（通信与信息系统专业论文）智能射频光传输模块监控系统的设计与实现.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着移动通信的高速发展，提高网络覆盖和网络质量显得尤为重要。建设 g s m c d m a 直放站是低成本、快速提高网络覆盖和网络质量的有效手段。光 纤直放站以其光路信号衰减小，抗干扰性强，成本低和安装维护方便等特有的 优势，成为高性能网络覆盖的重要手段。射频光传输模块是光纤直放站的重要 组成部分。智能射频光传输模块与原有模拟光模块相比可以实现模块自身的数 字监控功能，它将光功率检测、射频增益控制和射频功率检测等诸多功能高度 集成，实现了一个模块集成多个模块的功能，提高了模块的集成度和智能化程 度，并且实现了非接触的自动检测，方便了光模块的现场操作，降低了光纤直 放站的复杂度。 本文首先根据系统设计的性能要求，介绍了整个系统的总体结构，论述了 软硬件平台的选择方案和理由，分析了智能射频光传输模块的数据传输协议。 文中重点研究了光模块监控系统软硬件的设计和实现方法，并对其硬件电路的 设计、c c l 0 0 0 工作方式、监控数据的采集、数据包的鉴权处理和数据的存储方 式作了详细的分析。最后本文提供了软硬件性能指标的测试方法和实验结果， 检验了软硬件实现方法的可行性。 本系统采用无线数传芯片c c l 0 0 0 ，实现了射频功率、接收发送模式和数 据格式等的软件编程，从而达到了模块f s k 通信的可控性。为了保证数据采集 和检测的准确性，采用数字滤波的方法，克服随机干扰引入的误差。系统中采 用查表的方法，实现采集电压与光功率值的直接对应关系，由于光器件及其电 路不一致性，则需在系统运行的过程中建立表格，系统中采用了i a p 编程方式， 在应用程序的控制下保存、读取和更改f l a s h 数据。 实验结果与现场使用表明，射频收发功率、光收发功率、激光器偏置电流、 功率增益控制和通信误码率等的检测结果和精度都符合设计标准。 关键词：嵌入式系统；a r m ；数字监控；c c l 0 0 0 ；f s k 通信 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h e l l i g hd e v e l o p m e n to fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n , i ti sv e r yi m p o r t a n c et o e n l a r g et h ec o v e r a g en e t w o r k ，e n h a n c et h eq u a l i t yo fn e t w o r k i ti st h ew a yt o r e s o v l et h ep r o b l e mt oc o n s t r u c tt h er e p e a t e r s 啊把c h a r a c t e r so f f i b e r - o p t i cr e p e a t e r i st h a tt h el o s so fo p t i cs i g n a la t t e n u a t i o n , t h er e s i s t e n c eo f i n t e f e r e n c e ，t h el o wc o s t a n dt h es i m p l eo fs e t t i n ga n dm a i n t e n a n c e t h er f o p t i c a lt r a n s c e i v e rm o d u l ei s i m p o r t a n tp a r to ff i b e r - o p t i cr e p e a t e r c o m p a r i n gt oa n a l o go p t i c a lt r a n s c e i v e r m o d u l e ，s m a r tr fo p t i c a lt r a n s c e i v e rm o d u l ec a l lr e a l i z ed i 。g i t a ls u p e r v i s o r y f u n c t i o n , i th i g h l yi n t e g r a t e ss o m ef u n c t i o n ，s u c ha sm o n i t o ro p t i c a lp o w e rd e t e c t o r ， r fp o w e rd e t e c t o r , s m a r tc o n t r o la n dr fg a i nc o n t r 0 1 ，w h i c hm a k e st h a to n em o d u l e c a nr e p l a c es o m em o d u l e s w h i c hr e d u c e st h ec o m p l e x i t yo f f i b e r - o p t i cr e p e a t e r n 圮t h e s i sd i s c u s s e st h ew h o l es t r u c t i l f eo f s y s t e mf i r s t l ya n dt h er e a s o no f w h y t os e l e c tt h e p l a t e o fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，s e c o n d l y a n l y s e st h ed a t a c o m m u n i c a t i o np r o t o c o lo fs m a l tr fo p t i c a lt r a n s c e i v e rm o d u l e 。e m p h a t i c a l l y r e s e a r c h e st h ed e s i g no fs o f t w a r ea n dh a r d w a r eo fm o n i t o rs y s t e m , a n a l y s e st h e d e s i g no fh a r d w o r k , t h es o f tc o n f i g u r eo fc c l 0 0 0 ，d a t aa c q u i r e ，d a t ac h e c ka n d m e m o r y a tl a s t , t h et e s tm e t h o da n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l to ft h ea l g o r i t h i na l e g i v e nt ot e s tt h er e a l i z a t i o no f s o f t w a r ea n dh a r d w a r ei nt h i st h e s i s i no r d e rt oc o n t r o lf s kc o m m u n i c a t i o n , t h es y s t e mu s e sw i r e l e s sd a t at r a n s c e i v e r c c l 0 0 0 。w h i c hc a l le a s i l yb ep r o g r a m m e df o ri 江p o w e r , t r a n s m i t r e c e i v em o d ea n d d a t af o r m a t i no r d e rt oe n h a n c et h ea c c u r a c yo f d a t aa c q u i r e ，s y s t e mu s e sd i g i tf i l t e r a l g n d t h mt od e c r e a s ee r r o rw h i c hi n c u r sb yr a n d o mn o i s e u s i n gt h et e c h n i q u eo f l o o k u pt a b l et or e a l i z ev o l t a g ec o n v e r t i n gt op o w e rd i r e c t l y 1 1 圮s y s t e mu s e si n a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n gf u n c t i o n s ，w h i c hc a l le l a s ea n dp r o g r a mt h ef l a s hw h i l e t h ea p p l i c a t i o ni sr u n n i n g t r e m e n d o u se x p e r i m e n tr e s u l t sa l ep r e s e n t e di nt h et h e s i s ，a n dt h er e s u l t sp r o v e t h a tt h er e s u l to f r fp o w e rd e t e c t o r , o p t i c a lp o w e rd e t e c t o r , l db i a sc u r r e n t , r f g a i n c o n t r o la n db i te r r o rr a t em e a s u r e su pt ot h ed e s i g ns t a n d a r d k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ；a r m ；d i g i t a lm o n i t o r ；c c l 0 0 0 ；f s k c o m m u n i c a t i o n n 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 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已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：里函壑e t 期：塑丑：苎：塑 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 近l o 年来，移动通信高速发展，运营商之间竞争日益激烈，客户对网络服 务质量的要求不断提高。面对市场竞争的压力和客户近乎苛刻的网络质量要求， 运营商都纷纷加大网络投资的力度，提高网络质量。建设g s m c d m a 直放站 是低成本、快速提高网络覆盖和网络质量的有效手段。根据信号引入的方式不 同，直放站可分为无线直放站、干线放大器和光纤直放站。光纤直放站运用的 历史较短，但与无线直放站和干线放大器相比有独特的优势，随着光器件价格 降低，当前光纤资源已经相当丰富，光路信号传输衰减小，不易受到干扰，而 且光纤直放站成本低、安装维护方便、使用灵活，光纤直放站已经成为快速、 高性能网络覆盖的重要手段。 射频光传输模块是光纤直放站的核心部分，为了满足光纤直放站发展的需 求，增加系统的可靠性并降低系统安装调试的复杂性，要求光模块具有更高的 集成度和智能化程度，所以数字化就成了光传输模块发展的趋势。 前两代光传输模块对发光收光告警检测和射频增益调节均采用手动调节 的方式，这样不方便测试和现场操作，智能光传输模块可以通过软件自动进行 发光，收光告警检测和射频增益调节，并在此基础上增加了光收发功率检测、l d 偏置电流检测、a t t 自动控制、f s k 发送功率控制、f s k 接收功率检测等功能， 并提供人机界面，方便了直放站的管理和维护功能。智能光传输模块具有如下 的特点和功能： 高集成度。模块将光传输、射频放大、射频增益控制、射频功率检测 和c p u 五部分集成一体，能达到一个模块取代多个模块的效果。从而 简化了光纤直放站的结构、生产、调试和开通等环节。 高智能。模块能提供智能控制和管理。模块对各种性能和状态进行智 能采集和分析。通过分析长时间模块的工作数据，及时调整模块的工 作点，使之工作在最佳状态，并能报告当前模块的老化程度。 高可靠。模块提供了高可靠的监控通道。射频光传输模块在高温+ 5 5 武汉理工大学硕士学位论文 和光衰1 8 d b 的条件下，监控通道仍能正常工作，使直放站始终处 于受控状态，增加直放站工作的稳定性。 高适应性。模块提供上行2 0 d b 和下行2 5 d b 的射频增益，能够补偿光 路至少1 0 d b 的衰减。同时模块采用数控方式，能从光路和射频两个 方面保持射频增益的稳定。 标准接口。模块能提供r s 4 8 5 和r s 2 3 2 数据接口，能与原有模块兼容， 可以实现直放站内部分布式监控，有效提高模块的可靠性。 1 2 国内外研究的现状及动态 在移动通信光纤直放站市场中，由于技术和成本的因素，射频光传输模块 逐渐形成了一个极为特殊的细分市场，这个细分市场的产品已经历了三代： 第一代为基本型：仅能完成射频信号到光信号的转换，没有数据通信和任 何监控功能，因此光纤直放站只能采用独立的监控模块。以下图1 - 1 是直放站 中使用的第一代基本型光模块。 一一 囡雕直阍圈 近端 图1 1 第一代直放站中光模块 远端 第二代为模拟控制型：随着直放站对光模块要求的提高，第一代光模块 已不能满足网络覆盖对监控的要求，为了实现直放站近端对远端的监控，开 发具有数据传输功能的光模块，已是大势所需。f s k 即“移频键控”，它是 数据通信中使用较早的一种通信方式，由于这种调制解调方式容易实现，抗 噪声和抗衰减性能较强，因此在中低速数据传输通信系统中得到了较为广泛 的应用。在第一代基本型模块的基础上，第二代光模块增加了f s k 通信功能， 如图1 2 所示。在此期间，由于市场的需要，光模块又增加了光衰自动补偿 2 武汉理工大学硕士学位论文 功能，虽然这种模拟方式的光衰自动补偿，只能单纯的增大驱动电流。但它 预示着，射频光模块，必须进行革命性的升级换代。 一一 固鹾直h 句囡 近端 图1 - 2 第二代直放站中的光模块 远端 第三代为智能型：它是在第二代的基础上，对光纤直放站的相关模块进 行高度集成如图1 3 所示，与图1 2 相比，智能型光模块集成了监控和射频 控制检测模块，这样可以满足用户对集成化和智能化的要求，降低直放站的 复杂度，便于直放站的生产、调试和开通等，同时也大大提高了性价比。目 前，第三代产品正处于应用的高潮，已有取代第二代光模块的趋势。本文所 研究即为第三代智能型光模块。 烯l i n 一 回 回 近端远端 图1 - 3 第三代直放站中的光模块 第四代数字型：采用软件无线电的思想，将a d 、d a 变换移到中频并尽可 能地靠近射频端，对整个系统频带进行采样，即从中频甚至射频开始就进行数 字化处理，另外通过软件实现不同的通信功能，并对工作频率、系统频宽、调 制方式等进行编程控制，其结构如图l - 4 所示。但在实现过程中会存在些难题： 要达到尽可能多的以数字形式处理无线信号，必须把a d 转换近可能地向天 武汉理工大学硕士学位论文 线端移动，这样就对a d 转换器的性能提出了更高的要求。由于处理数据流 量大，进行滤波，变频等处理运算次数多，必须采用高速、实时、并行的数字 信号处理器模块或专用集成电路才能达到要求。随着处理器速度的提高，需 要采用、开发高效而灵活的实时操作系统和实时应用软件。随着技术的进步和 3 g 移动通信的发展，数字型模块将成为产品演变的方向。 数字光模块 n 数字光模块 n 固固 近端 图1 4 第四代直放站中的光模块 1 3 课题研究工作及论文的主要内容 全文分为7 章，各章的内容如下： 第l 章阐述了智能射频光传输模块的国内外研究的现状和动态，并分析了课题 研究的目的和意义。 第2 章根据监控系统的设计要求，确定了软硬件的开发平台。 第3 章分析了r s 4 8 5 通信接口和数据帧协议，具体描述了命令数据和命令编号 的所包含的数据信息。 第4 章分析了智能射频光传输模块的监控系统硬件的设计，分为3 个部分： l p c 2 1 3 4 最小系统设计、c c l 0 0 0 数传模块和监控模块的硬件设计。 第5 章研究了智能射频光模块监控系统的软件实现方法。本章中阐述了程序设 计中的相关理论，并以流程图的方式具体的描述了程序设计的思想。 第6 章介绍了监控系统主要参数的测试方法，并给出了相关的检测结果。 第7 章总结本文的研究工作和研究成果，并对本项目的不足和需要完善的部分 提出了自己的建议。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章监控系统方案总体设计 在系统开发之前，首先应该确定系统设计的性能要求，设计的方案和其软 硬件开发平台。本章阐述了本课题的硬件平台和软件平台的选择方案。 2 1 监控系统设计要求及性能指标 本系统主要由射频检测，光电路检测和数据传输三部分组成。系统的总体 结构如图2 1 所示。射频检测包括射频收发功率检测和上下行链路功率增益控 制，光电路检测包括光收发功率检测，激光器偏置电流检测和收发无光告警。 p c 机给c p u 发送通信或其它命令，c p u 通过中断的方式接收命令，做出相应 的响应后，并向p c 返回应答，应答中包含c p u 执行命令的状态。 图2 - 1 系统总体结构 智能射频光模块系统的主要监控功能及其指标如下： 射频收发功率检测：模块可根据上位机命令实时检测射频收发功率，并 在上位机上以d b m 值显示，误差范围l d b 。 光收发功率检测：可以检测激光器发光功率和p i n 管收光功率，在上位 机上以d b m 值显示，发光功率检测范围+ 5 d b m 5 d b m ，收光功率检测 范围+ 2 d b m 1 5 d b m ，误差范围均为l d b 。 武汉理工大学硕士学位论文 激光器偏置电流：可以检测激光器驱动电流，在上位机上以m a 形式显 示。 收发无光数字告警：告警值可以软件设定并改变，当收发功率低于设定 值时，上位机上显示“收光告警”或“发光告警”，模块上以红灯亮显 示告警。 上下行链路功率增益：可以通过软件调节上下行链路的衰减，来改变上 下行链路增益，增益调节范围6 2 d b ，增益调节精度：0 d b 2 0 d b 误差： l d b ；大于2 0 d b 误差：1 5 d b 。 f s k 发射功率：无线数传芯片c c l 0 0 0 射频发射功率软件可调，范围为 + 】0 d b , - - - 2 0 d b 2 2 硬件开发平台 2 2 1c p i j 选择方案 考虑到系统的稳定性和可扩展性，系统的开发平台选择为时下流行的嵌入 式开发平台。在一个系统中使用什么样的嵌入式处理器内核主要取决于应用的 领域，用户的要求，成本，开发的难易程度的因素。而设计者在选择处理器时 要考虑的重要因素有【1 1 ： 处理器性能 一个处理器的性能取决于多个方面的因素，如时钟频率，内部寄存器的大 小，指令是否对等处理所有的寄存器等。对于许多需要处理器的嵌入式系统设 计来说，目标不是在于挑选速度最快的处理器，而是在于选取能够完成作业的 处理器和i o 子系统。 技术指标 当前，许多嵌入式处理器都集成t # f 围设备的功能，减少了芯片的数量， 降低了整个系统的开发费用。开发人员首先考虑的是，系统所需要的一些硬件 能否无需过多的胶合逻辑就可以连接到处理器上。其次是考虑该处理器的一些 支持芯片，如d m a 控制器，内存管理器，中断控制器，串行设备和时钟等配 套。 功耗 嵌入式微处理器最大并且增长最快的市场是手持设备，电子记事本，p d a , 手 6 武汉理工大学硕士学位论文 机，智能家电等消费类电子产品。这些产品中选购的微处理器，典型的特点就是要 求高性能，低功耗。 软件支持工具 是否有较好的软件开发工具的支持。选择合适的软件开发工具对系统的实 现会起到很好的作用。 是否内置调试工具 处理器如果内置调试工具就可以大大缩短调试周期，降低调试的难度。 供应商是否提供评估板 许多处理器供应商可以提供评估板来验证理论是否正确，决策是否得当。 本产品整个系统需要6 路a d c ，l 路d a c ，2 个u a r t ，s p i ，可编程e e p r o m 或f l a s h ，需保存的数据和代码存储空间可能大于2 0 k 的程序存储空间。综 合考虑电路的复杂性，尽量降低外围电路的复杂性和成本，以及货源的稳定性， 选择了周立功公司代理的基于a r m 7 核的l p c 2 1 3 4 。 l p c 2 1 3 4 是p h i l i p 公司生产的基于a r m 7 t d m i s 内核的嵌入式微处理器，同 一系列还有l p c 2 1 3 1 2 1 3 2 2 1 3 6 2 1 3 8 。较小的封装和很低的功耗使l p c 2 1 3 1 2 1 3 2 2 1 3 4 2 1 3 6 2 1 3 8 特别适用于访问控制和p o s 机等小型应用中；由于内置了多种 串行通信接口和8 1 6 3 2 k b 的片内s r a m ，它们也非常适合于通信网关、协议转 换器、软件m o d e m 、语音识别、低端成像，为这些应用提供大规模的缓冲区和 强大的处理功能。多个3 2 位定时器、1 个或2 个1 0 位8 路的a d c 、l o 位d a c 、p w m 通道、4 7 个g p i o 以及多达9 个边沿或电平触发的外部中断使它们特别适用于工业 控制应用以及医疗系统【2 】。 l p c 2 1 3 4 其主要特征如下： 1 6 k 的片内静态r a m 和1 2 8 k 的片内f l a s h 程序存储器。1 2 8 位宽度接 口力i ：1 速器可实现高达6 0 m h z 工作频率。 通过片内b o o t 装载程序实现在系统编程，在应用编程( i s p i a p ) 。单个 f l a s h 扇区或整片擦除时间为4 0 0 m s 。2 5 6 字节行编程时间为l m s 。 e m b e d d e d i c e r t 和嵌入式跟踪接口通过片内r e a l m o n i t o r 软件对代码进 行实时调试和高速跟踪。 2 个8 路1 0 位的a d 转换器，共提供1 6 路模拟输入，每个通道的转 换时间低至2 4 4 u s 1 个1 0 位的d a 转换器，可产生不同的模拟输出。 7 武汉理工大学硕士学位论文 2 个3 2 位定时器# b 部事件计数器( 带4 路捕获和4 路比较通道) 、p w m 单元( 6 路输出) 和看门狗。 多个串行接口，包括2 个1 6 c 5 5 0 工业标准u a r t 、2 个高速1 2 c 总 线( 4 0 0k b i t s ) 、s p i 和具有缓冲作用和数据长度可变功能的s s p 。 小型的l q f p 6 4 封装上包含多达4 7 个通用f o 口( 可承受5 v 电压) 。 c p u 操作电压范围：3 0 v 3 6v ( 3 3v 1 0 ) 。 2 2 2 数传芯片选择方案 目前许多应用领域都采用无线的方式进行数据传输，这些领域涉及小型无 线网络、无线抄表、门禁系统、小区传呼、工业数据采集系统、无线遥控系统、 无线标签身份识别、非接触r f 智能卡等。在本系统中虽然采用无线数传芯片， 但采用光纤传输的方式，因为光纤传输受外界影响小，并且在传输过程中光损 小，传输距离远远大于无线传输距离。由于无线收发芯片的种类和数量比较多， 无线收发芯片的选择在设计中是至关重要的，正确的选择可以减小开发难度， 缩短开发周期，降低成本，更快地将产品推向市场。选择无线收发芯片时应考 虑需要以下几点因素：功耗、发射功率、接收灵敏度、收发芯片所需的外围元 件数量、芯片成本、数据传输是否需要进行曼彻斯特编码等。下面将介绍几种 常用的无线收发芯片。 n r f 4 0 1 无线收发芯片 n r f 4 0 1 是n o r d i c 公司研制的单片u h f 无线收发芯片，工作在4 3 3 m h zi s m ( i n d u s t r i a l ，s c i e n t i f i ca n dm e d i c a l ) 频段。它采用f s k 调制解调技术，抗干扰 能力强，并采用p l l 频率合成技术，频率稳定性好，发射功率最大可达1 0 d b m ， 接收灵敏度最大为一1 0 5 d b m ，数据传输速率可达2 0 k b p s ，工作电压在+ 3 + 5 v 之间。n r f 4 0 1 无线收发芯片所需外围元件较少，并可直接接单片机串口【3 i 。 ( 勘t r f 4 0 3 无线收发芯片 n r f 4 0 3 是n o r d i c 公司研制的单片u h f 无线收发芯片，工作在3 1 5 4 3 3 m h z i s m ( i n d u s t r i a l ，s c i e n t i f i ca n dm e d i c a l ) 频段。它采用f s k 调制，抗干扰能力强， 采用p l l 频率合成技术，频率稳定性极好，接收灵敏度最大为一1 0 5 d b m ，功 耗小，接收状态2 5 0 u a ，待机状态仅为8 u a ，最大发射功率达+ 1 0 d b m ，低工 作电压( 2 7 v ) ，可满足低功耗设备的要求，工作速率最高可达2 0 k b i t s 。仅 外接一个晶体和几个阻容、电感元件，基本无需调试1 4 1 。 8 武汉理工大学硕士学位论文 n r f 9 0 3 无线收发芯片 n r f 9 0 3 是n o r d i c 公司为4 3 3 8 6 8 9 1 5 m h zi s m 频段设计的单片u h f 多段 无线收发芯片，它采用优化的g f s k 调制解调技术，抗干扰能力强，采用d d s 和p l l 频率合成技术，频率稳定性好，灵敏度高达一1 0 4 d b m ，发射功率可以 调整，最大发射功率是+ 1 0 d b m ，可在1 5 5 6 k h z 的有效带宽下传输最高7 6 8 k b p s 的数据。n r f 9 0 3 的工作电压范围可以从2 7 3 3 v ，接收待机状电流消耗为 6 0 0 肚，低功耗模式电流消耗仅为1 “a ，可满足低功耗设备的要求。n r f 9 0 3 具 有多个频道( 最多1 7 0 个以上) ，特别满足需要多信道工作的特殊场合，适合 采用跳频协议”。 ( d c c l 0 0 0 无线收发芯片 c c l 0 0 0 是c h i p c o n 公司推出的单片可编程r f 收发芯片，它基于c l l i p c o f f s s m a r tr f 技术，可工作在i s m 频段( 3 0 0 1 0 0 0 m h z ) 。c c l 0 0 0 集成了射频发 射、射频接收、p l l 合成、f s k 调制解调、可编程控制等多种功能。c c l 0 0 0 采用锁相环技术，发射频率是通过内部的频率合成器来配置的，可配置的范围 为3 0 0 1 0 0 0 m h z ，适合应用跳频协议，一般可配出1 0 或2 0 个频点，该芯片 灵敏度为一1 0 9 d b m ，并可自动校准，可编程输出功率为- - 2 0 d b m + 1 0 d b m ， 通信速率可达7 8 6 k b p s 。c c l 0 0 0 的主要工作参数可由一个串行接口编程设定， 使用非常方便并且具有灵活性。c c l 0 0 0 芯片的外围元件较少，小尺寸 ( t s s o p - 2 8 封装) ，且对精度要求不高，并提供三种编码方式与微控制器接口。 所以c c l 0 0 0 与一个微控制器和少数几个外接元件便可组成一个完整的r f 收发 系统嘲。 系统中要求所采用的芯片可以对接收发送模式、射频输出功率、射频输出 频率、f s k 分频、传输速率和数据格式进行软件编程，考虑系统的要求和开发 的难易度，选择c c l 0 0 0 无线收发芯片。 2 3 编译器的选择 目前，针对r a m 处理器核的c 语言编译器有很多，如s d t 、a d s 、i a r 、 t a s k i n g 和g c c 等。据了解，在国内比较流行的编译器是a d s 、s d t 和g c c 。 a d s 和s d t 均为a r m 公司自己开发，a d s 为s d t 的升级版，在功能和易用 性上比较s d t 都有提高，是一款功能强大又易于使用的开发工具【刀。g c c 虽然 支持广泛，很多开发套间使用它作为编译器，但是相对于a d s ，其编译效率较 9 武汉理工大学硕士学位论文 低，这不利于充分发挥芯片性能，所以选择a d s 编译程序和调试。a d s i 2 全 称是a r md e v e l o p e rs u i t ev 1 2 ，它包含了一系列应用，并有相关的文档和实例 的支持。使用者可以用它来编写和调试各种基于a r m 家族r i s c 处理器的应用， 可以用a d s 来开发、编译、调试采用c 、c + + 和a r m 汇编语言编写的程序。 a d s 主要由以下部件构成i 卅：命令行开发工具。图形界面开发工具。 各种辅助工具。支持软件。本系统主要使用了c o d e w a r r i o ri d e 和a x d 这 两种图形界面开发工具。 c o d e w a r d o ri d e 提供基于w i n d o w s 使用的工程管理工具。它的使用使源 码文件的管理和编译工程变得非常方便。但c o d e w a r r i o ri d e 在u n i x 下不能 使用。c o d e w a r r i o r 能够自动地检查代码中的明显错误，它通过一个集成的调 试器和编辑器来扫描程序代码，以找到并减少明显的错误，然后编译并链接程 序以便计算机能够理解并执行程序。a d s l 2 使用了c o d e w a r r i o ri d e 集成开发 环境，并集成了a r m 汇编器，a r m 的c c + + 编译器，t h u m b 的c c + + 编译器， 源文件和类浏览器。c o d e w a r r i o ri d e 主窗口如图2 2 所示。 图2 - 2c o d e w a r d o r 开发环境 2 3 2a x d 调试器简介 a x d 全称为( a r me x t e n d e dd e b u g g e r ) ，提供基于w i n d o w s 和u n i x 使 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 用的a r m 调试器。它包括a d w a d u 的所有特性，支持硬件仿真和软件仿真， a x d 能够装载映象文件到目标内存，具有单片，全速和断点等调试功能，可以 观察变量，寄存器和内存的数据等。a x d 主窗口如图2 3 所示。 2 4 小结 图2 - 3 a x d 调试器 本章主要研究了系统的性能要求和整体结构，根据选择处理器时应该考虑 的因素，分析了系统c p u 硬件平台的选择方案，并介绍了几款常用的无线收发 芯片的工作特性以及选择c c l 0 0 0 的理由。a d s l 2 是一款常用的a r m 相关应 用开发和调试的综合软件，本章简单介绍了c o d e w a r r i o ri d e 和a x d 这两种图 形界面开发工具的基本界面和功能。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章r s - 4 8 5 接口协议 本系统中通过上位机下发命令的形式实现对光模块的控制，一般计算机与 终端的数据传送可以采用串行通讯和并行通讯二种方式。由于串行通讯方式具 有使用线路少、成本低，特别是在远程传输时，避免了多条线路特性的不一致 而被广泛采用。在串行通讯时，要求通讯双方都采用一个标准接口，使不同的 设备可以方便地连接起来进行通讯。本设计中采用r s 4 8 5 标准，该标准符合高 传输率和远传输距离的需要，同时在总线上允许连接多达1 2 8 个收发器。即具 有多站能力，这样用户可以利用单一的r s - 4 8 5 接口方便地建立起设备网络。 r s - 4 8 5 接口芯片采用m a x l 4 8 7 ，m a x l 4 8 7 采用差分平衡系统抗干扰能力 强，接收器可检测低达2 0 0 m v 的信号，是一种高速，低功耗，控制方便的异步 通讯接口芯片。m a x l 4 8 7 采用+ 5 v 电源供电，当供电电流约为5 0 0 u a 时，传 输速率达到2 5 m b p s ，适用于半双工通信，总线上节点可达1 2 8 个，输入输出 的差动电压符合r s 4 8 5 标准为2 v 一6 v 。m a x l 4 8 7 的接口电路见图3 1 所 示。r x d 表示m a x l 4 8 7 的接收输出；t x d 表示m a x l 4 8 7 的发送输入：e n 表示m a x l 4 8 7 的收发使能，低电平使收有效，高电平使发有效。 m 1 4 8 7 图3 - 1 m a x l 4 8 7 接口电路 武汉理工大学硕士学位论文 3 2r s - 4 8 5 通信协议 3 2 1 数据帧基本格式 主机与各模块间以数据包的形式进行交互，一个完整的命令包由起始标志 单元、命令单元、c r c 校验单元、结束标志单元4 部分组成。详见表3 1 。 表3 - 1主机与各模块间信息交互命令包通用格式 i 起始标志单元i 命令单元i 校验单元i 结束标志单元l 表3 1 各单元详细说明如下： 起始标志单元：l 字节长度，表示一个完整命令包的开始，固定为1 6 进 制数0 x 7 e ； 命令单元：由命令控制头和命令体两部分组成。命令控制头包括：模块 地址、命令编号、应答标志、命令体长度4 个字段组成，共5 字节长度。 命令体的解析方法和实际长度由控制部分的“模块地址”、“命令编号” 和“命令体长度”共同确定。 校验单元：针对协议中的“命令单元”进行校验( 从“命令单元”的第 一个字节计算到最后一个字节) ，采用c c i t t 推荐的1 6 位的 x 1 6 + x 1 2 + x 5 + l ( 0 x 1 0 2 1 ) ，生成2 字节的c r c 校验和( 低字节在前，高字 节在后) 。发送方必须根据“命令单元”生成2 字节的c i 检验和，接 收方收到完整的数据包后，根据“命令单元”生成新的c r c 检验和， 如果新的c r c 校验和与收到的校验和相等则表明该数据包有效，否则 向发送方回送“校验错”的应答。 结束标志单元：1 字节长度，表示一个完整命令包的结束，固定为1 6 进 制数0 x 7 f 。为防止上一帧的帧尾与下一帧的帧头混淆，特将起始标志 与结束标志区分。 主机或模块对接收的数据包都进行鉴权处理。鉴权处理分下面几个环节： 起始标志结束标志校验、c r c 校验、命令编号校验、命令数据校验。如果上述 任何一个环节校验未通过则认为鉴权失败，接收方应根据实际情况向发送方应 答错误标志。 武汉理工大学硕士学位论文 3 2 2 命令单元 命令单元由命令控制头和命令体组成，详见表3 2 ： 表3 - 2 命令单元组成格式 命令控制头命令体 模块地址命令编号应答标志命令体长度命令数据 2 b y t e 1 b y t e l b y t e 1 b y t e变长 表3 2 有关字段备注说明如下： 模块地址：设备内各模块的地址是唯一的。各模块只解析模块地址与自 身地址相等的命令，对命令数据的解释需参照模块地址中的模块功能编 码。 命令编号：命令的唯一标识，分参数设置命令、状态查询命令和模块调 测用的修正值设置命令三大类。响应命令中的命令编号同接收命令的命 令编号。 应答标志：作为命令的主动发起方，该字段添0 。被动接收方对该字段 不解析、不处理。如果作为应答消息，该字段作为应答标志。如果该字 段非0 x 0 0 ，则表明最近收到的命令无法处理或出错；也用该标志表示模 块监控盘状态。主发起方收到对方应答标志非0 x 0 0 的应答后，对“命 令体”不解析、不处理。只有应答标志为0 x 0 0 ，“命令体长度”和“命 令体”才有意义。应答标志编码详细见表3 3 。 在初始化时，监控盘不知直放站设备各模块的配置，监控盘自动检测模块 的配置，将对各模块发查询命令，若在规定的时间内无应答，则认为无此模块。 若模块发现模块本身有故障，应答标志中直接填写模块故障标志。 表3 - 3 应答标志编码定义 编码含义备注 0 x 0 0 成功 0 x 0 1 校验错 0 x 0 2命令号错 0 x 0 3 命令数据错 0 x 0 4 操作失败 其它 保留 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 命令体长度：命令数据的实际长度，以字节为单位。 命令数据：长度、解析方式由命令控制头的“命令体长度”、“命令编号” 和“模块地址中的模块功能编号”共同确定。 3 3 命令编号 命令编号是命令的唯一标识，分参数设置命令和状态查询命令两大类。详 见表3 4 。 表3 - 4 命令列表 命令编号含义备注 o x l 0 设置模块地址所有模块 0 x l l 查询模块状态监控盘也需处理该命令；所有模块 o x l 2 查询模块软件版本号所有模块 0 ) 【2 0设置a t t监控盘也需处理该命令； o x 2 1 设置频率监控盘也需处理该命令；选频、f s k 、光盘 o x 2 2 设置开关 监控盘也需处理该命令； o ) 3设置a l c监控盘、功放 0 x 3 l 读取设置前反向功率表功放 o x 3 2 读取设置前反向功率表长度功放 0 】【3 3 读模块信息所有模块 0 x 3 4 读取设置e e p r o m所有模块 o x 3 5 读写a t r 表功放 o ，【3 6 读写a l c 表功放 0 x 8 8 模块复位 0 x 4 0设置d e t 校准点d e t 、隔离度 0 x 4 l 读d e t 校准点d e t 、隔离度 0 x 4 2 设置a t t 校准点l n a 、a t t 、光盘 0 x 4 3 读a t t 校准点l n a 、a t t 、光盘 武汉理工大学硕士学位论文 命令编号含义备注 0 x 4 4模块增益校准命令l n a 0 x 4 5模块增益设置l n a 0 x 4 6 读模块增益校准参数u q a o x 4 7 设置发送功率光盘、f s k 盘、隔离度 0 x 4 8读发送功率表隔离度 0 x 4 9 隔离度测试命令 隔离度 0 x 4 a告警门限设置命令光盘 0 x 4 b 读告警门限命令光盘 0 x 4 cf s k 全l 、全0 测试光盘、f s k 盘 o x 8 0f s k 转发命令 o x 8 l 转发命令转发命令的应答查询 其其它至0 x d f保留 保留 o x e 0 下载光收功率基准表光盘 o x e l 下载光发射功率基准表光盘 o x e 2 下载光电流基准表光盘 注意：命令是按功能编码，具有该功能的模块，都根据地址确定是否处理该命 令。光盘即光模块。0 x e 0 、0 x e l 、0 x e 2 均为扩展命令，供模块生产使用。 3 4 命令数据 命令数据的长度和解析方式是由命令控制头的“命令体长度”、“命令编号” 和“地址”共同确定的。这节主要介绍读取模块状态、f s k 转发命令和转发命 令的应答查询。 3 4 1 模块状态查询 模块状态查询命令( 上位机一 模块) ：无命令数据。 模块状态查询命令的响应( 模块一 上位机) ：见表3 5 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 表3 - 5 光盘状态查询命令数据 光盘查询命令的回应命令数据 序号参数名长度子项位置描述 b i t 7保留0 b i t 6 保留0 b i t 5保留0 b i t 4 保留0 l 模块状态 l 发光告警 b i t 3 0 ：正常；1 ：故障 收光告警b i t 2 0 ：正常；1 ：故障 f s k 解调故障b i t lo ：正常；1 ：故障 f s k 调制故障 b i t 0 0 ：正常；1 ：故障 2 发光功率 1d b 3 l d 偏置电流 l 4 l d 制冷电流 1 5 收光功率 l 6 f s k 发送功率 1 7 f s k 接收功率 l 8 - 1 1f s k 频率 4 用浮点数表示：m h z 1 2 光盘a t t 值 1 1 3 光盘最大增益 l 表中的序号表示所需要查询的功能，长度表示字节的个数，子项表示每个 比特位所代表的含义。 查询光盘状态格式为：7 e 0 6 0 01 10 0 0 0 y y z z 7 f 光盘正确回应数据： 7 e0 6 0 01 10 00 d x x x x 】【) ( x x 赋x x x x x x 殛x x ) 【) 【) d 【) o 【y y 7 - 2 7 f 其中l l 为命令编号，麟为状态数据，y y ，蹈为c r c 校验的高八位和低八位。 3 4 2f s k 转发命令 f s k 转发命令( 上位机 模块) 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 表3 - 6f s k 命令数据结构 命令体长度 命令数据 n 字节 近端f s k 模块光盘将命令数据转发到远端。 f s k 转发数据格式为：7 e 0 6o o8 0 0 0a a x x x x x x x x x x y y 7 ：7 7 f 其中l i b 为数据长度，x x 为转发的数据 f s k 转发命令的响应( 模块 上位机) ：无命令数据。 光盘正确回应数据格式为：7 e 0 6o o8 0o oo o y y z z 7