基于ATmega128L与CC2420的无线传感器网络节点的研究与实现

文章摘要： ATmega128L的工作时钟源可以选取外部晶振、外部RC振荡器、内部RC振荡器、外部时钟源等方式。工作时钟源的选择通过ATmega128L的内部熔丝位来设计，熔丝位可以通过JTAG编程、ISP编程等方式设置。本设计中ATmega128L采用两个外部晶振：7.3728MHz晶振作为ATmega128L的工作时钟；32.768kHz晶振作为实时时钟源。 数据存储电路 由于无线传感器节点的通信模块传输能力有限，加上节点工作的占空比非常小，很多数据不能实时转发出去，所以需要有一个可管理的存储器存储这些数据，暂存自己采集的或需要转发的其他节点采集来的数据。本设计选用

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     　ATmega128L的工作时钟源可以选取外部晶振、外部RC振荡器、内部RC振荡器、外部时钟源等方式。工作时钟源的选择通过ATmega128L的内部熔丝位来设计，熔丝位可以通过JTAG编程、ISP编程等方式设置。本设计中ATmega128L采用两个外部晶振：7.3728MHz晶振作为ATmega128L的工作时钟；32.768kHz晶振作为实时时钟源。

    数据存储电路
    　由于无线传感器节点的通信模块传输能力有限，加上节点工作的占空比非常小，很多数据不能实时转发出去，所以需要有一个可管理的存储器存储这些数据，暂存自己采集的或需要转发的其他节点采集来的数据。本设计选用512KB串行FLASHAT45DB041存储数据。与普通的数据存储器相比，该芯片具有功耗低、体积小、串行接口、外部电路简单等特点，适合传感器节点使用。数据存储电路示意图如图3所示。

   
   

    无线通信模块
    　无线通信模块采用无线射频CC2420模块。它是Chipcon公司在2003年底推出的一款兼容2.4GHz IEEE802.15.4标准的无线收发模块，基于Chipcon公司的SmartRF03技术，使用CMOS工艺生产，工作电压低、能耗低、体积小，具有输出强度和收发频率可编程等特点。该芯片只需晶体振荡器及负载电容、输入/输出匹配元件和电源去耦电容等很少的外部元件即可正常工作，可确保短距离通信的有效性和可靠性，其最大收发速率为250kbps。

     　CC2420有33个16位配置寄存器、15个命令选通寄存器、1个128字节的发送FIFO缓存区、1个128字节的接收FIFO缓存区、1个112字节的安全信息存储器。CC2420与处理器的连接比较简便，它使用SFD、FIFO、FIFOP和CCA四个引脚表示收发数据的状态；处理器通过SPI接口(CSn、SO、SI、SCLK)与CC2420交换数据、发送命令，使用RESETn引脚复位芯片，使用VREG_EN引脚使能CC2420的电压调整器，使其产生CC2420所需要1.8V电压，从而使CC2420进入正常工作的状态；CC2420通过单极天线或PCB天线进行通信。其模块示意图如图4所示。
    
   
    
     　CC2420需要16MHz的参考时钟用于数据的收发。参考时钟可以来自外部时钟源，也可以由内部晶体振荡器产生。如果使用外部时钟，直接从XOSC16_Q1引脚输入，XOSC16_Q2脚悬空；如果使用内部晶体振荡器，晶振接在XOSC16_Q1、XOSC16_Q2引脚之间。晶振起振需对CC2420选通命令寄存器SXOSCON使能。

    电源管理模块
    　电能是传感器网络非常宝贵的资源，为了保证硬件电路的低功耗设计，节点芯片的选择均使用低功耗、低电压工作的芯片。系统采用普通电池或可充电锂离子电池工作，电源管理芯片采用AD公司的ADP3338-3.3，SOT-223封装。

    充电及状态显示模块
    　在有条件对节点进行充电时，节点使用锂离子电池工作，可利用充电模块为节点进行电能补充，从而确保节点工作的连续性，避免了节点因更换电池造成的工作中断。充电模块使用达拉斯公司的DS2770和电池保护芯片DS2720设计，具有充电控制、电源控制、电量计数、电池保护等功能。处理器与DS2770用一线接口来传递信息，并需外接一个约4.7k!的上拉电阻。充电模块示意图如图5。LCD显示模块采用LCM6432ZK液晶显示器，通过串行接口和主MCU连接，用于系统工作状态信息、充电进程、电池电量等状态的显示。节点硬件留有LCD接口，在需要显示时可方便接插LCD显示模块。

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