基于ARM的移动网络节点设计

1、目录目录摘要摘要 -IABSTRACT-II引言引言-11 绪论绪论-21.1 论文的研究意义-21.2 研究历史和国内外研究现状-21.3 论文研究内容-41.4 本人工作任务-42 相关技术介绍相关技术介绍-62.1 嵌入式系统概述-62.1.1 嵌入式系统的发展-62.1.2 ARM处理器的发展-63 系统总体设计方案系统总体设计方案-83.1 基于 ARM 的移动网络节点的设计要求 -83.2 基于 ARM 的移动网络节点的设计目标 -83.3 系统总体结构设计-83.4 系统功能概述 -103.5 各模块功能介绍 -104 移动网络节点硬件设计移动网络节点硬件设计 -124.1 节点

2、硬件设计 -124.2 ARM 微处理器类型 -134.3 系统硬件设计 -134.3.1 电源电路设计-134.3.2 复位电路和晶振电路设计-154.3.3 LPC2136电路设计-164.3.4 串行接口电路设计-174.3.5 JTAG电路设计-184.3.6 电机驱动电路设计-194.3.7 温度传感器电路设计-204.3.8 避障电路设计-214.3.9 语音报警电路设计-224.3.10 循迹电路设计-234.3.11 节点总体电路图-245 节点硬件调试节点硬件调试 -265.1 电源电路调试 -265.2 晶振电路调试 -265.3 JTAG 模块调试 -265.4 外设电路

3、调试 -276 结论结论 -29致致 谢谢-30参考文献参考文献 -31I摘要摘要集成了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术、无线通讯技术和现代微电子技术的无线传感器网络是一项全新的信息获取和信息处理的网络技术。具有广泛的应用前景、可以应用到国家安全、军事、环境监测、健康护理、智能家居等人类活动的各个方面。近年来引起了政府、军方、研究机构的广泛关注，成为最热门的研究方向之一。无线传感器网络的节点设备具有计算能力有限、携带电量小、体积小、内存有限等特点。本文以 ARM 为平台，采用无线蓝牙技术进行通信，利用 Protel 软件设计了一个移动节点。本文的主要内容有:分析了无线传感网络的现

4、状和嵌入式系统的特点；选用 ATMEL 公司的LPC2136 处理器，开发了无线传感网络中一个网络节点的一硬件电路系统，包括电源管理模块、系统核心模块、串口通信模块、避障模块、语音模块、温度采集模块、调试接口模块等，完成了硬件电路原理图设计；运用 ADS 软件对硬件电路进行调试，最终完成设计。经调试表明，基于 ARM 的移动网络节点设计系统运行稳定，实现了避障、报警、温度采集、与上位机通信等功能，达到了预期的设计目标。关键词: 无线传感器网络；嵌入式技术；ARM； Protel；IIABSTRACTWireless sensor network (WSN) which integrates s

5、ensor technology,embedded computing technology ， distributed information processing technology, wireless communication technology, modern microelectronics technology is a novel technology about acquiring and processing information. It has been predicted to have a wide range of applications related t

6、o national security, military, environmental monitoring, health care, intelligent household and other aspects of human activity.It has been aroused widely concern by governments, research institutions and companies and become the most one of hot research direction. The capability including energy, s

7、mall physical size and limited memory space for the WSN nodes devices. The arm for the platform for the article, The wireless communication with bluetooth technology, Protel software design of a mobile node . The main contents of this thesis can be listed as below:The wireless network, sensing the p

8、resent situation and characteristic of embedded systems;The hardware system for remote monitoring is developed，in which the proeessor chip LPC2136 from ATMEL is used.The proposed system includes the power management module,the kernel module, serial communcation module,tempeture catch module，and JTAG

9、 debug module. Also, the design of the hardware circuit diagram is completed;Using ads to debugging the software and hardware circuit finish the design. The debugging that, Based on the arm of the mobile network node design systems stable, Achieved from users, the police, the collection and communic

10、ations, the upper, achieve the desired target the design.Key Words: Wireless sensor network; Embedded technology; ARM; Protel; 基于 ARM 的移动网络节点设计节点硬件设计1引言引言随着现代微电子技术、微机电系统（micro-electro mechanism system：MEMS） 、互联网技术、计算机网络技术、无线通信技术以及信号处理技术的快速发展使得传统的独立采集信息传感器信息获取技术向网络化发展，从而形成无线传感器网络这一全新的信息处理和获取技术，成为下一代互

11、联网的关键组成部分。在 1999 年 9 月商业周刊中被列为改变世界的 10 大技术之一1和 21 世纪最有影响力的 21 项技术。根据不同的应用，在检测的任务区域内，部署集成了光照、温度、湿度、震动等不同功能的传感器的微型嵌入式计算节点2。这些节点可以通过自身携带的具有特定功能的传感器采集周围环境中的温度、光照、湿度、压力等环境因子，并通过自组织的形式构成无线通讯网络，将获取到的环境因子数据进行融合处理和转发，最后经过基站节点融合后通过 Internet 等有线通信网络传给用户，从而实现人类和客观世界的交互。是一种全新的信息处理和获取模式，在军事和民用等领域均有广阔的应用前景，如环境监测、军

12、事侦察、空间探索、医疗监护、仓储管理、城市交通管理、反恐抗灾等，掀起了国内外对无线传感器网络的研究热潮。无线传感器网络（Wireless Sensor Networks：WSN）3是由大量的集成有传感器单元、无线通信模块和数据处理单元的节点构成，传感器节点不仅要采集自身所处环境的数据，还要完成自身收集数据和其他节点数据的处理融合、节点间数据通信，还要通过自组织的形式构成网络，维持网络的拓扑结构，维护大量的无线通信和路由信息处理，传感器网络的应用常常动态变化，而节点的硬件能力非常有限，节点一次部署后很难在收集回来进行软件系统的更新。这就使得节点上的嵌入式操作系统的设计非常具有挑战性，要求传感器网

13、络操作系统的设计要充分利用严格受限资源（节点的计算能力、能量、存储）和网络的动态应用等特点来满足特定的应用需求，对网络资源和硬件资源进行高效的管理，支持节点系统的远程更新，对密集的并发任务能够及时响应等。本论文在研究了无线传感器网络相关技术、特点的基础上，使用 Protel 软件完成了对一个移动节点的硬件电路的设计。节点具备循迹、避障、语音报警等功能，并通过串口蓝牙和上位机实现通信。基于 ARM 的移动网络节点设计节点硬件设计21 1 绪论绪论1.11.1 论文的研究意义论文的研究意义无线传感器网络的研究起步较晚，最早起源于 1980 年美国国防部（DARPA）的分布式传感器网络项目，到 19

14、98 年，Gregory.J.Pottie 阐释了 WSN 的科学意义，DARPA 出巨资启动了 SensIT 项目，目标是实现“超视距”的战场检测。国内也是在 90 年代末才开始该领域的研究。分析 WSN 应用的远景描述和目前提出的体系结构、相关理论和技术、研究成果、研究动态可以看出，传感器网络在人类生活的各个领域会得到普遍的应用。例如军事应用； 医疗护理；环境监测和农业应用； 结构化监测；智能家居等。1.21.2 研究历史和国内外研究现状研究历史和国内外研究现状WSN 的研究起源军事领域，开始于 20 世纪 70 年代。1980 年，美国国防部高级研究计划局的分布式传感器网络项目（DSN，

15、Distributed Sensor Networks）开启了现代传感器网络研究的先河，起初设想建立一个有空间分布的低功耗传感器节点构成的网络，这些节点之间相互协作，但自主运行，将信息送到需要他们的处理节点。通过匹兹堡大学、卡耐基梅隆大学、麻省理工学院等大学研究人员的努力，项目在目标跟踪、操作系统、信号处理、节点试验平台等诸多方面取得了一定的进展。20 世纪 8090 年代，传感器网络的研究依旧主要在军事领域进行，并成为网络中心战思想中的关键技术。1994 年加州大学洛杉矶分校的 WilliamJ.Kaiser 教授向 DARPA 提交了研究建议书 “Low Power Wireless In

16、tegrated Microsensors” ，对推动 WSN 的研究有里程碑的意义。1988 年 G.J.Pottie 从网络研究的角度重新阐释了 WSN 的科学意义。1999 年 9 月商业周刊将其列为 21 世纪最重要的 21 项技术之一。随后,WSN 的研究越来越多研究者的关注。进入 21 世纪后，随着微芯片制造技术、无线通信技术的进步，WSN 的研究在多种应用方面取得重大进展。我国也积极加入 WSN 研究的大潮中来，2006 年初发布的国家中长期科学与技术发展规划纲要6为信息技术确定了三个前沿方向，其中两个与 WSN 的研究直接相关，即自组织网络技术和智能感知技术，足见对无线传感器网

17、路的重视程度。无线传感器网络是一门交叉学科，涉及微电子、计算机、网络、传感器、信号处理、通信等诸多领域。经过科研人员的努力，取得一些突破性的成果，但总体来说还未形成成熟的关键技术。1.节点硬件平台无线传感器网络是全新的网络技术，与传统的计算机网络差别很大，研究基于 ARM 的移动网络节点设计节点硬件设计3工作的第一步就是要构建网络节点硬件平台。较早期的实验平台具有带便性的 UCLA 的 WINS，UC Berkeley 的 Wec、SmartDust 和 Rene，这些平台向人们展示了传感器网络节点设计低功耗、微型化的设计理念，尤其是 SmartDust 使人们对无线传感器网络充满了丰富的想象

18、，其含义意味着未来在人们生活的空间中，悬浮着无数的 SmartDust 节点，使人们和客观世界完全交互。随着研究的深入，研究人员认为在特殊环境中无线传感器网络应用的关键问题是尽可能延长网络生命周期，降低能耗，由此产生代表性的节点平台是用于火山观测的 Sensor Web 和 UCB 的系列节点 MicaDot2。在 2004 年底 Chipcon 公司发布了支持 ZigBee 射频芯片后，无线传感器网络节点平台的研究开始关注标准的应用和无线通信技术，出现了众多的节点平台。2.定位技术由于无线传感器网络特殊的部署方式，确定数据的采集位置信息成为传感器网络的基本功能之一。而传感器网络节点根据位置是

19、否确定分为未知节点和信标节点，信标节点的位置已知，未知节点要根据信标节点测算出自身的位置信息。在传感器网络的定位过程中，通常会使用三角测量法、极大似然估计法或三边测量法确定节点位置。根据定位过程中是否实际测量节点的角度或距离，把传感器网络中的定位分类为距离无关的定位和基于距离的定位。基于距离的定位机制就是通过测量相邻节点间的实际距离或方位来确定未知节点的位置，通过采用测距、定位和修正等步骤实现。根据测量节点间方位或距离时所采用的方法，基于距离的定位分为基于 TDOA 的定位、基于 TOA 的定位、基于 RSSI的定位、基于 AOA 的定位等。由于要实际测量节点间的距离或角度，基于距离的定位机制

20、通常定位精度相对较高，所以对节点的硬件也提出了很高的要求。距离无关的定位机制无须实际测量节点间的方位或绝对距离就能够确定未知节点的位置，目前提出的定位机制主要有 DV-Hop 算法、质心算法、APIT 算法、Amorphous 算法等。由于无须测量节点间的方位或绝对距离，因而降低了对节点硬件的要求，使得节点成本更适合于大规模传感器网络。距离无关的定位机制的定位性能受环境因素的影响小，虽然定位误差相应有所增加，但定位精度能够满足多数传感器网络应用的要求，是目前大家重点关注的定位机制。3.无线通信技术无线通信技术的新技术层不出穷，出现如 802.11 系列无线通信标准，但是无线传感器网络一直没有自

21、身的通信标准，实验平台均是采用简单的射频通信技术。在 2003 年 10 月 IEEE802.15.4 标准颁布，其低成本、低功耗、低速率的技术特点和无线传感器网络要求相合，因此研究人员认为是无线传感器网络理想的通信技术。基于 ARM 的移动网络节点设计节点硬件设计44.网络拓扑控制拓扑控制无线传感器网络体系结构的基础关键技术，主要研究问题在于满足网络覆盖度和连通度的前提下，通过功率控制和骨干网节点选择，去除节点间不必要的通信链路，生成高效的网络拓扑结构，良好的网络拓扑结构有助于提高路由协议和 MAC 协议的效率，为无线传感器网络数据融合、目标定位以及应用奠定基础。目前已经提出了 COMPOW

22、 等统一功率分配算法，LMN/LMA 和LINT/LILT 等基于节点度数的算法，RNG、CBTC、LMST、DRNG 和 DLSS 等基于邻近图的近似算法。层次型的拓扑控制利用分簇机制，让一些节点作为簇头节点，由簇头节点形成一个处理并转发数据的骨干网，其他非骨干网节点可以暂时关闭通信模块，进入休眠状态以节省能量；目前提出了 TopDisc 成簇算法，改进的 GAF 虚拟地理网格分簇算法，以及 HEED 和 LEACH 等自组织成簇算法。5.操作系统无线传感器网络对操作系统提出了许多特殊的要求：节点的计算资源有限，需要尽可能的减少开销；节点由电池供电，且要求较长的工作周期，因此需要系统能耗管理

23、策略与方案，包括操作系统的支持；各模块之间需要一定的协调机制，同时支持并发控制；操作系统需要支持实时性。伴随着无线传感器网路的研究，目前世界各研究小组设计开发在自己项目的节点平台上运行的操作系统，比较著名的有加州大学伯克利分校开发的 TinyOS，加州大学洛杉矶分校开发的 SOS，康奈尔大学开发的 Magnet OS，科罗拉多大学开发的 MOS（Mantis OS） ，汉城大学开发的 SenOS，欧洲 EYES 项目开发的 PEEROS 和瑞典计算机科学院的 Adam Dunkels 等人开发的 Contiki，国内中科院计算机所开发的 GOS 操作系统，在众多的操作系统中，伯克利 TinyO

24、S 操作系统的设计更能体现无线传感器网络的思想，更能满足无线传感器网络特殊的特点和应用，得到了世界各地研究小组的广泛应用和研究，成为事实的无线传感器网路操作系统的标准。1.31.3 论文研究内容论文研究内容移动节点作为传感器网络基本的组成单位，是无线传感器网络组网的重要部分。本论文对无线传感器网络节点的硬件电路设计做了较为深入的研究，主要工作如下：无线传感器网络相关技术的跟踪研究；无线传感器网络节点各功能部分的电路分析；对各电路的调试结果分析，与预期结果进行对比分析。1.41.4 本人工作任务本人工作任务在本课题中，本人主要负责以下工作： 与组内成员共同完成嵌入式平台与移动节点之间整体方案的规

25、划以基于 ARM 的移动网络节点设计节点硬件设计5及主要芯片的选型； 独立完成了基于 LPC2136 的移动节点的硬件电路的设计； 独立完成了基于 LPC2136 的移动节点的硬件电路的制作； 与组内成员共同完成硬件电路的调试； 与组内成员共同完成基于 ARM 的移动网络节点的设计。基于 ARM 的移动网络节点设计节点硬件设计62 2 相关技术介绍相关技术介绍2.12.1 嵌入式系统概述嵌入式系统概述在当今社会中，嵌入式系统已经深入渗透到了我们日常生活的每一个角落，每个人都在拥有而且使用嵌入式技术的电子产品，大到车载系统，智能家居，小到 PDA、MP3 等。嵌入式系统表现出了强劲的发展势头，目

26、前在应用数量上各种各样的新型嵌入式系统设备已经远远超过了通用计算机。更有一些专家预计IT 业将进入一个以嵌入式系统为核心的、崭新的“后 PC 时代” 。2.1.12.1.1 嵌入式系统的发展嵌入式系统的发展根据 IEEE（国际电气电子工程师协会）的定义，嵌入式系统是“用于监视、控制或者帮助机器和设备运行的装置” （devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants） 。从中可以看出嵌入式系统是软件和硬件的综合体。目前国内一个普遍被认同的定义是：以应用为中心、以计算

27、机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对稳定性、性能、大小、成本、功耗严格要求的专用计算机系统。1971 年，INTEL 公司推出了第一款微处理器 4004，从此揭开了嵌入式系统发展的序幕。经过几十年的发展，随着电子技术、计算机技术以及微处理器工艺的不断进步，嵌入式系统也进入了一个高速发展的阶段。纵观这几十年的发展过程，嵌入式系统大致可以分成三个发展阶段。 （1）单片机阶段；（2）嵌入式 CPU 和嵌入式操作系统阶段；（3）SOC 和网络阶段。近几年来在嵌入式系统应用方面掀起热潮的原因有以下几个：首先是伴随着芯片技术的发展，单个芯片已经具有了比以前更强的处理能力，从而使得在单个芯片中集成多

28、种接口已经成为可能，这个方面的进步已经吸引了众多芯片生产厂商的注意力；其次就是应用的需要，由于近些年来对产品成本、稳定性、更新换代要求的提高，使得嵌入式系统逐渐脱颖而出，成为近年来令人关注的焦点。随着它的蓬勃发展，人们对它的要求也越来越高。从技术层面上看，未来的嵌入式系统有以下几个新的发展趋势：进一步的网络支持；微功耗、小尺寸、低成本；精美的人机界面；“智能”的嵌入式系统。2.1.22.1.2 ARM 处理器的发展处理器的发展嵌入式微处理器是整个嵌入式系统的核心，在进行设计的时候，选择一个能够满足系统需求的嵌入式微处理器至关重要。ARM(Advanced RISC Machines)系列微处理

29、器是由同名公司 ARM 公司开发,是一种 32 位的 RISC 微处理器。ARM 基于 ARM 的移动网络节点设计节点硬件设计7公司于 1990 年成立于英国剑桥，主要出售 IP 核的授权。作为知识产权提供商，ARM 公司本身并不从事具体的芯片开发，而是通过转让设计许可，将设计的 IP核提供给世界大型半导体厂商去生产具体的芯片。目前共有 30 多家半导体公司与 ARM 公司签订了技术授权协议，其中包括 IBM、Intel、NEC 等大型的半导体厂商。这些厂商根据自己的需求，在 ARM 公司提供的 ARM 核的基础上添加外围电路，设计出各种不同的 SOC 芯片。经过几十年的发展，ARM 公司已经

30、开发出了一系列的 ARM 处理器核。目前最新的 ARM 核是 Cortex 系列，早期的 ARM6 以及更早的系列已经不常见了，目前应用较多的是 ARM7 系列、ARM9 系列、ARM9E 系列、ARM11 系列以及 Cortex 系列。基于 ARM 的移动网络节点设计节点硬件设计83 3 系统总体设计方案系统总体设计方案基于 ARM 的移动网络节点设计是一套综合性的系统，需要有良好的规划和设计。所以项目的总体方案把握是最重要的。本章将会提出移动节点的设计要求，设计目标和预想的结构。为详细设计提供依据。3.13.1 基于基于 ARM 的移动网络节点的设计要求的移动网络节点的设计要求传统的节点是

31、各施其责，一般以有线网络连接。要对旧系统进行彻底的改进和整合，最终要能成为一个完整的网络系统。对该网络节点基本的要求是易于实施，实用高效，稳定可靠，方便操作，有一定的扩展性：易于实施；实用高效；稳定可靠；方便操作；扩展性。3.23.2 基于基于 ARM 的移动网络节点的设计目标的移动网络节点的设计目标节点基本设计指标：温度监控范围在 0 摄氏度到 100 摄氏度，精度要求为 1 摄氏度。温度和障碍物报警响应时间在两秒以内。实时获得温湿度具体数据（每分钟获取一次） ，超出正常范围发出警告。监测网络连接情况。数据保存，历史数据查询。信息的采集通过无线传感器网络的节点进行。信息传到节点的微处理器，然

32、后用串口蓝牙向上位机传递。上位机运行实时监控软件，把采集的信息记录到数据库中，同时能显示网络连接的情况等信息，这对软件的直观性提出了要求。该平台初期设计要保证稳定可用性，获取的信息要正确，为以后的扩展功能打下良好基础。要保证有一定的使用持续时间，既能用电池供电，也能用外接电源9。节点组成的网络要有健壮性，一个节点的加入和退出不会影响整个传感器网络的工作。由于要能监控前方障碍物，及时报告温度情况，所以要保证实时性。把问题消灭在萌芽状态。3.33.3 系统总体结构设计系统总体结构设计如图 3-1 所示，整个系统的构架有两大部分。一是无线传感器网络部分，由分布在无人工作区域各个位置的节点组成网络，通

33、过传感器获取信息，然后把信息发到节点的微处理器。基于 ARM 的移动网络节点设计节点硬件设计9图 3-1 基于 ARM 的移动网络节点的设计目标总体结构图 3-2 系统实物图二是上位机监控部分。获取的信息通过节点经串口蓝牙传给上位机软件。要能及时正确的接受信息，需要有串口模块支持。数据要保存下来，能随时查看，为统计信息提供依据，软件需要数据库的支持。同时软件支持查看节点的温度等信息，通过各个位置的每个节点，随时掌握到任何区域的信息。基于 ARM 的移动网络节点设计节点硬件设计103.43.4 系统功能概述系统功能概述基于 ARM 的移动网络节点设计综合应用了软件、硬件技术，无线传感器网络，嵌入

34、式系统等技术。它既能对较大面积的地区的信息进行汇总，又能按需求获得某一地理位置的信息，准确性也能得到保证。采用无人作业条件下可以获取工作环境的温度信息，可以预防火灾造成巨大损失，还可以有效避开障碍物等。初期的项目有以下功能：温度采集功能；避障功能；循迹功能；管理功能。这是基于 ARM 的移动网络节点设计初期的功能目标。随着项目的改进，还会加入其它功能。比如加上图像采集模块，可将所在区域的视频信息更加准确的传回控制台；加入数据库模块等等。LPC2136JTAG车轮速度及转弯驱动控制串口通信模块循迹模块避障模块温度传感器模块电源模块语音报警图 3-3 基于 ARM 的传感器网络移动节点功能模块3.

35、53.5 各模块功能介绍各模块功能介绍各模块的功能如下所示：1.嵌入式微处理器选择 LPC2136：负责节点的存储器和处理器。2.电源模块：提供所需的 12V、5V、3.3V 电压，12V 用于电机驱动芯片LM298 供电，5V 用与给 LPC2131，74LS14，ST178 芯片和温度传感器等器件供电，3.3 用于给 LPC2136 的参考引脚供电。3.串口通信模块：采用 RS232 协议通信，实现和控制台的通信。本设计中在使用有线通信方法调试完毕后，使用串口蓝牙进行通信，以实现对节点的无线控制。4.JTAG 模块：将在 ADS 下写好的程序通过该模块下到 LPC2136 的 flash

36、中。基于 ARM 的移动网络节点设计节点硬件设计115 循迹模块：利用三个红外收发传感器，在未知的地面上，寻找可行路径。6.避障模块：利用两个红外传感器，当前方障碍物时，能自动避开障碍物。7.语音报警模块：当前区域温度超过指定的值，ISD1110 自动播放提前录好的报警信息。8.温度传感器模块：利用 LM35 芯片，采集当前区域的温度。基于 ARM 的移动网络节点设计节点硬件设计124 4 移动网络节点硬件设计移动网络节点硬件设计一个完整的产品 PCB 设计，是建立在系统的原理图设计之上。原理图，好比是一块好的 PCB 产品的蓝图，因此，为了保证产品的可靠性，我们首先要注重原理图的设计。本章将

37、运用前面章节所分析的理论，具体设计基于 ARM 平台的移动节点的原理图，以及各功能芯片的介绍和选型等。4.14.1 节点硬件设计节点硬件设计现有的无线传感器网络节点有各自的应用领域，采用的处理器、无线通信协议和外部设备都有明显的不同。处理器从低端的 8 位微控制器到 32 位 ARM 内核的高端处理器都有体现；通信协议有 Zigbee 协议，802.11 无线局域网协议， UWB 超宽带和自行定制的协议；外部设备则根据应用场景决定。有代表性的平台包括 Toles，Mica 系列，AMPS 系列， Zabranet10等。无线传感器节点的硬件有一定共同要求11：首先是微型化的要求，就是体积不能太

38、大；功耗要尽量小；支持完善，扩展性好。下图是有通用意义的框图。传感器数模转换控制器存储器传感模块处理模块网络MAC收发器天线电源模块基于 ARM 的移动网络节点设计节点硬件设计13图 4-1 传感器网络节点结构传感器负责信息采集，把感兴趣的物理量（如声信号，光信号，化学信号）转换成电信号，然后通过模数转换传给处理模块，按应用需要增加各种传感器，和处理器的适配还有功耗是选择传感器的要点。供电模块提供给整个系统能量，可能会附加能耗指示以明确剩余的电能。处理模块通常是小型的 MCU 负责调度控制，结合空间很有限的存储器；有可能会采用嵌入式操作系统进行管理。信息发送经由网络层和路由层，最后按规定的调制

39、方式射频发送到自由空间。4.24.2 ARM 微处理器类型微处理器类型采用 LPC2136ARM7TDMI 微控制器，现将 LPC2136 的主要特性介绍如下：小型 LQFP64 封装的 16/32 位 ARM7 TDMI-S 微控制器。256KB 片内高速 Flash 存储器和 32KB 片内静态 RAM。片内 Boot 装载软件实现在系统/在应用程序编程(ISP/IAP)。EmbeddedICERT 和嵌入式跟踪接口可实时调试（利用片内 RealMonitor 软件）和高速跟踪执行代码。1 个 8 路 10 位 A/D 转换器，每个通道的转换时间低至 2.44us。2 个 32 位定时器/

40、计数器（带 4 路捕获和 4 路比较通道） 、PWM 单元（6 路输出）和看门狗。实时时钟具有独立的电源和时钟源，在节电模式下极大地降低了功耗。多个串行接口，包括 2 个 16C550 工业标准 UART、2 个高速 I C 接口2（400kb/s） 、SPITM 和 SSP（具有缓冲功能，数据长度可变） 。向量中断控制器。可配置优先级和向量地址。多大 47 个 5V 通用 I/O 口（LQFP64 封装） 。9 个边沿或电平触发的外部中断管脚。通过片内 PPL 可实现最大为 60MHz 的 CPU 操作频率，PLL 的稳定时间为100us。片内晶振频率范围 130MHz。2 个低功耗模式：空

41、闲和省电。可通过个别使能/禁止外部功能和降低外部时钟来优化功耗。通过外部中断将处理器从掉电模式中唤醒。单个电源供电，含有上电复位（POR）和掉电检测（BOD）电路：CPU 操作电压范围为 3.03.6V（3.3V10%）, I/O 口可承受 5V 的最大电压。基于 ARM 的移动网络节点设计节点硬件设计144.34.3 系统硬件设计系统硬件设计4.3.14.3.1 电源电路设计电源电路设计电源系统为整个系统提供能量，是整个系统工作的基础，既有及其重要的地位，但却往往被忽略。如果电源系统处理得好，整个系统的故障往往减少了一大半。设计电源系统的过程实际是一个权衡的过程，必须考虑如下因素：输出的电压

42、电流功率；输入的电压电流；安全因素；输出纹波；电磁兼容和电磁干扰；体积限制；功耗限制；成本限制。在本系统中，需要使用 12V、5V 和 3.3V 的直流稳压电源，其中，电机需使用 12V 电源，LPC2136 芯片和部分电路需 3.3V 电源，另外部分器件需 5V 电源。为实现机动性，嵌入式小车采用车载电源，首先将 12V 的直流电通过 LM7805 降至 5V，再对 5V 电源使用 LMlll73.3 降低至 3.3V 供其他部分使用。实际实验中暂时用 12V 直流电源代替。电源电路如图 4-2 所示: 12V 转换为 5V 电路基于 ARM 的移动网络节点设计节点硬件设计155V 转换为

43、3.3V 电路图 4-2 电源电路图4.3.2 复位电路和晶振电路设计复位电路和晶振电路设计由于意外原因导致系统死锁时，可以通过复位电路让系统复位，复位电路主要完成系统的上电复位和系统在运行时用户的按键复位功能。复位电路主要由 CAT1025JI-30 芯片控制，当用户按下按钮 s1 时，Reset 端输出为低电平，系统进入复位状态，松开 S1 时，系统即可进入正常工作状态。复位电路如图4-3 所示:图 4-3 复位电路图晶振电路(如图 4-3 所示)用于向 CPU 及其他电路提供工作时钟。ARM7 微控制器可使用外部晶振或外部时钟源，内部 PLL 电路可调整系统时钟，使系统运基于 ARM 的

44、移动网络节点设计节点硬件设计16行速度更快（CPU 最大操作时钟为 60MHz） 。若不使用片内 PLL 功能及 ISP 下载功能，则外部晶振频率为 130MHz，外部时钟频率为 150MHz；若不使用片内PLL 功能或 ISP 下载功能，则外部晶振频率为 1025MHz，外部时钟频率为1025MHz。本实验中用 11.0592 作为 LPC2136 芯片的晶振；32.768KHz 是时钟电路的晶振。电路如图 4-4 所示。图 4-4 晶振电路4.3.34.3.3 LPC21362136 电路设计电路设计LPC2136 为 64 引脚 LQFP64 封装的芯片，相关电路包括实时时钟及电源、退藕

45、电容等。LPC2136 作为移动节点的微处理器，负责对各个功能模块的控制，以及与上位机之间的通信。其中避障电路连接 P029、P030；循迹电路连接P006；语音报警电路连接 P007，以及 P013P021；串口通信电路连接TxD0、RxD0；时钟电路连接 XTAL1、XTAL2、RTXC1、RTXC2；温度传感器连接P028；电机驱动电路连接 P116P119 以及 P008、P009；复位电路连接RESET；JTEG 电路连接 TRST、TD0、TD1、TMS、TCK、RESET、RTCK。电路如图4-5 所示:基于 ARM 的移动网络节点设计节点硬件设计17图 4-5 LPC2136

46、电路4.3.44.3.4 串行接口电路设计串行接口电路设计ARM 芯片的串口引脚并不能输出 RS232 串口电平，因此需要进行电平转换。本系统采用芯片 SP3232 来实现电平转换。本系统设计了一个 RS232 串行接口，连接的是 UART0。为了调试方便及下载程序的需要，也是为了遵循嵌入式最小系统的设计要求本系统配置了一个串行接口，用一个 9 芯 D 型接头，使用电子工业协会(EIA)推荐的 RS232C 标准。RS232C 标准采用的接口是 9 芯或25 芯的 D 型插头，为了尽量减少系统尺寸，系统采用 9 芯 D 型插头，在实际通信中只需要 RXD、TXD 和 GND 即可。由于本系统是

47、 3.3V 电平，采用了电平转换芯片 SP3232E。在本系统中，节点要与上位机串口通讯。由于“0” 、 “1”定义的电平不同，需要经过电平转换。SP3232E 就是专门为单片机与电脑串口通讯设计的芯片,使用+5v 单电源供电。其内部结构基本可分三个部分： 第一部分是电荷泵电路。由 1、2、3、4、5、6 脚和 4 只电容构成。功能是产生+12v 和-12v 两个电源，提供给 RS-232 串口电平的需要。 第二部分是数据转换通道。由 7、8、9、10、11、12、13、14 脚构成两个数据通道。其中 13 脚（R1IN） 、12 脚（R1OUT） 、11 脚（T1IN） 、14 脚（T1OU

48、T）为第一数据通道。8 脚（R2IN） 、9 脚（R2OUT） 、10 脚（T2IN） 、7 脚（T2OUT）为第二数据通道。TTL/CMOS 数据从 T1IN、T2IN 输入转换成 RS-232 数据从 T1OUT、T2OUT 送到电脑 DB9 插头；DB9 插头的 RS-232 数据从 R1IN、R2IN 输入转换成 TTL/CMOS 数据后从 R1OUT、R2OUT 输出。 基于 ARM 的移动网络节点设计节点硬件设计18第三部分是供电。15 脚 GND、16 脚 VCC（+5v） 。 串口按位（bit）发送和接收字节,使用一根线发送数据的同时用另一根线接收数据,通信使用 3 根线完成：

49、（1）地线， （2）发送， （3）接收。由于串口通信是异步的，端口能够在一根线上发送数据同时在另一根线上接收数据。其他线用于握手，但是不是必须的。串口通信最重要的参数是波特率、数据位、停止位和奇偶校验。对于两个进行通行的端口，这些参数必须匹配。本实验的串口通信分为两部分，上位机部分和下位机部分，上位机使用 Qt 作为开发工具，使用第三方写的 qextserialport 类，可设置波特率，数据位，奇偶校验位，设计了一个串口通信的人机交互的界面，显示从小车反馈回来的信息，并向小车发送指令；下位机串口通信部分，将波特率，数据位，奇偶校验位设置好，采用中断的方式向上位机发送接收数据。在本设计中应用电

50、路如图 4-6 所示：图 4-6 串行接口电路4.3.54.3.5 JTAG 电路设计电路设计JTAG,即 IEEE1149.1 边界扫描测试标准（通常称 1149.1 或 dot.1）是一种用来进行复杂 IC 与电路板上特性测试的产业标准方法。支持该标准的 IC 与电路板都具备一个支持 JTAG 测试的 4 线串行总线(第 5 条线为可选的重置线)，分别为 TDI(测试数据输入)、TDO(测试数据输出)、TMS(测试模式选择)与 TCK(测试频率)。该总线主要支持对焊点、电路板过孔、短路和开路等连接进行结构测试此外，许多 CPLD 和 FPGA 制造商也将 JTAG 作为其组件在系统程序与配

51、置的标准方法。JTAG 不但支持结构(互连)测试，如今还是一种用于在系统级实现配置、程序以及混合讯号测试的标准方法。基于 ARM 的移动网络节点设计节点硬件设计19至今，JTAG 接口发展到了第四代，所有前面几代 JTAG 应用的功能都能透过远程方式实现，包括程序、配置、互连测试以及诊断，因而极大降低了现场服务与支持所需的成本。当需要升级一个现场系统的固件(Firmware)时，直接将新的配置文件下载到 JTAG 主控制器上，再由 JTAG 主控制器透过背板 JTAG 总线将其发给目标组件即可。当然，在生产时只要将主控制器禁用，那么仍可使用基于 PC 的 JTAG 接取站，这又进一步增强了灵活

52、性，也在所有整合度上提供了最多的接取选择。JTAG 接口可以透过外部或内部启动，也可以由某些系统事件启动，例如系统上电或电源重置。通过 JTAG 接口，可对芯片内部的所有部件进行访问，因而是开发调试嵌入式系统的一种简洁高效的手段。LPC2136 的 JTAG 具体电路如图4-7 所示：图 4-7 JTAG 电路 4.3.64.3.6 电机驱动电路设计电机驱动电路设计L298 是 SGS(通标标准技术服务有限公司)公司的产品，比较常见的是 15脚 Multiwatt 封装的 L298N，内部包含 4 通道逻辑驱动电路。是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含二个 H 桥的高电压大电流双全桥式驱动

53、器，接收标准 TTL 逻辑电平信号，可驱动 46V、2A 以下的电机。为达到满意的控速性能，动力系统中的驱动电路电机驱动芯片 L298，并配以外围电路加以保护。L298 大电流的输出，有效的保证了动力系统的工作稳定性。移动节点 方向的控制是通过调节 LM298 实现的，由图 3-1 可知，LM298 的基于 ARM 的移动网络节点设计节点硬件设计206 号使使能电机一，并控制电机一的转速，5,号 7 号控制电机的转动方向；LM298 的 11 号使能电机二，并控制电机二的转速，10 号，12 号，控制电机二的转动方向。5，7,10,12 接到 LPC2136 的 GPIO 口 P116，P11

54、7,P118,P119，将6，11 分别接到 LPC2136 的 PWM4 和 PWM6 上。将 5,10 置高，7，12 置低，6，11输入的 PWM 的占空比一致，移动节点前进。将 5,10 置低，7，12 置高，6，11输入的 PWM 的占空比一致，移动节点后退。增大 6 输入的 PWM 的占空比，减小11 输入的 PWM 的占空比，移动节点右转。增大 11 输入 PWM 的占空比，减小 6输入到 PWM 的占空比，移动节点右转。如图 4-8 所示图 4-8 电机驱动电路 4.3.74.3.7 温度传感器电路设计温度传感器电路设计移动节点可自主测定所在区域的温度，并将温度传至控制端。本设

55、计采用由国半公司所生产的温度传感器 LM35。其输出电压与摄氏温标呈线性关系，0 时输出为 0V，每升高 1，输出电压增加 10mV。在常温下，LM35 不需要额外的校准处理即可达到 1/4的准确率。 其电源供应模式有单电源与正负双电源两种，正负双电源的供电模式可提供负温度的量测；单电源模式在 25下静止电流约 50A，工作电压较宽，可在 420V 的供电电压范围内正常工作非常省电，本设计采用单电源模式。供电电压 35V 到-0.2V 输出电压 6V 至-1.0V 输出电流 10mA指定工作温度范围基于 ARM 的移动网络节点设计节点硬件设计21LM35A -55 to +150LM35C,

56、LM35CA -40 to +110LM35D 0 to +100图 4-9 温度传感器电路4.3.84.3.8 避障电路设计避障电路设计利用 LPC2136 的 AD 口可直接读取模拟量，输出口（P029 或 P030）的电压值对应一定的距离，实际电压值通过与可实现有效避障的距离对应的电压值相比较，在主芯片控制下移动节点可自主判断是否避障。利用一对红外发射管和接收管组成探测头，红外探测是根据反射发出特定频接收管对外界红外线的接收强弱来判断障碍物的远近，将接受的模拟信号转换为数字信号，障碍物的距离与接收到的电压值满足一定的线性关系。根据实际情况，粗略计算出它们之间的对应关系，设定一个电压值，当

57、接受的电压值小于设定的电压值，表明小车离障碍物很近。同时结合 LPC2136 芯片，采用合理的避障算法，当左边的传感器离障碍物的距离小于指定的距离，当右边的传感器离障碍物的距离小于指定的距离，小车后退，当左边的传感器离障碍物的距离小于指定的距离，当右边的传感器离障碍物的距离大于指定的距离，小车右转，当左边的传感器离障碍物的距离大于指定的距离，当右边的传感器离障碍物的距离大于指定的距离，小车前进，当左边的传感器离障碍物的距离大于指定的距离，当左边的传感器离障碍物的距离小于指定的距离，小车左转。基于 ARM 的移动网络节点设计节点硬件设计22图 4-10 避障电路4.3.94.3.9 语音报警电路

58、设计语音报警电路设计若当前区域温度过高或者前方有障碍物，移动节点可自动语音报警。ISD1110/ISD1420 系列单片录放时间 8 至 20 秒，音质好。芯片采用 CMOS 技术，内含震荡器、话筒前置放大、自动增益控制、防混淆滤波器、平滑滤波器、扬声器驱动及 EEPROM 阵列。最小的录放系统仅需麦克风、喇叭、两个按钮、电源及少数电阻电容。在录放操作结束后，芯片自动进入低功耗节电模式、功耗仅 0.5uA。 ISD1110/ISD1420 系列有唯一的录音控制和边缘/电平触发两种放音控制。不分段时外围线路最简，也可按最小段长为单位任意组合分段，参见表 1-1“最大段数”芯片提供若干操作 模式，

59、大大提高了控制的灵活性。由于本实验对语音的时长要求不高，且考虑到成本，所以采用 ISD110 芯片。 芯片采用多电平直接模拟量存储专利技术，每个采样直接存储在片内单个 EEPROM 单元中，因此能够非常真实、自然地再现语音、音乐、音调各效果，避免了一般固体录音电路因量 化和压缩造成的量化噪声和“金属声” 。采样频率从 5.3，6.4 到 8.0KHz，对音质仅有轻微影响。 片内信息可保存 100 年（无需后备电源） ，EEPROM 单片可反复录音十万次。 表 4-1 型号与性能对照表型号时间输入采样典型带宽最大段数最小段数外部钟频111010 秒6.3KHZ2.6KHZ80120ms819.2

60、KHZ121212 秒5.3KHZ2.2KHZ80150ms682.7KHZ141616 秒8.0KHZ3.3KHZ160100ms1024.0KHZ142020 秒6.4KHZ2.6KHZ160125ms819.2KHZ基于 ARM 的移动网络节点设计节点硬件设计23将温度传感器 LM35 的连接到 LPC2136 的具有 A/D 转换功能的 P028 引脚上，将温度传感器 LM35 的模拟信号转换为数字信号，然后设定一个温度最高值，当采集到温度大于最高值时，将 ISD1110 的 24 号管脚置低，开始播放提前录好的提示信息。图 4-11 语音报警电路4.3.104.3.10 循迹电路设计