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基于信息支持設(shè)備的通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
作者：RFID世界網(wǎng) 收編
來源：網(wǎng)絡(luò)
日期：2010-06-18 08:53:19
摘要：ZigBee是一種新型的近距離無線通信技術(shù)，以2．4 GHz為主要頻段，采用擴(kuò)頻技術(shù)。該技術(shù)具有低速率、低功耗、低成本、自配置和靈活的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞忍攸c(diǎn)。便攜式信息支持設(shè)備以其體積小、攜帶方便、計(jì)算速度快、高智能化等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于各類設(shè)備的技術(shù)保障部分，并從原有的單一電子手冊功能逐漸向多功能綜合方向發(fā)展。
1 引言
ZigBee是一種新型的近距離無線通信技術(shù)，以2．4 GHz為主要頻段，采用擴(kuò)頻技術(shù)。該技術(shù)具有低速率、低功耗、低成本、自配置和靈活的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞忍攸c(diǎn)。便攜式信息支持設(shè)備以其體積小、攜帶方便、計(jì)算速度快、高智能化等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于各類設(shè)備的技術(shù)保障部分，并從原有的單一電子手冊功能逐漸向多功能綜合方向發(fā)展。但信息支持設(shè)備通信能力有限，重新開發(fā)新功能模塊成本高，效率低，并且現(xiàn)有裝備已有很多通信手段，如果充分利用這些通信手段，將大大提高信息支持設(shè)備的通信能力。便攜式信息支持設(shè)備通過特制的通信適配器，利用ZigBee技術(shù)組網(wǎng)，與無線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備、通信控制設(shè)備、以太網(wǎng)、數(shù)字交換機(jī)等構(gòu)成傳輸信息網(wǎng)絡(luò)，從而可擴(kuò)展信息支持設(shè)備的應(yīng)用范圍。
2 通信系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
2．1 信息支持設(shè)備
信息支持設(shè)備具有在復(fù)雜環(huán)境下可實(shí)現(xiàn)信息采集、處理、傳輸、顯示和查詢等功能。其硬件設(shè)計(jì)部分包括主機(jī)和外部擴(kuò)展功能設(shè)備模塊，外部帶有一個RS232接口，采用模塊化設(shè)計(jì)。通過與信息采集等不同模塊組合，信息支持設(shè)備可以獲得不同信息。
2．2 通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?
通信系統(tǒng)的信息傳輸分為短距離通信、中距離通信和遠(yuǎn)距離通信。信息支持設(shè)備本身具備短距離信息傳輸能力，短距離信息傳輸應(yīng)用ZigBee技術(shù)組網(wǎng)，構(gòu)建成點(diǎn)對點(diǎn)對等拓?fù)洹Ｔ谠摼W(wǎng)絡(luò)中，信息支持設(shè)備作為一般設(shè)備，只要任意兩個信息支持設(shè)備彼此都在對方通信距離內(nèi)就可以直接通信。而中距離通信時，由于信息支持設(shè)備和無線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備、通信控制設(shè)備和以太網(wǎng)的接口類型和通信協(xié)議不匹配，因此不能直接通信，需通過特制的通信適配器，擴(kuò)展信息支持設(shè)備的信息傳輸。遠(yuǎn)距離通信時，信息支持設(shè)備則與衛(wèi)星或配備的CDMA模塊構(gòu)成遠(yuǎn)程通信網(wǎng)。
2．3 通信適配器設(shè)計(jì)
在通信系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中，其核心是適配器的設(shè)計(jì)。適配器是用于擴(kuò)展信息支持設(shè)備功能，提高信息支持設(shè)備的通用性和靈活性，從而實(shí)現(xiàn)信息支持設(shè)備擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)RS232串行接口、標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)接口和2FSK／OPSK二線接口。信息支持設(shè)備作為上位機(jī)，通信適配器作為下位機(jī)。適配器的硬件電路主要由微控制器、存儲器、調(diào)制解調(diào)、RS232標(biāo)準(zhǔn)串行接口、以太網(wǎng)控制和電源等電路構(gòu)成。該系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。
通信硬件設(shè)計(jì)電路是以微控制器為核心，采用帶有2個串口的MPC82G516型微控制器，用于控制調(diào)制解調(diào)器、網(wǎng)口、存儲器和外圍接口等部分。該器件處理速度快．是普通80C5l的12倍，還具有抗干擾能力強(qiáng)、功耗低等特點(diǎn)。存儲器采用IS62C256型8位CMOS靜態(tài)RAM。適配器利用串口1與上位機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)信息傳輸。由于上位機(jī)接口信號符合RS232／EIA標(biāo)準(zhǔn)，而下位機(jī)微控制器接口信號卻符合TTL標(biāo)準(zhǔn)，所以需要EIA—TTL轉(zhuǎn)換。因此這里采用MAX232A，該器件采用5 V電壓供電，5線制(TXD、RXD、RTS、CTS和GND信號)通信方式。適配器利用串口2與外部通信設(shè)備連接，作為擴(kuò)展信息傳輸接口，同樣采用MAX232A，5線制通信方式實(shí)現(xiàn)信息傳輸。以太網(wǎng)控制電路采用RTL8019AS，全雙工工作，收發(fā)速率同時達(dá)到lO Mb／s。調(diào)制解調(diào)器采用主控器件AOY214實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸。
微控制器與存儲器的硬件電路如圖2所示，考慮到MPC82G516微控制器的處理速度快，內(nèi)嵌64 KB閃存可用于編程或存儲數(shù)據(jù)，因此選用MPC82G516作為電路的控制核心。網(wǎng)口電路如圖3所示。在圖2、3中，MPC82G516微控制器的ADO、ADl~AD7是地址數(shù)據(jù)復(fù)用總線，ALE引腳用于確定總線上傳輸?shù)氖菙?shù)據(jù)還是地址，I/OREAD、I/OWRITE引腳控制網(wǎng)口和存儲器的讀寫操作。ALE置高時，地址數(shù)據(jù)復(fù)用總線傳輸?shù)刂沸畔?，通過地址鎖存器訪問存儲器的數(shù)據(jù)和外部程序：ALE置低時，地址數(shù)據(jù)復(fù)用總線傳輸數(shù)據(jù)信息。MPC82G516微控制器讀取數(shù)據(jù)時，總線傳輸?shù)刂沸畔?，?jīng)地址鎖存器鎖定地址，然后讀取存儲器中的數(shù)據(jù)。
3 通信系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3．1 通信過程
通信系統(tǒng)數(shù)字化平臺包括信息獲取、傳輸模式和通信協(xié)議。信息支持設(shè)備的配套模塊為系統(tǒng)提供各種信息。短距離通信時，信息支持設(shè)備遵循IEEE802．15．4協(xié)議，利用ZigBee技術(shù)組網(wǎng)傳輸信息。ZigBee協(xié)議棧的物理、MAC層作為低速無線局域網(wǎng)技術(shù)，即是IEEE802．15．4協(xié)議。中距離通信時，信息支持設(shè)備中的信息通過適配器，借助于無線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備、通信控制設(shè)備和以太網(wǎng)等信道實(shí)現(xiàn)信息遠(yuǎn)程傳輸。遠(yuǎn)距離通信時，可通過衛(wèi)星或CDMA模塊實(shí)現(xiàn)。
由于信息支持設(shè)備本身和無線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備、通信控制設(shè)備和以太網(wǎng)等的信道都符合安全性要求，因此借助于它們的信道傳輸信息是安全可靠的。
3．2 適配器軟件設(shè)計(jì)
該通信系統(tǒng)中適配器具有重要作用。適配器軟件包括傳輸協(xié)議轉(zhuǎn)換、上位機(jī)和下位機(jī)的通信程序。傳輸協(xié)議轉(zhuǎn)換是利用軟件理論中的編譯方法學(xué)理論實(shí)現(xiàn)的。該傳輸協(xié)議轉(zhuǎn)換過程分為發(fā)送，接收、拆包和重新打包等工作狀態(tài)．這些工作狀態(tài)可以相互轉(zhuǎn)換。適配器在協(xié)議轉(zhuǎn)換時依據(jù)編譯原理逐層進(jìn)行，物理層完成驅(qū)動和接收，代碼層則完成正文代碼轉(zhuǎn)換，鏈路層完成地址、控制、標(biāo)志和校驗(yàn)段的轉(zhuǎn)換。
下位機(jī)軟件采用C語言編程，數(shù)據(jù)格式為：1個起始位、8個數(shù)據(jù)位和1個停止位，無奇偶校驗(yàn)位。通信雙方波特率根據(jù)需要可在多個波特率中靈活選擇。上位機(jī)與適配器信息傳輸時，首先在適配器的控制界面中選擇一種發(fā)送方式，諸如串口、網(wǎng)口和二線口等，然后確定通信波特率。發(fā)送數(shù)據(jù)時，首先判斷串口是否準(zhǔn)備好，然后判斷接收緩沖區(qū)是否接收到數(shù)據(jù)，判斷接收緩沖區(qū)中是否有數(shù)據(jù)等待讀取，當(dāng)滿足條件時，則接收串口數(shù)據(jù)，完成后則關(guān)閉串口。圖4為下位機(jī)軟件流程圖。
在編程中，定義適配器與信息支持設(shè)備相聯(lián)的串口為串口1，適配器與其他相聯(lián)的串口為串口2。當(dāng)串口l中斷時．接收信息支持設(shè)備數(shù)據(jù)，存入不同緩沖區(qū)，發(fā)送串口l緩沖區(qū)數(shù)據(jù)到信息支持設(shè)備。當(dāng)串口2中斷時，接收外部串口數(shù)據(jù)或調(diào)制解調(diào)器數(shù)據(jù)存入串口1發(fā)送緩沖區(qū)，發(fā)送串口2緩沖區(qū)數(shù)據(jù)到外部串口或調(diào)制解調(diào)器。
4 結(jié)語
針對信息支持設(shè)備通信能力受限，提出了一種基于信息支持設(shè)備的通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，短中距離通信時利用ZigBee技術(shù)組網(wǎng)。設(shè)計(jì)方案主要應(yīng)用于低速率通信場合，實(shí)際應(yīng)用中信息支持設(shè)備可通過文中特制的通信適配器和無線通信設(shè)備、通信控制設(shè)備等相連，構(gòu)成一個通信系統(tǒng)。適配器的軟、硬件設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)方案中的重點(diǎn)。通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有助于擴(kuò)展信息支持設(shè)備的功能，擴(kuò)大應(yīng)用范圍。
ZigBee是一種新型的近距離無線通信技術(shù)，以2．4 GHz為主要頻段，采用擴(kuò)頻技術(shù)。該技術(shù)具有低速率、低功耗、低成本、自配置和靈活的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞忍攸c(diǎn)。便攜式信息支持設(shè)備以其體積小、攜帶方便、計(jì)算速度快、高智能化等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于各類設(shè)備的技術(shù)保障部分，并從原有的單一電子手冊功能逐漸向多功能綜合方向發(fā)展。但信息支持設(shè)備通信能力有限，重新開發(fā)新功能模塊成本高，效率低，并且現(xiàn)有裝備已有很多通信手段，如果充分利用這些通信手段，將大大提高信息支持設(shè)備的通信能力。便攜式信息支持設(shè)備通過特制的通信適配器，利用ZigBee技術(shù)組網(wǎng)，與無線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備、通信控制設(shè)備、以太網(wǎng)、數(shù)字交換機(jī)等構(gòu)成傳輸信息網(wǎng)絡(luò)，從而可擴(kuò)展信息支持設(shè)備的應(yīng)用范圍。
2 通信系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
2．1 信息支持設(shè)備
信息支持設(shè)備具有在復(fù)雜環(huán)境下可實(shí)現(xiàn)信息采集、處理、傳輸、顯示和查詢等功能。其硬件設(shè)計(jì)部分包括主機(jī)和外部擴(kuò)展功能設(shè)備模塊，外部帶有一個RS232接口，采用模塊化設(shè)計(jì)。通過與信息采集等不同模塊組合，信息支持設(shè)備可以獲得不同信息。
2．2 通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?
通信系統(tǒng)的信息傳輸分為短距離通信、中距離通信和遠(yuǎn)距離通信。信息支持設(shè)備本身具備短距離信息傳輸能力，短距離信息傳輸應(yīng)用ZigBee技術(shù)組網(wǎng)，構(gòu)建成點(diǎn)對點(diǎn)對等拓?fù)洹Ｔ谠摼W(wǎng)絡(luò)中，信息支持設(shè)備作為一般設(shè)備，只要任意兩個信息支持設(shè)備彼此都在對方通信距離內(nèi)就可以直接通信。而中距離通信時，由于信息支持設(shè)備和無線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備、通信控制設(shè)備和以太網(wǎng)的接口類型和通信協(xié)議不匹配，因此不能直接通信，需通過特制的通信適配器，擴(kuò)展信息支持設(shè)備的信息傳輸。遠(yuǎn)距離通信時，信息支持設(shè)備則與衛(wèi)星或配備的CDMA模塊構(gòu)成遠(yuǎn)程通信網(wǎng)。
2．3 通信適配器設(shè)計(jì)
在通信系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中，其核心是適配器的設(shè)計(jì)。適配器是用于擴(kuò)展信息支持設(shè)備功能，提高信息支持設(shè)備的通用性和靈活性，從而實(shí)現(xiàn)信息支持設(shè)備擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)RS232串行接口、標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)接口和2FSK／OPSK二線接口。信息支持設(shè)備作為上位機(jī)，通信適配器作為下位機(jī)。適配器的硬件電路主要由微控制器、存儲器、調(diào)制解調(diào)、RS232標(biāo)準(zhǔn)串行接口、以太網(wǎng)控制和電源等電路構(gòu)成。該系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。
通信硬件設(shè)計(jì)電路是以微控制器為核心，采用帶有2個串口的MPC82G516型微控制器，用于控制調(diào)制解調(diào)器、網(wǎng)口、存儲器和外圍接口等部分。該器件處理速度快．是普通80C5l的12倍，還具有抗干擾能力強(qiáng)、功耗低等特點(diǎn)。存儲器采用IS62C256型8位CMOS靜態(tài)RAM。適配器利用串口1與上位機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)信息傳輸。由于上位機(jī)接口信號符合RS232／EIA標(biāo)準(zhǔn)，而下位機(jī)微控制器接口信號卻符合TTL標(biāo)準(zhǔn)，所以需要EIA—TTL轉(zhuǎn)換。因此這里采用MAX232A，該器件采用5 V電壓供電，5線制(TXD、RXD、RTS、CTS和GND信號)通信方式。適配器利用串口2與外部通信設(shè)備連接，作為擴(kuò)展信息傳輸接口，同樣采用MAX232A，5線制通信方式實(shí)現(xiàn)信息傳輸。以太網(wǎng)控制電路采用RTL8019AS，全雙工工作，收發(fā)速率同時達(dá)到lO Mb／s。調(diào)制解調(diào)器采用主控器件AOY214實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸。
微控制器與存儲器的硬件電路如圖2所示，考慮到MPC82G516微控制器的處理速度快，內(nèi)嵌64 KB閃存可用于編程或存儲數(shù)據(jù)，因此選用MPC82G516作為電路的控制核心。網(wǎng)口電路如圖3所示。在圖2、3中，MPC82G516微控制器的ADO、ADl~AD7是地址數(shù)據(jù)復(fù)用總線，ALE引腳用于確定總線上傳輸?shù)氖菙?shù)據(jù)還是地址，I/OREAD、I/OWRITE引腳控制網(wǎng)口和存儲器的讀寫操作。ALE置高時，地址數(shù)據(jù)復(fù)用總線傳輸?shù)刂沸畔?，通過地址鎖存器訪問存儲器的數(shù)據(jù)和外部程序：ALE置低時，地址數(shù)據(jù)復(fù)用總線傳輸數(shù)據(jù)信息。MPC82G516微控制器讀取數(shù)據(jù)時，總線傳輸?shù)刂沸畔?，?jīng)地址鎖存器鎖定地址，然后讀取存儲器中的數(shù)據(jù)。
3 通信系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3．1 通信過程
通信系統(tǒng)數(shù)字化平臺包括信息獲取、傳輸模式和通信協(xié)議。信息支持設(shè)備的配套模塊為系統(tǒng)提供各種信息。短距離通信時，信息支持設(shè)備遵循IEEE802．15．4協(xié)議，利用ZigBee技術(shù)組網(wǎng)傳輸信息。ZigBee協(xié)議棧的物理、MAC層作為低速無線局域網(wǎng)技術(shù)，即是IEEE802．15．4協(xié)議。中距離通信時，信息支持設(shè)備中的信息通過適配器，借助于無線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備、通信控制設(shè)備和以太網(wǎng)等信道實(shí)現(xiàn)信息遠(yuǎn)程傳輸。遠(yuǎn)距離通信時，可通過衛(wèi)星或CDMA模塊實(shí)現(xiàn)。
由于信息支持設(shè)備本身和無線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備、通信控制設(shè)備和以太網(wǎng)等的信道都符合安全性要求，因此借助于它們的信道傳輸信息是安全可靠的。
3．2 適配器軟件設(shè)計(jì)
該通信系統(tǒng)中適配器具有重要作用。適配器軟件包括傳輸協(xié)議轉(zhuǎn)換、上位機(jī)和下位機(jī)的通信程序。傳輸協(xié)議轉(zhuǎn)換是利用軟件理論中的編譯方法學(xué)理論實(shí)現(xiàn)的。該傳輸協(xié)議轉(zhuǎn)換過程分為發(fā)送，接收、拆包和重新打包等工作狀態(tài)．這些工作狀態(tài)可以相互轉(zhuǎn)換。適配器在協(xié)議轉(zhuǎn)換時依據(jù)編譯原理逐層進(jìn)行，物理層完成驅(qū)動和接收，代碼層則完成正文代碼轉(zhuǎn)換，鏈路層完成地址、控制、標(biāo)志和校驗(yàn)段的轉(zhuǎn)換。
下位機(jī)軟件采用C語言編程，數(shù)據(jù)格式為：1個起始位、8個數(shù)據(jù)位和1個停止位，無奇偶校驗(yàn)位。通信雙方波特率根據(jù)需要可在多個波特率中靈活選擇。上位機(jī)與適配器信息傳輸時，首先在適配器的控制界面中選擇一種發(fā)送方式，諸如串口、網(wǎng)口和二線口等，然后確定通信波特率。發(fā)送數(shù)據(jù)時，首先判斷串口是否準(zhǔn)備好，然后判斷接收緩沖區(qū)是否接收到數(shù)據(jù)，判斷接收緩沖區(qū)中是否有數(shù)據(jù)等待讀取，當(dāng)滿足條件時，則接收串口數(shù)據(jù)，完成后則關(guān)閉串口。圖4為下位機(jī)軟件流程圖。
在編程中，定義適配器與信息支持設(shè)備相聯(lián)的串口為串口1，適配器與其他相聯(lián)的串口為串口2。當(dāng)串口l中斷時．接收信息支持設(shè)備數(shù)據(jù)，存入不同緩沖區(qū)，發(fā)送串口l緩沖區(qū)數(shù)據(jù)到信息支持設(shè)備。當(dāng)串口2中斷時，接收外部串口數(shù)據(jù)或調(diào)制解調(diào)器數(shù)據(jù)存入串口1發(fā)送緩沖區(qū)，發(fā)送串口2緩沖區(qū)數(shù)據(jù)到外部串口或調(diào)制解調(diào)器。
4 結(jié)語
針對信息支持設(shè)備通信能力受限，提出了一種基于信息支持設(shè)備的通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，短中距離通信時利用ZigBee技術(shù)組網(wǎng)。設(shè)計(jì)方案主要應(yīng)用于低速率通信場合，實(shí)際應(yīng)用中信息支持設(shè)備可通過文中特制的通信適配器和無線通信設(shè)備、通信控制設(shè)備等相連，構(gòu)成一個通信系統(tǒng)。適配器的軟、硬件設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)方案中的重點(diǎn)。通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有助于擴(kuò)展信息支持設(shè)備的功能，擴(kuò)大應(yīng)用范圍。
