无线数据传输模块系统的设计
摘要
在现代无线通信领域，主要有一些技术为无线数据传输网络提供解决方案，如GSM，CDMA，3G，i-Fi等。这些解决方案使网络以高效率和高质量工作，但成本仍然很高，因此难以在低成本，无风险或基础设施破坏的情况下普及。针对这种情况，本文以收发器nRF905和51系列单片机为核心硬件设计了数据采集和无线传输网络中信息终端和无线接收模块的关键部件，结合目前的无线自组网络技术，搭建了一个短距离的无线数据采样和传输网络，提供低功耗，高性能的无线数据通信系统，工作在ISM（英思科）医疗）乐队。然后提出了无线数据通信的可用解决方案，该方案具有较强的实时响应性，较高的可靠性要求和较小的数据量。通过软硬件调试和实际测量，基于我们解决方案的该系统运行良好，达到了预期目标，并已成功应用于无线车载系统。
关键词 ： 自组网络 数据采集 传输网络
引言
在现代无线通信中，GSM，CDMA，3G和Wi-Fi由于其高速和可靠的质量而成为无线数据传输网络的主流解决方案。它们也存在成本高的缺点，如此广泛的应用会造成资源的大量浪费，在小区域，低速数据通信中不能得到推广。多点短距离无线数据采集和传输网络将是最佳解决方案。该系统支持点对点，点对多点和多点对多点通信系统的开发。短距离无线通信可以采用不同的网络技术，如蓝牙，IEEE802.11 ，家庭无线网和红外线。与远程无线通信网络相比，它们在基本结构，应用级别，服务范围和业务（数据，语音）方面有所不同。短距离无线通信网络设计的初衷是为移动环境提供短距离宽带无线接入或临时网络的制定，是移动环境下互联网的进一步发展。短距离无线通信网络的主要优点是成本更低，使用更灵活。本文提出了多点短距离无线数据采集与传输网络信息终端和无线接收模块的硬件和软件设计方案，提供了一种低功耗，高性能的无线数据通信系统，在ISM乐队工作。本文的其余部分安排如下。在第二章中，我们描述了无线数据采集和传输系统的总体框图。第三章分析了系统硬件设计的关键技术。第四部分介绍了系统软件设计。第五部分介绍了系统的测试结果。最后，我们在第六节中提出结论和未来工作。
第一章 系统实施模型
1.1 系统模型
作为一个点对多点的多功能无线通信系统，它由一个中央监控系统（CMS）和多个远程终端单元（RTU）组成。实际上，这个远程终端单元是某种可移动的站，它可以在运动过程中与其他站进行通信。此外，CMS以双向方式与RTU通信。在下一部分中，设计了信息终端和控制中心的软硬件关键部分。
1.2 参考模型
本文的系统基于ISO（国际标准化组织）的OSI / RM（开放系统互连参考模型）体系结构的第一层（物理层）和第二层（数据链路层）。物理层的功能是通过构建电路和专用芯片来完成的，然而通信协议中的数据链路层是通过软件来实现的。
第三章 系统的硬件设计
为了便于设计，维护和更新，根据功能和电气特性将一些硬件电路单元和节点分成不同的模块。基本结构中有RF收发模块，控制处理模块，通用串行接口模块，数据缓冲存储模块和多功能电源管理模块。
2.1 收发器和接收模块
在发送过程中，数据包应进行高频调制并发送给对象射频发送模块，在接收过程中，高频信号经过射频接收模块解调为原始数据包。 NRF905 是射频收发模块的关键，其频率为16MHz的晶体振荡器。 NRF905可以通过印制天线接收射频信号，但该模块采用外接天线和滤波电路，以提高接收灵敏度和抗干扰能力。
2.2 控制和处理模块
控制和处理模块由MCU和外部电路组成，它有两个功能：一个使所有模块工作在控制和谐的状态;另一个功能是处理和传输从接口获得的数据，如路由器处理，数据打包，验证和重复请求。
模块的关键部件MCU是51系列单片机，考虑到工业功能，WINBOND 78LE546] 在本实验中被应用，因为它在8位CMOS微处理器中具有很好的性能，兼容2.4-5.5V宽电压电源，256Bytes嵌入式RAM，16KB Flash EPROM和64KB寻址空间，4个8位标准I/O接口，1个标准I/O双串行接口。单片机的晶体振荡器频率为22.1184MHz，功率为3.3V，以适应无线收发器芯片的nRF905逻辑电平，通过与VCC连接来保护即将到来的PIN以保持其稳定性。
2.3 多功能电力管理
模块最显著的特点是5V和3.3V的CMOS电源和TTL电源分别兼容8-24V宽电压电源，为所有模块提供了合适和稳定的电源。同时，由于其电子开关，它在节能方面意义非常重大。电源转换芯片C851414和AS-1117-3.3是该模块的主要组成部分。 C851414将电压从8V转换到24V，然后，AS-1117-3.3将其从5V变为3.3V。此外，还引入了合适的滤波器电容和电感，使功率的纹波特性尽可能完美。
2.4 通用串行接口模块
通用串行接口模块的主要功能是将通用终端设备（如信号输出设备或模拟采集设备）与AD传输相连接。同时通过通用RS232串行接口为计算机终端提供数据交换入口。
2.5 数据缓冲和存储模块
它有两种功能，一种是数据缓冲器，另一种是数据存储器，分别由32KByte RAM和16KByte EEPROM执行。数据缓冲区监督缓存一些临时数据，如传输数据，等待数据。数据存储区监控一些固定的数据存储器，如路由器数据，本地主机，本地地址以及一些更新数据的断电保护。
2.6 高频率屏蔽保护模块
为了防止环境的电磁干扰，我们的设计系统中的电路采用金属外壳进行保护。同时，为防止数字电路干扰系统中的射频电路，我们将两个电路放置在不同的隔离仓中，如图3所示。在金属中有一个直径小于1/4波长的小孔盒侧，这可以容易地通过线路或防止电磁波进入它。
第三章 系统软件设计
系统性能的实现取决于其有效和合理的软件控制。该软件的设计是在硬件环境的基础上，开发一种无线网络协议，具有数据传输，避免冲突，发生错误时的重传和超时重试等功能，以达到设计目标。整个网络由一个主机和多个分散的终端组成，每个终端必须有一个无线收发节点（该系统采用nRF905单片射频收发器），整个无线网络的任何节点都有一个唯一的识别地址，它由一个唯一识别的终端。为了方便起见，实际系统的每个终端无线收发器节点地址都由我们自己设置（4个字节）。
为了提高系统的可靠性，该协议被设计为停止等待模式。在数据链路层，发送过程大致如下。首先，数据源向数据目标发送连接请求，并在数据源响应后传输数据。然后在每次传输之后等待数据目标的响应。如果响应正确，另一次传输将开始。数据传输完毕后，数据源会发出释放通道资源的请求，收到目标响应后传输结束。接收过程如下：数据目标在收到响应后会收到数据，并且会给出有效或无效的响应，直到收到拆除请求。然后，保存数据并发送响应以结束整个过程。
3.1 地址字段和帧格式的定义
我们基于上述收发器过程定义了帧格式。有两个帧：请求/响应帧和数据帧。
3.2 串行外设接口技术
串行外设接口总线或SPI总线是由Motorola命名的同步串行数据链接标准，可在全双工模式下运行。设备以主/从模式进行通信，主设备发起数据帧。允许多个从设备使用单独的从设备选择（芯片选择）线。有一个MASTER和一个SLAVE模式。 MASTER设备提供时钟信号并确定芯片选择线的状态，即它激活它想与之通信的SLAVE。因此CS和SCKL是输出。 SLAVE器件从MASTER接收时钟和片选，因此CS和SCKL是输入。这意味着有一个主设备，而从设备的数量仅受限于芯片选择的数量。 SPI器件可以是一个简单的移位寄存器，直到一个独立的子系统。移位寄存器的基本原理总是存在的。命令代码以及数据值被串行传输，被泵入移位寄存器，然后在内部用于并行处理。这里我们已经看到了一个重要的点，在SPI总线系统的理念中必须考虑到这一点：移位寄存器的长度并不固定，但可能因器件而异。通常移位寄存器是8Bit或其整数倍。当然，也存在具有奇数位的移位寄存器。例如，两个级联的9位EEPROM可以存储18位数据。如果没有选择SPI器件，则其数据输出将进入高阻状态，从而不会干扰当前激活的器件。级联几个SPI器件时，它们被视为一个从器件，因此连接到相同的片选。级联器件显然被看作是一个更大的器件，因此接收相同的片选。前一个器件的数据输出连接到下一个器件的数据输入，从而形成一个更宽的移位寄存器。基于SPI技术的特点，我们提出了如图5所示的解决方案，SPI的算法流程和图6所示的读取SPI的算法流程。
3.3 地址码信息压缩和处理技术
通信终端的名称与大多数无线应用系统中的无线通信地址相同，这为该系统的设计和应用带来了一定的便利。无线收发芯片nRF905的最大地址长度为32位，即四个字节长度，仅存储两个中文ASCII码值。因此提出了地址码压缩技术来解决这个问题。
3.4 定时器应用程序和错误重传
在通信过程中，由于链路干扰或其他因素的影响，接收方无法接收到发送方的数据帧，或数据帧不正确，此时接收方不会返回任何确认帧，如果发送方直到接收方的确认帧才发送下一帧，然后永远等待，或者接收方不能处理来自发送方的错误信息，从而导致死锁现象。在发送方或接收方完成数据帧以解决此问题后启动超时定时器。当发送方在超时定时器的重新发送时间tout设置内不能收到响应消息时，发送方需要重新发送最后一个数据帧。显然，选择投资者是非常重要的。如果tout太短，发送方在正常情况下重新发送数据帧。相反，发件人浪费很多时间。通常，发送者发送数据帧与接收确认帧之间的平均时间略长。基于上述情况，重传机制用于设计串口接收，无线接收和子单元拆包模块，等待信息终端返回消息。
3.5 整个实现模块
系统的功能是否能实现并保持稳定取决于软件的合理编程。在经过各种考虑和假设之后，我们将软件设计为图7所示的模块，以使系统实现更好的功效和适应性。图8显示了控制中心（主机）的软件流程图。我们将重点关注模块的一些关键部分。
第五章 系统测试
因为任何两个节点之间的通信都可以通过点对点进行测试，在本系统测试过程中，节点之间的通信模型。
闭环测试电路通过双串口，两个RS232端口和通讯节点A，B的PC机搭建。一端通过串口测试辅助工具“串口助手V2.2”发送数据，另一端终端，返回数据被监控。数据通过PC的串口A，RS232口，然后是数据缓冲区，最后是无线收发模块。但是，数据接收的过程是SPI串行，数据缓冲，然后是RS232端口，最后是PC。本文以收发器nRF905和51系列单片机为核心硬件设计了一个低功耗，高性能的无线数据通信系统。提出了一种可用于无线数据通信的解决方案，
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武汉理工大学
毕业设计（论文）
外文文献翻译
学生姓名： 吴帅
导师姓名： 程鑫
所属学院： 机电工程学院
专业班级： 测控1401
The Design of a Wireless Data Acquisition and
Transmission System
Abstract—In the field of modern wireless communication, there are mainly some technologies that provide solutions to the wireless data transmission network, such as: GSM, CDMA, 3G, Wi-Fi. These solutions make network work with high efficiency and good quality, but still with high cost. So it was difficulty in popularizing in with low cost and at the circumstance of infrastureless or infrastructure destruction. According to this situation, in this paper, the key components of the Information Terminal and the wireless receiving modules on the data collection and wireless transmission network were designed with the principle of transceiver nRF905 and 51 series of single-chip computer as the core hardware, besides, combining with the current technology on the Wireless Ad Hoc Networks, a short-rang wireless data sampling and transmission network was putting up , which provides a low-powered and high-performance wireless data communication system, works in the ISM (Industrial Scientific Medical )Band. Then, an available solution to the wireless data communications was put forward, and this solution was good at stronger real-time response, higher reliability requirement and smaller data amount. Through software and hardware debugging and actual measuring, this system based on our solution had work well, reached the expected goal and been already successfully applied to Wireless vehicle System.
Index Terms—Ad Hoc Network; data acquisition; transmission network
- INTRODUCTION
In modern wireless communication, GSM, CDMA, 3G, and Wi-Fi become the mainstream solution of wireless data transmission network because of their high speed and reliable quality. They also have the shortcomings of high cost, so wider application would cause a great waste of resources, and they cannot be promoted in small regional, low speed data communications. Multi-point short-range wireless datacollection and transmission network will be the best solution. The system supports the development of communication system of peer-to-peer, point-to-multipoint, and multipoint-to-multipoint. Short-range wireless communication can adopt different network technologies, such as Bluetooth [1], IEEE802.11 [2], HomeRF [3] and Infrared [4]. Compared with long-distance wireless communication network, they are different in the basic structure, the application level, service range, and business (data, voice). The original intention of design of short-range wireless communication network is to provide short-distance broadband wireless access to mobile environment or formulation of temporary network, it is the further development of internet in mobile environment. The main advantage of short-range wireless communication network is lower cost and more flexible use. This paper presents the design proposal of hardware and software of information terminal (a machine) and wireless receiver module of multi-point short-range wireless data collection and transmission network, which provides a low-powered and high-performance wireless data communication system, works in the ISM （Industrial Scientific Medical ）Band. The remainder of this paper is organized as follows. In Section Ⅱ, we describe the general block diagram of the wireless data acquisition and transmission system. In section Ⅲ, we analyze the key technologies about the system hardware design. In section Ⅳ, the system software design is introduced. In section Ⅴ, the testing results of system is presented. Finally, we present the conclusion and future work in Section Ⅵ.
II. SYSTEM IMPLEMENTATION MODEL
- System Model
As a point to multi-points multi-mission wireless communication system, it consists of one central monitoring system (CMS) and Multiple Remote Terminal Units (RTU) (figure 1). In fact, this remote terminal unit is some kind of removable stations which can communicate with other stations in the process of motion. Furthermore, the CMS communicate with RTU in bidirectional way. In the next part, some pivotal segment on software and hardware of the information terminal and control center was designed.
- Reference Model
The system in this paper is designed based on the first layer (the physical layer) and the second layer (the data link layer) of the architecture of OSI/RM (Open Systems Interconnection Reference Model) that the ISO (International Organization for Standardization) proposed, such as figure 2. The function of the physical layer is finished through constructing the circuit and special chips. Otherwise, communication protocols in the data link layer are realized by software.
Ⅲ. THE HARDWARE DESIGN OF THE SYSTEM
For the sake of the convenience of design, maintenance and update, some hardware circuit cell and node was divided into some different module according t
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