基于ＬＰＣｌ ｌ Ｏ０的温度检测网络节点设计 刘翠玲，付国江，李宁 （武汉理工大学英蓓特嵌入式系统研发中心，武汉４３００７０） 摘要：基于ＮＸＰ公司ＬＰＣ１１００系列处理器设计了一种温度检测网络节点。介绍了网络系统的整个设计方案和温度检 测网络节点的硬件设计，并给出功耗管理、温度传感器和ＺｉｇＢｅｅ三个软件模块的具体软件设计方法。 关键词：ＬＰＣ１１００；功耗；温度传感器；ＬＣＤ；ＣＣ２５００；ＺｉｇＢｅｅ 中图分类号：ＴＰ３６８．１ 文献标识码：Ａ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ｎｏｄｅ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＬＰＣ １ １ ００ Ｌｉｕ Ｃｕｉｌｉｎｇ，Ｆｕ Ｃｕｏｊｉａｎｇ，Ｌｉ Ｎｉｎｇ （ＷｕＨａｎ Ｒ＆Ｄ Ｃｅｎｔｅｒ，Ｅｍｂｅｓｔ Ｉｎｆｏ＆Ｔｅｃｈ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｗｕｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ ４３００７０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｎｅｔｗｏｒｋ ｎｏｄｅ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＮＸＰ ＬＰＣ１ １００ ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ．Ｔｈｅ ｎｅｔｗｏｒｋ ｓｙｓｔｅｍ ｄｅｓｉｇｎ ｓｃｈｅｍｅ ａｎｄ ｎｏｄｅ ｈａｒｄｗａｒｅ ｄｅｓｉｇｎ ａｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｓｏｆｔｗａｒｅ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｍｏｄｕｌｅ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｅｎｓｏｒ ｍｏｄｕｌｅ ａｎｄ ＺｉｇＢｅｅ ｍｏｄｕｌｅ ａｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＬＰＣ１ｉ００；ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｅｎｓｏｒ；ＬＣＤ；ＣＣ２５００；ＺｉｇＢｅｅ 引 言 Ｃｏｒｔｅｘ—Ｍ０是３２位ＡＲＭ处理器中一款低功耗、小 的ＳＰＩ接口的ＣＣ２５００芯片，ＬＣＤ显示屏使用ＬＣＤ１６０２ 字符显示屏幕。整个节点使用电池设备供电，考虑到功耗 的因素，ＬＣＤ屏采用插槽设计，不需要显示的部分．廿点可 体积的处理器。它完美地融合了超低功耗、较高效率和低 以不连接ＬＣＤ。除以上各主要部分外，还有一些可选的 单元，例如ＵＡＲＴ串口、通用Ｉ／０接口的ＬＥＤ、按键、蜂鸣 器ＢＥＥＰ等。 门数等优势，这些特性决定了它适合作为无线传感器网络 节点的处理器。本文介绍一种基于ＬＰＣ１１１４设计一个温 度检测网络节点的方案。 １温度检测系统简介 一３温度检测节点的软件设计 温度检测节点的功能如下： ◆通过设置定时器来定期地检测温度，并在ＬＣＤ上 个温度检测无线网络由若干个温度检测节点组成， 各个温度检测节点之间使用无线传感器通信。所有的温 度检测节点使用ＺｉｇＢｅｅ技术组成一个无线网络。各个节 点的功能包括采集温度，并通过ＺｉｇＢｅｅ网络发送出去。 显示当前的温度值； ◆将检测到的温度值通过ＺｉｇＢｅｅ模块发送出去； ◆当温度过高时，蜂鸣器长鸣一定时间报警； ◆温度检测和发送之外时间，节点处于睡眠模式； ◆定时器每隔１ ｓ将处理器唤醒一次，进行温度检测 本系统采用ＴＩ公司提供的精简版本的ＺｉｇＢｅｅ协议中的 ＳｉｍｐｌｉｃｉＴＩ协议来组建一个星型网络。网络由一个访问接 入节点（ＡＰ）和若干个终端节点（ＥＤ）组成。其中，ＡＰ相 当于全功能设备，负责建立整个网络，并接收ＥＤ端采集 的温度信息。所有温度检测节点都使用电池设备供电。 和传送。 ２温度检测节点的硬件设计 温度检测节点主要由ＬＰＣｌｌ００系列处理器（这里使 用的是ＬＰＣ１１１４）、温度传感器、ＺｉｇＢｅｅ模块、ＬＣＤ显示屏 等组成，如图１所示。温度传感器使用Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｅｍｉｃｏｎ— ｄｕｃｔｏｒ公司的Ｉ。Ｃ接口的ＬＭ７５，ＺｉｇＢｅｅ模块使用ＴＩ公司 图１ 温度检测节点的硬件设计 ｐａｐｅｒ＠ｍｅｓｎｅｔ．ｃｏｍ．ｃｎ（投稿专用） Ｍｉｃｍｃ。ｎｔｒ。１１ｅｒｓ ８Ｌ Ｅｍｂｅｄｄｅｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ ７ ９ 根据这些功能，将整个温度节点的软件划分为如下几 个模块：功耗管理模块、ＬＣＤ模块、温度传感器模块、Ｚｉｇ— Ｂｅｅ模块。 眠模式。为了便于观察，设置一个ＬＥＤ灯闪烁以指示采集 温度的频率。同时，如果检测到温度过高，则使用蜂鸣器报 警。如果连接了液晶屏幕，也可在液晶屏幕上显示温度值。 ｍａｉｎ函数中的主要代码如下： ｉｎｉｔｔｉｍｅｒ１６（（ ）．ＴＩＭＥＩＮＴＥＲＶＡＬ）；本节将重点介绍功耗管理模块、温度传感器模块和 ＺｉｇＢｅｅ模块。 ３．１功耗管理模块 ＬＰＣ１１００系列芯片的功耗管理有３种模式，即睡眠模 式、深度睡眠模式、深度掉电模式。 ／＊初始化第０个１６位的定时器＊／ ｗｈｉｌｅ（１）｛ ｄｉｓａｂｌｅ—ｔｉｍｅｒｌ６（Ｏ）； ／＊禁止定时器＊／ Ｉ２ＣＲｅａｄＴｅｍＳｅｎｓｏｒ（ＬＭ７５ＡＤＤＲ，ＴＥＭＰＥＲＡＴＵＲＥＲＥＧ３．１．１ ３种模式的进入和退出 ３种模式的进入和退出方式如表１所列。 表１ ３种模式的进入与退出方式 模式 进入方式 退出方式 ＡＤＤＲ，２）； ／＊通过Ｉ。Ｃ接口读取温度值＊／ ｌｃｄｐｒｉｎｔ（ＴｅｍｐＣｅｌｓｉｕｓＤｉｓｐｌａｙ）；／＊在ＬＣＤ上面显示温度＊／ —ｉｆ（ｆＣｕｒｒｅｎｔＴｅｍｐ＞ＭＡＸＴＥＭＰＥＲ）｛／＊检测温度是否过高＊／ ＧＰＩＯＳｅｔＶａｌｕｅ（２，７，１）；／＊使蜂呜器呜叫＊／ ｝ ＧＰＩＯＳｅｔＶａｌｕｅ（２，１，０）； ｄｅｌａｙ（１）； 睡眠 ①向ＳＣＲ寄存器的ＳＬＥＥＰＤＥＥＰ位写０ 中断到达时自动 ②调用ＷＦＩ指令 退出 ①配置ＰＤＳＩ ＥＥＰｃＦＧ寄存器选择进入 通过设置１３个 时的掉电模块 唤醒中断源，即 深度 ②配置ＰＤＡｗＡＫＥｃＦＧ寄存器选择退出 端口０（ＰＩＯ０ ０ 睡眠 时的上电模块 ￣ＰＩＯ０＿１１）和端 ③向ＳＣＲ寄存器的ｓＬＥＥＰＤＥＥＰ位写１ 口ｌ（ＰＩＯ１ ０）来 ④调用ｗＦＩ指令 唤醒 ①拉高芯片的ｗＡＫＥＵＰ引脚 甍ＬＥＤ ｛ ＧＰＩＯＳｅｔＶａｌｕｅ（２，１，０）； ＲＦＳｅｎｄＰａｃｋｅｔ（ｔＸＢｕｆｆｅｒ，４）； ／＊熄灭ＬＥＤ＊７ ②设置ＰＣＯＮ寄存器的ＤＰＤＥＮ位 深度 ③向ＳＣＲ寄存器的ＳＬＥＥＰＤＥＥＰ位写１ ＷＡＫＥＵＰ引脚 掉电 ④将ＰＤＲＵＮＣＦＧ寄存器的ＩＲＣＯＵＴ— 上的低电平唤醒 ＰＤ和ＩＲＣ—ＰＤ位置０ ⑤调用ＷＦＩ指令 ３．１．２三种模式的区别 在睡眠模式下，如果软件中提供外设时钟，则外设功 能在睡眠模式下仍然可以执行，而且可以产生中断来引起 处理器恢复运行。在深度睡眠模式下，用户可以配置深度 睡眠时的掉电模块以及唤醒后的上电模块。在这两种睡 眠模式下，处理器状态、寄存器、外设寄存器、内部ＳＲＡＭ 值被保持，引脚的逻辑电平也不变。深度睡眠使用１３个 唤醒中断来唤醒，其优势在于用户可以关闭时钟发生模 块，从而比睡眠模式降低更多的动态功耗 。 在深度掉电模式下，除了ＷＡＫＥＵＰ引脚外，整个芯 片上的电源和时钟都关闭，ＳＲＡＭ中的内容也不能保持， 但是可以使用４个通用的寄存器保存数据。若想在深度 掉电模式下把芯片唤醒，必须通过外部连接部件给 ｗＡＫＥＵＰ引脚接上一个低电平。 ３．１．３选择睡眠模式 本系统中，温度检测节点的主要功能是每间隔一定时 间检测一次温度，故在采集温度的间隔期内使芯片进入睡 眠模式。当需要采集温度时，通过一个定时器中断将其唤 醒。例如，每间隔１ Ｓ采集一次温度，采集温度并发送后 设置一个定时器中断，然后调用ｗＦＩ指令使芯片处于睡 霎存本度寄 一１器节存寄来点器存选主进器择要行中其是操的余读作 温取４ 个温度。 ｌ … 士兰 手＝［二上 十０ｋ １０Ｑ． ｎＦ ４ Ｌｌ；Ｍ… ７ 圈ｌ ２事。 ａｄｖ＠ｍｅｓｎｅｔ．ｃｏｎｒ．ｃｎ（广告专用） ８０《丰‘；札 蠢入式条诧应冈》＿曩田圈Ｉ＿霾珊 位值为有效的温度值。该寄存器读出的值是以二进制补 码的格式给出的，其ＬＳＢ（最低有效位）每一个单位表示 ０．５℃，例如＋０．５℃对应ＯＯ１Ｈ。其可表示的范围为一５５ ～ＥｖｅｎｔＩｎｉｔＳｔｒｕｃｔ．ＩＮＴＣｍｄ＝ＥＮＡＢＬＥ； ＧＰＩＯ ＥｖｅｎｔＩｎｉｔ（＆Ｅｖｅｎｔ ＩｎｉｔＳｔｒｕｃｔ）： ＧＰＩＯＰｏｒｔＩｎｔＣｍｄ（ＣＧＤＯＰｏｒｔ，ＥＮＡＢＬＥ）； ＋１２５℃。 ／＊在ＮＶＩＣ中使能该中断＊／ 在使用该温度传感器时，需要调用以下两个ＡＰＩ函数： ｕｉｎｔ３２ｔ Ｉ２ＣＩｎｉｔ（ｕｉｎｔ３２此时，如果发送或者接收到数据，就可以产生中断。 如果是接收数据，则在中断处理函数ＰＩＯＩＮＴ２一ＩＲＱＨａｎ— ｄｌｅｒ中就必须调用一个接收函数。 一ｔ Ｉ２ｅＭｏｄｅ）；／＊初始化Ｉ。Ｃ接口＊／ ／＊通过Ｉ。Ｃ接口读取温度寄存器的值＊／ Ｒｅ— ｕｉｎｔ３２ｔ Ｉ２ＣＲｅａｄＴｅｍＳｅｎｓｏｒ（ｕｉｎｔ８ｔ ＤｅｖｉｃｅＡｄｄｒ，ｕｉｎｔ８ｔ一还有一些涉及到底层通信的地方需要修改，例如： ｓｔａｔｉｃ ｕｉｎｔ８ｔ ｓｐｉＲｅｇＡｃｃｅｓｓ（ｕｉｎｔ８ｔ ａｄｄｒＢｙｔｅ，ｕｉｎｔ８ｔ ｗｒｉｔｅＶａｌ— ｇＡｄｄｒ，ｕｉｎｔ３２ｔ ＲｅａｄＳｉｚｅ）； ３．３ ＺｉｇＢｅｅ模块 本节点的ＺｉｇＢｅｅ模块使用ＴＩ公司的ＣＣ２５００芯片，使 用ＳｉｍｐｌｉｃｉＴＩ协议来组建网络。其硬件连接如图３所示。 在使用ＣＣ２５００时，首 先需要配置ＬＰＣ１１１４的 Ｐ１０ ３ ５ ＳＣＫ０ ＭＯＳＩＯ ＣＳｎ ＳＣＬＫ ＳＩ ｕｅ）； ／＊寄存器访问函数＊／ ｕｉｎｔ８ｔ ｍｒｆｉＳｐｉＣｍｄＳｔｒｏｂｅ（ｕｉｎｔ８ｔ ａｄｄｒ）； ＣＣ２５００写一令惫令 ｛ ｖｏｉｄ ｓｐｉＢｕｒｓｔＦｉｆｏＡｃｃｅｓｓ（ｕｉｎｔ８ｔ ａｄｄｒＢｙｔｅ，ｕｉｎｔ８ｔ一ｐＤａｔａ， ｕｉｎｔ８ｔ ｌｅｎ）； ／＊以连续模式访问寄存器＊／ 将底层与硬件相关的函数都修改好后，就可以使用上 层的组网函数了。ＣＣ２５ＯＯ组网ＡＰＩ函数主要包括如下 几个函数： ｓｍｐｌＳｔａｔｕｓｔ ＳＭＰＬＩｎｉｔ（ｕｉｎｔ８ｔ（＊ｆ）（１ｉｎｋＩＤｌ＿ｔ））； ＳＰＩ各个引脚。另外，还需 要将引脚ＧＤＯ０与ＧＤＯ１ ＭＩＳＯ０ Ｐ１０２ ５ ＰＩＯ２ ４ ＳＯ（ＧＤＯ１） ＧＤＯ０（ＡＴＥＳＴ） ＧＤ０２ 配置为ＭＣＵ中断，用来控 制收发网络数据包。再按 照ＣＣ２５００的初始化时序 一图３ Ｃ０２５００与ＬＰＣ１１１４ 硬件接口 ／＊网络初始化＊／ ｓｍｐｌＳｔａｔｕｓｔ ＳＭＰＬＬｉｎｋ（１ｉｎｋＩＤｔ＊ｌｉｄ）； 来初始化ＣＣ２５ＯＯ芯片，然后交给上层的组网函数去调 用。ＣＣ２５００的初始化步骤如下 ］： ——／＊发送链接帧＊／ ｓｍｐｌＳｔａｔｕｓｔ ＳＭＰＬＬｉｎｋＬｉｓｔｅｎ（１ｉｎｋＩＤｔ＊ｌｉｎｋｌＤ）； ①与ＭＣＵ相连的ＳＰＩ接口初始化； ②ＳＣＬＫ一１，ＳＩ一０； ③ＣＳｎ＝０； ／＊监听链接帧＊／ ｓｍｐｌＳｔａｔｕｓｔ ＳＭＰＬＲｅｃｅｉｖｅ（１ｉｎｋＩＤｔ ｌｉｄ，ｕｉｎｔ８ｔ＊ｍｓｇ，ｕｉｎｔ８—ｔ＊ｌｅｎ）； ／＊接收消息＊／ ｔ ④ＣＳｎ＝１，延时４Ｏ ｓ； ⑤ＣＳｎ＝０； ⑥等待Ｓ０引脚变低； ｓｍｐｌＳｔａｔｕｓｔ ＳＭＰＬＳｅｎｄ（１ｉｉｄ，ｕｉｎｔ８ｔ＊ｍｓｇ，ｕｉｎｔ８ｎｋｌＤｔ ｌｌｅｎ）； ／＊发送消息＊／ 进行组网时需要先调用ＳＭＰＬ—Ｉｎｉｔ进行初始化，然 后根据节点的功能来调用ＳＭＰＬ—Ｌｉｎｋ或者ＳＭＰＬ— ＬｉｎｋＬｉｓｔｅｎ函数组成一个无线网络。最后调用ＳＭＰＬ— Ｒｅｃｅｉｖｅ以及ＳＭＰＬＳｅｎｄ函数就可以收发数据了。 ⑦在ＳＩ引脚上发命令ＳＲＥＳ； ③等待ＳＯ引脚再次变低。 此时如果能正常地读写相应寄存器，则表示ＣＣ２５００ 初始化成功。 结 语 本文介绍了一种基于ＬＰＣ１１１４的温度检测网络节点 设计方法。ＬＰＣ１１１４芯片具有低功耗和高性能的特色， 加上标准的Ｉ Ｃ、ＳＳＰ等接口，为很多标准接口部件的移植 ＣＣ２５００初始化成功后，需要配置ＣＣ２５００的寄存器， 以及设置数据包的收发中断。由于ＣＣ２５００寄存器较多， 请参考ＣＣ２５ＯＯ官方网站的参考代码。数据包的收发中 断是根据配置寄存器的值来控制的。通过设置这些寄存 器的值，可将ＧＤＯ０、ＧＤＯ１配置为收发数据。这里，配置 ＩＯＣＦＧ０寄存器的值为０ｘ６，即在开始接收或者发送一个 数据包时，在ＧＤＯ０引脚产生一个高电平跳变；接收或者 发送完后，再变回低电平。因此，将ＧＤＯ０引脚即ＰＩＯ２—５ 配置为输入引脚，上升沿中断。代码如下所示： ＬＰ ＳＹＳＣＯＮ一＞ＳＹＳＡＨＢＣＬＫＣＴＲＬ Ｉ一（１＜＜６）； 一提供了方便。Ｉ Ｃ接口的温度传感器，也可以替换成Ｉ Ｃ 接口的湿度传感器、气敏传感器等，以建立一个基于 ＺｉｇＢｅｅ的无线传感器网络。该设计方案对无线环境监控 网络、无线抄表网络等无线传感器网络中的节点设计具有 定参考价值。耀 参考文献 ［１３ ＮＸＰ．ＬＰＣ１１ｌｘ Ｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙ ｕｓｅｒ ｍａｎｕａｌ，２０１０—０２． ［２］Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ．ＬＭ７５ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｓｅｎｓｏｒ ａｎｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｗａｔｃｈｄｏｇ Ｗｉｔｈ Ｔｗｏ—Ｔｉｒｅ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ． ｒ３］ＴＩ．ＣＣ２５００ Ｌｏｗ—Ｃｏｓｔ Ｌｏｗ—Ｐｏｗｅｒ ２．４ ＧＨｚ ＲＦ Ｔｒａｎｓｃｅｉｖｅｒ． （收稿日期：２０１０—０５—０９） ／＊使能时钟＊／ ＧＰＩＯＳｅｔＤｉｒ（ＣＧＤＯＰｏｒｔ，ＣＧＤＯ０，Ｏ）；／＊配置为输入＊／ Ｍｏｄｅ＝ＥＶＥＮＴＲＩＳＩＮＧＥＤＧＥ； ＥｖｅｎｔＩｎｉｔＳｔｒｕｃｔ．ＥＶＥＮ ／＊配置为上升沿中断＊／ ＥｖｅｎｔＩｎｉｔＳｔｒｕｃｔ．ｐｉｎｓ＝ＣＧＤＯ０； —Ｅｖｅｎｔ ＩｎｉｔＳｔｒｕｃｔ．ｐｏｒｔ＝ＣＧＤＯＰｏｒｔ； …ｐｒ …ｎ ｔ… ｎ ｒ拇谊丢田、
