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详细解析点对多点的多任务无线通信

来源:本网整理

    作者:korn

    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,还可以互联机,而最简单的自动化联机方式就是使用串行通信。

    随着时代的进步,它并没有被取代,后倒是逐渐被广泛应用。如今,在许多场合有线连接的方式已经不能满足科技的高速发展。无线技术正以一种快速的速度进入许多产品,它与线相比主要有成本低,携带方便,省去有线布线的烦恼;非凡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RF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232数据通信、无线485/422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。在如此多的无线系统应用中,无线通信的协议自然显得非凡重要。无线通信协议的好坏直接关系到系统的安全性、误码率以及系统运行的速度。本文以上海桑博科技有限公司的STR-2无线收发模块为例,具体介绍无线收发模块与各种单片机的硬件接口设计,点对多点无线通信协议的数字打包格式、解包程序以及相关软件设计。

    1  系统概述

    1.1链状点对多点系统

    图1所示的系统是由一台中心监控设备CMS(CentralMonitoringSystem)和多台远程终端设备MRTU(MultipleRemoteTermialUnit)构成的点对多点的多任务无线通信系统。在中心监控设备CMS与远程终端RTU(RemoteTermial Unit)之间用多台中转设备Tran作为中转站,以便起到暂存数据和延伸距离的作用。中转站之间,以单向通信方式进行传递数据。

    (1)适用范围

    *传输距离远的多点多任务数据采集;

    *条件恶劣、干扰大、多点多任务数据采集;

    *对时间要求不高的各种复杂无线数传;

    *智能小区水、电、煤、暧气集中抄表系统,各种远程集中按防报警系统等。

    (2)协议数据包格式

    协议的第一件事就是能够识别噪志和有效数据。噪声是以随机字节出现的,没有明显的结合方式;噪声源可以产生任意字节的组合。在无线通信的过程中,最好能通过一种协议有效地抑制噪声的产生。

    通过测试和试验发现,0xFF后跟0xAA、0x55在噪声中不轻易发生。传输协议应该在数据包前加开始字节,0xFF后跟0xAA、0x55发送协议的开始应该是一个任意内容的字节(这是因为第一个字节的数据在发送时轻易丢失),然后是0xFF后跟一个0xAA、0x55;接收协议规定只接收以0xFF后跟0xAA、0x55开始的包,于是就可以很方便地把以上系统的数据包格式定为:

具体解析点对多点的多任务无线通信(图一)

    Lead为引导字节

    Leader1=0xFF;

    Leader2=0xAA;

    Leader2=0x55;

    Header为数据包的命令字节,由此确定数据包的类型;

    Length为数据包包含的Length字节之后的所有字节的长度;

    HostID为主机地址;

    Local为本地机地址;

    Destination为目标地址;

    Unit为RTU地址字节;

    Data为数据包字节;

    Checksum为校验字节。

    1.2星状点对多点通信

    图2系统是由一台中心监控设备CMS和多台远程终端设备MRTU构成的点对多点多任务无线通信系统。在中心监控设备CMS与每一台远程终端RTU都以双向通信方式进行传递数据;非凡适用于数据量大,对时间要求较高的场合。

    (1)适用范围

    *传输距离较近的地方;

    *条件恶劣、干扰大的地方;

    *对时间要求高、数据量大的场合;

    *智能小区水、电、煤、暧气集中抄表系统,各种远程集中安防报警系统等;

    *智能家用集中控制系统;

    *工业测控、工业数据采集;


    *医疗器械、健身器材;

    *数据仓库、智能商场超市导购;

    *餐饮无线点菜系统;

    *PDA无线数传;

    *水纹气象监控;

    *生物信号采集;

    *油田环境监控;

    *银行智能回单系统等。

    (2)协议数据包格式

具体解析点对多点的多任务无线通信(图二)

    根据图2可以把系统的数据包格式定为:

    Lead为引导字节

    Leader1=0xFF;

    Leader2=0xAA;

    Leader2=0x55;

    Header为数据包的命令字节,由此确定数据包的类型;

    Length为数据包包含的Length字节之后的所有字节的长度;

    Unit为RTU地址字节;

    Data为数据包字节;

    Checksum为校验字节。

    2  硬件设计

    上海桑博电子科技有限公司STR-2RF模块的核心部分为nRF401,外加精心设计的内置天线,具有体积小(37mm×47mm),功耗低的特点;传输距离为200m,最大传输速率为20kb/s;外围接口电路简单,可直接与单片机的通用串行口(UART)口连接。图3所示为硬件框图。

    STR-2RF引脚功能如下:

    VCC——正电源,接2.7~5.25V;

    CS——频道选择,CS=0为选择工作频道1(即433.92MHz),CS=1为选择工作频道2(即433.33MHz);

    DOUT——数据输出,连接MCU串口RXD;

    DIN——数据输入,连接MCU串口TXD;

    GND——电源地;

    PWR——节能控制,PWR=1为正常工作状态,PWR=0为低功耗状态;

    TXN——发射接收控制,TXN=1时模块为发射状态,TXN=0时模块为接收状态;

    3  软件设计

    在系统中,所有STR-2RF模块均采用433.92MHz作为系统工作频率。下面以星状点对多点通信系统为例,具体介绍系统的软件设计。

    (1)主程序设计

    为了避免同频干扰的问题,系统采用时分TDMA(TimeDiveisionMultipleaccess)技术,把系统CMS与任意一台RTU之间的通信采用时分的方式分开,CMS通过扫描的方式与各台RTU设备进行单台通信,这样系统中的CMS与RTU的通信方式就成为点对点的通信方式。整个点对多点系统的通信就成为若干个点对点通信的组合。程序采用C51单片机语言编写,其主控程序流程如图4、图5所示。

    (2)打包与解包

    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(用于纠错),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。

    打包程序如解包程序见网络补充版(http://www.dpj.com.cn)。

    解包子程序流程如图6所示。

    结语

    本文中的无线硬件设计、软件设计解决方案已被多次运用于多种产品、多种系统。目前各种产品、系统运行稳定,无线通信误码率低、可靠性高、安全性好。文中的软、硬件设计方案,可适用于各种单片机,对于无线通信技术在我国推广和广泛的运用有着重要的参考价值。


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