由RFW122-M構(gòu)成的短距離無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)

摘要 利用AT89LV52單片機(jī)作控制器，實(shí)現(xiàn)基于RFWaves公司的射頻芯片RFW122-M的短距離無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng);分析射頻芯片RFW122-M及其與單片機(jī)的接口芯片RFW-D100的特點(diǎn)；給出系統(tǒng)的硬件原理框圖及軟件流程圖。對(duì)應(yīng)用于該裝置的無線數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議CSMA進(jìn)行分析，并且在對(duì)固件的編程配置中加以實(shí)現(xiàn)。
關(guān)鍵詞 無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng) RFW122-M RFW-D100 AT89LV52 CSMA協(xié)議

　　目前, 短程射頻通信技術(shù)是一種熱門技術(shù), 已廣泛應(yīng)用于實(shí)際中, 主要有無線局域網(wǎng)(WLAN )、個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(PAN) 及無線短距離消費(fèi)類產(chǎn)品(如中低速數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用, 有效范圍在30 m以內(nèi))。該通信技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)有IEEE802.11a、Hiperlan2、藍(lán)牙（IEEE802.15.1）、 HomeRF及IEEE802.11b（WIFI）等。支持這些標(biāo)準(zhǔn)的器件一般功耗都比較高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格較高, 因而不適合低端產(chǎn)品。RFWaves 公司針對(duì)現(xiàn)有市場(chǎng)發(fā)展推出的面向低端的用于短距離無線通信的射頻通信芯片組RFW122-M，符合美國聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）的技術(shù)規(guī)范。

　　本系統(tǒng)利用射頻芯片RFW122-M及其與MCU的接口芯片RFW-D100，在單片機(jī)AT89LV52的控制下，實(shí)現(xiàn)了短距離的無線數(shù)據(jù)通信。

1  射頻芯片RFW122-M及其接口芯片RFW-D100

　　RFW122-M無線收發(fā)芯片是一種半雙工、使用直接序列擴(kuò)頻（DSSS）技術(shù)的無線收發(fā)兩用集成電路，工作中心頻率為2.44 GHz（ISM頻段），采用ASK調(diào)制方式，工作電壓為2.4～3.6 V。在空閑狀態(tài)下，幾乎不消耗功率（0.1 μA @ VCC=3 V）。RFW122-M可以外接一個(gè)200 Ω的差分阻抗天線（印制版天線）或帶有匹配電路的其他天線，在誤碼率為10-3的條件下，接收靈敏度為-77 dBm。該模塊有3根數(shù)據(jù)控制線，且其數(shù)據(jù)I/O口是一個(gè)串行的數(shù)字接口。它的喚醒時(shí)間為20 μs,同步時(shí)間是1.2 μs。最高數(shù)據(jù)傳輸速率為1 Mbps，此時(shí)工作電流為33 mA。

　　為了降低MCU實(shí)時(shí)處理MAC協(xié)議的要求，RFW122-M芯片組提供了RFW122-M與MCU之間的接口芯片RFW-D100。該芯片在MCU和RFW122-M之間提供了一個(gè)并行接口；同時(shí)提供了對(duì)CSMA協(xié)議的支持。RFW-D100采用了兩種技術(shù)來獲得比較好的載波偵聽的能力： 一種是RSSI(射頻信號(hào)強(qiáng)度檢測(cè))，能檢測(cè)到任何強(qiáng)度的無線傳輸，避免沖突；另一種是使用RFWaves 網(wǎng)絡(luò)的載波偵聽算法。采用這種技術(shù)可以避免與本網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的或其他網(wǎng)絡(luò)的RFWaves站點(diǎn)發(fā)生沖突。

（1）  RSSI(射頻信號(hào)強(qiáng)度檢測(cè))

　　RSSI機(jī)制用來比較某個(gè)非RFWaves站點(diǎn)傳輸?shù)墓β食^了一個(gè)確定的門限（用一個(gè)外部的電阻來設(shè)置這個(gè)數(shù)值，RFW-D100給出了該門限的參考電壓和計(jì)算公式），比較的結(jié)果放在寄存器SSR[7]-COMP_IN中。當(dāng)MCU內(nèi)有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，就去讀取該寄存器，根據(jù)寄存器的狀態(tài)確定信道是否處于被占用的狀態(tài)，從而確定數(shù)據(jù)是否被傳輸。

（2） 內(nèi)部/外部RFWaves網(wǎng)絡(luò)的載波監(jiān)聽的算法

　　該機(jī)制主要用來監(jiān)測(cè)相似的RFWaves網(wǎng)絡(luò)。RFWD100利用載波偵聽算法監(jiān)聽是否有外部相似的RFWaves網(wǎng)絡(luò)正在傳輸數(shù)據(jù)。如果外部的RFWaves網(wǎng)絡(luò)正在進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，則內(nèi)部的標(biāo)志位將被置1，表示信道處于被占用的狀態(tài)；如果信道由被占用的狀態(tài)轉(zhuǎn)為空閑的狀態(tài)，將產(chǎn)生一個(gè)中斷來通知MCU，此時(shí)MCU可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。

2  硬件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)的微處理器采用Atmel公司的AT89LV52。它是一款基于51系列的低功耗微處理器，支持匯編和C語言，開發(fā)環(huán)境采用Keil公司 Keil C51（51單片機(jī)的匯編和C語言的開發(fā)工具）；支持匯編、C語言以及混合編程，同時(shí)具備功能強(qiáng)大的軟件仿真和硬件仿真。系統(tǒng)包含兩個(gè)半雙工的通信終端，來自高層的數(shù)據(jù)由串口發(fā)往MCU，MCU再將數(shù)據(jù)發(fā)往RFW-D100。RFW-D100將數(shù)據(jù)打包以后送往RFW122-M進(jìn)行調(diào)制，再通過天線發(fā)送出去。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1  系統(tǒng)框圖

　　MCU與RFW122-M及RFW-D100的連接關(guān)系如圖2所示。

                 

圖2  MCU與RFW122-M及RFW-D100的連接關(guān)系

3  通信協(xié)議及軟件流程

　　系統(tǒng)所采用的數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議是載波偵聽多路訪問協(xié)議（CSMA）。局域網(wǎng)一般采用共同介質(zhì)的方法，為此當(dāng)多個(gè)站點(diǎn)要同時(shí)訪問介質(zhì)時(shí)，就要進(jìn)行控制。CSMA就是常用的一種方式。當(dāng)網(wǎng)中站臺(tái)要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，先檢測(cè)是否有別的站臺(tái)占用了傳輸媒體。具體做法是：先進(jìn)行載波偵聽，如果發(fā)現(xiàn)介質(zhì)（媒體）空閑，則立刻發(fā)送數(shù)據(jù)；否則，就根據(jù)不同的策略退避重發(fā)。

　　由于該系統(tǒng)工作在2.44 GHz的ISM頻段，該頻段存在較大干擾，所以設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)時(shí)最重要的原則是，以盡量短的時(shí)間占用信道，以降低潛在沖突的概率。在傳輸中，包重疊的概率是與每個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)占用共享信道的時(shí)間成正比的。因此，若以高比特率傳輸數(shù)據(jù)包， 會(huì)提高數(shù)據(jù)被正確接收的概率。RFW-D100最高的空中數(shù)據(jù)傳輸速率為1 Mbps，它可以被配置為各種傳輸速率。在RFW-D100的數(shù)據(jù)手冊(cè)中，降低數(shù)據(jù)速率并不能降低誤碼率，因此為了縮短數(shù)據(jù)包在空中傳輸?shù)臅r(shí)間，降低數(shù)據(jù)碰撞的概率，在協(xié)議中建議以最高的速率傳輸數(shù)據(jù)。若把數(shù)據(jù)分成小包，則每個(gè)小包被正確接收的概率又會(huì)增加。這樣，當(dāng)干擾出現(xiàn)時(shí)，只有一小部分會(huì)丟失，而且協(xié)議有能力來定位在特定包中損壞的數(shù)據(jù)。因此可以得出這樣的結(jié)論：以高的數(shù)據(jù)速率發(fā)送短的數(shù)據(jù)包，將增強(qiáng)協(xié)議處理損壞數(shù)據(jù)的能力。

3.1  數(shù)據(jù)包格式

　　數(shù)據(jù)包格式如圖3所示。

圖3  數(shù)據(jù)包格式

　?、?nbsp; PREAMBLE：RFWD100 發(fā)送PREAMBLE 的目的是使接收機(jī)和發(fā)送機(jī)同步。20 位長，高4位為1111，其他16位可以配置。發(fā)送順序?yàn)閺母叩降汀?BR>　?、?nbsp; NET_FIRST：1字節(jié)，網(wǎng)絡(luò)地址字節(jié)。
　　③  NET_SEC：1字節(jié)，網(wǎng)絡(luò)地址字節(jié)。
　　④  DST_ID：1字節(jié)，數(shù)據(jù)包所發(fā)往的目的節(jié)點(diǎn)地址。
　?、?nbsp; SRC_ID：1字節(jié)，發(fā)數(shù)據(jù)包的源站地址。
　?、?nbsp; SEQUENCE：1字節(jié)。這個(gè)段包括兩個(gè)值：高4位表示數(shù)據(jù)序號(hào)，低4位表示數(shù)據(jù)包的類型。低4位代表的含義：0000b為握手?jǐn)?shù)據(jù)包， 0001b為握手應(yīng)答包，0010b為數(shù)據(jù)包，0011b為數(shù)據(jù)包的應(yīng)答包，0100b為拆鏈包，0101b為拆鏈的響應(yīng)包。
　?、?nbsp; SIZE：1字節(jié)。這個(gè)段說明包的大小。當(dāng)設(shè)定數(shù)據(jù)包為固定大小時(shí)，SIZE沒有意義。
　?、?nbsp; PAYLOAD：1字節(jié)。來自上層軟件層的數(shù)據(jù)。
　?、?nbsp; CRC：1字節(jié)。RFWD100 在發(fā)送端給每個(gè)包增加CRC 信息，使得接收機(jī)對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)。

　　在本系統(tǒng)的協(xié)議設(shè)計(jì)過程中，采用小數(shù)據(jù)包的傳輸模式，從串口中收到的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)（以字節(jié)為單位）等于10時(shí)，將這些數(shù)據(jù)打包發(fā)送出去。如果收到的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)小于10， 并且串口數(shù)據(jù)的發(fā)送已經(jīng)結(jié)束， 則系統(tǒng)也將這些數(shù)據(jù)打包并發(fā)送出去。

3.2  系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

　　系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移如圖4所示，包含4個(gè)狀態(tài)，分別是空閑態(tài)、握手態(tài)、傳輸態(tài)和接收態(tài)。
                  

圖4  系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

　　空閑態(tài)：如果沒有串口中斷或外部的握手信號(hào)中斷，則系統(tǒng)將一直處于空閑狀態(tài)。

　　握手態(tài)：如果串口中斷發(fā)生，則表明有上層的數(shù)據(jù)包需要傳輸，系統(tǒng)進(jìn)入握手的狀態(tài)。

　　傳輸態(tài)：系統(tǒng)把從串口收到的數(shù)據(jù)通過無線信道發(fā)送出去。

　　接收態(tài)：系統(tǒng)處理接收到的數(shù)據(jù)包，發(fā)往串口，并對(duì)從串口到來的數(shù)據(jù)包做丟棄處理。

3.3  4個(gè)狀態(tài)的處理流程

　　系統(tǒng)4個(gè)狀態(tài)的處理流程如圖5~圖8所示。
                    

圖5  空閑態(tài)流程

圖6  握手態(tài)流程

圖7  發(fā)送態(tài)流程

圖8  接收態(tài)流程

　　系統(tǒng)接收串口數(shù)據(jù)的緩沖池的大小為15字節(jié)。

　　圖6中各個(gè)標(biāo)志位的意義如下：

　　New_flag串口中有新數(shù)據(jù)到來（串口中有數(shù)據(jù)到來，將New_flag置1，在串口中斷中設(shè)置此標(biāo)志位）。
　　Checkact_suc_flag收到握手應(yīng)答包的標(biāo)志。收到握手應(yīng)答數(shù)據(jù)包后將此標(biāo)志位置1。
　　Tx_size系統(tǒng)接收到的來自串口的字節(jié)個(gè)數(shù)。
　　Tx_end_flag串口中的數(shù)據(jù)發(fā)送完畢。由定時(shí)器1控制，定時(shí)一段時(shí)間。如果在這段時(shí)間內(nèi)沒有新的數(shù)據(jù)到來，則認(rèn)為串口數(shù)據(jù)的這次發(fā)送完畢。每次收到新的串口數(shù)據(jù)時(shí)重置定時(shí)器，定時(shí)的時(shí)間大于1字節(jié)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間。
　　Checkact _send_flag由定時(shí)器0控制，在定時(shí)的時(shí)間內(nèi)如果沒有收到握手應(yīng)答包，則定時(shí)器0溢出，Checkact _send_flag被置1，重發(fā)握手包。

　　圖7中各個(gè)標(biāo)志位的意義如下：

　　New_flag串口中有新的數(shù)據(jù)到來。若串口有數(shù)據(jù)到來，則將New_flag置1，在串口中斷中設(shè)置此標(biāo)志位。
　　Pk_sended_nack一個(gè)數(shù)據(jù)包已經(jīng)發(fā)送出去但還沒有收到確認(rèn)包時(shí)將此位置1，為0時(shí)表示系統(tǒng)可以發(fā)送數(shù)據(jù)包。
　　Ack_flag為1表示發(fā)出的數(shù)據(jù)包收到了確認(rèn)。
　　Tx_end_flag從串口發(fā)來的數(shù)據(jù)已經(jīng)停止了發(fā)送。
　　Exceed_timing_flag在發(fā)送完每一個(gè)數(shù)據(jù)包的同時(shí)打開定時(shí)器0，從定時(shí)器0打開到定時(shí)器0溢出的這段時(shí)間內(nèi)，如果沒有收到確認(rèn)包，則認(rèn)為數(shù)據(jù)包發(fā)送失敗，將Exceed_timing_flag置1；如果在這段時(shí)間內(nèi)收到確認(rèn)的數(shù)據(jù)包，則將定時(shí)器0關(guān)閉。
　　Tx_size系統(tǒng)接收到的來自串口的字節(jié)個(gè)數(shù)。

　　圖8中各個(gè)標(biāo)志位的意義如下：

　　Lock_flag本節(jié)點(diǎn)收到了其他節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)包。
　　Tx_to_s_flag在接收狀態(tài)，如果MCU中的緩沖區(qū)內(nèi)仍有數(shù)據(jù)，且Tx_to_s_flag=1，則可向串口發(fā)送1字節(jié)數(shù)據(jù)。當(dāng)MCU的TI中斷發(fā)生時(shí)，將此標(biāo)志位置1。

4  接口芯片RFW_D100的固件編程

　　對(duì)RFWD100進(jìn)行固件的編程是通過對(duì)RFWD100內(nèi)的特殊功能寄存器的編程實(shí)現(xiàn)的。

　　SCR2=0x1c配置前的操作；
　　BLR=0x06配置數(shù)據(jù)的空中碼速為1 Mbps；
　　PPR=0xca配置數(shù)據(jù)包的格式；
　　LCR=0x45配置數(shù)據(jù)包特殊字節(jié)的位置；
　　NIR=0xbb網(wǎng)絡(luò)識(shí)別地址；
　　BIR=0xee節(jié)點(diǎn)識(shí)別地址；
　　SCR1=0x20打開RSSI；
　　SCR3=0x03
　　SCR4=0x03
　　IER=0x13中斷使能；
　　SCR2=0x02系統(tǒng)處于數(shù)據(jù)包的搜索狀態(tài)。

結(jié)語

　　本設(shè)計(jì)以射頻芯片RFW122M及其接口芯片RFED100為核心，采用單片機(jī)AT89LV52作微處理器，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)短距離無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。今后的工作是完善和改進(jìn)該協(xié)議，進(jìn)一步提高無線數(shù)據(jù)的傳輸效率。

參考文獻(xiàn)

[1] 黃智偉. 無線數(shù)字收發(fā)電路設(shè)計(jì)——電路原理與應(yīng)用實(shí)例. 北京:電子工業(yè)出版社，2003.
[2] 鄭少仁，王海濤，趙志峰，等. Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)技術(shù). 北京：人民郵電出版社，2005.
[3]  張全寶，李峻. RFW102無線收發(fā)芯片組的原理與應(yīng)用. 國外電子元器件, 2004(1).
[4]  陳媛媛，楊凱，胡文東.基于RFW102芯片組的短距無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn). 現(xiàn)代電子技術(shù), 2005(24).
[5]  Vishay RFWaves Ltd. RFW122M ISM Transceiver Module, Preliminary Datasheet. 200505.
[6] Vishay RFWaves Ltd. RFWDD100: Standard Interface to The RFW100 Series. Datasheet. July 200207.