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南京理工大学硕士论文无线通信技术在继电保护设备中的应用 摘要 随着通信技术和计算机技术的不断发展，人们对通信的要求越来越高，作为目前 非常流行的无线通信技术得到了很广泛的关注。在许多工业领域中，利用无线技术来 实现通信的功能将会是未来的一个发展方向。本文研究的是短距离无线通信技术在继 电保护设备中的具体应用。 论文首先在分析需求的基础上建立好硬件平台，对硬件中各个模块的设计做了详 细的介绍，然后又说明了无线通信模块中天线的设计方法。之后对系统软件设计流程， 接收、发送过程的具体实现和系统实现无线网络的方法做了详细介绍。在论文最后给 出了提高系统性能品质的一些方法，主要是提高通信距离和稳定性。 该无线模块通过串口与计算机进行通信，在继电保护设备端是通过t x 和r x 引脚 与d s p 控制器通信。通过试验表明系统可以较好的完成通信任务，通信距离和通信速 率能够满足要求，但是无线通信模块的稳定性还有待提高，经过改进有望得到实际的 应用。 关键词：无线通信技术，n r f 2 4 e i ，无线网络，继电保护设备 南京理工大学硕士论文无线通信技术在继电保护设备中的应用 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o na n dc o m p u t e rt e c h n 0 1 0 9 y ，p e o p l en e e d b e t t e rc o m m u n i c a t i o nt oe a c ho t h e r a sap o p 1 l a rc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ， w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nh a sa t t r a c t e db r o a da t t e n t i o nn o w i ns e v e r a lf i e l d s o fi n d u s t r y w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yi san e wd i r e c t i o ni nt h e f u t u r e | l a tt h i sp a p e rs t u d i e di sac o n c r e t ea p p l i c a t i o no fw i r e l e s ss h o r t d i s t a n c ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yi nr e l a yp r o t e c t i o ne q u i p m e n t f r o ma n a l y s e so ft h ed e m a n d ，t h ep a p e rd i s c u s s e dt h ed e s i g no fe v e r ym o d u l e i nd e t a i la f t e re s t a b l i s h i n gt h eh a r d w a r e t h e n ，i ti l l u m i n a t e st h em e t h o d t od e s i g nt h ea n t e n n ai nt h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm o d u l e a f t e rw eh a v e d e s i g n e dt h ea l lh a r d w a r em o d u l e s ，t h i sp a p e rd e s c r i b e dt h es o f t w a r ep r o g r a m f l o w si nd e t a i l ，t h ep r o c e s so ft r a n s c e i v e ra n d h o wt ob u i i daw i r e l e s sl o c a l a r e an e t w o r k f i n a ll y ，t h ep a p e ri n t r o d u c e ss o m em e t h o d sa b o u th o wt oi m p r o v e t h eq u a l i t ya n ds t a b i l i t yo fc o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h i sw i r e l e s sm o d u l ec o m m u n i c a t e sw i t hc o m p u t e ru s i n gs e r i a li n t e r f a c e a n dc o n n e c tt od s pw i t ht xa n dr xp i n s t h ee x p e r i m e n ts h o w st h a tt h i sd e v i c e i se f f i c i e n t ，t h ed i s t a n c ea n dt h es p e e do fc o m m u n i c a t i o nc a ns a t i s f yt h e d e m a n do ft h i sw i r e l e s ss y s t e m h o w e v e r ，t h es t a b i l i t yo ft h i sm o d u l es h o u l d b ef u r t h e ri m p r o v e ds ot h a ti tw i l lb ea v a i l a b l ef o rt h ei n d u s t r i a lm a r k e t k e yw o r d s ：w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ，n r f 2 4 e 1 ，w i r e l e s sn e t w o r k ， r e l a yp r o t e c t i o ne q u i p m e n t 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名： 雏。差 夕名年7 月j 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：j 占年7 月3 - 日 南京理工大学硕士论文无线通信技术在缝电保护设备中的应用 l 序论 1 1 课题的背景和研究的意义 随着通信技术、计算机技术和信息技术的高速发展，人们之间的信息交流已经越 来越便捷，人与人之间的沟通也更加的方便。为了摆脱有线网络的束缚，不受地理位 置的限制，随时都能与任何人进行信息沟通并享受丰富的信息服务，人们一直在进行 着无线通信网络的研究。 除了个人应用领域，在工业以及商业领域中，同样可以利用无线通信技术来传递 数据或是声音和图像。主要有： ( 1 ) 在一些危险性比较高的领域，应用无线技术可以让工程人员在安全区域内 监视或是控制系统的运行情况。 ( 2 ) 在一些不便于进行布线的场所，例如不能破坏的老建筑，新装修但没有保 留布线檐的建筑。在这些地方布线有一定的难度，这时也可以用无线技术来解决。 ( 3 ) 对移动性能要求比较高的场合也需要使用无线的通信技术。用户需要在移 动中实现随时的联网，例如仓库管理员、超级市场工作人员、汽车站检票人员等。 ( 4 ) 一些临时性的应用场所，例如体育比赛、大型会议、临时办公室等都适合 使用无线网络。 在工业中，无线技术早就被用来解决在实际过程中遇到的闯题，典型的应用集中 在供水网、供热网、采油井等远距离组网的工业领域内。它们通常是通过无线电台在 两地局域网之间起中继数据传输的作用。这种做法功能单一( 只能实现点到点或者一 点对多点的连接) 、封闭、安全性低、价格昂贵、实现复杂( 必须专门编程实现通讯) 。 随着各行业中对无线组网需求的不断增长，迫切需要一种开放、安全、对应用透明、 能够实现不同组网要求的无线解决方案。 目前国外无线网络用户要远远高于国内用户，但是国内用户的增长速度却大得惊 人，以每年百分之三百到五百的速度在扩大着。在国内主要还是以个人用户为主，企 业或是工业领域中应用的还不是很广泛。而在国外有不少企业通过使用无线网络来提 升办公效率和节约办公成本，如惠普公司采用先进的移动式办公环境，一年节约的办 公场地费用正好可以搭建企业无线网络。无线网络之所以在中国的企业中应用不是很 广泛主要是因为以下几个方面： ( 1 ) 应用软件和硬件配备相对落后。 ( 2 ) 对无线网络的安全性认识不足并且对无线网络的管理性不高。 ( 3 ) 无线网络本身还需要更好的带宽管理功能。， 目前在中国电力行业中，保护设备与控制后台之间的通信方式都是有线的方式， l 序论硕士论文 主要是用以太网或c a n 网通信。通常一个中等大小的发电厂一次需要的保护设备数量 大约为几十台这些设备通常会安装在大的开关柜中，排成一行放在控制室里。这样 就会给现场调试人员带了很多不方便，因为每调试一台设备就要用网线将计算机和保 护设备连接起来，调试下一台时又要重复刚才的动作，效率比较低。而且当开关柜排 列比较密集的时候，留给调试人员的空间就非常的有限，增加了调试的难度。 在实际通信中，控制后台和继电保护设备之间一般是通过一台或几台通信管理机 来完成的。因为增加了一个中转，当继电保护设备比较多时，通信速率就会变慢，通 信管理机就成为了一个通信的瓶颈。 基于上述的原因，本人的论文题目选择了无线通信技术在继电保护设备中的应 用。希望可以通过具体的工程实践项目，实现工业设备中的无线数据传输，满足实 际工程对通信距离和速率的要求，并且能够使系统稳定的工作。 i 2 论文的主要研究内容 本课题的主要工作是设计出连接继电保护设备和计算机的无线通信模块，所以具 体的工作包括：无线通信系统整体方案的设计、芯片的选型、硬件电路的设计制作、 软件的设计、硬件电路的调试、软件的调试以及系统的调试几个方面。 全文共分为六章： 第一章序论部分，介绍了课题的背景与研究意义，以及本文主要研究的内容。 第二章介绍了无线通信的发展历史，它与有线网络相比的一些优缺点和一些主 要的协议。 第三章硬件设计部分，介绍了无线收发芯片n r f 2 4 e i 的内部结构和工作原理， 介绍了茎片各个弓l 脚的功能，介绍了通信系统在数据传输过程中的数据包格式和工作 模式以及无线收发子系统n r f 2 4 0 1 的配置字，并且给出了系统的硬件设计方案，建立 了继电保护设备与计算机之问的无线通信硬件平台。 第四章软件设计部分，介绍了n r f 2 4 e i 芯片各个接口的初始化和具体应用，无 线通信系统工作的程序编写。介绍了无线局域网的分类、拓扑结构以及系统实现无线 组网的方法。 第五章介绍了提高系统工作性能的方法，主要包括如何提高系统的通信距离和 稳定性。在提高通信距离的方法中介绍了增益技术和中继节点的设计方法。 第六章结论部分，对论文进行了总结，讨论了下一步有待研究的问题。 2 南京理工大学硕士论文无线通信技术在继电保护设备中的应用 2 无线通信技术的分析 2 1 无线通信的历史 无线网络的初步应用，可以追溯到第二次世界大战期间，美国陆军采用无线电信 号作资料的传输。1 9 7 1 年，夏威夷大学投入运行的a l o h a n e t 首次将网络技术和无线 通信技术结合起来。夏威夷大学共有1 0 个校区，分布在不同的岛屿，为了使其它岛 屿的计算机和用户终端能够共享主校区的大型计算机，需要构筑一个通信网络把这些 用户终端与计算机连入主校区的大型计算机上。为此校方租用了一条卫星链路进行数 据传输。a l o h a n e t 通过星型拓扑将中心计算机和远程工作站连接起来，提供双向数 据通信。远程工作站之间通过中心计算机相互通信。 2 0 世纪8 0 年代，美国和加拿大的业余无线电爱好者和无线电报务员们设计并建 立了终端节点控制器( t n c ) ，将各自的计算机通过无线发报设备连接起来。t n c 工作 起来像电话m o d e m 一样，把计算机数字信号转换为无线电收发报机可以调制并能利用 分组交换技术通过广播频道发送出去的信号。 1 9 9 7 年6 月，第一个无线局域网标准i e e e 8 0 2 1 1 正试颁布实施。1 9 9 9 年9 月 8 0 2 1 l b 技术标准正式发布，8 0 2 1 i 带来了网络建设的一场。革命”，为无线局域网 的物理层和m a c 层提供了统一的标准，为无线网络市场迅速发展奠定基础，1 9 9 6 年 中国无线电管理委员会开放了2 4 2 4 8 3 5 g h z ( i e e e 标准) 的i s m 频段。无线局域 网( w l a n ，w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ) 采用无线通信技术代替传统电缆网络。以 9 0 0 埘z 、2 4 g h z 和5 g h z 为主要频率。 2 2 无线通信的优缺点 随着人 f 】对移动通信专用化要求的进一步提高，某个特定区域内的无线通信正成 为国际标准化组织、各个厂商和科研机构开发的热点。与传统的有线网络相比无线网 络具有以下特点： ( 1 ) 安装灵活。一般在网络建设中，施工周期最长、对周边环境影响最大的， 就是网络布线施工工程。在施工过程中，需要破墙掘地、穿线架管。而无线网络最大 的优势就是免去或减少了网络布线的工作量，一般只要安装一个或多个接入点 ( a c c e s sp o i n t ) 设备，就可建立覆盖整个建筑或地区的局域网络。在有线网络中，网 歪垡生竺堡查箜坌望 堡主堡茎 络设备的安放位置受网络信息点位置的限制。而一旦无线网络建成后，在无线网络的 信号覆盖区域内任何一个位置都可以接入网络。 ( 2 ) 经济节约。由于有线网络缺少灵活性，这就要求网络规划者尽可能地考虑 未来发展的需要，这就往往导致预设大量利用率较低的信息点。而一旦网络的发展超 出了设计规划，又要花费较多费用进行网络改造，有时甚至要改变整个网络的拓扑结 构。而无线网络可以避免或减少以上情况的发生，使组网更加的灵活。 ( 3 ) 易于扩展。无线网络有多种配置方式，能够根据需要灵活选择。这样，无 线网络就能胜任从只有几个用户的小型局域网到上千用户的大型网络，并且能够提供 像“漫游( r o a m i n g ) ”等有线网络无法提供的特性。 当然无线网络也不是绝对的完美，它也存在一些问题。 首先是安全性问题，由于数据信号是通过电磁波传播，所以很容易被截获而不像 有线网络是通过专门的线路传播，不可能随便的获得数据。 其次，因为无线电波是在一定的频段上传播的，所以如果有两个设备的发射信号 频段相同，那么这两个信号就会互相干扰，造成数据传输的错误。 还有一点就是无线网络的带宽比有线网络小，从而它的传输速度就比较小。 表2 1 给出了有线网络和无线网络的比较。 表2 1 无线网络和有线网络的比较2 ” 项目 有线网络 无线网络 布线布线繁琐需要专人安装，造成办公完全不需要布线。安装简易，在临时性办 室中充满电缆的“洪水”现象公宦或不允许布线的环境中，实为非常理 想的方案 速率m b p s 1 0 1 0 0 ，1 0 0 02 。l l ，2 2 。5 4 成本安装成本高，设备成本低维护成本安装及维护成本低廉，设备成本较高，但 高总体拥有成本仍较有线鹃络有优势 移动性非常低。需在所有工作地点布线才能非常高，且资源可重复使用不浪费 达成，资源浪费大 扩充性弱，增加新用户会有预留端口不足或强，只需要增加中断设备或接入设备即可 是需要新布点的情形发生，施工周期 长 线路费用 随着距离范围扩大需重新布线天线架设仅一次性投资 安全性 高。主要在三层及以上实现 高，二层及三层同时 中以及移动性比较高的应用场所等等，无线网络将会发挥更加重要的作用。 4 南京理工大学硕士论文 无线通信技术在维电保护设备中的应用 2 3 无线透信的一些主要协议 作为未来的一个发展方向，无线通信技术已经越来越多的应用于我们的工作和生 活之中无线技术有很多种，在论文中我要用的属于短距离无线通信技术。首先来比 较一下目前使用的比较多的无线协议，如表2 2 所示： 表2 2 五种无线通信协议的比较1 。1 无线协议速率( b p s )距离( )适用 价格( $ ) 市场应用 b i u e t o o t h1 x1 0 设备连接 5 0 1 0 0 较多 h o m e r f 1 6 m5 0 家用局域网 1 2 5 少量 8 0 2 i i b1 1 m3 0 0 工业商用家用 1 8 0 大量 h i p e r l a n l 2 3 m 1 5 0 工业商用家用 红外 4 m l 设备对连内置 大量 从对比可以看出，i e e e 8 0 2 n 系列和e t s i 的h i p e r l a n 系列适合工业应用，网 络协议性能也大致相当，但从目前来看，h i p e r l a n 远没有能够形成广泛应用的产品 市场，而基于i e e e 8 0 2 1 l 标准的产品已经在市面上大量出现，成为事实上的标准： 在下一代协议中，i e e e 8 0 2 1 l a 和h i p e r l a n 2 的性能都有了很大提高，传输速率均 达到5 4 m ，i e e e 8 0 2 1 l a 传输距离将达5 一l o k m 。随着基于i e e e 8 0 2 1 l b 的产品不断 推出和市场的不断扩大价格也在不断下跌，可以预见，8 0 2 i i 系列协议会是将来的 无线局域网协议的最重要成员之一。 在现实应用中，有五种短距离传输技术是使用和研究比较多的。它们分别是：无 线局域网( w i f i ) 、蓝牙( b l u e t o o t h ) 、z i g b e e 、超宽频( u l i r a w i d e b a n d ) 和短距通信 ( n f c ) 。这五种技术都有其立足的特点，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：或符合某些单一应用的特别要求；或建立竞争技术的差异化 等。但就目前来讲还没有一个技术可以完荚到足以覆盖所有的需求。下面先看一下这 几种技术的异同。 w i f i 热点是通过在互联网连接上安装访问点来创建的。这个访问点将无线信号 通过短程进行传输，一般覆盖1 0 0 米左右的范围。在w i - f i 技术中包括三种协议， 8 0 2 1 i b ，8 0 2 1 i g ，8 0 2 1 i a 。8 0 2 1 l b 是历史最长的w i - f i 技术。它的优点是价格 和兼容性，但是它的缺点是安全和性能。这里的性能指的是信号干扰问题。由于有太 多的8 0 2 1 i b 接入点在使用，同一区域内接入点之间的相互干扰就很难避免。8 0 2 1 l g 是8 0 2 1 i b 的一个扩展。同8 0 2 n b 一样，8 0 2 1 l g 也使用2 4 g h z 频率。它最突出 的优点是速度，8 0 2 1 l g 网络的最高速度可以达到5 4 m b p s 。它的缺点是覆盖范围小。 8 0 2 i i a 同8 0 2 1 i b 8 0 2 i i g 是完全不同的。和8 0 2 1 i g 相似，8 0 2 i i a 网络最高能 够以5 4 m b p s 的速度传递数据。而且，可以将多个信道结合在一起以获得更高的速度。 同时它使用的频段是5 8 g h z ，这就避免了信号之间的干扰。 蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，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无线电空中接! e l ，将通信技术与计算机技术 5 歪堡望笪堡查塑坌堑 堡主堡苎 进一步结合起来，使各种3 c 设备在没有电线或电缆相互连接的情况下，能在近距离 范围内实现相互通信或操作，是一种低成本、低功率无线“线缆替代”技术。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1 0 m - 1 0 0 m 的传输 距离。但是蓝牙技术并没有像预想的那样快速的发展也是因为它自身存在的一些问 题。主要是芯片大小和价格难以下调、抗干扰能力不强、传输距离太短、信息安全和 生态安全问题可疑等等。 z i g b e e 技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线 通信技术，主要适合于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备中，同时支持地 理定位功能。其目标市场是工业、家庭以及医学等需要低功耗、低成本无线通信的应 用，对数据速率和通信质量的要求不高。这种技术的优点是：省电，由于工作周期很 短、收发信息功耗较低、并且采用了休眠模式，z i g b e e 技术可以确保两节五号电池 支持长达6 个月到2 年左右的使用时间，当然不同的应用功耗是不同的；可靠，采用 了碰撞避免机制，同时为需要因定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据 时的竞争和冲突。一个z i g b e e 网络可以容纳最多2 5 4 个从设备和一个主设备，一个 区域内可以同时存在最多1 0 0 个z i g b e e 网络。盈1 u e 3 是一种无载波通信技术，它不采用正弦载波，而是利用纳秒至微微秒级的非 正弦波窄脉冲传输数据，因此其所占的频谱范围很宽。u w b 可在非常宽的带宽上传输 信号，美国f c c 对u w b 的规定为：在3 1 l o 6 g h z 频段中占用5 0 0 m h z 以上的带宽。 由于u m 3 可以利用低功耗、低复杂度发射、接收机实现高速数据传输丽在近年来得到 迅速发展。它在非常宽的频谱范围内采用低功率脉冲传送数据从而不会对常规窄带无 线通信系统造成大的干扰，并可充分利用频谱资源。u w b 技术具有系统复杂度低，发 射信号功率谱密度低，对信道衰落不敏感，低截获能力，定位精度高等优点，尤其适 用于室内等密集多径场所的高速无线接入，非常适于建立一个高效的无线局域网或无 线个域网( w p a n ) 。超宽频技术在国外正处于研究测试阶段，它的标准尚为完全确定， 这也促使它的应用不是很广泛。 n f c 是由飞利浦、诺基亚和索尼等国际上的一些大公司主推的一种类似与r f i d ( 非 接触式射频识别) 的短距离无线通信技术标准。它有三种应用类型；设备连接，实时 预定，移动商务。这种技术有许多自身的优势，它的发展是对以上几种技术的很好的 补充和促进。 应该说以上提到的几种技术，是目前国际上在短距离无线网络方面研究的比较多 的新技术，它们都有自身的优点，任何一项技术都很难取代其它的技术。它们之间的 关系是相互促进，相互竞争。 除了上面提到的五种技术外，现在应用的比较多，研究也比较成熟的红外技术也 必须要说一下。简单地讲，i r d a 是一种利用红外线进行点对点通信的技术，其相应 的软件和硬件技术都已比较成熟。它在技术上的主要优点有： 6 南京理工大学硕士论文无线通信技术在继电保护设备中的应用 ( 1 ) 无需专门申请特定频率的使用执照，这一点，在当前频率资源匮乏，频道 使用费用增加的背景下是非常重要的。 ( 2 ) 具有移动通信设备所必需的体积小、功率低的特点。胂公司目前已推出结 合模块应用的约从2 5 x 8 0 x 2 9 ( r a m ) 到5 3 x 1 3 0 x 3 8 ( 咖) 的专用器件。与同类技 术相比，耗电量也是最低的。 ( 3 ) 传输速率在适合于家庭和办公室使用的微微网( p i c o n e t ) 中是最高的，由于 采用点到点的连接，数据传输所受到的干扰较少，速率可达1 6 肋s 但是，i r d a 也的确有其不尽如人意的地方。首先，i r d a 是一种视距传输技术， 也就是说两个具有i r d a 端口的设备之间如果传输数据，中间就不能有阻挡物，这在 两个设备之间是容易实现的，但在多个电子设备间就必须彼此调整位置和角度等，这 也是b l u e t o o t h 和h o m e r f 未来打败i r d a 技术的超级法宝。其次，i r d a 设备中的核 心部件红外线l e d 不是一种十分耐用的器件，对于不经常使用的扫描仪、数码相机等 设备虽然游刃有余，但对于工业场所的频繁使用来说它的稳定性还值得考虑。 根据以上的分析比较，我所使用的芯片要具有这样几个要求。首先，工作频段为 2 4 g ，这是因为2 4 g 是免费的工作频段，不需要申请，同时该频段上可选的器件较 多。其次，数据的传输速率在1 0 0 k b p s 以上，这是根据项目的要求来决定的。再次， 由于通信是在房间内进行，传输距离为5 0 米左右。最后，从体积上考虑，要求芯片 的外围设备要少，最终成型的无线通信模块越小越好。 7 南京理工大学硕士论文无线通信技术在继电保护设备中的应用 3 系统硬件的设计与实现 3 1 无线通信电路整体设计 论文中设计的无线通信模块是用在l q s9 8 0 0 电厂电气自动化系统中。目前整个电 厂电气自动化系统的结构如图3 1 所示： 。 图3 1 电气自动化系统结构酗 论文中设计的无线通信系统分为两个模块，其中一个模块是与保护测控单元连 接，另一模块是与监控系统也就是计算机相连。这两个模块的硬件设计都包括两个部 分：系统的外围辅助电路和无线通信的射频电路。 系统的外国辅助电路主要是完成电压值的转换与其它设备的接口转换和通信等 功能。射频电路的主要功能是发送、接收无线电波，控制系统的整体运行等等。系统 的总体结构图如下图3 2 所示： 舶船 图3 2 系统硬件原理框图 9 系统硬件的设计与实现 硕士论文 由图可知通信模块就相当于一个桥梁的作用，在计算机和继电保护设备之间建立 一条无线的通道。 3 2 无线通信射频电路 这一部分是整个通信模块的主要电路，该部分不仅要完成无线收发的功能同时还 承担着控制系统运行的责任。射频电路的逻辑图如下图3 3 所示： 图3 3 射频部分的逻辑图 这部分电路是由射频芯片、存储芯片、晶体振荡器、s m a 天线转接头等构成的。 其中最重要的芯片就是负责无线收发和控制系统工作的n r f 2 4 e i ，下面将具体地介绍 一下这款芯片。 3 2 1 无线收发芯片n r f 2 4 e i 论文所使用的芯片n r f 2 4 e i 是n o r d i cv l s ia s a 公司的产品，它将全部商频部分 的电路和一些外围电路都集成到了芯片的内部，仅需要很少的外围电路就能建立一个 无线通信系统，将数字电路对高频通讯的影响减低到最小。 3 2 1 1n r f 2 4 e i 的内部结构 该款芯片工作在2 4 g h z 的i s m 频段，有1 2 5 个频道，满足多点及跳频通信的需 要。芯片的内部结构如图3 4 所示： 南京理工大学硕士论文无线通信技术在继电保护设备中的应用 图3 4n r f 2 4 e i 芯片的内部结构图“1 从图中可以看出该芯片集成了一个增强型的8 0 5 1 单片机，一个2 5 6 字节片内 r a m ，3 个定时器，一个9 路的l o b i t a d c ( 采样率为i o o k ) ，可配置的p 雌输出和多 种外设u a r t ，s p i ，r t c ，w d r r 等等。芯片的工作电压为1 9 3 6 v ，内置电压监视和 复位电路，有多种省电工作模式，待机电流仅为2 u a 。总的来说此款芯片功耗较低、 性能比较稳定并且它的市场价格相对也比较便宜，是一款性价比比较高的芯片。 3 2 i - 2n r f 2 4 e i 的引脚功能 芯片n r f 2 4 e l 共有3 6 个引脚，引脚排列如图3 5 所示： 一口 一田 一一圈 h 一w 团 “t ”口 ，匹j 口 一一臣j * 一- - z 3 l l i l l ；i 一 曰固团目田回团团田 系统硬件的设计与实现硕士论文 n r f 2 4 e 1 苍片各个引脚的名称及功能如表3 1 所示： 辱l名字 ；i 脚功能 注释 脚 l v d d 电源提供电压( 1 9 3 6 v d c ) 2a i n 0 模拟输入a d c 的0 端口输入 3d v d d 2 控制电源为数字部分提供电压，它必须要与控制电源输出d v d d 相 连 4 p 1 删r 2 数字i o端口1 的b i t 0 或者时钟让的输出或者s p i 时钟或者数字y o 0 5p 1 1 数字i o端口1 的b i t l 或者s p i 数据输出或者数字i oi 6 p 0 0数字h o端口0 的b i t o 或者e e p r o m c s n 或者数字i 0 2 7 p o 1 ，r x d 数字i o端口0 的b i t l 或者u a r t r x d 或者数字i o3 8 p o 2 ，t x d数字i o端口0 的b i t 2 或者u a r t t x d 或者数字i 0 4 9 p 0 3 i n t ( j n数字i ，o端口0 的b h 3 或者i n t 0 _ n 中断或者数字l d o5 1 0 p 0 4 i n t 。 数字y o 端口o 的b i t 4 或者1 n t l j n 中断或者数字l y o6 np 0 5 ，r o 数字i ，o端口0 的b i t 5 或者时钟t o 输出或者数字i ，07 1 2 p 0 6 ，r l 数字y o 端口0 的b i t 6 或者时钟t l 输出或者数字i o8 1 3p 0 7 ，p w m 数字i o端口0 的b i t 7 或者p m w 输出或者数字y o9 1 4d v d d 控制电源输数字电压输出，并为d v d d 2 提供输入 出 1 5v s s 电源地( 0 v ) 1 6x c 2 模拟输出晶振引脚2 1 7x c l 模拟输入晶振引脚l 1 8 v d dp a 电源地( o v ) 1 9a n t lr f 天线接口1 2 0 a n t 2r f 天线接口2 2 1 v s s j a电原地( 0 v ) 2 2v d d 电源提供电压( 1 9 3 t i v ) 2 3v s s 电源地( 0 v ) 2 4a i n 7 模拟输入 a d c 输入7 2 5a i n 6 模拟输入a d c 输入6 2 6a i n 5 模拟输入a d c 输入5 2 7i r e f 模拟输入连接外部的偏差参考电咀 2 8 a r e f 模拟输入a d c 参考电压 2 9a i n 4 模拟输入 a d c 输出4 3 0 a i n 3 模拟输入 a d c 输出3 3 lv s s 电原地( 0 v ) 3 2 v d d 电源 提供电压( 1 9 3 6 v ) 3 3v s s 电源地( 0 v ) 3 4a i n 2 模拟输入 a d c 输出2 3 5a i n i 模拟输入a d c 输出l 3 6 p i 2 数字输入 端口l b i t 2 或者s p i 数据输入或者d i n 0 南京理工大学硕士论文无线通信技术在缝电保护设备中的应用 3 2 2 晶体震荡器和存储部分的设计 3 2 2 1 晶体振荡器的设计 因为在高频系统中对时钟的要求非常高，所以为了获得比较好的射频性能，发射 和接收的频率误差不能超过7 0 p p m ( 3 0 髓z ) 。这就要求晶体的稳定度不能低于3 5 p p m ， 如果超过此误差，将导致接收灵敏度快速的下降。在论文中使用的晶体振荡器是稳定 度为3 0 p p m 的无源晶振。如果要提高系统的性能可以使用有源晶振，但是一定要防止 晶振本身对高频系统的干扰，可以采用n 型电路进行滤波。同时晶振的布线也很重要， 一定要使晶体振荡器与单片机的引脚尽可能的靠近，晶振的外壳接地并固定。晶体振 荡器错误以及正确的设计方法如图3 6 所示： 图3 6 晶体振荡器连接示意图 还有一点需要注意的是，在选择晶体振荡器时，晶振的频率一定要选择射频芯片 n r f 2 4 e 1 中允许使用的( 4 m h z 、8 m h z 、1 2 m h z 、1 6 m h z 、2 0 m h z ) ，这是由于射频芯片内 部的配置字决定的。论文中使用的是1 6 m h z 的晶振。 3 2 2 。2 存储部分的设计 存储芯片使用的是m i c r o c h i p 公司的2 5 a a 3 2 0 。该芯片为3 2 k b i t 串行的电可擦 除可编程存储器，它通过三根数据线与s p i 总线相连接，其中s c k 为时钟输入线，s i 和s o 两根线为数据的输入和输出线。它的工作电压为1 8 到5 5 伏，最大时钟频率 为i m h z 。 在最开始的试验调试过程中建议使用该芯片，这样做可以方便的烧写程序，便于 调试和修改。虽然n i 珏。2 4 e l 中也有4 k 字节的r a m ，这个存储空间除了作为程序存储 空间以外，还可以作为数据存储空问使用( 这需要在设定是时候说明程序和数据存储 空间的起始地址和大小) 但是一旦程序烧进去后就没有办法再更改了。如果程序是 固定的，那么可以使用片内的r a m ，否则就不便于程序以后的升级和更改 系统硬件的设计与实现硕士论文 3 3 外围辅助电路 外围辅助电路中包括：电压转换电路、r s - - 2 3 2 的通信电路、测试用的小灯和按 键的电路、无线通信模块与继电保护设备的接口电路模块以及和射频部分相连接的电 路，下面将一一介绍各个部分的电路。 3 3 1 电压转换电路 在电压转换电路中，所使用的芯片是a m c i l l 7 。这是一款电平转化及稳压的芯片。 论文中使用该芯片是将输入的5 v 电压转换成芯片工作所需要的3 3 v ，同时保证电压 值的稳定。这在高频的工作状态下是非常重要的。原理图如图3 7 所示： 图3 7 电压转换电路的原理图 上图是与计算机相连的通信板的电路图，如果与保护设备中的d s p 控制板相连即 由d s p 控制板来提供电源输入，那么需要在图中增加d c d c 模块来进行隔离。原理图 如下图3 8 所示： 3 3 2 接口通信电路 图3 8d c d c 模块原理图 在接口部分的设计中，与计算机一端相连的无线模块使用串口通信，该部分的通 信电路中使用的芯片是符合r s - 2 3 2 c 接口标准的m a x 3 2 3 2 ，电路图如下图3 9 所示： m 南京理工大学硕士论文 无线通信技术在继电保护设备中的应用 鼍7 图3 9 串口通信部分的原理图 由于r s 一2 3 2 c 的逻辑0 电平规定为+ 5 + 1 5 v ，逻辑1 电平规定为一1 5 一5 v ，因 此，在与t t l 电路接口时必须经过电平转换芯片1 酗l x 2 3 2 来完成。 无线模块与继电保护设备端的接口通信是由d s p 芯片和n r f 2 4 e i 芯片的t x 、r x 弓 脚完成的。这部分的电路原理图如下图3 1 0 所示： j r 图3 1 0 光藕部分电路图 图中的芯片6 n 1 3 7 是一片光藕，它的作用是将d s p 的数据信号和无线通信模块的 数据信号隔离开，避免互相干扰。 3 4 射频电路设计要点 比起低频电路，在设计频率较高的射频电路时往往需要考虑更多的问题，要设计 一个好的电路有以下几个要点： 首先，在设计开始阶段就要进行彻底的、仔细的规划。 其次，在设计射频电路板时，应尽可能把高功率射频放大器( h p a ) 和低噪音放大 器( l n a ) 隔离开来，简单的说，就是让高功率射频发射电路远离低噪音接收电路。如 1 5 墨竺堡堡竺堡生皇壅翌塑主丝奎 果p c b 板上有很多空间，那么可以很容易地做到这一点。但是当原件很多时，p c b 空 间就会变的很小，这是很难达到的，此时可以把它们放在p c b 板的两面，或者让它们 交替工作，而不是同时工作。高功率电路有时还可包括射频缓冲器( b u f f e r ) 和压控振 荡嚣( v c o ) 。 再次，元件布局是实现一个优异射频设计的关键，一种有效的方法是首先固定位 于射频路径上的零组件，并调整其方位，使射频路径的长度减到最小。并使射频输入 远离射频输出，并尽可能远离高功率电路和低噪音电路。然后将射频线走在表层上并 将射频路径上的过孔尺寸减到最小。这样做不仅可以减少路径电感，而且还可以减少 主接地上的虚焊点，并可减少射频能量泄漏到层叠板内其它区域的机会。“钉 最后，恰当而有效的芯片电源去耦( d e c o u p l e ) 电路也非常重要。许多整合了线性 线路的射频芯片对电源的噪音非常敏感，通常每个芯片都需要采用多个电容和一个隔 离电感来滤除全部的电源噪音。 与低频电路相比高频电路更容易被干扰，在电路设计中要注意采用一些抗干扰的 措施。比如：印制板尽量使用4 5 度折线而不用9 0 度折线布线以减小高频信号对外的 发射与耦合。单面板和双面板用单点接电源和单点接地、电源线和地线要比普通的导 线更租，元件引脚，去耦电容引脚要尽量短，在论文中电容、电阻等元件都采用贴片 的封装形式，这样不仅减少干扰而且使电路板的厚度减小便于和d s p 板的安装连接。 同时还要尽量的减少回路环的面积，以降低感应噪声。正确和错误的电路设计如下图 3 1 1 所示： 图3 1 1 高频电路板设计图 除此之外，在高频电路的设计中还有许多细微的地方要注意，最好是在设计好之 后先用软件模拟仿真一下，这样做可以有效的提高通信板设计的成功率，避免一些难 以察觉的问题，并且可以提高系统的稳定性。 3 5 无线模块天线的设计 在无线通信系统中天线是不可缺少的一个重要的环节，一个良好的天线需要考虑 频带、阻抗、增益等问题。 南京理工大学硕士论文无线通信技术在继电保护设备中的应用 天线可以分为许多种类主要有： ( 1 ) 全向天线：即在水平方向图上表现为3 6 0 9 都均匀辐射，也就是平常所说 的无方向性，在垂直方向图上表现为有一定宽度的波束，一般情况下波瓣宽度越小， 增益越大。 ( 2 ) 定向天线：即在水平方向图上表现为一定角度范围辐射，也就是平常所说 的有方向性，在垂直方向图上表现为有一定宽度的波束，同全向天线一样，波瓣宽度 越小，增益越大。 ( 3 ) 机械天线：即指使用机械调整下倾角度的移动天线。 此外还有电调天线和双极化天线等等，天线的选择要根据实际的应用来决定。论 文中所用到的天线为p c b 天线和鞭状天线，它们都属于全向天线，下面将具体介绍这 两种天线。 3 5 ip c b 天线 考虑到系统对尺寸、成本的要求可以使用长度为入4 的p c b 天线。这种天线设 计比较简单，对于通信要求不是很高的情况下可以使用。p c b 天线的长度主要取决于 频率的大小，但是由于 4 的p c b 天线的带宽增益非常宽，所以对于天线长度的要 求并不是十分苛刻。 与其它类型的天线一样，当周围的环境参数变化时( 如：材料的变化、地平面大 小的变化、p c b 板的厚度变化等等) ，x 4 的p c b 天线的增益也会发生变化。如果任 何一个因素发生了变化，那么要使系统保持良好的工作状态，适当的调整天线的长度 是很有必要的。假设系统的电介质系数在2 4 5 g 的时候固定为4 4 ( 参考n o r d i c 公司的技术手册) 。电磁波在空中的传播速度为光速即c = 3 1 0 8 ，所以可以算出电磁波 的波长为 = 1 2 2 r a m 。在p c b 的厚度为i 6 m m 的情况下实际的波长约为理论值的3 4 ， 因此可知在实际传输工程中电磁波的波长为9 2 m m 。从而天线的长度为l = 9 2 4 = 2 3 m l 。 天线部分的p c b 如下图3 1 2 所示： 1 7 系统硬件的设计与实现硕士论文 砖 。 图3 1 2 天线p c b 电路图 论文中所采用的设计为a 图所示。 3 5 2 鞭形天线 鞭形天线是我们平时见得最多的一种天线，目酊所使用的手机大部分都是使用这 种天线。 一般情况下要求天线与地平面要保持垂直，但是这样做往往会影响通信板的设计 而且不容易在实际应用中安装，所以可以使用转接头来改变天线的朝向。论文中使用 的是s 姒转接头，天线的参数和形状如图3 1 3 所示； 电气参数舭c i i ! c | i ls p e c 讯髓t 潲祝钢娅愀c i | ls f b c 邛i 雠啪 粒；霓目n 。o 电5 舭i 度 l 疗7 j m r 柏脚 融啦 馨 理祷 5 0 0 接头噩p s 搬婀* k n 蛐n m 龇 鞋& # v s b &1 5天线罩材科蘩囊安嚣知h 地雠 埕聋g m j 缸 e 4 白氆m 如咖 裰讫j 孟垂童c d天线鼙翻色壤鸯客户蔓客 m h 咖 p | 如盥c o h c i 血唔缁蝴 罐鬃i 自全自o m m酗呻删 k 血h 哑 葫睾蓦l 5 0 w m 扛曲皿撕扯啡嗽 # 图3 1 3 鞭形天线参数图 比起p c b 天线鞭形天线的接收灵敏度和增益都要更好一些。鞭形天线和其它的电 子元件一样至少有两个连接点，其中至少有一个与地连接。理想的地线层要围着鞭形 l s 堕塞堡三查竺至主丝苎歪丝望堕些查垄堂皇堡兰堡鱼! 竺窒里 天线基扩展至少1 4 波长，或者更多，如果地线层做的太小将影响鞭形天线的性能。 在设计天线时，天线能否与输入阻抗很好的匹配是关系到整个通信系统的重要因 素。所谓天线的输入阻抗就