（控制理论与控制工程专业论文）基于无线数据传输的嵌入式监控系统的研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着无线通信技术的发展，无线数据传输系统的应用领域在不断扩大，基 于射频技术的监控系统是无线数据传输在无线通信领域和自动化控制领域的重 要应用之一，根据工业控制现场传感器的分布特点，本文开发了一种基于射频 技术的嵌入式网络监控系统。 论文详细介绍了无线数据传输平台硬件模块的设计及其功能的实现，主要 包括： ( 1 ) 主控制芯片的选择和功能实现。选择3 2 位a 删7 系列$ 3 c 4 4 8 0 为主控 芯片，分析研究了$ 3 c 4 4 8 0 的主要功能，实现对无线射频模块数据传 输的控制。 ( 2 ) 射频模块的设计与实现。选用n o r d i c 公司的n r f 4 0 1 射频收发芯片， 通过在园际通用的i s m 频段实现短距离的无线数据传输。 ( 3 ) 无线数据通信中传输协议和差错校验的设计。文章设计了a v r 单片机 主从式的数据传输协议及其数据纠错方式，利用了循环冗余校验和汉 明码校验技术，保证数据传输的可靠性，提高系统的抗干扰能力。 ( 4 ) 实现了u c l i n u x 操作系统的裁剪和移植。根据监控系统的要求，对 u c l i n u x 操作系统系统进行裁剪，实现了基于$ 3 c 4 4 8 0 的移植，开发了 驱动及应用程序。 文章介绍了利用自主开发的无线数据传输模块构建的一个小型无线局域网 络，该网络包括一个主控机，一个主站和多个终端，主站和终端之间可以以点 对多点的方式进行通信，设计了数据传输协议和纠错方式，主控制机和主站之 间通过串口进行数据交换，通过应用程序完成对数据的处理。该基于无线数据 传输的嵌入式网络监控系统平台可以广泛的应用于智能控制、无线数据传输监 控、身份识别等方面，具有广泛的发展前景。 关键词：射频，无线数据传输，无线局域网，嵌入式系统 武汉理工大学硕士学位论文 w i t ht h ed e v e l o p m e n to f w i r e l e s sc o m m u n i c a t i n n t h ea p p l i c a t i o na r e ao f w i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o ns y s t e mi se x p a n d i n gu n c e a s i n g l y t h em o n i t o r i n gs y s t e m b a s e d o n r f ( r a d i o f r e q u e n c y ) t e c h n o l o g y i s o n e o f t h e g r e a ta p p l i c a t i o n s o f w i r e l e s s d a t at r a n s m i s s i o ni nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na n da u t o m a t i ca r e a a c c o r d i n gt ot l l e d i s t r i b u t e dc h a r a c t e r i s t i e so ft h es e n s o ri nt h ec o n t r o lf i e l d ，ae m b e d d e dm o n i t o r i n g a n dc o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h er a d i of r e q u e n c y ( i 疆) i sp r e s e n t e da n dd e v e l o p e di n t h et h e s i s t h ed e s i g no fe a c hh a r d w a r em o d u l ei nt h es y s t e mi si n t r o d u c e di nd e t a i l si nt h e t h e s i s ，f o l l o w e db yi t sf u n e t i o n a li m p l e m e n t a t i o n i tm a i n l yi n c l u d e s ： ( 1 ) t h es e l e c t i o no fm p ua n di t sf u n c t i o n a li m p l e m e n t a t i o n t h em p us e l e c t e d i nt h es y s t e mi ss 3 c 4 4 i mw h i c hi so n ek i n do f3 2 - b i ta r m 7s e r i e s t h et h e s i s a n a l y s e sa n dr e s e a r c h e st h em a i nf u n c t i o no fs 3 c 4 4 b oa n dr e a i i z e st h ec o n t r o lo ft h e r fm o d u l ea n dd a t at r a n s m i s s i o n ( 2 ) t h ed e s i g no fr fm o d u l ea n di t sr e a i i z a t i o n n r f 4 0 1w h i c hi sp r o d u c e db y t h en o d i cc o m p a n yi sc h o s e nt of l l l f i l lt h es h o r td i s t a n c ew i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o ni n i s mb a n dw h i c hi su s e dg e n e r a l l yi nt h ew o r l d ( 3 ) t h ed e s i g no ft h ew i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o np r o t o c o la n dt h ee r r o rc h e c k t h et h e s i sd e s i g n sa v r s i n g l e c h i pp r i n c i p a la n ds u b o r d i n a t et r a n s m i s s i o np r o t o c o l a n dd a t ac o n e c t e dw a y ，u s e st h et e c h n o l o g yo fc r cc h e c ka n dh a m m i n gc o d ec h e c k i no r d e rt og u a r a n t e et h ed a t at r a n s m i s s i o nr e l i a b i l i t ya n di m p r o v et h es y s t e m a n t i j a m m i n ga b i l i t y ( 4 ) t h er e a l i z a t i n no fu c l i n n xo p e r a t i o ns y s t e m sr e d n c t i o na n dt r a n s p l a n t a c c o r d i n gt ot h er e q u e s to ft h em o n i t o r i n gs y s t e m 1 1 i et h e s i sp r o v i d e st h em a i n u c l i n u xo p e r a t i o ns y s t e m sr e d u c t i o n ，t r a n s p l a n t st h es o u n dc o d et o $ 3 c 4 4 8 0a n d d e v e l o p st h ed r i v e ra n da p p l i c a t i o np r o g r a m as m a l ln e t w o r kw i t ht h ew i r e l e s sm o d u l e sw h i c hi sd e v e l o p e db yn u r s e l v e si s i n t r o d u c e di nt h i st h e s i si n e l u d i n gam a i nc o n t r o l l e r , ah o s ts t a t i o na n ds o m et e r m i n a l s i nt h i s 、7 l ，p a n t h ec o m m u n i c a t i o nm o d eb e t w e e nh o s ts t a t i o na n dt e r m i n a l si sp o i n t t om u l t i p o i n tw i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o n t h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o lb e t w e e nh o s t s t a t i n na n dt e r m i n a l sa n dh o wt oa v o i dd i s t u r b a n c eo ft h e mi si n t r o d u c e di nd e t a i l s d a t aa r ee x c h a n g e db e t w e e nh o s ts t a t i o na n dt h em a i nc o n t m i l e rt h r o u g hs e r i a ip o r t t h em a i nc o n t r o l l e rd i s p o s e so fd a t ab yt h ea p p l i c a t i o ns o f t w a r e t h i sw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o np l a t f o r mb a s e do nt h ee m b e d d e dm o n i t o r i n gn e t w o r kc a nb ew i d e l y u s e di ni n t e l l i g e n tc o n t r o l ，w i r e l e s sd a t ac o l l e c t i n na n dt r a n s m i s s i o n w i r e l e s si d e n t i t y a c k n o w l e d g e m e n t ，a n ds e c u r i t ys y s t e ma n d s oo n ，a n ds h o w sas p l e n d i da p p l i c a t i o ni n t h ef u t u r e k e yw o r d s ：r a d i of r e q u e n c y , w i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o n ，w i r e l e s sl o c a la r e a n e t w o r k ，e m b e d e ds y s t e m i i 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、意义 1 9 0 1 年英国科学家马可尼成功地实现了无线电信号横越大西洋，可以认为 从那时起无线通信技术就正式诞生。现在无线数据传输现在广泛地运用在车辆 监控、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、 小型无线数据终端、安全防火系统、无线遥控系统无线数据通信等领域中，而 且除此之外，无线数据传输在连接传感器方面具有无与伦比的优点，特别适合 具备以下特征的场合：要求测试时间较短、搭建测试环境时务求快速、简便的 环境，例如汽车公司在新产品研发阶段的测试：要求测试时间短暂而且需要频 繁更改配置的测试，那些拥有多个产品系列的生产商的测试实验室就是典型代 表；不可能使用有线连接方式的测试，例如很多生命监测装置的安放位置很特 殊，无法使用有线传感器；或者极端恶劣条件下的测试，无线传输比有线传输 更加可靠耐用；并且有线连接接线费用很高，对于环境监测、能源消耗监测或 者保安监视而言，传感器分布在较大面积地域内，布置有线电缆连接这些传感 器会是相当大的一笔开销，在这些测试环境下无线数据传输却具有无与伦比的 适应性。 ( 1 ) 无线传输支持冗余连接配置，数据可达性强，数据有多条通路可以抵 达目的地接受器： ( 2 ) 系统容易几乎无限制，不会因系统增大而出现不可预料的故障，有成 熟可靠的系统安全体系； ( 3 ) 可降低投资成本： ( 4 ) 无线传输可实现远程访问，远程诊断，容易互连具有互操作性； 因此，无线数据传输也带来了巨大的价值，因为它不需要安装昂贵的电缆 基础设施，同时也可以为不能敷设电缆的陈旧的历史性建筑提供数据传输接入。 由于无线传输具有的高灵活性和可靠性，可以立竿见影地提高生产率，在 各行业的广泛应用取得了引人瞩目的成果，展示了极为广阔的市场前景，它将 创造崭新的生活和工作风尚。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状分析 近几年来无线数据传输技术已经成为小型工业监控系统的主要组成部分， 此类无线数据传输和现存的有线数据传输以及其他无线数据传输相比较而言， 工业监控中的无线数据传输主要使用射频( r f ) 技术来发送和接收数据包。无 线数据传输主要由无线数据终端、主机和主控制机组成，主控制机与主机问用 串行口通信。整个系统的各个部分都是服务于无线数据传输这个目的，所以在 整个系统的软件设计中，无线数据的传输部分( 射频模块) 就为最主要部分。 射频就是射频电流，它是一种高频交流变化电磁波的简称，每秒变化小于i o o o 次的交流电称为低频电流，大于i o o o o 次的称为高频电流，而射频就是这样一 种高频电流，射频技术在无线通信领域具有广泛的、不可替代的作用。 射频技术的发展得益于多项技术的综合发展，所涉及的关键技术大致包括： 芯片技术、天线技术、无线收发技术、数据变换与编码技术、电磁传播特性。 随着技术的不断进步，射频模块产品的种类将越来越丰富，应用也越来越广泛。 基于射频的无线数据传输技术以其独特的优势，逐渐的被广泛应用于工业自动 化、商业自动化和交通运输控制管理等领域。随着大规模集成电路技术的进步 以及生产规模的不断扩大，射频产品的成本将不断的降低，其应用将越来越广 泛。 为满足工业现场控制系统的应用要求，必须在点对多点的方式进行通信基 础上建立完整的、有效的工业无线数据通信服务模型。控制机和主机之间通过 串口实现数据交换，并通过应用程序完成对数据的处理，协调好工业现场控制 系统中实时和非实时信息的传输服务，形成为广大工控生产厂商和用户所接收 的协议。主机和各个监控终端机之间通过射频模块进行无线数据传输，射频技 术是一种方便可靠的控制系统数据传输方式，它提供了高度可靠的无线通信选 择方案，增强了系统设计的灵活性，省去了工业布线的费用，特别是当电缆安 装不可行时。 无线数据传输系统在其领域内应用在不断扩大，基于射频技术的监控系统 便是无线数据传输在无线通信领域和自动化控制领域的重要应用之一。因此无 线数据传输技术在通信领域的应用，目前仍处于开拓状态，但随着射频技术的 成熟，未来市场需要巨大，前景广阔。 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 无线数据传输技术发展趋势 随着无线个人局域网络( w i r e l e s sp e r s o n a a r e an e t w o r k ，w p a n ) 和无线 局域网( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ，w l a n ) 技术已经迅速发展成为计算机 网络中的一个重要组成部分，无线互连也已经通过各种不同的方式( 射频、蓝 牙、红外) 等技术成为我们日常生活中的一部分，不仅是现在将来更是如此， 无线数据传输主要是利用无线电波进行通信。 目前的无线电网络主要是指无线局域网w l a n 。1 ，由于w l a n 产品不需要铺设 通信电缆或通信光缆，可以灵活机动地应付各种网络环境的设置变化。随着网 络环境的设置变化。随着网络的普及和网络技术的进步，w l a n 在许多领域得到 了充分的应用，从家庭应用、企业应用、到公众网络运营都有了无线局域网的 身影。 无线分布式传感控制网络( w i r e l e s sd i s t r i b u t i o n e ds e n s o r c o n t r 0 1 n e t w o r k s ，w d s c n ) 就是w p a n 在自动化控制领域内的重要应用之一，w d s c n 融合 了计算机网络技术，现代传感器技术，无线通信技术于一体，主要应用于一点 对多点的通信与控制，实现传感器数据的传输和对整个网络的监控及其做出自 动反馈控制。 采用射频技术构成的w d s c n 局域网络，便是一种无线数据传输系统。w d s c n 技术适用所有需要可移动或者是不易进行布线的领域“1 ，尤其是适用那些需要当 场需要进行数据处理的工作领域。w d s c n 的应用非常广泛，如果将其硬划分为室 内和室外的话，室内应用包括车间、智能仓库、临时办公室、体育馆、医院等； 室外应用包括工矿企业厂区自动化控制与管理网络、矿山、水利、油田、港口、 码头、江河湖坝区、野外勘测实验等。 未来几年由于w d s c n 技术的日趋成熟，以及在接入速率和适应环境上与未 来3 g 通信技术的互补性，使得w d s c n 的应用已经从单纯无线网络的延伸拓展开 来，成为室内或小区尤其是热点地区重要的高速无线数据接入手段之一，应用 潜力巨大。 1 4 无线通信技术 w d s c n 的核心是短距离的无线通信技术，目前使用的无线通信技术主要有 武汉理工大学硕士学位论文 i r d a 、r f 、b l u e t o o t h 、h o m e r f 和u w b 等几种，这几种介质本质上都是基于无线 电通信的电磁波频谱，并且分为三类接入方式：窄带微波技术( n a r r o w b a n d m i c r o w a v e ) 、扩频技术( s p r e a ds p e c t r u m ) 以及红外线( i n f r a r e d ) 技术”m 1 。 1 9 8 5 年美国率先开放了i s m ( i n d u s t r i a ls c i e n i f i cm e d i c a l ) 频段，对这些 频段的使用不需要经过通信委员会的许可便可直接使用，这些频率的工作范围 包括4 3 3 9 2 m h z 4 3 4 3 2 m h z 、9 0 2 m h z 9 2 8 m m z 、2 4 g h z 2 4 8 5 3 g m z ，这种自由 的未经许可就可以使用的频带的存在促使诸多商家去生产工作在i s m 频段内的 无线网络产品。 1 4 1 红外无线通信技术 红外通信技术( i r d a ) 采用肉眼看不见的红外线传输技术，是使用最广泛 的近距离点对点传输技术，但通常有效作用半径为2 米，传统的数据传输速度 4 m b i t s 。1 9 9 5 年i r d a 将通信速率扩展到了最高可以达到1 5 m b i t s 。i r d a 技术 比较成熟，设备体积小，功耗低，所需要的资源不需要申请，此外红外线l e d 及其接受组件比一般的射频设备便宜，并且i r d a 传输数据速度快，因此在图形 或者音频设备中具有很好的优势。主要缺点是：传输距离短，受视距影响，发 射接受具有方向性，主要用在两台设备之间进行点对点的传输，无法组成网络。 红外线( i r ) 或光波通信广泛的应用于电视机、录像机、立体声系统的遥控设 备中，在计算机键盘、终端设备、打印机以及个人数据助理( p d a ) 等设备中也 有它的应用。 1 4 2 蓝牙无线通信技术 蓝牙( b l u e t o o t h ) 技术是1 9 9 8 年由爱立信、诺基亚、i n t e l 、t o s h i b a 和 i b m 公司联合推出的一种支持点到多点的短距离无线通信技术，实际上是想以无 线电波来连接计算机与象移动电话、p d a 这样的周边附属设备，使之能在近距离 范围内互联。 蓝牙芯片的发射功率能够根据使用模式自动调节，正常的发射功率为l m w ， 发射范围为l o m 。蓝牙技术是一种点对多点的通信协议，在定义上，一个蓝牙设 备最多可以同时连接另外7 个蓝牙设备，利用蓝牙技术可以将周边的设备连接 起来，形成一个小的无线通信系统。蓝牙无线技术采用的是全球统一开放的 4 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 g h z 的i s m 频段，它是一种扩展窄带信号频谱的数字编码技术，通过编码运 算增加了发送比特的数量，扩大了使用的带宽。蓝牙使用跳频方式来扩展频谱， 跳频扩频使得带宽上信号的功率谱密度降低，从而大大提高了系统抗电磁干扰、 抗串话干扰的能力，使得蓝牙的无线数据传输更加可靠。 1 4 3 射频无线通信技术 射频( r a d i of r e q u e n c y ，r f ) 技术使用几个特定频率中的一个频率传输数 据，主要是指i s m ( i n d u s t r i a ls c i e n i f i cm e d i c a l ) 频段，对这些频段的使用 不需要经过通信委员会的许可便可直接使用，这些频率的- 工作范围包括 4 3 3 9 2 m h z 4 3 4 3 2 姗z 、9 0 2 衄z 9 2 8 m h z 、2 4 g h z 2 4 8 5 3 g h z 。在中等衰弱的 建筑物中，r f 信号一般可以穿透一到三堵墙，它可以用于室外、开放或者封闭 的室内。 近几年来，伴随着大规模集中电路技术的发展，短距离无线通信系统的主 要功能都可以使用射频收发芯片加上微控制器和少量的外围器件构成专用或者 通用的无线通信模块。射频芯片一般采用f s k 调制方式，工作于i s m 频段，采 用射频无线通信技术来完成无线数据的传输，开发相对简单，易于实现。射频 技术做为新一代短距离无线数据通信技术具有体积小、功耗低、性能稳定、抗 干扰能力强等优点，并且适合组成小型的通信局域网，在工业、民用领域得到 了广泛的应用。 1 4 4h o m e r f 无线通信技术 1 9 9 8 年由i n t e l 、i b m 、c o m p a q 、3 t o m 、p h i p s 、m i c r o s o f t 、m o t o r o l a 等 公司成了家用射频工作组( h r f w g ：h o m er fw o r k i n gg r o u p ) 。h o m e r f 是由h o m e r f 工作组开发的应用在家庭领域范围内的任何地方，是p c 和用户电子设备之间实 现无线数字通信的开放性工作标准。h o m e r f 工作组网络能够提供长达5 0 m 的数 据传输距离，该距离足以覆盖典型的家庭应用。h o m e r f 工作组的工作频率为 2 4 g h z ，并且使用跳频扩频技术进行调制，跳频速率为5 0 跳s ，调制方式为恒 定包络的f s k 调制方式，分为2 f s k 和4 f s k 两种，在2 f s k 调制方式下，最大的 数据传输速率为1 m b p s ，支持音频和数据传输业务。 武汉理j 二火学硕士学位论文 1 4 5 本文的主要研究工作 本文的主要工作以及系统设计的关键在于： 1 ) 剖析无线数据传输模块，绘制并调节基于n r f 4 0 1 芯片的射频无线数传 模块电路。 2 ) 熟悉a r m 结构处理器并开发基于此处理器的外围器件硬件系统。 3 ) 研究u c l i n u x 的源代码，并移植到嵌入式处理器中，使主控制器接受端 机监控数据并对之进行分析，且发出相应的命令对被控系统进行控制。 4 ) 实现软硬件的无缝对接，构建可靠的监控系统。 采集的传感器信号通过射频模块进行无线数据传输，主控制机与监控终端的 通信转化为主机与监控终端机间的通信以及主控制机与主机通过串口( u s a r t ) 间的通信是本系统研究和解决的关键问题，在此基础上形成无线局域网内的监控 系统软硬件平台的搭建。 6 武汉理t 大学硕士学位论文 2 1 概况 第2 章系统方案的总体设计 无线数据传输现在广泛地运用在车辆监控、遥控、小型无线网络、门禁系统、 小区传呼、工业数据采集系统、小型无线数据终端、安全防火系统等领域中，而 且除此之外，无线数据传输模块在连接传感器方面具有无与伦比的优点，特别适 合具备以下特征的场合：要求测试时间较短、搭建测试环境时务求快速、简便的 环境，无线数据传输和现存的有线数据传输相比较而言，无线数据传输有一个很 大的不同它们使用i r d a 、b l u e t o o t h 、r f 等技术来发送和接收数据包。无线 数据传输主要由数据终端机、主机和主控制机组成，主控制机与主机间用串行口 通信，主机和数据终端机之间通过射频模块进行通信。整个系统的各个部分都是 基于无线数据传输这个条件，所以在整个系统的硬件设计中，无线数据的传输和 控制部分为最主要部分。 传感器采集信号后传给数据终端机，终端机通过射频模块进行无线数据传 输，主控制机与数据终端的通信转化为主控制机与主机串口( u a r t ) 间的通信以 及数据终端通过无线数传模块和主机之间的数据传输，这是本系统研究和解决的 关键问题，在此基础上形成了无线分布式传感控制网络( w i r e l e s s d i s t r i b u t i o n e ds e n s o r c o n t r o ln e t w o r k s ，w d s c n ) 的处理机的软硬件系统搭建 t o 无线数据传输系统有点对点，点对多点和多点对多点三种。本系统由于实 际应用的需要，由主控制机、主机和多台数据终端组成，主机和数据终端之前 的数据传输通过射频模块进行，构成点对多点无线数据传输系统。整个系统中， 主机和数据终端之间的无线通信采用4 3 3 m h z 的频段作为载波频率，为了避免同 频干扰的问题，系统采用t d m a ( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 通信技术。1 。 主机采用逐一扫描的方式探测各个数据终端有没有收发通信请求或其它命令； 数据终端则采用中断方式，对主接收器发出的地址信息进行处理，若与本机地 址相符合则执行命令。 综合以上考虑，此基于无线数据传输的处理系统采用嵌入式系统辅以适当 武汉理工大学硕士学位论文 无线数传模块来实现。系统中用射频模块来完成数据的传输，用嵌入式系统来 实现对传输数据的处理和存储、网络通信、外部控制等任务。 2 2 监控系统构成 在工业现场中，为了保证工业运行得到及时监控，需要在工业现场建立一个 实时监控系统，该系统主要由监控站( 主站) 部分和终端检测点( 分站) 部分组成。3 如图2 1 所示。 图2 1 系统组成框图 监控主站系统由主控制器和监控站主机两部分组成，系统包括主控制系统和 射频收发模块部分，监控站主站装置的结构如图2 2 所示。 l a r m 7 a v r 单片机 ii l 报警器1l l c d i 图2 2 监控主站装鼍组成框图 射频模块部分承担了检测点分机采集数据的接受并且通过a v r 单片机传输 给主控制机$ 3 c 4 4 8 0 ，主控制机负责屏幕的同步显示、处理、及响应各个检测点 子系统的中断请求，报警电路完成异常情况的报警功能，无线收发模块完成监 控站( 主站) 与检测点的子系统之间的无线通信。”“。 武汉理t 大学硕士学位论文 监控子系统优化了硬件结构，减小了系统的体积，检测点装置主要部分如图 2 3 所示，h t b l e g a 8 ( 从单片机) 完成对数据采集终端的不断读值，并且将数值通 过无线收发模块传到主机。为了保证程序的通用性，我们为不同检测子系统拨出 不同的号码作为其基站点地址“。 甲甲 图2 3 检测点装置组成框图 2 3 无线数传模块简介 主机与各终端机之间以无线数据传输方式传送控制信息或数据信息，射频 收发模块采用n r f 4 0 1 射频收发芯片。芯片内包含有发射功率放大器、低噪声接 收放大器、晶体振荡器、锁相环、压控振荡器、混频器等电路，工作频率为i s m 频段4 3 3 m h z ，采用f s k 调制解调、晶体振荡和p l l 频率合成技术，接收灵敏度为 一1 0 5 d b m ，发射功率为l o d b m ，待机状态电流消耗仅1 0 ua 。在接收模式中，射频 输入信号被低噪声放大器放大，经由混频器变换，这个被变换的信号在送入解 调器之前被放大和滤波，经解调器解调，解调后的数字信号在d o u t 端输出。在 发射模式中，压控振荡器的输出信号是直接送入到功率放大器，d i n 端输入的数 字信号被频移键控后馈送到功率放大器输出“”。 图2 4 是r f 4 0 1 的典型应用电路，图2 5 是r f 4 0 1 与a v r 单片机相连接的 应用电路，所设计的无线数传模块由单片射频收发芯片n r f 4 0 1 、a t m e g a 8 微控 制器构成，工作在4 3 3 9 2 4 3 4 3 3 m h z 频段；可方便地嵌入在各种测量和控制 系统中进行无线数据传输，在车辆监控、无线抄表、无线数据通信、计算机遥 控遥测系统中应用。 9 武汉理t 大学硕士学位论文 l i 毒上 午h u 叫i m i 专培奠专 = = 嚣ia ，。 翘麓喾r l m ： “1 k 夸 图2 4n r f 4 0 1 应用电路 p d 3p w ru p p d 2 t x e n a t m e g a 8 n r f 4 0 l txd-l p d l ( t ) 1 )吲 r x d p 瑚( r ) ( d )d o u t 图2 5n r f 4 0 t 与单片机的连接 2 4 信息采集与处理部分硬件的设计 2 4 1 单片机选择 主机c p u 选用a t m e g a 6 4 单片机，a t m e g a 6 4 是a t m e l 公司在2 0 0 2 年第一季 度推出的一款新型的a v r 高档单片机。在a v r 家族中，a t m e g a 6 4 是一种非常特 殊的单片机，它的芯片内部集成了较大容量的存储器和丰富强大的硬件接口电 路，具备a v r 高档单片机系列的全部性能和特点。 a t m e g a 6 4 的主要性能如下“”： 1 高性能、低功耗的8 位a v r 微控制器，先进的r i s c 精简指令集结构，特 殊的功能寄存器，宽工作电压，高运行速度，低功耗。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 2 片内集成了较大容量的非易失性程序和数据存储器以及工作存储器，6 4 k 字节的系统内可编程f l a s h ，真正的同时读写操作，2 k 字节的e e p r o m 。4 k 字节片 内s r a m ，6 4 k 字节可选外部存储空间。 3 丰富强大的外部接口性能：四个具有比较模式与p w m 的灵活的定时器计 数器( t c ) ，两路8 位p w m 通道，8 路1 0 位a d c ，两个可编程的串行u s a r t ，面 向字节的两线串行接口，可工作于主机从机模式的s p i 串行接口。 从机的处理器选用的是a v r 单片机系列的a t m e g a 8 单片机“”，a t m e g a 8 结构与 a t m e g a 6 4 同属于a v r 系列的单片机，因此在特征和性能与a t m e g a 6 4 有类似之处。 2 4 2 软件协议 本课题所设计的是监控信息系统平台，需要我们对所采集韵信息量进行实 时监控处理，并且针对实际情况做出迅速地回应，硬件的选择是根据数据传输 的速度和通信方式来进行选择。 由于本课题采用主从方式的通信方式，其中多个从机分别负责采集工业现 场状态信息，可以包括温度、湿度等；主机负责调度、支配从机，将各从机采 集到的各类信息通过射频数传模块进行接收，再通过r s 2 3 2 串口通信传送到嵌 入式处理芯片上，以便将工业现场信息结果通过l c d 形象的反映给监控者。在 主从机通信过程中，采用一对多的方式进行数据传输，为了使主扶机之问的通 信能够准确无误。规定了主从机之间的通信协议和通信的数据帧格式，其具体 格式规定如下： 通信协议：波特率9 6 0 0 b s ，1 个起始位，1 个停止位，9 个数据位，检验 和为前面字节累加后取低7 位。 在本套无线通信系统中采用如下的数据帧格式： l 引导系统接收发送 数据 l 字头关键字 机i d机i d 控制字数据块校验字 长度 2 4 3 主从机通信框图 主从机之间多机通信中主机采用时间轮询式接收、发送数据，程序流程如图 2 6 所示m 。 武汉理工大学硕士学位论文 图2 6 主机查询式通信程序框图 武汉理工大学硕士学位论文 主从机之间多机通信中从机利用中断方式接收、发送数据的程序流程如图 2 7 所示。 图2 7 从机中断式通信程序框图 武汉理工大学硕士学位论文 2 5 本章小结 本章详细介绍了基于无线数据的嵌入式网络监控系统的总体设计方案，以 及传输平台的各模块设计实现和点对多点的通信协议，包括所选用系统主机、 从机控制芯片a t m e g a 6 4 、a t m e g a 8 的特点及其外围功能模块，无线传输平台的 射频模块与控制芯片之间的连接与实现，以及点对多点的无线数据传输的协议 的设计。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章无线通信协议的设计 3 1 无线通信的任务 在无线数据传输监控系统中，无线通信的任务包括以下两个个方面： ( 1 ) 将检测终端的检测数据通过各终端的无线数传模块传给主机。 ( 2 ) 主机部分的射频模块接收终端机上传输过来的数据并传给主控制器。 ( 3 ) 将主控制器的控制信息由主机下传给各个无线终端。 ( 4 ) 检测终端通过无线数传模块接收主机传过来的控制信息。 因此在整个通信的过程中主机和监控终端既是数据发送端也是数据接收 端，基于在本无线网络中，存在一个主站( 即主机终端) 和多个从站( 各个终 端检测点) ，因此本无线通信的协议是点对多点的无线通信协议。 3 2 无线通信过程分析 在整个无线通信系统中，无线通信模块的工作频率是4 3 3 m h z ，数据传输率 是9 6 0 0 b s 。由于整个系统工作在单一载波频率下，采用f d y d l 技术是不可能的， 所以在经过权衡之后，认为采用t d m a 方式即时分多路访问模式是最有效可行的， 由于整个系统每次最多的通信数据量限制在1 k 以内( 主要是一些检测数据信息 和控制信息) ，本系统主机端采用了轮询的工作方式。整个系统的工作过程如下： 主机端： ( 1 ) 向无线检测终端发送建立连接请求，请求中包含终端i d ，询问该终端是 否有数据或命令要发送。 ( 2 ) 若收到该终端机的肯定响应应答，则转到( 3 ) ，否则转到( 4 ) 。 ( 3 ) 主机同终端机进行通信，接收终端机的数据或者向无线终端发送控制信 息。整个通信完成后转到( 4 ) 。 ( 4 ) 转入和下一个终端机的通信，回到( 1 ) 。 无线终端： ( 1 ) 监听主机端发送的建立连接请求，若请求中包含的终端i d 等于自己的 武汉理工人学硕士学位论文 i d 号，转至( 2 ) ；若请求中包含的终端i d 不等于自己的i d ，则丢弃此请 求包，继续监听。 ( 2 ) 若本终端有数据或命令需要上传，则开始与主机进行通信直至通信结 束，然后回到( 1 ) ；若没有数据需要上传，则回到( 1 ) 。 3 3 通信实现 3 3 1 流程概述 如前所述，在应用系统中各模块具有各自的功能，目前系统中主机与端机之 间采用轮询通信方式，即主机在一定时间问隔内呼叫各端机，收集所需的传感 器信息，并对端机发送命令，控制其工作状态。 3 3 2 主机工作流程 ( 1 ) 初始化，默认工作频道l ( c s = o ，频率4 3 3 9 2 m h z ) ，并且为发送模式 ( t x e n = 1 ) 。 ( 2 ) 监钡4 当前状态，等待系统稳定后，向端机发送地址帧，以迅速有效的 和某个端机建立连接。 ( 3 ) 转入接收模式，等待接收端机发送过来的确认信息表示终端系统已经 准备好转入( 4 ) ，否则转入发送模式，继续向某端机发送地址帧建立连接，转 入( 3 ) 。 ( 4 ) 发送控制命令帧，若请求端机向主机发送数据，则进入接收模式，准 备接收端机数据。若是请求端机接收主机发送的数据，则处于发射模式，注意 在等待接收端机信息过程中需要向端机发送系统关键字以保持无线链路连接。 ( 5 ) 以轮询方式呼叫下一个端机，发送地址帧建立连接，转入( 3 ) 。 3 3 3 端机工作流程 ( 1 ) 当端机接收到主机发送来的地址帧或者数据帧以后，进入中断服务子程 序，默认工作频道1 ( c s = 0 ，频率4 3 3 9 2 m h z ) ，并且为接收模式( r x e n = 1 ) 。 ( 2 ) 每一个从处理器都会读取u d r 寄存器的内容已对比主机发送过来的地址 武汉理工大学硕士学位论文 帧是否和本身地址一致，确定自己是否被选中。如果选中，就清零u c s r a 的m p c m 位，并且转入发送模式，向主机发送终端已经准备好的数据信息，转入( 3 ) 。 若未被选中，则它将等待下一个地址字节的到来，并保持m p c m 为1 。 ( 3 ) 终端机接收主机发送来的控制命令字，若是主机请求端机发送数据，则 发送模式，准备发送传感器传来的数据。若是主机请求端机接收数据，则进入 接收模式，注意在等待接收主机信息过程中需向主机发送系统关键字以保持无 线链路连接。 ( 4 ) 当终端接收、发送数据结束则退出中断服务程序，并且将m p c m 置位，等 待主机发送下一个地址帧。 3 4 系统无线通信协议的设计 3 4 1 通信协议数据帧 通信协议是通信双方为实现信息交换而制定的规则，本系统采用分时技术 将点对多点的通信方式转化为点对点的通信，因此必然涉及信源与信宿建立通 信的地址匹配问题，而且由于无线收发模块的特性，通信可能在发射端与接收 端之间受到外界的干扰而使数据发生错误，也需要通信协议来保证接收端能正 确接收数据，并确定所接收数据是否为实际数据。 射频模块和主控制芯片之间是通过串行v i 来实现数据交换的。当没有发送 数据的时候，n r f 无线模块接收端也会有信号出现，这是因为n r f 4 0 1 对噪声进 行了解调，并会引起u a r t 进行接收处理。在对噪声进行采样的时候，有可能另 一端的发送机开始发送信息，因此读取检测到哪个是有效数据起始位就很为重 要，引导字头这时候就起着检测的作用，它使u a r t 在第一个地址位到来前能够 正确检测开始位并接收数据。 在本套无线通讯系统中采用如下的数据帧格式： 引导i 系统 | 接收l 发送 字头i 关键字i 机i dl 机i d控制字j 饕袭l 数据块i 校验字 ( a ) 引导字头 引导字头是一个训练序列，+ 在建立无线通信过程中起到稳定接收机和发送 武汉理工大学硕士学位论文 机通信的作用。引导字头用来保证应用通信程序能够识别噪声和有效数据，噪 声是以随机字节出现的，没有明显的方式，一个理想的噪声源应该能够产生每 一种可能字节信息的组合，噪声的这种特性使得相当困难去找一种字节组合来 作为有效数据包的开始，幸运的是噪声并不是理想的，经测试发现o x f f 后跟o x 0 0 在噪声中不容易发生，传输协议应该在数据包前加开始字节o x f f 后跟o x 0 0 用 作数据包的通信同步码，接收协议只能接收以o x f f 后跟o x 0 0 开始的数据包。 ( b ) 系统关键字 由于无线通信模块可以工作在多个终端，所以在同一工作地点可能应用多 次查询连接，各终端控制各自的端机。为了区分不同的系统r 可以添加不同的 系统关键命令字，常用一个字节来表示，例如o x 0 1 和o x 0 2 表示两套不同的连 接，这可根据实际情况设定。 ( c ) 通信模块i d 设置 为了区分不同的端机，可将各无线通信模块划分不同的功值。例如主机i d 给定编码值( 1 6 进制) o x 0 1 ，端机i d 给定编码值( 1 6 进制) o x l o 、o x 2 0 、o x 3 0 等， 端机编码范围( 1 6 迸制) o x l o - - i ) x l f ，分别对应所控制的压力、温度、位移等等不 同类型的传感器模块。接收端在判断所接收的系统关键字与接收机i d 与本机一 致时，才对后面的数据加以处理，并且根据控制字做相应的状态转换。 ( d ) 控制字 控制字是一个控制命令，通过该指令来控制接收发送发生状态转换。包括收 发模式，调电模式，待机模式控制，频点转移控制等等。 ( e ) 数据长度和数据块 数据长度中存放此数据块地有效长度，数据块则详细列出传递数据块的具 体内容。 ( f ) 校验字 校验字是对控制字，数据长度和数据块采取相应的校验检查，确保设备接 受的数据不会由于外界干扰而出错。 ( 1 ) 串行帧格式 串行数据帧由数据字加上同步位( 丌始位与停止位) 以及用于纠错的奇偶校 验位构成。 u s a r t 接受以下几种组合的数据帧格式“： 武汉理工大学硕士学位论文 1 个起始位 5 、6 、7 、8 或9 个数据位 无校验位、