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作者：聶光義 摘要：具體介紹無線通信在各種通信系統(tǒng)中的應(yīng)用，單片機(jī)MCU與無線收發(fā)模塊的硬件接口設(shè)計(jì)，點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)無線通信協(xié)議的編寫，點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)無線通信系統(tǒng)打包與解包的軟件設(shè)計(jì)。 為無線通信系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)提供了可靠的解決方案。 要害詞：無線通信協(xié)議通用串行總線中心監(jiān)控 遠(yuǎn)程終端 引言 現(xiàn)代世界是一個(gè)高速自動(dòng)化的世界，各種各樣的設(shè)備除了可以與計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)外，還可以互聯(lián)機(jī)，而最簡(jiǎn)單的自動(dòng)化聯(lián)機(jī)方式就是使用串行通信。隨著時(shí)代的進(jìn)步，它并沒有被取代，后倒是逐漸被廣泛應(yīng)用。如今，在許多場(chǎng)合有線連接的方式已經(jīng)不能滿足科技的高速發(fā)展。無線技術(shù)正以一種快速的速度進(jìn)入許多產(chǎn)品，它與線相比主要有成本低，攜帶方便，省去有線布線的煩惱；非凡適用于手持設(shè)備的通信、電池供電設(shè)備、遙控、遙測(cè)、小型無線網(wǎng)絡(luò)、無線抄表、門禁系統(tǒng)、小區(qū)傳呼、工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、無線標(biāo)簽身份識(shí)別、非接觸RF智能卡、小型無線數(shù)據(jù)終端、安全防火系統(tǒng)、無線遙控系統(tǒng)、生物信號(hào)采集、水文氣象監(jiān)控、機(jī)器人控制、無線232數(shù)據(jù)通信、無線485/422數(shù)據(jù)通信、無線數(shù)字語(yǔ)音、數(shù)字圖像傳輸、智能小區(qū)不停車收費(fèi)、銀行智能回單系統(tǒng)等。在如此多的無線系統(tǒng)應(yīng)用中，無線通信的協(xié)議自然顯得非凡重要。無線通信協(xié)議的好壞直接關(guān)系到系統(tǒng)的安全性、誤碼率以及系統(tǒng)運(yùn)行的速度。本文以上海桑博科技有限公司的STR-2無線收發(fā)模塊為例，具體介紹無線收發(fā)模塊與各種單片機(jī)的硬件接口設(shè)計(jì)，點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)無線通信協(xié)議的數(shù)字打包格式、解包程序以及相關(guān)軟件設(shè)計(jì)。 1 系統(tǒng)概述 1.1鏈狀點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)系統(tǒng) 圖1所示的系統(tǒng)是由一臺(tái)中心監(jiān)控設(shè)備CMS（CentralMonitoringSystem）和多臺(tái)遠(yuǎn)程終端設(shè)備MRTU（MultipleRemote Termial Unit）構(gòu)成的點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的多任務(wù)無線通信系統(tǒng)。在中心監(jiān)控設(shè)備CMS與遠(yuǎn)程終端RTU（Remote Termial Unit）之間用多臺(tái)中轉(zhuǎn)設(shè)備Tran作為中轉(zhuǎn)站，以便起到暫存數(shù)據(jù)和延伸距離的作用。中轉(zhuǎn)站之間，以單向通信方式進(jìn)行傳遞數(shù)據(jù)。 （1）適用范圍 *傳輸距離遠(yuǎn)的多點(diǎn)多任務(wù)數(shù)據(jù)采集； *條件惡劣、干擾大、多點(diǎn)多任務(wù)數(shù)據(jù)采集； *對(duì)時(shí)間要求不高的各種復(fù)雜無線數(shù)傳； *智能小區(qū)水、電、煤、曖氣集中抄表系統(tǒng)，各種遠(yuǎn)程集中按防報(bào)警系統(tǒng)等。 （2）協(xié)議數(shù)據(jù)包格式 協(xié)議的第一件事就是能夠識(shí)別噪志和有效數(shù)據(jù)。噪聲是以隨機(jī)字節(jié)出現(xiàn)的，沒有明顯的結(jié)合方式；噪聲源可以產(chǎn)生任意字節(jié)的組合。在無線通信的過程中，最好能通過一種協(xié)議有效地抑制噪聲的產(chǎn)生。 通過測(cè)試和試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，0xFF后跟0xAA、0x55在噪聲中不輕易發(fā)生。傳輸協(xié)議應(yīng)該在數(shù)據(jù)包前加開始字節(jié)，0xFF后跟0xAA、0x55發(fā)送協(xié)議的開始應(yīng)該是一個(gè)任意內(nèi)容的字節(jié)（這是因?yàn)榈谝粋€(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)在發(fā)送時(shí)輕易丟失），然后是0xFF后跟一個(gè)0xAA、0x55；接收協(xié)議規(guī)定只接收以0xFF后跟0xAA、0x55開始的包，于是就可以很方便地把以上系統(tǒng)的數(shù)據(jù)包格式定為： Lead為引導(dǎo)字節(jié) Leader1=0xFF； Leader2=0xAA； Leader2=0x55； Header為數(shù)據(jù)包的命令字節(jié)，由此確定數(shù)據(jù)包的類型； Length為數(shù)據(jù)包包含的Length字節(jié)之后的所有字節(jié)的長(zhǎng)度； HostID為主機(jī)地址； Local為本地機(jī)地址； Destination為目標(biāo)地址； Unit為RTU地址字節(jié)； Data為數(shù)據(jù)包字節(jié)； Checksum為校驗(yàn)字節(jié)。 1.2星狀點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信 圖2系統(tǒng)是由一臺(tái)中心監(jiān)控設(shè)備CMS和多臺(tái)遠(yuǎn)程終端設(shè)備MRTU構(gòu)成的點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)多任務(wù)無線通信系統(tǒng)。在中心監(jiān)控設(shè)備CMS與每一臺(tái)遠(yuǎn)程終端RTU都以雙向通信方式進(jìn)行傳遞數(shù)據(jù)；非凡適用于數(shù)據(jù)量大，對(duì)時(shí)間要求較高的場(chǎng)合。 （1）適用范圍 *傳輸距離較近的地方； *條件惡劣、干擾大的地方； *對(duì)時(shí)間要求高、數(shù)據(jù)量大的場(chǎng)合； *智能小區(qū)水、電、煤、曖氣集中抄表系統(tǒng)，各種遠(yuǎn)程集中安防報(bào)警系統(tǒng)等； *智能家用集中控制系統(tǒng)； *工業(yè)測(cè)控、工業(yè)數(shù)據(jù)采集； *醫(yī)療器械、健身器材； *數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)、智能商場(chǎng)超市導(dǎo)購(gòu)； *餐飲無線點(diǎn)菜系統(tǒng)； *PDA無線數(shù)傳； *水紋氣象監(jiān)控； *生物信號(hào)采集； *油田環(huán)境監(jiān)控； *銀行智能回單系統(tǒng)等。 （2）協(xié)議數(shù)據(jù)包格式 根據(jù)圖2可以把系統(tǒng)的數(shù)據(jù)包格式定為： Lead為引導(dǎo)字節(jié) Leader1=0xFF; Leader2=0xAA; Leader2=0x55； Header為數(shù)據(jù)包的命令字節(jié)，由此確定數(shù)據(jù)包的類型； Length為數(shù)據(jù)包包含的Length字節(jié)之后的所有字節(jié)的長(zhǎng)度； Unit為RTU地址字節(jié)； Data為數(shù)據(jù)包字節(jié)； Checksum為校驗(yàn)字節(jié)。 2 硬件設(shè)計(jì) 上海桑博電子科技有限公司STR-2RF模塊的核心部分為nRF401，外加精心設(shè)計(jì)的內(nèi)置天線，具有體積?。?7mm47mm），功耗低的特點(diǎn)；傳輸距離為200m，最大傳輸速率為20kb/s；外圍接口電路簡(jiǎn)單，可直接與單片機(jī)的通用串行口（UART）口連接。圖3所示為硬件框圖。 STR-2RF引腳功能如下： VCC——正電源，接2.7～5.25V; CS——頻道選擇，CS=0為選擇工作頻道1（即433.92MHz），CS=1為選擇工作頻道2（即433.33MHz）； DOUT——數(shù)據(jù)輸出，連接MCU串口RXD； DIN——數(shù)據(jù)輸入，連接MCU串口TXD； GND——電源地； PWR——節(jié)能控制，PWR=1為正常工作狀態(tài)，PWR=0為低功耗狀態(tài)； TXN——發(fā)射接收控制，TXN=1時(shí)模塊為發(fā)射狀態(tài)，TXN=0時(shí)模塊為接收狀態(tài)； 3 軟件設(shè)計(jì) 在系統(tǒng)中，所有STR-2RF模塊均采用433.92MHz作為系統(tǒng)工作頻率。下面以星狀點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信系統(tǒng)為例，具體介紹系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。 （1）主程序設(shè)計(jì) 為了避免同頻干擾的問題，系統(tǒng)采用時(shí)分TDMA（TimeDiveisionMultipleaccess）技術(shù)，把系統(tǒng)CMS與任意一臺(tái)RTU之間的通信采用時(shí)分的方式分開，CMS通過掃描的方式與各臺(tái)RTU設(shè)備進(jìn)行單臺(tái)通信，這樣系統(tǒng)中的CMS與RTU的通信方式就成為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信方式。整個(gè)點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)系統(tǒng)的通信就成為若干個(gè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的組合。程序采用C51單片機(jī)語(yǔ)言編寫，其主控程序流程如圖4、圖5所示。 （2）打包與解包 協(xié)議將主要數(shù)據(jù)分割成一定格式的數(shù)據(jù)，并增加一些額外的信息（用于糾錯(cuò)），這個(gè)過程叫打包；在接收端協(xié)議去掉這些額外信息，只留下初始信息，這個(gè)過程叫解包。 打包程序如解包程序見網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)充版（http://www.dpj.com.cn）。 解包子程序流程如圖6所示。 結(jié)語(yǔ) 本文中的無線硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)解決方案已被多次運(yùn)用于多種產(chǎn)品、多種系統(tǒng)。目前各種產(chǎn)品、系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，無線通信誤碼率低、可靠性高、安全性好。文中的軟、硬件設(shè)計(jì)方案，可適用于各種單片機(jī)，對(duì)于無線通信技術(shù)在我國(guó)推廣和廣泛的運(yùn)用有著重要的參考價(jià)值。