TÌM HIỂU VI ĐIỀU KHIỂN CC1010 I.GIỚI THIỆU VI ĐIỀU KHIỂN CC1010 Vi điều khiển CC1010 là một Module tích hợp vi điều khiển họ 8051 thông thường với bộ truyền nhận RF không dây trên cùng một chip,vì thế khi ghép nối với đầu đo ,không những có khả năng tạo thành các điểm đo thông số môi trường mà còn có thể xây dựng thành một nút mạng trong cấu hình mạng cảm nhận không dây,cả nút mạng và nút gốc đều được thiết kế với chip xử lý chính là vi điều khiển CC1010. CC1010 với các đặc điểm,cấu tạo và đặc tính tiêu thụ điện năng thấp và có chức năng xử lý như một máy vi tính có thêm các bộ thu phát RF,bộ mã hóa DES,bộ biến đổi ADC,…phù hợp để ghép các cảm biển dể trở thành một nút mạng trong mạng cảm nhận không dây .Mạch ứng dụng tương đối đơn giản CC1010 ,thuận tiện để tạo ra các nút WSN hoạt động như một thiết bị độc lập.Việc lập trình cho CC1010 được sử dụng các thư viện của 8051 và các bộ dịch cho 8051. Có thể sử dụng assemble hoặc C để lập trình cho CC1010.Trong CC1010 có tích hợp một bộ gỡ rối,hỗ trợ mô trường phát triển KilVision2 qua cổng giao tiếp. 1. Các đặc điểm chính: - Thu phát không dây 300 – 1000 MHz. - Dòng tiêu thụ rất thấp (9.1 mA trong chế độ nhận). - Độ nhạy cao (-107 dBm). - Có thể lập trình cho công suất đầu ra tới +10 dBm. 1
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
TÌM HIỂU VI ĐIỀU KHIỂN CC1010
I.GIỚI THIỆU VI ĐIỀU KHIỂN CC1010
Vi điều khiển CC1010 là một Module tích hợp vi điều khiển họ 8051 thông thường
với bộ truyền nhận RF không dây trên cùng một chip,vì thế khi ghép nối với đầu đo ,không
những có khả năng tạo thành các điểm đo thông số môi trường mà còn có thể xây dựng
thành một nút mạng trong cấu hình mạng cảm nhận không dây,cả nút mạng và nút gốc đều
được thiết kế với chip xử lý chính là vi điều khiển CC1010.
CC1010 với các đặc điểm,cấu tạo và đặc tính tiêu thụ điện năng thấp và
có chức năng xử lý như một máy vi tính có thêm các bộ thu phát RF,bộ mã hóa DES,bộ
biến đổi ADC,…phù hợp để ghép các cảm biển dể trở thành một nút mạng trong mạng cảm
nhận không dây .Mạch ứng dụng tương đối đơn giản CC1010 ,thuận tiện để tạo ra các nút
WSN hoạt động như một thiết bị độc lập.Việc lập trình cho CC1010 được sử dụng các thư
viện của 8051 và các bộ dịch cho 8051. Có thể sử dụng assemble hoặc C để lập trình cho
CC1010.Trong CC1010 có tích hợp một bộ gỡ rối,hỗ trợ mô trường phát triển KilVision2
qua cổng giao tiếp.
1. Các đặc điểm chính:
- Thu phát không dây 300 – 1000 MHz.
- Dòng tiêu thụ rất thấp (9.1 mA trong chế độ nhận).
- Độ nhạy cao (-107 dBm).
- Có thể lập trình cho công suất đầu ra tới +10 dBm.
Mỗi bit trong thanh ghi Px có một bit hướng tương ứng trong thanh ghi PxDIR.y.
Đặt PxDIR.y = 1 sẽ làm cho Px.y là cổng nhận dữ liệu (input).
Đặt PxDIR.y = 0 sẽ làm cho Px.y là cổng xuất dữ liệu (output).
2
3. Ngắt
CC1010 có tổng cộng 15 nguồn ngắt, chia sẻ 12 đường ngắt. Mỗi ngắt có một mức
ưu tiên, vector ngắt, cờ cho phép ngắt và cờ báo ngắt.
3
Bảng 1. Các tham số ngắt
Mặt nạ ngắt:
IE.EA là cờ cho phép toàn bộ các ngắt, ngoại trừ ngắt Flash/Debug. Khi IE.EA
được thiết lập, mỗi ngắt được che bởi cờ cho phép ngắt được liệt kê trong bảng 2.1.
Khi cờ IE.EA bị xoá, tất cả các ngắt bị che, ngoại trừ ngắt Flash/Debug có bít che ngắt
riêng EICON.FDIE
Xử lý ngắt
Khi một ngắt được cho phép xảy ra, CPU nhảy tới địa chỉ phục vụ ngắt tương ứng
với ngắt đó (ISR), như chỉ ra ở bảng 1. CC1010 thực hiện ISR để hoàn thành trừ khi một
ngắt khác có mức ưu tiên cao hơn xảy ra. Mỗi ISR kết thúc với lệnh RETI. Sau khi thực
hiện lệnh RETI, CC1010 quay trở lại lệnh tiếp theo sau lệnh đã được thực hiện trước khi
xảy ra ngắt. Nếu lệnh đang thực hiện là RETI, hay đang ghi vào các thanh ghi IP, IE, EIP,
EIE, CC1010 hoàn thành thêm một lệnh trước khi phục vụ ngắt.
Thứ tự ưu tiên
Các ngắt có 2 giai đoạn ưu tiên: mức ngắt và mức tự nhiên. Mức ngắt được ưu tiên
trước mức tự nhiên.
Mức ngắt có 2 mức: thấp và cao. Ngắt có mức ưu tiên là cao sẽ có thể ngắt ngang
chương trình phục vụ ngắt có mức ưu tiên thấp hơn. Nếu các ngắt có cùng mức ưu tiên mà
cùng xảy ra đồng thời, ngắt nào có mức ưu tiên tự nhiên thấp nhất sẽ được phục vụ trước.
4
4. Biến đổi ADC
Bộ biến đổi ADC của CC1010 có độ phân giải 10 bit, được điều khiển bởi các
thanh ghi ADCON và ADCON2. Có ba kênh vào ADC là AD0, AD1 và AD2, các
kênh này được chọn bởi thanh ghi ADCON.ADADR. Thanh ghi này cũng được sử
dụng để chọn chân AD1 như là điện áp tham chiếu ngoài (khi sử dụng AD0). Khi chân
AD1 được dùng như tham chiếu ngoài, chỉ có hai lối vào AD0 và AD2 của ADC được
sử dụng. Đầu ra của ADC là đơn cực, nghĩa là giá trị 0 tương ứng với 0V, giá trị 1023
(tức 210
) tương ứng với điện áp tham chiếu, điện áp tham chiếu có thể được chọn bằng
1.25V hoặc VDD phụ thuộc vào bit ADCREF. Điện áp tham chiếu analog được điều
khiển bởi ADCON.ADCREF. Để tiết kiệm năng lượng thì cần đặt bit
ADCON.AD_PD = 1 khi không sử dụng ADC.
Biến đổi ADC được bắt đầu sau 5μs sau khi xoá bit điều khiển
ADCON.ADCRUN nếu sử dụng VDD hay nguồn tham chiếu ngoài, hoặc bắt đầu sau
100μs nếu sử dụng tham chiếu trong 1.25V
5. Bộ định thời
CC1010 có 4 bộ định thời Timer 0, Timer 1, Timer 2, Timer 3 hoạt động như là bộ
định thời hay bộ đếm (Timer/Counter) trong đó Timer2 và Timer3 còn có thể hoạt
động như bộ điều chế độ rộng xung (PWM - Pulse Width Modulation).
6. Bộ thu phát không dây (RF Transceiver)
6.1 Miêu tả chung
Bộ thu phát CC1010 UHF RF được thiết kế cho những ứng dụng tiêu thụ năng
lượng thấp và điện áp thấp. Mạch thu phát được dành cho ISM (công nghiệp, khoa học và
y học) và SRD (Short Range Device) dải tần 315, 433, 868 và 915 MHz, nhưng có thể
dễ dàng lập trình để hoạt động trong dải tần 300-1000 MHz. Các thông số chính của
CC1010 có thể được lập trình thông qua các thanh ghi chức năng đặc biệt (Special
Function Registers - SFRs), làm cho CC1010 rất mềm dẻo và dễ sử dụng bộ thu phát vô
tuyến. Rất ít các thành phần tích cực đòi hỏi cho hoạt động của bộ thu phát RF.
Một sơ đồ khối được đơn giản hoá của bộ thu phát RF được thể hiện ở hình 2. Chỉ
có các chân tín hiệu analog được thể hiện cùng với bus dữ liệu SFR bên trong để thiết lập
giao tiếp RF và để truyền và nhận dữ liệu.
5
Hình 2. Sơ đồ khối của bộ thu phát RF
Chỉ các chân tín hiệu analog được thể hiện cùng với bus dữ liệu SFR bên trong để
thiết lập giao tiếp RF và để truyền và nhận dữ liệu.Trong chế độ nhận, CC1010 được
cấu hình như bộ thu đổi tần truyền thống. Tín hiệu lối vào RF được khuếh đại bởi bộ
khuếch đại ồn thấp LNA (low-noise amplifier) và chuyển xuống thành trung tần
(intermediate frequency – IF) bởi bộ trộn MIXER. Trong trạng thái trung tần (IF
STAGE) các tín hiệu chuyển đổi này được khuếch đại và lọc trước khi đưa tới bộ giải
điều chế DEMOD. Một tín hiệu RSSI hay tín hiệu trung tần IF sau khi được trộn được
đưa vào chân AD2 (RSSI/IF). Sau giải điều chế, tín hiệu số được chuyển vào thanh ghi
RFBUF. Các ngắt có thể được phát ứng với mỗi bit hoặc byte nhận được
(EXIF.RFIF).
Trong chế độ truyền, tín hiệu ra của một bộ dao động điều khiển bằng điện áp
VCO (Voltage Controlled Oscilator) được đưa trực tiếp tới bộ khuếch đại công suất
PA. Lối ra RF là khoá dịch chuyển đổi tần số FSK bởi luồng bít được đưa tới thanh ghi
RFBUF. Tại đây các ngắt cũng có thể được sinh ra ứng với mỗi bit hay byte.Mạch
chuyển đổi nội tại T/R giúp cho việc giao tiếp với anten dễ dàng hơn mà chỉ sử dụng
rất ít các thành phàn ngoại vi.
Bộ tổ hợp tần số tạo ra tín hiệu dao động bên trong và đưa tín hiệu này tới bộ
6
MIXER ở chế độ nhận hoặc đưa tới PA ở chế độ truyền. Bộ tổ hợp tần số bao gồm
một bộ dao động thạch anh XOSC, một bộ dò pha PD, bộ bơm nạp, bộ lọc, VCO và
các bộ chia tần (/N và /R). Một tinh thể ngoài có thể được nối vào XOSC. VCO chỉ cần
một cuộn cảm ngoài Mạch ứng dụng RF.
6.2 Mạch ứng dụng RF
Bộ thu phát RF đòi hỏi rất ít các thiết bị ngoại vi. Một mạch ứng dụng điển hình
được thể hiện ở hình 3.
Hình 3:Mạch ứng dụng RF điển hình.
Tương ứng vào/ra: Cặp C31/L32 là đầu vào của bộ nhận, nội trở của L32 có tác
dụng định thiên một chiều. C41, L41 và C42 được dùng để tương ứng với bộ truyền có
trở kháng 50Ω. Bộ chuyển T/R làm cho nó có thể nối với lối vào và ra với nhau và
7
tương thích với bộ truyền 50Ω ở cả hai chế độ RX và TX.
VCO được tích hợp hoàn toàn trừ cuộn cảm L101.
Nguồn cung cấp: các tụ tách và lọc nguồn cung cấp cần được sử dụng (trong sơ
đồ mạch ứng dụng không chỉ ra phần này). Các tụ này càng đặt gần chân nguồn càng
tốt. Vị trí và kích thước của tụ tách và lọc nguồn cần được chú ý để đạt được độ nhạy tốt
nhất.
Lọc: Các thành phần bên ngoài (ví dụ RF LC hay lọc răng cưa) có thể được sử
dụng để cải tiến hiệu năng cho các ứng dụng riêng biệt. Nếu lọc răng cưa được sử dụng, nó
chỉ có tác dụng cho RX (phải sử dụng chuyển mạch ngoài RX/TX).
7. Module CC1010EM.
Để dễ dàng và thuận tiện cho việc phát triển các ứng dụng sử dụng vi điều khiển
CC1010, hãng Chipcon cũng cung cấp module CC1010EM (Evaluation Module) trên
đó có tích hợp hầu hết các linh kiện cần cho việc xây dựng một nút mạng như:
- Vi điều khiển CC1010.
- Dao động thạch anh.
- Antena.
- Một cảm biến nhiệt độ đưa vào chân AD1.
- Các chân cổng.
Module được mô tả trên hình 4. Việc xây dựng thử nghiệm trong khuôn khổ khoá
luận này chúng tôi cũng dùng module CC1010EM. Việc thử nghiệm sau này đã
cho thấy rằng module này đã đáp ứng được các chức năng cơ bản của nút mạng
đó là hai chức năng mạng và cảm nhận.
8
Hình 4: Module CC1010EM
8. Mô hình mạng sử dụng nút mạng là vi điều khiển CC1010 trong mạng WSN
WSN gồm nhiều nút mạng CC1010 giao tiếp với nhau qua sóng vô
tuyến tần số 300-1000MHz.có ba loại nút mạng:Trạm gốc,nút cảm nhận,va
nút chuyển tiếp.Các nút cảm nhận có gắn đầu đo vừa trực tiếp đo số liệu và truyền về trạm
gốc vừa chuyển tiếp dữ liệu nhận được từ các nút con trong topolopy dạng cây, gửi về cho
nút cha
9
Hình5: mô hình triển khai của mạng cảm nhận sử dụng CC1010
Hình6: mô hình triển khai của mạng cảm nhận khi trạm gốc xa trung tâm
Vi điều khiển CC1010 với những ưu điểm đã được phân tích ở trên tỏ ra
khá thích hợp với mô hình mạng cảm nhận không dây.Dùng vi điều khiển
CC101 có thể xây dựng được nhiều ứng dụng hấp dẫn với sơ đồ thiết kế không quá phức
tạp.Phần mềm nhúng có thể đi theo hướng hệ điều hành hoặc đơn giản hơn là các phương
10
trình nhỏ có thể viết bằng các ngôn ngữ lập trình thông dụng như ASM,C … và nạp cho
vi điều khiển
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]Chipcon, CC1010 Datasheet, www.chipcon.com
[2]Chipcon, CC1010IDE Manual, www.chipcon.com
[3]http://123doc.vn
Đề tài: Nghiên cứu quản lý năng lượng của mạng cảm nhận không dây
I. MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY1. Khái niệm:
Mạng cảm nhận không dây là mạng sử dụng phương thức truyền nhận bằng sóng Radio mà các nút mạng được tích hợp bộ vi điều khiển và bộ cảm biến.
2. Cảm biến:Các cảm biến là những thiết bị cảm nhận và đáp ứng với các tín hiệu hay kích thích. Bộ cảm biến thực hiện chức năng thu thập thông tin, đo đạc, theo dõi sự thay đổi của các biến trạng thái như nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ, áp suất, momen...Vấn đề quản lý năng lượng
Nguyên nhân quản lý năng lượng— Nút mạng hoạt động được nhờ năng lượng— Nút mạng đặt ngoài môi trường, ít sự can thiệp người quản trị
Nguyên nhân hao phí năng lượng— Hao phí điện năng trong quá trình xung đột.— Phí tổn điều khiển gói tin.— Nghe lỏm truyền thông không cần thiết.— Thời gian nghỉ kéo dài
Tiêu thụ năng lượng nút cảm biến phụ thuộc chế độ hoạt động: Trong WINS, Tx: Rx : Sleep = 1080mW : 750mW : 64mW Trong Mica Mote, Tx: Rx : Sleep = 25mW : 22mW : 0.02mW Đánh giá :
Chế độ ngủ tiêu thụ ít năng lượng nhất, Tx tiêu thụ nhiều năng lượng nhất Radio cần tắt để giữ năng lượng giống cũng như hạn chế thời gian nghỉ mạng cảm
biến. Phân bố năng lượng
Bộ xử lý Radio Sensors và ADC
B.Các nguồn năng lượng• Nguồn năng lượng mặt trời• Nguồn năng lượng rung động cơ học• Nguồn năng lượng từ pin… Chọn nguồn năng:— Thời gian sản xuất— Khả năng thay thế— Giá cả ban đầu và giá cả phát sinh— Thời gian hoạt động, điện trở trong, giá trị điện áp, kích thước, ảnh hưởng sinh học. Hấp thụ năng lượng
— Pin quang điện— Rung động cơ học— Nguồn hấp thụ năng lượng khác1. Giao thức điều đình (Mediation Device- MD)2. Phương thức hạn chế chu trình làm việc của nút
mạng (Sleep- Listen)3. Giải thuật LEACH4. Cấu hình năng lượng tối thiểu (MPC-Minimum
Power Configuration) Nút mạng tiêu thụ điện năng
12
trung bình theo thời gianP= α . P0 + (1- α) . Ps
P = năng lượng tiêu thụ trung bình theo thờigian (đơn vị W)α = Chu trình tác vụP0 = Năng lượng tiêu thụ khi hoạt động tích cực (Đơn vị W)Ps = Năng lượng tiêu thụ trong chế độ chờ standby (Đơn vị W)
Giảm P thì giảm P0 và Ps
Phương thức hạn chế chu trình làm việc của nút mạng(Sleep- Listen)
Lược đồ cơ bản
Lựa chọn và duy trì lịch trình— Tự đưa ra lịch trình— Theo lịch trình nút lân cận— Nhận lịch trình của nút khác khi đã có lịch trình— Duy trì sự đồng bộ hóa
Cơ chế tránh xung đột và nghe lỏm1. Cơ chế tránh xung đột.2. Cơ chế tránh nghe lỏm
13
Nút nào phải ngủ khi A đang truyền thông với B ?Giải thuật LEACHKiến trúc mạng liên kết bó:
Nút đầu bó tiêu thụ điện năng lớn hơn những nút trong bó. Quay vòng đầu bó.
Thao tác LEACH chia làm nhiều vòng và mỗi vòng có 4 giai đoạn:1. Giai đoạn thông báo (Advertisement Phase)2. Giai đoạn thiết lập Cluster (Cluster Set-up Phase )3. Tạo bảng lịch trình (Schedule Creation)
4. Truyền dữ liệu (Data Transmission) Mạng WSN cần phải giảm năng lượng tiêu thụ trong mỗi trạng thái năng lượng của
radio (trạng thái truyền, nhận, và nghỉ). MPC giảm đến mức tối thiểu năng lượng tiêu thụ trong tất
cả trạng thái năng lượngVí dụ minh họa
truyền thông từ a tới c: a → c hoặc a → b → c.-Trường hợp 1: a truyền trực tiếp tới c sử dụng dãy truyền|ac| khi b đang ngủ.-Trường hợp 2: a truyền tới b sử dụng dãy truyền |ab| và bchuyển tiếp dữ liệu từ a tới c
Tương lai tiếp theo của mạng cảm biến:Mạng cảm biến thường làm việc ở mức tốt nhất nếu biết bố trí cấu trúc mạng phù
14
hợp với ứng dụng nhất, chẳng hạn như nếu ứng dụng của bạn cần kiểu mạng điểm-điểm, thì việc gi bạn phải đi tìm một kiểu mạng khác.Tiềm năng của việc đưa web vào thế giới cảm biến là vô cùng lớn. Web sẽ giúp cảm biến hoạt động hợp tác với nhau tạo nên một kiểu mạng thông minh để giải quyết những tồn tại hiện này mà mạng cảm biến đang gặp phải, hay những yêu cầu nảy sinh trong tương lai. Khi công nghệ phần mềm và phần cứng trưởng thành hơn nữa chúng ta sẽ được chứng kiến nhiều hơn công nghệ web trong sàn máy.
Bài viết tham khảo tài liệu tổng hợp từ internet.
Liên quan đến mạng cảm biến không dây WSN (Wireless Sensor Network) tác giả
và các cộng sự đã có một số bài viết cho tạp chí trong nhiều số phát hành trước đây,
bài này nhằm giới thiệu cấu trúc các lớp chức năng của mạng, đặc biệt ở lớp liên kết
dữ liệu (data link layer).
Đây là lớp quan trọng, có ảnh hưởng quyết định đến việc tiêu thụ năng lượng từng
nút mạng và vì vậy ảnh hưởng đến thời gian sống của toàn mạng WSN. Tìm hiểu
vấn đề này, giúp chúng ta có tầm nhìn chi tiết hơn về thiết kế mạng cảm biến không
dây WSN theo tinh thần đồng thiết kế sử dụng FPGA để đạt mục tiêu tiết kiệm năng
lượng.
1. Các thủ tục điều khiển thâm nhập môi trường (MAC)
MAC là chức năng quan trọng được hỗ trợ bởi lớp liên kết dữ liệu - data link. Thủ
tục MAC được phân thành nhiều loại khác nhau dựa trên những nguyên tắc khác
nhau. Một số theo hướng tập trung: trạm cơ sở điều khiển thâm nhập; Một số theo
hướng phân tán; một số lại sử dụng một kênh duy nhất, một số sử dụng nhiều kênh;
Một số sử dụng các cách điều khiển thâm nhập ngẫu nhiên khác nhau; một số lại sử
dụng hội thoại và lập lịch. Chúng nhằm tối ưu các thông thông số: công suất, độ trễ,
thông lượng, độ đồng đều, chất lượng dịch vụ, nhiều loại dịch vụ. Một cơ cấu MAC
có mức tiêu thụ năng lượng siêu thấp đã được trình bày [1]. Trong đó một số kỹ
thuật đã được sử dụng. Băng thông được đổi lấy hiệu quả công suất, đồng thời vứt
bỏ các dư thừa để tiết kiệm năng lượng. Thuật giải là phân tán và không yêu cầu
đồng bộ. Nhu cầu là thiết kế MAC trong lớp liên kết dữ liệu sao cho thu được tiêu