由FWl22-M構(gòu)成的短距離無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)
關(guān)鍵詞 無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng) RFWl22-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)用于實際中。主要有無線局域網(wǎng)(WLAN)、個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(PAN)及無線短距離消費類產(chǎn)品(如中低速數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用，有效范圍在30m以內(nèi))。該通信技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)有ⅢEE802．11a、Hiperlan2、藍(lán)牙(TEEE802．15，1)、HomeRF及IEEE802．11b(WI-FI)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，價格較高，因而不適合低端產(chǎn)品。RFWaves公司針對現(xiàn)有市場發(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RFWl22-M，符合美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)的技術(shù)規(guī)范。
本系統(tǒng)利用射頻芯片RFWl22-M及其與MCU的接口芯片RFW-D100，在單片機AT89LV52的控制下，實現(xiàn)了短距離的無線數(shù)據(jù)通信。
1 射頻芯片RFWl22-M及其接口芯片RFW-D100
RFWl22-M無線收發(fā)芯片是一種半雙工、使用直接序列擴頻(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2．4～3．6V。在空閑狀態(tài)下，幾乎不消耗功率(O．1μA@VCC=3V)。RFW122-M可以外接一個200Ω的差分阻抗滅線(印制版天線)或帶有匹配電路的其他天線，在誤碼率為lO-3的條件下，接收靈敏度為-77dBm。該模塊有3根數(shù)據(jù)控制線，且其數(shù)據(jù)I／O口是一個串行的數(shù)字接口。它的喚醒時間為20μs，同步時間是1．2μs。最高數(shù)據(jù)傳輸速率為1 Mbps，此時工作電流為33mA。
為了降低MCU實時處理MAC協(xié)議的要求，RFWl22-M芯片組提供了RFWl22-M與MCU之間的接口芯片RFW-D100。該芯片在MCU和RFWl22-M之間提供了一個并行接口；同時提供了對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(射頻信號強度檢測)，能檢測到任何強度的無線傳輸，避免沖突；另一種是使用RF-Wayes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站點發(fā)生沖突。
(1)RSSI(射頻信號強度檢測)
RSSI機制用來比較某個非RFWaves站點傳輸?shù)墓β食^了一個確定的門限(用一個外部的電阻來設(shè)置這個數(shù)值，RFW-D100給出了該門限的參考電壓和計算公式)，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，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RFWayes網(wǎng)絡(luò)的載波監(jiān)聽的算法
該機制主要用來監(jiān)測相似的RFWaves網(wǎng)絡(luò)。RFWD100利用載波偵聽算法監(jiān)聽足否有外部相似的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)生一個中斷來通知MCU，此時MCU可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。
2 硬件設(shè)計
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，同時具備功能強大的軟件仿真和硬件仿真。系統(tǒng)包含兩個MCU與RFWl22-M及RFW-D100的連接關(guān)系如圖2所示。
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)多個站點要同時訪問介質(zhì)時，就要進(jìn)行控制。CSMA就是常用的一種方式。當(dāng)網(wǎng)中站臺要發(fā)送數(shù)據(jù)時，先檢測是否有別的站臺占用了傳輸媒體。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2．44GHz的ISM頻段，該頻段存在較大干擾，所以設(shè)計數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)時最重要的原則是，以盡量短的時間占用信道．以降低潛在沖突的概率。在傳輸中，包重疊的概率是與每個發(fā)送節(jié)點占用共享信道的時間成正比的。因此，若以高比特率傳輸數(shù)據(jù)包，會提高數(shù)據(jù)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RFWl22-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。
被正確接收的概率。RFW-DlOO最高的空中數(shù)據(jù)傳輸速率為1Mbps，它可以被配置為各種傳輸速率。在RFW-D100的數(shù)據(jù)手冊中，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，則每個小包被正確接收的概率又會增加。這樣，當(dāng)干擾出現(xiàn)時，只有一小部分會丟失，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。
①PREAMBLE：RFW-D100發(fā)送PREAMBLE的目的是使接收機和發(fā)送機同步。20位長，高4位為1111，其他16位可以配置。發(fā)送順序為從高到低。
②NET_FIRST：1字節(jié)，網(wǎng)絡(luò)地址字節(jié)。
③NET_SEC：1字節(jié)，網(wǎng)絡(luò)地址字節(jié)。
④DST_ID：1字節(jié)，數(shù)據(jù)包所發(fā)往的目的節(jié)點地址。
⑤SRC_ID：1字節(jié)，發(fā)數(shù)據(jù)包的源站地址。
⑥SEQUENCE：l字節(jié)。這個段包括兩個值：高4位表示數(shù)據(jù)序號，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，0011h為數(shù)據(jù)包的應(yīng)答包，0100b為拆鏈包，OlOlb為拆鏈的響應(yīng)包。
⑦SIZE：l字節(jié)。這個段說明包的大小。當(dāng)設(shè)定數(shù)據(jù)包為固定大小時，SIZE沒有意義。
⑧PAYLOAD：1字節(jié)。來自上層軟件層的數(shù)據(jù)。
⑨CRC：1字節(jié)。RFW-D100在發(fā)送端給每個包增加CRC信息，使得接收機對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測。
在本系統(tǒng)的協(xié)議設(shè)計過程中，采用小數(shù)據(jù)包的傳輸模式，從串口中收到的數(shù)據(jù)個數(shù)(以字節(jié)為單位)等于10時，將這些數(shù)據(jù)打包發(fā)送出去。如果收到的數(shù)據(jù)個數(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個狀態(tài)，分別是空閑態(tài)、握手態(tài)、傳輸態(tài)和接收態(tài)。
空閑態(tài)：如果沒有串口中斷或外部的握手信號中斷，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，并對從串口到來的數(shù)據(jù)包做丟棄處理。
3.3 4 個狀態(tài)的處理流程
系統(tǒng)4個狀態(tài)的處理流程如圖5～圖8所示。
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)個數(shù)。
Tx_end_flag 串口中的數(shù)據(jù)發(fā)送完畢。由定時器1控制，定時一段時間。如果在這段時間內(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)送完牛。每次收到新的串口數(shù)據(jù)時重置定時器，定時的時間大于1字節(jié)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間。
Checkact_send_flag由定時器 0控制，在定時的時間內(nèi)如果沒有收到握手應(yīng)答包，則定時器0溢出，Check-act_send_flag被置1，重發(fā)握手包。
圖7中各個標(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一個數(shù)據(jù)包已經(jīng)發(fā)送出去但還沒有收到確認(rèn)包時將此位置1，為0時表示系統(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)送完每一個數(shù)據(jù)包的同時打開定時器0，從定時器0打開到定時器0溢出的這段時間內(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l；如果在這段時間內(nèi)收到確認(rèn)的數(shù)據(jù)包，則將定時器O關(guān)閉。
Tx_size系統(tǒng)接收到的來自串口的字節(jié)個數(shù)。
圖8中各個標(biāo)志位的意義如下：
Lock_flag本節(jié)點收到了其他節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)包。
Tx_t0_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=l，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，將此標(biāo)志位置1。
4 接口芯片RFW_D100的固件編程
對RFW_D100進(jìn)行固件的編程是通過對RFW_D100內(nèi)的特殊功能寄存器的編程實現(xiàn)的。
結(jié)語
本設(shè)計以射頻芯片RFWl22-M及其接口芯片RFE-D100為核心，采用單片機AT89LV52作微處理器，實現(xiàn)了一個短距離無線數(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。
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