用。Advance technologies; Automate the world.模拟信号的采样方式模拟信号的采样方式 无条件采样：无条件采样：A/D转换时刻准备好的情况。包含定时采转换时刻准备好的情况。包含定时采样和变步长采样。便于信号显示。无需控制信号介入。样和变步长采样。便于信号显示。无需控制信号介入。 条件采样：程序查询、中断控制方式。条件采样：程序查询、中10、断控制方式。 中断方式：不适合信号源多的情况，适合一两个特别重中断方式：不适合信号源多的情况，适合一两个特别重要信号不许错过的情况。要信号不许错过的情况。 查询方式：能够等待或一个系统只是实现采集信号时可查询方式：能够等待或一个系统只是实现采集信号时可以使用。以使用。 直接存储器存取直接存储器存取DMA：高速数据采集系统。：高速数据采集系统。Advance technologies; Automate the world.多路开关多路开关电子式的多路开关可以分为双极型晶体管、场效应管开关、集成电路开关电子式的多路开关可以分为双极型晶体管、场效应管开关、集成电路开关三种。第一种开关速度快但漏电流11、大、开路电阻小如果信号源内阻大转换三种。第一种开关速度快但漏电流大、开路电阻小如果信号源内阻大转换精度不高。把场效应管开关和计数器、译码器、控制电路做成一片就是集精度不高。把场效应管开关和计数器、译码器、控制电路做成一片就是集成多路开关。成多路开关。集成的多路开关有带译码的和不带译码的。有一对多的，也有既可一对多集成的多路开关有带译码的和不带译码的。有一对多的，也有既可一对多也可多对一的。其中也可多对一的。其中AD7501、AD7502、AD7503是多对一的，而是多对一的，而CD4501/CD4502则属于后者。则属于后者。多路开关配置时有单端接法和双端接法。当信号源信噪比小时采用后者，多路12、开关配置时有单端接法和双端接法。当信号源信噪比小时采用后者，注意前者是将所有输入信号均参考一个公共地，即各信号噪声一样，否则注意前者是将所有输入信号均参考一个公共地，即各信号噪声一样，否则引入差模干扰。引入差模干扰。多路开关从一个通道切换到另一个通道时，建议软件延时，以防转换时的多路开关从一个通道切换到另一个通道时，建议软件延时，以防转换时的瞬变尖峰电压。即消抖。瞬变尖峰电压。即消抖。多路开关可以扩展使用以增加通道数目。多路开关可以扩展使用以增加通道数目。在自动数据采集中，应选用在自动数据采集中，应选用“先断后通先断后通”的多路开关。否则，就会的多路开关。否则，就会发生两个通道短接的现象，严重13、时会损坏信号源或多路开关自身。发生两个通道短接的现象，严重时会损坏信号源或多路开关自身。Advance technologies; Automate the world.PC BasedPC Based信号采集系统信号采集系统Advance technologies; Automate the world.PC BasePC Base数据采集系统功能数据采集系统功能 A/D转换（模拟量转换（模拟量/数字量转换）数字量转换） D/A转换（数字量转换（数字量/模拟量转换）模拟量转换） DIO（数字量输入（数字量输入/输出）输出） Timer/Counter（定时器（定时器/计数器）计数器）Adva14、nce technologies; Automate the world.基本定义基本定义 A/D：模拟量模拟量-数字量转换数字量转换 把外部电压信号转成计算机能够识别的数字信号把外部电压信号转成计算机能够识别的数字信号 采样频率采样频率 Max Sampling Rate (S/s), Sampling Frequency (Hz) 精度精度(Resolution)：8bit 12bit 14bit 16bit 输入范围输入范围(Input Range)(增益增益)： 同步采样同步采样(Simultaneous analog input) 轮询采样轮询采样(Multiplex analog 15、input) 突发模式采样突发模式采样(Burst mode) 触发模式触发模式(Trigger mode) 隔离隔离(Isolation) FIFO Advance technologies; Automate the world.A/DA/D转换过程转换过程A/D转换器转换器模拟量输入模拟量输入A/D转换时钟转换时钟数字量输出数字量输出Advance technologies; Automate the world.A/DA/D转换过程转换过程- -多路切换卡多路切换卡多多路路选选择择+_A/D转换器转换器模拟模拟信号信号A/D 触发信号触发信号数据数据缓冲区缓冲区n1. 信号源控制信号源16、控制 通道数通道数 信号类型信号类型 (SE/DI) 信号范围信号范围 自动通道扫描自动通道扫描2. 触发源控制触发源控制 触发信号源触发信号源 采样频率采样频率3. A/D 数据缓冲区数据缓冲区 数据寄存器数据寄存器 FIFO 缓冲区缓冲区AT 总线或总线或 PCI 总线总线内存内存(Buffer)4. 数据传输数据传输 I/O 指令指令 DMA 总线主控总线主控中断信号中断信号CPU5. 中断信号控制中断信号控制6. A/D 分辨率与数据格式分辨率与数据格式 数据位数数据位数 二进制代码或补码二进制代码或补码 单极性或双极性单极性或双极性7. 隔离与隔离与非隔离非隔离Advance tec17、hnologies; Automate the world.A/D转换的过程-同步板卡模拟模拟信号信号 A/D触发信号触发信号数据数据缓冲区缓冲区+_A/D转换器转换器nPCI总线总线内存内存(Buffer)CPU+_A/D转换器转换器n+_A/D转换器转换器n模拟模拟信号信号模拟模拟信号信号Advance technologies; Automate the world.A/DA/D基本定义基本定义 信号的频率信号的频率 代表信号变化快慢的物理量代表信号变化快慢的物理量 任何一种信号都可以转换成一组正弦波的迭加任何一种信号都可以转换成一组正弦波的迭加 不同的信号频率不同：不同的信号频率不同：18、 语音：语音：4kHz 音乐：音乐：=2*fmax fs ：采样频率采样频率 fmax ：信号最高频率信号最高频率 一般最小为一般最小为fs=2.5*fmax 工程上一般取为工程上一般取为fs=68*fmax 采样定律的特例采样定律的特例 等效时间采样等效时间采样Advance technologies; Automate the world.A/DA/D基本定义基本定义足够的采样率下的采样结果足够的采样率下的采样结果 过低采样率下的采样结果过低采样率下的采样结果 Advance technologies; Automate the world.A/DA/D基本定义基本定义 能够正确显示信号而19、不发生畸变的最大频率叫做能够正确显示信号而不发生畸变的最大频率叫做Nyquist频率，它是采样频率的一半频率，它是采样频率的一半 信号中所包含的频率高于信号中所包含的频率高于Nyquist频率的成分，将在直频率的成分，将在直流和流和Nyquist频率之间发生畸变，称为混叠（频率之间发生畸变，称为混叠（alias） 混频偏差（混频偏差（alias frequency） ABS（采样频率的最（采样频率的最近整数倍输入频率）近整数倍输入频率） 解决方案解决方案 在在A/D前加入低通滤波器，将信号中高于前加入低通滤波器，将信号中高于Nyquist频率的信号成分滤去频率的信号成分滤去 称为称为抗混叠滤波20、器抗混叠滤波器Advance technologies; Automate the world.A/DA/D基本定义基本定义 采样频率的控制采样频率的控制 Soft Polling（内部软件触发，通过（内部软件触发，通过I/O指令实现）指令实现） Timer Pacer（由（由8254定时器芯片分频产生的内部定速时钟）定时器芯片分频产生的内部定速时钟） 例如：频率例如：频率 = 2MHz 时钟时钟 /（C1*C2）（）（这里的这里的C1与与C2是是16位定时器的分位定时器的分频系数）频系数） External CLK / Trig（外部时钟）（外部时钟） 三种方式的特点三种方式的特点 软件触发21、最为简单、易用，但无法精确控制采样时序，适用于对时序软件触发最为简单、易用，但无法精确控制采样时序，适用于对时序要求不甚严格的场合，如采集要求不甚严格的场合，如采集DC信号信号 内部时钟能够精确控制采样时序，但无法保证与外部信号严格同步，内部时钟能够精确控制采样时序，但无法保证与外部信号严格同步，但一般应用（无论时域还是频域）均能够满足要求但一般应用（无论时域还是频域）均能够满足要求 外部时钟最为灵活，能够满足特殊应用的需求外部时钟最为灵活，能够满足特殊应用的需求 CLK与与TriggerAdvance technologies; Automate the world.A/DA/D基本定义基本22、定义 Trigger（触发）：启动、停止或同步采集事件的方法（触发）：启动、停止或同步采集事件的方法MNN延时触发延时触发预触发预触发中触发中触发后触发后触发模拟触发模拟触发数字触发数字触发上升沿触发上升沿触发MNN下降沿触发下降沿触发正沿触发正沿触发负沿触发负沿触发触发触发事件事件Advance technologies; Automate the world.A/DA/D基本定义基本定义 下列情况适用软件触发模式（下列情况适用软件触发模式（Software Trigger，非，非Soft Polling） 用户需要对所有采集事件进行明确控制用户需要对所有采集事件进行明确控制 时间要求不甚严23、格时间要求不甚严格 下列情况适用硬件触发模式下列情况适用硬件触发模式 采集事件需要与外部装置严格同步采集事件需要与外部装置严格同步 高速、瞬态采集事件高速、瞬态采集事件Advance technologies; Automate the world.A/DA/D基本定义基本定义 多通道采样多通道采样 同步采样同步采样 采用多个采用多个A/D芯片，不同通道采用同一时钟芯片，不同通道采用同一时钟 保证不同通道的采样时间相同（信号同步）保证不同通道的采样时间相同（信号同步） 轮询采样轮询采样 只采用一个只采用一个A/D芯片，通过多路转换开关实现不同通道的切芯片，通过多路转换开关实现不同通道的切换换 24、通道转换时间通道转换时间 可以通过外加采样可以通过外加采样/保持电路保证采样的同步保持电路保证采样的同步 突发模式采样突发模式采样 用通道时钟控制通道间的时间间隔用通道时钟控制通道间的时间间隔 用另一个扫描时钟控制两次扫描过程之间的间隔用另一个扫描时钟控制两次扫描过程之间的间隔Advance technologies; Automate the world.A/DA/D基本定义基本定义 信号类型信号类型 从信号端来讲，信号分为从信号端来讲，信号分为 接地信号接地信号 浮空信号浮空信号 从信号输入端来讲，输入方式分为从信号输入端来讲，输入方式分为 差分输入（差分输入（DI） 参考地单端输入（参考25、地单端输入（RSE） 无参考地单端输入（无参考地单端输入（NRSE） 一般来讲，浮空信号和差分输入方式比较好。但要看具体情况而定。一般来讲，浮空信号和差分输入方式比较好。但要看具体情况而定。接地信号接地信号浮空信号浮空信号DI适合适合适合适合RSE不适合不适合适合适合NRSE适合适合适合适合Advance technologies; Automate the world.A/DA/D基本定义基本定义 接地信号的测量接地信号的测量 最好采用差分或最好采用差分或NRSE方式方式 若采用若采用RSE方式，会引入较大误差方式，会引入较大误差 接地回路通常会在测量数据中引入频率为电源频率的交流和偏置接地26、回路通常会在测量数据中引入频率为电源频率的交流和偏置直流干扰直流干扰 如果信号电压很高并且信号源和数据采集卡之间的连接阻抗很小，如果信号电压很高并且信号源和数据采集卡之间的连接阻抗很小，也可以采用也可以采用RSE输入方式输入方式Advance technologies; Automate the world.A/DA/D基本定义基本定义 浮空信号的测量浮空信号的测量 可以用差分、可以用差分、RSE、NRSE方式测量浮空信号方式测量浮空信号 在差分输入时，必须保证相对于测量地的信号共模电压在允许范围在差分输入时，必须保证相对于测量地的信号共模电压在允许范围之内之内 需在测量端与测量地之间连接偏置27、电阻需在测量端与测量地之间连接偏置电阻 10K ohmR1=R21V 连线比较短，一般连线比较短，一般5m 环境干扰很小或信号屏蔽比较好环境干扰很小或信号屏蔽比较好 所有输入信号都与信号源共地所有输入信号都与信号源共地 否则建议选用差分输入方式否则建议选用差分输入方式 总体而言，差分输入方式是比较好的选择总体而言，差分输入方式是比较好的选择Advance technologies; Automate the world.A/DA/D基本定义基本定义 输入范围与增益输入范围与增益 输入信号的幅度输入信号的幅度 / 输入信号的放大倍数输入信号的放大倍数 单极性与双极性单极性与双极性 双极性：双极性28、： e.x. -10V +10V (20V范围范围) 单极性：单极性： e.x. 0V+5V (5V范围范围) 跳线设置或编程设置跳线设置或编程设置 可编程增益可编程增益 对于大信号应用：对于大信号应用： 普通增益（普通增益（1,2,4,8） 对于小信号应用：对于小信号应用： 高增益（高增益（1,10,100,1000） 例如：输入电压范围：例如：输入电压范围： +/-10V, 普通增益普通增益 可选择的输入电压范围：可选择的输入电压范围：+/-10V, +/-5V, +/-2.5V, +/-1.25V0V-10V+10V+5VAdvance technologies; Automate th29、e world.A/DA/D基本定义基本定义 采样精度采样精度/分辨率：分辨率：Accuracy / Resolution 采样数据最低位所代表的模拟量的值采样数据最低位所代表的模拟量的值 Nbit: 8bit / 12bit / 16bit 电压表示：输入范围电压表示：输入范围/2n 用户关心的最小可测电压值用户关心的最小可测电压值 举例：假如举例：假如10V的输入信号用的输入信号用12位数据来表示，则最小可分辨的电压位数据来表示，则最小可分辨的电压为为10/212=0.224mV 振幅振幅分辨率分辨率时间时间02010012014040608010.008.757.506.255.003.30、752.501.250111110100011010001000Advance technologies; Automate the world.A/DA/D基本定义基本定义 A/D数据格式数据格式 二进制原码二进制原码 二进制循环码二进制循环码A/D Data (Hex)Decimal ValueVoltage (Volts)7FFF+32767+10.000004000+16384 +5.0001500011 +0.0003100000 0.00000FFFF-1 -0.00031C000-16384 -5.000158001-32767-10.000008000-32768-10.00031、31A/DData(Hex)Decimal ValueVoltage (Volts)FFF4095+10.000C003072 +5.0018012049 +0.0058002048 0.0007FF2047 -0.0054001024 -5.0010011-10.0000000-10.005实例实例 2: 12 位位, 双极性输入双极性输入二进制原码格式二进制原码格式实例实例1: 16 位位, 双极性输入双极性输入 二进制循环码格式二进制循环码格式Advance technologies; Automate the world.A/DA/D基本定义基本定义 隔离隔离 模拟光隔与数字光隔模拟光32、隔与数字光隔 A/D的隔离一般隔离数字信号的隔离一般隔离数字信号 隔离电压隔离电压 隔离的作用隔离的作用 保护计算机保护计算机 降低噪声降低噪声模拟信号模拟信号数字信号数字信号Advance technologies; Automate the world.A/DA/D基本定义基本定义 FIFO 先进先出存储器先进先出存储器 First In First Out 用于用于A/D转换数据缓存作用转换数据缓存作用 PCI总线的传输速率大于总线的传输速率大于A/D转换速率，转换速率，FIFO正常情况下是空的正常情况下是空的 利用利用Bus Mastering DMA，最多可以单次最多可以单次DMA 33、64MB，并不受限于并不受限于FIFO大小大小Advance technologies; Automate the world.A/DA/D基本定义基本定义 数据采集卡的中断系统数据采集卡的中断系统 ISA总线采集卡通过跳线选择总线采集卡通过跳线选择IRQ 中断源可选择中断源可选择AT Businterrupt linesExternal Interrupt EOC InterruptTimer InterruptFIFO Half-Full Int.DMA Terminal CountProgrammableMultiplexerDMA Enable SignalCPUJumperACL-834、316/12的中断系统的中断系统Most of the ISA AD cards only use the EOC interrupt Advance technologies; Automate the world.A/DA/D基本定义基本定义 数据采集卡的中断系统数据采集卡的中断系统 PCI总线采集卡由总线采集卡由PCI BIOS自动分配自动分配IRQ 多块多块PCI卡可共享同一中断卡可共享同一中断 对于对于PCI总线采集卡，软件设计时必须考虑中断共享总线采集卡，软件设计时必须考虑中断共享 中断共享的实现中断共享的实现PCIControllerINT #Aof PCI BusIRQFlip35、-FlopsINT1Clear IRQ INT1MUXAD EOCINT2MUXTimer Pacer FIFO Half-fullExternal IRQINT2PCI-9111的中断系统的中断系统Advance technologies; Automate the world.A/DA/D基本定义基本定义 数据传输数据传输 Software Polling EOC INT FIFO Half Full INT DMA Bus Mastering DMA Scatter Gather DMAA/D Data RegisterISA Bus or PCI BusFIFO Buffer1. in36、port instruction2. DMA controller3. PCI Bus-masterTransfer Data tomemory by:FIFO enableInterrupt GenerationSysteminterrupt lineEnd of ConversionFIFO Half-FullAdvance technologies; Automate the world.Scatter/Gather DMAScatter/Gather DMAPCI BusControllerCPUTimerLogicA/DD/AData FIFOFragmented Physical 37、MemoryGatheringScatter memoryRetrieves DataAdvance technologies; Automate the world.A/DA/D基本定义基本定义 连续采样的实现连续采样的实现 Double Buffer DMAAdvance technologies; Automate the world.A/DA/D数据采集应用数据采集应用 对于不支持总线主控的采集卡。如何在对于不支持总线主控的采集卡。如何在Windows下应下应用用 Slave的的PCI卡不支持卡不支持DMA，只有中断；，只有中断；ISA卡的卡的DMA也要通过中断也要通过中断 Windo38、ws对中断的响应有延时对中断的响应有延时 使用使用 FIFO 缓冲区来消除缓冲区来消除Windows延时的影响，延时的影响， 但数据不能进行但数据不能进行“实实时时”处理处理 FIFO 可以存储至少可以存储至少10 ms的模拟信号数据的模拟信号数据 1024 1 / 100 KHz = 10.24 ms A/D 数据传输方法数据传输方法 使用使用FIFO 半满标志位来产生一个中断，半满标志位来产生一个中断， 然后在中断服务程序中读取然后在中断服务程序中读取 A/D数据数据 FIFO 数据查询也是可以的，数据查询也是可以的， 而中断则被保留起来用作紧急事件触发源或而中断则被保留起来用作紧急事件触39、发源或看门狗定时器触发源看门狗定时器触发源Advance technologies; Automate the world.A/DA/D数据采集应用数据采集应用 如何对数据实时处理如何对数据实时处理 DMA：高速，基本可满足不太严格的实时处理要求：高速，基本可满足不太严格的实时处理要求 严格严格“实时实时”，内时钟触发，内时钟触发 EOC中断中断 实时操作系统（或实时操作系统（或DOS） 用户自行在中断服务程序中处理数据用户自行在中断服务程序中处理数据Advance technologies; Automate the world.D/AD/A基本定义基本定义 D/A：数字量数字量模拟量转换模40、拟量转换 将计算机内部数字量信号转成外部电压将计算机内部数字量信号转成外部电压 建立时间建立时间(Setting Time)：指变化量为满刻度时，达到终值：指变化量为满刻度时，达到终值1/2LSB时时所需的时间所需的时间 更新频率更新频率/采样频率采样频率 (Max Data Update Rate) 精度精度(Resolution)：8bit 12bit 14bit 16bit 输出范围输出范围 输出信号类型输出信号类型 电压输出电压输出 电流输出电流输出(Source、Sink) Advance technologies; Automate the world.A/DA/D与与D/AD/A41、测试测试 能否用能否用A/D卡采集脉冲信号？卡采集脉冲信号？ 假如用假如用100K的采集卡采集的采集卡采集75K的信号，会得到什么样的的信号，会得到什么样的结果？结果？ 简要说明简要说明DI、RSE、NRSE的区别？凌华哪些板卡支持的区别？凌华哪些板卡支持NRSE输入？输入？ 用用PCI-9112的的+/-10V进行采样，最小可分辨多少电压？进行采样，最小可分辨多少电压？ 对于对于mV级信号采用高增益的好处是什么？级信号采用高增益的好处是什么？ 什么是什么是FIFO？与？与Double Buffer DMA的的Buffer有何区别？有何区别？ PCI-6208V的的D/A建立时间是建立时间是2微秒，是否可以说其可以微秒，是否可以说其可以用作输出频率用作输出频率500KHz的任意波形发生器}