基于低频射频识别技术的矿井人员定位系统技术设计研究报告

范文范例参考./摘要井下人员定位系统是为了提高煤矿人员管理效率和加强井下与地面信息沟通而设计的,该系统能够动态显示井下工作人员的实时位置,并能够对工人的工作时间和工作区域进行统计。本报告首先分析了国内外井下人员定位技术的发展现状,并比较了其中的优缺点。分析了系统的工作原理,并进行了功能划分。系统在设计过程中采用了模块化思想,从三个子系统分别对系统进行设计。报告中重点研究了井下的无线通信问题,并选择了RFID〔射频识别为井下无线通信方案；在井下与地面的通信方式中选择了技术先进、性能可靠的CAN总线技术；在地面监控端结合当前的新技术采用了GIS〔地理信息系统进行井下监控情况的实时显示。关键字：井下人员定位；RFID；CAN；GIS目录1绪论61.1煤矿生产管理中的问题61.2本项目研究的意义71.3井下人员定位系统的发展现状81.3.1国外研究状况81.3.2国内发展现状81.4井下人员定位系统设计的难点问题91.5本项目所做的工作102井下人员定位系统的基本原理112.1定位系统概述112.2井下人员定位系统的基本原理113系统的功能划分143.1井下无线监测子系统143.2地面数据处理子系统143.3井下与地面通信子系统154井下无线通信子系统设计174.1通信的基本知识174.1.1信号的转换与编码174.1.2差错控制174.1.3多路复用184.1.4传输模式184.1.5传输协议184.2井下人员定位系统无线通信解决方案及对比194.2.1蓝牙<Bluetooth>194.2.2HomeRF194.2.3ZigBee204.2.4RFID〔射频识别204.2.5WIFI214.2.6无线MESH网络214.2.7几种无线通信方案的比较224.3无线通信方案的确定224.4无线通信子系统的硬件设计224.4.1基站硬件电路设计234.4.2射频卡硬件电路设计424.5无线通信子系统的软件设计43基站软件设计434.5.2射频卡软件设计505井下与地面通信子系统设计525.1通信方案及比较525.1.1RS-485525.1.2现场总线525.1.3工业以太网545.2CAN总线555.2.1CAN总线简介555.2.2CAN的性能特点555.2.3物理层565.3CAN总线接口电路设计565.3.1CAN总线与基站硬件接口电路设计615.3.2CAN总线与PC端的硬件接口电路设计635.4CAN总线接口电路软件设计685.4.1基站部分CAN总线接口电路软件设计685.4.2PC端CAN总线接口电路软件设计696地面监管子系统设计717总结77附录A781绪论1.1煤矿生产管理中的问题煤矿的生产分为露天开采和地下开采,而我国95%的煤矿开采是地下开采作业,而地下开采的危险性较之露天开采要大的多。我国煤层自然赋存条件复杂多变,影响煤矿安全生产的因素众多,水、火、瓦斯、煤尘、顶板等自然灾害时刻都在威胁矿井工作人员的生命安全,都可能是造成事故的客观因素,矿井重大灾害及伤亡事故随时都有可能发生。据调查煤矿事故占工矿企业一次死亡10人以上特大事故的72.8%至89.6%<2002~20XX>。近几年,随着国民经济对能源的需求增大,煤炭行业的开始复苏,我国煤炭开采在规模和产量上都逐年扩大,但是通过以上触目惊心的数据我们却看到煤矿行业安全生产的形势非常严峻,造成的损失是极其惨重的。特别是煤矿重大及特大瓦斯<煤尘>灾害事故的频发,不但造成国家财产和公民生命的巨大损失,增加了社会的不稳定团素,而且严重影响了我国的国际声誉。实际上,这些事故的发生不是偶然的,它是煤矿生产过程中存在问题的集中暴露,涉及许多方面。既有自然因素、科技投入和研究的不足,也有人为因素以及国家的体制、煤矿企业管理不善等因素。更让人担忧的是,煤矿井下普遍存在入井人员管理困难,难以及时掌握井下人员的动态分布及作业情况,一旦事故发生,对井下人员的抢救缺乏可靠信息,抢险救灾、安全救护的效率低。目前国家对煤矿企业安全生产要求的不断提高和企业自身发展的需要,我国各大、中、小煤矿的高瓦斯或瓦斯突出矿井陆续在装备矿井监测监控系统。系统的装备大大提高了矿井安全生产水平和安全生产管理效率。但是,现有的矿井监测监控系统监测对象主要有两种,一是环境安全监测：监测各种有害气体及工作面的作业条件,如瓦斯浓度、一氧化碳、氧气浓度、风速、空气温度、压力、粉尘浓度等等；二是生产过程、生产工艺监测：监测主要生产环节的各种生产参数和重要设备的运行状态,如煤仓料位、水仓水位、水泵、提升机、扇风机、压风机、胶带输送机、采煤机等运行状态和参数等运行状态和参数。可以看出,井下矿工并不是现有监控系统的监控对象,他们在井下的位置和运行轨迹仍然是不得而知的,一旦发生突发性灾难营救工作将无从下手。矿难事故发生后,对遇难的井下工作人员生命的抢救成为首要任务,决策指挥人员必须全面分析灾情及其灾变趋势,迅速组织侦察工作,准确探明事故性质、原因、影响范围、遇险人员数量和所在位置,以最快的速度、最短的路线进入灾区,营救灾区遇险人员。然而,目前国内煤矿正在使用的该类监控系统,并不能实时提供井下工作人员的具体位置与分布情况等重要数据,加之井下地形复杂,国内大部分矿井救护技术装备落后,人员素质较低,这些都给侦察工作带来了极大的困难。特别是在搜寻井下遇险人员的过程中,救护队员只能依靠反映矿井现实情况的有关图纸以及事故现场侦察得来的各种信息展开抢救工作。在缺乏准确数据的情况下,无法迅速制定出合理、有效的营救方案与措施,结果错失最佳的营救时机,甚至是盲目营救。1.2本项目研究的意义面对我国煤矿安全生产的严峻形势,用高新技术和先进实用技术改造传统产业,增加科技含量,促进产品更新换代,提高产品质量和经济效益,是走新型煤炭工业化道路的必然选择。煤矿的现代化管理和煤矿的安全生产是煤炭行业举足轻重的大事。在煤炭行业管理和安全方面,人的管理是一个十分关键的问题。长期以来,大部分矿井,尤其是现代化的矿井,井下都是连续生产,然而煤矿井下的员工状况如何,一直是较难查清的问题。到目前为止,即使是我国的现代化矿井的管理,也只能是依据传统矿灯管理、领取工作牌等考勤方式来了解下井人员的数量和情况。随着无线通信、自动识别和计算机网络技术在煤矿安全生产监测应用领域中的不断发展,如何确定灾害事故中遇险人员的具体情况和分布位置得到进一步地解决。特别是在国内射频识别技术的引进和发展,使得对下井人员进行实时跟踪变得可行。利用射频识别技术对井下人员进行跟踪定位不仅能方便决策人员快速准确了解井下遇险人员的具体分布位置、赢得抢救的宝贵时间,还可以用于煤矿的日常考勤、生产调度等方面。不仅加强了煤炭行业的生产与安全管理,使生产调度及时、准确,更得使煤矿的安全生产保障系统大大提高。在建立了井下人员定位系统后,若井下发生突发事件,可立即通过地面主机实时查出井下各位置的人员状况,这样就能够做出及时的抢救决策,使事故损失降到最低。平时可以用来指挥生产做出优化决策,使生产指挥高效。煤矿井下人员定位系统的研究具有非常重要的现实意义。煤矿井下人员定位系统将在矿井的防灾、减灾以及提高生产效率方面发挥着重大的作用,而高性能的计算机矿井监测系统的应用前景尤为的广阔。1.3井下人员定位系统的发展现状国外研究状况国外研制矿井计算机监控系统始于20世纪60年代,为保证煤矿安全生产,世界主要产煤国〔如美国、英国、德国、波兰、前苏联等从50年代开始,陆续地把监测、监控技术应用到安全生产管理上。随着射频识别技术的兴起,国外也加快了这一领域的发展,并成功地将其应用到了井下人员定位监控系统中。英国的DavisDerbyLimited公司采用最新的无线射频技术开发了专门用于煤矿井下应用的多标签读取系统；戴维斯德比公司在地面和井下RFID系统的开发、生产、销售服务等方面,已拥有十几年的丰富经验；澳大利亚芒特艾萨矿业公司开发了一种人员探测系统,用于监测矿工进入危险地带；在南非的德里方月<Driefontayne>矿,安装了一种人员跟踪系统,它使用由澳大利亚ISD公司制造的一种射频识别系统源信标；这个系统使用顶板安装的天线,用来监控装在每个矿工帽上的小型无源信标。1990年8月,美国安菲斯公司利用超低频信号的穿透力研制开发的世界唯一套可实现超低频信号穿透岩层进行传输的无线急救通讯系统<PED,即PersonalEmergeneyDevice系统>在悉尼附近的一所煤矿投入使用。PED系统的先进技术工艺和优越的性能得到了矿区领导的一致肯定。该系统能够提供一些预先编制好的紧急信息,这些信息在紧急情况出现时自动生成。该系统可以直接连接现有的监控设备,可以监控多种输入。这些警告信息由矿井工作人员预先指定,在紧急情况发生时,可以在最短的时间内,将替告发送给井下全部或相应的工作人员。国内发展现状我国监测监控技术起步较晚,自1974年以来,仅有几种单一的瓦斯监测仪器投入使用,如AYJ-1,AWBY-1.2,MJC-100等,实现了对瓦斯的连续监测。为了加快实现煤炭工业现代化管理的步伐,我国先后从波、法、德、英、美等国批量引进了安全监控系统并装备了部分煤矿,如美国的SCADA系统、英国的MINOS系统、德国的TF200系统、法国的CTT63/40/u系统、加拿大森透里昂系统,这些系统在我国煤炭行业中发挥了作用,也为我国研制矿用监控系统提供了很好的借鉴。国内曾由中国煤炭部安全司、中国国际技术咨询公司连手与安菲斯公司确定合作关系,决定三方共同在中国煤炭领域推广PED系统。1998年,人同矿务局在人同煤峪口矿安装了中国第一套PED系统。结果证明PED系统信号可以穿透岩层传播并覆盖到全部生产区,发出和收到信号准确率为100%,最远穿透距离达2.80年代后期,在引进外国设备的同时,消化、吸收了制造技术,并结合我国煤矿的实际情况,先后研制出自己的监控系统,如KJ1,KJ2,KJ4,A-1,KJ10,KJ11,KJ22,KT,KJ95及XX工学院研制的KJ93矿井安全生产监控系统等,并在我国煤矿大批使用,有的系统已达到国际先进水平。这些系统主要也是侧重于安全参数的检测,而没有对下井人员进行实时监控。随着自动识别技术在国内各行各业的发展和应用,国内一些煤炭科研机构不断推出新一代的人员自动识别系统,并成功应用于下井人员的管理。到门前为止国内部分矿井,尤其是现代化矿一井都安装了识别系统,用以取代以前依据矿灯管理来对下井人员进行管理。人员识别系统从最初的条形码、光电孔卡式到现在的指纹、红外线式考勤形式各不相同,这些技术装备利用不同的识别原理对下井人员进行监控、记录。XX世纪潮智能科技有限公司与煤炭科学研究总院XX分院一起,于20XX8月开始研究"矿井人员跟踪定位及考勤管理系统",经过资料收集、调研、方案论证、设计、试验室试验、样机加工、性能测试、防爆送检及井下工业性试验等阶段,历时近一年半,完成了全部研究内容。矿井人员跟踪定位及考勤管理系统在完成了全部开发设计、样机生产加工、实验室性能测试和防爆检测检验后,成套产品于20XX10月在XX松藻煤电集团公司二矿、西山焦煤集团屯兰矿、XX离柳焦煤集团有限公司朱家店煤矿第二坑口等地进行了现场安装和工业性试验。我国现在研发的新型人员定位系统主要以有源射频卡为基础,提高了射频卡的使用的方便性,但由于基于射频识别耦合原理的有效通信距离仍然相对较短。普遍用于远距离射频识别的2.4G频段的信号对障碍物的穿透力很弱,信号衰减快。而矿山的井巷往往错综复杂,环境十分恶劣,当多人同时经过井下同一射频阅读基站时,往往出现漏读率较高,系统稳定性不够等问题。1.4井下人员定位系统设计的难点问题井下人员定位系统的设计有以下几个难点问题：1.矿井下环境恶劣,通信条件复杂,并且属于易燃易爆场所,因此对通信问题提出了严格的要求,而井下人员定位系统设计的关键环节正是井下的通信问题。目前井下人员定位系统多是基于RFID〔射频识别技术,在井下建立无线监测网络,对持有射频标签的工作人员进行位置信号采集,然后送到地面进行处理、显示。但限于发射功率和通信环境,井下的无线通信距离较短,又由于地质结构复杂,电磁波信号不能有效的穿透岩层,造成无线通信局限在狭窄的巷道中。2.井下人员定位系统的设计还必须要考虑电源的供电问题,所有电气设计必须严格按照煤矿安全操作规程进行。井下与地面的通信可以采用工业现场总线,增强通信抗干扰能力,同时满足通信需求。1.5本项目所做的工作本项目结合目前定位系统的发展现状,主要完成了一下工作：1.采取了低频射频RFID+CAN+GIS的设计方式,即：利用低频射频RFID完成井下的无线监测任务,利用CAN总线完成井下与地面的通信任务,利用GIS完成定位系统的显示任务。2.在处理井下无线通信的问题时采取了基站+移动站的通信形式。基站按照其覆盖范围沿巷道分布,移动站以射频标签的形式附着于井下工作人员的身上,由于基站的安装位置是确定的,当某个基站捕获到射频卡后就可以确定相应人员的大体位置。从应用需求的角度出发,同时为了降低成本,系统没有采用精确定位的方法,而是如前所述的粗略定位方法,定位精度取决于基站的覆盖范围。3.系统的电源部分有基站和射频卡两个,基站由于安装在巷道中需要在井下设立电源箱〔矿用防爆型为其供电。电源箱将井下变电所输出的高压经过变压、整流、稳压得到本安供电电源输出；射频卡由于采取有源形式〔识别距离较远,需要设计供电部分,可以采用充电电池或者直接从井下工人矿工帽的蓄电池中取电。4.地面的显示部分采用基于GIS开发的图形显示界面,方便管理,同时易于整合其他信息资源〔比如地质和水文。考虑到井下工作环境的变化性,采用CAN总线可以方便的扩充基站,配合煤矿井下巷道的延伸。2井下人员定位系统的基本原理2.1定位系统概述井下人员定位系统的设计目的一是为了矿井正常运作时对井下工作人员进行管理,另外一个目的是一旦发生安全事故可以为救援队提供被困人员的位置和状态信息,赢取宝贵的救援时间。因此从这两个目的出发来考虑定位系统的设计方案。从目前的应用看,定位系统有多种形式。1.GPSGPS〔GlobalPositioningSystem全球定位系统具有高精度、全天候、高效率、多功能、操作简便等特点,是最常见的一种定位系统,主要为船舶、汽车、飞机等运动物体进行定位导航。GPS定位系统正常工作需要空间部分〔卫星、地面控制部分〔主控站、监测站、地面控制站和用户设备部分〔GPS信号接收机。定位的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离,然后综合多颗卫星的数据按照定位解算方法进行定位计算,计算出用户所在的地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。2.短距离定位技术短距离定位是相对于全球定位而言的,其工作原理和GPS定位原理都是基于电磁波定位技术。短距离定位技术的应用范围一般为几十公里,其定位系统主要由分布在定位区域边缘的基站和定位区域中的移动接收站组成。移动站通过测量到基站的距离,然后根据基站的位置信息按照定位解算方法进行计算,即可计算出移动站在定位区域中的位置。2.2井下人员定位系统的基本原理由上述可知,GPS定位系统技术成熟、应用广泛,但对于井下定位系统的实现有一定难度。首先由于现有的移动通信网的无线信号不能穿透到矿井井下,因此不能直接实现井下与井上的无线通信,为了通信还要建立井下移动通信网络；另外使用GPS定位系统的成本较高,对于我国这样一个煤矿众多,井下工作人员众多的国家不太实用。实际上井下人员定位系统正是基于短距离无线定位技术,但由于煤矿井下环境与地面差别较大,信号在传输路径衰减严重,干扰较多,且不易穿透巷道,无线传输只能局限在巷道中。目前,井下人员定位系统一般采用在井下巷道中建立多处无线通信基站,由井下的工作人员携带无线收发装置,以此实现井下的无线通信。实际上井下人员定位系统的关键环节正是井下的无线通信问题,一旦建立起无线通信系统,即可实现许多附加的功能,其中包括定位功能。图2-1为井下人员定位系统的原理图。图中BS为无线通信基站,基站沿煤矿井下巷道分布,覆盖井下工作人员的活动范围；MS是移动站,即井下工作人员随身携带的无线收发装置,能向基站发送自身ID以识别工作人员；现场总线部分负责把所有的基站连接起来和地面进行通信,及时将井下的无线定位数据传送到地面进行处理和显示；地面的处理显示中心将接收的定位数据与基站的实际物理位置进行比对,判断出对应数据的位置,再通过查询人员ID号得到人员的位置数据。为了直观显示结果可以采用GIS以电子地图的形式对人员的位置进行显示；远程监控部分方便各个管理层及时了解矿井的工作情况,实现多级监管。现场总线BS现场总线BSBSBS无线通信MSMSMS避雷器网关地面处理与显示中心远程监控部分矿井巷道地面图2-1井下人员定位系统的原理框图图2-2井下人员定位系统工作示意图图2-2为系统的工作示意图,井下不同的巷道中分别安装有一些BS〔基站,BS安装的物理位置是确定的,这样井下位置就可以反映到电子地图上。Tag〔电子标签由工人携带,工人在巷道中工作时,其携带的Tag会被某个BS所识别到,由于Tag与实际的工人人员是一一对应的,因此BS就能识别出工作人员。当BS的数据传输到地面后,参照BS的物理位置和Tag的人员对应列表就可以获得工作人员的定位信息,同时可以将监控数据实时进行显示。3系统的功能划分由系统的工作原理可以得出系统主要有几部分功能模块组成,为了便于对系统进行设计,根据系统各部分的工作特点,将井下人员定位系统分为三个子系统：井下无线监测子系统、地面数据处理子系统和矿井上下的通信子系统。在具体设计各个子系统时可以再将其进行功能划分,以方便模块化设计。3.1井下无线监测子系统井下无线监测子系统主要由无线监测基站和移动站两部分组成。移动站中存储有包含工作人员个人信息的数据,基站〔BS通过与移动站〔MS通信读取存储在移动站中的人员信息。然后基站将这些信息传送到井上的数据处理中心,井上的数据处理中心根据井下基站的位置信息,对基站传送回来的数据进行分析处理,然后得出人员的位置信息。1.基站〔BS的功能：a完成基站〔BS与移动站〔MS的无线通信,要求基站具有无线收发功能。b完成基站〔BS与地面数据处理中心的通信,要求基站具有串行通信功能。c完成对移动站的通信控制,要求基站具有一定的数据处理能力和数据存储功能。2.移动站〔MS的功能：a完成移动站〔MS与基站〔BS的无线通信,要求移动站具有无线收发功能。b完成基站〔BS指令的数据操作,要求基站具有一定的数据处理和数据存储功能。3.2地面数据处理子系统地面数据处理子系统完成对井下采集信息的分析与处理。地面数据处理子系统包括：数据接收部分,数据传输部分,数据分析计算部分,数据存储部分,数据显示部分。1.数据接收部分数据接收部分完成地面数据处理子系统与井下监测子系统通信的接口,主要是将井下传送来的串行数据暂存入计算机,完成数据校验等预处理,同时还能接受上层的管理命令,对井下监测子系统进行控制。2.数据传输部分为了方便对数据进行处理,并为监管部门提供监测数据需要对监测数据共享。数据传输部分主要负责数据在各个部门之间的共享传输,并控制数据的实时更新与同步。3.数据分析计算部分考虑到井下无线监测部分的数量很多,若使用数据处理功能较强的装置则系统成本必然很高,因此采用井下无线监测加地面数据处理的模式。井下部分只完成数据的采集任务,减轻井下的数据处理负担。数据传送到地面后,由地面上计算功能强大的计算机完成数据的计算分析与处理。地面数据处理子系统事先把基站的位置信息存入计算,当接收到井下的监测数据后,计算机根据已存入基站的位置信息计算人员的位置,并可对人员进行位置跟踪,工作时间统计等。数据的分析具体包括：位置信息计算,人数统计,时间计算,轨迹计算等。4.数据存储部分井下人员定位系统一方面要实时反映井下人员的位置信息,另一方面还要对人员的出勤情况,工作内容等进行记录和统计,以方便对人员的管理。同时数据存储部分还要为显示部分提供数据源,方便通过直观的显示画面查看相关信息。5.数据显示部分数据显示部分完成人机接口,方便人员查看信息。数据显示部分要能够实时显示井下人员的位置状况,能够提供历史信息的查询服务,能够接收命令的输入与执行以完成对系统的管理。3.3井下与地面通信子系统该通信子系统负责完成井下与地面的数据传输,主要有三个功能模块：基站接口、传输线路和地面端接口。通信可以用RS-485或现场总线等工业控制中的远程传输技术来实现。对该子系统的要求是：系统的容量大、传输可靠、协议简单、安装与维护成本低。1.基站接口接口主要完成基站数据到传输线路的通信,由于基站主控芯片功能有限,若没有集成接口则需要设计接口电路。2.传输线路根据选定的通信方案来确定传输线缆的类型,如果有可能的话可以和井下其它监测系统共用传输线路,节省成本。3.地面端接口与计算机的通信可以采用标准串口〔RS-232,但传输线路却不能使用RS-232这种计算机的标准接口,因为这种通信的距离太短〔小于等于15m。因此与基站部分相同,可以设计接口将传输线路转换为RS-232与PC机进行通信。4井下无线通信子系统设计4.1通信的基本知识本报告中涉及较多的通信内容,下面简单介绍下通信中要考虑的几个问题。信号的转换与编码通常信号有模拟信号和数字信号之分,模拟信号是在幅值和时间上都连续的信号,数字信号则是在幅值和时间上都离散的信号。模拟信号和数字信号都可以用于数据通信,但由于二者之间有明显的差异,其用途也不相同。比如电话网络传送的是模拟信号,而计算机总线上传送的是数字信号。一般不同的传输线路只能传输特定的信号,模拟和数字信号不能同时传输。当需要是就要对信号进行变换。比如计算机的数字信号要通过电话网络传输,就要先将数字信号转换为模拟信号,然后再进行传输。在数字信号的传送中,为了使二进制"1"和"0"的特性有利于传输,需要对信号进行编码几种比较常见的编码方法有：不归零编码〔NonReturntoZero,NRZ、伪三元码〔Pseudoternary、曼彻斯特〔Manchester编码、差分曼彻斯特编码〔DifferentialManchesterEncoding等。差错控制在数据的通信过程中,数据传输的各个环节都可能产生差错,为了保证通信的正常进行需要对差错进行控制。所谓差错控制是指对于数据传输设备、数据通信线路和通信控制器等产生的差错进行控制。实际系统中数据传输设备和通信控制器本身所产生的误差很小,因此数据通信中的差错主要来自于数据通信线路。差错控制方式基本上有两类：一类是接收端检测到接收的数据有错时,接收端自动纠正错误；另一类是接收端检测出错误后不自动纠错,而是通过反馈信道发送一个表示错误的应答信号,要求重发,直到正确接收为止。目前通信系统中的差错控制方式有：反馈纠错、前向纠错、混合纠错。为了控制差错必须先检测出错误,这就是差错的检测。常用的差错检测方法是对数据进行校验。常用的校验码有：奇偶校验码、恒比码、汉明码、循环码。其中循环码是一种使用较多的冗余校验技术。多路复用在通信过程中,传输媒体的带宽往往超过传输单一信号的需要,为了提高传输媒介的利用率,降低成本,希望在一个信道上可以同时传输多路信号,也即是多路复用问题。多路复用技术是指在数据传输系统中,允许两个或两个以上的数据源共享一个公共传输介质,把多个信号组合起来再一条物理信道上进行传输。这样就好像每个数据源都有自己的信道一样,因此采用多路复用可以将若干个无关的信号合并为一个能在一条共享信道上传输的复合信号。多路复用通常可以分为：频分复用〔FDM、时分复用〔TDM、波分复用〔WDM和码分复用〔CMD等。另外码分多址〔CodeDivisionMultipleAccess,CMDA是移动通信中的一种信号处理方式,每个用户在通信期间占用所有的频率和所有时间,但不同的用户具有不同的正交码,可以区分不同用户的信息,避免相互干扰。传输模式数据传输模式是指数据在信道上传输所采取的方式。在计算机内部各部件之间,计算机与各种外设之间,计算机与计算机之间,都以通信的方式传递数据信息。数据传输模式可以分为不同的类型,按数据代码传输的顺序可以分为并行传输和串行传输；按数据传输的同步方式可以分为同步传输和异步传输；按数据传输的流向和时间的关系可以分为单工、半双工和全双工；按传输的数据信号特点可分为基带传输、频带传输和数字数据传输。传输协议在通信过程中,为了控制通信的双方进行信息的发送和接收,需要有一个通信双方都要遵守的"规则库",或者说通信的双方需要使用一种共同的"语言"来进行信息的交流。这个"规则库"或者说"语言"就是通信的传输协议。传输协议定义了什么是通信,如何进行通信以及何时进行通信等问题。4.2井下人员定位系统无线通信解决方案及对比经过前面的分析,不难发现问题的难点集中在井下的无线通信上。由于井下环境恶劣,噪声、干扰严重,给无线通信带来的很大的不便。此外从安全角度来说也不允许无线设备的发射功率过大,另外还要按照矿用标准进行严格设计。从技术角度看,目前短距离无线通信的解决方案有多种,下面简要介绍一下几种不同的短距离无线通信方案。蓝牙<Bluetooth>蓝牙技术最初是由Ericsson、Nokia、IBM、Intel、Toshiba等公司联合于1998年提出的,主要面向短距离,低功率,低成本的应用环境,以解决手机、PDA、笔记本电脑等移动设备间的通信问题。蓝牙技术是一种能够实现语音和数据无线传输的开放性方案,蓝牙技术产品是采用低能耗无线电通信技术来实现语音、数据和视频传输的,其传输速率最高为每秒1Mb/s,以时分方式进行全双工通信,传输距离在10m以内,增加天线后可达到100m。蓝牙产品采用的是跳频技术,能够抗信号衰落；采用快跳频和短分组技术,能够有效地减少同频干扰,提高通信的安全性；采用前向纠错编码技术,以便在远距离通信时减少随机噪声的干扰；采用24GHz的ISM频段,以省去申请专用许可证的麻烦；采用FM调制方式,使设备变得更为简单可靠。总之,蓝牙技术产品与因特网Internet之间的通信,使得家庭和办公室的设备不需要电缆也能够实现互通互联,大大提高办公和通信效率。由于蓝牙协议及相关堆栈都很复杂,对某些简单应用就是多余的。另外蓝牙的功耗也较大。HomeRFHomeRF<家庭射频>是ITU<国际电信联盟>内部的一个组,成立于1998年3月,主要为家庭网络设计,其主要工作是开发低成本射频语音、数据通信标准。HomeRF技术是DECT<DigitalEnhancedCordlessTelephone：数字增强型无绳电话>和WLAN<WirelessLocalAreaNetwork：无线局域网>技术相互融合发展的产物。HomeRF工作组开发了共享无线应用协议SWAP<SharedWirelessAccessProtocol>,它融合了无线局域网IEEE80211采用的CSMA/CA<CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionAvoidance：载波侦听多路访问/冲突避免>方式和DECT使用的TDMA<Time-divisionMultipleAccess：时分多路复用>方式,适合于话音和数据业务,并且特地为家庭小型网络进行了优化。目前使用的家庭射频芯片工作在2.4GHz频段,采用数字跳频扩频技术,速率为50W秒,共有75个带宽为1MHz跳频信道。调制方式为恒定包络的FSK<FrequencyShiftKeying：频移键控>调制,分为2FSK与4FSK两种。采用跳频调制可以有效地抑制无线环境下的干扰和衰落。2FSK方式下,最大数据的传输速率为1Mb/s,4FSK方式下,速率可达2Mb/s。在HomeRF2x中,数据峰值高达610Mb/s,接近IEEE802l1b标准的11Mb/s,能满足未来的家庭宽带通信。HomeRF最早由Proxim公司开发,已经被美国联邦通讯委员会接纳为标准。HomeRF的不足在于在功能上过于局限家庭应用。ZigBeeZigBee联盟成立于20XX8月,由英国Invensys公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司组成,如今已经吸引了上百家芯片公司、无线设备公司和开发商的加入。ZigBee使用24GHz波段,采用跳频技术,它具有下述特点：传输速率低：10kbps-250kbps；功耗低：两节普通5号干电池可使用半年到两年；成本低：由于ZigBee数据传输速率低、协议简单,所以大大降低了成本；网络容量大：每个ZigBee网络最多可支持255个设备,也即每个ZigBee设备可与另外254台设备相连接；有效范围小：有效覆盖范围为10m－75m；工作频段灵活：使用24GHz,868MHz<欧洲>及915MHZ<美国>免执照频段。RFID〔射频识别射频识别技术<RFID,即RadioFrequencyIdentification>是从20世纪80年代起走向成熟的一项自动识别技术。它利用射频方式进行非接触双向通信,实现人们对各类物体或设备<人员、物品>在不同状态<移动或静止>下的识别和数据交换。与同期或早期的接触式识别技术不同的是RFID系统的射频识别卡和读卡器之间不用接触就可完成识别。它具有以下特点：<1>操作方便,工作距离长,可以实现对移动目标的识别；<2>无硬件接触,避免了因机械接触而产生的各种故障,使用寿命长；<3>射频识别卡无外露金属触点,整个卡片完全密封,具有良好的防水、防尘、防污损、防磁、防静电性能,适合在恶劣环境条件下工作；<4>对无线传输的数据都经过随机序列的加密,并有完善、保密的通信协议。卡内序列号是唯一的,制造商在卡出厂前已将此序号固化,安全性高；<5>卡内具有防碰撞机制,可同时对多个移动目标进行识别；<6>信号的穿透能力强<可穿透墙壁、路面、衣物、人等>,数据传输量小,抗干扰能力强,感应灵敏,易于维护和操作。WIFIWIFI全称WirelessFidelity,采用802.11a/b/g标准,它的最大优点就是传输速度较高,可以达到54Mbps,另外它的有效距离也很长,同时也与已有的多种设备兼容。其优点主要体现在以下方面：<1>无线电波的覆盖范围广,基于蓝牙技术的电波覆盖范围非常小,半径大约只有50英尺左右<约合15m>,而WIFI的半径则可达100m。<2>WIFI手机的无线通信质量非常好,就是在嘈杂的环境下,也能有很好的过滤功能。<3>WIFI技术传输速度非常快,可以达到11Mbps,符合个人和社会信息化的需求。<4>WIFI手机通过TCP/IP协议进行数据交换,在网络上的工作效率更高。无线MESH网络<无线网状网络>也称为"多跳<mult-hop>"网络,它是一种与传统无线网络完全不同的新型无线网络技术。在传统的无线局域网<WLAN>中,每个客户端均通过一条与AP相连的无线链路来访问网络,用户如果要进行相互通信的话,必须首先访问一个固定的接入点<AP>,这种网络结构被称为单跳网络。而在无线MESH网络中,任何无线设备节点都可以同时作为AP和路由器,网络中的每个节点都可以发送和接收信号,每个节点都可以与一个或者多个对等节点进行直接通信。这种结构的最大好处在于：<1>无论固定组网还是移动组网,都能够迅速按需形成任意拓扑；<2>拓扑遭遇节点高速、高频变换时,无线网状网能够自动调整拓扑并维持连接；<3>能够采用灵活的多跳传输,可随需扩展,非常适合有线不方便或成本很高的场合；基于无线MESH网络结构的以上优点和煤矿井下环境恶劣、组网复杂等特殊条件,无线MESH网络很适合在煤矿井下应用。几种无线通信方案的比较表4-1无线通信方案参数比较Tab.4-1Camparisonofparametersofseveralcommunicationprogram无线通信方式功耗速率距离频率容量成本蓝牙大中短ISM小高HomeRF中中中ISM小低ZigBee小低中ISM大中RFID中低中低、中、高大中WIFI小高远ISM大高4.3无线通信方案的确定经过上述比较,得出以下结论：1蓝牙技术功耗大,通信距离短,协议复杂,不适合井下通信。2HomeRF技术中等,但由于是针对家庭应用设计,因此有局限性。3WIFI技术先进,通信距离远,传输速率高,但用在定位系统上有点"大材小用",且成本较高。4ZigBee技术也具有较多优点,适合于组建无线通信网络。但考虑到井下环境复杂,若采用无线组网的方式配置起来较为复杂,没有采用有线通信方式可靠。因此也不予采用。5RFID技术各项指标较为中等,功耗较低,通信距离较远,技术成熟,已在多种领域有成功的应用。采用RFID技术对井下人员携带的射频标签进行识别,再通过有线方式将基站信息传送到地面,即可完成井下人员定位的任务。由于系统的工作频率与通信距离有较大关系,考虑到低频和高频信号的传输特点,采用RFID中的UHF频段,这也是目前远距离RFID系统的工作频段,关于发射功率问题要参考有关的无线管制规定和矿井的安全操作规程。4.4无线通信子系统的硬件设计无线通信子系统由两部分组成：基站〔BS和移动站〔MS。根据功能划分部分所述,基站〔BS部分需具有无线收发功能、串行数据传输功能和数据存储、处理功能。移动站〔MS部分需具有无线收发功能、数据存储和处理功能。基站硬件电路设计考虑到基站的功能要求将基站的硬件电路分为五个功能模块,如图4-1所示,这五个模块是：通信模块、时钟模块、无线收发模块、主控单元和电源模块。这些的模块的功能如下：通信模块：负责基站〔BS与地面的通信,完成现场总线与主控单元的接口功能；时钟模块：负责提供日期与时间数据,方便记录井下的监测数据,当基站向地面传送定位数据时同时传送定位时间信息；无线收发模块：完成基站与射频卡的无线通信,包括无线通信协议和数据的防碰撞算法部分；主控单元：控制无线收发模块、通信模块和时钟模块的工作,进行相应的数据存储和处理；电源模块：从井下的供电线路中获取电源,并变换整定出稳定可靠的直流电压,为基站提供不同等级的电压,满足供电要求。由于通信模块与井下和地面所采取的通信方式有关,将其设计内容放在第三个子系统的设计中来考虑。下面分别设计基站的其他四个模块,为了合理的选用器件,按照无线收发模块、主控单元、时钟模块、电源模块的顺序依次进行设计。图4-1基站原理框图〔1无线收发模块无线收发模块的设计大体有两种方案：一是利用分立器件搭建无线收发电路,另一种是直接选用具有无线收发功能的集成芯片。从设计的方便性和可靠性来考虑,应选用集成度较高的单片射频收发芯片。这是因为一方面可以避免用分立元件搭建无线收发电路,提高系统工作的可靠性；另一方面由于单片射频收发芯片可以独立完成无线收发任务,也可以减轻传输控制电路的负担。目前有多种功能不同的单片射频收发芯片,下面介绍其中典型的几种。1XE1202XE1202是将无线发射与接收功能集成在单一芯片上的射频收发芯片,芯片内集成了射频发射、射频接收、PLL合成、FSK调制等电路,具有高速率、超低功耗等功能。可以工作在433MHz、870MHz和915MHzISM频段,其数据传输速率可以达到76.8kbps。XE1202采用连续相位的两级频移键控〔CPFSK方式。XE1202的接收部分集成有低噪声放大器〔LNA和下变频器,采用直接变频方式,具有滤波通道和接受用的解调器,微控制器接口可以直接对数据进行处理,并可以产生同步数据时钟〔CLKD。XE1202的发射部分可以提供一个完整的通道,完成从数据到天线的传送,该部分带有一个可以对频偏进行编程的直接上变频器,并可以对RF输出功率进行控制。芯片具有3线总线接口,可以通过3线总线以及外部引脚来设置传输状态,仅需要极少的外部元件〔天线匹配网络、振荡电路、SAW振荡器即可完成接收和发射的双重功能。发射功率也可以通过总线来控制。2nRF2401nRF2401是单片射频收发芯片,工作于2.4～2.5GHzISM频段,芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块,输出功率和通信频道可通过程序进行配置。芯片能耗非常低,以-5dBm的功率发射时,工作电流只有10.5mA,接收时工作电流只有18mA,多种低功率工作模式,节能设计更方便。其DuoCeiverTM技术使nRF2401可以使用同一天线,同时接收两个不同频道的数据。nRF2401适用于多种无线通信的场合,如无线数据传输系统、无线鼠标、遥控开锁、遥控玩具等。nRF2401有工作模式有四种：收发模式、配置模式、空闲模式和关机模式。nRF2401的工作模式由PWR_UP、CE、TX_EN和CS三个引脚决定。nRF2401的收发模式有ShockBurstTM收发模式和直接收发模式两种,收发模式由器件配置字决定。nRF2401的所有配置工作都是通过CS、CLK1和DATA三个引脚完成,把其配置为ShockBurstTM收发模式需要15字节的配置字,而如把其配置为直接收发模式只需要2字节的配置字。由上文对nRF2401工作模式的介绍,我们可以知道,nRF2401一般工作于ShockBurstTM收发模式,这样,系统的程序编制会更加简单,并且稳定性也会更高。3nRF9E5nRF9E5是真正的系统级无线射频收发芯片,内嵌高性能8051MCU,4通道12位ADC。内置nRF905收发器,包括所有nRF905芯片的特性,可以工作在Shockburst模式下〔自动处理前缀,地址和CRC,最大程度抑制了噪声,工作电压范围为1.9V-3.6V。芯片的最大输出功率为+10dBm。只需极少的外围元件就能组建一个完整的射频收发电路。芯片还具有载波检测功能,能有效的减少数据的碰撞。应用领域：无线数据通讯、报警和安全系统、自动测试系统、家庭自动化控制、遥控装置、监测、车辆安全系统、工业控制、无线通信、电信终端等。4CC1010CC1010是基于Chipcon'sSmartRF技术的单片可编程UHF收发器芯片,电路工作在315/433/868/915MHzISM频段〔300MHz-1000MHz。在典型的应用中,仅需少数的几个外接元件。灵敏度为-109dBm,可编程输出功率为-20dBm~10dBm,FSK调制,数据传输速率可达76.9kbps,2.7~3.6V低电源工作。芯片内嵌与8051兼容的微控制器〔MCU、32KBFlash、2048+128BytesSRAM、3通道10bitADC、4个定时器、2个脉冲宽度调制〔PWM输出、2个通用异步串行收发〔UART接口、实时时钟〔RTC、看门狗〔WatchDog、串行外设接口〔SPI、DES编码,26个通用I/O口。适合与计算机遥测遥控、安放、家庭自动化、汽车仪表数据读取等无线数据发射/接收系统中使用。上面介绍的几种射频收发芯片都能通过简单的外围电路来完成无线收发功能。其中前两种射频收发芯片内部没有集成微控制器〔MCU,需要增加微控制器〔MCU来对数据的发送和接收进行控制,而且内部硬件资源较少,但价格相对较低,适用于简单、低成本的无线通信电路；后面两种内部集成有与8051兼容的微控制器〔MCU,并具有多种硬件资源,功能强大,但同时价格也高。由于井下环境恶劣,通信条件较差,为了保证数据传输的可靠性需要使用可靠的通信协议和数据差错控制算法,另外还要考虑到RFID通信过程中的数据防碰撞问题,而这些都需要微处理器〔MCU来完成。如果选用内部没有集成MCU的射频芯片,那么这些工作都要由基站的主控MCU来完成,这会增加主控MCU的负担,由于主控MCU还要完成其他的控制任务,为了保证系统的可靠工作还需要增加一片MCU专门来完成无线收发的控制任务,这样就增加了系统的复杂性,同时也增加了系统成本。因此考虑采用内部集成有MCU的射频芯片。nRF9E5和CC1010都是内部集成有兼容8051MCU的单片射频收发芯片,都具有丰富的硬件资源,可以完成复杂的通信任务。考虑到CC1010虽然硬件资源较为丰富,但价格较高,因此采用nRF9E5。下面具体介绍一下这款芯片。nRF9E5是挪威NordicVLSI公司于20XX2月推出的系统级RF芯片。该芯片采用+3VDC供电,面积为5mm×5mm,共有32个外部引脚。nRF9E5嵌入了nRF905433/868/915MHz无线收发芯片、集成增强型MCS8051微控制器和4个通道的10位A/D转换器,采样速率为80kbps,内含1.22V电压基准、电源管理、PWM输出、UART异步串口、SPI通讯接口、逻辑接口电路、看门狗电路、多通道可编程唤醒,以及CRC检验和多点通信控制,高频电感和滤波器等已经全部内置,芯片的一致性能好、稳定且不易受干扰。采用GFSK调制,抗扰能力强,支持多点通讯,数据传输速率高达0.1Mbps。具有特有的ShockBurst信号发射模式和发射信号载波监测功能,可有效降低功耗电流、避免数据冲突。nRF9E5没有复杂的通讯协议,完全对用户透明,同种产品之间可以自由通讯,内置的CRC纠错硬件电路和协议免去了软件开发人员的软件纠错编程和微控制器的纠错运算,降低了无线应用的开发难度。外围电路连接极为简单,只需要一个晶体管和一个电阻,nRF9E5输出端ANT1、ANT2外接50单天线终端装置,信号有效发射距离无遮挡时可达800m以上,楼道内收发也可达到250m左右,对障碍物具有一定的穿透能力,且其最大发射功率仅为10DBm<10毫瓦>,收发状态切换时间小于650ms。由于nRF905功耗低,工作可靠,因此很适用于井下人员定位系统设计。nRF9E5的外部电路非常简洁,除了天线输入输出匹配滤波网络、电压偏置控制电阻和时钟振荡晶振外,基本不需要其它元件。但由于nRF9E5中没有提供程序存储空间Flash,所以每次上电复位后它都需要通过其SPI接口从外部程序存储空间中导入4K的程序存放在内部4K的RAM中,为了适应nRF9E5这一特点,我们选用Microchip公司带SPI接口的串行EEPROM25AA320芯片作为射频卡的程序存储器,该芯片支持低电压工作,最低工作电压为l.8V,且该芯片的存储空间为4K。表4-2和表4-3分别是nRF9E5的特性和参考数据。表4-2nRF9E5的特性Tab.4-2FeaturesofnRF9E5内置nRF905433/868/915MHz频率可调收发器内嵌兼容工业标准8051微控制器4输入10位80kspsAD转换器工作电压：1.9~3.6V封装：32pinQFN〔55mm只需极少的外围元件内置VDD电源监控模块掉电模式时工作电流：2.5最大输出功率：+10dBm频道切换时间：650s低MCU供电电流：1mA,4MHz@3V适合高频应用具有载波检测功能低供电电流,发射时的典型值：11mA@-10dBm,接收时的典型值：12.5mA对于nRF9E5而言,其最大的优点是具有载波检测功能。在ShockBurst接收方式下,当出现nRF9E5工作信道内的射频载波时,载波检测引脚<CD>被置高,这个特性很好的避免了同一工作频率下不同发射器数据包之间的碰撞,有效的防止了信号的干扰。当收发器准备发射数据时,它首先进入接收方式并探测所工作的信道是否空闲。载波检测的标准一般比灵敏度低5dB,比如,灵敏度为-100dBm,载波检测功能探测低至-105dBm的载波。也就是说,载波低于-105dBm,载波检测信号为低<一般为0>,高于-95dBm,则载波检测信号为高<一般为VDD>,介于-105~95dBm之间,载波检测信号可能为低也可能为高。nRF9E5的内部主要由微控制器〔MCU模块和射频模块〔nRF905组成,图4-1为nRF9E5的结构框图。下面简单介绍一下这两个模块。nRF9E5内嵌的微控制器兼容工业标准8051,典型的指令周期为4~20个时钟周期,与标准8051的12~48个时钟周期相比,运算速度要快的多。另外微控制器模块还比标准8051多了5个特殊的中断源：ADC,SPI,2个射频相关中断,一个唤醒功能。模块具有3个与8052兼容的定时器,在采用串口通信〔UART时波特率可以用定时器1也可以用定时器2生成。同时微控制器的时钟由外部晶振得到,时钟频率控制灵活。表4-3nRF9E5的参考数据参数值单位最低供电电压1.9V温度范围-40~+85发射功率为-10dBm时的发射电流11mA接收模式下的电流12.5mA微控制器4MHz@3volt时的供电电流1mAADC工作电流0.9mA最大发射功率10dBm数据传输率100Kbps灵敏度-100dBm低功耗模式下的工作电流2.5AnRF9E5内嵌处理器的存储单元比较特殊,它是由一块与80C52兼容的256个字节RAM和512个字节ROM及一个4K的RAM组成。512个字节的ROM中包含一个初始装载程序,当系统上电或程序复位时,这个初始装载程序将引导系统通过SPI接口将用户编写的放在一块外部串行EERPMO程序存储器中的程序调入内部4K的RMA中,然后系统在根据调入到RAM中的程序运行。对于外部EEPROM中存放的程序格式,nRF9E5系统也专门做了规定。在nRF9E5中,除了内置8051单片机外,另一个重要模块就是射频收发单元,该模块电路与单芯片射频收发器nRF905一样,它与内嵌MCU是通过内部并行口P2和内部SPI模式进行通信的。数据准备好、载波检测、地址匹配都能通过程序控制引起相应中断。4Kbyte4KbyteRAMBootLoader256byteRAM7-channelinterruptionUART0Timer0Timer1Timer2CPU8051compatiblemicrocontrollerA/DconverternRF905433/868/915MHzreadiotranceiverBIASXTALoscillatorpowermgmtResetRegulatorsPortlogicPWMlowpowerRCoscillatorWatchDogRTCTimer8.chprogrammablewakeupSPIAIN3<26>AINT1〔20AINT2〔21VDD_PA〔19AIN2<27>AIN1<28>AIN0<29>AREF<30>IREF〔23XC2〔15XC1〔14VSS<5>VSS<16>VSS<18>VSS<22>VSS<24>VDD<4>VDD<17>VDD<25>DVDD_1V2<31>P00<32>P01<1>P02<2>P03<3>P04<6>P05<7>P06<8>P07<9>SDI25320SDOSCKCSNMISO<11>SCK<12>MOSI<10>图4-2nRF9E5的结构框图nRF905是一个可工作于433/868/915MHz的射频收发器,它内部带有完整的频率合成单元,功率放大器,FSK调制和接收单元。该射频收发器的输出信号功率和载波频率都可以方便的编程并通过SPI口传送给nRF905内核。当信号输出功率为-10dBm时,射频模块电路的电流消耗仅为9mA,当接收信号时,射频模块电路的电流消耗仅为12.5mA。同时为了节省功耗,射频模块还可以由程序控制开启和关断。为了实现微控制器〔MCU对射频收发单元的控制,nRF9E5定义内嵌的8051MCU的P2口专门用于控制射频收发模块nRF905.因此射频模块的工作受特殊功能寄存器P2和SPI_CTRL控制。P2寄存器的每一位对应射频收发模块nRF905的相应引脚。nRF9E5采用32引脚的QFN封装,引脚分配图如下：图4-2nRF9E5的引脚图下面是nRF9E5的引脚工能列表。表4-4nRF9E5的引脚功能列表引脚名称功能说明1P01数字输入输出双向数字输入输出2P02数字输入输出双向数字输入输出3P03数字输入输出双向数字输入输出4VDD电源工作电源〔+3VDC5VSS电源地〔0V6P04数字输入输出双向数字输入输出7P05数字输入输出双向数字输入输出8P06数字输入输出双向数字输入输出9P07数字输入输出双向数字输入输出10MOSISPI接口SPI输出11MISOSPI接口SPI输入12SCKSPI时钟SPI时钟13EECSNSPI使能SPI使能,低有效14XC1模拟输入晶体振荡器1脚/外部时钟输入脚15XC2模拟输出晶体振荡器2脚16VSS电源地〔0V17VDD电源电源〔+3VDC18VSS电源地〔0V19VDD_PA电源输出给nRF905功率放大器提供的+1.8V电源20ANT1RF-端口天线接口121ANT2RF-端口天线接口222VSS电源地〔0V23IREF模拟输入参考电流24VSS电源地〔0V25VDD电源电源〔+3VDC26AIN3模拟输入ADC输入327AIN2模拟输入ADC输入228AIN1模拟输入ADC输入129AIN0模拟输入ADC输入030AREF模拟输入ADC参考电压31DVDD_1V2电源输出数字电源去耦输出32P00数字输入输出双向数字输入输出下面是nRF9E5的应用电路图4-3nRF9E5的应用电路由应用电路图可以看出,nRF9E5的外围元件很少,只需外接晶振电路、天线、外部存储器和电源电路。芯片的引出脚可以方便的与MCU进行接口。由于内部嵌入了微控制器〔MCU因此数据的通信协议、数据的防碰撞算法都可以由射频芯片完成,从而减轻了主控芯片的负担。〔2主控单元主控单元主要管理无线数据的收发,以及与地面的有线通信,同时还要执行地面发送的命令。根据功能要求可以选择一款合适的单片机来实现传输控制。目前市场上常用的单片机有：MCS-51系列、AVR单片机、PIC单片机。151系列单片机MCS-51单片机是美国Intel公司于1980年推出的产品,典型产品有8031〔内部没有程序存储器,实际使用方面已经被市场淘汰、8051〔芯片采用HMOS,功耗是630mW,是89C51的5倍,实际使用方面已经被市场淘汰和8751等通用产品,一直到现在。MCS-51内核系列兼容的单片机仍是应用的主流产品〔比如目前流行的89S51、已经停产的89C51等。MCS-51单片机影响极深远,许多公司都推出了兼容系列单片机,就是说MCS-51内核实际上已经成为一个8位单片机的标准。2AVR单片机AVR单片机是1997年由ATMEL公司研发出的增强型内置Flash的RISC<ReducedInstructionSetCPU>精简指令集高速8位单片机。AVR的单片机可以广泛应用于计算机外部设备、工业实时控制、仪器仪表、通讯设备、家用电器等各个领域。AVR单片机硬件结构采取8位机与16位机的折中策略,即采用局部寄存器存堆<32个寄存器文件>和单体高速输入/输出的方案<即输入捕获寄存器、输出比较匹配寄存器及相应控制逻辑>,提高了指令执行速度<1Mips/MHz>,克服了瓶颈现象,增强了功能；同时又减少了对外设管理的开销,相对简化了硬件结构,降低了成本。故AVR单片机在软/硬件开销、速度、性能和成本诸多方面取得了优化平衡,是高性价比的单片机。3PIC单片机PIC单片机是MicroChip公司生产的一种RISC单片机。主要有是PIC16C系列和17C系列8位单片机,CPU采用RISC〔精简指令集结构,分别仅有33,35,58条指令,采用Harvard双总线结构,运行速度快,低工作电压,低功耗,较大的输入输出直接驱动能力,价格低,一次性编程,小体积。适用于用量大,档次低,价格敏感的产品。在办公自动化设备,消费电子产品,电讯通信,智能仪器仪表,汽车电子,金融电子,工业控制不同领域都有广泛的应用,PIC系列单片机在世界单片机市场份额排名中逐年提高发展非常迅速。通过对上述单片机的比较发现：51系列单片机应用广泛、技术成熟、资料详细,但明显的不足是片上资源较少,且运行速度不快,从基站的功能考虑还要加入较多外部设备,因此增加设计复杂度,不予考虑；PIC单片机型号众多,产品有不同的层次可以使用不同要求的场合,而且抗干扰能力较好,但无论是芯片还是开发工具都较贵,因此也不予考虑；AVR单片机的功能比较适中,性价比高,而且开发方便,综合成本低,因此选择AVR单片机做基站的传输控制MCU。AVR单片机有多种型号,功能有所差异,这里选择Atmega162,该型号单片机有双串口和SPI接口,方便MCU的通信和控制。下面介绍一下AVR单片机Atmega162。Atmega162是一款基于AVR增强型RISC结构的采用CMOS工艺的高性能低功耗8位微控制器〔MCU。芯片内集成有16K字节Flash,512字节EEPROM,1K字节RAM,外部存储器扩展最大可达64K字节。具有ISP〔InSystemProgrammable功能,在16MHz晶振下全速工作时指令指令速度可以达到16MIPS,同时芯片具有丰富的外设资源。Atmega162有PDIP和TQTP两种封装形式,图4-4是其PDIP封装的引脚分配图。图4-4Atmega62PDIP封装引脚分配表4-5是Atmega162的特性参数。表4-5Atmega162特性高性能低功耗的8位AVR微控制器〔MCU先进RISC结构131条功能强大的指令,大部分指令的执行时间为单个时钟周期。32个8位通用寄存器,全静态工作,工作于16MHz时性能高达16MIPS,片上两个时钟周期的硬件乘法器非易失性程序和数据存储器16K字节系统内可编程Flash,擦/写寿命：10,000次,具有独立锁定位的可选Boot代码区,通过片上Boot程序实现系统内编程,真正的同时读写操作。512字节的EEPROM,擦/写寿命：100,000次。1K字节的片内SRAM。可扩展至64K字节的外部存储空间。可以对锁定位进行编程以实现用户程序加密。JTAG接口〔与IEEE1149.1兼容符合JTAG标准的边界扫描功能,支持扩展的片内调试功能,通过JTAT接口可以实现对Flash、EEPROM、熔丝位和锁定位的编程外设特点两个具有独立预分频器和比较器功能的8位定时器/计数器,两个具有独立预分频器、比较功能和捕获功能的16位定时器/计数器,具有独立振荡器的实时计数器RTC,6通道PWM,两个可编程串行USART〔通用同步/异步收发器,可工作主机/从机模式的SPI串行接口,具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器,片内模拟比较器特殊的微控制器特点上电复位和可编程的掉电检测,片内经过标定的RC振荡器,片内/片外中断源,5种睡眠模式：空闲模式、省电模式、掉电模式、Standby模式以及扩展Standby模式I/O和封装35个可编程I/O口,40引脚PDIP封装,4引脚TQFP封装,44引脚MLF封装。工作电压Atmega162V：1.8~5.5V；Atmega162：2.7~5.5V速度等级Atmega162V：0~8MHzAtmega162：0~16MHz表4-6是针对图4-3的ATmega162芯片引脚功能列表。表4-6Atmega162引脚功能列表VCC数字电路电源GND地端口A〔PA0~PA7双向8位I/O口,具有内部上拉电阻。输出缓冲器具有对称的驱动特性,可以输出和吸收大电流,作为输入时,若内部上拉电阻使能,端口外部电路拉低时将输出电流。复位过程中,即使系统时钟未起振,端口A处于高阻状态。端口A也可以用作其他不同的特殊功能。端口B〔PB0~PB7双向8位I/O口,具有内部上拉电阻。输出缓冲器具有对称的驱动特性,可以输出和吸收大电流,作为输入时,若内部上拉电阻使能,端口外部电路拉低时将输出电流。复位过程中,即使系统时钟未起振,端口B处于高阻状态。端口B也可以用作其他不同的特殊功能。端口C〔PC0~PC7双向8位I/O口,具有内部上拉电阻。输出缓冲器具有对称的驱动特性,可以输出和吸收大电流,作为输入时,若内部上拉电阻使能,端口外部电路拉低时将输出电流。复位过程中,即使系统时钟未起振,端口C处于高阻状态。如果JTAG接口使能,即使出现复位,引脚PC7<TDI>、PC5〔TMS、PC4〔TCK的上拉电阻也会被激活。端口C也可以用做JTAG接口和其他不同的特殊功能。端口D〔PD0~PD7双向8位I/O口,具有内部上拉电阻。输出缓冲器具有对称的驱动特性,可以输出和吸收大电流,作为输入时,若内部上拉电阻使能,端口外部电路拉低时将输出电流。复位过程中,即使系统时钟未起振,端口D处于高阻状态。端口D也可以用做其他特殊功能。端口E〔PE0~PE2双向3位I/O口,具有内部上拉电阻。输出缓冲器具有对称的驱动特性,可以输出和吸收大电流,作为输入时,若内部上拉电阻使能,端口外部电路拉低时将输出电流。复位过程中,即使系统时钟未起振,端口E处于高阻状态。端口E也可以用做其他特殊功能。复位输入引脚。持续时间超过最小门限时间的低电平将引起系统复位。XTAL1反向振荡放大器与片内时钟操作电路输入端XTAL2反向振荡放大器输出端图4-5为Atmega162的结构框图。portadrivers/buffersportadrivers/buffersportcdrivers/buffersportedrivers/buffersportadigialinterfaceportedigialinterfaceportcdigialinterfacepa0~pa7pe0~pe2pc0~pc7programcounterprogramflashinstructionregisterinstructiondocoderstackpointerSRAMgeneralpurpo