反射內(nèi)存網(wǎng)絡集線器驅(qū)動控制系統(tǒng)設計

(廣州番禺職業(yè)技術學院 科學技術處，廣州 511483)

0 引言

反射內(nèi)存網(wǎng)絡是一種基于高速共享存儲器技術的實時網(wǎng)絡，多以星型或環(huán)形方式組網(wǎng)。星型連接則采用集線器作為數(shù)據(jù)中繼轉(zhuǎn)發(fā)設備，網(wǎng)絡中每個節(jié)點先將數(shù)據(jù)傳輸?shù)郊€器，集線器將數(shù)據(jù)進行相應處理后，再同時轉(zhuǎn)發(fā)給其它節(jié)點。有了集線器的使用，可以對數(shù)據(jù)流進行實時監(jiān)視，旁路錯誤節(jié)點，并且數(shù)據(jù)更新時間大大縮短[1]。但其驅(qū)動控制系統(tǒng)的建設，卻是當前困擾人們的問題之一[2]。反射內(nèi)存網(wǎng)絡集線器驅(qū)動的控制系統(tǒng)的設計，對網(wǎng)絡集線器的使用壽命以及利用率方面有著重要作用[3]。當前的驅(qū)動控制方式存在控制誤差大，能耗高，微弱信號檢測精度低等問題，已不能滿足網(wǎng)絡集線器的發(fā)展需求[4]。提出設計反射內(nèi)存網(wǎng)絡集線器驅(qū)動控制系統(tǒng)。通過制定驅(qū)動控制系統(tǒng)整體設計方案，分別對網(wǎng)絡節(jié)點、電源單元等系統(tǒng)硬件進行改進，優(yōu)化驅(qū)動控制功能，完成反射內(nèi)存網(wǎng)絡集線器驅(qū)動控制系統(tǒng)設計。實驗證明，該系統(tǒng)控制誤差小，能耗低，微弱驅(qū)動信號檢測精度高，滿足驅(qū)動控制的需求。

1 驅(qū)動控制系統(tǒng)整體設計方案

對反射內(nèi)存網(wǎng)絡集線器驅(qū)動控制系統(tǒng)進行設計，需先制定驅(qū)動控制系統(tǒng)整體設計方案[5]。將系統(tǒng)劃分為了三個主要部分：網(wǎng)絡的協(xié)調(diào)單元、轉(zhuǎn)換器節(jié)點單元、驅(qū)動控制系統(tǒng)管理單元。輔助單元有：時鐘與看門狗、系統(tǒng)信號處理單元、電源單元、液晶顯示單元等。驅(qū)動控制系統(tǒng)整體結(jié)構劃分如圖1所示。

圖1 驅(qū)動控制系統(tǒng)整體結(jié)構圖

在反射內(nèi)存網(wǎng)絡集線器驅(qū)動控制系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)換器節(jié)點分別在應用環(huán)境的各個部分進行分布，并將各點的驅(qū)動進行采集。轉(zhuǎn)換器節(jié)點憑自助組織形式，將網(wǎng)絡的協(xié)調(diào)器當作中心，形成無線數(shù)據(jù)通信體系，轉(zhuǎn)換器節(jié)點把收集到的驅(qū)動信息，利用無線傳輸?shù)男问桨l(fā)送給協(xié)調(diào)器。

協(xié)調(diào)器將對全部和其連接的轉(zhuǎn)換器節(jié)點進行管理，同時將反射內(nèi)存網(wǎng)絡集線器節(jié)點驅(qū)動信息接收，再把收集到的全部節(jié)點驅(qū)動信息，傳輸至監(jiān)測中心，監(jiān)測中心將所得信息進行記錄，同時對于不同應用進行不同分析，從而進行相應控制處理。

驅(qū)動控制系統(tǒng)整體設計方案為系統(tǒng)的設計提供充足的理論依據(jù)，使所設計的控制系統(tǒng)具有合理性。

2 系統(tǒng)硬件設計

反射內(nèi)存網(wǎng)絡集線器驅(qū)動控制系統(tǒng)的硬件主要包括轉(zhuǎn)換器網(wǎng)絡節(jié)點、協(xié)調(diào)器、管理中心電路、信號處理單元、電源單元等。對各部分進行優(yōu)化改進，完成驅(qū)動控制系統(tǒng)硬件的設計。具體設計過程如下：

2.1 驅(qū)動轉(zhuǎn)換器網(wǎng)絡節(jié)點

轉(zhuǎn)換器節(jié)點設計中，要凸顯出對反射內(nèi)存網(wǎng)絡集線器驅(qū)動的采集和處理，以及傳輸[6]。該單元的設計以單片機STC89C51，對射頻芯片NRF24L01，驅(qū)動轉(zhuǎn)換器DS18B20進行控制，完成驅(qū)動轉(zhuǎn)換器節(jié)點性能，對應關系如圖2所示。

圖2 驅(qū)動轉(zhuǎn)換器節(jié)點構架

圖2中的DS18B20作為一種智能的驅(qū)動轉(zhuǎn)換器，可直接將反射內(nèi)存網(wǎng)絡集線器驅(qū)動讀出。NRF24L01為高集成單片無線數(shù)據(jù)收發(fā)芯片，該芯片內(nèi)部含有鏈路層，其具備主動應答，及數(shù)據(jù)主動重發(fā)等性能，速度為2 Mbps，共有125個供選的工作頻道，頻道的切換時間特別短，能夠應用至跳頻，輸出的功率和選擇頻道，與設置協(xié)議均能夠利用SPI口完成設置。NRF24L01內(nèi)部還能夠在同一個頻道上，接收6路不同通道的數(shù)據(jù)，同時通過FDMA技術，最多能夠采集750個點的數(shù)據(jù)。NRF24L01芯片最主要的工作形式為：收發(fā)形式，待機形式、掉電形式。利用SPI指令控制，能夠?qū)崿F(xiàn)幾種形式的快速切換，保障該芯片具有低功耗及高效率的優(yōu)勢，其中設計用到的最主要的形式是收發(fā)形式。NRF24L01芯片于發(fā)送接收形式下，主要的作用就是驅(qū)動數(shù)據(jù)的迅速傳輸。在驅(qū)動數(shù)據(jù)包處理方面，能夠劃分成ShockBurstTM形式，與增強型ShockBurstTM形式，其工作流程如下：增強型ShockBurstTM形式，與ShockBurstTM形式之間的差別就是增強型的ShockBurstTM形式使用的為雙向鏈接的協(xié)議，也就是發(fā)送端傳輸完數(shù)據(jù)后，將進入接收的模式，等待接收端收到數(shù)據(jù)之后，進行相應的信號應答，由此發(fā)送端能夠確認通信成功與否，或者存在數(shù)據(jù)丟包與否等，假設數(shù)據(jù)的通信存在誤差，那么能夠重新發(fā)送數(shù)據(jù)。該種模式優(yōu)勢為：驅(qū)動數(shù)據(jù)收發(fā)及應答，和數(shù)據(jù)重新發(fā)送等一系列操作，均無需占用控制器，能夠減少控制器的工作量，并提升測溫系統(tǒng)的整體運行效率，減少系統(tǒng)運行所用能耗。

在接收形式中，為了實現(xiàn)多點無線組網(wǎng)，在一個4*6房間中，設置4個從機端，與1個主機端，即所設計的星形的網(wǎng)絡中心主機端，能夠同時收到房間四個角的從機端傳輸?shù)?路驅(qū)動信息數(shù)據(jù)。即使每個數(shù)據(jù)的通道所使用的均為固定的頻率，和相同的射頻頻道，但他們所用的IP是不同的，接收端利用IP來識別發(fā)射端。當NRF24L01進到增強型ShockBurstTM的接收形式之后，會對所接收的數(shù)據(jù)進行相應通道IP的記錄，同時利用它把應答的信號傳輸至發(fā)送端[7]。而在發(fā)送端，驅(qū)動數(shù)據(jù)通道將被用于對應答信號進行回應，所以數(shù)據(jù)通道接收IP要和發(fā)送端IP相同，能夠保證收到的應答信號正的。

在發(fā)送形式中，NRF24L01進到ShockBurstTM的發(fā)送模式之后，控制器中只要存在待發(fā)數(shù)據(jù)，NRF24L01就能夠發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸完成之后，NRF24L01將進入接收形式，等待接收端有應答的信號回復，假設收到了應答的信號，那么認為最后的數(shù)據(jù)包發(fā)送成功，也代表通信成功，假設沒有接收到應答的信號，NRF24L01則會重新發(fā)送數(shù)據(jù)包，一直到接收應答信號，假設超過最大的重發(fā)時間與次數(shù)，系統(tǒng)將生成MAX_RT中斷。

2.2 協(xié)調(diào)器

在反射內(nèi)存網(wǎng)絡集線器驅(qū)動控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)器設計中，其主要作用是將轉(zhuǎn)換器收集的驅(qū)動信息進行接收，同時利用串口將信息傳輸至管理中心[8]。協(xié)調(diào)器的硬件與傳感器的節(jié)點相似，不過是缺少轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部增加了串行通信單元。

2.3 管理中心電路

整個反射內(nèi)存網(wǎng)絡集線器驅(qū)動控制系統(tǒng)管理中心電路的主要性能就是擔任PC。其中，管理中心利用串口將協(xié)調(diào)器所得信息進行接收，并把收到的信息存儲，同時也能夠利用獲得的信息，對于不同應用，進行相應控制和處理。

2.4 時鐘與看門狗電路

反射內(nèi)存網(wǎng)絡集線器驅(qū)動控制系統(tǒng)存儲接收到數(shù)據(jù)時，如果要明確了解驅(qū)動采集的時間，就要對時鐘電路進行設計。以保證系統(tǒng)長期且可靠的工作為目的，系統(tǒng)要對看門狗功能進行設置。其主要用途為使得控制器陷入錯誤形態(tài)之后，在額定時間范圍復位?？撮T狗程序啟動時，假設程序在周期內(nèi)，沒有喂狗，則看門狗會生成系統(tǒng)復位。

2.5 信號處理單元

反射內(nèi)存網(wǎng)絡集線器驅(qū)動控制系統(tǒng)的信號處理單元中包含：前置放大器、主放大器、低通濾波器、帶通濾波器等，其中還包含環(huán)境驅(qū)動的補償模塊。

假設反射內(nèi)存網(wǎng)絡集線器節(jié)點中的待測驅(qū)動目標強度較弱，可能會被噪聲淹沒，從中得到信噪比和精度較高的驅(qū)動控制數(shù)據(jù)，這是當前驅(qū)動控制系統(tǒng)設計方法很難實現(xiàn)的[9]。采用電子開關型的相敏檢波器，實現(xiàn)微弱驅(qū)動信號的檢測。驅(qū)動信號進行放大之后，通過帶通濾波器將噪聲抑制住，以此提升信噪比。接著利用運算放大器組建的主放大器，實現(xiàn)信號的進一步擴大，采用相敏檢波器將其傳送至低通濾波器，去除高于待測信號的干擾以及噪聲。低通濾波器所輸出的參考方波信號的頻率，和目標信號的頻率相同。低通濾波器所輸出的電壓是目標輻射，與斬波器輻射之間的差。

2.6 電源單元

反射內(nèi)存網(wǎng)絡集線器驅(qū)動控制系統(tǒng)對電源單元的要求為：具有“雙電源”的轉(zhuǎn)換性能，也就是測溫系統(tǒng)能夠利用直流電源進行供電，同時能夠利用電池供電，這兩者間可自動進行轉(zhuǎn)換，進而保障系統(tǒng)最少使用其中一種形式供電。圖3為電源單元：

圖3 電源單元

圖3中的肖特基二極管D2主要作用為：對第二輸入電源利用電阻對能量進行消耗這種現(xiàn)象進行阻止。為了達到電源單元設計的需求，第一輸入電源輸出電壓應較高，且輸出電流應較大，反之，第二輸入電源輸出的電壓和電流就應該比較小。綜上，文章選取5 V直流電源，當作第一電源，利用4.5 V電池電源，當作第二電源。

2.7 液晶顯示單元

出于對反射內(nèi)存網(wǎng)絡集線器驅(qū)動控制結(jié)果的顯示，均為數(shù)字與字母的考慮，液晶單元選取的是LCD1602[10]。其主要是由點陣字符構成，并且所顯示的內(nèi)容至多兩行，且每行至多能夠顯示16字符。該單元共具備16個引腳，內(nèi)部含有：電源及接地，寄存器選取，使能端和背光電源的正負極。該單元數(shù)據(jù)手冊中，供給4線的連接形式，即僅適用7個輸入和輸出管腳，就能完成驅(qū)動控制結(jié)果的顯示，7個管腳中有3個控制口：RS，R/W，E與數(shù)據(jù)線DB7-DB4，由此寫入1個字節(jié)的驅(qū)動數(shù)據(jù)，或者指令時，先寫入高半字節(jié)，然后寫入低半字節(jié)。

根據(jù)以上管理中心電路、信號處理單元、電源單元、液晶顯示單元等硬件設備的改進，完成驅(qū)動控制系統(tǒng)硬件部分的設計，為系統(tǒng)軟件設計提供最優(yōu)的硬件環(huán)境。

3 系統(tǒng)軟件設計

反射內(nèi)存網(wǎng)絡集線器驅(qū)動控制系統(tǒng)的軟件功能主要是對驅(qū)動進行控制。在啟動傳感器節(jié)點之后，要先初始化各設備及寄存器，同時查找協(xié)調(diào)器，同時和協(xié)調(diào)器進行連接，再依次對節(jié)點上的各個驅(qū)動傳感器上的數(shù)據(jù)信息進行讀取，并把驅(qū)動數(shù)據(jù)傳輸至協(xié)調(diào)器，全部的傳感器讀取過程完成一次后，傳感器將入至定時休眠的狀態(tài)，并等待下輪數(shù)據(jù)讀取。具體過程如圖4所示：

圖4 轉(zhuǎn)換器工作程序

協(xié)調(diào)器的主要責任為構建通信協(xié)議，這個協(xié)議是完成無線聯(lián)網(wǎng)，與無線數(shù)據(jù)傳輸性能的重要部分，管理系統(tǒng)的硬件部分資源，同時為系統(tǒng)的應用與開發(fā)提供接口。其中，協(xié)議中主要包括控制器的初始化、利用SPI接口實現(xiàn)通信系統(tǒng)初始化等。

NRF24L01無線單元的軟件部分中主要有兩個部分：從機端程序，也就是發(fā)送端程序，和主機端程序，也就是接收端程序。其中從機端性能：利用無線網(wǎng)絡，把從機端的MCU交出的驅(qū)動數(shù)據(jù)信息傳輸出去，而主機端的性能就是將從機端傳輸出去的驅(qū)動數(shù)據(jù)信息，交至主機端MCU。因此兩個部分代碼程序略有不同。

在該程序使用增強型ShockBurstTM對數(shù)據(jù)包進行處理時，其中，通信的速率是1 Mbps，或者是2 Mbps，晶振頻率是16 MHz，工作的頻段是2445 MHz，發(fā)射的頻率自定義是0 dBm，設置的校驗為16位。增強型ShockBurstTM形式下發(fā)射流程為：

寄存器內(nèi)的PRIM_RX位配置是低電平；每當MCU內(nèi)部有待發(fā)數(shù)據(jù)時，接收節(jié)點IP，與有效數(shù)據(jù)利用SPI接口寫至NRF24L01。其中MCU內(nèi)的數(shù)據(jù)依照字節(jié)，依次寫至無線單元的TX FIFO內(nèi)，并等待被發(fā)送；將CE管腳的電平拉高，并將其保持高電平至少10 μs，NRF24L01的配置是發(fā)射形式的；NRF24L01進入ShockBurstTM形式下工作；無線單元上電并運行；NRF24L01芯片內(nèi)部16 MHz時鐘初始化；依據(jù)設定好的通信速率完成數(shù)據(jù)的發(fā)送；將驅(qū)動數(shù)據(jù)信息進行發(fā)送之后，將NRF24L01設置為接收模式，并等待從機端傳送應答信號，假設在有效應答時間范圍接收到回應信號，那么表示數(shù)據(jù)傳輸成功，TX_DS位置是高電平，同時將TX FIFO內(nèi)的數(shù)據(jù)清空，假設在規(guī)定的時間內(nèi)，傳送端并無應答信號，那么系統(tǒng)將重發(fā)數(shù)據(jù)，如果重發(fā)次數(shù)超過了設置好的最大次數(shù)，那么生成MAX_RT中斷，不過TX FIFO中的數(shù)據(jù)不清空；將CE管腳拉到低電平位置，系統(tǒng)將進入至待機狀態(tài)，不然，系統(tǒng)將繼續(xù)傳送TX FIFO寄存器內(nèi)的驅(qū)動數(shù)據(jù)信息。

綜上所述，通過系統(tǒng)電源單元、信息處理單元等硬件的改進，及軟件驅(qū)動控制功能的優(yōu)化，完成了反射內(nèi)存網(wǎng)絡集線器驅(qū)動控制系統(tǒng)的設計。

4 實驗結(jié)果與分析

為了證明所設計的反射內(nèi)存網(wǎng)絡集線器驅(qū)動控制系統(tǒng)的性能，需進行一次實驗。將實驗平臺搭建在Matlab上，實驗數(shù)據(jù)取自于某反射內(nèi)存網(wǎng)絡集線器。

實驗分別從以下幾個方面進行：

1)反射內(nèi)存網(wǎng)絡集線器驅(qū)動控制系統(tǒng)控制誤差；

2)反射內(nèi)存網(wǎng)絡集線器驅(qū)動控制系統(tǒng)運行能耗；

3)反射內(nèi)存網(wǎng)絡集線器驅(qū)動控制系統(tǒng)，對微弱驅(qū)動信號的檢測效果。

分別利用傳統(tǒng)系統(tǒng)和改進系統(tǒng)對反射內(nèi)存網(wǎng)絡集線器中的兩個點驅(qū)動進行控制，測試兩種系統(tǒng)的控制誤差。根據(jù)時間的不斷增加，觀察不同系統(tǒng)對兩個待測點驅(qū)動控制結(jié)果，與實際驅(qū)動的擬合程度如圖5所示。

圖5 兩種不同系統(tǒng)控制誤差對比結(jié)果

分析圖5實驗結(jié)果可得，改進系統(tǒng)相比傳統(tǒng)系統(tǒng)在驅(qū)動控制精度方面具有絕對的優(yōu)勢。

改進系統(tǒng)利用DS18B20這種智能的驅(qū)動傳感器，作為反射內(nèi)存網(wǎng)絡集線器驅(qū)動控制系統(tǒng)的驅(qū)動采集模塊。其可利用編程完成9～12位數(shù)字值讀數(shù)，提升了改進系統(tǒng)的整體驅(qū)動精度，同時也證明了所提方法具有很強的可靠性。

圖6中，黑色區(qū)域所占面積越多表示系統(tǒng)運行所用能耗越多，黑色區(qū)域所占空間越少，表示系統(tǒng)運行作用能耗越少。分別選用傳統(tǒng)系統(tǒng)和改進系統(tǒng)對驅(qū)動控制系統(tǒng)運行能耗進行測試，對比兩種系統(tǒng)的能耗結(jié)果如圖6所示。

圖6 兩種不同系統(tǒng)運行能耗對比

分析圖6可得，改進設計的驅(qū)動控制系統(tǒng)運行能耗，相比傳統(tǒng)的驅(qū)動控制系統(tǒng)運行能耗明顯較少。改進系統(tǒng)采用NRF24L01芯片中的ShockBurstTM形式的優(yōu)勢就是：驅(qū)動數(shù)據(jù)收發(fā)及應答，和數(shù)據(jù)重新發(fā)送等一系列操作，均無需占用控制器，能夠減少控制器的工作量，減少系統(tǒng)運行所用能耗；同時在電源單元中，肖特基二極管D2對第二輸入電源利用電阻對能量進行消耗的現(xiàn)象進行了阻止，更加減少了系統(tǒng)運行的所用能耗。

圖7選取的是反射內(nèi)存網(wǎng)絡集線器運行波形中的一段，其中的波形線為微弱驅(qū)動信號，利用傳統(tǒng)系統(tǒng)和改進系統(tǒng)對其微弱驅(qū)動信號進行檢測，觀察兩種不同系統(tǒng)微弱驅(qū)動信號的檢測效果，測得兩種系統(tǒng)的實驗對比結(jié)果如圖7所示。

圖7 兩種不同系統(tǒng)微弱驅(qū)動信號檢測效果對比

分析圖7結(jié)果，改進系統(tǒng)采用了電子開關型的相敏檢波器，其原理為：驅(qū)動信號進行放大之后，通過帶通濾波器將噪聲抑制住，以此提升信噪比。接著利用運算放大器組建的主放大器，實現(xiàn)信號的進一步擴大，采用相敏檢波器將其傳送至低通濾波器，去除高于待測信號的干擾以及噪聲，并以此增強對微弱驅(qū)動信號檢測效果。

綜合以上實驗結(jié)果可得，改進設計的反射內(nèi)存網(wǎng)絡集線器驅(qū)動控制系統(tǒng)的控制誤差小，運行能耗低，微弱驅(qū)動信號檢測效果好，具有一定的實用性和有效性。

5 結(jié)束語

為解決傳統(tǒng)系統(tǒng)存在的控制誤差大，能耗高，微弱驅(qū)動信號檢測效果差等問題，提出反射內(nèi)存網(wǎng)絡集線器驅(qū)動控制系統(tǒng)設計。通過制定的驅(qū)動控制系統(tǒng)的整體結(jié)構，對系統(tǒng)硬件部分的電源單元等進行改進，并優(yōu)化設計了驅(qū)動控制的軟件功能，完成驅(qū)動控制系統(tǒng)的設計。實驗證明，該系統(tǒng)控制誤差小，運行能耗低，且對微弱驅(qū)動信號檢測精度高。但該系統(tǒng)在運行穩(wěn)定性方面尚有不足，未來將針對系統(tǒng)穩(wěn)定性進行研究，為驅(qū)動控制領域提供有效借鑒依據(jù)。