中心議題：

• 無線傳感器網絡節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，不受通信電纜的限製、組態靈活、重(zhong)構(gou)性(xing)強(qiang)，可(ke)以(yi)在(zai)較(jiao)惡(e)劣(lie)的(de)測(ce)試(shi)環(huan)境(jing)中(zhong)使(shi)用(yong)。由(you)無(wu)線(xian)傳(chuan)感(gan)器(qi)網(wang)絡(luo)組(zu)成(cheng)的(de)分(fen)布(bu)式(shi)測(ce)試(shi)係(xi)統(tong)已(yi)應(ying)用(yong)於(yu)水(shui)中(zhong)爆(bao)炸(zha)測(ce)試(shi)係(xi)統(tong)。在(zai)一(yi)些(xie)分(fen)布(bu)場(chang)測(ce)試(shi)係(xi)統(tong)中(zhong)，被(bei)測(ce)量(liang)種(zhong)類(lei)繁(fan)雜(za)，為(wei)完(wan)成(cheng)測(ce)試(shi)任(ren)務(wu)
，節(jie)點(dian)采(cai)用(yong)模(mo)塊(kuai)化(hua)設(she)計(ji)
，SPI接口電路簡單、傳輸速度快，各模塊通過SPI總zong線xian通tong信xin協xie同tong完wan成cheng測ce試shi任ren務wu。但dan在zai實shi際ji開kai發fa應ying用yong中zhong
，由you於yu係xi統tong要yao求qiu

，使shi某mou些xie模mo塊kuai與yu多duo個ge模mo塊kuai鏈lian接jie，且qie接jie口kou工gong作zuo在zai不bu同tong的de模mo式shi下xia
，如ru果guo完wan成cheng通tong信xin需xu要yao功gong能neng模mo塊kuai的deSPI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，可根據需要擴展專用SPI接口電路，提高係統通信速度與靈活性，方便係統擴展功能模塊，提高係統整體性能。

1 節點的模塊化設計及其接口電路

無線傳感器網絡節點采用模塊化的設計方法，每個節點包括無線收發模塊
、核心主控模塊和功能模塊。係統通過無線收發模塊接收主站發送的命令碼
，核心主控模塊對命令解碼
，完成對各功能模塊的控製(開啟采集、時統清零等)。係統要完成多次重複性試驗，因此每次試驗完畢要把實驗數據(衝擊波數據、環境變量信息
、時統跟定位信息等)存儲到數據存儲管理模塊統一管理，同時準備下次試驗。係統工作時，數據儲存管理模塊SPI接口一方麵工作在從模式

，接收主控模塊發送的命令;另一方麵工作在主模式
，轉發控製其他功能模塊的命令碼並讀取試驗數據進行統一管理
，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，具有提高模塊間數據傳輸速度與靈活性等特點。

2 SPI接口電路設計

數據存儲管理係統以單片機和可編程邏輯器件組成核心控製器。可編程邏輯器件CPLD依據其編程靈活、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製，且提高了係統的整體性能及係統擴展性。

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、時鍾發生器、接收和發送數據移位寄存器、傳輸結束標誌SPIF產生器等電路完成SPI接口電路設計。READY1為與從機(衝擊波模塊等)通信時狀態標誌位，用於當主機與從機通信時查詢使用
，READY1為1時，可讀取衝擊波數據。

當單片機發送數據時，IO總線首先發送地址碼，地址鎖存譯碼電路生成數據裝載使能片選信號
，之後IO總線待發送字節鎖存到數據寄存器SPDR，同時Sek時鍾發生器產生8個Sek時鍾，SPDR移位寄存器在Sek的時鍾沿把待發送字節從MOSI順序移出
，同時把MISO引腳數據移入SPDR寄存器，Sek計數器計數到8個Sek時鍾後
，產生SPIF傳輸結束標誌，單片機讀取SPIF標誌是否為1，判斷一字節時候傳輸完畢。
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(2)軟件部分：單片機為主控製器，首先查詢從機狀態標誌位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字節發送數據，啟動CPLD內部SPI接口電路，查詢並等待SPI傳輸結束標誌位SPIF為1，完成一字節數據傳輸，如此重複。圖3
、圖4為主機發送與接收1字節流程圖。

3 試驗結果與分析

圖5為邏輯分析儀捕獲CPLD擴展SPI接口電路讀取衝擊波模塊數據時波形。

bit8：READY信號
，從機高電平時主機讀取數據;bit9：Sck時鍾信號，主機查詢READY為高時裝載發送字節，並產生8個Sek時鍾
，啟動SPI傳輸;bit10：MOSI，主機輸出端口;bit11：MISO
，主機輸入端口
，Sek上升沿讀取數據，連續兩個周期讀取的數據分別為0x07(000001 11)
，0Xb0(10110000)，兩周期時間間隔為20.400us，傳輸速度可達4×105bps，滿足係統要求。

結束語

為了滿足係統測試任務，無線傳感器節點采用模塊化設計，各功能模塊通過SPI接口鏈接。由於係統功能要求，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

、係統擴展性強，以及提高係統整體性能的特點。