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1、文章编号 :1005-5630( 2005) 01-0032-05采用轮询存储法实现点对多点的无线数据传输洪毅峰 , 鲍鹏飞 ,徐向东(浙江大学现代光学仪器国家重点实验室, 浙江 杭州310027)摘要 : 提出了一种采用轮询存储的思想在无线影视评分表决系统中实现一点对多点的无线数据通讯的方法, 详细介绍了单片机与无线收发模块的硬件接口设计、系统的软件设计, 以及点对多点的无线通信协议的编写, 为点对多点的无线数据通讯提供了可靠的解决方案 , 具有成本低廉 , 实现简单等优点。关键词 : 轮询存储 ; 无线数据通讯 ; 软件协议中图分类号 :T N925. 92文献标识码:AWireless
2、data communication f rom -one-to-many using the method of querying and depositing in turnH ON G Yi-feng,BA O P eng-f ei,X U X iang-dong( State K ey L aboratory of M odern Optical Instr umentatio n, Zhejiang U niversity, Hangzhou 310027,China) Abstract : Wirelessdata communicationfrom -one-to- manyus
3、ingthe method ofqueryinganddepositingin turnin the system of wireless grading and voting is intro duced. The design of interfacebetw een MCUand wireless RF module,the system software,and wireless communicationprotocol ofthe system are also explored in detail.The system has the featur e of low costin
4、g and easy to achieve.Key words: querying and depositing in turn;wireless data communication;protocol1引言如今 ,有线连接的数据传输方式已经不能满足科技以及人们生活飞速发展的要求, 而无线技术正在快速进入科技领域和人们的日常生活。与有线的连接方式相比, 无线数据传输具有成本低,携带方便等优点,省去了布线的烦恼, 因此特别适用于手持光学仪器仪表、电池供电系统的无线数据通讯。现介绍的是一种利用存储轮询的设计思路来实现点对多点之间数据的无线短距离传输, 具有实现简单, 成本低廉等显著特点。 利用具有
5、透明数据接口的无线数传模块, 实现一点对多点之间的无线数据传输。在这一系统中如何组成单片机(M CU )与无线模块之间的硬件接口以及无线通信协议的数据打包格式和相关软硬件设计都是至关重要的。将这种技术思路在无线影视评分表决系统中得以实现。2系统基本构成图 1 是点对多点无线数据传输的构成示意图, 它由一台中央控制设备( host) 和若干台无线手持终端设备( slave) 构成。第 27 卷第 1 期2005 年 2 月光学仪器OPT ICA L INSTRUM ENT SVol. 27, No. 1Februar y, 2005收稿日期 : 2004-05- 29作者简介 : 洪毅峰 ( 1
6、980-) , 男, 安徽歙县人, 硕士研究生, 主要从事光电信息仪器仪表方面的研究工作。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 5 页 - - - - - - - - - 图 1点对多点无线数据传输系统构成如图 1 所示 , 中央控制设备和各台无线手持终端设备构成整个点对多点无线数据通信系统, 中央控制设备和每一台手持终端都可以实现无线数据的双向传输,这种点对多点的系统结构适用于数据量比较大,对时间要求比较高的场合。3基本技术路线市场上的类似产品, 大多采用跳频
7、技术来实现一点对多点的无线数据传输。跳频技术是无线扩频技术中的一种 , 其实现方法是载频信号以一定的速度和顺序, 在多个频点上跳变传递, 接收端以相应的速度和顺序接收并实现解调。这个预先设定的频率跳变的序列就是PN 码。在 PN 码的控制下 , 收发双方按照设定的序列在不同的频点上进行通信。由于系统的工作频率在不停的跳变, 在每个频率点上停留的时间在毫秒或微秒级 , 因此 , 在系统的硬件实现上,跳频通信系统中的跳频器是其关键部件。跳频器又分为频率合成器和频率指令发生器两部分, 频率合成器受频率指令发生器的控制产生跳变的载频信号去调制信号或解调信号。跳频通信能很好地解决点对多点中的同频干扰问题
8、,但是由于接收机要完成所有手持发射设备的同步以及每一个PN 序列码的解扩 , 然后进行并行运算,使得系统的复杂度大幅提高, 实现技术难度较大,成本太高 ,因此在无线影视评分表决系统的设计中并不完全切实可行。为了避免同频干扰的问题, 并尽量使得系统简单, 设计采用时分技术( T DM A )将系统中央控制设备( host) 与任一台手持终端( sla) 之间的通信采用时分的方式分开, 中央控制设备通过扫描的方式依次与各台手持终端通信. 这样整个系统中,中央控制设备与手持终端之间的通信其实也就是点与点之间的数据通信, 点对多点的通信系统就转换为点对点的通信方式的组合。这样 , 系统不仅有效避免了同
9、频干扰的问题,而且简化了系统, 因中央控制设备扫描轮询而造成的时间延误也在可控制的范围内。这就是轮询存储的基本思想。4系统的硬件设计系统由中央控制设备( host) 和若干手持终端(slave) 构成。图 2 所示为手持终端的硬件构成框图。手持终端由M CU最小系统 ( 包括键盘、显示等 ) 和无线射频模块构成。 其中 M CU 最小系统完成用户信息的采集输入、显示 , 以及信息的基带处理;无线射频模块完成数据的无线收发 , 并通过串口的方式和MCU 传递数据。 无线射频模块采用无线收发模块。所采用的模块提供透明的数据接口, 传输数据最大速率达20kb/ s; 外围电路接口简单, 可直接与 M
10、 CU 的异步通讯接口( U ART 口 )相连 , 满足系统设计要求。图 2手持终端 ( slave)的硬件构成框图?33?第 1 期洪毅峰等 : 采用轮询存储法实现点对多点的无线数据传输名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 5 页 - - - - - - - - - 无线模块提供RXD( 串行数据接收端),TXD(串行数据发送端) ,SLEEP( 模块休眠控制,SLP) ,RE-SET( 模块休眠唤醒,RST)等信号引脚。在系统设计中, 如图 2 所示 ,M
11、 CU的串行口RXD,TXD分别与无线模块的 T XD, RXD 相连 , 进行数据交换 ; 并利用 MCU 的 P0. 1和 P0. 2 引脚分别控制无线模块的SLEEP和 RESET 引脚 ,以便对无线模块进行休眠控制和唤醒, 节省系统功耗。系统设计中 , 所有手持终端设备和中央控制设备都工作在433MH z 频段。图 3 所示为中央控制设备(host) 的硬件构成框图。中央控制设备完成无线数据的收发处理, 并与上位机( PC) 通过 RS232 串行口进行通信。图 3中央控制设备的硬件框图其中 M CU1 最小系统采用RS232 方式完成与PC 机的通信 , 包括与 PC 机的通信协议处
12、理、 数据的传送、 EEPROM 内数据的读取与发送, 以及对 MCU 2 发送一些控制信号;M CU2 最小系统完成与无线模块的数据收发 , 并将接收到的数据写入EEPROM 保存 , 并通知 MCU 1 读取 EEPROM 中的内容 ; 无线射频模块实现与手持终端的数据进行无线收发,模块与 M CU2 的引脚连接与手持终端类似。中央控制设备具体引脚连接如图3 所示 , 其中 , M CU1 首先将上位机由串口传递的功能命令字写入EEPROM , 完毕后由 P0. 1 下降沿触发 MCU 2 的外部中断 0, 通知 M CU2 读取 EEPROM 中的功能命令字,并实现倒计时功能, 在预设时
13、间到后由P0. 2 下降沿触发MCU 2 外部中断 1, 通知 MCU 2 停止数据的无线收发, 然后读出EEPROM中的数据打包传递给上位机, 以便上位机完成信息的处理统计等功能。M CU2 最小系统在M CU1 通知其读取EEPROM中的功能命令字后, 将数据打包发送出去, 并接收手持终端返回的数据信息, 将其写入 EEPROM ,接收完所有数据后由P0. 1 下降沿触发 M CU1 外部中断 0, 通知 M CU1 读取 EEPROM中的用户返回的信息, 通过 MCU 1 传递给上位机 , 实现整个系统的预期功能。5系统的软件设计5. 1M CU 与无线模块通信协议数据包格式系统中所使用
14、的无线数传模块基于FSK 的调制方式 , 采用高效的前向纠错编码技术, 提高了无线模块抗数据突发干扰和随机干扰的能力。并在试验中 , 通过测试发现 , 在M CU 与无线模块的通信数据包中,0 xFF 后跟 0 x55, 通过无线模块传输后, 噪声不易产生。 因此传输协议在数据包前应加上起始字节0 xFF 和0 x55, 而接收协议规定只接收以0 xFF和 0 x55 字节开头的数据包, 于是在数据包的长度固定后, 可以很方便地将其格式定义为:表 1MCU 与无线模块通信协议数据包格式L ead1Lead2T argetID1TargetID2CmdSubCm dData1Data6Check
15、SumPackEnd其中 :Lead1, Lead2 2B 的起始字节 , 在系统中固定为0 xFF, 0 x55Targ etID 122B 的手持设备地址号, 以便区分手持终端Cmd1B 的命令字字节 , 指令手持终端可进行何种功能SubCmd1B 的子命令字节 , 在系统中做可功能扩充字节Data1 Data66B 的手持终端返回的信息字节,多余的用 0 填充?34?光学仪器第 27 卷名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 5 页 - - - - - -
16、- - - CheckSum1B的数据包校验字节PackEnd1B的数据包结束字节5. 2手持终端 (slave) 主程序设计手持终端设备在整个系统中始终处于一种被动状态。中央控制设备通过无线传输的方式将上层命令发送给手持终端, 手持终端按照命令字进行各种功能处理。程序采用汇编语言编写。主程序流程如图4 所示。图 4手持终端主程序流程图手持设备开始工作后等待接收中央控制设备发送来的数据包, 接收到数据包后判断数据包中是否有该机地址 ,若没有该机地址, 则此数据包不是手持设备欲接收的内容, 丢弃 , 重新等待接收数据包。接收到正确的数据包后, 判断数据包中的功能命令字, 按照功能命令字手持终端执
17、行各种功能,在预设的时间到后将用户从键盘输入的信息填充到数据包, 并将数据包在中央控制设备轮询的时候发送出去。5. 3中央控制设备主程序设计中央控制设备实现无线收发数据的处理, 并进行与上位机的RS232 通信。由于 MCU 内部时钟和外部中断的限制 , 中央控制系统由双M CU 组成 , 以便更好地解决中央控制设备与无线模块和中央控制设备与上位机之间的冲突问题, 并尽量使得软件编程简单易行。M CU1 和 MCU 2 的主程序流程图如图5 和图 6所示。5. 4M CU1 与上位机的通信协议设计M CU1 与上位机通过RS232 接口进行数据交换,需制定它们之间的通信协议。由于要实现的功能较
18、简单 , 所以在此协议中, 将数据包固定长度和格式, 包结构如表2 所示 :表 2M CU1 与上位机通信协议格式FlagVer sionT argetIDSourceIDTim eoutCmdSubCmdPayload( pBuf 0. . 5 )其中 :Flag : 2B 的包头标识 , 固定为 0 xa7b8Version1B 的当前系统版本号Targ etID2B 的目标终端号 , 0 表示是 host 向 slave 群发SourceID2B 的源终端号 , 表示 slave?35?第 1 期洪毅峰等 : 采用轮询存储法实现点对多点的无线数据传输名师资料总结 - - -精品资料欢迎下
19、载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 5 页 - - - - - - - - - Cmd1B的功能命令字SubCmd1B的子功能命令字Tim eout1B 的以秒为单位的倒计时时间Payload6B 的 slave 返回信息 , 多余的用 0 填充图 5M CU1 主程序流程图图6MCU2 主程序流程图6总结系统的软硬件设计经实践检验, 具有简单易行 , 成本低廉等特点, 并能保证无线数据通信极低的误码率。 无线影视评分表决系统能完成评分、表决、 用户信息收集、 智力竞赛、在线统计等功能, 很好地解
20、决了用户的需求。每轮询 100 台手持终端 , 中央控制设备需花费的时间为3s, 完全在可以接受的范围之内。实践证明, 利用轮询存储的方式来实现点对多点的无线数据通信是完全可行的。系统的技术思路和具体实现路线也可以方便地移植到众多的更新换代的传统光学仪器仪表中。7参考文献 1 Th eodore S R. 无线通信原理与应用 M . 北京 : 电子工业出版社, 2002.203210. 2 聂光义 . 点对多点的多任务无线通信 J. 单片机及嵌入式系统应用, 2003, 5: 160163. 3 胡汉才 . 单片机原理及其接口技术 M .北京 : 清华大学出版社, 1996.?36?光学仪器第 27 卷名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 5 页 - - - - - - - - -