（电路与系统专业论文）无线实时遥测遥控系统的硬件实现.pdf

摘要 本文首先叙述了无线遥测遥控系统的应用背景，技术现状及其发展趋势，并 指出无线实时遥测遥控系统的关键技术，即提高无线数据传输速度、增强通信的 抗干扰能力、降低系统功率消耗及提高系统的可靠性。然后论述了无线实时遥测 遥控系统的一般组成( 主控站子系统、无线通信子系统、遥测终端子系统和遥控 终端子系统) 、工作原理以及系统的总体设计。第三章论述了有关无线通信子系 统设计的各个方面，突出解决了无线数据传输的速度问题；在第四章里设计了遥 测终端子系统的软硬件，较好地解决了降低功耗的问题；第五章从通用性的角度 上，完成了遥控终端工程设计的主要任务以及控制软件的设计，重点解决了系统 的可靠性及安全性问题。本文最后总结了研究成果，对无线遥测遥控系统技术的 发展趋势做了展望，提出了作者的一些观点。 兴键词：遥测；遥控；实时；调制解调；m s p 4 3 0 ；p l c 注：本论文是浙江科技厅资助项目( 编号：2 0 0 3 c 3 1 0 l4 ) 。 a b s t r a c t i ti sd e s c r i b e di nt h ef i r s tp a r to f t h i sp a p e rt h a tt h eb a c k g r o u n d ，s i t u a t i o na n dt r e n do f w i r e l e s sr e m o t em e a s u r i n ga n dr e m o t ec o n t r o ls y s t e m t h ek e yt e c h n o l o g yo t t h i sk i n d o fs y s t e mi sp o i n t e do u tt o o ，t h a ti st h es p e e do fw i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o n ，t h ea b i l i t y o fa n t i - j a m m i n g ，l o wp o w e ra n dr e l i a b i l i t yo faw i r e l e s sr e m o t em e a s u r i n ga n dr e m o t e c o n t r o ls y s t e m t h e n ，t h eg e n e r a lc o m p o s i t i o na n do p e r a t i o no ft h es y s t e mi se x p l a i n e d aw i r e l e s sr e m o t em e a s u r i n ga n dr e m o t ec o n t r o ls y s t e mi n c l u d e sf o rs u b s y s t e m s ，w h i c h a r ec e n t r a l s u p e r v i s i o n s t a t i o n s u b s y s t e m ，w i r e l e s s d a t ac o m m u n i c a t i o ns u b s y s t e m ， r e m o t em e a s u r i n gs u b s y s t e mm a dr e m o t ec o n t r o ls u b s y s t e m ，i nt h et h i r dc h a p t e r ，an e w w i r e l e s sd a t ac o m m u n i c a t i o ns u b s y s t e mi sd e s i g n e d ，a n di ta c h i e v e sh i g h e rs p e e dt h a n o t h e ro n e s i nt h ef o u r t hc h a p t e r ，t h ew r i t e rd e s i g n e dan e wk i n do fr e m o t em e a s u r i n g s u b s y s t e m t h a tc o n s u m e sm u c hl o w e r p o w e r i n t h ef i f t hc h a p t e r ，t h ee n g i n e e r i n gd e s i g n o fr e m o t ec o n t r o ls u b s y s t e mi sf i n i s h e d ，a n dt h er e l i a b i l i t ya n ds e c u r i t yo ft h es y s t e mi s s e t t l e d t h ee n do ft h i sp a p e rs u m m a r i z e st h ep o i n t so fw r i t e r sr e s e a r c hw o r ka n d p r e d i c t st h ef u t u r ed i r e c t i o no f w i r e l e s sr e m o t em e a s u r i n ga n dr e m o t ec o n t r o ls y s t e m s k e y w o r d ：r e m o t e m e a s u r i n g ，r e m o t ec o n t r o l ，r e a l - t i m e ，m o d e m ，m s p 4 3 0 ，p l c 浙江大学硕士学位论文 第一章 绪论 人类社会的发展历史是部认识世界、改造世界的历史。为了更好地生活， 人们必须了解、认识身边的物质世界，并进一步按主观愿望改造它。随着社会生 产力的不断发展，一个人类群体的活动范围逐步扩大，从原始社会的数公里方寸 之地扩大到当代的整个地球甚至地球之外的宇宙空间。同时，人们对获取信息的 及时性与准确性也提出了更高的要求，从而能够更好地控制世界、改造世界，以 期获得更多的物质利益及其带来的成就感。 现代化大生产突破了传统手工作坊的局限，生产活动在广阔的地域中同时进 行，因此，准确地掌握各生产环节的情况，对于优化资源配置、提高经济效益具 有十分重要的意义。另一方面，现代化大生产中需要获取的有关信息不仅信息量 大，而且对实时性也提出了很高的要求，传统的人工测报与控制方式无法满足大 生产的要求，且成本较高。这样，遥测遥控技术就应运而生了。 生产实践已经证明了遥测遥控技术的应用价值，但也对遥测遥控技术提出了 更高的要求，包括降低成本、提高通信速度、改善抗干扰性能与稳定性等。近些 年来，无线遥测遥控技术发展较快。无线遥测遥控技术的特点是利用公用无线信 道传输数据，这一特点对降低遥测遥控系统的成本、提高系统的灵活性与可扩展 性具有强大的优势。但是，无线遥测遥控技术的不足之处也很明显，即其工作速 度与抗干扰能力较之有线传输尚有差距，这也就成了企业单位和学术界的研究课 题，也是本论文所研究的内容。 无线实时遥测遥控系统的硬件实现 1 1 无线遥测遥控系统的应用背景 无线遥测遥控系统，一般由无线通信子系统、遥测终端子系统、遥控终端子 系统以及起集中监控作用的主控站子系统四部分组成。无线通信子系统为遥测 遥控终端子系统与主控站子系统之间的数据通信提供无线信道；遥测终端子系统 主要功能是测量系统所需的各项参数、进行一定的处理后上传主控站予系统以及 执行主控站下达的命令：遥控终端子系统应严格执行主控站下发的各种遥控命令， 并将执行结果返回；主控站子系统需担负起整个系统的监控、协调与管理任务。 1 1 1 无线遥测遥控系统的优点 随着城乡工农业生产的发展和居民生活需求的扩大，社会生产、生活各方面 的系统化、自动化程度都越来越高，节奏也越来越快。因此，及时地掌握系统中 各个关键点的状态，并且对其进行有效地控制就十分重要。但是，系统各个关键 点位置常常散布在广阔的区域中，人i n 试和控制的效率及可靠性均较低，而且 成本较高。可见，采用全自动分布式遥测遥控系统来代替人工测控是更佳的选择， 特别是在需要频繁地测量、记录、报送的场合以及人工难以进入的高低温、强辐 射、强噪声、多污染等场合“卅。 遥n 遥控终端产生的数据需要上传给主控站，同时主控站也需要向各个终端 发送相关数据与命令，所以，遥测遥控系统需要合适的数据传输子系统来执行数 据传输任务。如果选择有线传输方式，就要在方圆几百米至几十千米的范围内铺 设专线，显然成本很高；如果使用公用电话线路，那么系统的使用成本则太高： 如果使用其它数据传输网，同样存在着网络覆盖不到或使用成本过高的问题。但 是，如果利用工业无线信道以无线方式组网，就能克服有线传输系统的缺点，在 组网方便性、灵活性、可扩展性以及成本等方面都有着显著的优势。 目前，虽然利用工业无线信道的数据传输技术在速度和可靠性方面逊色于有 线传输技术，但是，随着无线通信技术的发展，无线数据传输技术必然能够在速 度与可靠性上达到令人满意的程度，能够满足实时应用的要求。这也是本论文的 浙江大学硕十学位论文 研究内容。 1 1 2 无线遥测遥控系统的应用领域 正是由于具有上述诸多优点，基于计算机技术的无线遥测遥控系统的应用领 域越来越广泛，从小到大，从简单到复杂。它可以测量一种简单的参数、控制几 个电机或阀门，也可以监视、控制和管理一个车间、整个工厂、整个单位以至一 个地区的信息“。1 。 例如，自来水输供水的管网系统十分复杂。及时掌握管网中关键点的压力对 了解整个输供水状态，调整机泵工作具有极其实用的意义。由于测量点往往零星 地设定在庞大的输供水管网中，在地域上非常分散，且距离厂区又比较远，故选 择无线组网方案比较理想。这种无线遥测系统以2 3 0 m h z 工业频段作为数据传输通 道，组网简单灵活，投资低见效快，能够及时掌握供水管网各个关键点的压力情 况，从而可以提高供水质量并大大降低管网损坏率。 又如，我国的电力供需存在很多矛盾。这些矛盾有，淡水时期难以保证重点 用电单位的供电，造成直接的经济损失；多水期部分区域负荷有时过轻，对电网 可能造成一定的破坏和浪费。由于各个区域的电力负荷是以时间为变量的随机函 数，而整个电网的负荷则可看作是多元随机范函“，仅靠人工无法准确获知当前 各个区域的负荷情况，也就无法进行相当合理的输配电。然而，如果在电力系统 中建立实时无线监控系统，就可以掌握各区域负荷的瞬时值并立即进行自动输配 电调整，从而达到整个电力系统资源的理想配置，将损失降至最低程度。 除了在自来水管网遥测和电力系统负荷监控方面的应用外，无线遥测遥控系 统还有更广阔的应用范围，包括石油工业生产监控、水文水情监控、城镇管道煤 气压力和泄露监测、仓库监视、地震预测、气象数据遥测、环境监测与保护、消 防等等。 无线实时遥测遥挡系统的硬件实现 1 2无线遥测遥控系统的技术现状及发展趋势 以往的无线遥测遥控系统主要应用于航空航天和军事领域。我国“七五”、“八 五”期间，经过长期的国内外调研，确定了瞄准世界先进水平，以扩大灵活性为 核心，采用标准化、系列化、总线模块化、小型化的设计思路”1 。多年来，我国 在无线遥控测试系统这一领域中取得了飞越性的发展，使得我国在测控技术的重 要方面进入世界先进行列，并为国家的航空航天和军事现代化的发展做出了巨大 的贡献。近些年来，这项技术正逐渐向民用方向发展，并且已被许多工矿、企事 业单位所采用。从这一发展趋势来看，现今的无线遥测遥控技术尚有以下几个方 面的问题有待于解决： ( 一) 用现有的无线遥测遥控设备组成系统进行多目标测量和控制时，由于 无线信道资源的有限性和无线传输中的信道衰落、多径干扰与噪声干扰，系统只 能传输少量的遥测信息和遥控信息。这会降低系统的实时性和可靠性。 ( 二) 无线遥测遥控系统的价格问题尤为突出。对于多目标遥测遥控系统， 在民用领域，如输油气管道网络遥测、地震监测、医院监护、工厂远距数据采集 等方面都有着巨大的需求，如果以目前的技术组网则耗资甚大。相对于军用航空 航天领域而言，民用无线遥测遥控系统若组建价格过高，就会失去经济意义，就 没有市场，从而这些领域的生产效率也会受到严重的制约。因此，从系统整体设 计开始，就必须从方案选择、原理设计、器件选型以及工艺功耗等多方面权衡考 虑，以降低系统的组建成本和运行维护费用。 ( 三) 目前的无线遥测遥控系统大都应用在专用领域。各大公司和事业单位 一般都根据自身的需要来设计自己的无线遥测遥控系统。这种做法投入高见效慢， 可靠性低，并且在很大程度上是重复开发，极大地浪费了社会劳动力和资源。因 此就有必要研究开发一种能够适用于各种不同现场的通用性无线遥测遥控系统来 满足市场的需求。 ( 四) 无线遥测遥控系统由于其无线信道不像有线通信那样是封闭的，因此 它比较容易被侵入或攻击。如何保证网络的安全无疑也是当今网络通信发展的一 浙江人学顿 学位论文 门重要课题。 与上述问题相适应，今后的无线遥测遥控技术系统必然朝着提高数据通信速 度、增强抗干扰能力、降低成本以及具有通用性等方向发展。 1 3 无线实时遥测遥控系统的关键技术 由于实际的无线遥测遥控系统多采用星形网络拓扑结构“1 ，所以网络瓶颈效 应就很明显，特别是当遥n 遥控终端数量较多时更是如此。为了解决这个瓶颈问 题，最直接的办法是提高无线信道的数据传输速率，其中相对容易的办法是设计 开发出高速率无线调制解调器。只有提高无线信道的通信速度，才能提高无线遥 测遥控系统的实时性。 因为工业无线数传信道的带宽仅为2 5 k h z ，所以信道衰落对通信质量的影响 相对较大；电磁波在行进过程由于多径传播而引起的多径干扰是无法避免的；来 自自然界的电磁干扰与人为干扰如汽车、电力网、移动通信网等都可能导致无线 数据通信的误码。为了克服以上种种不利因素，就必须研究高效率的抗干扰算法， 从而把通信误码率降到令人满意的范围内。 遥测终端和无线通信子系统的低功耗设计技术对于提高系统的实用性、扩大 应用范围、降低系统的成本有着重要影响。许多需要测量参数的场合往往在电力 网覆盖范围之外，这种情况下遥测终端就必须依靠电池供电，所以降低系统功耗 具有非常现实的意义。 1 4 本论文的研究内容及其意义 本论文的主要内容是无线实时遥测遥控系统的硬件实现，包括无线通信子系 统、遥测终端子系统以及遥控终端子系统软硬件的设计及实现。其中，对于无线 通信子系统，本设计以提高其通信速度作为主要目标；对于遥测终端子系统，本 设计以降低其功耗作为主要目标：而对于遥控终端子系统则以提高其可靠性及安 全性作为主要目标。 无线实时递测遥控系统的硬件实现 本论文为工业自动化领域设计了一套通用型无线实时遥测遥控硬件平台，与 相应监控软件结合在一起，可以实现高速度、高可靠性的遥测遥控。 浙江火学硕十学位论文 第二章 无线实时遥测遥控系统的总体设计 设计一个无线遥测遥控系统，首先要进行应用对象的分析。要知道系统中需 要多少个遥测终端、多少个遥控终端；要知道有哪些待测量，数据量有多大；要 知道有哪些控制通道；要知道系统需要的数据传输速度是多高等。但本设计不是 针对具体的测控对象，而是为各应用领域设计了一种硬件平台。 2 1 系统的硬件体系与工作原理 2 。1 。1 无线遥测遥控系统的硬件体系 无线遥测遥控系统应用于地理上分散的各个现场的监视与控制，所以也常常 称为分布式无线遥测遥控系统“，其组成原理如图2 1 所示。 一个完整的分布式无线遥测遥控系统由主控站子系统( 或称监控中心) 、遥 测终端子系统、遥控终端子系统和无线数据通信子系统构成。 主控站子系统一般位于公共机房内或办公室内，由上位计算机及相应的应用 软件组成，是整个遥测遥控系统的监测、控制和管理中心。本系统中的上位计算 机采用奔腾以上的普通p c 机即可，在系统安装时通过r s 一2 3 2 c 串行口与无线通信 子系统相联结。 无线实时遥测遥控系统的硬件实现 定向灭线全向天线定向天线 图2 1无线遥测遥控系统的组成原理 遥测终端子系统的基本功能是对现场仪器、仪表和传感器输出的模拟量进行 采样，并将产生的数据保存、上传或转发。遥测终端子系统的硬件及相应控制程 序均为本文自行设计。该种遥测终端具有8 路模拟量输入接口，故能同时处理1 至8 路由现场仪表输出的模拟信号；内有模拟变送模块、a d 转换模块、c p i j 模 块、点阵式液晶显示模块以及电源模块等。为适应各种现场参数的测量需要，它 分多种测量量程和范围。该子系统的上行数据端口采用r s 一2 3 2 c 标准接口与无线 通信子系统相联。 遥控终端子系统的基本功能是执行监控中心下达的遥控命令，控制现场设备 的运行，并将设备状态和执行结果反馈给监控中心。遥控终端子系统一般位于工 业控制现场，其工作环境恶劣( 电磁干扰、噪声、机械震动等因素) ，有鉴于此， 遥控终端子系统的硬件采用直接购买的工控机。西门子、欧姆龙、三菱等公司的 工控机性能优越，使用方便，已经广为业界认可和使用。本论文选用了三菱f x 2 n 作为遥控终端子系统的核心部件，并按系统协议设计其中的控制程序。它提供了 r s 一2 3 2 c 串行口与无线通信子系统相连接。 无线通信子系统为主控站子系统、遥测终端子系统和遥控终端子系统提供了 无线数据传输通道，使得主控站能以无线方式对各个终端进行监控。无线通信子 系统由无线调制解调器、无线电台及天线组成。电台为直接购买来的2 3 0 m h z 工业 浙江大学颤上学位论文 无线数传调频电台；无线调制解调器为自行设计的高速调制解调器，主要完成基 带数字信号的变换处理，向其它子系统提供r s 一2 3 2 c 接口。 有时需要设置中继站，这是为了使距离主控站较远的遥n 遥控终端能够与主 控站可靠地传输数据。需要说明的是，不一定要开发设计专门的中继站，中继功 能可以嵌入到遥测终端或遥控终端内，这样，不能与监控中心直接通信的各个现 场终端就可跟其它终端构成菊花链”1 式拓扑结构。 2 1 2 无线遥测遥控系统的工作原理 主控站子系统要对各个现场进行集中监控及系统本身的管理，是整个系统的 枢纽。主控站的功能有：显示各遥测终端遥控终端的实时信息或历史信息；可自 动或手动向各遥测终端遥控终端下达各种命令；能选择对多个现场进行实时监 测；能将各个终端上传的重要数据进行保存和备份；能产生多种形式的报表以供 查询或打印。在上位机运行的监控软件有很好的可扩展性和通用性，比如，当增 加或减少遥n 遥控终端时，软件的程序无须改动。而只需调整相关参数即可。 本无线遥测遥控系统设计了一套系统协议来协调系统各部分的工作，协议内 容包括分配地址( 监控中心以及各个遥n 遥控终端均需要唯一的地址以供识别) 、 指定数据帧格式、约定统一的命令码以及规定数据传输速率等。主控站运行监控 软件后，先对系统进行一次复位，接着查询各个终端的状态信息，如有异常则发 出告警信息。然后可设罱一定周期的扫描去查询各个终端测得的实时数据，对收 上来的数据进行分析并作相应处理，如测得某个现场的温度超过了上限，主控站 马上会向相应的遥控终端发送命令，开启相应的冷却装置。主控站还可以要求指 定的遥测遥控终端上传历史数据，以供研究被测对象的变化规律，从而实行更佳 控制算法。系统除了能自动控制现场对象以外，还可以随时进行人工监控。 数据的发送过程是：数据终端( 主控站计算机或遥n 遥控终端) 通过r s 2 3 2 一c 送来的数字信号经无线调制解调器调制后送到电台，由天线发射出去。数据的接 收过程：从天线接收下来的射频信号经电台鉴频输出到无线调制解调器，经解调 后，通过标准的r s 2 3 2 一c 接口将数字信号送给数据终端。 无线实时遥口4 遥控系统的硬件实现 2 2 无线实时遥测遥控系统的组网方式 无线遥测遥控系统可有多种组网方式，一般按照功能来看，可以有以下几种 分法m ： ( 一) 一般结构 任意一个信息处理系统都离不开数据的采集和处理。一般结构的无线测试控 制系统对生产过程中大量参数作巡回检测、处理分析、参数的越限报警，对大量 参数进行实时分析以达到对生产过程进行各种趋势预测，并且根据所得结果反馈 控制信息。一般结构如图2 2 所示。这种结构的优点是组网十分简单，系统配置 工作量小，适用于数据帧较小的应用对象。 控制信号和各种数据 图2 2 无线遥测遥控系统的一般结构 ( - - ) 分级结构 随着现代工业生产的发展，急需提高生产过程的自动化和管理水平。在分级 结构的无线遥测遥控系统中，整个系统分成很多相互联系的层次，各层次又有自 己的目标。各层次之间通过主控中心进行协调工作。分级结构如图2 3 所示。 分级结构的最大优点有层次感、结构感强，管理者便于操作。低级控制部分 中与主控部分无关的各种控制信息和数据就无需上传，这样就减轻了无线通信信 道的负荷，并且还能提高系统的工作效率。这种网络结构适用于有复杂测控要求 的部门单位。 浙江火学硕士学位论文 图2 3无线遥测遥控系统的分级结构 ( 三) 网络结构 网络型结构的无线遥测遥控系统由一个中央控制中心和若干卫星控制中心组 成。中央控制中心配置了齐全的各类外部设备，各个卫星控制器可以共享资源。 网络结构如图2 4 所示。 图2 4无线遥测遥控系统的网络结构 网络结构的最大优点是各个卫星控制中心之间的信息可以直接交换，系统的 效率也就大大的提高。另外，由于主控中心的资源可以被各个卫星中心共享，因 此可以有效的控制系统的投入。但是也应该看到网络结构中各控制中心的软件和 无线资源的配置将比分级结构更为复杂和困难。这种网络结构适用于需要对测控 数据进行大量运算的场合。 无线实时遥祝4 遥控系统的嫂件实现 当然，需要指出的是在实际的应用中，由于现场的情况差异很大，组网的方 法也应根据具体情况认真分析，选择种或者将几种方法混合起来得到最合适的 组网方法。 2 3 无线实时遥测遥控系统通信协议的设计 无线遥测遥控系统的各个终端与主控站要频繁地交换数据，要协调一致地工 作，因此它也是一个无线通信网络，就必须制定一个通信协议。本节将讨论应用 于本无线实时遥测遥控系统的协议设计问题。 本协议定义了系统中各部分之间的数据交换方式，规定了它们之间的物理连 接、通信链路及应用技术规范。各个终端的设计均须遵循此协议 2 3 1 串口通信协议物理层的设计 ( 一) 物理接头 本标准采用r s 一2 3 2 c 标准串行电器接口，接口为9 针d b 9 接口，各管脚信号定 义如表2 1 所示。串行口的接法采用简化的五线连接方法，如图2 5 所示。在数 据终端一侧采用9 针d - s u bm a l e 接口，与数据终端相连的无线调制解调器侧采 用9 针d - s u bf e l d a l e 接口。 表2 1d t e 侧r s 2 3 2d b 9 插口信号定义 管脚定义方向描述 lc d m p u tc a r r i e rd e t e c t 2r x d m p u t r e c e i v ed a t a 3t x d o u t p u t t r a n s m i td a 协 4d t r o u t p u t d a t at e r m i n a lr e a d y 5g n d s y s t e mg r o u n d 6d s r i n p u t d a t as e tr e a d y 7 h s o u t p u tr e q u e s t 协s e n d 8c t s i n p u t c l e a rt os e n d 9r i i n p u tr i n gi n d i c a t o r 无线实时遥测遥控系统的硬件实现 考虑到本系统中的传输信道是无线信道，因此必须在应用层中考虑数据传输 过程中的抗干扰能力。在传输过程中，除帧起始符和帧结束符以外，其余的字节 都连续发三遍。如由主站发出的对中间无需中转的地址为2 8 h 的控制站点下地址 为0 1 h 的开关设备进行丌操作的命令形式如图2 7 所示。这样做可以增强抗突发 性干扰的能力，因为接收方将收到的3 组数据按位进行字节全加运算】，以实现 取多的算法。此算法的思想是在3 次收到的数据位中，如果有2 次或多于2 次的 接收值位逻辑0 1 ，则认为发送方发送的是逻辑0 1 。可见，在数据传输过程中， 如果某一位因干扰而出错，则可用其余两位纠正之。 l 序号 1 234 5678 91 0 l 说明 前导 6 8 hl 2l ld as at m cc c c i j 代码f e h6 8 ho o h0 7 h2 8 h0 0 ho o ho o h0 0 h 8 3 h1 l 1 11 21 31 4 l 1 5 | 1 6 i 1 7 l 1 8 i 1 9 i 2 02 1l i a d a t ac sl 2l 1 l d als a l t m c i c c l c l fa d a t a l l 0 1 hc 5 h0 0 h 0 7 h 2 8 hf0 0 hj0 0 h10 0 h10 0 hj 8 3 h 0 1 h j l2 22 32 42 52 6 i 2 7 l 2 8 i 2 9 l 3 0 3 l3 2 ic sl 2 l 1d as a i t m c ic cjc i i a d a t a c s l c 5 h0 0 h0 7 h2 8 h0 0 h 1 0 0 h 1 0 0 h 1 0 0 h l 8 3 h 1 0 1 hc 5 h 本章小结 图2 ，7 命令格式示例 本章首先分析了一般无线遥测遥控系统的组成与工作原理；进一步对无线实 时遥测遥控系统进行了总体性的设计；最重要的是设计了无线实时遥测遥控系统 的通信协议，该协议内容全面而细致，为系统各个子系统的设计提供了依据。 浙江大学硕l 学位论文 第三章 无线通信子系统的硬件设计 在无线遥测遥控系统中，无线通信子系统是必不可少的组成部分，否则，不 能称之为“无线”遥测遥控系统。无线通信子系统的性能对整个系统性能的影响 极大，如果其可靠性低，则整个系统的可靠性就低，如果其通信速度低则影响系 统的实时l 生。所以无线通信子系统是无线遥测遥控系统重要组成部分“。 3 1 无线通信子系统概述 3 1 1 无线通信子系统的组成与工作原理 无线通信子系统由无线调制解调器、电台及天线组成，如图3 1 所示。电台 为直接购买来的2 3 0 m h z 工业数传调频电台日精n d 8 8 9 a 。各个遥n 遥控终端一般 搭配定向天线，其优点是提高发射效率、减少接收干扰、提高信噪比；主控站以 图3 1 无线通信子系统的组成 - 1 9 一 避雷针 无线实时遥测遥控系统的硬件实现 及具有中继功能的终端搭配全向天线，以便能够覆盖整个网络。无线调制解调器 采用自行设计的高速调制解调器，主要完成基带数字信号的变换处理，向其它子 系统提供r s 一2 3 2 c 接口。 无线通信子系统是无线遥测遥控系统的必要组成部分，其功能是为主控站子 系统、遥n 遥控终端子系统之间提供高速可靠的无线数据通道，以满足它们发送 命令、交换信息数据之需。无线通信子系统的工作原理是：它接收主控站或遥n 遥控终端的二进制数据，由无线调制解调器把二进制数据流转换成适当形式的基 带模拟信号，再经电台调制到2 3 0 m h z 左右的射频载波发送出去；接收方的工作过 程刚好相反，由天线接收下来的无线己调载波经电台鉴频输出基带模拟信号，无 线调制解调器再从基带模拟信号解调出二进制数据，并以约定的数据格式送给遥 测遥控终端或主控站。 3 1 2 无线通信子系统的技术指标与设计目标 。 _ _ 在第一章中已经说明了无线通信子系统使用的载波，即2 3 0 m h z 的工业数据通 信频率。由于这种信道的特征对无线通信子系统的设计具有约束、指导作用，结 合所购日精电台n d 8 8 9 a ，将有关设计指标说明如下： 1 工作频段：2 3 0 m h z ； 2 通信方式：异步半双工； 3 信道间隔：2 5 k h z ； 4 工作环境温度：一4 0 + 7 0 ； 5 接口特性：r s 2 3 2 或t t l 标准输入输出电平； 6 频率调制方式；电抗调制； 7 接收方式：双超外差式； 8 通信接口：1 l s 2 3 2 接口； 9 通信速率：不低于4 8 0 0 b p s ： 1 0 较低的误码率： 11 抗干扰方法：软件抗干扰算法。 缎江大学颂二l 学位论史 3 2 无线调制解调器的研制状况及发展趋势 本文所说的无线调制解调器主要是指在工业遥测遥控领域中，可利用现有无 线电台进行数据传输的调制解调器。它不同于其他类型的调制解调器，因为工业 数传电台使用的信道是2 3 0 m h z 的超短波，而且带宽只有2 5 k h z 。如何在有限的条 件下提高通信速度、保证一定的通信质量以及降低成本来满足市场需求，就显得 十分必要与迫切。 目前，市场上所提供的无线调制解调器的数据传输速率一般不高于1 2 0 0 b p s ， 极少数可以达到2 4 0 0 4 8 0 0 b p s ，其价格都较高，难以推广使用。另一方面，现 代的工业生产、资源监测等场合需要传输的数据量越来越大，甚至需要传输图像 信息，这些应用场合均需要较高的数据通信速率。这一矛盾必然推动无线调制解 调器朝高速化方向发展。当然，提高抗干扰能力、降低投入成本与使用成本依然 重要。 3 3 高速无线调制解调器的原理设计 3 3 1 高速无线调制解调器的设计目标 本系统的数据通信的目标是：最高传输速率不低于4 8 0 0 b p s ，当工作于最高 速率、信噪比为1 2 d b 时，误码率不高于1 0 。其中，通信速率取决于无线调制解 调器的工作速率。 3 3 2 无线调制解调器的设计途径 无线调制解调器的设计的主要途径“”：第一种是使用非c p u 型集成电路作为 控制逻辑、调制解调芯片以及其它相关元器件，构成数据泵型( 或称为直通型) 无线调制解调器。之所以称之为“数据泵”是因为该种无线调制解调器以全透明 方式传输数据，对数据不作任何运算处理。数据泵型无线调制解调器是纯硬件系 统，所以有传输延时小、效率高、可靠性高等优点。使用这种无线调制解调器， 尤线实时遥测遥控系统的硬件实现 能够较好地满足用户实时处理的需求，并可由用户在数据终端选择所需的抗干扰 算法或加密算法。第二种是使用通用型微控制器( m c u ) 作为控制逻辑、凋制解凋 芯片和其它所需元器件，构成智能型无线调制解调器。这种结构的无线调制解调 器能够发挥m c u 的软件功能，降低硬件成本。它除了完成调制解调功能之外，还 可以对数据进行检错等处理，但可靠性相对较低，传输延时较大，这是出通用型 m c u 的复位工作方式以及m c u 串行口的通信机制所决定的“。 3 3 3高速无线调制解调器的原理设计 从高速的要求出发，所设计的无线调制解调器应有尽可能小的传输延时、尽 可能高的传输效率以及较高的可靠性，因此，本文采用第一种方案来设计无线调 制解调器。经过调查研究发现，m x c o m 公司的调制解调芯片c m x 5 8 9 a 具有传输速 率高、接口较为简单、使用灵活等特点“”( 详见3 4 4 ) ，比较符合本文的设计 目标与要求，故选用之。 根据无线调制解调器的功能要求以及无线调制解调芯片c m x 5 8 9 a 的特点，本 文设计了一种数据泵型高速无线调制解调器。“”3 ，其原理框图如图3 ，2 所示。它 的调制方式是高斯滤波最小相移键控( g m s k ) 方式，既可工作于仝双 模式，也 可工作于半双工模式。值得注意的是，在同一设定速率下，全双工模式的数据传 输能力是半双工模式的2 倍。这是因为通信系统工作于半双工模式时，在任一刚 刻，系统的数据终端只能接收数据或者发送数据，接收与发送不能同时进行；而 当系统工作与全双工模式时，数据终端可同时进行接收与发送数据。 ，r 、 ii 4 4 、 刊。藏p 放大 止 x s 一2 3 2 c 山 电平 止a重定时与l ili滤波 r 叫接口n 转换 ik 模块模块 r 7控制模块 、r r 酗3 2无线调制解调器的原理框倒 浙江人学顶士学位论文 ( - - ) r s - 2 3 2 c 接口及电平转换模块 图3 2 中，左边的“r s 一2 3 2 c 接口”是无线调制解调器( d c e ) 与数据终端( d t e ) 的接口。之所以采用r s 一2 3 2 c 接口是陶为几乎所有的p c 机、单片机和其它d t e 都 提供这种接口，它的速度也足以满足许多场合的要求。r s 一2 3 2 c 协议规定：+ 1 2 v 表示逻辑0 ，一1 2 v 表示逻辑1 ，与普通的数字系统逻辑电平不匹配，所以必须在 r s 一2 3 2 c 接口与无线调制解调器内部电路之间加入电平转换电路。电平转换模块 的功能就在于此。 ( 二) 重定时与控制模块 设计此模块是为了缓冲d t e 与d c e 之间的数据通道以及控制电路的工作方式。 调制解调芯片c m x 5 8 9 a 的数据接口为串行外围接口( s e r i a lp e r i p h e r a l i n t e r f a c e ) 方式，简称s p i 。该方式有一同步时钟，输入的数据信号在时钟到来 时必须为有效，即满足数据的建立时间与保持时间；而r s 一2 3 2 c 是标准的异步串 行通信接口，传输数据时不需要时钟信号的配合。因此，当数据终端与所设计的 无线调制解调器按照r s 一2 3 2 c 协议通信时，不能把d t e 输出的数据信号( t x d ) 经 过电平转换后就直接接到c m x 5 8 9 a 的s p i 数据端口，否则，数据在无线信道之前 就可能已经出错，而且这种错误是无法避免的和间歇性的。这是因为，d t e 与d c e 当按照r s 一2 3 2 c 方式连接时，是以各自的时钟为基准而工作的；虽然它们设置为 同一波特率，但事实上并不严格相等：由两者频率之差所产生的相差p 随着时 间连续增大，每当a p 跃过2 的整数倍时( 也即t x d 尚未稳定时c m x 5 8 9 a 就读入 数据) 就极有可能产生误码。所以会间歇地出现误码，间歇周期为两者时钟周期 的公倍数。因此，数据终端输出的t x d 信号必须经过重定时才能接至c m x 5 8 9 a 的 s p i 数据端口。 重定时功能如果由中规模集成电路来实现，那么就需要计数器、译码器、移 位寄存器、门电路等多种集成电路各数块，共需十多块。这种方案需要器件数太 多，占用印刷电路板面积很大，成本不低，可靠性较差，修改设计更是麻烦。但 是如果重定时功能由复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 来承载，则可以克服上述诸多 缺点。因为，复杂可编程逻辑器件的集成度比中规模集成电路要高2 个数量级以 上，所以使用c p l d 可以大大节省印刷电路板的面积，并提高电路的可靠性。因为 无线实时遥测遥控系统的硬件实现 c p d 的功能设计是借助上位机e d a 工具软件通过软件编程的方法来实现的，所以 设计与修改电路十分灵活方便，这是中规模集成电路所无法相比的。因为c p l d 的 输入输出引脚的功能可以视具体情况灵活地定义，这为设计印刷电路板带来了很 大的方便，如果引脚功能定义出错，也不需要改变硬件布线，只需在上位机改动 定义并重新下载编程数据即可。此外，目前的c p l d 已具有在系统可编程功能，而 且可以重复擦写1 0 0 0 0 次”以上。所以，我们采用复杂可编程逻辑器件来实现t x d 信号的重定时功能。 ( 三) 调制解调模块 调制解调芯片c m x 5 8 9 a 接收经过重定时的二进制数据，对其进行电平移位、 限幅、高斯滤波等基带处理与变换后，输出g m s k 调制信号给放大滤波模块，这 过程可称之为“调制”。“解调”的过程恰好与之相反：c m x 5 8 9 a 接收放大滤波 模块输出的g m s k 信号，然后从中恢复出二进制数字信号。调制解调模块是整个无 线调制解调器的核心功能模块。 ( 四) 放大滤波模块 g m s k 调制信号还要经过去直流、放大、低通滤波处理才能送给无线电台去调 制载波，再经天线辐射出去，进入无线信道；同样，电台对从天线接收下来的射 频信号进行检波后输出的基带信号可能已经十分微弱，也必须经过放大、去直流、 低通滤波处理后才能送给c m x 5 8 9 a ，从而正确解调出数字信号”。这就是放大滤 波模块所要解决的问题。 ( 五) 至电台的d b 9 接头 日精n d 8 8 9 a 无线数传电台的物理接口为d b 9 母座，为了使用方便，将无线调 制解调器至电台的接口设计成d b 9 公头。 沥江大学硕十学位论文 3 4 高速无线调制解调器的具体实现电路 3 4 1r $ - 2 3 2 0 接口电路 本文所设计的分布式实时无线遥测遥控系统中，无线通信子系统与主控站子 系统、遥测终端子系统以及遥控终端子系统之间均采用r s 一2 3 2 c 通信协议连接。 采用这种连接方式的原因有：r s 2 3 2 c 接口电路简单；连接电缆价格便宜；提供 r s 一2 3 2 c 接口的器件与设备众多。 为了方便使用，这里的r s 2 3 2 c 的物理接头采用标准的d b 9 母座。信号定义 如表3 1 所示。这样，只要是符合r s 一2 3 2 c 的标准连线( 一端是公头一端是母头) 就可以直接使用，无需经过跳线。 表3 1 无线m o d e m 侧与数据终端的接口信号定义 管脚定义方向描述 lc dn cn o tc o n n e c t e d 2t x d o u t v u t鼬c e i v ed a t a 3r x d i n p u tt r a n s m i td a t a 4d t r n c 5g n d s y s t e mg t o u n d 6d s rn c 7r t s i n p u tr e q u e s tt os e n d 8c t s o u t p u tc k t os e n d 9mn c n o tc o n n e c t e d 3 4 2 电平转换模块 为了实现r s 一2 3 2 c 逻辑电平至5 v 0 v 逻辑电平的转换，本模块采用了m a x i m 公司r s 一2 3 2 c 接口加强型转换芯片的m a x 2 3 2 e “。该芯片是两发两收电平转换电 路；工作电压动态范围大，在v c c 为5 v 的情况下两个接收器的输入引脚8 及引脚 1 3 可承受3 0 v 至- - 3 0 v 的信号输入，两个驱动器的输入( 引脚1 0 及引脚1 1 ) 低 电平最高可达1 2 v ，高电平最低可达1 7 v ；兼容c m o s 和t t l 逻辑电平；转换速 度高达1 2 0 k b p s ；具有1 5 千伏的静电保护功能：不会发生锁定效应，但是，m a x 2 3 2 非加强型系列芯片有可能发生锁定效应，一旦发生就必须切断其电源方可消除之。 无线实时遥测遥控系统的硬件实现 特别值得一提的是，该芯片仅需5 v 单电源供电即可在芯片内部( 开关电容电 路) 产生满足r s 一2 3 2 c 要求的逻辑电平。丌关电容电路是由受时钟控制的开关和 电容器构成的电路，根据节点电荷守恒原理，在时钟的驱动下实现电荷的存储与 转移。除了能够产生高于电源电压的正负电平以外，开关电容技术还有更广泛的 应用，比如，将开关电容网络与运算放大器结合可以构成滤波器等等。 图3 3 是m a x 2 3 2 e 典型的应用接法“。e 1 、e 2 、e 3 和e 4 是芯片内部电压自 举电路的辅助电容，电容值精度要求不高，推荐值1 o u f ，也可更大至l o u f 。本 设计中使用的是电解电容，也可使用陶瓷电容、或钽电容。引脚8 、1 3 为r s 2 3 2 c 电平输入端，转换成c m o s t t l 逻辑电平后分别出引脚9 、1 2 输出；而引脚1 0 、 1 1 为c m o s t t l 逻辑电平输入端，转换成r s 一2 3 2 c 电平后分别由7 、1 4 脚输出， 当负载电阻大于3 kq 时，输出电压摆幅大于+ 一5 v ，完全符合v 2 8 协议。可见， 选择m a x 2 3 2 e 符合r s 一2 3 2 c 通信协议、电气标准以及无线调制解调器对传输速率 的要求，使用也十分方便。 e 3 士d jl 1 0 1 f 已 1 o j ! e4 节 、矿g n d一 3 4 3 重定时与控制模块 前文已经说明，对数据终端的输出t x d 信号进行重定时的必要性。本设计使 用了x i l i n x 公司的c p l d 器件x c 9 5 1 0 8 p c 8 4 。“。该模块的主要功能是对数据终端 输出的t x d 信号进行重定时以及半双工模式下的收、发控制，如图3 4 所示。因为 无线调制解调芯片c m x 5 8 9 a 的串行通信接口为s p i 方式，所以本模块是设计的重 点之一。 浙江大学硕士学位论殳 图3 4 重定时与控制模块 设计流程是：用v e r i l o gh d l 或v h d l 语言写出能实现所要求功能的源程序， 然后进行编译、优化与综合，再进行功能验证、时序仿真，这些步骤通过以后， 就可以对器件编程( 在系统可编程) ，编程后的c p l d 就是具有相应功能的电路模 块了，最后联入系统，进行硬件调试，直至实现预期功能。 整个重定时与控制模块分为：起始位检测与读时钟产生子模块、数据接收与 缓冲子模块、移位输出子模块、定宽脉冲发生子模块。 ( 一) 起始位检测与读时钟产生子模块 r s 一2 3 2 c 协议的异步串行通信没有时钟来协调数据的收发，接收方只能不断 检测信号输入端，当检测到起始位( 低电平) 时就开始一帧数据的接收。在本模 块中，使用1 6 倍波特率的时钟作为同步时钟b c l k 。当检测到输入端的低电平连 续5 个b c l k 周期时则认为是数据帧的起始位，在第6 个b c l k 时钟沿起动1 6 进制 计数器c l (