由RFW122-M構成的短距離無(wú)線(xiàn)數據通信系統

摘要 利用AT89LV52單片機作控制器，實(shí)現基于RFWaves公司的射頻芯片RFW122-M的短距離無(wú)線(xiàn)數據通信系統;分析射頻芯片RFW122-M及其與單片機的接口芯片RFW-D100的特點(diǎn)；給出系統的硬件原理框圖及軟件流程圖。對應用于該裝置的無(wú)線(xiàn)數據傳輸協(xié)議CSMA進(jìn)行分析，并且在對固件的編程配置中加以實(shí)現。
關(guān)鍵詞 無(wú)線(xiàn)數據通信系統 RFW122-M RFW-D100 AT89LV52 CSMA協(xié)議

　　目前, 短程射頻通信技術(shù)是一種熱門(mén)技術(shù), 已廣泛應用于實(shí)際中, 主要有無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)(WLAN )、個(gè)人區域網(wǎng)絡(luò )(PAN) 及無(wú)線(xiàn)短距離消費類(lèi)產(chǎn)品(如中低速數據傳輸應用, 有效范圍在30 m以?xún)?。該通信技術(shù)的標準有IEEE802.11a、Hiperlan2、藍牙（IEEE802.15.1）、 HomeRF及IEEE802.11b（WIFI）等。支持這些標準的器件一般功耗都比較高，結構復雜，價(jià)格較高, 因而不適合低端產(chǎn)品。RFWaves 公司針對現有市場(chǎng)發(fā)展推出的面向低端的用于短距離無(wú)線(xiàn)通信的射頻通信芯片組RFW122-M，符合美國聯(lián)邦通信委員會(huì )（FCC）的技術(shù)規范。

　　本系統利用射頻芯片RFW122-M及其與MCU的接口芯片RFW-D100，在單片機AT89LV52的控制下，實(shí)現了短距離的無(wú)線(xiàn)數據通信。

1 射頻芯片RFW122-M及其接口芯片RFW-D100

　　RFW122-M無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片是一種半雙工、使用直接序列擴頻（DSSS）技術(shù)的無(wú)線(xiàn)收發(fā)兩用集成電路，工作中心頻率為2.44 GHz（ISM頻段），采用ASK調制方式，工作電壓為2.4～3.6 V。在空閑狀態(tài)下，幾乎不消耗功率（0.1 μA @ VCC=3 V）。RFW122-M可以外接一個(gè)200 Ω的差分阻抗天線(xiàn)（印制版天線(xiàn)）或帶有匹配電路的其他天線(xiàn)，在誤碼率為10-3的條件下，接收靈敏度為-77 dBm。該模塊有3根數據控制線(xiàn)，且其數據I/O口是一個(gè)串行的數字接口。它的喚醒時(shí)間為20 μs,同步時(shí)間是1.2 μs。最高數據傳輸速率為1 Mbps，此時(shí)工作電流為33 mA。

　　為了降低MCU實(shí)時(shí)處理MAC協(xié)議的要求，RFW122-M芯片組提供了RFW122-M與MCU之間的接口芯片RFW-D100。該芯片在MCU和RFW122-M之間提供了一個(gè)并行接口；同時(shí)提供了對CSMA協(xié)議的支持。RFW-D100采用了兩種技術(shù)來(lái)獲得比較好的載波偵聽(tīng)的能力： 一種是RSSI(射頻信號強度檢測)，能檢測到任何強度的無(wú)線(xiàn)傳輸，避免沖突；另一種是使用RFWaves 網(wǎng)絡(luò )的載波偵聽(tīng)算法。采用這種技術(shù)可以避免與本網(wǎng)絡(luò )內的或其他網(wǎng)絡(luò )的RFWaves站點(diǎn)發(fā)生沖突。

（1） RSSI(射頻信號強度檢測)

　　RSSI機制用來(lái)比較某個(gè)非RFWaves站點(diǎn)傳輸的功率超過(guò)了一個(gè)確定的門(mén)限（用一個(gè)外部的電阻來(lái)設置這個(gè)數值，RFW-D100給出了該門(mén)限的參考電壓和計算公式），比較的結果放在寄存器SSR[7]-COMP_IN中。當MCU內有數據傳輸時(shí)，就去讀取該寄存器，根據寄存器的狀態(tài)確定信道是否處于被占用的狀態(tài)，從而確定數據是否被傳輸。

（2） 內部/外部RFWaves網(wǎng)絡(luò )的載波監聽(tīng)的算法

　　該機制主要用來(lái)監測相似的RFWaves網(wǎng)絡(luò )。RFWD100利用載波偵聽(tīng)算法監聽(tīng)是否有外部相似的RFWaves網(wǎng)絡(luò )正在傳輸數據。如果外部的RFWaves網(wǎng)絡(luò )正在進(jìn)行數據的傳輸，則內部的標志位將被置1，表示信道處于被占用的狀態(tài)；如果信道由被占用的狀態(tài)轉為空閑的狀態(tài)，將產(chǎn)生一個(gè)中斷來(lái)通知MCU，此時(shí)MCU可以進(jìn)行數據的傳輸。

2 硬件設計

　　系統的微處理器采用Atmel公司的AT89LV52。它是一款基于51系列的低功耗微處理器，支持匯編和C語(yǔ)言，開(kāi)發(fā)環(huán)境采用Keil公司 Keil C51（51單片機的匯編和C語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)工具）；支持匯編、C語(yǔ)言以及混合編程，同時(shí)具備功能強大的軟件仿真和硬件仿真。系統包含兩個(gè)半雙工的通信終端，來(lái)自高層的數據由串口發(fā)往MCU，MCU再將數據發(fā)往RFW-D100。RFW-D100將數據打包以后送往RFW122-M進(jìn)行調制，再通過(guò)天線(xiàn)發(fā)送出去。系統框圖如圖1所示。

圖1 系統框圖

　　MCU與RFW122-M及RFW-D100的連接關(guān)系如圖2所示。

圖2 MCU與RFW122-M及RFW-D100的連接關(guān)系

3 通信協(xié)議及軟件流程

　　系統所采用的數據鏈路層的協(xié)議是載波偵聽(tīng)多路訪(fǎng)問(wèn)協(xié)議（CSMA）。局域網(wǎng)一般采用共同介質(zhì)的方法，為此當多個(gè)站點(diǎn)要同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)介質(zhì)時(shí)，就要進(jìn)行控制。CSMA就是常用的一種方式。當網(wǎng)中站臺要發(fā)送數據時(shí)，先檢測是否有別的站臺占用了傳輸媒體。具體做法是：先進(jìn)行載波偵聽(tīng)，如果發(fā)現介質(zhì)（媒體）空閑，則立刻發(fā)送數據；否則，就根據不同的策略退避重發(fā)。

　　由于該系統工作在2.44 GHz的ISM頻段，該頻段存在較大干擾，所以設計數據包結構時(shí)最重要的原則是，以盡量短的時(shí)間占用信道，以降低潛在沖突的概率。在傳輸中，包重疊的概率是與每個(gè)發(fā)送節點(diǎn)占用共享信道的時(shí)間成正比的。因此，若以高比特率傳輸數據包， 會(huì )提高數據被正確接收的概率。RFW-D100最高的空中數據傳輸速率為1 Mbps，它可以被配置為各種傳輸速率。在RFW-D100的數據手冊中，降低數據速率并不能降低誤碼率，因此為了縮短數據包在空中傳輸的時(shí)間，降低數據碰撞的概率，在協(xié)議中建議以最高的速率傳輸數據。若把數據分成小包，則每個(gè)小包被正確接收的概率又會(huì )增加。這樣，當干擾出現時(shí)，只有一小部分會(huì )丟失，而且協(xié)議有能力來(lái)定位在特定包中損壞的數據。因此可以得出這樣的結論：以高的數據速率發(fā)送短的數據包，將增強協(xié)議處理?yè)p壞數據的能力。

3.1 數據包格式

　　數據包格式如圖3所示。

圖3 數據包格式

　?、?PREAMBLE：RFWD100 發(fā)送PREAMBLE 的目的是使接收機和發(fā)送機同步。20 位長(cháng)，高4位為1111，其他16位可以配置。發(fā)送順序為從高到低。
　?、?NET_FIRST：1字節，網(wǎng)絡(luò )地址字節。
　?、?NET_SEC：1字節，網(wǎng)絡(luò )地址字節。
　?、?DST_ID：1字節，數據包所發(fā)往的目的節點(diǎn)地址。
　?、?SRC_ID：1字節，發(fā)數據包的源站地址。
　?、?SEQUENCE：1字節。這個(gè)段包括兩個(gè)值：高4位表示數據序號，低4位表示數據包的類(lèi)型。低4位代表的含義：0000b為握手數據包， 0001b為握手應答包，0010b為數據包，0011b為數據包的應答包，0100b為拆鏈包，0101b為拆鏈的響應包。
　?、?SIZE：1字節。這個(gè)段說(shuō)明包的大小。當設定數據包為固定大小時(shí)，SIZE沒(méi)有意義。
　?、?PAYLOAD：1字節。來(lái)自上層軟件層的數據。
　?、?CRC：1字節。RFWD100 在發(fā)送端給每個(gè)包增加CRC 信息，使得接收機對接收的數據進(jìn)行檢測。

　　在本系統的協(xié)議設計過(guò)程中，采用小數據包的傳輸模式，從串口中收到的數據個(gè)數（以字節為單位）等于10時(shí)，將這些數據打包發(fā)送出去。如果收到的數據個(gè)數小于10， 并且串口數據的發(fā)送已經(jīng)結束， 則系統也將這些數據打包并發(fā)送出去。

3.2 系統狀態(tài)轉移圖

　　系統的狀態(tài)轉移如圖4所示，包含4個(gè)狀態(tài)，分別是空閑態(tài)、握手態(tài)、傳輸態(tài)和接收態(tài)。

圖4 系統狀態(tài)轉移圖

　　空閑態(tài)：如果沒(méi)有串口中斷或外部的握手信號中斷，則系統將一直處于空閑狀態(tài)。

　　握手態(tài)：如果串口中斷發(fā)生，則表明有上層的數據包需要傳輸，系統進(jìn)入握手的狀態(tài)。

　　傳輸態(tài)：系統把從串口收到的數據通過(guò)無(wú)線(xiàn)信道發(fā)送出去。

　　接收態(tài)：系統處理接收到的數據包，發(fā)往串口，并對從串口到來(lái)的數據包做丟棄處理。

3.3 4個(gè)狀態(tài)的處理流程

　　系統4個(gè)狀態(tài)的處理流程如圖5~圖8所示。

圖5 空閑態(tài)流程

圖6 握手態(tài)流程

圖7 發(fā)送態(tài)流程

圖8 接收態(tài)流程

　　系統接收串口數據的緩沖池的大小為15字節。

　　圖6中各個(gè)標志位的意義如下：

　　New_flag串口中有新數據到來(lái)（串口中有數據到來(lái)，將New_flag置1，在串口中斷中設置此標志位）。
　　Checkact_suc_flag收到握手應答包的標志。收到握手應答數據包后將此標志位置1。
　　Tx_size系統接收到的來(lái)自串口的字節個(gè)數。
　　Tx_end_flag串口中的數據發(fā)送完畢。由定時(shí)器1控制，定時(shí)一段時(shí)間。如果在這段時(shí)間內沒(méi)有新的數據到來(lái)，則認為串口數據的這次發(fā)送完畢。每次收到新的串口數據時(shí)重置定時(shí)器，定時(shí)的時(shí)間大于1字節數據傳輸的時(shí)間。
　　Checkact _send_flag由定時(shí)器0控制，在定時(shí)的時(shí)間內如果沒(méi)有收到握手應答包，則定時(shí)器0溢出，Checkact _send_flag被置1，重發(fā)握手包。

　　圖7中各個(gè)標志位的意義如下：

　　New_flag串口中有新的數據到來(lái)。若串口有數據到來(lái)，則將New_flag置1，在串口中斷中設置此標志位。
　　Pk_sended_nack一個(gè)數據包已經(jīng)發(fā)送出去但還沒(méi)有收到確認包時(shí)將此位置1，為0時(shí)表示系統可以發(fā)送數據包。
　　Ack_flag為1表示發(fā)出的數據包收到了確認。
　　Tx_end_flag從串口發(fā)來(lái)的數據已經(jīng)停止了發(fā)送。
　　Exceed_timing_flag在發(fā)送完每一個(gè)數據包的同時(shí)打開(kāi)定時(shí)器0，從定時(shí)器0打開(kāi)到定時(shí)器0溢出的這段時(shí)間內，如果沒(méi)有收到確認包，則認為數據包發(fā)送失敗，將Exceed_timing_flag置1；如果在這段時(shí)間內收到確認的數據包，則將定時(shí)器0關(guān)閉。
　　Tx_size系統接收到的來(lái)自串口的字節個(gè)數。

　　圖8中各個(gè)標志位的意義如下：

　　Lock_flag本節點(diǎn)收到了其他節點(diǎn)發(fā)來(lái)的數據包。
　　Tx_to_s_flag在接收狀態(tài)，如果MCU中的緩沖區內仍有數據，且Tx_to_s_flag=1，則可向串口發(fā)送1字節數據。當MCU的TI中斷發(fā)生時(shí)，將此標志位置1。

4 接口芯片RFW_D100的固件編程

　　對RFWD100進(jìn)行固件的編程是通過(guò)對RFWD100內的特殊功能寄存器的編程實(shí)現的。

　　SCR2=0x1c配置前的操作；
　　BLR=0x06配置數據的空中碼速為1 Mbps；
　　PPR=0xca配置數據包的格式；
　　LCR=0x45配置數據包特殊字節的位置；
　　NIR=0xbb網(wǎng)絡(luò )識別地址；
　　BIR=0xee節點(diǎn)識別地址；
　　SCR1=0x20打開(kāi)RSSI；
　　SCR3=0x03
　　SCR4=0x03
　　IER=0x13中斷使能；
　　SCR2=0x02系統處于數據包的搜索狀態(tài)。

結語(yǔ)

　　本設計以射頻芯片RFW122M及其接口芯片RFED100為核心，采用單片機AT89LV52作微處理器，實(shí)現了一個(gè)短距離無(wú)線(xiàn)數據傳輸系統。今后的工作是完善和改進(jìn)該協(xié)議，進(jìn)一步提高無(wú)線(xiàn)數據的傳輸效率。

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