（控制理论与控制工程专业论文）基于嵌入式处理器的主从分布式通信系统的研究与设计.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 本文是以无线通信为系统信息传递的基础结构，以排队信息管理系统为设计对 象，采用模块化的设计方法，将多种功能模块以网络化的连接形式组成了主从分布 式的无线通信系统。该系统的设计，是在原来用有线方式传输信息的方法的基础上 加以改进，采用先进的无线射频数传模块作为系统主从站之问通信的纽带，使整个 系统在使用的方便性方面得以提高，并且也有利于按照现场的实际情况进行系统的 规划安装，同时在系统检修方面，能够保证在不影响整个系统稳定运行的状况下， 对个别模块进行维护，从而也能够给系统的维护带来很大的方便。因此，本设计在 实际应用场合还是具有较高的效率和实用价值。 关键词：无线通信，n r f 9 0 5 ，微处理器，s p i a b s t r a c t ak i n do fm a s t e rs l a v ed i s t r i b u t e dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mt h a ti sc o n s i s t o fm a n yf u n c t i o n a lm o d u l e si si n t r o d u c e di nt h ep a p e rt h a ti sb a s e do nt h em e t h o do f w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，t h eo b j e c to faq u e u i n gm a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e ma n d t h ed e s i g na p p r o a c ho fm o d u l a r i z a t i o n t h ec h a r a c t e ro ft h es y s t e mm a i n l yf o c u so n s u b s t i t u t i n gr a d i of r e q u e n c yt r a n s c e i v e rf o rw i r ec o m m u n i c a t i o nl i n e ，i n o r d e rt o i m p r o v i n go nt h es y s t e mc o n v e n i e n c ea n db e i n gp r o p i t i o u st os y s t e mm a i n t e n a n c e t h e d e s i g ne n a b l e si n d i v i d u a lm o d u l e st om a i n t a i no nc o n d i t i o nt h a th a v en oe f f e c to nt h e o p e r a t i o no fs y s t e m t h e r e f o r e ，t h ed e s i g nm e t h o dh a sh i g h e ru t i l i t yt o m e e tt h e r e q u i r e m e n to fc e r t a i na p p l i c a t i o n s g a os h e n g f u ( c o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f il vy u e g a n g 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 n ，n r f 9 0 5 ，m c u ，s p i 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 本文是以无线通信为系统信息传递的基础结构，以排队信息管理系统为设计对 象，采用模块化的设计方法，将多种功能模块以网络化的连接形式组成了主从分布 式的无线通信系统。该系统的设计，是在原来用有线方式传输信息的方法的基础上 加以改进，采用先进的无线射频数传模块作为系统主从站之问通信的纽带，使整个 系统在使用的方便性方面得以提高，并且也有利于按照现场的实际情况进行系统的 规划安装，同时在系统检修方面，能够保证在不影响整个系统稳定运行的状况下， 对个别模块进行维护，从而也能够给系统的维护带来很大的方便。因此，本设计在 实际应用场合还是具有较高的效率和实用价值。 关键词：无线通信，n r f 9 0 5 ，微处理器，s p i a b s t r a c t ak i n do fm a s t e rs l a v ed i s t r i b u t e dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mt h a ti sc o n s i s t o fm a n yf u n c t i o n a lm o d u l e si si n t r o d u c e di nt h ep a p e rt h a ti sb a s e do nt h em e t h o do f w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，t h eo b j e c to faq u e u i n gm a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e ma n d t h ed e s i g na p p r o a c ho fm o d u l a r i z a t i o n t h ec h a r a c t e ro ft h es y s t e mm a i n l yf o c u so n s u b s t i t u t i n gr a d i of r e q u e n c yt r a n s c e i v e rf o r w i r ec o m m u n i c a t i o nl i n e ，i no r d e rt o i m p r o v i n go nt h es y s t e mc o n v e n i e n c ea n db e i n gp r o p i t i o u st os y s t e mm a i n t e n a n c e t h e d e s i g ne n a b l e si n d i v i d u a lm o d u l e st om a i n t a i no nc o n d i t i o nt h a th a v en oe f f e c to nt h e o p e r a t i o no fs y s t e m t h e r e f o r e ，t h ed e s i g nm e t h o dh a sh i g h e ru t i l i t yt om e e tt h e r e q u i r e m e n to fc e r t a i na p p l i c a t i o n s g a os h e n g f u ( c o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f l vy u e g a n g 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 n ，n r f 9 0 5 ，m c u ，s p i 声、明 y8 6 8 0 4 7 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于嵌入式处理器的主从分布 式通信系统的研究与设计，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师 指导下进行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注 和致谢之处外，论文中不包含蕻他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得华北电力大学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已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：。：当垂猫日期：学位论文作者签名_ 国垡立g 日期：圭：! ! 鱼! 璺7 啦 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩 印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅； 学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同 方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：鱼蚕猫! 日期：竺! 络! j 雠 导师签名： 日期： 圭幽j 苎型刍! 问i 倬 华北电力火学硕士学位论文 1 1 研究的背景及其意义 第一章绪论 现代世界是一个高速自动化的世界，各种各样的设备除了可以与计算机联机 外，还可以互相联机，而最简单的自动化联机方式就是使用串行通讯。随着时代的 进步，它并没有被取代，反倒是逐渐被广泛应用。如今，在许多的场合有线连接的 方式已经不能满足科技的高速发展。随着信息技术和计算机科学的变革和发展，无 线通讯技术已经成为一种发展趋势出现在各个领域当中。因无线通讯传输技术具有 成本低、无需通讯电缆、不受应用环境限制、组态灵活、重构性强等优点，特别适 用于手持设备的通信、电池供电设备、遥控、遥测、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、无线标签身份识别、非接触r f 智能卡、 小型无线数据终端、安全防火系统、无线遥控系统、生物信号采集、水文气象监控、 机器人控制、无线2 3 2 数据通信、无线4 8 5 4 2 2 数据通信、无线数字语音、数字图 像传输、智能小区不停车收费、银行智能回单系统等系统和领域中。因此。对无线 通信技术的研究与开发是有很大的发展前景的。 1 2 研究现状 目前在短距离无线通信实用技术方面。主要有：红外技术，蓝牙技术，8 0 2 1 1 b 无线局域网标准技术，微功率短距离无线通信技术等，现简介如下： 1 2 1 红外技术 红外通信技术采用人眼看不到的红外光传输信息，是使用最广泛的无线技术， 它利用红外光的通断表示计算机中的0 1 逻辑，通常有效作用半径2 米，发射角一 般不超过3 0 度，传统速度可达4m b i t s ，1 9 9 5 年i r d a ( i n f r a r e dd a t a a s s o c i a t i o n ) 将通信速率扩展到的高达1 6 m b i t s ，红外技术采用点到点的连接方式，具有方向性， 数据传输干扰少，速度快，保密性强，价格便宜，因此广泛应用于各种遥控器，笔 记本电脑，p d a ，移动电话等移动设备，但红外技术只限于两台设备通讯，无法灵 活构成网络，而且红外技术只是一种视距传输技术，传输数据时两个设备之间不能 有阻挡物，有效距离小，且无法用于边移动边使用的设备。目前计算机领域广泛采 用i r d a ( i n f r a r e d d a t aa s s o c i a t i o n ) 协议作为无线传输标准。i r d a 工作速率在 2 4 1 1 5 k b p s 之间，是一种点对点的半双工技术，采用分层结构，其协议栈结构及红 外链路接口的结构示意图如表1 1 、图l 一1 所示。 华北电力大学硕士学位论文 表1 1i r d a 协议栈结构： 高层 i r l m p 链路管理协议 i r l a p 链路接入协议 i r d a s t r 红外物理层 图1 1i r d a 红外链路端原理图 i r d a 协议包括三层：1 ) 物理层( i r d a s t r ) ：工作在8 5 0 8 8 0 n m 的红外波段， 发射器信号强度为4 0 m w s r - - - 5 0 0 m w s r ，有效范围为3 0 0 锥角：它的红外发射器、 接收器与标准u a r t s 相连，信道误码率为1 0 一，最大接入速率达1 1 5 2 k b p s 。接收 器可探测4 5 0 0 1 t w e m 2 的光信号，有效范围为3 0 0 锥角。2 ) 链路接入协议( i r l a p ) ： 它与h d l c ( 半双工链路控制) 协议类似，提供3 种数据帧，u 帧用于建立或去除 连接，i 信息帧、s 帧用于数据传输控制。3 ) 链路管理协议( i r l m p ) ：用于维护打 印、传真、调制调解功能，以及发现碰撞、链路管理( 可多达1 2 7 个红外单元) 等。 i 2 2 蓝牙技术 蓝牙技术是一种短距离无线通信技术，它采用无线电射频技术实现设备之间的 无线互连，有穿透能力，能够全方位传送，主要面对网络中各种数据和语音设备， 通过无线方式将它们连成一个微微网( p i c o n e t ) ，多个微微网之间也可以形成分布 式网络( s c a t t e r n e t ) ，从而方便，快速的实现各类设备之间的通信，蓝牙技术使用 2 4 g h z 的i s m ( i n d u s t r ys c i e n c em e d i e i n e ) 频段，具有全球可操作性，最大传输率 l m b i t s ，当发射功率为l m w 时，有效距离小于等于1 0 米，适合于鼠标，键盘等短 距离设备，当功率为1 0 0 m w 时，适合于移动电话，笔记本电脑等经常变动环境的 设备。它采用跳频扩频f h s s ( f r e q u e n c yh o p p i n gs p r e a ds p r e c t r u m ) 技术，具有非 常可靠的数据和语音传输能力，蓝牙芯片尺寸小，功率低，其应用越来越广泛。但 一个微微网同时连接的设备个数不能多8 个，当多于8 个时只能通过建立多个微微 网，利用跨两个微微网的设备进行连接，会造成网速下降，蓝牙技术更强调设备之 间的连接，而不是客户机与服务器之间的连接，并且蓝牙技术尚无国际标准，只有蓝 牙利益集团制定的行业标准。 2 华北电力大学硕士学位论文 蓝牙系统结构一般可分为四层：无线与基带( r a d i o b a s e b a n d ) 层；链路控 制器及逻辑控制与自适应协议( l i n k m a n a g e r l 2 c a p ) 层；主机控制器接口( h o s t c o n t r o l l e ri n t e r f a c e ) 层和应用框架与支持( a p p l i c a t i o nf r a m e w o r k s u p p o r t ) 层。 无线与基带层主要规定硬件设备的功能，负责射频处理和基频调制的功能。链路管 理器及逻辑链路控制与自适应协议层主要完成底层通信协议( 如物理层、m a c 层) 的功能，链路管理器主要负责基带连接的设定及管理，逻辑链路控制与自适应协议 ( l 2 c a p ) 负责基带数据的分段及重组、多路复用和服务质量( q o s ) 等功能。主 机控制接口提供蓝牙与主机设备之间连接接口的控制指令。应用和支持层主要为各 种应用( 如语音、数据等) 提供应用软件所需要的通信协议与应用程序接口，如 t c p i p 、f r c o m m 等。蓝牙系统组成以及完楚的蓝牙协议栈分别如图1 2 、图1 3 所示。 图l 一2 蓝牙系统组成图 1 2 38 0 2 1l b 技术 图卜3 完整的蓝牙协议栈 i e e e ( i n s t i t u t eo f e l e c t i c a la n de l e c t r o n i c se n g i n e e r s ) 8 0 2 1 1 b 技术标准是无线 局域网的国际标准，使用2 4 g h z 的i s m 频段，8 0 2 1 l b 协议主要工作在o s i ( o p e n 3 华北电力大学硕士学位论文 s y s t e mi n t e r c o n n e c tr e f c r e n c em o d e l ) 的物理层和数据链路层，其物理层支持5 5 m b i t s 和11m b i f f s 两种速度，采用直接序列扩普d s s s ( d i r e c ts e q u e n c es p r e a d s p e c t r u m ) 技术进行调制解调增强了抗干扰能力，提高了传输速度，并使用动态速 率漂移，数据传输速率可根据环境在l1m b i t s 、5 5m b i t s 、2m b i t s 、lm b i t s 之 间自动切换，有效通讯距离1 0 0 3 0 0 米，8 0 2 1 l 无线网络的最大优点是兼容性，只 要在原有网络上装上a p ，就可以提供无线网络服务，终端设备只要装上无线网卡， 就可以访问所有网络资源，象使用有线局域网一样方便，却免除了布线的麻烦。 8 0 2 1 1 b 具有有线等价保密机制w e p ( w i r e de q u i v a l e n tp r i v a c y ) 确保数据安全。以 其具有穿透能力，全方位传送，建网速度快，可用来组建大型无线网络，运营成本 低，投资回报快等特点，正逐渐受到电信制造商和运营商的青睐，目前此种设备还 比较昂贵，妨碍了其推广和应用。 i e e e 8 0 2 1 l b 定义了无线局域网络的两种设备：无线( w i r e l e s ss t a t i o n ) ，通常 由装备有无线网卡的p c 机担任；无线接k ( a c c e s sp o i n t ) ，它起到一个连接无线和 有线网桥的作用。i e e e s 0 2 1 i b 提出无线局域网络的拓扑结构可分为3 种主要方式： ( 1 ) p e e r t op e e r ( a dh o c 模式) 点对点模式 这种模式是由两个或者更多的配置有无线网卡少且没有连接到有线网络的p c 机组成。主要的物理架构如图1 4 ( a ) 所示。 ( 2 ) c l i e n t s e r v e r 模式 c l i e n t s e r v e r 模式提供了完全的分布式数据连接。这种模式主要有多台p c 机连 接到一个a p 上。这个a p 的作用就是在无线与有线网络的资源之间架起了一座桥 梁，如图1 4 ( b ) 所示。 ( 3 ) 多a p 模式 在较大范围内，可以使用多个a p 的方式构建w l a n ，如图1 4 ( c ) 所示。 图l 一4 ( a ) a dh o c 模式 4 华北电力大学硕十学位论文 图1 4 ( b ) c l i e n t s e r v e r 模式 1 2 4 微功率短距离无线通信技术 图l - 4 ( c ) 多a p 模式 它一般使用数字信号单片射频收发芯片，加上微控制器和少量外围器件构成专 用或通用无线通信模块，一般射频芯片采用f s k 调制方式，工作于i s m 频段，通 信模块一般包含简单透明的数据传输协议或使用简单的加密协议，用户不用对无线 通信原理和工作机制有较深的了解，只要依据命令字进行操作即可实现基本的数据 无线传输功能，因其功率小，开发简单快速而应用广泛，但数据传输速度、流量都 较小较适合搭建小型网络。在工业，民用领域使用较广。 各种短距离无线通信技术主要性能列表比较如下表1 2 所示： 表1 - 2 短距离无线通信技术性能比较 红外技术蓝牙技术8 0 2 1 1 b微功率短距离无线通信技 通信种类 术 系统功耗 1 0 0 m a 1 0 0 m a 4 5 0 m a 6 0 m a 通信距离 1 0 米 1 0 0 米 3 0 0 米 3 0 0 米 通信速率 4 m b s 2 m b s 2 0 k b s 通信频率红外频率 2 4 g h z2 4 g h z4 3 3 m h z 频率申请 否否否 否 开发难易易 难难 易 通信方式 红外 蓝牙 8 0 2 1 1 bf s k 模块成本很低 高 很高低 华北电力大学硕士学位论文 1 3 课题研究内容 本课题主要研究p c 机与多个微处理器之间的无线串行通信，包括无线串行通 信接口模块设计和无线串行通信的软件开发，以及在此通信框架的基础上，开发出 一套完整的无线排队管理系统。 在硬件方面将采用目前比较流行的低功率、单频率、抗干扰能力强、误码率低 的设频收发数传模块，分别与p c 机( 上位机) 和微处理器( 下位机) 串行通信接口 连接组成无线串行通信单元。为了组成无线排队管理系统，还要设计开发出相应的 其他功能模块，其中包括主站控制电路，从站控制电路以及点阵显示屏控制电路等 模块电路。软件方面，p c 机( 上位机) 采用v b 软件开发，v b 提供了串行端口控件 m s c o m m 来为应用程序提供串行通讯，该控件屏蔽了通信过程中的底层操作，程序 员应用时可以设置、监视m s c o m m 控件的属性和事件结合t i m e r 控件即可完成对串 行口的初始化和数据的输入输出工作。微处理器( 下位机包括点阵显示屏控制电路) 采用汇编语言开发。 在保证基本通信功能实现的基础上，将会把设计无线排队管理系统所必须的其 他功能模块加入进去，使其能够完整的实现系统应该具备的功能，并且必须保证系 统能够稳定可靠的运行。 1 4 研究方案，工作特色及难点 由于无线通信的核心在无线串行通信模块的设计和编写串口通信程序上。因 此，首先要从众多的数传模块中选择适合的型号，选择的依据主要从以下几个方面 考虑：发射功率、工作频段、传输距离、通讯协议、接口形式以及可靠性等性能指 标。在以上条件满足的情况下，根据接口形式采取相对应的方式分别与p c 机和微 处理器连接。p c 机与多个微处理器无线通信原理图如图1 5 所示。 在完成了硬件连接之后，主要根据通信协议的要求编写串口通信程序。主站部 分由于使用p c 机，我就可以方便地采用在w i n d o w s 下编写串口程序的方法。一般在 w i n d o w s 下编程常用的编程软件有v b 、v c + + 以及d e l p h i 等，但v b 有其独特的优点， v b 具有面向对象的设计方法、友好的用户界面、简单方便的串行通讯和实用性强等 优点，无需借用其他语言就可阻开发出优秀的控制系统通讯软件。从站部分是以嵌 入式微处理器为核心的综合处理系统，我们采用汇编语言作为从站部分的开发语 言，因为汇编语言是一种面向机器的符号式程序设计语言。汇编语言具有编程质量 高、执行速度快、可以直接对硬件进行操作、占用存储空间少、易记、易修改等优 点。 6 华北电力大学硕士学位论文 匡甜 图1 5p c 机与多微处理器无线通信原理图 在完成以上基础任务后，我们将会根据排队叫号系统的设计要求，进一步完善 由p c 机和多个微处理器组成的无线串行通信系统的功能。 该设计的难点主要在串行通信抗干扰能力、数据收发的准确性和可靠性等方 面。因此在设计无线数传模块和开发串行通信软件时把握好以下几个方面： ( 1 ) 采用可靠完备的硬件和软件抗千扰技术，提高系统的稳定性和可靠性。 ( 2 ) 设定一个合理的通信协议，使主站与从站之间有良好的沟通。 1 5 小结 本章主要介绍了本课题研究的背景和意义，以及目前无线通信技术研究大现状 和各种主要短距离无线通信技术的一些基本结构形式和通信协议，并对几种通信形 式的主要性能指标进行了对比。随后介绍了本课题所要研究的主要内容、研究方案、 工作特色及难点。 7 华北电力大学硕士学位论文 第二章预备知识 2 1 串口通讯的概念及接口电路 随着计算机系统的应用和微机网络的发展，通信功能越来越显的重要。这里所 说的通信是只计算机与外界的信息交换。因此，通信既包括计算机与外部设各之间， 也包括计算机和计算机之间的信息交换。由于串行通信是在一根传输线上一位一位 的传送信息，所用的传输线少，并且可以借助现成的电话网进行信息传送，因此， 特别适合于远距离传输。对于那些与计算机相距不远的人一机交换设各和串行存储 的外部设各如终端、打印机、逻辑分析仪、磁盘等，采用串行方式交换数据也很普 遍。在实对控制和管理方面，采用多台微机处理机组成分级分布控制系统中，各c p u 之间的通信一般都是串行方式。所以串行接口是微机应用系统常用的接口。许多外 设和计算机按串行方式进行通信，这里所说的串行方式，是指外设与接口电路之间 的信息传送方式，实际上，c p u 与接口之间仍按并行方式工作。 2 1 1 串行通信的概念 所谓“串行通信”是指外设和计算机间使用一根数据信号线( 另外需要地线， 可能还需要控制线) ，数据在一根数据信号线上一位一位地进行传输，每一位数据 都占据一个固定的时间长度。如图2 1 所示。这种通信方式使用的数据线少，在远 距离通信中可以节约通信成木，当然，其传输速度比行传输慢。 2 1 2 串行通信接口 i d o i d l l u 2 i i d 4 i d 5 i d 6 i d 7 i 厂 厂 r r 叫r 卜 图2 - i 串行数据传输格式 由于c p u 与接口之间按并行方式传输，接口与外设之间按串行方式传输，因此， 在串行接1 3 中，必须要有“接收移位寄存器”( 串一一并) 和“发送移位寄存器”( 并 一串) 。典型的串行接口的结构如图2 2 所示。 在数据输入过程中，数据1 位l 位地从外设进入接口的“接收移位寄存器”， 当“接收移位寄存器”中已接收完1 个字符的各位后，数据就从“接收移位寄存器” 进入“数据输入寄存器”。c p u 从“数据输入寄存器”中读取接收到的字符。( 并行 读取，即d 7 d o 同时被读至累加器中) 。“接收移位寄存器”的移位速度由“接收时 8 华北电力大学硕士学位论文 钟”确定。 在数据输出过程中，c p u 把要输出的字符( 并行地) 送入“数据输出寄存器”， “数据输出寄存器”的内容传输到“发送移位寄存器”，然后由“发送移位寄存器” 移位，把数据1 位1 位地送到夕 设。“发送移位寄存器”的移位速度由“发送时钟” 确定。 图2 - 2 串行接口的结构 接口中的“控制寄存器”用来容纳c p u 送给此接口的各种控制信息，这些控制 信息决定接口的工作方式。 “状态寄存器”的各位称为“状态位”，每一个状态位都可以用来指示数据传输 过程中的状态或某种错误。例如，用状态寄存器的d 5 位为“1 ”表示“数据输出寄 存器”空，用d o 位表示“数据输入寄存器满”，用d 2 位表示“奇偶检验错”等。 能够完成上述“串一一并”转换功能的电路，通常称为“通用异步收发器冀u a r t ： u n i v e r s a la s y n c h ro n o u sp e c e i v e ra n dt ra n s m i t t e r ) ，典型的芯片有：i n t e t8 2 5 0 8 2 5 l ， 1 6 5 5 0 。 2 2 无线通信协议原理及设计 2 2 1 介绍 通常每一种无线高速m o d e m 都会为工程师设计无线产品提供较好的解决方 法。然而一些外部的因素会对数据的传输产生影响，由此需要采用有效的办法来确 保通信的可靠性。我们首先了解一些基本概念并讨论外部因素对无线数据传输的影 响，以及如何有效地传输数据，一旦理解了这些，我们将介绍一个高效的数传协议 来解决传输中出现的这些问题。 9 华北电力大学硕士学位论文 2 2 2 通信信道 通信信道是数据从发射到接收的一个通道。它包括产生数据流、编码、发射、 接收、解码，理解如图2 3 所示。 图2 3 通信信道 2 2 2 1 数据源 数据源可能是各种各样的东西。可能是一个温度传感器的a i d 数据值，计算机 硬盘里的一个文件，用户输入键盘里的一个按键。数据在这里发生错误可能性较小， 而且较易通过硬件或软件的方式来发现。 2 2 2 2 数据编码 数据源出来的数据一般来说是并行的自然数据。无线m o d e m 需要的是异步串 行数据格式，这通常是由u a r t ( 通用异步传输) 来完成的，有时也可通过软件来完 成。数据错误在此发生的可能性也不大，而且可跟踪。 2 2 2 3 数据发射 数据发射是通过无线m o d e m 的发射功能完成的。然而，外部因素如供电电压、 噪声、不适当的调制电压电平、不适当的人线负载，都能引起数据流的错误。根据 无线m o d e m 发射模式要求的协议形式，是不会产生数据流错误的因素。 1 0 华北电力大学硕士学位论文 2 2 2 4 传播路径 传播路径是无线电波从发射到接收的路径。数据错误最有可能在这个阶段发 生，因为频带内的干扰或传播路径中r f 源降低了灵敏度。而且多径和衰减也可能 引起接收机接收错误的数据。 2 2 2 5 数据接收 接收过程通过无线m o d e m 的接收功能完成，在没有接收到信号时，无线 m o d e m 会有随机数据输出，这是因为其灵敏度比较高( 如调频收音机在没有信号 时会收到沙沙的噪音，而一旦收到信号即可使噪音消失) 。当发射机发射时，接收 机的随机数据输出被抑制，这时输出的是真正的数据。带内干扰和频率下降可能引 起接收机接收到错误数据。最后，如果数据源违反了手册上指的波特率错误或者是 头字节不对都有可能引起数据流错误。 2 2 2 6 数据解码 因为从无线m o d e m 输出的数据是串行数据，通常可用微处理器和微控制器的 u a r t 来处理，或者用软件方法来实现接收。数据在此过程错误出现儿乎是不可能 的，而且也易被跟踪。如果错误发生在这之前，错误数据有时根据帧错误能发现。 2 2 2 ，7 数据解释 数据解释经常在软件里实现，错误检测和纠正也在这阶段实现。数据错误在这 阶段发生的可能性不大，而且易于跟踪。 2 2 3 什么是协议 协议就是指一些规则，简单的说就是为了能相互理解，必须用同一种语言说话。 在简单的数据传输中，通信只朝一个方向进行，从发射端到接收端。通信可能在发 射端和接收端之间受到外界的干扰而使数据发生错误，因此需要协议来保证接收端 能正确接收到从发射端来的数据，并确定所接收数据是否是实际数据。 简单无线数据传协议的目的： ( 1 ) 最小的杂项开销：人线数传协议应该是有效的。协议必须增加一些信急到主 要信急中，包括包识别代码，错误检验等，增加信急的数量必须是所需信急中最少 的。 ( 2 ) 有效性：协议必须能可靠将有用数据从错误数据中分离出来。通常是在数据 流中嵌十错误检验格式来实现。奇偶校验、校验和、c r c 都是检错码的常用格式。 ( 3 ) 可靠性：一个协议如果能够纠正数据的错误，则认为该协议是可靠的。 华北电力大学硕士学位论文 ( 4 ) 优化的无线功能：一个无线协议应该以一种能充分利用发射和接收机的方式 工作。 2 2 4 打包 协议将主要数据分割成一定格式的数据，并增加一些额外的信息( 用于纠检错 误等) ，这个过程叫打包。在接收端，协议去掉这些额外信息，只留下初始信息， 这个过程叫解包。 2 2 5 起始码和噪声 协议的第一件事就是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结合。噪声的这种特性造成相当困难去找一种字节组合来作 为有效包的开始。幸运的是，噪声并不是理想的。 通过我们的测试和试验，发现0 x f f 后跟0 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0 x f f 后跟0 。 发送协议的开始应该以一个任意内容的字u ( 这是因为第一个字节的数据在发送 时容易丢失) ，然后是0 x f f 后跟一0 x 0 0 ；接收协议规定只接收以0 x f f 后跟一0 0 x 0 0 开始的包。 2 2 6 错误检测 错误检测可以通过这样来实现，在发射之前先对数据进行分析，然后将这种分 析结果加到数据包中，在接收端比较嵌入包中结果，如果两者不同，则包是错误的。 为了更好的理解这个过程，让我们来看一个奇偶校验例子。 例1 ； 发射数据1 0 1 0 1 0 1 0 ，在其后加奇偶标志位，此为偶标志( 1 ) ，则发送为 1 0 1 0 1 0 1 0 1 ，接收到0 0 1 0 1 0 1 0 1 。 将前8 位奇偶校验与l 经比较，不对，故接收错误。奇偶校验容易实验，但却 是最不可靠的，因其只能发现奇数个错误。 另外一种形式的错误检查是效验和。检验和是先将所有的字节相加，然后将结 果截短到所需的位长。 例2 ： 4字节l 1 0 9 字节2 1 2 华北电力大学硕士学位论文 6 5字节3 2 0 4 字节4 1 2 68 b i t 效验和 效验和能够检测到比奇偶校验更多的错误，但当字节顺序颠倒时，检验和不能 发现。因其不能发现次序错误。 最流行的错误检验方法是c r c ，c r c 比效验和可靠。 2 2 7 错误纠正 错误纠正的日的是在包中嵌十一些额外的信急。当接收检测到数据错误时，对 数据进行纠正。有许多前向纠错的方法，包括流行的汉明码和瑞德一一所罗门码。 汉明码用一个奇偶检验来检测和识别一个字节中的单个错误，其适用于计算机 存储应用中。在无线数据传输中，因噪声可能引发突发或连续错误，汉明码不能纠 正此类错误，因此汉明码不适合在无线通信中使用。 瑞德一一所罗门码却适合十这种情况，广泛应用十卫星通信等。它象c r c 一 样，较依赖于数字算法，但我们这里不讨论这种算法，有兴趣可以参考相关书籍。 目前有一种适合于许多无线数传的前向错误纠正方法。数据在包中复制两次( 总 共3 份) ，在接收端，第一个拷贝进行检错，如果有错，剩下的两个各份用来改进错 误。 改正是通过比较三个备份数据中的每一位，如果两位或更多位是0 ，则正确的 应为0 。如： 0 0 0 0 1 0 11 e o p y l ( 错误字节) 1 0 1 0 1 0 1 0 c o p y 2 1 0 1 1 1 0 1 0 c o p y 3 1 0 1 0 1 0 1 0 己经被纠正的字节 一旦经过改正，已们将重新送到检验步骤进行认证它是有效的，如果不是，数 据没有改正，否则数据可用。 2 2 8 协议 到这里，一个简单的协议己经开发出来了。传输协议将传送数据集中在一个包 中。如下： 【开始l 儿开始2 儿包类型儿数据0 数据r 1 【8 位检验和】【结束】 开始l 是0 x f f ，开始2 是0 x 0 0 。包类型是指传送包的类型，在日前的协议版 本中，它包含两种类型： 正确和不正确的。正确的包包含一个拷贝，不正确的只有一个拷贝。不正确包需要 华北电力大学硕士学位论文 较少的花销，但不可靠。 错误检测可通过8 位检验和来实现。当接收机接收到头时( 开始1 后跟着开始 2 ) ，接收端决定包的类型，并将其送入接收缓冲器进行检验，如数据错误且为正确 包，则进行改正。 2 1 3 无线和有线通信的区别 2 3 1 硬件连接 如果用t x 表示在设备的端口上数据发送( 数据离开功能块) 的端予，用r x 表示在设备的端口上数据接收( 数据进入功能块) 的端子，则设备a 与设备b 之间 的串口连接如下图2 - 4 所示。 图2 4 串口连接图 如果将串口连线也看成一个两端口的设备并把这两个端口的端子做标注，则两 设备通过虚线内的连线进行串口通讯的连接如下图2 5 所示。 图2 - 5 串口通讯连接图 如果用无线数传模块替代串口连接线，则设备a 与设备b 之间的通信连接如下 图2 6 所示。 k 霰 ，装鲤 3j t t 鬣l 藩诺 i 蔷硎哗一罅噼 q 啉o 妇盼番 4 i 畦硅。 媾i l 搏l 一一 无线数传模块代警申口连接建 ： 图2 - 6 无线通讯连接图 对比图2 5 与图2 - 6 可以看出，如果将两个无线模块组成的无线信道也看成是 1 4 华北电力大学硕士学位论文 一个两端口的设备，则对设备a 与设备b 而言，串口通讯时有线连接与无线连接的 端子对应关系是一样的。 2 3 2 无线与有线连接的不同点 用无线信道替代有线连接后的通信程序与有线连接下的通信程序的编制基本 相同，不同点只有如下三点。在注意以下三点的基础上使用无线数传模块时我们可 以把两个无线模块组成的系统看做是一段连线。 ( 1 ) 有线连接的通讯程序中串口帧格式、串口速率可任意设置。连接线本身对上 述两个参数无任何限制。数传模块的串口帧格式、串口速率为一固定值，串口帧格 式可设置成( 1 ，8 ，1 ) 或( 1 ，9 ，1 ) 。使用无线模块的通信程序在这两个参数上应与 捧块一致。 ( 2 ) 如果是设备a 发出数据，设备b 接收数据。有线连接时发送端发出数据的时 刻与接收端收到数据的时刻无时间间隔。示意图如下图2 7 所示。 设备a 发出数据 卜_ 无时间间隔 图2 7 有线连接收发关系示意图 因为无线模块在发送数据时要进行收发转换及时钟同步，无线通信时设备a 发 出数据的时刻与设备b 收到数据的时刻有时间间隔。这个时间间隔就叫延时时间记 为t 。示意图如图2 - 8 所示。 ( 3 ) 有线连接时串口通信是全双工的，无线模块的通信是半双工的。既无线模块 发射数据时模块不能接收数据，接收数据时模块不能发射数据。因此在通信编程时 应将收发的时间错开。 华北电力大学硕士学位论文 设各a 设备b 第一字节第二字节第三字节 时间 2 3 3 点对多点连接 卜延时时间t 一 图2 - 8 无线连接收发关系示意图 通常自动化控制系统采用点对多点的通信方式，在点对多点的通信方式中若用 有线连接所有从设备连接在通信总线上。连接示意图如下图2 - 9 所示： 鼠彀备i 瓴爱罄冀 图2 - 9 有线连接通讯示意图 若用无线数传模块替代有线连接示意图如下图2 1 0 所示，所有从设备与主设备的连 接关系与有线连接一样均为总线连接关系。 翠 鹫? 骏瞧誊1敝设鑫n 图2 - 1 0 无线连接通讯示意图 犁一 黼瀛一 一 箨一 k l 匿 华北电力大学硕士学位论文 2 3 4 编程要点 使用无线模块串口与使用有线连接相比应注意以下几点： ( 1 ) 串口帧格式要与无线模块设置一致 ( 2 ) 串口速率要与无线模块设置一致 ( 3 ) 点多点通信时，主设备与从设备之间的连接关系为总线连接关系 ( 4 ) 数据传输有一定延时 2 4 无线通信距离的计算 这里给出自由空间传播时的无线通信距离的计算方法：所谓自由空间传播系指 天线周围为无限大真空时的电波传播，它是理想传播条件。电波在自由空间传播时， 其能量既不会被障碍物所吸收，也不会产生反射或散射。 通信距离与发射功率、接收灵敏度和工作频率有关。 l f s l ( d b ) = 3 2 4 4 + 2 0 1 9 d ( k m ) + 2 0 1 9 f ( m h z ) 式中l f s 为传输损耗，d 为传输距离，频率的单位以m h z 计算。 由上式可见，自由空间中电波传播损耗( 亦称衰减) 只与工作频率f 和传播距离d 有关，当f 或d 增大一倍时， l f s 将分别增加6 d b 。 下面的公式说明在自由空间下电波传播的损耗： l o s = 3 2 4 4 + 2 0 1 9 d ( k m ) + 2 0 1 9 f ( m h z ) l o s 是传播损耗，单位为d b ： d 是距离，单位是k m ； f 是工作频率，单位是m h z 。 下面举例说明一个工作频率为4 3 3 9 2 m h z ，发射功率为+ 1 0 d b m ( 1 0 m w ) ，接收 灵敏度为1 0 5 d b m 的系统在自由空间的传播距离： ( 1 ) 由发射功率+ 1 0 d b m 。接收灵敏度为1 0 5 d b m l o s = 1 1 5 d b ( 2 ) 由l o s 、f 计算得出d = 3 1 公里 这是理想状况下的传输距离，实际的应用中是会低于该值，这是因为无线通信 要受到各种外界因素的影响，如大气、阻挡物、多径等造成的损耗，将上述损耗的 参考值计入上式中，即可计算出近似通信距离。 假定大气、遮挡等造成的损耗为2 5 d b ，可以计算得出通信距离为： d = 1 7 公里 华北电力大学硕士学位论文 2 5 无线通信的优点 数据传输可以简单地分为有线( 包括架设光缆、电缆或租用电信专线) 和无线 ( 分为建立专用无线数据传输系统或借用c d p d 、g s m 、c d m a 等公用网信息平 台) 两大类方式。 相比较而言，用无线数传模块建立专用无线数据传输方式比其它力式具有如下 优点，下面介绍一下用无线数传模块建立专用无线数据传输方式相比于有线通讯的 优点。 2 5 i 成本廉价 有线通信方式的建立必须架设电缆，或挖掘电缆沟，因此需要大量的人力和物 力；而用无线数传电台建立专用无线数据传输方式则无需架设电缆或挖掘电缆沟， 只需要在每个终端连接无线数传电台和架设适当高度的天线就可以了。相比之下用 无线数传模块建立专用无线数据传输方式，节省了人力物力，投资是相当节省的。 当然在一此近距离的数据通讯系统中，无线的通讯方式并不比有线的方式成本低， 但是有时候实际的现场环境难以布线，客户根据现场环境的需要还是会选用无线的 方式来实现通讯。 2 5 2 建设工程周期短 当要把相距数公里到数十公里距离的远程站点相互连接通讯的时候，采用有线 的方式，必须架设长距离的电缆或者挖掘漫长的电缆沟，这个工程周期可能就需要 数个月的时间，而用数传模块建立专用无线数据传输的方式，只需要架设适当高度 的天线，工程周期只需要几天或者几周就可以，相比之下，无线的方式可以迅速组 建起通信链路，工程周期大大缩短。 2 5 3 适应性好 有线通讯的局限性太大，在遇到一些特殊的应用环境，比如遇到山地、湖泊、 林区等特殊的地理环境或是移动物体等布线比较困难的应用环境的时候，将对有线 网络的布线工程有着极强的制约力，而用无线数传模块建立专用无线数据传输方式 将不受这些限制，所以说用无线数传模块建立专用