学习实践

毕设_1：CC1310 sub-1GHz的无线传感器网络节点设计

在假期中，每天上午都在图书馆，学习Coursera的IoT Communications相关课程，因为课上所学习的内容与毕设相关度高，而且资源丰富（特别是理论方面），课程安排合理，老师讲课深入浅出，整理很多的笔记，其中有很多不错的图表可以借鉴，基础概念的介绍，可以用于论文。https://www.coursera.org/learn/iot-communications/home

参考了IT相关原理图（有很多可以简化设计的地方），结合自己对于电路的理解，自主设计了基于CC1310模块的原理图与PCB图，进行了布局优化，改进了元器件参数，使其更加紧凑。

按照原理图的元件参数，在淘宝上选购了特定信号的芯片和元器件，使用中国供应商生产的相关芯片和元器件，对于IT公司的推荐的元器件进行了国产化替代。（基本为贴片）

之后自己核对布线，元器件布局规则，之后递交PCB文件给立创EDA厂家制作，从生产到收到PCB一般为两天，之后借助Hot Plate (热板)和Soldering Iron (焊铁)，焊接了两块基于CC1310的射频PCB板，进行了相关防静电操作。

由于下图U3和U10的芯片非常小，引脚很小而且很接近，在焊接的时候出现了很多问题。焊接时，先焊接电源升压相关部分（3V-3.3V），之后使用电压表测试预留的test point，输入3V电源是否可以升压为3.3V，检测是否有焊接问题，之后就不断排查问题和试错。最终实现了相关要求。

由于买的是现成模块，内部有厂家烧入的原始固件，通过厂家提供的文件进行了两个模块之间通信测试，最终可以成功通信，由此可以确定元器件的焊接没有问题。

完成了硬件部分，接下来就是软件部分。

之前只使用过STM32F103和STM32F407系列的芯片，现在换为了TI的CC1310系类。虽然都是ARM Cortex-M架构，可以参考之前学习的内容。但是编译工具和之前有很大的不同，之前主要使用keil V5，STLINK仿真烧录器和串口工具，现在需要使用TI相关工具（CCS 20.0.2 Flash Programmer 2 SmartRF Studio 7 TI System Configuration Tool等）和参考文档。

我就制定和安排学习计划。先学习CC1310芯片内容部架构，特别学会了区分基于CC1310F128RSM芯片的自制模块和基于CC1310F128RGZ（官方CC1310 launchpad）的不同，本质为芯片封装的大小和GPIO数量的不同，因为TI提供example和demo是基于CC1310 launchpad中的CC1310F128RGZ芯片，但是CCS IDE中的芯片型号选择只可以选择到CC1310F128，具体的引脚数量（GPIO数量）没有明确区分。launchpad板载外设，比如LED和button等等在官方提供的初始化配置代码中都有明确的规定（GPIO和LED，Button有明确映射关系），如果使用自助模块的芯片，就会导致板载外设资源初始化配置出错，从而一直陷入在while（1）语句中。

如图中的函数（使用cJTAG 调试在Debug中发现的问题）。总的来说就是板载资源初始化GPIO分配的问题。

解决方法：1. 打开板级引脚配置文件（通常是 CC1310_LAUNCHXL.c）。2. 找到 BoardGpioInitTable 定义，进行相应的修改。

例程烧录部分遇到的问题：在厂家烧录的固件时，将芯片模块设置为锁定，导致了cJTAG 接口被禁用。因为蓝色模块（类似于最小系统板）是现成购买的（考虑了硬件和运费的成本问题和SMT手动焊接时间问题）。

我排查了一下内容：

JTAG/cJTAG 调试接口选择问题：分析了2-pin cJTAG（缩减版）和标准 4-pin JTAG。最终确定了是2-pin cJTAG

XDS110调试器配置问题（固件版本问题）

硬件电路问题，原理图烧录模块设计问题或者焊接问题

XDS110 USB Debug Probe的固件需要升级

芯片模块有锁定设置，导致了cJTAG 接口被禁用

在Flash Programmer 2中进行了forced mass erase（强制大量擦除）

具体深入了解了CC1310芯片手册，特别是PHY的IEEE 802.15.4g和wireless M-bus（专为能源计量的协议）运行的层级。对于一些特定专业性的问题，就主要参考了IEEE官网信息。

寻找了TI相关培训资源和YouTube各种教程资源

CC1310软件速成之：https://edu.21ic.com/m/video/1944.html

CC1310硬件射频从设计到成型：https://edu.21ic.com/m/video/1939.html

TI RTOS入门：https://www.ti.com.cn/zh-cn/video/series/getting-started-ti-rtos.html?utm_source=chatgpt.com

安装了TI的各种工具：smart RF 7、simplelink CC13X0 SDK、Sensor Controller Studio和CCS IDE。系统了解了各种工具的功能和如何使用工具链构建自己的项目。

收藏下载了各种TI的文档资源和相关示例代码，看书和资料，初步了解了射频天线工作原理，无线通信的的基本原理。

在Coursera中系统学习了IoT Communications，对于433 MHz频率和总距离 𝐷=75m，在第一 Fresnel 区域的半径为约 3.60 米。

第三周

参考TIDA-01477（支持低于 1GHz 技术和传感器到云网络的温湿度传感器节点参考设计），面向澳洲大型农场的无线传感器网络设计，自主扩展了纽扣电池、升压模块、433MHz的棒状天线和温湿度传感器芯片等等；裁剪了很多冗余的功能，使模块整体运行达到了精简高效的状态。自主设计出了功耗低，成本低、体积小、重量轻、可靠性高的模块，未来还可以将成品模块直接设计在绿色的PCB板上（目前是试验品）。

完成了”按键中断翻转电平点灯操作”整一套流程，了解并且熟悉了TI开发CC1310系类芯片的各种工具链，软件包、编译环境和TI各种英文设计手册和参考文档的查找整理学习。深入学习了TI相关的射频电路的硬件设计、天线相关参数设计和芯片引脚的配置，CC1310的TI-RTOS代码实现底层原理，寄存器操作，物理引脚映射，工程文件的各种的相互链接，编译器编译代码，再烧录进芯片的底层原理实现，芯片启动的汇编文件，设置堆栈和进入主程序的过程等等。

正式开始进行基于CC1310无线传感器网络项目软件开发。

系统复习了嵌入式（ARM架构的Cortex M4）相关知识：

复习了C语言重要知识：结构体，指针等等

熟悉了CCS编译环境和工具，特别是XDS110和CCS联动调试，更加熟悉了软件代码的调试思路(如何设置断点，如何步进等等)，由于TI的CC1310芯片的示例代码很庞杂不仅在工程中使用了很多.c/.h文件，很多多余的宏定义，很多用不到的初始化函数，而且调用了很多TI drivers中的drivelib各种.h和.c文件(底层文件，存放寄存器结构体的操作，很多初始化判断语句)，有很多用不到的外设配置（SD 外部flash等等），刚刚入门时，不熟悉C语言结构体指针等等语法，理解起来比较困难。特别是寄存器配置流程和开发相关功能（按键中断翻转电平点灯操作，串口配置和使能相关寄存器操作）。很关键的一点：它的示例代码是基于CC1310F128RGZ芯片的官方提供的launchpad开发板，我使用的是CC1310F128RSM芯片，不同封装和引脚配置，需要删除多余引脚号，而且芯片引脚外接的元器件的方式不同，比如说开关和LED的上拉下拉方式不同，需要修改相关寄存器的结构体指针。

在调试代码过程遇到了很多问题，但是我积极参考了TI网站和相关论坛对于CC1310系列的硬件和软件调试分析，结合和自己对于代码相关内容的熟悉度，快速调试排查了相关问题。

通过调试的暂停功能，可以确定程序陷入了哪一些函数的死循环中（初始化配置不通过的后果）。

再进一步通过设置断点和步进，可以具体排查出是那个判断语句的问题。

如图所示，函数卡在了PIN_remove函数中

PIN_remove函数，具体是没有通过第一个判断，直接到了PIN_NO_ACCESS。

看出了它是一个结构体函数，从而对它进行go to definition操作或者references操作可以看出它定义了一个extFlashPinState，这个就是外部flash，是不需要使用的功能，所以要将其注释掉，当将其使用到的部分注释之后，程序就可以运行了！

在TI示例代码的基础上，自主设计了一个类似于printf（）函数的调试打印方式。

第四周

这周学习主题为TI RTOS，系统学习了RTOS的基础功能，和相对于裸机的优势。我本来想在CC1310中使用FreeRTOS的，但是CC1310目前不支持FreeRTOS，我只能参考FreeRTOS学习TI RTOS，在YouTube中找到了为数不多的优质相关度高的资源，而后学习了如何在CCS中构建测试环境（各种调试功能，比如Runtime Object view、RTOS Analyzer等等），学习了如何使用CCS在RTOS的工程中创建不同的任务，配置不同优先级，安排各个任务的运行时间片，使用CCS集成的sysconfig工具通过GUI自定义各种参数，配置相关代码。

学习记录：

空闲任务idle：进入低功耗，去内存碎片

串口发送，只可以每个任务只可以使用特定的一个串口，需要互斥量

任务调度是RTOS的核心

阻塞：是对于特定对象，比如等待需要的数据。

熟练使用了SmartRF工具配置无线通信的频段，信道，调制方式等等。

测量无线环境噪声（使用433MHz, 50 kbps,2-GFSK, 25 kHz deviation）

之后测试了两个模块之间的通信，（433MHz, 50 kbps,2-GFSK, 25 kHz deviation）距离为10cm。

思考了使用树莓派通过 UART 串口与 CC1310 通信，然后让 CC1310 通过 433MHz 无线广播 OTA 更新所有 CC1310 设备！（进阶项目）

全面学习物联网发展和主流通信协议方法，主要分为（依靠运营商的方案和偏远地区不依靠运营商的方案）。

详细了解了MQTT协议，CoAP等等和web协议的异同。

搜索了很多CC1310论文，顶刊中有很多方法值得借鉴学习。

学习coursesa的物联网课程

在YouTube上视频学习，通过代码直观体现了RTOS的具体流程，从零开始敲代码，手把手教学。

第五周

测试了一个基于TI RTOS和EasyLink功能，可以通过串口使用AT指令控制CC1310的通信频段，功率，速率等等。这个代码应该就是我之前刚刚到手的厂家烧录的基础源代码！我跑通了这个代码，并且测试了相关功能。它有丰富的预定义功能和扩展功能，完全可以自定义修改。

学习了解了CCS和XDS110的高级功能：Energytrace、RTOS analyzer等等。因为烧录软件不是官方的，所以有些功能无法使用。

Execution Analysis：分析每个task（thread）运行时间。

EasyLink AT Command Interface

论坛学习，参考相关问题。

通过I2C获取温湿度数据。一开始测试了那一块PCB板，通过各种测试和调试都无法解决湿度信息为0%的问题，之后换了另一块PCB板突然解决了这个问题。我就发现了是因为那个温湿度芯片HDC2010没有焊接好！因为它只有1mm*1mm，很难焊接！

在农田环境（阴雨天），实地测试了CC1310模块的通信性能

左图为发送端，右图为接收端（连接电脑，分析数据包）。

原始数据帧（没有经过数据处理）。只是简单测试了一下，进行可行性分析，之后可以测试更多的数据。

分析了各种模式下的功耗！

发送的温湿度数据包！结合ASCII表分析！

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Field Analysis

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RSSI	-37	Signal strength, unit: dBm