點(diǎn)對多點(diǎn)多任務(wù)無線通信

　　現(xiàn)代世界是一個(gè)高速自動化的世界，各種各樣的設(shè)備除了可以與計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)外，還可以互相聯(lián)機(jī)，而最簡單的自動化聯(lián)機(jī)方式就是使用串行通訊。隨著時(shí)代的進(jìn)步，它并沒有被取代，反倒是逐漸被廣泛應(yīng)用。如今，在許多的場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，它與有線相比主要有成本低，攜帶方便，省去有線布線的煩惱。特別適用于手持設(shè)備的通信、電池供電設(shè)備、遙控、遙測、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)議自然顯得特別重要，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，詳細(xì)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)對多點(diǎn)無線通信協(xié)議的數(shù)據(jù)打包格式、解包程序以及相關(guān)軟件設(shè)計(jì)。

系統(tǒng)概述

一．連狀點(diǎn)對多點(diǎn)系統(tǒng)

　　如圖1系統(tǒng)由一臺中央監(jiān)控設(shè)備CMS (Central Monitoring System)和多臺遠(yuǎn)程終端設(shè)備MRTU(Multiple Remote Termial Unit)構(gòu)成點(diǎn)對多點(diǎn)多任務(wù)無線通信系統(tǒng)。在中央監(jiān)控設(shè)備CMS 與 遠(yuǎn)程終端RTU(Remote Termial Unit)之間用多臺中轉(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

a.適用于傳輸距離遠(yuǎn)的多點(diǎn)多任務(wù)數(shù)據(jù)采集

b.適用于條件惡劣干擾大多點(diǎn)多任務(wù)數(shù)據(jù)采集

c.適用于對時(shí)間要求不高的各種復(fù)雜無線數(shù)傳

d.適用于智能小區(qū)水、電、煤、暖氣集中抄表系統(tǒng)，各種遠(yuǎn)程集中安防報(bào)警系統(tǒng)等。

2.協(xié)議數(shù)據(jù)包格式

　　協(xié)議的笫一件事就是能夠識別噪聲和有效數(shù)椐，噪聲是以隨機(jī)字節(jié)出現(xiàn)的,沒有明顯的結(jié)合方式，噪聲源可能產(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)議能有效的抑制噪聲的產(chǎn)生

　　通過測試和試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)0xFF 后跟0XAA,0x55 在噪聲中不容易發(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)該以一個(gè)任意內(nèi)容的字節(jié)(這是因?yàn)榈谝粋€(gè)字節(jié)的數(shù)椐在發(fā)送時(shí)容易丟失),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.于是就可以很方便的把以上系統(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)的長度

HostID 為主機(jī)地址

Local  為本地機(jī)地址

Destination 目標(biāo)地址

Unit   為RTU地址字節(jié)

Data   位數(shù)據(jù)包字節(jié)

Checksum 校驗(yàn)字節(jié)

二．    星狀點(diǎn)對多點(diǎn)通信

　　如圖 2系統(tǒng)由一臺中央監(jiān)控設(shè)備CMS和多臺遠(yuǎn)程終端設(shè)備MRTU構(gòu)成點(diǎn)對多點(diǎn)多任務(wù)無線通信系統(tǒng)。在中央監(jiān)控設(shè)備CMS 與 每一臺遠(yuǎn)程終端RTU(Remote Termial Unit)都以雙向通信方式進(jìn)行傳遞數(shù)據(jù)。特別適用于數(shù)據(jù)量大，對時(shí)間要求較高的場合。

1． 適用范圍

a. 適用于傳輸距離較近的地方

a.適用于條件惡劣干擾大的地方

b.適用于對時(shí)間要求高、數(shù)據(jù)量大的場合

c.適用于智能小區(qū)水、電、煤、暖氣集中抄表系統(tǒng)，各種遠(yuǎn)程集中安防報(bào)警系統(tǒng)等

d.適用于智能家用集中控制系統(tǒng)

e.工業(yè)測控、工業(yè)數(shù)據(jù)采集

f. 醫(yī)療器械、健身器材

g.數(shù)據(jù)倉庫、智能商場超市導(dǎo)購

h.餐飲無線點(diǎn)菜系統(tǒng)

i.PDA無線數(shù)傳

j.水紋氣象監(jiān)控

k.生物信號采集

l.油田環(huán)境監(jiān)控

m.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)的長度

Unit   為RTU地址字節(jié)

Data   位數(shù)據(jù)包字節(jié)

Checksum 校驗(yàn)字節(jié)

硬件設(shè)計(jì)

　
　　上海桑博電子科技有限公司STR-2 RF Module 的核心部分為nRF401,外加精心設(shè)計(jì)的內(nèi)置天線，體積為37mm x 47mm，具有體積小，功耗低的特點(diǎn)，傳輸距離為200米，傳輸最大速率為20kbit/s，外圍接口電路簡單，可直接與單片機(jī)的通用串行總線（UART）口連接。如圖3所示STR-2 RF Module 引腳功如下：

VCC:正電源，接2.7~5.25V

CS:  頻道選擇，CS=0選擇工作頻道1即433.92MHZ，CS=1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正常工作狀態(tài)，PWR=0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)

STR-2 RF Module 接口簡單，本文將不作詳細(xì)的敘述，如果想要詳細(xì)的了解STR-2 RF Module， 請參照參考文獻(xiàn) 1。

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軟件設(shè)計(jì)

　　在系統(tǒng)中所有STR-2 RF Module 均采用433.92MHZ作為系統(tǒng)工作頻率。下面以星狀點(diǎn)對多點(diǎn)通信系統(tǒng)為例，詳細(xì)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)采用分時(shí)TDMA（Time Division Multiple Access）技術(shù)，把系統(tǒng)CMS與任意一臺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RTU設(shè)備進(jìn)行單臺通信，這樣系統(tǒng)中的CMS與RTU的通信方式就成為點(diǎn)對點(diǎn)的通信方式。整個(gè)點(diǎn)對多點(diǎn)系統(tǒng)的通信就成為若干個(gè)點(diǎn)對點(diǎn)通信的組合。程序采用C51單片機(jī)語言編寫，其主控程序流程圖如圖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),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.

下面是一段打包程序:

#define MRTUC _DATAPOLL0xE1 //定義包類型為數(shù)據(jù)包

#define MRTUC _DATAPOLLRESPONSE    0xE2//定義包類型為應(yīng)答數(shù)據(jù)包

#define MRTUC _ACTIVATE 0xF1//定義包類型為請求握手包

#define MRTUC _ACTIVATEREQUEST      0xF2//定義包類型為應(yīng)答握手包

#define E$HostID  0x11  //定義目標(biāo)主機(jī)地址

void SCI_Putc( unsigned char data )； //通過SCI輸出數(shù)據(jù)函數(shù)

void SCI_Puts(unsigned char *str,unsigned char length) //輸出多數(shù)據(jù)函數(shù)

{

   while ( length!=0 ){

      SCI_Putc( *str++ );                        //通過SCI發(fā)送數(shù)據(jù)

                     Length--;

}

}

void CheckActiveFunc(unsigned char unit)  //請求握手函數(shù)

{

   unsigned char buff[8];

   buff[0]=0xFF;                     //引導(dǎo)字節(jié)

   buff[1]=0xAA;                    //引導(dǎo)字節(jié)

   buff[2]=0x55;                     //引導(dǎo)字節(jié)

   buff[3] = MRTUC _ACTIVATE;      //數(shù)據(jù)包頭字節(jié)

   buff[4] = 0x03;                    //數(shù)據(jù)包長度

   buff[5] = E$HostID;                //主機(jī)地址

   buff[6] = unit;                     //從機(jī)地址

   buff[7] = 1 + ~(MRTUC _ACTIVATE + 0x03 + E$HostID + unit); //校驗(yàn)字節(jié)

   SCI_Puts(buff,8);                  //發(fā)送數(shù)據(jù)包

}

void ResponseActiveRequestFunc(void)

{

   unsigned char buff[8];

   buff[0]=0xFF;

   buff[1]=0xAA;

   buff[2]=0x55;

   buff[3] = MRTUC _ACTIVATEREQUEST;

   buff[4] = 0x03;

   buff[5] = E$HostID;

   buff[6] = unit;

   buff[7] = 1 + ~(MRTUC _ACTIVATEREQUEST + 0x03 + E$HostID + unit);

   SCI_Puts(buff,8);

}

void DataPollFunc(unsigned char unit)

{

   unsigned char buff[8];

   buff[0]=0xFF;

   buff[1]=0xAA;

   buff[2]=0x55;

   buff[3] = MRTUC _DATAPOLL;

   buff[4] = 0x03;

   buff[5] = E$HostID;

   buff[6] = unit;

   buff[7] = 1 + ~(MRTUC _DATAPOLL + 0x03 + E$HostID + unit);

   SCI_Puts(buff,8);

}

void ResponseDataPollFunc(unsigned char unit)

{

   unsigned char buff[8];

   buff[0]=0xFF;

   buff[1]=0xAA;

   buff[2]=0x55;

   buff[3] = MRTUC _DATAPOLLRESPONSE;

   buff[4] = 0x3;

   buff[5] = E$HostID;

   buff[6] = unit;

   buff[7] = 1 + ~(MRTUC _DATAPOLLRESPONSE + 0x3 + E$HostID + unit);

   SCI_Puts(buff,8);

}

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程序解包流程圖:

    解包子程序流程圖如圖6所示。

解包程序:

#define TOTAL_RESPONSE    5 //定義數(shù)據(jù)包的總數(shù)

void SCI_Getc(void);                  //從SCI buffer取數(shù)據(jù)函數(shù)

struct ResponseCodeStruct {      //定義數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)體

   unsigned char Code;              // 數(shù)據(jù)包的類型

   unsigned char Length;            // 數(shù)據(jù)包的長度

};

const ResponseCodeStruct ResponseCodeTable[TOTAL_RESPONSE]={

   { 0, 0 },

   {MRTUC _DATAPOLL,          3},

   {MRTUC _DATAPOLLRESPONSE,   3},

   {MRTUC _ACTIVATE,           3},

   {MRTUC _ACTIVATEREQUEST,    3},

};

unsigned char CheckResponseCode( unsigned char code )//檢查數(shù)據(jù)包類型函數(shù)

{

  unsigned char i;

  for ( i=1; i<TOTAL_RESPONSE; i++ ) {

     if ( ResponseCodeTable[i].Code == code )

        return i;

  }

  return 0;

}

void ResetReceivingStatus( void )           //復(fù)位接收狀態(tài)

{

   PacketStatus &= ~PC_START;          //數(shù)據(jù)包為開始狀態(tài)

   BufferIndex = 0;                      //復(fù)位接收頭字節(jié)標(biāo)志

}

void SerialHandler( void )             //數(shù)據(jù)解包子程序

{

   unsigned char char,i,j;

   unsigned char *buff;

   if ((PacketStatus & PC_READY)==0 ) { //檢查數(shù)據(jù)包狀態(tài)

      if ( SCI_Flags & SCI_IQDIRTY ) {  //檢查SCI狀態(tài)

         char = SCI_Getc();            //從buffer取一字節(jié)數(shù)據(jù)

         if ( BufferIndex==0) {         // 檢查是否為頭字節(jié)

            if ( (CodeIndex=CheckResponseCode( char ))==0   ) {

              CodeIndex=0;      

              ResetReceivingStatus();   //復(fù)位接收狀態(tài)

              }

              return;               //如果不正確返回取下一字節(jié)

            }

            CheckSum = 0;

            PacketStatus |= PC_START; //定義開始接收數(shù)據(jù)

         }

         else if ( BufferIndex==1 ) {          

         if(char<3|| har>(SCI_IQMASK-1)|| (ResponseCodeTable[CodeIndex]. Length && ResponseCodeTable[CodeIndex].Length!=char) ) { //檢查長度

               CodeIndex=0;

               ResetReceivingStatus();

               }

               return;

            }

            PacketLength = char + 2;

         }

         else if ( BufferIndex==2 ) {           // 檢查主機(jī)地址

            if ( char!=E$HostID ) {

               CodeIndex=0;

               ResetReceivingStatus();

                }

                return;

            }

         }

         else if ( BufferIndex==3 ) {           // 檢查從機(jī)地址

            if ( char>MAX_UNIT || char==0 ) {

               return;

            }

            else {

              if(E$UNIT!=char){

                CodeIndex=0;

                ResetReceivingStatus();

                return;

              }

            }

         }

         PacketBuffer[BufferIndex++] = char;

         if ( BufferIndex>=2 ) {

            if ( BufferIndex==PacketLength ) {

               CheckSum = 1 + ~CheckSum;

               if ( char==CheckSum ) {              //校驗(yàn)

                  PacketStatus |= PC_READY;

               }

               ResetReceivingStatus();

            }

         }

         CheckSum += char;

      }

      else {

         if ( (PacketStatus & PC_START) && TimeOut==0 ) {

            CodeIndex=0;

            ResetReceivingStatus();

         }

      }

   } }

結(jié)束語
　
　　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)，對于無線通信技術(shù)在我國推廣和廣泛的運(yùn)用有著重要的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

1．上海桑博  STR-2無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊使用手冊    上海桑博電子科技有限公司   2002

2．Nordic     nRF401 Product Specification          Nordic corporation           2000

3. 譚浩強(qiáng)     C程序設(shè)計(jì)                        清華大學(xué)出版社            1999