（控制理论与控制工程专业论文）非标准无线射频技术在devicenet现场总线上的应用研究.pdf

摘要 现场总线作为工业数据通信网络的基础，它不仅是一个基层网络，而且还是一种开 放式、新型全分布式的控制系统。已受到世界范围的关注而成为自动化技术发展的热点。 而由于工业现场中的环境要求，使得一些情况下的无线数据传输成为必选的通信方式如 移动对象或旋转设备上的传感器等。 本论文从这一工业实际应用需求出发，介绍了当前工业领域应用比较广泛的现场总 线技术和无线技术，分析了它们各自的技术特点。并选取d e v i c e n e t 现场总线和非标准 无线射频技术作为课题的研究内容。论文首先介绍了非标准无线射频技术的特点，对采 用该技术的n r f 2 4 l 0 1 芯片的特性及控制方式做了详细的介绍。然后，介绍了d e v i c e n e t 现场总线的基础知识和协议规范，对协议的体系结构进行了分析。d e v i c e n e t 规范是一 套完善、严密的协议体系，可以应用于各种不同的领域，本文主要对其在数据采集与传 输方面的应用进行了研究。随后，介绍了无线节点以及d e v i c e n e t 从节点的软、硬件设 计实现。d e v i c e n e t 从节点设计包括应用层设计，数据链路层设计以及底层的物理接口 实现。本课题通过利用a t 8 9 s 5 2 微控制器的软件设计实现d e v i c e n e t 的应用层协议，利 用c a n 控制器芯片s j a l 0 0 0 来实现d e v i c e n e t 的数据链路层协议，并用c a n 总线收发器 p c a 8 2 c 2 5 0 实现d e v i c e n e t 总线的物理接口。最后，介绍了对所开发的d e v i c e n e t 节点 所做的测试，并对该课题的下一步工作以及d e v i c e n e t 技术和无线技术的发展和热点进 行了展望。 关键词：现场总线d e v i c c n e t 应用层数据链路层n r f 2 4 l 0 1s j a l 0 0 0 a b s t r a c t f i e l d b u si st h eb a s i co fi n d u s t r i a ld a t at r a f f i c ，i t sn o to n l yab a s i cn e t ，b u ta l s oa no p e n 、 d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e ma n dh a sb e c o m et h ef o c u so fa u t o m a t i o nt e c h n o l o g yi m p r o v e m e n t b a s eo nt h el i m i to fc o n d i t i o n si ni n d u s t r yf i e l d ，s u c ha sm o v e do b j e c to rt h es e n s o ro nr o t a t e d e q u i p m e n tw eh a v et oc h o o s ew i r e l e s sd a t at r a f f i cw a y t h i st h e s i si n t r o d u c e ss o m ef i e l d b u sa n dw i r e l e s st e c h n o l o g yw h i c ha r ew i d e l yu s e di n i n d u s t r yf i e l d ，a n a l y s e t h e i rc h a r a c t e r i s t i c d e v i c e n e tf i e l d b u sa n dn o n s t a n d a r dr a d i o 行e q u e n c ew e r ec h o s ea sr e s e a r c hc o n t e n t f i r s t ，t h i st h e s i si n t r o d u c e st h ec h a r a c t e r i s t i co f n o n s t a n d a r dr a d i of r e q u e n c ea n dn r f 2 4 l 0 1m i c r o c h i pw h i c hi n t e g r a t e st h i st e c h n o l o g y t h e n t h ed e v i c e n e ts p e c i f i c a t i o ni ss t u d i e da n dd i s c u s s e dc a r e f u l l y t h ed e v i c e n e ts p e c i f i c a t i o ni s as e to fp e r f e c t l ya n dl o g i c a l l yp r o t o c o l ，a n dc a nb eu s e di nd i f f e r e n tf i e l d s t h i st h e s i s r e s e a r c h e st h eu s i n go fd a t ap i c k i n g u pa n dt r a n s m i t t i n g t h e nt h i st h e s i sd i s c u s s e st h e h a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no fw i r e l e s sn o d ea n dd e v i c e n e ts l a v en o d e d e v i c e n e ts l a v e n o d ed e s i g ni n c l u d e sa p p l i c a t i o nl a y e r ，d a t al i n kl a y e ra n dp h y s i c a ll a y e lt h ea t 8 9 s 5 2a n d s j a l 0 0 0c a nc o n t r o lc h i pw e r es e l e c t e dt or e a l i z ed e v i c e n e ta p p l i c a t i o nl a y e ra n dd a t al i n k l a y e r ，a n dt h ep c a 8 2 c 2 5 0c a n t r a n s c e i v e rw a su s e df o rc o n n e c t i n gt ot h ed e v i c e n e tb u s f i n a l l y , t h ep a p e rg i v e st h et e s tm e t h o da n dr e s u l to ft h ed e v i c e n e ts l a v en o d ew h i c hw a s d e v e l o p m e n tb yu sa n da na b s t r a c td e s c r i p t i o nf o rt h ed e v e l o p m e n to ft h ed e v i c e n e tf i l e d b u s p r o d u c t s k e yw o r d s ：f i e l d b u s ，d e v i c e n e t ，n r f 2 4 l 0 1 ，a p p l i c a t i o nl a y e r , d a t al i n kl a y e r s j a l 0 0 0 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 墨盗堡墨盘堂或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：售务豕 签字日期：砂g 年月肜日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 墨盗墨墨盘堂有关保留、使用学位论文 的规定。特授权墨盗墨墨盘鲎 可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编， 以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子 文件。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 焦，希桑、j 。i 一l 、 签字日期：矽8 年月f 易日 导师签色至终 签字日期：跏学年月莎日， 第一章绪论 第一章绪论 随着网络及通信技术的飞速发展，人们对无线通信的要求越来越高。近距无线技术 正在成为关注的焦点。而在工业现场中，随着越来越多的复杂控制系统的应用，要求在 现场设备与控制设备之间的信息交流量越来越多。为了满足工业现场对数据通讯的要 求，现场总线技术应运而生。但是，对于许多工业环境及过程控制环境下的对象，如移 动对象或旋转设备上的传感器，手持的数据采集设备，距离远的单设备、传感器、执行 器等，临时安装的器件，有线的物理介质连接是较难甚至无法实现的，在这种情况下就 需要无线技术和现场总线的结合方案。以下对现场总线技术、各种无线技术的特点及在 工业中的应用做一综述。 1 1 现场总线的现状与发展 现场总线是用于现场仪表与控制系统和控制室之间的一种全分散、全数字化、智能、 双向、互联、多变量、多点、多站的通信网络。i e c 对现场总线一词的定义为j 现场总 线是一种应用于生产现场、在现场设备之间、现场设备与控制装置之间实行双向、串行、 多节点数字通信的技术【。现场总线是当今自动化领域发展的热点之一，被誉为自动化 领域的计算机局域网。它作为工业数据通信网络的基础，沟通了生产过程现场级控制设 备之间及其与更高控制管理层之间的联系。它不仅是一个基层网络，而且还是一种开放 式、新型全分布式的控制系统。这项以智能传感器、控制、计算机、数据通信为主要内 容的综合技术，己受到世界范围的关注而成为自动化技术发展的热点，并将导致自动化 系统结构与设备的深刻变革。 1 1 1 现场总线的产生 在过程控制领域中，从2 0 世纪5 0 年代至今一直都在使用着一种信号标准，那就是 4 。2 0 m a 的模拟信号标准。2 0 世纪7 0 年代，数字式计算机引入测控系统中，而此时的 计算机提供的是集中式控制处理。2 0 世纪8 0 年代微处理器在控制领域得到应用，微处 理器被嵌入到各种仪器设备中，形成了分布式系统。在分布式控制系统中，各微处理器 被指定一组特定任务，通信则由一个带有附属“网关 的专有网络提供，网关的程序大 部分是由用户编写的。 随着微处理器的发展和广泛应用，产生了以微处理器为核心，实施信息采集、显示、 处理、传输及优化控制等功能的智能设备。一些具有专家辅助推断分析和决策能力的数 字式智能化仪表产品，其本身具备了诸如自动量程转换、自动调零、自校正、自诊断等 第一章绪论 功能，还能提供故障诊断、历史信息报告、状态报告、趋势图等功能。通信技术的发展， 促使传送数字化信息的网络技术开始得到广泛应用。与此同时，基于质量分析的维护管 理、与安全相关系统的测试记录、环境监视需求的增加，都要求仪表能在当地处理信息， 并在必要时允许被管理和访问，这些也使现场仪表与上级控制系统的通信量大增。另外， 从实际应用的角度出发，控制界也不断在控制精度、可操作性、可维护性等方面提出新 需求。由此导致的现场总线的产生。 现场总线的主要目的是用于控制、报警和事件报告等工作。现场总线通信协议的基 本要求是响应速度和操作的可预测性的最优化。现场总线是一个低层次的网络协议，在 其上还允许有上级的监控和管理网络，负责文件传送等工作。现场总线为引入智能现场 仪表提供了一个开发平台，基于现场总线的分布式控制系统，将是继d c s 后的又一代 控制系统【2 】。 1 1 2 现场总线的特点 1 现场总线的结构特点p j 现场总线打破了传统控制系统的结构形式。传统模拟控制系统采用一对一的设备连 线，按控制回路分别进行连接。位于现场的测量变送器与位于控制室的控制器之问，控 制器与位于现场的执行器、开关、电动器之间均为一对一的物理连接 现场总线控制系统由于采用了智能现场设备，能够把原先d c s 系统中处于控制室 的控制模块、各输入输出模块置于现场设备中，加上现场设备具有通信能力，现场的测 量变送仪表可以与阀门等执行机构直接传送信号，因而控制系统功能够不依赖于控制室 的计算机或控制仪表，直接在现场完成，实现了彻底的分散控制。 由于采用数字信号替代模拟信号，因而可实现一对电线上传输多个信号，如运行参 数值、多个设备状态、故障信息等，同时又为多个设备提供电源，现场设备以外不在需 要模拟数字，数字模拟转换器件。这样就为简化系统结构、节约硬件结构、节约连接 电缆与各种安装、维护费用创造了条件。 2 现场总线的技术特点 ( 1 ) 系统的开放性 开放系统是指通信协议公开，各不同厂家的设备之间可进行互连并实现信息交换， 现场总线开发者就是要致力于建立统一的工厂低层网络的开放系统。这里的开放是指对 相关标准的一致性、公开性、强调对标准的共识与遵从。一个具有总线功能的现场总线 网络系统必须是开放的，开发系统把系统集成的权力交给了用户，用户可按自己的需要 和对象，把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统。 ( 2 ) 互可操作性与互用性 这罩的互可操作性，是指实现互连设备间、设备间的信息传送与沟通，可实行点对 点，一点对多点的数字通信。而互用性则意味着不同生产厂家的性能类似设备可进行互 换而实现互用。 ( 3 ) 系统结构的高度分散性 第一章绪论 由于现场设备本身可完成自动控制的基本功能，使得现场总线已构成一种新的全分 布式控制系统的体系结构，从根本上改变了现有d c s 集中与分散相结合的集散控制系 统体系，简化了系统结构，提高了可靠性。 ( 4 ) 对现场环境的适应性 工作在现场设备前端，作为工厂网络底层的现场总线，是专为现场环境工作而设计 的，它可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线等，具有较强的抗干扰能力。 1 1 3 现场总线的现状 国际电工技术委员会国际标准协会自1 9 8 4 年起着手现场总线标准工作，但统一的 标准至今尚未完成。同时，世界上许多公司也推出了自己的现场总线技术。目前，国际 上影响较大的现场总线有4 0 多种，比较流行的主要有f f ，c a n ，p r o f i b u s ，l o n w o r k s ， d e v i c e n e t 总线等。下面对他们作简单介绍1 4 】。 1 基金会现场总线( f o u n d a t i o nf i e l d b u s ) 简称f f ，这是在过程自动化领域取得广泛支持和具有良好发展前景的技术。它以 i s o o s i 开发系统互连模型为基础，取其物理层、数据链路层、应用层为f f 通信模型 的相应层次，并在应用层上增加了用户层。其物理介质的传输信号采用曼彻斯特编码， 每位发送数据的中心位置或是正跳变或是负跳变。正跳变代表o ，负跳变代表1 从而使 串行数据位流中具有足够的定位信息，以保持双方的时间同步。由于世界上大的仪表 公司与用户都参加了f f ，因此f f 开发的现场总线产品在品种与性能上都能满足控制要 求，选择范围比较广，使用方便并且价格合理。f f 能实现产品的可互操作性与可互换 性。功能块比较完全，用户组网及使用都比较方便并且留有空间，可供用户开发具有独 特功能的功能块。产品开发、试验及推广实力雄厚，考虑完善，产品的可靠性与实用性 较高。 2 控制器局域网( c o n t r o l l e r a r e an e t w o r k ) 简称c a n ，最早是由德国b o s c h 公司提出，用于汽车内部测量与执行部件的数 据通信。其总线规范已被i s o 国际标准组织制定为国际标准，并广泛应用在离散控制领 域。 其模型结构只有3 层，只取o s i 的物理层、数据链路层和应用层。其信号传输介质 为双绞线，通信速度最高可达1 m b i t s ，可挂接设备最多可达1 1 0 个。c a n 的信号传输 采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8 个，因而传输时间短，受干扰的概率低。当节 点严重错误时，具有自动关闭的功能以切断该节点与总线的联系，使总线上的其他节点 通信不受影响，具有较强的抗干扰能力。c a n 支持多主方式工作，网络上任何节点均 可在任何时刻主动向其他节点发送信息，支持点对点、一点对多点和全局广播方式接收 发送数据。它采用总线仲裁技术，当出现几个节点同时在网络传输信息时，优先级高的 节点可继续传输数据，而优先级低的节点则主动停止发送，从而避免了总线冲突【5 1 。 3 p r o f i b u s ( p r o c e s sf i e l d b u s ) ： p r o f i b u s 是作为德国国家标准d i n l 9 2 4 5 和欧洲标准e n 5 0 1 7 0 的现场总线。 第一章绪论 p r o f i b u s 由三部分组成，即p r o f i b u s f m s ( 现场总线报文规范) 、p e o f i b u s d p ( 分 散型外围设备) 及p r o f i b u s p a ( 过程自动化) 。其中，p r o f i b u s d p 是专门为自动控 制系统与分散加的设备级之间进行通信使用的，使用p r o f i b u s d p 可取代2 4 v 或 4 2 0 m a 的并行信号传输。p r o f i b u s p a 是专门为过程自动化设计的，可使传感器和执 行器接在同一根公用的总线上，甚至在本质安全区也可接上。根据i e c l l 5 8 2 国际标准， p r o f i b u s p a 用双线进行总线供电和数据通信。p r o f i b u s f m s 用来解决车间级通用 性通信任务。f m s 提供强有力的通信服务，用于完成中等传输速度的循环和非循环的通 信任务。 4 d e v i c e n e t d e v i c e n e t 是一种低成本的的通信连接。它将工业设备( 如限位开关、光电传感器、 阀组、变频驱动器等) 连接到网络，从而省去了昂贵的硬接线。d e v i c e n e t 的直接互连 性不仅改善了设备间的通信，而且同时提供了相当重要的设备级诊断功能，这是通过硬 接线f o 接口很难实现的。简单地说，可以归纳出以下一些技术特点1 6 l ： ( 1 ) 最大6 4 个节点； ( 2 ) 1 2 5 k b p s 5 0 0 k b p s 通信速率； ( 3 ) 点对点，多主或主从通信； ( 4 ) 采用c a n 物理层和数据链路层规约，使用c a n 规范芯片。 ( 5 ) 支持选通、轮询、循环、状态改变和应用触发的数据传送。 d e v i c e n e t 是一个比较年轻的总线，也是较晚进入中国的现场总线。但d e v i c e n e t 价格低、效率高，特别适用于制造业、工业控制、电力系统等行业的自动化，适合于制 造系统的信息化。 2 0 0 2 年1 0 月8 日，d e v i c e n e t 现场总线被批准为国家标准，该标准于2 0 0 3 年4 月 1 日开始实施。 1 2 无线技术简介 1 2 1 蓝牙技术 蓝牙技术是一种无线数据与语音的开发性全球规范，其实质内容是为固定设备或移 动设备之间的通信环境建立通用的近距离无线接口，将通信技术与计算机技术进一步结 合起来，使各种设备在没有电线或电缆互相连接的情况下，能在近距离范围内实现相互 通信或操作。其传输频段为全球公众通用的2 4 g h zi s m 频段，提供1 m b p s 的传输速率 和最远1 0 0 m 的传输距离i7 。 自蓝牙规范1 0 版推出以后，蓝牙技术的推广与应用得到了飞速的发展，这些产品 包括：高价位的移动电话，无绳电话，便携式p c 和p d a ，无线电话耳机无线扫描仪、 打印机、传真机等。由于蓝牙技术具有丌放性、低功耗、体积小点对多点连接等方面的 特点，使之可以广泛应用于各种短距离通信环境中，具有广泛的应用前景【8 l 。然而，目 前蓝牙技术的应用主要局限于通讯、电子领域，在工业上的应用还处于实验研究阶段。 第一章绪论 在我国，已有许多科研机构及大学研究蓝牙技术的工业应用，主要集中在以下几个 方面： ( 1 ) 工业现场控制国内现在对于蓝牙技术的研究多停留在民用消费电子产品上，只 有少数的大学在进行将蓝牙技术应用于工业现场控制中的研究，但是都没有最终实现稳 定的产品。国外的一些公司如美国c r o s s b o w 公司、瑞典c o n n e c t b l u e 公司等在进行这方 面的研究，而且已经生产出商品化的产品，但产品的价格都比较高。 ( 2 ) 蓝牙传感器技术传感器是工业现场信息系统重要组成部分，负担着采集信息的 任务，传感器间大量的电缆不仅限制了传感器的便携性，而且给工业现场的操作造成了 极大的不便。为解决这些问题，国内外许多家企业都在研究传感器的无线解决方案。蓝 牙作为一种短距离无线传输技术，它的特点和范围都非常适合工业现场的要求。目前国 内还没有蓝牙无线传感器的成熟产品出现，虽然已经有这方面的研究，但是大多数仍处 于网络结构定义及原型产品开发阶段。 1 2 2i e e e 8 0 2 1 1 i e e e 8 0 2 1 1 是i e e e 最初制定的一个无线局域网标准，主要用于解决办公室局域网 和校园网中用户与用户终端的无线接入，业务主要限于数据存取，速率最高只能达到 2 m b p s 。 由于8 0 2 1 1 在速率和传输距离上都不能满足人们的需要，因此，i e e e 小组又相继 推出了8 0 2 1 l b 和8 0 2 1 1 a 两个新标准，三者之间的主要区别在于m a c 子层和物理层。 8 0 2 1 l b 物理层支持5 5 m b p s 和1 1 m b p s 两个新速率，采用了一种新的调制技术c c k 完成，8 0 2 1 l b 使用动态速率漂移，可因环境变化，在l l m b p s 、5 5 m b p s 、2 m b p s 、1 m b p s 间切换，且在2 m b p s 、1 m b p s 时速率与8 0 2 1 1 兼容1 9 j 。 目前，针对无线局域网技术所做的工作大部分着眼于无线局域网桥和a p 接入点的研 究，通过无线网桥实现无线局域网和以太网的互连。无线网桥可以完成完整的无线收发 以及m a c 控制功能，以及帧转换和帧管理功能。 1 2 3i r d a 技术 i r d a 技术是一种利用红外线进行点对点通信的技术，是第一个实现无线个人局域 网的技术。目前它的软硬件技术都很成熟，在小型移动设备，如p d a 、手机上广泛使用。 i r d a 的主要优点是无需申请频率的使用权，因而红外通信成本低廉。并且还具有 移动通信所需的体积小、功耗低、连接方便的优点 i r d a 的不足在于它是一种视距传输，两个相互通信的设备之间必须对准，中间不 能被其它物体阻隔，因此该技术只能用于2 台设备之间的连接。i r d a 目前的研究方向 是如何解决视距传输问题以及提高数据传输率。 1 2 4 基于无线收发芯片的点对多点无线网络 无线局域网和蓝牙技术与现场总线技术的结合有各自的优点，但也存在着一些问 第一苹绪论 题，无线局域网虽然连接方便，数据的传输速率也快，但其价格昂贵，功耗大，主要是 应用于p c 机，不太适合应用于小型的电子产品。目前，有一些研究是使用蓝牙技术来 实现设备之间的短距离无线互连，蓝牙是一种开放的标准协议，这样使得不同产品的无 线连接的兼容性较好，而且蓝牙的功耗也比较低，因此，蓝牙技术在以后的短距离无线 互连的应用会越来越多。但目前蓝牙的成本较高，协议结构复杂，导致产品的开发有一 定的难度。而红外技术的视距传输要求使得它很难在工业现场被应用。同时，在某些只 需要简单的无线连接的应用领域，如住宅和楼宇自动化，工业控制设备等，需要一种低 成本、低功耗、能够快速开发应用的方案来实现无线连接。目前市场上提供的无线收发 模块种类较多，功能强大，选取合适的模块实现无线通信功能，和现场总线技术相结合也 是一种经济、实用的解决方案，同时也具有实际的意义。 目前，比较常用的无线收发芯片包括：n r f 4 0 1 、n r f 2 4 0 1 、n r f 2 4 e 1 等，这些芯片 在电力系统近距离无线抄表、多点无线温湿度测量系统、现场短距离无线数据采集与传 输系统中都有所应用，能够满足系统需求。 1 3 课题研究目的与意义 由于现场总线控制系统适应了工业控制系统向分散化、网络化、智能化发展的方向， 给自动化系统的最终用户带来更大的实惠和更多的方便，并促使自动化仪表、集散控制 系统( d c s ) 面临体系结构和功能等方面的重大变革，导致工业自动化产品的又一次更 新换代，因而现场总线在世界范围内已经成为自控技术的热点，被誉为跨世纪的自控新 技术。然而，作为一种新的控制系统，现场总线在我国的发展还处在起步阶段，虽然有 许多专家学者都纷纷看好现场总线的发展前景并为之付出了努力，但总的来说现场总线 在我国的发展还很薄弱。因此，本课题选取开发支持d e v i c e n e t 的仅限组2 从节点的应 用研究，旨在对我国现场总线的发展起铺垫作用。 随着微电子和无线技术的发展，无线网络越来越受到人们的重视，无线网络不受电 缆束缚、可移动、能解决有线网络中中布线困难、电缆插拔件松动、短路带来的问题， 并且有组网灵活，扩展方便应用范围逛灯诸多优点，在商业网络中取得了广泛的应用。 随着无线通信技术的成熟和工业控制网络化、分散化和智能化发展趋势的要求，无线网 络作为传统现场总线的补充手段，在工业控制领域中应用将成为必然，对于许多工业环 境及过程控制环境下的对象，如移动对象或旋转设备上的传感器，手持的数据采集设备， 距离远的单设备、传感器、执行器等，临时安装的器件，有线的物理介质连接是较难或 甚至无法实现的。在这种情况下，对于如何将无线技术与现场总线技术相结合从而应用 于工业生产的研究具有很大的现实意义。无线技术在现场总线中的应用还是一个新的研 究领域，主要困难在于无线传输的复杂、不可靠、工业控制环境的恶劣，以及工业环境 对于数据的实时性、可靠性要求等因素，但将无线通信用于工业控制底层又是很有前途 的研究，它的实现将突破现有有线网络布线的局限性，也可以将移动对象融入控制网络 中，使得整个网络系统更加灵活，工业控制网络的趋势必定是向有线和无线混合网络发 展。本课题将对无线通信技术和现场总线技术进行研究，最终实现现场总线设备之间的 第一章绪论 无线通信。 1 4 课题研究内容 本课题的研究内容为d e v i c e n e t 现场总线技术和非标准无线射频技术，将两种技术 结合从而实现无线技术在现场总线上的应用。主要工作可分为以下两部分 ( 1 ) 无线部分：组建无线网络，实现无线网络从节点与接入点间的无线通信。 主要研究内容为：无线网络的构建，多点通信的实现机制及数据传输的稳定性设计。 对于无线传输部分，本课题构建了一个多点传输的无线网络，不同于常见的点对点 传输方式，该无线网络中，有两个无线从节点与无线主节点通信，而两个无线从节点是 独立的，为了保证两个节点同时进行数据传输可能造成的数据丢失，以及传输的不稳定。 本课题从数据校验，采用握手机制、错误重发机制，以及利用无线芯片自身提供的跳频 功能等几个方面提出了解决方案。 ( 2 ) 有线部分：接收无线网络从节点的数据，实现现场总线主站与接入点间的通信。 主要研究内容为：d e v i c e n e t 现场总线协议解读，对协议的体系结构进行分析，完成 符合d e v i c e n e t 协议规范要求的从节点的软硬件设计。 d e v i c e n e t 从节点的设计是本课题设计的重要部分，该节点在现场总线网络上作为 从节点与主站进行数据通信，这就要求开发的节点必须符合d e v i c e n e t 通信协议。同时， 在无线系统中，本节点作为主节点，接收两个无线节点所传送的数据。 第二章非标准无线射频技术特点与应用 第二章非标准无线射频技术特点与应用 2 1 非标准无线射频技术简介 网络及通信技术的飞速发展，人们对无线通信的要求越来越高，近距离无线技术正 在成为关注的焦点，目前使用较广泛的近距无线通信技术是蓝牙，无线局域网8 0 2 1 1 和红 外数据传输。同时还有一些具有发展潜力的近距无线技术标准，例如z i g b e e 、超宽频( u w b ) 等。 以上所列均为已有国际标准的无线传输系统，它们都有其立足的特点，或基于传输 速度、距离、耗电量的特殊要求；或着眼于功能的扩充性。但一个共同的特点在于有复 杂的协议结构，在某些只需要简单的无线连接的应用领域，如住宅和楼宇自动化，工业 控制设备等，需要的是一种低成本、低功耗、能够快速开发应用的方案来实现无线连接。 非标准无线射频技术正是在这种需求下应运而生的，该技术的特点为没有复杂的通信协 议整个无线通信的数据链路层协议全部集成在硬件芯片中，具有低成本，开发周期短的 优点。 非标准的无线射频技术种类繁多，经过对性能的比较以及具体开发要求的考虑，研 究课题选择了n o r d i c 公司的n r f 2 4 l 0 1 芯片作为无线部分的收发芯片。n r f 2 4 l 0 1 是 n o r d i c 公司0 5 年1 2 月推出的一款工业级内置链路层逻辑的2 4 g h z 超低成本的无线收发 芯片，支持多点间通信，最高传输速率达2 m b i t s ，比蓝牙具有更高的传输速度。嵌入的 链路层控制减少了m c u 的复杂性和成本并且提高了数据传输的可靠性，与蓝牙不同的 是，n r f 2 4 l 0 1 没有复杂的通信协议，它完全对用户透明通过一个标准的s p i 接口与外围 控制器连接。相比其它有以下突出性斛1 0 j ： ( 1 ) 支持多点间通信，传输速度最高达到2 m b i t s 。 ( 2 ) 嵌入硬件链路层集成了自动发送和接收数据包、发送和应答信号、检测重发丢失数据 包等功能，减少了外部控制器件的复杂性和成本。 ( 3 ) 与m c u 通信采用标准s p i 接口，降低收发控制复杂性。 ( 4 ) 载波监测功能可以检测任何固定频率的网络，可以用于在w l a n 环境下的可靠通信。 高速率和独特的切换时间减少了与跳频系统如蓝牙出现碰撞的可能。 n r f 2 4 1 0 1 芯片的引脚排列如图2 - 1 所示。各引脚的功能如下： 引脚1c e 为片选端，它与c o n f i g 寄存器的p w r u p 和p r i m r x 位组合用于选择芯 片的工作方式。 引脚2c s n 为芯片内部s p i 硬件接口的使能端，低电平有效。 引脚3s c k 为s p i 接口的时钟输入端，上跳沿有效。 引脚4m o s i 为s p i 接口的数据输入端，用于输入指令或者数据。在应用中n r f 2 4 l 0 1 总是作为s p i 通信中的从机单元来实现的所以m o s i 引脚为数据输入端。 第二章非标准无线射频技术特点与应用 引脚5m i s o 为s p i 接口的数据输出端，用于输出数据或者状态寄存器里的值。 引脚6i r q 为中断请求端，为低电平中断方式，当中断条件满足时则中断i r q 引脚电 平变低，当往中断标志寄存器写1 即清除中断，引脚电平变高。n r f 2 4 l 0 1 输出三种中断 请求：发送数据完成中断，接收数据完成中断，重发次数超限中断。 引脚7 、8 、1 4 、1 5 、1 7 、1 8 、2 0 为电源输入端，v d d 为直流电源输入端，v s s 为电 源地。 引脚9 、1 0x c l 、x c 2 分别为时钟输入、输出端。 引脚1 1v d dp a 端为功率放大器的电源输出端，用于提供1 8 v 稳定电源给放大器。 引脚1 2 、1 3a n t l 、a n t 2 为天线接口端。 引脚1 6i r e f 为电流源输入端，输入参考电流源。 引脚1 9d v d d 为退耦电源输出端。 c e c s n s c k m o s i m i s o 2 2n r f 2 4 l 0 1 的具体应用 v s sd v d dv d dv s s i r e f 曰园囡团曰 囡一 曰v s s 曰一 固一， 田v o 啦 口口口田曰 i r q v d dv s s x c 2x c l 图2 - 1n r f 2 4 l 0 1 引脚分布图 本节介绍n r f 2 4 l 0 1 具体应用要点，包括工作模式选择、数据发送及接收、寄存器 配置等过程。 口口口口口 第二章非标准无线射频技术特点与应用 2 2 1n r f 2 4 l 0 1 的工作模式 n r f 2 4 1 0 1 能够配置工作在以下几种工作模式，工作模式由c e 引脚，内部寄存器控 制位及f i f o 状态决定。 1s t a n d b y 模式 s t a n d b y i 模式下平均电流消耗将达到最小同时保证最快的启动时间。s t a n d b y i i 模 式下数据寄存器的数据仍是可读写的，当配置为发送模式下的n r f 2 4 l 0 1 的c e 引脚为高 电平，且发送缓冲区内没有数据时自动进入s t a n d b y - i i 模式【1 1 】。 2p o w e rd o w n 模式 该模式下，芯片的工作被禁止，进入该模式后，芯片处于非激活状态但所有寄存器 的值仍可读写【1 1 j 。 3 接收模式 该模式下芯片一直处于数据侦测状态一旦接收到有效数据，芯片的i r q 引脚将产生 中断，通知m c u 读取数据【1 1 l 。 4 发送模式 该模式下发送数据缓冲区有数据则进行发送，发送成功后i r q 引脚产生中断。中断 类型可通过s t a t u s 寄存器的值来判别【1 1 j 。 表2 - 1n r f 2 4 l 0 1 的工作模式 模式 p w r - u pp r i m - r xc ef i f os t a t e r xm o d e1 11 t xm o d e101 发送数据缓冲区有数据 s t a n d b y i i 11 发送数据缓冲区为空 s t a n d b y - 1 0 o没有数据要发送 p o w e rd o w no 2 2 2n r f 2 4 l 0 1 的数据通信过程 n r f 2 4 l 0 1 把所有的高速处理协议嵌入芯片内部，与m c u 之间的通信通过标准的s p i 口进行，数据的传输速度仅由m c u 的s p i 口的速度决定。n r f 2 4 l 0 1 支持两种数据包处理 机制，分别为s h o c k b u r s t 和e n h a n c e ds h o c k b u r s t 模式l l z 。 配置为s h o c k b u r s t 接收模式的n r f 2 4 1 0 1 如果接收到有效的地址和数据信息，i r q 引脚将产生接收中断信号通知m c u 通过s p i 接口从接收数据缓冲区r x f i f o 中读取数据。 配置为s h o c k b u r s t 发送模式的n r f 2 4 1 0 1 将自动产生数据帧头以及c r c 校验信息。数据 包格式如表2 2 所示。数据发送完成以后i r q 引脚产生中断通知m c u 发送完成。n r f 2 4 1 0 1 有3 级深度的接收缓冲区( 6 个数据通道共享) 和发送缓冲区。m c u 可以在n r f 2 4 1 0 1 处于 任何工作模式下，访问其f i f o 。 第二章非标准无线射频技术特点与应用 表2 2s h o c k b u r s t 模式下的数据包格式 帧头信息1 个字节地址信息3 5 个字节数据字节1 - 3 2 个字节 c r c0 1 2 个 字节 e n h a n c e ds h o c k b u r s t 模式是在s h o c k b u r s t 模式下增加了数据握手机制，这种模式 下的通信过程为接收端在接收到有效数据后按照发送端的地址发送握手信号，发送端接 收到正确的握手信号后认为此次发送成功，如果发送失败则自动重发，这样可以避免数 据在发送过程中丢失。 表2 - 3e n h a n c e ds h o c k b u r s t 模式下的数据包格式 i 帧头信息1 个字节地址信息3 5 个标志位数据字节卜3 2 个 c r c0 1 2 个 字节9 位字节字节 从表2 3 可以看出e n c h a n c e ds h o c k b u r s t 模式比s h o c k b u r s t 模式多了9 位的标志 位，以避免数据的重复发送，其中仅用到2 位。配置为接收模式的n r f 2 4 l 0 1 能够接收配 置为6 个不同地址的发来的数据，这样意味着一个配置为接收模式的n r f 2 4 l 0 1 可以和6 个配置为发送模式的n r f 2 4 l 0 1 进行数据通信，接收端的n r f 2 4 l 0 1 可以通过读s t a t u s 的 内容来识别哪个地址发来的数据。在e n h a n c e ds h o c k b u r s t 模式下当接收到有效数据后， 会利用接收到的地址信息返回握手信号。配置为发送模式的n r f 2 4 l 0 1 将会用地址o 去接 收返回的握手信号，所以接收地址o 必须和发送地址一样以接收握手信号。以下给出一 个地址设置的实例： t x 5d e v i c e ：t x 。a d d r = o x b 3 8 4 8 5 8 6 8 7 t x 5d e v ic e ：r x a d d r p 0 = o x b 3 8 4 8 5 8 6 8 7 r xd e vic e ：r x _ a d d r p 5 = 0 x b 3 8 4 8 5 8 6 8 7 在实例中，t x 5 为发送设备，r x 为接收设备，可以看出t x 5 的发送地址被设定为 o x b 3 8 4 8 5 8 6 8 7 ，r x 的接收通道5 被设定为o x b 3 8 4 8 5 8 6 8 7 ，此时该接收通道可以接收t x 5 发送的数据，同时如果r x 5 接收到的数据通过校验，r x 5 将发送应答信号，此时，需将 t x 5 的接收通道o 的地址设定为o x b 3 8 4 8 5 8 6 8 7 ，以接收应答信号。 2 2 3n r f 2 4 l 0 1 的内部寄存器配置 m c u 通过对n r f 2 4 1 0 1 内部寄存器的设置以及读写来完成对它的控制及数据的发送和 接收。以下对几个重要的寄存器进行说明【1 2 】。 ( 1 ) c o n f i g 寄存器 c o n f i g 寄存器为配置寄存器，地址为o o ，b i t 0 为发送接收模式选择位，该位置o 为发送模式，置1 为接收模式。b i t l 为工作模式控制位，置0 为p o w e r d o w n 模式，置1 为p o w e r u p 工作模式。b i t 2 为c r c 校验字节选择位，置0 为1 个校验字节， 第二章非标准无线射频技术特点与应用 置1 为2 个校验字节。b i t 3 为校验使能位，置1 使能c r c 校验。b i t 4 为发送次数超 限屏蔽位，置1 则发送次数超限中断被屏蔽。b i t 5 和b i t 6 分别为发送和接收中断屏蔽 位，置1 则发送和接收中断将被屏蔽。b i t 7 位为保留位。 表2 4c o n f i g 寄存器 b i t 7b i t 6b i t 5 b i t 4 b i t 3b i t 2b i t l b i t 0 r e s e r v e dm a s kr xd rm a s kt xd sm a s km a xr te nc r c c r c o p w ru p p r i m r x ( 2 ) s t a t u s 寄存器 s t a t u s 寄存器为状态寄存器，该寄存器的地址为7 ，其中b i t 7 为保留位没有实际意 义，r x d r 是接收数据标志位如果接收到数据则该位置1 ，写1 清零，t x _ d s 是发送数据 标志位如果发送数据完成则该位置1 ，e n h a n c e ds h o c k b u r s t 模式下只有当接收到返回 的握手信号后该位才置1 ，往该位写1 清零，m a x r t 是发送次数超限标志位，如果重新 发送次数超过在s e t u p r e t r 中设置的值则该位置1 ，同样也是写l 清零，r x p _ n o 由b i t 3 到b i t i 三位组成接收数据的地址序列号位，如果三位的值为0 0 0 则是0 号地址发送来的 数据，依次如果为1 0 1 则是5 号地址发送来的数据，如果为1 1 1 则表示接收数据缓冲区 没有数据，1 1 0 没有意义。t x f u l l 表示发送数据缓冲区的数据是否已满，为1 表示数据 已满不能继续往缓冲区写数。 表2 5s t a t u s 寄存器 b i t 7b i t 6b i t 5b i t 4b i t 3 - - ib i t o r e s e r v e dr xd rt xd sm a xr tr xpn o t xf u l l ( 3 ) f i f os t a t u s 寄存器，该寄存器的地址为1 7 ；其定义见表2 6 ，其中b i t 7 为保 留位没有实际意义，t x r e u s e 为数据重复使用控制位当为l 时配置为发送模式的 n r f 2 4 l 0 1 会一直发