一種點對多點的無線數(shù)傳系統(tǒng)設計

李俊　吳燕　王文娟

【摘 要】針對無線傳輸效果不穩(wěn)定，采用主從式、消息隊列技術及隨機延時的思想設計了一種點對多點的無線數(shù)傳系統(tǒng)。該模塊由STC單片機、射頻芯片ESP和撥碼開關等組成，具有成本低廉，實現(xiàn)簡單等優(yōu)點。

【關鍵詞】主從式；點對多點；無線傳輸

0 引言

在短距離的通信中，無線技術被普遍看好，無線數(shù)據(jù)通信的應用領域越來越多：遙控遙測、無線抄表、工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、身份識別等。凡是布線繁雜或不允許布線的場合都希望能通過無線方案來解決。目前主流的幾種短距離無線傳輸有：藍牙技術，無線射頻收發(fā)一體型芯片技術，ZigBee技術，射頻識別技術，IrDA技術；其中射頻技術因為功耗低和無方向性等優(yōu)點而受到青睞。

無線設備間的互連操作隨處可見，其核心問題是設備間通訊[1]。本論文采用主從分布式、消息列隊技術及隨機延時的思想實現(xiàn)點對多點的無線數(shù)傳系統(tǒng)設計，提高無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性、實時性和可靠性。

1 系統(tǒng)的基本結構

點對多點的無線數(shù)傳系統(tǒng)的結構框圖如圖 1 所示，由一臺主無線模塊和多個從無線模塊構成，可以實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)的雙向傳輸。每個從無線模塊都有獨立的CPU，與主無線模塊的通訊互不影響，不會因某個無線模塊的故障而使整個系統(tǒng)失去控制，不僅能提高系統(tǒng)的可用性，更便于維護。

2 系統(tǒng)的硬件設計

在硬件方面，無線數(shù)傳系統(tǒng)的硬件框圖如圖2所示。系統(tǒng)采用目前比較流行的低功耗、抗干擾能力強、誤碼低的射頻收發(fā)芯片ESP8266，52單片機最小系統(tǒng)，外部串口，電源模塊，撥碼開關等研制無線數(shù)傳模塊。為避免PC機與多外圍設備或外圍設備之間的數(shù)據(jù)碰撞，采用一主多從模式，并且模塊的接收緩沖具有消息列隊功能，在同時接收兩個及以上模塊數(shù)據(jù)時，可以自動規(guī)避沖突，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性與可靠性。

2.1 射頻收發(fā)芯片ESP8266

如圖3所示，該芯片為低功耗無線芯片，工作電壓為3.3v，由1117提供。其遵循802.11b/g/n無線協(xié)議，并自帶完整的TCP/IP協(xié)議，即該芯片模塊具有13個信號頻段：2412MHz. 2417MHz. 2422MHz. 2427MHz. 2432MHz. 2437MHz， 2442MHz. 2447MHz. 2452MHz. 2457MHz. 2462MHz. 2467MHz. 2472MHz。可根據(jù)環(huán)境無線環(huán)境自動選擇干擾較小的通信信道。其無線功率可達到+20dBm，自帶50k數(shù)據(jù)緩存，發(fā)射電流小于80ma，待機功耗小于1mW，從待機狀態(tài)喚醒時間小于2ms。其通信方式為UART串行接口，波特率為115200，與單片機的串口1相連接，由單片機進行通信配置和數(shù)據(jù)傳輸。

2.2 單片機最小系統(tǒng)

如圖4所示，單片機芯片為STC15F2K08S2，芯片電源為5v單電源供電，由LM2940提供電源供應，單片機的靜態(tài)功耗僅5mW，保證了系統(tǒng)的低功耗設計的可靠性。

模塊在復位電路設計中采用的是施密特觸發(fā)復位，單片機上的RESET管腳是觸發(fā)輸入管腳，在復位電路設計中，添加了一個干擾濾波電容。只要按下S1，無論單片機處于什么狀態(tài)都會啟動片內(nèi)的喚醒定時器，直到外部動作撤除時振蕩器才重新開始運行。計數(shù)到設定值后，片內(nèi)的電路完成了芯片程序的初始化。在系統(tǒng)剛進入時正常初始化外，一切不正當操作引發(fā)的死鎖狀態(tài)時，可通過復位鍵使系統(tǒng)重新啟動。本系統(tǒng)采用了較為精簡的阻容復位電路設計，如圖4設計可實現(xiàn)芯片運行過程中的按鍵復位。在按下鍵時，RSTET直接與VCC相互連接，這樣高電平形成復位操作，同時C1電容也給電路放電，松開開按鍵后VCC只對電容充電，充電的過程中R6上仍然會有電流的存在，系統(tǒng)還處于復位中充電結束后，電容就相當于開路電路，RSTET變?yōu)榈碗娖?，C51單片機芯片正常運作。其中R6的阻值是決定充電時間的設定，阻值越大充電時間就越長。

15F2K08S2采用的是外部晶振，通過調(diào)整外部時鐘源來調(diào)整整個系統(tǒng)的時鐘，使系統(tǒng)運行速度更快。如圖4所示，在設計中外部晶振的頻率范圍是10MHz～20MHz。本系統(tǒng)使用外部12MHz晶振，這樣在計算時間方面就會很方便，因為一個機器周期為1/12時鐘周期，選用12M晶振的話，一個時鐘周期為12us，那么定時器計一次數(shù)就是1us了，電路如圖3-7，C2、C3為旁路電容，電容范圍在20-40pF之間，這里連接的是30pF的電容。系統(tǒng)中用12MHz晶振除了計算方便外海可以使波特率更精確，同時能夠支持15F2K08S2芯片內(nèi)部PLL功能及ISP功能。

2.3 外部串口

如圖5所示，外部串口為單片機的第二串口，RX為P1.0， TX為 P1.1，該串口在程序初始化配置中進行復用配置，該接口可下接RS232轉RS485接口，拓展為RS485外圍接口，兼容RS485設備。

2.4 電源模塊

在模塊設計上，將會使用到+5V和3.3V的電源來驅動電路。5V的電源電路我們選擇LM2940集成穩(wěn)壓器，3.3V的電源電路我們選擇L1117低壓差線性調(diào)壓器，LM2940集成穩(wěn)壓器電路如圖4所示，這是一個輸出正5V直流電壓的穩(wěn)壓電源電路。IC采用集成穩(wěn)壓器2940，在電路中C4、C5分別為濾波電容，R5為電路負載電阻。D4為電源開關指示燈。當輸出電較大時，2940應配上散熱板。

如圖6所示電路為輸出電壓+5V的穩(wěn)壓電源及3.3v穩(wěn)壓電源。5v穩(wěn)壓電源部分由電源輸入端J1，整流二極管D5，濾波電容C4、C5，防止自激電容C6、C7和一只固定式三端穩(wěn)壓器（2940）極為簡捷方便地搭成的。

3.3V穩(wěn)壓電源電路采用的是L1117低壓差線性調(diào)壓器，LM1117是一個可調(diào)電壓芯片。同時它還可以固定輸出3.3V電壓的，電路前 后各配兩個濾波電容，根據(jù)芯片規(guī)格書上的要求建議使10uF的電容，根據(jù)電容值的增加可以提高回路的穩(wěn)定性和瞬間響應。因此在電路設計上使用22uF的電容。增加一個小電容是使得電路可以濾掉更加高頻的交流信號，這樣通過一大一小的電容配合來擴大濾波的頻率范圍，使得到的3.3V電壓中摻雜更少的諧波。endprint

2.5 撥碼開關

如圖7所示，撥碼開關為8位撥碼開關，連接在單片機的P2.5，P2.4，P2.3，P2.2，P2.1，P2.0，P3.7，P3.6接口與GND之間，在系統(tǒng)中的功能為手動設置客戶端ID，其編碼方式為二進制編碼方式，可設置256個客戶端ID。

2.6 存儲電路

如圖8所示，其A0，A1，A2全部接地，其WP腳也接地。由于芯片內(nèi)部無上拉電阻，故將7，8兩數(shù)據(jù)腳通過R7，R8兩個10K歐姆電阻上拉至5v。

本模塊的儲存電路采用的是電可擦可編程只讀存儲器，掉電后芯片的數(shù)據(jù)不丟失，芯片在系統(tǒng)中可以進行在線重配置，并保持修改的結果。它兼有數(shù)據(jù)RAM 和程序ROM的功能，并可以在系統(tǒng)設備上擦除已有信息，并重新編程，本系統(tǒng)采用存儲芯片24C256，其容量大小為256k，可讀、可寫、可擦除，擁有兩線串行接口總新，兼容I2C。本設計中24C256通過I2C總線實現(xiàn)互通。圖8為存儲電路硬件電路圖，其中SDA和SCL引腳都為漏極開路，所以必需在這兩個引腳跟VCC之間介入上拉電阻。

3 系統(tǒng)的軟件設計

無線數(shù)傳模塊接收串口數(shù)據(jù)的處理流程如圖9所示，為保證系統(tǒng)能正常運行，任一條指令或數(shù)據(jù)，在規(guī)定時間內(nèi)未應答，可以重發(fā)3次，一旦超過了重發(fā)次數(shù)，就放棄此條指令或數(shù)據(jù)，進入下一條指令或數(shù)據(jù)的通信。新數(shù)據(jù)包ID依次為00-0xFF，如果數(shù)據(jù)包發(fā)送不成功（需重發(fā)的數(shù)據(jù)包）則該序號不增加，從機通過該序號判定是否是重復數(shù)據(jù)。

4 實物測試

4.1 實物制作

在實際制作前進一步確定原理圖的正確性，通過對原理圖的進一步排查找出設計中疏漏的地方，在排查完后將原理圖制作成PCB圖，在生成PCB圖后根據(jù)選用的元器件的布局并考慮成本問題后采取雙層的PCB，確定雙層板后采用手動布線，這樣根據(jù)電氣特性和作品美觀布局電子元器件的位置，盡量使PCB圖中的線路設計合理化，完成PCB的制作后接下來就會進入到實際制作PCB板的過程中，由于是雙層板，實驗室目前沒有條件實現(xiàn)，因此，使用萬用洞洞板進行焊接驗證，如圖10所示為電路實物照片。

4.2 測試記錄

數(shù)據(jù)模塊的頻段基于標準2.4G（2.412GHz-2.472GHz共13個信道），信道可自動調(diào)節(jié)，測試選擇2.427GHz，室內(nèi)（24小時），主機（一塊無線通信模塊，一塊USB轉TTL模塊）電壓12V，電流100mA ，從機（一塊無線通信模塊）電壓12V，電流50mA，測試部分數(shù)據(jù)如圖11所示。

經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)，在空曠傳輸有效距離最遠可達1000m；當中間有門或者其他障礙物阻隔時，接收距離會下降，最遠可達180m。在有效距離內(nèi)，系統(tǒng)傳輸?shù)恼_率能達到99%。

5 結 論

本文所設計的一點對多點的無線數(shù)傳系統(tǒng)，具有良好的準確性、實時性、可靠性。通過實驗測得：在空曠傳輸有效距離最遠可達 1000m；當中間有門或者其他障礙物阻隔時，接收距離會下降，最遠可達180m。在有效距離內(nèi)，系統(tǒng)傳輸?shù)恼_率能達到 99.9%，可靠性較好，完全可以應用于相關測控領域。

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