无线传感器网络节点传感器标准化接口电路

摘要

本发明涉及一种无线传感器网络节点传感器标准化接口电路。现有无线传感器网络节点的各种传感器接口各不相同，导致每增加一种传感器的使用，都需要对节点的软硬件进行再次开发。本发明包括微控制器、节点标准化接口、I2C总线缓冲器电路、多路信号选择器电路、SPI扩展成4路UART电路、多路UART总线缓冲电路、多路模拟传感器信号采集接口电路、SPI/I2C复用接口、传感器UART接口和拨码开关电路。微控制器通过拨码开关电路为传感器提供控制信号。本发明简化了节点用于组网的设计与开发。

说明书

技术领域

本发明属于电子技术领域，涉及一种电路，具体是一种无线传感器网络节点传感器标准化接口电路。

背景技术

现有无线传感器网络节点的各种传感器接口各不相同，导致每增加一种传感器的使用，都需要对节点的软硬件进行再次开发。节点硬件需要针对新的传感器接口进行针对性设计，同时还要对相应的传感器硬件驱动程序进行重新设计。而无线传感器网络节点需要运行TinyOS操作系统，这就要求研究开发人员既要懂TinyOS操作系统，又要懂单片机硬件驱动编程，这增加了编程的难度，效率也低，不利于整个系统的团队专业化分工合作。而且节点的传感器接口并没有标准化，不同厂商提供的接口不同，这也给节点程序的开发增加了一定的难度。另外，现有节点一般同时只能接一个数字信号输出的传感器板和几个模拟信号输出的传感器板。而随着大规模集成电路的迅速发展，现在的许多传感器将信号采集和处理电路集成在一块芯片上，最终产生数字信号输出，所以对于这些传感器来说，节点同时只能接一个，这就有很大的局限性。现有的两节AA电池供电的无线传感器网络节点，电源最大为3V，其传感器接口的数字输入信号一般也只能接受最大3V的数字信号，否则会容易损坏电路，而现在很多传感器板提供的还是5V输出的数字信号，这就会给两者的直接连接造成问题，需要对信号进行转换才能进行互连。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供了一种无线传感器网络节点传感器标准化接口电路。

为解决上述技术问题，本发明所采取的具体技术方案是：

包括微控制器、节点标准化接口、I2C总线缓冲器电路、多路信号选择器电路、SPI扩展成4路UART电路、多路UART总线缓冲电路、多路模拟传感器信号采集接口电路、SPI/I2C复用接口、传感器UART接口和拨码开关电路。

微控制器采用TI公司的型号为MSP430F1611的芯片，用于传感器信号的采集与处理，并将处理结果的数据格式标准化；

节点标准化接口中的数据发送端与微控制器的数据发送端信号连接，节点标准化接口中的数据接收端与微控制器的数据接收端信号连接；

I2C总线缓冲器电路采用NXP公司的型号为P82B96的芯片，该芯片的Ry引脚和Ty引脚并联并与微控制器的P3.1/SIMO0/SDA引脚相连，该芯片的Rx引脚和Tx引脚并联并与微控制器的P3.3/UCLK0/SCL引脚相连；该芯片的SDA引脚与SPI/I2C复用接口中的SIMO/SDA端连接，该芯片的SCL引脚与SPI/I2C复用接口中的UCLK/SCL端连接；

多路信号选择器电路采用TI公司的型号为SN74LVC257A的芯片，该芯片的第一个输出端与微控制器中的P3.2/SOMI0引脚连接，第二个输出端与SPI/I2C复用接口中的/SCS端连接，第三个输出端与微控制器中的第一个GPIO引脚连接；该芯片的A输入端的第一个引脚与SPI/I2C复用接口中的SOMI端连接，A输入端的第二个引脚与微控制器中的第二个GPIO引脚连接，A输入端的第三个引脚与SPI/I2C复用接口中的/IRQ端连接；该芯片的B输入端的第一个引脚同时与SPI扩展成4路UART电路中U4和U5的DOUT引脚连接，该芯片的B输入端的第二个引脚和第三个引脚与电源连接；该芯片的选择输入端Sel与微控制器中的第三个GPIO引脚连接；

SPI扩展成4路UART电路由芯片U4和芯片U5组成，U4和U5均采用EXAR公司的型号为XR20M1172的芯片，U4和U5的DIN引脚同时与微控制器中的P3.1/SIMO0/SDA引脚连接，U4和U5的SCLK引脚同时与微控制器中的P3.3/UCLK0/SCL引脚连接，U4和U5的DIN引脚同时与微控制器中的P3.1/SIMO0/SDA引脚连接；U4的/CS引脚与微控制器中的第四个GPIO引脚，U4的/IRQ引脚与微控制器中的第五个GPIO引脚；U5的/CS引脚与微控制器中的第六个GPIO引脚，U5的/IRQ引脚与微控制器中的第七个GPIO引脚；

U4的RXA引脚与多路UART总线缓冲电路的第一个输出引脚连接，U4的TXA引脚与多路UART总线缓冲电路的第二个输入引脚连接；U4的RXB引脚与多路UART总线缓冲电路的第三个输出引脚连接，U4的TXB引脚与多路UART总线缓冲电路的第四个输入引脚连接；U5的RXA引脚与多路UART总线缓冲电路的第五个输出引脚连接，U5的TXA引脚与多路UART总线缓冲电路的第六个输入引脚连接；U5的RXB引脚与多路UART总线缓冲电路的第七个输出引脚连接，U5的TXB引脚与多路UART总线缓冲电路的第八个输入引脚连接；

多路UART总线缓冲电路采用TI公司的型号为SN74LVC244A的芯片，该芯片的第一个输入引脚与传感器UART接口中的RXD1端连接，第二个输出引脚与传感器UART接口中的TXD1端连接；第三个输入引脚与传感器UART接口中的RXD2端连接，第四个输出引脚与传感器UART接口中的TXD2端连接；第五个输入引脚与传感器UART接口中的RXD3端连接，第六个输出引脚与传感器UART接口中的TXD4端连接；第七个输入引脚与传感器UART接口中的RXD4端连接，第八个输出引脚与传感器UART接口中的TXD4端连接；

多路模拟传感器信号采集接口电路包括连接器CON0、连接器CON1、连接器CON2、连接器CON3、连接器CON4、连接器CON5、电阻器Res0、电阻器Res1、电阻器Res2、电阻器Res3、电阻器Res4和电阻器Res5；连接器CON0的Ain0端、电阻器Res0的一端与微控制器中的A0引脚连接，电阻器Res0的另一端与连接器CON0的GND端连接；连接器CON1的Ain1端、电阻器Res1的一端与微控制器中的A1引脚连接，电阻器Res1的另一端与连接器CON1的GND端连接；连接器CON2的Ain2端、电阻器Res2的一端与微控制器中的A2引脚连接，电阻器Res2的另一端与连接器CON2的GND端连接；连接器CON3的Ain3端、电阻器Res3的一端与微控制器中的A3引脚连接，电阻器Res3的另一端与连接器CON3的GND端连接；连接器CON4的Ain4端、电阻器Res4的一端与微控制器中的A4引脚连接，电阻器Res4的另一端与连接器CON4的GND端连接；连接器CON5的Ain5端、电阻器Res5的一端与微控制器中的A5引脚连接，电阻器Res5的另一端与连接器CON5的GND端连接；

SPI/I2C复用接口为连接器CON_D5；传感器UART接口包括连接器CON_D1、连接器CON_D2、连接器CON_D3、连接器CON_D4；

拨码开关电路包括拨码开关S1、拨码开关S2、电阻器R6和电阻器R7组成；拨码开关S1的一端、电阻器R6的一端与微控制器中的第八个GPIO引脚连接，拨码开关S1的另一端接地，电阻器R6的另一端接电源；拨码开关S2的一端、电阻器R7的一端与微控制器中的第九个GPIO引脚连接，拨码开关S2的另一端接地，电阻器R7的另一端接电源；

本发明所具有的有益效果是：

(1)将无线传感器网络节点的传感器接口部分分离出来，节点只剩下一个标准化的UART接口，简化了节点用于组网的程序设计与开发。这样研究传感器网络的研究设计人员不需要了解传感器硬件，只需要专注于节点操作系统TinyOS的程序设计开发便可。所有跟传感器硬件相关的工作都由传感器标准化接口电路来完成，而在标准化接口电路上的MCU不需要运行操作系统，在上面进行程序设计开发的研究设计人员则不需要理解操作系统TinyOS的使用。这样的方法便于更专业化的分工合作，提高效率并增强整个系统的团队协作能力；

(2)将连接节点的接口统一为UART接口，标准化接口电路上的单片机将所有的传感器信号进行处理后，将处理结果组织为标准的数据结构，通过UART口发送给节点，这样节点程序开发人员只需要理解这个数据结构便可，不需要了解传感器标准化接口电路的任何硬件，简化了节点程序的开发过程；

(3)传感器接口部分设计了多个数字信号接口和多个模拟信号接口，可同时接多个数字信号输出的传感器板和多个电压或电流输出的模拟信号传感器板，传感器数字信号接口包括SPI、I2C和UART三种总线格式；

(4)传感器接口的数字部分完全可耐压5V，跟5V数字系统互连没有任何问题；

(5)微控制器对采集的信号进行调理，可实现传感器信号类型及量程自动化；

(6)具有很低的功耗、供电电压范围也比较宽，适用于两节AA电池供电的WSN节点。

附图说明

图1为本发明的电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

无线传感器网络节点传感器标准化接口电路包括微控制器、节点标准化接口、I2C总线缓冲器电路、多路信号选择器电路、SPI扩展成4路UART电路、多路UART总线缓冲电路、多路模拟传感器信号采集接口电路、SPI/I2C复用接口、传感器UART接口和拨码开关电路。

主要的信号连接如图1所示。主要的电路功能描述如下：

微控制器为图中的U1，该微控制器采用TI公司的型号为MSP430F1611的芯片，用于传感器信号的采集与处理，并将处理结果的数据格式标准化；

节点标准化接口为图中的连接器CON_D0，MSP430F1611的TXD和RXD引脚连接到该标准化接口，它是节点传感器标准化接口电路与节点通讯的接口，另外VCC和GND为节点向标准化接口电路供电的通路；

I2C总线缓冲器电路为图中的U2，采用NXP公司的型号为P82B96的芯片，它的Ry、Ty引脚与U1的P3.1/SIMO0/SDA引脚相连，Rx、Tx引脚与U1的P3.3/UCLK0/SCL引脚相连，SCL、SDA引脚与连接器CON_D5相连，实现了I2C总线信号的缓冲和3V信号与5V信号电平的转换；

多路信号选择器电路为图中的U3，采用TI公司的型号为SN74LVC257A的芯片，它主要负责将来自连接器CON_D5的SOMI信号和来自芯片U4、U5的DOUT信号分时复用到U1的P3.2/SOMI0引脚，通过U1的一个GPIO引脚来控制信号的选择，这样便可以实现SPI/I2C接口和4个UART口共享微控制器的一个串口；同时将来自微控制器的第二个GPIO引脚的/CSCS信号与来自SPI/I2C复用接口中的/IRQ信号缓冲以实现信号电平转换；

SPI扩展成4路UART电路为图中的U4和U5，采用EXAR公司的型号为XR20M1172的芯片，它们主要负责将微控制器U1的一个SPI接口扩展为4个UART口，其中每个芯片扩展2个UART口，两个芯片一起扩展4个UART口；

多路UART总线缓冲电路为图中的U6，采用TI公司的型号为SN74LVC244A的芯片，它主要负责将4路UART口只能耐压3V的信号经过缓冲器后可以耐压5V；

多路模拟传感器信号采集接口电路由图中U1的AD转换器接口和六个连接器CON0、CON1、CON2、CON3、CON4、CON5及六个电阻器Res0、Res1、Res2、Res3、Res4、Res5构成，实现了对模拟输入信号的采集，其中六个电阻器Res0、Res1、Res2、Res3、Res4、Res5的作用主要是将传感器的电流信号输出转换为电流信号，根据传感器输出的电流信号幅度和U1的AD转换器输入信号电压幅度要求来设置具体的电阻值，如果传感器输出为电压信号，则不需要电阻器；

SPI/I2C复用接口为图中的连接器CON_D5，用于连接数字信号输出且其输出接口为SPI或I2C的传感器；

传感器UART接口为图中的连接器CON_D1、CON_D2、CON_D3、CON_D4，用于连接数字信号输出且其输出接口为UART的传感器；

拨码开关电路为图中由图中的拨码开关S1、S2和电阻器R6、R7组成，产生的两个开关控制信号分别连接到U1的两个GPIO引脚。

如图1所示，连接节点的接口为UART连接器接口，传感器接口部分有1个SPI/I2C复用的连接器接口、4个UART连接器接口和6个模拟信号输入连接器接口。其中SPI/I2C接口跟4个UART接口不能同时工作，所以根据所要连接的传感器板接口信号的类型，来选择拨码开关S1和S2，以告知微控制器U1现在连接的传感器的数字输出接口类型，这样微控制器U1在上电启动后便根据拨码开关S1和S2的位置来配置相应串口的功能并产生相应的控制信号。因为I2C、SPI、UART都共享微控制器U1的一个串口，所以同时所能连接的数字信号输出的传感器接口类型为一个I2C接口或一个SPI接口或1到4个UART接口。另外的6个模拟信号传感器接口跟数字信号传感器接口可以同时使用，模拟信号接口可以同时使用的数目为1到6个。这样总共同时可连接的传感器数目为，4个UART接口加6个模拟信号接口共10个传感器。所有的传感器信号都由微控制器U1来进行信号采集和处理，最终组织为一个标准的数据结构，然后通过跟节点连接的UART口传给节点。