射頻技術(shù)的無線控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方法初探

沈國浩

（蚌埠學(xué)院數(shù)理系，安徽 蚌埠 233000）

射頻技術(shù)的無線控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方法初探

沈國浩

（蚌埠學(xué)院數(shù)理系，安徽 蚌埠 233000）

無線網(wǎng)絡(luò)可以克服傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中有線傳輸介質(zhì)帶來的組網(wǎng)困難.根據(jù)現(xiàn)場控制需要,基于射頻技術(shù),設(shè)計了一種使用2.4GHz公用頻率通道和具有主從星型拓撲結(jié)構(gòu)的無線控制網(wǎng)絡(luò).主設(shè)備采用FPGA驅(qū)動射頻模塊,從設(shè)備采用單片機直接驅(qū)動射頻模塊.實驗結(jié)果證明,該方案具有可行性.

無線；控制網(wǎng)絡(luò)；射頻技術(shù)

1 前言

工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)是計算機技術(shù)、通信技術(shù)與自動控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物,是在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,專門用于自動控制領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)技術(shù).現(xiàn)有的控制網(wǎng)絡(luò)一般基于有線傳輸介質(zhì),由此帶來了地表、墻體布線、網(wǎng)絡(luò)線路維護等一些問題,在一些需要突發(fā)性、臨時性處理和信息交換設(shè)備需要較大范圍移動的場合,更帶來了應(yīng)用上的一些困難.隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展,把無線技術(shù)引入控制網(wǎng)絡(luò),可以克服傳統(tǒng)組網(wǎng)中的缺點,而成為有線網(wǎng)絡(luò)一種有益的補充.雖然目前由于現(xiàn)場控制的特點,完全采用無線技術(shù)還不現(xiàn)實,但可以預(yù)見隨著技術(shù)的日益成熟,無線技術(shù)在控制網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用將會日益廣泛.

2 無線控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計

控制網(wǎng)絡(luò)的基本任務(wù)是實現(xiàn)測量與控制,面向?qū)ο蠖嗍欠植加谏a(chǎn)現(xiàn)場、有通信能力的傳感器、執(zhí)行器、測控儀表等控制節(jié)點.這些節(jié)點要求的通信數(shù)據(jù)傳輸量相對較小,傳輸速率也較低,且多為短數(shù)據(jù)幀傳送,但對通信傳輸?shù)膶崟r性、可靠性有著很高的要求.而且現(xiàn)場根據(jù)生產(chǎn)的需要,可能經(jīng)常需要撤銷或者增加新的節(jié)點,這就給網(wǎng)絡(luò)拓撲提出了便于組網(wǎng)的要求.一種可推薦的無線網(wǎng)絡(luò)拓撲是具有主從功能的星型拓撲,具有較強的數(shù)據(jù)處理能力,通過合理布局,完成對整個控制現(xiàn)場的網(wǎng)絡(luò)覆蓋.現(xiàn)場處理節(jié)點（從節(jié)點）作為星型網(wǎng)的從設(shè)備,主要完成工業(yè)生產(chǎn)的基本控制功能,并通過無線信道,實時發(fā)送現(xiàn)場測控數(shù)據(jù),為高層控制系統(tǒng)決策提供所需的信息,并接受網(wǎng)絡(luò)控制節(jié)點傳來的數(shù)據(jù),執(zhí)行上層發(fā)出的調(diào)控命令.依照規(guī)定,無線局域網(wǎng)只能在國際上通用的ISM免許可證頻段（902MHz～928MHz,2.402GHz～2.48GHz和5.725GHz～5.850GHz）進行研究、應(yīng)用.考慮組網(wǎng)的帶寬要求及網(wǎng)絡(luò)通信的傳輸性能,選擇工作頻段為2.4GHz.為簡化設(shè)計,試驗網(wǎng)絡(luò)的主、從設(shè)備采用相同天線和射頻模塊PBA31301/2.

3 主設(shè)備硬件設(shè)計

主設(shè)備以微型計算機為核心,通過USB接口控制FPGA,FPGA控制射頻電路,進行數(shù)據(jù)和命令的發(fā)送和接收,其硬件模塊圖如圖2所示.由于計算機采用了非實時的Windows XP操作系統(tǒng),故在接口電路中使用可編程器件FLEX10K10作為主設(shè)備控制信道的緩沖,以便能對無線網(wǎng)絡(luò)實時控制.計算機通過并口器件配置電路,對FLEX10K10進行編程配置.FLEX10K10是Altera公司生產(chǎn)的FPGA器件,主要由嵌入式陣列塊（Embedded Array Block,EAB）、邏輯陣列（Logic ArrayBlock,LAB）、輸入/輸出單元（I/O Element,IOE）及內(nèi)部連線組成.其中,EAB是在輸入和輸出端口帶有寄存器的靈活RAM塊,用于實現(xiàn)一般陣列宏（Mega）功能,還可通過事先寫入查表值方法構(gòu)成如乘法器、糾錯邏輯等電路;LAB由八個邏輯單元（Logic Element,LE）以及進位鏈、級聯(lián)鏈、LAB控制信號與LAB局部互連組成,主要用于邏輯電路設(shè)計;IOE由一個雙向緩沖器和一個寄存器組成,可作為全局的時鐘及清零信號輸入端口或具有可編程性的各種輸入、輸出端口.

3.1 USB總線接口

USB總線接口采用了Philps公司生產(chǎn)的符合USB1.1協(xié)議規(guī)范的接口器件PDIUSBD12.其作為微控制器與FPGA通信的高速通用并行接口,支持本地DMA傳輸,負責(zé)完成USB數(shù)據(jù)包的解析與封裝,驅(qū)動電路如圖3所示.虛線框內(nèi)為在FLEX10K10內(nèi)部設(shè)計的PDIUSBD12驅(qū)動電路模塊,分別是USB控制、數(shù)據(jù)傳輸和DMA控制三個模塊.USB控制模塊連接PDIUSBD12的各控制線,通過接收和置位,與數(shù)據(jù)傳輸模塊一起實現(xiàn)對芯片工作狀態(tài)的控制及數(shù)據(jù)存取.DMA控制模塊用于數(shù)據(jù)的塊傳輸控制.

3.2 射頻模塊

射頻模塊采用射頻控制器PBA31301/2加天線構(gòu)成.PBA31301/2是愛立信公司生產(chǎn)的射頻控制器,工作在2.4GHzISM頻段,能快速跳頻,具有79個信道（2.402～2.480GHz）,采用 GFSK 調(diào)制,有 0dBm（1mW）、4dBm（2.5mW）兩級射頻輸出.芯片最大工作電壓為3.3V,采用34腳BGA封裝,內(nèi)部集成了完整的無線電結(jié)構(gòu),只需外接一個50Ω工業(yè)頻帶天線和一個有13MHz的基準(zhǔn)頻率電路.它基本提供了系統(tǒng)所需的全部射頻解決方案.

射頻驅(qū)動器的接口電路如圖4所示.射頻模塊PBA31301/2外接13MHz晶振,其ANT端與50Ω天線相連,電源電壓Vcc為3.3V.PBA31301/2的非電源引腳端的最大電壓為Vcc+0.3（V）,FLEX10K10的I/O引腳電壓為0～5V,故采用兩片低電壓總線驅(qū)動芯片74LVC245實現(xiàn)射頻模塊與驅(qū)動電路的信號電平轉(zhuǎn)換.74LVC245電源電壓為3.3V,其I/O引腳耐壓值為0～5.5V,輸出電壓0～3.3V,可滿足信號匹配的要求.虛線框內(nèi)為在FLEX10K10內(nèi)部設(shè)計的射頻驅(qū)動電路模塊,分別是串行控制、數(shù)據(jù)傳輸、輸入控制和輸出控制四個模塊.其中,串行控制模塊制射頻模塊的工作狀態(tài),其余三個模塊共同負責(zé)射頻模塊的啟動和基帶數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖瞻l(fā)控制.

4 從設(shè)備硬件設(shè)計

從設(shè)備主要指現(xiàn)場中的各種監(jiān)測器和執(zhí)行器,既要具有傳統(tǒng)的監(jiān)測控制功能,又要具有網(wǎng)絡(luò)通信功能.設(shè)計了以單片機80C196KC為核心的從設(shè)備硬件結(jié)構(gòu),單片機80C196KC具有良好的工業(yè)控制性能,但在位（bit）控制方面卻有明顯的不足.射頻模塊PBA31301/2要求有較多的位控制信號,因此采用了8255A的C口擴充單片機的位控制能力.其接口電路與主設(shè)備相似,在此不再贅述.

5 軟件設(shè)計

考慮到現(xiàn)場控制設(shè)備實際需求,也為了降低控制網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的復(fù)雜性,設(shè)計中只實現(xiàn)了OSI網(wǎng)絡(luò)參考模型中的三層:物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層.在主從設(shè)備中,各層的實現(xiàn)不完全一樣.在主設(shè)備中,網(wǎng)絡(luò)的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議主要由射頻模塊PBA31301/2來實現(xiàn),通過FLEX10K10對數(shù)據(jù)幀的封裝,可以對網(wǎng)絡(luò)進行實時數(shù)據(jù)的收發(fā).網(wǎng)絡(luò)的上層協(xié)議主要由核心PC來實現(xiàn),其與FLEX10K10通過中斷的方式傳輸數(shù)據(jù),示.從設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中處于被支配地位,采用中斷處理的方式實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸.射頻模塊PBA31301/2的LPO_CLK引腳固定輸出3.2MHz的脈沖,通過校準(zhǔn),單片機能方便的獲得一個200Hz的中斷信號.

6 結(jié)論

試驗結(jié)果表明,從設(shè)備對工頻正弦波和方波采樣,主設(shè)備PC通過無線控制網(wǎng)絡(luò)能夠進行實時跟蹤和顯示,驗證了該方案具有可行性.

本文作者創(chuàng)新點:系統(tǒng)硬件分別采用現(xiàn)場可編程門陣列驅(qū)動射頻模塊和單片機驅(qū)動射頻模塊的方案,一方面較好的模擬了現(xiàn)場控制的硬件環(huán)境,另一方面也使得無線控制網(wǎng)絡(luò)在軟件協(xié)議的編制上具有了較大的靈活性;軟件方面,在Windows環(huán)境中完成了基于底層控制網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的監(jiān)控系統(tǒng)軟件編制.

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安徽省蚌埠學(xué)院重點項目BBXYGC2010A02