（通信与信息系统专业论文）无线数据传输的组网设计.pdf

摘要 本论文主要内容是关于在实现无线数据传输的组网设计中，涉及 到的主要相关理论、设计的具体方案及实现方法。 首先，本文从数据通信技术高速发展的历史和现状开始，简单介 绍了数据传输系统技术的一些理论及应用，并给出数据传输系统的构 成框架：简单介绍本设计任务的来源和要求。 其次，针对无线数据传输系统，简单分析了无线信道的的特点， 尤其是目前广泛采用微波波段实现无线数据传输，针对微波信道分析 了它的衰落，并提出抗衰落而采用的技术措施。 接下来，较详细介绍了在上述理论基础上实现“无线数据传输的 组网设计”的具体设计方案，在给出系统组网框图的基础上，分别介 绍了各个部分的功能模块、原理框图、采用的主要器件，以及各部分 软件设计的主要流程图、通信帧格式及信道差错控制编码方法等。给 出在设计过程中使用微处理器为抗干扰而采取的技术措施的总结及体 会 ， f 最后，给出设计总结，并给予帮助过我的人们以致谢。f ， 关键词】数据传输，组网，无线信道，衰落，总线通信，无线调制解 调器，共享器，p 站，从妙一7 a b s t r a c t t h i sp a p e ri sa b o u t “d e s i g nn e t w o r kf o rw i r e l e s sd a t a t r a n s p o r t ”。t h e m a i nc o n t e n ti n c l u d e sa s s o c i a t e d t h e o r y ，d e s i g n i n gp r i n c i p l e a n di t s i m p l e m e n t 。 f i r s t ，b e g i n n i n g w i t ht h e s p e e d yd e v e l o p m e n th i s t o r y o fd a t a c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n di t s p r e s e n tc o n d i t i o no fa f f a i r s ，t h i sa r t i c l e s i m p l yi l l u s t r a t e st h et h e o r ya n da p p l i c a t i o no fd a t at r a n s f e rs y s t e m s ，a n d g i v e so u ti t ss t r u c t u r ef r a m e i nt h em e a m i m e ，s i m p l yi n t r o d u c e st h er e a s o n f o rt h i sd e s i g n ，a n d g i y e st h ed e s i g ns p e c i f i c a t i o n s e c o n d l y , p o i n t i n gt ot h es y s t e mo f w i r e l e s sd a t at r a n s f e r , i nt h i sa r t i c l e ， t h ef e a t u r eo fw i r e l e s sc h a n n e li ss i m p l ya n a l y z e d ，e s p e c i a l l yi nm i c r o w a v e b a n dt o i m p l e m e n tw i r e l e s sd a t at r a n s f e r t h i sa r t i c l ea n a l ) r s i st h em u l t i r u u l ef a d i n gi nm i c r o w a v eb a n d ，a n dg i v e st e c h n o l o g ys t e pf o r a n t i f a d i n g f o l l o w i n g , d e t a i l st h es p e c i f i cd e s i g np r o j e c tf o r ”n e t w o r kd e s i g nf o r w i r e l e s sd a t at r a n s 凫rt bp e r f o r mb u sc o m m u n i c a t i o n ”g i r eo u tt h e d i a g r a mf o rs y s t e mn e t w o r ks t r u c t u r e ，a n di l l u s t r a t e st h ed e s i g nf o re v e r y p a r t ，i n c l u d i n gf u n c t i o nm o d u l e ，t h e o r yb l o c kd i a g r a m ，t h em a i nd e v i c e s u s e di nt h e d e s i g n , r e s p e c t i v e s o t b w a r ef l o wc h a l tf n t l n cf o r m a tf o r c o m m u n i c a t i o n , e r r o rc o n t r o l l e dc o d i n gt e c h n o l o g yf o rs i g n a lc h a n n e l f i n a l l y , s u m s 叩t h et e c h n o l o g ys t e p sf o ra n t i _ d i s t u r b i n u s i n gm i c r o p r o c e s sc h i pi nt h i sd e s i g n ，a n dg i v e sf i n a ls u m m a r y i nt h ee n d , t h a n k sm y t e a c h e r sa n ds o m ef r i e n d sf o rt h e i r h e l p i n g m e k e y w o r d s w i r e l e s sd a t at r a n s f e r ，n e t w o r kd e s i g n ，w i r e l e s sc h a n n e lf a d e ， b u se o m m t m i c a t i o n ，、v i 陀1 e s sm o d e m ，澌r e l e s sm o d e ms h a r e ，m a i n s t a t i o n ，s u b s t a t i o n 第一章绪论 1 1 引言 随着计算机与通信技术的发展，以数据通信技术为基础的多种新 的通信系统不断出现。从1 8 世纪开始，数据通信开始服务于人类，从 早期的可视的“烽火”信号为“代码”来进行数据通信开始，1 9 世纪 s a m u e leb m o r c e 成功地设计了电报系统，它是建立最早的在电能基 础上的数据通信系统，它的许多术语直到今天还在使用，如传号( m a r k e r ) 和空号( s p a c e ) ，于是两态系统为人类服务至今，并继续服务下去。从5 0 年代计算机诞生、随着集成电路技术的迅速发展，进展到计算机网络 通信，到8 0 年代出现卫星通信于是，为推动系统互连，i s o 于8 0 年代正式通过了o s l 的七层参考模型，使得网络系统的技术按这一模 式发展。在此基础上，当今数据通信的应用范围和应用规模不断扩大， 新的应用业务如e d l ( 电子数据交换) 、多媒体通信、与移动通信相结 合的移动式数据通信等获得迅速发展。如第三代移动通信将提供宽带 无线通信和多媒体通信，i n t e r n e t 接入等，提供2 m b i t s 的无线传输速 率；局域网的发展方向是支持具有移动能力的无线局域网，使得在网 中的站可在网中实现漫游同时保持与网络通信，移动计算机通信在 i e e e 8 0 2 1 l 无线局域网标准公布下，得到发展和应用，可为移动数据 用户提供3 8 4 k b i t s 的广域无线传输速率及2 m b i t s 室内传输速率，可无 线接入i n t e r n e t 。 对数据通信的定义有这样的说法：依照通信协议，利用数据传输 技术在两个功能单元之间传递数据信息。它可以是计算机与计算机、 计算机与终端以及终端与终端之间的数据信息传递。简单的说，数据 通信是指计算机与通信相结合而产生的一种通信方式和通信业务。可 见，数据通信是一种把计算机技术和通信技术结合起来的通信方式。 无线连接方式正被人们越来越关注并应用。从最初的采用无线媒 体是为了克服地理障碍或是为了免去布线的烦琐，使网络安装简单、 使用方便，进而发展到便携机普遍使用，人们需要在办公室以外的地 方使其随身携带的便携机仍然能够保持接入其办公局域网，或访问其 它公共网络，使得支持移动能力的数据通信网络越来越重要。 在现在的通信系统中，与计算机连接的通信系统和局域网已经普 及，而实现移动计算机联网的方法目前主要有四条途径：直接 利用现有的蜂窝电话网；建立专用移动分组交换网；在现有蜂窝 电话网络上建立面向便携机应用的数据分组交换网：从无线局域网 过渡到移动计算机网。 数据传输技术是实现通信网络的基础，在当今世界地位显著。而 无线数据传输使无线通信的实现成为可能。面对无线数据传输应用的 多面性，工业现场对计算机网络与无线数据传输的需求是在通信、控 制和计算机的融合发展基础上而逐渐增长的。现在，企业中大量使用 通信手段为生产、开发、生活、经营、管理等方面服务。在生产和开 发方面，大量新技术应用的设备已取代了老设备，这些新的设备本身 就可能和通信及计算机紧密相关，新的自动化生产线可能就是用计算 机来控制，并且使用通信网络来联成系统。有些企业，如交通、电力、 石油等，对通信的需求更大。在生活、经营、管理方面，通信网起着 巨大的作用。一名厂长及经营管理者总是希望对自己单位的情况了如 指掌，若本厂建有通信网并且能够提供信息，此目标很容易达到。厂 长就可以在办公室内，甚至随身携带便携机可在其它地方对生产情况 一目了然。 在企业中，通信技术直接为生产服务，必须掌握现场情况，无线 数据通信技术应用于工业现场就在于两方面： 一是现场生产情况数据传输 往往在于最初的采用无线媒体的目的：为了克服地理障碍或是为 了免去布线的烦琐，使网络安装简单、使用方便。 二是移动性指挥、监测和控制 在于移动通信网络的支持。 本论文就是基于无线数据传输技术而设计的专用组网系统，为实 现现场生产数据传输，寻求更好的方案。 无线数据传输的需求体现在多种行业，在工业领域，如石油、高 炉、钢厂等现场环境需要将通信、控制和计算机组合成网，完成对现 场数据采集、设备控制、数据传输及监控等，其中许多是移动体如车 载等，这就要求可靠的无线数据传输。 1 2 数据传输技术 数据、信息和信号 首先要认清数据、信息和信号的关系。从广义角度来讲，数据是 指有意义的实体，是事物的表现形式，、如模拟数据和数字数据，经数 字化处理，都可表示为传输二进制代码；信息则是数据的内容和解释： 信号是数据在传输过程中的电磁渡的表示形式，使数据以适当的形式 在介质中传输。 数据通信系统 数据通信系统通常由数据终端设备( d t e ) 、数据传输设备和数 据交换设备( d c e ) 、信道等部分组成，见图1 1 数据通信系统组成示 意图。d t e 用于发送和接收数据信号，它可以是计算机、智能仪表或 其它设备；数据传输设备包括调制解调器、传输线路和复用器、集中 器等。调制解调器是用来在数据终端和模拟信道之间将数据信息变换 成适合信道传输的设备，传输线路可以是无线电波、有线电缆或光缆 等。按使用条件不同，传输线路分专用线路和交换网络。为了提高线 路的利用率，数据通信系统中常采用各种复用器或集中器，它们都是 使若干个数据用户共用一条传输线路的设备，但在复用器中的每一个 用户均有其独自的传输信道。集中器只在用户需要发送数据时才分配 给一定的传输信道。集中器有缓冲能力，使超容量的输入“排队”等 待，因此比复用器连接更多的用户，获得更高的线路利用率。数据处 理设备由通信控制器、中央处理机、内外存储器以及数据通信软件等 组成，其主要功能是进行数据处理，如对来自终端的信息进行必要的 加工处理、更新文件内容、向文件存储器存储信息以及向指定的终端 发送信息等。 1 i 坦 教据制 一制 终簟解两器解溺嚣 1卜因阿 敝 通 l卜 圈基 l _ 鲁 信 l卜 蜀一 控 捌 l卜 图一 矗 机 v l卜_囟阱 图1 1数据通信系统组成示意图 4 起信号变换作用的调制解调器是一种数据电路终接设备( d c e ) 。 它具有下列通信控制功能： a 线路控制功能，包括：调制解调接口，控制，监视；对收到 的串行数据取样、处理，转换成d y e 所需要的字符格式；将d t e 送 出的字符流分解成比特，送给通信信道；完成通信链路的连接及控制 速率转换等工作。 b 差错控制功能。 c 根据传输协议，完成传输控制任务。 d 具有信息打包等报文处理能力。 e 多路控制功能。能解决分时操作中的排队、等待等问题。 当利用数字信道传输数据时，由于信道本身就是传输二进制数字 信号序列提供的，因此不再需要调制解调器进行“数模”与“模数” 转换。但是，在这类信道与数据终端的连接设备的连接处需设置相应 的接口设备，实现信号码型与电平的转换、线路特性均衡、收发时钟 的形成与供给，控制接续的建立、保持与拆断等。因此这些接口设备 蠢据站 蠢曩坫 簟曩磐- 设鲁 蕞i口拄p 计算机曩垃 l 蓐蔓 培置 i 避 出量l1 1 l 曩叠 传0 蕾道 i - - - 挂曩 i 置。l f 设电 设电 f l 鲁黯 l 誊 i ! i 嚣i 鲁蓐 i ( d c e ) n ) c e ) i il 图i 2数据通信系统方框图 也被看成是利用数字传输信道构成的数据电路的终端设备( d c e ) 。d t e 和d c e 合在一起常称为数据站，传输信道和信道两端的d c e 合在一 起常称为数据电路。数据电路加上传输控制功能以后称作数据链路。 图1 _ 2 数据通信系统方框图表示了它们之间的关系。 数据传输 数据传输信道既可以是地面微波或卫星等无线线路，也可以是同 轴电缆、光纤、双绞线等有线线路，还可以是有线线路与无线线路的 混合。无线信道利用电磁波在空中的传播来实现数据通信的，所以为 模拟信道。数据在模拟信道中传输，要使用调制解调器( m o d e m ) ，使 数字数据信号与模拟无线信道的特性相匹配。由于信道的非理想特性， 使信号产生衰减和畸变，严重的表现为数据信号差错，造成信息错误； 为增加传输距离、提高信号传输抗误码性能，提高信号能量，使用放 大器来增强信号能量，同时也放大了信号中的噪声分量，也会导致信 号发生畸变，所以信号放大是有限度的。故要采用一系列技术措施来 提高信号的传输性能，如数字调制、信道编码、均衡、同步、多路复 用等等。 利用无线信道实现数据通信采用的主要方法有： a 扩频无线通信； b 红外线通信： c 窄带调制方式 d 微波通信： e 移动卫星通信。 其中，微波在数据通信中占有重要地位。 数据传输系统的主要评价指标有：数据速率、信道带宽、误码率 6 性能、数据传输延迟等。设计时要综合考虑这些指标。 1 3 本设计任务的由来及主要要求 现代化企业，要求网络化集中管理，许多工业现场要求采用无线 数据传输，对无线数据传输组网有迫切的要求。 基于无线数据传输技术及工业现场需求，提出本设计任务，完成 现场数据的采集、数据传送，数据计算、通过网络对设各实施控制。 采用无线数据传输方式和有线方式结合组成数据采集、控制、传输链 路，完成1 对n 的数据通信。主站为工控机( 工业计算机) ，通过无线 数据链路实现对1 3 个站的数据传输，工控机通过局域网访问其它节点 或被其它节点访问。 对数据传输链路要求实用，传输速率要求不高，且总体造价低， 可投入使用。要考虑： 频谱利用率； 误码率 实现的难易程度和成本 第二章无线通信信遒 不同频段的无线电波的传播方式和特点是不相同的，信道是复杂 的。微波是视距传播，微波信道是指收、发天线之间信号传播的空间 通道。与短波信道、对流层散射信道相比，视距信道具有传播特性稳 定、外界干扰小等优点，这就是无线数据传输常用微波信道的原因。 但视距信道也会受到大气和地面的影响，产生衰落现象。除了信号电 平衰落外，还要考虑频率选择性衰落。 2 1 多径和衰落 1 自由空间的传播 视距与天线高度的关系 微波的视距传播距离与天线的高度直接有关。 d = 35 7 ( 而+ 面) ，自由空间传播损耗 假定大气是均匀和无吸收的，反射波忽略的情况下，传输损耗k 为 l 。= 9 2 4 + 2 0 1 9 d + 2 0 l g f ( d 3 ) d 为收发天线的距离( k i n ) ；f 为工作频率( g h z ) 。实际使用的微波 天线，其发射天线和接收天线均为有方向性天线。设收、发天线的增 益分别为g 。( d 1 3 ) 、g 。( d b ) ，接收机接收到的功率和发射机发射功率 分别为p ，( d b ) 、p t ( d b ) 则： p ，( d b ) = p t ( d b ) + ( g + g t ) 2 ，视距传播的大气效应 大气吸收衰耗 雨雾引起的散射衰耗 大气折射，是产生多径衰落的一个来源 r 3 视距传播的地面效应 - 障碍物的阻挡损耗 平坦地形对地面的反射 4 视距传播信道的衰落特性 与短波信道对流层散射信道相比，视距信道具有传播特性稳定， 外界干扰小等优点。但也会受到大气和地面的影响，产生衰落现象。 除了信号电平衰落外，还要考虑频率选择性衰落。 闪烁衰落：由于传播空间局部不均匀体的存在，在电磁波的照 射下产生散射，散射波与直射波在接收端因相位干涉而形成衰落。这 种衰落持续时问端，电平变化小，故影响较小。 多径衰落：发射信号通过多条路径到达接收机，不同路径的衰 减系数和传输距离是不同的，因而接收机天线上感应的信号是发射信 号经过不同延时的加权叠加。是由于直射波与反射波的相位干涉所产 生的衰落。这种相位干涉与行程差有关。 2 2 抗衰落技术 多径衰落是视距传播信道发生深衰落的主要原因，它可用电平衰 落和频率选择性衰落来描述。对电平衰落，可以用一个固定的场强矢 量和无穷多个相互独立的随机矢量的矢量和来表示，这个矢量和服从 瑞利分布。等效为收信电平的降低。因此足够的电平衰落储备能有效 的改善多径衰落信道的电平衰落部分。频率选择性衰落，可用一个固 定的单位矢量与一个大小和相位都是随机的反射矢量的矢量和来表 示，这就是三径模型。频率选择性衰落的影响等效为信噪比的降低， 用加大衰落储备的方法对对改善系统误码性能的效果是有限的。它与 系统采用的调制方法是密切相关：缩短站间距离能有效控制频率选择 性衰落：同时，各种均衡技术和分集技术能有效改善频率选择性衰落 的影响。 多经衰落第一个特征就是引起传输信号的时间扩散：脉冲幅度大 小、脉冲相对时延的变化，甚至脉冲数目的变化，是多径的第二个特 征。 由信道统计特性知信道特征多接近于瑞利衰落模型，另外会引 起码问串扰，通常来说，当信道带宽为b m 、信号带宽为b ，满足b m b 时，可忽略码问串扰问题。 对于单衰落信道中误码率特性分析如下： 只有加性高斯噪声的非衰落信道，传输系统的误码率可表示为： l e x p 卜口芦丑# 相干解调 p e = l 寻e x p 啦悔如干解调 式中：当a = l 时为p s k 调制方式，当a = 1 2 时为f s k 调制方式， y = e d b ，e b 为符号能量，n 。为加性高斯白噪声功率谱密度。若要求 传输系统的误码率在l o 。l o 。o 范围，则要求接收系统的输入信噪比约 在7 1 4 曲范围内。 对于端利衰落 p 。2 去非相干解调 乏i 相干解调 姗均信蚍r = 惫k 2 】 a 是接收信号的幅值。同样要求系统误码率为1 0 。lo _ ”时，要求 输入平均信噪比- c 为3 0 - 西0 d b 。 这就是说，在衰落信道上得到低的差错概率，发射机必须输出较 大的功率，然而在技术上或在经济上输出大功率是不可行的。要采取 其它措施，如分集接收技术和信道编码、自适应均衡和接收机a g c 控 制等。 由于频率选择性衰落在衰落很深时对高的码速率影响较大，原因 在于： 调制信号占有工作频带越宽，就较容易受到多径衰落的影响： 为使码间干扰最小，数字调制信号对信道滤波性能要求较严： 当系统传输的是窄带信号，频率选择性衰落可忽略。 所以，基于以上分析，相对于信道带宽在数据速率较低、传输距 离较近时，衰落的影响是很小的。 2 3 调制与信道编码 现代数字调制技术主要有窄带数字调制和扩展频谱数字调制。 2 3 1 窄带数字调制方式 以f s k 为例。f s k 具有调制、解调简单且容易实现的特点， 对于数字频率调制m f s k ，当m = 2 时调制波为 f ( t 产s l c o s 2 nf l t + s l c o s 2 t o t 调制指数h _ ( f 1 ) r ，中心频率= ( f l + e ) 2 t 它的频带宽度 a f = - 2 b + l f 1 其中，b 是基带信号带宽。 对于调制方法有两种：一是与m 值对应不同的频率振荡器，在 输入信号的变换点可能产生发送信号相位不连续的现象，使功率谱密 度展宽，抗干扰性降低：二是根据输入信号控制压控振荡器，可保持 相位连续性，功率谱密度变窄，成为连续相位的f s k ( c p f s k ) ，但调 制速率有限。分别见图2 1 和图2 2 。 图2 - 1 相位离散的2 f s k 调制器 二进制信 iv f nl 。 门 7 li7 i 一 t 2 f s k 信号 c p f s k 信号 图2 - 2 相位连续的2 f s k 调制器 非相干解调器 1 2 出 2 图2 - 4 相干解调 图2 - 52 f s k 信号的功率谱 解调可采用相干解调和非相干解调方法，见图2 3 和图2 - 4 。 2 f s k 信号功率谱见图2 - 5 ，由图可见调制指数影响其功率谱分布 情况。 相关器是最佳接收机中的关键部件，最小差错概率准则下的最佳 接收机与最大信噪比准则下的最佳接收机是等效的，见图2 - 6 匹配滤 波器形式的最佳接收机。 在匹配滤波器条件下二进制调制时最小误比特率公式如下： p 冈坼孑丽石一】 p e 】 s 2 ( t ) f r s 图2 - 6 蛀佳接收机 二进制信息输出 非相干解调时，白色高斯噪声经带通滤波器后变成窄带高斯噪 声，再经包络检波非线性处理后，送往比较电路的抽样值己不是高斯 分布，无信号存在时成为瑞利分布，有信号存在时为莱斯分布，在最 佳非相干解调时的误码概率为； p b = 1 2 e x p ( e 2 1 1 0 ) 2 3 2 扩展频谱调制 用仙农公式解释，即用信道带宽来换取信噪比的改善，也就是说 进一步扩展带宽就可以在低信噪的条件下保证系统的传输质量，扩频 技术将信息调制到比信息带宽宽得多的频带上发送出去，接收端用与 发送端完全相同的扩频码进行相干解调( 解扩) ，解调出信息码。 目前最基本的展宽频谱的方法有： 直接序列扩频：用比特率非常高的数字编码的伪随机序列( p n 码) 调制载波，从而扩展到很宽的频带上。 频率跳变调制，即跳频，用较低速度的伪随机序列指令去控制 4 载波的中心频率，在一个给定的频带内跳变，形成一个宽带的离散频 率谱，关键是寻找跳频图案。 另外还有跳时和线性调频，其中直扩在目前无线数传中应用较 多，主要在于除具有较好的抗干扰性和多址性外，实现最为简单，码 片速率也较高，见原理图。 图2 7 直扩系统原理框图 扩频调制对在传输中受到窄带干扰的抑制能力见图所示： 琦鼍触璃摹娃墙密t 牟球击 r 棚薯l 赛h 剐膏号棚h t 号膏 i ，一r 一幢舯帝千麓一 图2 - 8 扩频传输对窄带干扰的抑制 而同步技术是扩频系统韵关键技术，包括伪随机码同步、位f 司步、 帧同步、载波同步，尤其是伪随机码同步的捕获和跟踪，若失步，则 造成信息丢失，严重的会产生通信中断。 2 3 3 信道编码 为提高噪声容限，降低衰落对误码率性能的影响，要采用抗干扰 技术。如可采用均衡和分集技术；另外采用信道编码来提高误码性能， 降低衰落等因素引起的误码性能的下降。信道差错控制编码主要有两 种方式，检错、重发和前向纠错，选用哪一类差错控制编码方式，要 考虑以下几个方面： 信道类型及特性： - 信道带宽； 信息速率； 编解码难易复杂程度： 编、解码处理速度及延迟； 满足误比特率要求。 一般来说：检错、纠错能力越强，附加的监督码元越多，解码越 复杂。检错重发实现起来较容易，但带来的时延较大；前向纠错解码 比较复杂但时延小，实时性好。 最简单的检测随机错误的编码是奇偶校验码；循环冗余校验码 ( c r c 码) 特别适合于检测突发错误，有很强的检错能力，是数据通 信中最常用的方法之一。 第三章无线数据传输实现总线通信系统的设计与实现 由于本设计是对工业现场的数据实现无线数据传输，要求速率不 高，以满足现场设备的工作要求即可，属于低速率的无线数据传输。 本设计韵要求是：开发周期短，造价低，可靠性好，实用且组网 灵活。 鉴于此，组网框架依据数据传输的系统基本理论为基础构成，无 线与有线相结合，信道采用微波波段，无线信道实现点对点无线数传， 有线部分实现总线上的数据通信，实现点对多点的无线数据传输来完 成现场总线的组网设计。 3 1 系统总体设计 由于本设计的要求是：可靠、低速、实用、且造价低，开发周期 短等，在此基础上总体设计作到是： 组网灵活，采用无线与有线相结合方式； 有线网部分采用总线方式的拓扑结构，根据需要可采用多段总 线组网方式； 无线信道采用微波波段，发射功率满足使用要求即可，限制在 免申请的功率限制要求范围内； 低速率、短距离无线传输，采用2 f s k 调制方式，1 2 0 0 b p s 可 满足系统要求； 采用主从，半双工通信方式工作： 选用大规模集成电路，简化设计任务，短时间内可达到实用， 并且在满足性能要求的前提下，选用高可靠性、低价格的器件： 选用通用开发系统，缩短开发周期： 1 7 整体设计思路如下： 首先在这里说明一点，在本设计中将无线电台归入到调制解调器 中，统称为无线无线调制解调器。工控机作为主站，对现场设各进行 管理的站为从站，n 个从站挂在一段总线上，通信规程为主从方式。 该段总线由无线m o d e m 共享器通过无线链路信道与主站端的无线 m o d e m 通信，实现主站与从站的数据传输。该无线m o d e m 共享器相 当于一个集中器，将1 3 个从站通过时分复用到一个信道上，同时具有 数据缓存和数据差错控制的功能。组网可用一段或多段总线，视现场 设备的具体分布情况而定。在本设计中采用的是一段总线。 主站对从站的寻址方式是以地址方式寻址，采取广播和点播的通 信方式，避免了数据在无线信道上及总线上的碰撞，协调整个链路的 通信时序。通信规程完全按自定义的格式去执行。 依据以上设计思路，系统的组成如下： 主站：工控机，控制数据链路网络中数据传送时序，完成对从 站的广播和点播，同时向上可接入到企业局域网，使信息共享； 无线调制解调器：将主站接八到无线信道。 图3 - 1 组网系统框图 8 无线调制解调共享器：现场总线接入到无线信道，将总线上的 从站复用到一个无线信道上，与主站端的无线m o d e m 构成一对空中收 发器。 从站：依据主站命令完成对现场设备的数据采集、控制及数据 传输。 见图3 1 网络系统框图。 射频调制电台选用外购件，技术指标如下： 载频频率：4 3 m h z 发射功率：1 0 d b m 接收灵敏度：1 0 5d b m 工作温度：一2 5 - + 7 0 发射功率i o m w ，是微功率发射，无须向无线电管理委员会申请 频点。 依据电磁波在自由空间传输损耗计算公式： l 0 】_ 3 24 + 2 0 1 9 a ( h n ) + 2 0l g f ( m h z ) ( d b ) 传输距离可达到3 0 0 m 。 以下分别对各部分的设计加以介绍。 3 2 无线i l o d e a 的设计 图3 2 无线m o d e m 原理方框图 无线m o d e m 完成主站到无线链路的接入，实现与无线m o d e m 共 9 享器间的无线数传。见图3 2 无线m o d e m 原理方框图。 这一部分主要以c p u8 0 c 5 2 为中心，由2 f s k 调制芯片 m s m 7 5 1 2 b 、异步通信适配器及f i f o 器件t l l 6 c 5 5 0 c 、r s 2 3 2 串口 转换器件m a x 2 0 2 e 等主要器件构成。m s m 7 5 1 2 b 实现2 f s k 的调制 与解调；t l l 6 c 5 5 0 c 具有异步串行通信单元，可扩展异步串行通信口， 并利用其内置的f i f o 完成数据速率匹配及串一并和并一串转换；单片 机8 9 1 2 5 2 用来控制通信规程，及信道编码及差错控制等并控制 m s m 7 512 b 及t l l 6 c 5 5 0 c 的工作状态：r a m 作收发数据缓存器。 3 2 i 与工控机的接 1 - - r s 2 3 2 接口 计算机的异步串行接口标准是r s - 2 3 2 c 标准，它确切的定义是“数 据终端设备与数据通信设备采用串行二进制形式进行数据交换的接 口”。它的标准内容主要包括以下四方面的内容： 接口的机械特性 接口间的电气信号 每个信号的功能 某些具体应用所选用的信号 这些标准是常被用到的，具体定义可查阅相关资料。值得重点提 出的是接口电平并非r r l 电平，需要进行电平转换。此处选用m a x 2 0 2 e 芯片作为r s 2 3 2 与t t l 电平之间的转换器件。 m a x 2 0 2 e 主要包括三部分：充电泵电压转换器，驱动器和接收 器，只需单+ 5 v 供电，内置充电泵将+ 5 v 输入转换成r s 2 3 2 接口需要 的1 0 v 电平，含有双收发器，最大数据速率1 2 0 k b p s 。见图3 - 3 m a x 2 0 2 e 的原理结构框图。 它为工业级标准，每一个输入输出口具有1 5 k ve s d ( e l e c t r o s t a t i c d i s c h a n g c s h o c r s ) ： 1 5 k v 人体类型 8 k v - 一连接放电 1 5 k v - - 空气放电 充分保护接口避免静电损伤。要求 输入电压范围3 0 + 3 0 v 。 其t t l 接口与8 9 c 5 2 的串行 接口r x d 和t x d 相接实现主站 与c p u 闻的异步串行通信。 图3 - 3m a x 2 0 2 e 的原理结构 3 2 2f i f o 及串口适配器部分设计 这部分主要采用t i 公司生产的异步通信单元芯片( a c e ) t l l 6 c 5 5 0 c 。 3 2 2 1t l l 6 c 5 5 0 c 的功能概述 它的功能方框图见图3 4 。 主要功能：a c e 对从外部接收到的串行数据实行串一并转换，对 从c p u 数据总线上收到的串行数据进行并一串转换，具有内部f i f o ， 可存储1 6 个字节，充分利用f i f o 可减轻c p u 系统开销，提高软件效 率，满足使用要求。它有如下特点： 在f i f o 方式下，用1 6 字节f i f o 缓冲每个发送器和接收器， 发送器和接收器有各自独立的f i f o ，目的是用来减少c p u 中断的次 数，降低开销； 可编程的波特率发生器允许对任何输入的基准时钟1 至( 2 ”一1 ) 的除数分频，并产生内部1 6 倍时钟； 标准的异步通信位( 起始、停止及奇偶校验) 加至串行数据流 或从串行数据流中删除 图3 4t l l 6 c 5 5 0 c 功能方框图 独立的接收器时钟输入； 独立控制的发送、接收、线状态以及数据设置中断i 完全可编程的串行接口特性； 5 、6 、7 、8 位字符； 奇、偶或无奇偶校验位的产生和校验； l 、1 5 、2 个停止位产生； - 波特率产生( 直流至2 5 6 k b j s ) 故障启动位检测： 完整的状态报告能力： 三态输出可提供适用于双向数据总线和控制总线的下t l 驱动能 力； 线中断产生和检测： 内都诊断能力：中断、校验、溢出及帧故障检测、报告； 调制解调器控制功能( 石西、瓦面、西面、石丽、面、 丽西) 其封装形式有4 0 脚d i p 封装、4 4 脚p l c c 封装和4 8 脚p t 封装： 本设计选用4 0 脚d i p 封装，插拔比较方便。引脚定义如下表3 - l 所示： 表3 - l 引脚定义 引脚 m d 说明 名称编号 a 02 5 寄存器选择。a 0 a 2 用于在读写操作期间选择读出或 a l2 7 i 写入的a c e 寄存器。关于寄存器的地址详见表3 2 寄 a 22 6 存器选择。 a d s2 5 地址选通。当a d s 有效( 低电平) 时，a 0 、a 1 和a 2 以及c s 0 、c s i 和c s 2 直接驱动内部选择逻辑；当a d s l 为高电平时，寄存器选择和芯片选择信号保持在a d s 低至高瞬变发生时它们所处的逻辑电平上。 ，b a u d o u t1 5 b a u d 输出。是适用于a c e 发送器部分的1 6 x 时钟信 号，时钟速率由基准振荡器频率除以除数所确定此 o 除数由波特率发生器除数寄存器规定。通过把此输出 连接至r c l k ，b a u d o u t 可用于接收器部分。 c s o1 2 芯片选择。当c s o 和c s i 为高电平且，c s 2 为低电平 c s l1 3 l时，这三个输入选择a c e 。当这些输入的任何一个无 c 观j 4 效时，a c e 保持无效。 c t s3 6 清零茸送。是调制解调器状态信号。通过设置调制解 i调器控制寄存器，若c t s 电平改变时中断被允许， 那么产生中断。 d oj工，0 数据总线。八条具有3 态输出的数据线在a c e 和c p u d 12 之间提供数据、控制和状态信息的双向通路。 d 23 d 3 4 d 45 d 56 d 67 d 78 用c d3 8 数据载体检测。是调制解调器状态信号。通过设置调 l 制解调器控制寄存器，若d c d 电平改变时中断被允 许，那么产生中断。 d d l s2 3 驱动器禁止。当c p u 不读数据时d d s 有效( 高) 。 o 当d d i s 有效时，它可檗止外部收发器。 门d s r3 7 数据组准备就绪。是调制解调器状态信号。通过设置 i 调制解调器控制寄存器，若d s r 电平改变时中断被 允许那么产生中断。 ，d t r3 3 数据终端准各就绪。是通知调制解调器的关于数据终 0 端状态的信号。 f n t r p t3 0 中断信号。当i n t r p t 有效( 高电平) 时，它通知c p u ： oa c e 有中断需要服务。导致发出中断的四个条件是： 详见表3 - 7 中断控制识别功能 m r3 5 主机复位。可清零大多数a c e 寄存器并设置输出信 i 号电平 o u t 】3 4 输出信号 ，o u t 23 l o 输出信号 r c l k9i 接收器时钟。是a c e 接收器部分的1 6 波特率时钟 ，r d l2 1 读输入。当r d i 或r d 2 有效时，允许c p u 从a c e r d 22 2 i 寄存器中读状态信息或数据。 砒3 9 f振铃指示器，是调制解调器状态信号 ，r t s3 2o 请求发送。与调制解调器握手信号 佃0 d t d y2 9o 接收器准备就绪 s i n1 0 l串行数据输入 s o u tl lo 串行数据输出。主机复位时s o u t 被置为高电平 仃) y2 4o 发送器准各就绪 v c c4 0 + 5 v 电源 v s s2 0 电源公共端 m l1 8 写输入。当w r i 或w r 2 有效时，允许c p u 把控制 w r 21 9 l 字或数据写入所选择的a c e 寄存器。 ) ( i n1 6i 外部时钟。 x o u t1 7o 3 2 2 2 工作原理介绍： 2 4 a c e 内置1 1 个寄存器，用来定义t l l 6 c 5 5 0 c 的工作状态和工作 方式，由地址a ：a 。氏和寄存器d l a b 的定义来选择这1 1 个寄存器， 具体寄存器的定义和地址见下表3 2 。 表3 - 2 寄存器定义表 d l a b a 2a l寄存器 0000 接收缓冲器( 续) ，发送保持寄存器( 写) 一 000l 中断使能寄存器 o1 0 中断识别哿存器( 只读) olo f i f o 控制寄存器( 写) 011 线控制寄存器 lo0 调制解调器控制寄存器 1 0l 线状态寄存器 it 0 调制解调器状态寄存器 ll l 捕获( s c r a t o h ) 寄存器 10 00 除数锁存器( l s b ) l0o 1 除数锁存器( m s b ) 卜对虚低电平1 对应高电平 利用c p u 访问并控制a c e 的可访问寄存器，这些寄存器控制a c e 的操作方式：串行接收数据、发送数据及f i f o 等等，必须正确设定相 关的寄存器，现概括这些寄存器的操作及说明于表3 3 中的可访问寄 存器概要。 i b i t78 432l0 寄 0 髓0 只诿按龆雾唰旃嚣 馐 睫脚 0 0 0佃h 只写毵幢翦帕潲 脚 f 0 0 0d 【l 际数就存黥低字节 脖l 0 0 l 且黯数镄存黥高字节 f a 萨1 1珂l 中嘶幻辑潴 阻删 允许接允许发允许接允许调 00o0 收数据送保持收器线制解调 中断寄存嚣状态寄 器状态 f 空寄存存器 中断 器 0 1 0 i i r 。只读，中断识翱腩有器 0 中中断识中断识中断识o0 f f o 中 f i f o 自 断挂起男t 号l别号2愕3断允许 断允许 0 1 0 f 0 其写f i f 。控制哿薛器 f i f 0 允接收嚣发送器接收器接收器 许f 1 f 。复f n 3 复触发，触发 位 t 青 低字节低字节 0 1 1线挎钳耥 字长选字长选停止位控验使偶按验酣着校断开控b l a b 位 择位0择 立l数能选择验垃村世 1 腻调制眸矧当罅瓣 1 0 i 旧t 线杭番寄存器 数据准溢出错技验错帧出错断开中豫空发送器 0 备就绪指示盘指示也指示盘断指示指示虚空借示 ； 1 1 0帕k 调制瞬涠嚣诧舒耥 1 l l9 3 1 ，捕获粥 jjj 下面对工作原理中几个重点作简要说明 ( 1 ) 线控制寄存器( l c r ) ：地址是a 4 ，氏卸1 1 。 位7 ：此位是除数锁存器访问位( d l a b ) 从表3 - 3 可看出，只 有当d l a b 置位时，才可访问控制波持率发生器的除数锁存器d l l 和 d l m ，访问其它寄存器时d l a b 必须清零。 位0 和位1 ：规定每一发送和接收串行字符的位数，见下表3 4 串行字符长度： 位1位0 字长 00 5 位 0 1 6 位 1 0 7 位 r 1 l 8 位 选用8 位字符，b i t ，b i t o = 1 1 位2 ：指定每一发送字符中的停止位数，见表3 5 停止位数 表3 一j 停止位个数定义表 位2由位1 和位0 所选的字长所产生的停止位个数 f0 任何字长 l ll5 位 ll ，2 i 16 位2 l l 7 位 2 f i 8 位 2 由于选用8 位的字符，停止位是l 位，因此设定b i t 2 = 0 位3 、位4 ：关于奇偶较验位的设置，若位3 被置位时，则进 行奇偶校验，在发送数据中最后一个数据位与第一个停止位之间产生 奇偶校验位，若位3 被清零时，不产生也不检查奇偶校验性，而位4 是奇、偶校验的选择位，当置位时选择偶校验。 此处选用偶校验，所以设定b i h b i t 3 = l l 在本设计中，选用8 位数据位，一位停止位和一位偶检验，还应 该有异步串口通信的一个起始位，所以，一个数字共发送1 1 个b “位。 ( 2 ) f i f o 控制寄存( f c r ) f c r 6 用来使能和清零f i f o ，设置接收器f i f o 的中断触发电平， 见表3 石接收器f i f o 中断触发电平。 位7位6接收器f i f o 的触发电平( 字节) 0o 0 1 01 0 4 1o 0 8 ll 1 6 时，可 把卜1 6 个发送字节都写入到f i f 0 中。 ( 3 ) f i f 0 中断方式操作 对t l l 6 c 5 5 0 c 的操作a p - i 采用中断方式，又可采用查询工作方 式，在本设计中充分利用了中断资源，所以采用中断工作方式。 当接收器f i f o 功能和接收器中断被使能时，在如下情况下发 生接收器中断： 当f i f o 达到其已编程的触发电平时，向微处理器发出接收数据 可用中断。当f i f o 降到其已编程的触发电平以下时，它被清零，同时 寄存器i i r 相应的位作出指示，通过查询来处理程序走向；