无线通讯技术的设计方案.docx

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无线通讯技术的设计方案

无线通讯技术的设计方案

第一章引言

1.1研究的目的和意义

目前无线数据通信技术在工控应用中不断升温，无线通讯正在深入各种行业。

无线通信技术取代了数据电缆来完成点对点或点对多点的数据通信。

传统的信号电缆传输方式的优点是传输速度快，信号相互之间隔离好。

但由于每个信号占用一条信号电缆线，当工位和信号较多时，占用的信号线多，施工布线工程量大，不易维护。

一旦出现故障，检修非常不便。

随着微电子技术的不断发展，无线数据传输技术得到越来越多的推广和应用，该技术的最大特点是通信的双方可省去布线，具有成本低、可靠性高、维护方便等优点。

但目前国外该技术在计算机测控领域中使用的还不是太多。

利用无线数据传输技术实现上位机和下位机之间的通信以及下位机和现场传感器之间实现信号的传输，不但省去了信号电缆及布线工作，还可使系统之间的信号传输和连接大为简化。

在工控现场中，短程的无线连接有着广泛的应用需求，但一直没有一个很好的解决方案。

无线通信技术应用于工业测控现场，能够降低施工的难度和建设成本，具有较高的实用价值和较好的应用前景。

其优点表现在：

①取代了大量短程连接所用的电缆，尤其是电缆无法到达的地方，无线通信具有更大的优势；

②以前的应用程序可以不做任何或很小的修改，升级成本小；

③易于安装、维护与扩展。

④降低了系统建造成本，这也是无线通信技术的一个显著特点；

近年来，无线网络成为工控领域中迅速发展的热点之一，也是工业自动化产品未来的新增长点。

显而易见，在配置、安装、修改和扩展等方面，无线网络的成本都低于有线网络。

特别是通过无线网络可以很方便地接入移动设备，例如在物流过程中的装载和运输如若采用无线网络，将大大提高工作人员的工作效率和精确性。

1.2当前现状

在测控应用中，现阶段基本上都是以有线的方式进行连接，实现各种控制功能。

各种总线技术，局域网技术等有线网络的使用给人们的生产和生活带来了便利，改变了我们的生活，对社会的发展起到了极大的推动作用。

有线网络速度快，数据流量大，可靠性强，对于基本固定的设备来说无疑是比较理想的选择，在实际应用中也达到了比较满意的效果。

但随着集成电路技术、射频技术的发展，无线通信功能的实现越来越容易，数据传输速度也越来越快，并且逐渐达到可以和有线网络相媲美的水平。

而同时有线网络布线麻烦，线路故障难以检查，设备重新布局就要重新布线，且不能随意移动等缺点越发突出。

在向往自由和希望随时随地进行通信的今天，人们把目光转向了无线通信方式，尤其是一些机动性要求较强的设备，或人们不方便随时到达现场的条件下。

因此出现一些典型的无线应用，如：

无线智能家居，无线数据采集，无线设备管理和监控，汽车仪表数据的无线读取等等。

微电子技术的不断发展极推动了计算机和通信设备的普及和迅猛发展，无线数据传输技术也获得了越来越广泛的应用。

该技术省去了布线，具有成本低、可靠性高、易于维护等诸多优点。

随着信息化带动各行业进程的逐步深入，在工业测控领域，由无线数据传输模块构成的双级测控管理系统将会有广泛的应用前景。

1.3系统方案论证和预期目标

本系统利用单片机与微型计算机相结合，并配合无线数据传输技术，实现对现场温度、转速信号的采集和监控管理。

系统能够将采集的数据进行处理、显示或发送到上位机做进一步处理。

作为系统的控制核心，选择一款合适的微控制器是非常关键的。

基于本系统的具体情况，经过比较，本课题选择了仪器公司（TI）开发的16位RISC指令MSP430单片机，它的突出优点是超低功耗，高抗干扰和高度集成，易于连接外部接口电路，非常适合构建单片机最小系统。

上位机采用功能强大的微型计算机，它由于有操作系统和其他软件的支持，可以向用户提供友好、简洁的界面，有利于用户高效的数据管理。

对于无线数据传输模块，目前市场上已有多种产品可供选择，如PTR2000、FB230等，本课题选用了SRWF-108型微功率无线数据传输模块，该无线通信模块具有很强的抗干扰能力，全透明数据传输，体积小，功耗低，传输距离远等特点，其工作频率在ISM频段，无需申请频点，且提供2个串口3种接口方式，可直接与单片机串口、计算机RS-232串口连接，无需添加电平转换电路，软件编程非常方便。

经过严格的分析论证，本方案能够实现基于无线数据传输的信号采集与管理系统。

该系统不但能及时监控现场数据，而且方便人们观测和管理，对其他类似的无线数据采集、传输应用系统具有一定的参考价值。

系统的主要设计技术指标与参数如下：

1.温度测试围：

-20oC~90oC，测试分辨率：

1oC。

2.转速测试围：

1~9999转/分，测试分辨率：

1转。

3.设计两组LED数码显示器，每组4位，分别显示温度和转速。

4.通信波特率不低于9600，通信距离不小于50m。

5.定义一个功能键用来启动通信过程（即只有当按下该键时才能向上位机发送数据）。

1.4系统设计概述

双级监控管理系统由上位机和下位机组成,它能够完成对现场的实时监控和数据管理。

下位机采用msp430系列的单片机，它功耗低，外设丰富，易于接外部接口电路，用来监测现场数据。

上位机采用功能强大的微型计算机，由于它具有操作系统和其他软件的支持，可以向用户提供美观的界面和高效的数据管理。

本课题的双级监控管理系统正是结合了上位机和下位机各自的优点，实现了对实时数据的监控和管理。

本设计主要完成一个具有温度和转速测试功能、LED数码显示功能、串行通信等功能的下位机最小系统，并选用无线通信模块完成与上位机的通信功能。

设计中，硬件部分即系统电路的设计是利用电路CAD工具软件Protel设计完成的。

Protel设计系统是一套建立在IBM兼容PC环境下的EDA电路集成设计环境。

上位机软件部分即通讯和数据处理程序的设计利用VisualBasic6.0完成。

设计主要分为三大部分：

第一部分，系统硬件的选用及电路设计。

第二部分，下位机系统软件部分的开发。

主要包括数据采集处理程序，数据显示程序，串口通信程序和主处理模块。

第三部分，上位机数据通信与管理程序的设计。

程序主要分两部分：

一是数据发送程序，主要是把需要发送的数据转换成发送码并将其发送出去。

二是数据接收程序，主要是接收发送码并将其还原，显示所接收到的数据。

第二章系统的硬件构成与分析

2.1系统描述

本系统采用MSP430单片机结合无线数据收发模块SWRF—108组成基于无线传输的双级测控管理系统，能够实时对现场温度信号和转速信号进行采集。

整个系统的原理框图如图1所示：

图1系统原理图

由图1可以看出，整个系统结构比较简单，主要由数据采集模块、显示模块、无线串口通信模块、单片机模块和微机（上位机）组成。

下位机主要负责数据的采集和通信，上位机负责接收下位机的数据并对其做进一步处理。

下面分别介绍系统几个主要硬件器件的选择和各模块的实现。

2.2MSP430微控制器简介

MSP430是TI公司近几年推出的16位系列单片机，其最早是面向于驱动LED显示的应用设计，由于极好的应用效果和很大的市场潜力，现已有X1XX、X3XX、X4XX几个系列，并且还在不断的发展。

MSP430作为一种新型的单片机，采用了TI公司最新的低功耗技术，使其在众多的单片机中独树一帜。

MSP430工作在1.8～3.6V电压下，有正常工作模式（AM）和4种低功耗工作模式（LPM1、LPM2、LPM3、LPM4），在电源电压为3V时，各种模式的工作电流分别为AM：

340uA、LPM1：

70uA、LPM2：

17uA、LPM3：

2uA、LPM4：

0.1uA。

单片机可以方便的在各种工作模式之间切换。

MSP430的超低功耗使其在电池供电、便携式设备的应用中表现出非常优良的特性。

MSP430也具有非常高的集成度，其充足的外设和存储器容量能够实现真正的SYSTEM-ON-A-CHIP，即单芯片系统。

其外设包括一个12位AD转换，斜坡式AD转换，三个具有捕捉比较、脉宽调制输出的功能的定时器，集成在芯片上的时钟信号发生器，硬件乘法器，串行输入输出模块，看门狗定时器，片数控振荡器（DCO）、大量的I/O端口以及大容量的片存储器，单片可以满足绝大多数的应用需要。

MSP430的这种高集成度使应用人员不必在接口、外接I/O及存储器上花太多的精力，而可以方便的设计真正意义上的单片系统。

MSP430的片存储器有ROM（C型）、OTP（P型）、EPROM（E型）、FlashMemory（F型）4种型号，采用.诺伊曼结构，因此，RAM、ROM和全部的外围模块都位于同一地址空间。

MSP430系列的指令系统同样别具特色。

在统一寻址空间，七种源地址模式和四种目的地址模式为用户提供了无限制的立体空间寻址。

也就是七种源地址可指向整个寻址空间的所有存在地址，四种目的地址可指向整个寻址空间的所有存在地址。

与其他寻址方式相比，这种立体寻址方式的灵活性显而易见。

同时其核指令只有二十七个。

以16位结构和接近8MIPS的运算速度为依托，使的MSP430能够轻松完成32位或48位浮点运算。

由于选用了集成度很高的MSP430系列微控制器，本系统的整个电路结构变得非常简单。

这种System－on－a－chip结构使得系统的可靠性增加。

结构的简化同时降低了主机部分的成本。

2.3无线数据传输模块

目前技术比较成熟的短距离无线通讯方式主要有两种：

红外（IR）和射频（RF）。

因为红外传输的最大不足是红外方向性强，距离短，不能有遮挡物。

射频方式覆盖围大，发射功率较自然背景噪声低，而且这种技术具有良好的抗干扰性、抗噪声、抗衰落及性能。

因此它具有很高的可用性。

目前，市场上无线收发芯片的种类和数量比较多，具体选择方案时，应考虑以下一些因素：

收发芯片所需的外围元件数量，功耗，发射功率，最大数据传输率等等。

经过多方比较和考虑，本系统选择了桑锐电子科技的SRWF-108型微功率无线数传模块。

该模块采用高效FEC前向纠错技术，同时结合高性能的无线射频IC以及高速微处理器，在SRWF-1型无线通信模块的基础上适当增加了无线射频功率放大器,可与SRWF-1、SRWF-105、SRWF-106、SRWF-107进行无线通信。

该无线通信模块具有很强的抗干扰能力,全透明传输,体积小,功耗低传输距离远的特点,客户使用时不需要任何编码技术。

其主要结构和技术参数如下：

性能参数：

型号SRWF-108中心频率433MHZ/868MHZ/915MHZ

频率围429~438MHZ信道数8/16/32信道可选

调制方式FSK通信距离（开放环境）>2500米

功能双向半双工通信波特率1200/2400/4800/9600/19200bps

接口方式TTL串口/RS232/RS485发射功率+1000mW/30dbm

接收灵敏度-105dbm通信数据格式8N1/8E1/8O1可调

工作电压+4.2V~+5.5V发射电流<700mA

接收电流<40mA休眠电流<20uA

工作温度-25℃~70℃工作湿度10%~90%相对湿度无冷凝

尺寸65x38x7mm

相关型号SRWF-1、SRWF-105、SRWF-106、SRWF-107、SRWF-108

接口说明:

该产品具有以下特点:

1.微发射功率:

最大30dbm（1000mW）的发射功率。

2.ISM频段工作频率，无需申请频点。

载频频率429-438MHz，也可提供315/868/915MHz等载频

3.高抗干扰能力和低误码率。

基于FSK的调制方式，采用高效通信协议，在信道误码率为10-2时，可得到实际误码率10-5～10-6。

4.完善的通讯协议。

5.传输距离远。

在视距情况下，天线高度>3米，可靠传输离距>2500m（BER=10-3/1200bps）。

6.透明的数据传输。

提供透明的数据接口，能适应任何标准或非标准的用户协议。

自动过滤掉空中产生的噪音信号及假数据（所发即所收）。

7.多信道，多速率。

SRWF-108型模块标准配置提供8/16/32个信道，根据用户需要，可扩展到32信道，满足用户多种通信组合方式的需求。

SRWF-1型模块可提供1200bps、2400bps、4800bps、9600bps、19200bps等多种通信波特率，并且无线传输速率与接口波特率成正比，以满足客户设备对多种波特率的需要。

8.双串口，3种接口方式。

SRWF-108型模块提供2个串口3种接口方式，COM1为TTL电平UART接口。

COM2由用户自定义为标准的RS-232/RS-485接口（用户只需要拔/插短路器再上电即可改变接口类型）。

9.高速无线通讯和大的数据缓冲区。

可一次传输无限长度的数据，用户编程更加灵活。

10.智能数据控制，用户无需编制多余的程序

即使是半双工通信，用户也无需编制多余的程序，只要从接口收/发数据即可，其它如空中收/发转换，网络连接，控制等操作，SRWF-108型模块能够自动完成。

11.低功耗及休眠功能。

接收电流<40mA，发射电流<700mA,休眠时电流仅为<20uA（波特率=1200bps）。

12.高可靠性，体积小、重量轻。

采用高性能单片处理器ATMega8L,外围电路少，可靠性高，故障率低。

13.两种接口收发等待时间。

可设置的接口等待时间使用模块既能用于高速用户设备（如DSP系统）也可适用低速系统（如51系统）。

14.看门狗实时监控。

ATMega8L的看门狗监控部功能，改变了传统产品的组织结构，提高了产品的可靠性。

2.4系统硬件模块设计

系统硬件部分即系统电路的设计是利用电路CAD工具软件Protel设计完成的。

Protel设计系统是一套建立在IBM兼容PC环境下的EDA电路集成设计环境，其功能强大，兼容性好，且性价比高。

融合了当今EDA最先进的设计成果，能处理各种复杂的PCB设计过程，实现PCB和FPGA设计的多维设计输入、信号仿真、信号完整性分析、拓扑逻辑自动布线和CAM处理与验证等功能。

Protel不仅能完成基于PCB和FPGA的设计输入、仿真和验证,还包括了PCB设计特性，如规则驱动的PCB设计、拓扑逻辑自动布线技术和CAM文件编辑功能。

Protel是当今EDA最新发展中专门基于WindowsXP和Windows2000Pro平台的板级设计系统，能为用户提供全线的板级设计手段。

它将所有板级设计工具集于一身，使设计者能够按照自己的设计方式实现从最初的项目规划到最终形成生产数据的全部过程。

该系统的硬件部分主要由电源模块，复位模块，数据采集模块，无线串口通信模块及单片机处理模块构成。

2.4.1电源电路

电源电路为整个系统提供稳定可靠的电压输出。

MSP430F1222单片机的输入电压围为1.8～3.6V，而前置信号处理电路和无线数传模块的工作需要＋5V电压。

该电源可为整个系统提供稳定的3.3V和5V电压，电路采用LM317T三端可调稳压器为系统提供3.3V的电压，用MC7805T稳压芯片提供5V电压。

电路如图2所示：

图2电源电路图

为了使输出的电源稳定，输出纹波小，在电路的输出部分分别采用两个电容进行滤波，在电路的输入端也放置两个滤波电容，以减小输入端的纹波。

2.4.2复位电路

在单片机系统中，单片机需要复位电路。

复位电路可以采用R—C复位电路，也可以采用复位芯片实现的复位电路。

R—C复位电路的经济成本比较低，但可靠性不高，用复位芯片实现的电路具有较高的可靠性，同时也提高了系统的成本。

本系统根据自身情况，选择的是R—C复位电路，如图3所示：

图3复位电路

2.4.3数据采集电路

数据采集电路分为温度采集电路和转速采集电路，电路采用常用的信号采集电路，如图4所示：

图4数据采集电路

1）温度采集电路

传感器采集的温度信号经过LM358运算放大器处理后送入单片机的P2.0口进行A/D转换。

2）转速采集电路

传感器采集的转速脉冲信号经过74HC14施密特触发器整形后送入单片机的P2口，然后由单片机进行脉冲中断记数。

2.4.4无线串口通信电路

无线数据传输模块的电路设计的主要功能是提供单片机和SWRF—108无线模块的接口电路，以及SWRF—108无线模块和计算机之间的通信接口电路。

图5串口通信电路

由于单片机的输入、输出电平为TTL电平，与PC机RS-232标准串行接口的电气规不一致，因此要实现单片机与PC机之间的数据通信，必须进行电平转换。

但由于SWRF—108无线模块提供2个串口3种接口方式，COM1为TTL电平UART接口。

COM2由用户自定义为标准的RS-232/RS-485接口，用户只需要拔/插短路器再上电即可改变接口类型，可直接与单片机串口、计算机RS-232串口连接，无需添加电平转换电路，这使得电路设计更加简单。

将SWRF—108无线模块的TXD引脚和RXD引脚分别连接单片机的URXD0引脚和UTXD0引脚，SWRF—108模块的电源接5V电压，同时将地线引脚接地。

2.4.5显示电路

系统的显示电路采用简单常用的LED显示方式，该方式既能够满足系统的要求，又具有亮度高、工作电压低、功耗小、微型化、易与集成电路匹配、驱动简单、寿命长、耐冲击、性能稳定等优点，也可降低整个系统的成本。

图6为该系统的显示电路。

图6显示电路

该显示电路由两组LED数码显示器，每组4位，左面4位用于显示温度，右面4位用于显示转速。

显示器通过74HC245驱动芯片与单片机的P1口相连，单片机P3口的P3.0—P3.2引脚通过74HS138译码器来控制LED数码管的显示选通状态。

由于MSP430系列单片机具有丰富的I/O口资源，这样的连接方式非常易于实现，同时也减小了系统设计的复杂性。

2.4.6单片机电路

单片机电路作为整个系统的核心控制部分，主要完成与其他电路的接口，在系统中主要负责对现场温度信号和转速信号的采集，并将得到的数据进行处理显示，或通过按键将数据通过无线数据模块传输到上位机做进一步处理。

其电路图如下：

图7单片机电路

由以上各部分电路可以看出，整个系统硬件设计比较简单，数据采集电路具有一定的通用性，可同时采集模拟量数据和数字量数据。

电源及复位模块主要为整个系统提供可靠的电源，考虑到系统工作需要提供复位功能，因此电路也为系统提供复位信号。

串口通信模块主要完成与上位机通信，设计比较简单。

另外，单片机的时钟模块由低速晶体振荡器，同时外加电容构成。

键盘输入电路完成用户与机器的交互，按键相对较少，主要用来提供向上位机发送数据的控制信号，连接于单片机的P2口，采用中断触发方式实现。

第三章系统软件设计

系统的软件由上位机软件和下位机软件构成。

上位机程序主要完成对下位机数据的接收和对下位机发送信息，并对接收的数据做进一步处理。

下位机程序主要完成对现场温度和转速的采集，用LED显示转速和温度数据，将数据上传给上位机，并接收上位机发送的信息。

3.1上位机程序设计

本系统的上位机软件使用微软的VisualBasic6.0（简称VB6）来开发。

VisualBasic是Mcrosoft公司推出的强有力的系列开发软件之一，而且以其实用、方便、快捷、开发周期短、广泛而强大的功能越来越被广大编程人员所亲赖，广为流传。

在VisaulBasic开发工具中提供了大量的控件（或称控制、组件）供编程人员使用，可以方便的利用这些组件中的属性、方法、语言等以事件驱动方式开发应用程序，还可以利用WINDOWSSDK中的API中的应用程序接口等工具开发应用程序。

它支持面向对象程序设计,支持结构化的事件驱动编程模式,并可使用无限扩增的控件。

VB6是一个Windows系统下流行的应用程序开发平台，其方便的界面设计使程序员能节省大量时间，并把最大的精力集中在应用程序核心代码的编写上。

本软件与下位机软硬件及其它相关元器件共同组成了一个双级测控管理系统。

软件主要功能如下：

（1）通信功能：

通过串行口发送命令信号实现对下位机的控制，也可实时接收下位机发送的数据。

（2）显示功能：

实时显示接收的数据，能够选择不同的数据格式进行显示。

（3）数据管理功能：

管理监控到的数据，对从串行口接收的数据进行处理分析或存储。

程序的运行界面如下：

图8串口通信程序界面

由于程序的界面安排比较紧凑，对接收数据的保存功能放在右键的弹出菜单中。

3.1.1VB串行通讯

在VB的控件工具箱中，提供了一个使用非常方便的串行通讯控件MSComm，它全面的提供了使用RS-232串行通讯上层开发的所有细则，它既可以使用查询方式又可以使用事件驱动方式来完成串行通讯。

在MSComm控件中提供了一系列的编程要素，这些编程要素有属性、事件和函数，利用这些要素编程，可以实现几乎全部的串行通讯功能。

控件MSComm提供了一个事件OnComm，该事件可以截取串口的任何消息，转入事件处理程序。

WINDOWS操作系统的运行机制为事件驱动，在VB编程中事件驱动方式同样是软件运行的主要方式之一，当没有事件发生时程序可能处于某一循环、等待或任务状态当事件发生时，程序转入事件处理程序。

每个控件下都有一些事件供程序员使用，MSCOMM控件中OnComm事件是唯一的，OnComm可以扑获通讯时发生的串口事件和错误信息，当有串口事件或错误发生时，VB会立刻触发一个OnComm事件，程序就会自动转入OnComm事件处理程序中。

CommEvent属性是OnComm事件的指示器，该属性在设计时不能使用，在程序运行时为只读，CommEvent属性存有最近的事件或错误的数值代码，可以在程序中随时读取CommEvent属性值来了解通讯的状况，OnComm事件是和CommEvent属性密切相关、一起使用，当任何一个OnComm事件或错误发生时，都会使得CommEvent属性值改变，在OnComm事件处理过程中，可以通过判断CommEvent属性值，对于不同的属性值转入不同的事件处理过程。

3.1.2无线传输接口和协议

在本项目中使用PC机为上位机，通讯程序使用VB开发，采用msp430单片机作数据采集的下位机，上位机作数据接收和数据处理中心站，下位机实时采集数据之后，进行简单的数据计算，当收到上位机发来的发送指令或按下发送按键之后，开始向上位机发送数据。

上位机无线通讯接口使用SRWF—108模块，下位机同样使用SRWF—108模块，单片机的数字信号经过串口送入无线MODEM，接收数据的方式与上述相同，经无线MODEM将信号解调为数字信号进入计算机或单片机处理。

在本系统的通讯中，使用点对点通讯，在通讯协议中无须增加站点识别码，因此通信协议更加简单，异步串行通信波特率为9600bps；异步通信帧格式为：

无奇偶校验位，8位数据位，1位停止位；串行通信数据起始码为：

F0H，串行通信数据结束码为：

FFH。

从下位机向上位机传送的代码为BCD码，BCD码能够节约资源，由上位机向下位机发送的命令同样为BCD码。

在无线通讯过程中，除了规定合理的协议之外，为了保证通讯的正确性，在数据发送时适当的增加延时是必要的，当速度较慢的计算机向速度较快的计算机发送数据时应适当的增加延时。

本系统的串口通讯采用事件驱动方式，事件触发方式对于定长通讯非常有效，但定长通讯在有些场合不实用。

下面是在程序中定义的MSComm有关的参数：

MSComm1.CommPort=1或2'通过组合框选择设置通讯串口为1或2号串口

MSComm1.OutBufferSize=1024'定义输出缓冲区为512字节

MSComm1.InBufferSiz