沈阳航空航天大学电子信息工程学院毕业设计（论文）
图 2.7 路径表方式路由转发数据
路由节点要按照某种路由通信协议，查找路由表，路由表中列出整个无线局域网中包含的各个节点，以及节点间的路径情况和与它们相联系的传输费用。如果到特定的节点有一条以上路径，则基于预先确定的准则选择最优(最经济)的路径。由于各种网络段和其相互连接情况可能发生变化，因此路由情况的信息需要及时更新，这是由所使用的路由信息协议规定的定时更新或者按变化情况更新来完成。网络中的每个路由节点按照这一规则动态地更新它所保持的路由表，以便保持有效的路由信息。 路由节点在转发报文的过程中，为了便于在网络间传送报文，按照预定的规则把大的数据包分解成适当大小的数据包，到达目的地后再把分解的数据包包装成原有形式。
多协议的路由节点可以连接使用不同通信协议的网络段，作为不同通信协议网络段通信连接的平台。
路由节点的主要任务是把通信引导到目的地网络，然后到达特定的节点站地址。后一个功能是通过网络地址分解完成的。例如，把网络地址部分的分配指定成网络、子网和区域的一组节点，其余的用来指明子网中的特别站。分层寻址允许路由节点对有很多个节点站的网络存储寻址信息。
在广域网范围内的路由器按其转发报文的性能可以分为两种类型，即中间节点路由器和边界路由器。尽管在不断改进的各种路由协议中，对这两类路由器所使用的名称可能有很大的差别，但所发挥的作用却是一样的。
路由节点在网络中传输时，提供报文的存储和转发。同时根据当前的路由表所保持的路由信息情况，选择最好的路径传送报文。由多个互连的LAN组成的公司或企业网络一侧和外界广域网相连接的路由器，就是这个企业网络的边界路由器。它从外部广域网收集向本企业网络寻址的信息，转发到企业网络中有关的网络段；另一方面集中企业网络中各个LAN段向外部广域网发送的报文，对相关的报文确定最好的传输路径。
2.5 软件设计思路
nRF2401是一款工作在2.4~2.5GHz世界通用ISM频段的单片无线收发器芯片。无
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线收发器包括：频率发生器增强型Shock Burst模式控制器、功率放大器、晶体振荡器、调制器、解调器。输出功率、频道选择和协议的设置可以通过SPI接口进行设置。 在nRF2401工作的时候，最重要的一种协议就是SPI协议。
SPI是英语Serial Peripheral interface的缩写，就是串行外围设备接口。主要应用在EEPROM、FLASH、实时时钟、AD转换器，还有数字信号处理和数字信号解码器之间。SPI是一种高速的，全双工，同步通信总线，在芯片的管脚上只有4跟线，节约了芯片的管脚，同时为PCB的布局节省空间，操作方便，正是因为这种简单的特征，越来越多的芯片使用了这种通信协议。
SPI的通信原理很简单，它以主从方式工作，这种模式通常有一个主设备和一个或多个从设备，需要至少4根线，事实上3根也可以（用于单向传输时，也就是半双工方式）。也是所有基于SPI的设备共有的，它们是SDI（数据输入），SDO（数据输出），SCLK（时钟），CS（片选）。在nRF2401中，数据输入为MOSI，数据输出为MISO，时钟为SCK，片选为CSN。
(1) MOSI– SPI 总线主机输出/ 从机输入 (2) MISO– SPI 总线主机输入/ 从机输出 (2) SCK –时钟信号，由主设备产生 (4) CSN – 从设备使能信号，由主设备控制
其中CSN是控制芯片是否被选中的，也就是说只有片选信号为预先规定的使能信号时（高电位或低电位），对此芯片的操作才有效。这就允许在同一总线上连接多个SPI设备。
接下来就负责通讯的3根线了。通讯是通过数据交换完成的，这里先要知道SPI是串行通讯协议，也就是说数据是一位一位的传输的。这就是SCK时钟线存在的原因，由SCK提供时钟脉冲。MOSI、MISO则基于此脉冲完成数据传输。数据输出通过MOSI线，数据在时钟上升沿或下降沿时改变，在紧接着的下降沿或上升沿被读取。完成一位数据传输，输入也使用同样原理。这样，在至少8次时钟信号的改变(上沿和下沿为一次)，就可以完成8位数据的传输。
要注意的是，SCK信号线只由主设备控制，从设备不能控制信号线。同样，在一
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个基于SPI的设备中，至少有一个主控设备。这样的传输方式与普通的串行通讯不同，普通的串行通讯一次连续传送至少8位数据，而SPI允许数据一位一位的传送，甚至允许暂停，因为SCK时钟线由主控设备控制，当没有时钟跳变时，从设备不采集或传送数据。也就是说，主设备通过对SCK时钟线的控制可以完成对通讯的控制。因为SPI的数据输入和输出线独立，允许同时完成数据的输入和输出，所以SPI还是一个数据交换协议。不同的SPI设备实现方式不尽相同，主要是数据改变和采集的时间不同，在时钟信号上沿或下沿采集有不同定义。
SPI主模块和与之通信的外设备时钟相位和极性应该一致。这句话有2层意思：其一，主设备SPI时钟和极性的配置应该由外设来决定；其二，二者的配置应该保持一致，即主设备的MOSI同从设备的MOSI配置一致，主设备的MISO同从设备的MISO配置一致。因为主从设备是在SCK的控制下，同时发送和接收数据，并通过2个双向移位寄存器来交换数据。
在点对点的通信中，SPI接口不需要进行寻址操作，且为全双工通信，显得简单高效。在多个从设备的系统中，每个从设备需要独立的使能信号，硬件上比I2C系统要稍微复杂一些。
Shock Burst模式下nRF2401可以与成本较低的低速MCU相连。高速信号处理是由芯片内部的射频协议处理的，nRF2401提供SPI接口，数据率取决于单片机本身接口速度。Shock Burst模式通过允许与单片机低速通信而无线部分高速通信，这样可以减小通信的平均消耗电流。
在Shock Burst接收模式下，当接收到有效的地址和数据时IRQ通知MCU，随后MCU可将接收到的数据从RX_FIFO寄存器中读出。
在Shock Burst发送模式下，nRF2401自动生成前导码及CRC。数据发送完毕后IRQ通知MCU。减少了MCU的查询时间，也就意味着减少了MCU工作量的同时减少了软件的开发时间，nRF2401内部有三个不同的RX_FIFO寄存器和三个不同的TX_FIFO寄存器。在掉电模式下、待机模式下和数据传输的过程中MCU可以随时访问FIFO寄存器。这就允许SPI接口可以以低速进行数据传送，并且可以应用于MCU硬件上没有SPI接口的情况。
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增强型Shock Burst模式可以使得双向链接协议执行起来更为容易、有效。典型的双向链接为：发送方要求终端设备在接收到数据后有应答信号，以便于发送方检测有无数据丢失。一旦数据丢失，则通过重新发送功能将丢失的数据恢复。增强型的Shock Burst模式可以同时控制应答及重发功能而无需增加MCU工作量。
2.5.1 自动应答(RX)：
自动应答功能减少了外部MCU的工作量，因此降低成本减少电流消耗。自动应答功能可以通过SPI口对不同的数据通道分别进行配置。
在自动应答模式使能的情况下，收到有效的数据包后，系统将进入发送模式并发送确认信号。发送完确认信号后，系统进入正常工作模式。
2.5.2 自动重发功能ART(TX)：
自动重发功能是针对发送方的自动应答系统。SETUP_RETR寄存器设置启动重发数据的时间长度。在每次发送结束后系统都会进入接收模式并在设定的时间范围内等待应答信号。接收到应答信号后，系统转入正常发送模式。如果TX_FIFO中没有待发送的数据且CE脚电平为低，则系统将进入待机模式I。如果没有收到确认信号，则系统返回到发送模式并重发数据直到收到确认信号或重发次数超过设定值。有新的数据发送或PRIM_RX寄存器配置改变时丢包计数器复位。
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第3章 硬件设计
整个无线传感器节点机的设计的硬件电路主要是以51单片机为核心的数处理系统、nRF2401的无线通信片和电源电路。
在硬件的设计中，nRF2401使用的是无线模块，电源电路是由AMS1117这种稳压芯片组成。
3.1 51单片机部分
单片机是本设计中数据处理的重要部分，本文采用的是STC公司的STC89C51系列单片机中的STC89C52芯片。这是一款8051的内核芯片，内部含有Flash、 EEPROM存储器，该器件为CMOS产品。单片机的内部RAM为512B，芯片外部晶振最高可以接入40MHz，温度是0到70摄氏度。单片机为双列直插式，51 单片机的最小系统电路如图3.1所示。
图 3.1 单片机最小系统
3.1.1单片机的空闲与掉电模式
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