中心議題：
- 無線傳感器網絡節(jié)點的模塊化接口電路設計
- SPI接口電路設計
解決方案：
- SPI接口電路硬件和軟件部分設計
- CPLD擴展SPI接口電路實驗結果分析
無線傳感器網絡是由大量傳感器節(jié)點通過無線通信自組織構成的網絡，被認為是將對21世紀產生巨大影響力的技術之一。在分布式測試中使用無線傳感器網絡，不受通信電纜的限制、組態(tài)靈活、重構性強，可以在較惡劣的測試環(huán)境中使用。由無線傳感器網絡組成的分布式測試系統(tǒng)已應用于水中爆炸測試系統(tǒng)。在一些分布場測試系統(tǒng)中，被測量種類繁雜，為完成測試任務，節(jié)點采用模塊化設計，SPI接口電路簡單、傳輸速度快，各模塊通過SPI總線通信協(xié)同完成測試任務。但在實際開發(fā)應用中，由于系統(tǒng)要求，使某些模塊與多個模塊鏈接，且接口工作在不同的模式下，如果完成通信需要功能模塊的SPI接口主從切換，致使通信速度與靈活性降低。CPLD具有可編程性特點，可根據(jù)需要擴展專用SPI接口電路，提高系統(tǒng)通信速度與靈活性，方便系統(tǒng)擴展功能模塊，提高系統(tǒng)整體性能。
1 節(jié)點的模塊化設計及其接口電路
無線傳感器網絡節(jié)點采用模塊化的設計方法，每個節(jié)點包括無線收發(fā)模塊、核心主控模塊和功能模塊。系統(tǒng)通過無線收發(fā)模塊接收主站發(fā)送的命令碼，核心主控模塊對命令解碼，完成對各功能模塊的控制(開啟采集、時統(tǒng)清零等)。系統(tǒng)要完成多次重復性試驗，因此每次試驗完畢要把實驗數(shù)據(jù)(沖擊波數(shù)據(jù)、環(huán)境變量信息、時統(tǒng)跟定位信息等)存儲到數(shù)據(jù)存儲管理模塊統(tǒng)一管理，同時準備下次試驗。系統(tǒng)工作時，數(shù)據(jù)儲存管理模塊SPI接口一方面工作在從模式，接收主控模塊發(fā)送的命令;另一方面工作在主模式，轉發(fā)控制其他功能模塊的命令碼并讀取試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一管理，圖1為在其內擴展專用工作在主模式下的SPI接口的模塊問鏈接圖。專用工作在主模式下的SPI接口電路，具有提高模塊間數(shù)據(jù)傳輸速度與靈活性等特點。
2 SPI接口電路設計
數(shù)據(jù)存儲管理系統(tǒng)以單片機和可編程邏輯器件組成核心控制器。可編程邏輯器件CPLD依據(jù)其編程靈活、易修改的特點，配合單片機在其內部擴展SPI接口電路，不僅簡化了接口和控制，且提高了系統(tǒng)的整體性能及系統(tǒng)擴展性。
SPI接口電路設計分兩部分：
(1)硬件部分：CPLD內擴展SPI接口框圖如圖2。在CPLD內部編寫雙向IO總線、地址鎖存譯碼電路、時鐘發(fā)生器、接收和發(fā)送數(shù)據(jù)移位寄存器、傳輸結束標志SPIF產生器等電路完成SPI接口電路設計。READY1為與從機(沖擊波模塊等)通信時狀態(tài)標志位，用于當主機與從機通信時查詢使用，READY1為1時，可讀取沖擊波數(shù)據(jù)。
當單片機發(fā)送數(shù)據(jù)時，IO總線首先發(fā)送地址碼，地址鎖存譯碼電路生成數(shù)據(jù)裝載使能片選信號，之后IO總線待發(fā)送字節(jié)鎖存到數(shù)據(jù)寄存器SPDR，同時Sek時鐘發(fā)生器產生8個Sek時鐘，SPDR移位寄存器在Sek的時鐘沿把待發(fā)送字節(jié)從MOSI順序移出，同時把MISO引腳數(shù)據(jù)移入SPDR寄存器，Sek計數(shù)器計數(shù)到8個Sek時鐘后，產生SPIF傳輸結束標志，單片機讀取SPIF標志是否為1，判斷一字節(jié)時候傳輸完畢。
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(2)軟件部分：單片機為主控制器，首先查詢從機狀態(tài)標志位READY是否為1，判斷是否可以與從機通信。從機準備就緒時，單片機可裝載1字節(jié)發(fā)送數(shù)據(jù)，啟動CPLD內部SPI接口電路，查詢并等待SPI傳輸結束標志位SPIF為1，完成一字節(jié)數(shù)據(jù)傳輸，如此重復。圖3、圖4為主機發(fā)送與接收1字節(jié)流程圖。
3 試驗結果與分析
圖5為邏輯分析儀捕獲CPLD擴展SPI接口電路讀取沖擊波模塊數(shù)據(jù)時波形。
bit8：READY信號，從機高電平時主機讀取數(shù)據(jù);bit9：Sck時鐘信號，主機查詢READY為高時裝載發(fā)送字節(jié)，并產生8個Sek時鐘，啟動SPI傳輸;bit10：MOSI，主機輸出端口;bit11：MISO，主機輸入端口，Sek上升沿讀取數(shù)據(jù)，連續(xù)兩個周期讀取的數(shù)據(jù)分別為0x07(000001 11)，0Xb0(10110000)，兩周期時間間隔為20.400us，傳輸速度可達4×105bps，滿足系統(tǒng)要求。
結束語
為了滿足系統(tǒng)測試任務，無線傳感器節(jié)點采用模塊化設計，各功能模塊通過SPI接口鏈接。由于系統(tǒng)功能要求，使一個模塊與多個模塊鏈接通信，其接口電路SPI工作在不同的主從機模式，使用單一SPI接口主從切換，勢必降低模塊間通信速度與靈活性。依據(jù)可編程邏輯器件CPLD有其編程靈活、易擴展性，在模塊內部擴展專用SPI接口，試驗證明SPI接口電路設計，有簡化模塊間連接、提高通信速度、系統(tǒng)擴展性強，以及提高系統(tǒng)整體性能的特點。
