計(jì)算機(jī)射頻通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與功能實(shí)現(xiàn)研究

陳 燕

（湖南高速鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421002）

1 射頻通信和計(jì)算機(jī)技術(shù)及其應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

隨著目前的社會(huì)經(jīng)濟(jì)、技術(shù)等快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)應(yīng)用越來(lái)越廣泛，還有一些具備計(jì)算功能的控制部件應(yīng)用也不斷隨之增多。在相關(guān)技術(shù)應(yīng)用中，會(huì)出現(xiàn)大量的數(shù)據(jù)交換，還涉及到相關(guān)設(shè)備和數(shù)據(jù)信息等的遠(yuǎn)程控制問(wèn)題，這些問(wèn)題的解決都可以借助射頻通信技術(shù)來(lái)進(jìn)行。射頻通信技術(shù)可以在一定程度上實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)功能拓展，滿足相關(guān)軟件和硬件的嵌入式應(yīng)用，還可以解決遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)交互中的一些問(wèn)題，適合在大型超市、野外作業(yè)等各大工作場(chǎng)景中應(yīng)用[1-3]。

射頻通信技術(shù)借助無(wú)線電波，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)和計(jì)算機(jī)之間以及計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)之間的采集與控制，相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸可以分為單向和多向。射頻技術(shù)應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)比較多，主要表現(xiàn)在技術(shù)應(yīng)用靈活性比較高，整體技術(shù)應(yīng)用實(shí)用性更強(qiáng)，在技術(shù)應(yīng)用中，不需要特定的系統(tǒng)布線設(shè)置，還可以在移動(dòng)環(huán)境中應(yīng)用，對(duì)于解決一些惡劣環(huán)境下的技術(shù)操作和數(shù)據(jù)采集具有很好的使用效果。但這一技術(shù)自身也存在一些不足，無(wú)線通信受自身因素影響，在具體的使用中和有線網(wǎng)絡(luò)的差異性較為明顯，了解和掌握其中的相關(guān)性，對(duì)于系統(tǒng)技術(shù)研究和開(kāi)發(fā)都具有一定的必要性。

2 系統(tǒng)基本設(shè)計(jì)框架

此次計(jì)算機(jī)射頻通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主要包含的系統(tǒng)構(gòu)件有兩個(gè)：主機(jī)部分和通信部件。其中，射頻通信部件可以結(jié)合系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)的需求，可以選擇簡(jiǎn)單或者是負(fù)責(zé)結(jié)構(gòu)，但是在整體通信部件設(shè)計(jì)和選擇上，需要滿足3個(gè)不同單元功能，分別為接口單元、控制單元和通信單元。

具體來(lái)看，在接口單元設(shè)計(jì)中，要認(rèn)識(shí)到這一部分是通信和主機(jī)的接口和通信部分。在接口方法選擇上，需要考慮對(duì)于波特率的要求，波特率偏低，可以使用串行接口和主機(jī)連接。而如果對(duì)于波特率要求比較高，則可以通過(guò)并行接口來(lái)處理，確保和主機(jī)的有效連接。在連接方式上，串行是相對(duì)簡(jiǎn)單的方法。此外還有一種USB接口方法，操作簡(jiǎn)單且高效。其次，控制單元設(shè)計(jì)主要是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)緩沖，還要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)幀構(gòu)造，滿足通信協(xié)議的要求。在這一部分設(shè)計(jì)中，考慮到成本控制需要，可以使用單片機(jī)來(lái)進(jìn)行控制單元構(gòu)建，因?yàn)楹芏鄦纹瑱C(jī)自身具備接口，所以可以方便串行方式實(shí)現(xiàn)和主機(jī)的連接，使用起來(lái)很方便。此外，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，可能需要對(duì)于系統(tǒng)存儲(chǔ)器進(jìn)行拓展，以確保數(shù)據(jù)量緩沖效果。而通信單元可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)幀接收和發(fā)送，這部分功能比較關(guān)鍵[4-6]。

3 計(jì)算機(jī)射頻通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)

3.1 通信芯片選擇

在計(jì)算機(jī)射頻通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，相應(yīng)的通信部件選擇是關(guān)鍵，因?yàn)檫@一部分是系統(tǒng)的核心，對(duì)于系統(tǒng)的性能具有重要影響。在相關(guān)通信部件中，芯片是核心部分，作為系統(tǒng)集成電路，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于射頻通信電路的集成。所以，在相關(guān)芯片的制造和選擇中，有效應(yīng)用相關(guān)通信部件很有必要。

射頻芯片的種類多樣，在相應(yīng)射頻芯片的性能、成本、發(fā)射距離、功率傳輸速度上，需要結(jié)合相關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和功能實(shí)現(xiàn)進(jìn)行合理選擇。例如，芯片的發(fā)射功率上，相關(guān)發(fā)射功率應(yīng)該滿足射頻芯片向外發(fā)射無(wú)線電波的功率要求，所以要結(jié)合無(wú)線電管理的條件選擇合適的功率。同時(shí)，需要把握功率自身的消耗問(wèn)題，確保相應(yīng)功率可以達(dá)到距離條件，優(yōu)先選擇小功率射頻芯片。此外，芯片的抗干擾能力也是芯片選擇中需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。在正常環(huán)境中包含很多的電磁波形式，這樣在射頻通信部件制造中，就需要解決相互之間的干擾問(wèn)題。所以，要合理選擇芯片，保證這種干擾能夠緩解或者降低。這就要求選擇的射頻芯片應(yīng)該具備一定的抗干擾性能。在目前的射頻通信芯片試產(chǎn)中，ASK方式的芯片能夠通過(guò)軟件應(yīng)用，借助沖突檢測(cè)協(xié)議，促進(jìn)相關(guān)通信干擾問(wèn)題得到解決[7]。

3.2 通信協(xié)議確定

對(duì)于計(jì)算機(jī)射頻通信系統(tǒng)而言，通信協(xié)議是信息輸出和接收的重要前提。一般通信協(xié)議可以自行設(shè)計(jì)，也可以和既有的系統(tǒng)之間達(dá)到兼容效果。一些射頻芯片要借助接收前導(dǎo)比特流實(shí)現(xiàn)電路接收，構(gòu)建電路初始狀態(tài)。

一般情況下，一幀數(shù)據(jù)中包含了前導(dǎo)、頭部、內(nèi)容以及校驗(yàn)等信息?？紤]到無(wú)線通信通道本身具有一定的時(shí)變性，在數(shù)據(jù)幀的選擇上盡量避免長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，以確保每一幀的數(shù)據(jù)傳輸高效快捷，避免重復(fù)操作的麻煩[8]。

此外，通信協(xié)議和系統(tǒng)沖突問(wèn)題也有一定的關(guān)聯(lián)。在實(shí)際操作中，要是借助FSK或者是ASK芯片來(lái)設(shè)計(jì)，就需要考慮多個(gè)通信部件同一頻率問(wèn)題，明確可能出現(xiàn)的沖突。對(duì)此，可以設(shè)計(jì)一套通信沖突控制協(xié)議。這樣就可以在一些沖突問(wèn)題出現(xiàn)后，通過(guò)檢測(cè)沖突后再重新發(fā)送，規(guī)劃合理的通信協(xié)議，避免矛盾問(wèn)題產(chǎn)生。

3.3 天線設(shè)計(jì)

在計(jì)算機(jī)射頻通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，相同的通信天線設(shè)計(jì)也很重要。一般使用不同的天線，相應(yīng)的增益、方向、安裝難度等也會(huì)有一些差異。

在計(jì)算機(jī)射頻通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，多使用以下幾種天線。一是鞭狀天線。這類天線自身的增益及全方向性比較好，但是天線高度相對(duì)較高，在一些移動(dòng)環(huán)境中的應(yīng)用并不方便。二是環(huán)形天線。這類天線的增益不大，方向變化影響也相對(duì)較低，優(yōu)勢(shì)是環(huán)形天線可以在電路板中進(jìn)行印制，整體成本低，安裝便利。三是集成天線。很多集成天線自身的體積不大，增益和全向性較好，使用方便，整體的信息接收和發(fā)送效率高，但成本也更高。

完成通信天線選擇后，下一步是進(jìn)行天線匹配電路設(shè)計(jì)。要確保完全匹配，才能確保天線可以收獲最大發(fā)射量，提升發(fā)射效率[9]。

3.4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

一個(gè)功能齊全的計(jì)算機(jī)射頻通信系統(tǒng)，需要有完備的硬件設(shè)備，還需要有一個(gè)可靠的軟件系統(tǒng)來(lái)作為平臺(tái)支撐和管理基礎(chǔ)。構(gòu)建軟件平臺(tái)是整個(gè)計(jì)算機(jī)射頻通信系統(tǒng)的核心部分，軟件性能和應(yīng)用的靈活性等對(duì)于整體的計(jì)算機(jī)射頻通信系統(tǒng)具有重要影響，決定著計(jì)算機(jī)射頻通信系統(tǒng)整體的使用性能和協(xié)調(diào)性等。目前市面上的計(jì)算機(jī)射頻通信系統(tǒng)還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)全面的智能化目標(biāo)，只能應(yīng)用于一部分電氣設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)全覆蓋還需要進(jìn)一步的技術(shù)研究和開(kāi)發(fā)。在目前的計(jì)算機(jī)射頻通信市場(chǎng)中，應(yīng)用比較多的智能軟件設(shè)備主要是UML為基礎(chǔ)建模語(yǔ)言的軟件系統(tǒng)。系統(tǒng)功能模塊、通信的軟件設(shè)備和系統(tǒng)功能軟件模塊是組成這一軟件系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)，借助有效的智能軟件系統(tǒng)應(yīng)用，對(duì)于提升整體的設(shè)備使用性能具有突出作用[10]。

在此次計(jì)算機(jī)射頻通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，要確保軟件功能設(shè)計(jì)，軟件開(kāi)發(fā)人員應(yīng)根據(jù)《設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)任務(wù)書(shū)》的要求進(jìn)行軟件功能設(shè)計(jì)，軟件功能設(shè)計(jì)的輸出結(jié)果由技術(shù)發(fā)展部負(fù)責(zé)人負(fù)責(zé)審核。軟件工程師應(yīng)根據(jù)《設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)任務(wù)書(shū)》進(jìn)行軟件詳細(xì)設(shè)計(jì)，軟件詳細(xì)設(shè)計(jì)輸出是《軟件詳細(xì)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)》，研究技術(shù)發(fā)展部負(fù)責(zé)人和總工程師負(fù)責(zé)審核批準(zhǔn)。

軟件編碼也至關(guān)重要。軟件工程師依據(jù)《軟件詳細(xì)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)》進(jìn)行編碼，儀器產(chǎn)品項(xiàng)目主管負(fù)責(zé)審核。軟件工程師在軟件單元模塊的編碼完成后，先進(jìn)行代碼的自查和調(diào)試，再進(jìn)行軟件單元測(cè)試。儀器產(chǎn)品項(xiàng)目主管負(fù)責(zé)審核。在完成所有開(kāi)發(fā)要求和軟件系統(tǒng)測(cè)試后，儀器產(chǎn)品質(zhì)量主管應(yīng)組織根據(jù)《軟件詳細(xì)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行驗(yàn)收測(cè)試，測(cè)試工程師協(xié)助，輸出針對(duì)驗(yàn)收測(cè)試的《軟件預(yù)期功能測(cè)試報(bào)告》、《軟件X系統(tǒng)測(cè)試報(bào)告》，并發(fā)送信息到技術(shù)支持部門。軟件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的更改可發(fā)生在各個(gè)階段，開(kāi)發(fā)人員應(yīng)正確識(shí)別和評(píng)估設(shè)計(jì)更改對(duì)產(chǎn)品功能、過(guò)程、安全性、可靠性以及風(fēng)險(xiǎn)性等方面帶來(lái)的影響。當(dāng)需要進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)更改時(shí)，應(yīng)由相關(guān)人員按質(zhì)量體系要求向儀器產(chǎn)品總監(jiān)進(jìn)行反饋，在確認(rèn)需進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)更改時(shí)應(yīng)報(bào)總經(jīng)理批準(zhǔn)后方可進(jìn)行。當(dāng)更改涉及到主要技術(shù)參數(shù)和功能、性能指標(biāo)，應(yīng)對(duì)更改進(jìn)行評(píng)審驗(yàn)證和確認(rèn)，并進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)審，經(jīng)批準(zhǔn)后才能實(shí)施。

3.5 系統(tǒng)調(diào)試

完成計(jì)算機(jī)射頻通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)后，進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試是必不可少的部分。進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試的目的是更好地把握計(jì)算機(jī)射頻通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的各部分功能要通過(guò)計(jì)算機(jī)射頻通信系統(tǒng)調(diào)試，明確系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，相關(guān)模塊和功能能否正常實(shí)現(xiàn)，是否存在相關(guān)部分的矛盾沖突，以便進(jìn)一步做好系統(tǒng)優(yōu)化和調(diào)整，確保整體的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用成效安全可靠。

4 結(jié) 論

計(jì)算機(jī)射頻通信系統(tǒng)在目前的計(jì)算機(jī)和相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)用不斷增多，在此背景下，進(jìn)行計(jì)算機(jī)射頻通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化很有必要。此次研究中，重點(diǎn)對(duì)于計(jì)算機(jī)射頻通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行介紹，并對(duì)研究系統(tǒng)設(shè)計(jì)中芯片選擇、通信協(xié)議制定、天線設(shè)計(jì)、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)調(diào)試等進(jìn)行詳細(xì)分析，為計(jì)算機(jī)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了參考和借鑒。