无线传感器网络节点模块化的接口电路设计

摘要：为了完成测试任务，传感器节点采用模块化设计。为了实现各模块间方便、快速地通信，依据可编程逻辑器件CPLD编程灵活，在部分功能模块内扩展了专用SPI接口电路。试验证明：接口电路工作稳定、模块间可快速便捷通信、系统扩展性强，系统整体性能提高。
关键词：无线传感器网络；模块化设计；CPLD；SPI

0 引言
无线传感器网络是由大量传感器节点通过无线通信自组织构成的网络，被认为是将对21世纪产生巨大影响力的技术之一。在分布式测试中使用无线传感器网络，不受通信电缆的限制、组态灵活、重构性强，可以在较恶劣的测试环境中使用。由无线传感器网络组成的分布式测试系统已应用于水中爆炸测试系统。在一些分布场测试系统中，被测量种类繁杂，为完成测试任务，节点采用模块化设计，SPI接口电路简单、传输速度快，各模块通过SPI总线通信协同完成测试任务。但在实际开发应用中，由于系统要求，使某些模块与多个模块链接，且接口工作在不同的模式下，如果完成通信需要功能模块的SPI接口主从切换，致使通信速度与灵活性降低。CPLD具有可编程性特点，可根据需要扩展专用SPI接口电路，提高系统通信速度与灵活性，方便系统扩展功能模块，提高系统整体性能。

1 节点的模块化设计及其接口电路
无线传感器网络节点采用模块化的设计方法，每个节点包括无线收发模块、核心主控模块和功能模块。系统通过无线收发模块接收主站发送的命令码，核心主控模块对命令解码，完成对各功能模块的控制(开启采集、时统清零等)。系统要完成多次重复性试验，因此每次试验完毕要把实验数据(冲击波数据、环境变量信息、时统跟定位信息等)存储到数据存储管理模块统一管理，同时准备下次试验。系统工作时，数据储存管理模块SPI接口一方面工作在从模式，接收主控模块发送的命令；另一方面工作在主模式，转发控制其他功能模块的命令码并读取试验数据进行统一管理，图1为在其内扩展专用工作在主模式下的SPI接口的模块问链接图。专用工作在主模式下的SPI接口电路，具有提高模块间数据传输速度与灵活性等特点。

2 SPI接口电路设计
数据存储管理系统以单片机和可编程逻辑器件组成核心控制器。可编程逻辑器件CPLD依据其编程灵活、易修改的特点，配合单片机在其内部扩展SPI接口电路，不仅简化了接口和控制，且提高了系统的整体性能及系统扩展性。
SPI接口电路设计分两部分：
(1)硬件部分：CPLD内扩展SPI接口框图如图2。在CPLD内部编写双向IO总线、地址锁存译码电路、时钟发生器、接收和发送数据移位寄存器、传输结束标志SPIF产生器等电路完成SPI接口电路设计。READY1为与从机(冲击波模块等)通信时状态标志位，用于当主机与从机通信时查询使用，READY1为1时，可读取冲击波数据。