防數據碰撞的無(wú)線(xiàn)呼叫系統設計

摘要：在多點(diǎn)對單點(diǎn)無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域中，為防止多個(gè)發(fā)射器同時(shí)向接收器發(fā)送數據而產(chǎn)生的相互干擾（碰撞），提出一種具有反碰撞功能的無(wú)線(xiàn)呼叫系統模型，給出單片機與無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊的硬件接口設計；詳細介紹所用的通信協(xié)議和呼叫接收器，以及收發(fā)雙方的軟件設計，為多點(diǎn)對單點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)呼叫系統軟硬件設計提供一種有效可靠的解決方案。

關(guān)鍵詞：中央服務(wù)器 無(wú)線(xiàn)呼叫系統 防碰撞技術(shù) 同步信號

隨著(zhù)科技的進(jìn)步以及對生活質(zhì)量要求的不斷提高，人們要求在消費中得到的服務(wù)更加快捷、方便、舒適；同時(shí)處于激烈競爭環(huán)境中的服務(wù)性企業(yè)也需要吸引顧客，提高企業(yè)自身的服務(wù)檔次和形象。無(wú)線(xiàn)呼叫系統能夠為顧客創(chuàng )造良好的消費環(huán)境，使其得到方便及時(shí)的服務(wù)；企業(yè)也能隨時(shí)掌握顧客需要的服務(wù)，提高服務(wù)效率。它可以廣泛應用于酒店、銀行、醫院、娛樂(lè )場(chǎng)所等服務(wù)性行業(yè)中。因此，研究出一種簡(jiǎn)單可靠、高效率的無(wú)線(xiàn)呼叫系統，對于提高我服務(wù)行業(yè)的服務(wù)水平，改進(jìn)人們的生活方式，促進(jìn)社會(huì )生活的信息化，具有重要的理論、實(shí)用和商用價(jià)值。

1 無(wú)線(xiàn)呼叫系統的結構與功能

圖1所示給出了由一臺中央服務(wù)器CSS（Central Sever System）和多臺終端呼叫器MTCU（Multiple Terminal Call Unit）構成的多點(diǎn)對單點(diǎn)無(wú)線(xiàn)通信系統。中央服務(wù)器CSS與每一臺呼叫器CU（Call Unit）之間以雙向方式傳遞數據，傳輸數據量大，實(shí)時(shí)性要求高。同傳統的線(xiàn)呼叫系統相比，無(wú)線(xiàn)呼叫系統的使用更加靈活，無(wú)需在工作環(huán)境中鋪設有線(xiàn)物理網(wǎng)絡(luò )，極大降低了投資成本。

系統工作在ISM頻段433MHz附近，該頻段無(wú)需申請許可證。呼叫器作為數據載體通常由用戶(hù)即服務(wù)的申請方來(lái)控制，每個(gè)呼叫器有一個(gè)唯一的識別碼。當用戶(hù)按其上的發(fā)射鍵后，識別碼被發(fā)射出去，等待中央接收器的響應；中央服務(wù)器接收到服務(wù)申請后，根據識別碼鑒定出是由哪一臺呼叫器發(fā)出的申請，并給出聲音提示和顯示呼叫器的識別號。

在酬、醫院、娛樂(lè )業(yè)等經(jīng)營(yíng)場(chǎng)所中，中央服務(wù)器置于服務(wù)臺或值班室中，呼叫器安放在客戶(hù)里、病床邊或顧客身邊。顧客隨時(shí)可以發(fā)出服務(wù)申請，中央服務(wù)器接收到申請后，發(fā)出提示音和顯示識別號碼，通知服務(wù)員向提出服務(wù)申請的顧客提供服務(wù)。

2 防碰撞技術(shù)

2.1 防碰撞問(wèn)題的提出

在服務(wù)行業(yè)的營(yíng)業(yè)場(chǎng)所中，顧客需要服務(wù)人員能夠提供準確、及時(shí)的服務(wù)，因此要求所設計的系統有很好的實(shí)時(shí)性和可靠性。一方面，顧客提出的申請能夠很快地得到響應，使顧客感覺(jué)不到時(shí)間的浪費；另一方面，中央服務(wù)器不能由于接收到的是錯誤信息，使服務(wù)員打擾并未提出服務(wù)申請的顧客。

針對系統的要求，可以得出導致服務(wù)中出現錯誤的原因有二：一是由于無(wú)線(xiàn)信道的復雜性，信息在無(wú)線(xiàn)信道的傳輸過(guò)程極易受到干擾而產(chǎn)生錯誤，接收端不能接收到正確的信息；其二是由于多個(gè)呼叫器同時(shí)競爭通信信道向中央服務(wù)器發(fā)出呼叫，各個(gè)呼叫器發(fā)出的數據相互干擾，使中央服務(wù)器不能正確地辨別是哪一臺呼叫器發(fā)出的申請。這兩種錯誤可能使沒(méi)有發(fā)出呼叫申請的顧客得到了不需要的服務(wù)，而有服務(wù)要求的顧客又得不到滿(mǎn)足，反而降低了服務(wù)的效率和準確度，起不到服務(wù)行業(yè)中需要的無(wú)線(xiàn)呼叫系統的作用。對于前一種情況可以采用適當的校糾錯方式，降低中央服務(wù)器向服務(wù)員提供錯誤呼叫信息的概率，無(wú)需本文詳細討論。而對后一種情況，需要找到一種合適的反碰撞方法，這正是本文要解決的問(wèn)題。

2.2 無(wú)線(xiàn)呼叫系統的防碰撞技術(shù)

數據的碰撞問(wèn)題即無(wú)線(xiàn)通信中的多路存取問(wèn)題。我們把多個(gè)通信通路競爭一個(gè)通信信道的最大數據傳輸率以及供它使用的時(shí)間片確定的，故分配給每個(gè)用戶(hù)的通路容量必須滿(mǎn)足：當有多個(gè)發(fā)射器同時(shí)把數據傳輸給同一個(gè)接收器時(shí)，不能出現互相干擾（碰撞）。在無(wú)線(xiàn)電技術(shù)中，多路存取問(wèn)題的存在由來(lái)已久。因此，出現了許多方法，可以把不同的用戶(hù)信號分開(kāi)。比較典型的方法有四種：空分多路法、頻分多路法、時(shí)分多路法以及碼分多路法。這些經(jīng)典的多路存取問(wèn)題解決方法用于移動(dòng)通信、衛星通信等系統中時(shí)，可以將不間斷的數據流傳輸給用戶(hù)，并且保證一次分配的通信容量能夠保持足夠長(cháng)的時(shí)間，如同話(huà)音通信所需要的那樣（例如在一次通話(huà)的整個(gè)交談過(guò)程）。

圖3 系統通信時(shí)序圖

對無(wú)線(xiàn)呼叫系統來(lái)說(shuō)，中央服務(wù)器與呼叫器之間只存在很短的動(dòng)作周期，這種周期被較長(cháng)的不等非工作間歇所中斷。呼叫器發(fā)出的數據在數十ms的時(shí)間內被鑒別，讀出和寫(xiě)入；接著(zhù)，中央服務(wù)器在較長(cháng)的時(shí)間內不會(huì )上到呼叫器發(fā)出的信號。但這并不意味我們不需要考慮多個(gè)呼叫器同時(shí)向服務(wù)器傳輸數據的可能性。我們需要的是一種高效的多路存取法，使用戶(hù)感覺(jué)不到時(shí)間的損失就完成了數據的區分、顯示及對用戶(hù)的響應。見(jiàn)圖2，許多呼叫器試圖“圖時(shí)”將數據傳輸給服務(wù)器。

現在比較常用的多路存取方法有頻分復用和時(shí)分復用法。頻分復用法（FDM，Frequency-Division Multiplexing）是在呼叫器與接收器之間建立多條不同帶的通信信道。但這種方法實(shí)現上過(guò)于復雜，硬件上需要增加濾波器組；并且由于信道的非線(xiàn)性會(huì )產(chǎn)生交調失真和高次諧波，引起信號的串路，因而不適合所設計的無(wú)線(xiàn)呼叫系統在本系統使用的是時(shí)分復用法（TDM，Time-Division Multiplexing）。TMD同FDM相比較具有電路實(shí)現簡(jiǎn)單可靠，對系統的非線(xiàn)性失真要求不高。

2.3 中央服務(wù)器與呼叫器之間的通信過(guò)程

時(shí)分復用的主要特點(diǎn)是利用不同時(shí)隙來(lái)傳送各路不同的信號，每路信號在時(shí)域上是分割開(kāi)的。我們?yōu)槊颗_呼叫器分配的，可與中央服務(wù)器通信的時(shí)間段是不同的。因此，要求我們所設計的系統具有良好的同步機制，解決中央服務(wù)器與所有呼叫器之間時(shí)鐘的步問(wèn)題。在同步信號的指揮下，每個(gè)呼叫器都能在分配給自己的時(shí)間段內發(fā)送信息。

系統由中央服務(wù)器產(chǎn)生的步信號作為整個(gè)系統同步的基準信號，這就為所有呼叫器建立了一個(gè)能夠計算出各自可以發(fā)出呼叫申請時(shí)間的起點(diǎn)。這里的同步信號是使整個(gè)系統協(xié)調工作的同步信號，而并不要求單個(gè)呼叫器與中央服務(wù)器采用同步通信方式的幀同步信號，呼叫器與央服務(wù)器之間的通信仍然可以采用異步通信的方式。呼叫器從收到系統同步信號后，開(kāi)始計算可以發(fā)送信號的延遲時(shí)間。延遲時(shí)間的長(cháng)度是在系統設計時(shí)就已經(jīng)約定的，每臺呼叫器對應不同的延遲時(shí)間，使各個(gè)呼叫器與服務(wù)器通信的時(shí)間是錯開(kāi)的，不會(huì )產(chǎn)生重疊，也就防止了中央服務(wù)器時(shí)收到多臺呼叫器的服務(wù)申請，避免了數據之間的碰撞。中央服務(wù)器產(chǎn)生的系統同步信號是周期性的，這個(gè)周期的大小與系統中呼叫器的個(gè)數、呼叫器與服務(wù)器之間完成一次通信所需要的時(shí)間有關(guān)，也與硬件設計的系統時(shí)鐘大小和數據傳輸的波特率有關(guān)。圖3給出了中央服務(wù)器與呼叫器之間通信的時(shí)序圖。

從圖3中，我們按照時(shí)分復用的原則，得出系統能夠正常工作的條件：

系統處于工作狀態(tài)后，中央服務(wù)器先發(fā)出同步信號SYN。該信號是周期信號，在兩個(gè)同步信號之間，服務(wù)器處于接收狀態(tài)。呼叫器CUi接收到同步脈沖后等待Ti時(shí)間，并在這臺呼叫器有顧客發(fā)出服務(wù)申請的情況下才能向服務(wù)器傳輸信息。呼叫器CUi與中央服務(wù)器通信一次的時(shí)間片的長(cháng)度為ti，在時(shí)間片內呼叫器可向服務(wù)器重復傳送n次信息，時(shí)間片內數據的傳輸仍然采用異步通信的方式。由于所有呼叫器在兩個(gè)SYN之間均有一次機會(huì )可與中央服務(wù)器通信，所以劃分的時(shí)間片越長(cháng)，同步信號的周期也截止大。但若同步信號的周期時(shí)間太長(cháng)，超過(guò)顧客對服務(wù)等待時(shí)間的滿(mǎn)意程度，也就不能滿(mǎn)足系統的實(shí)時(shí)性要求。所以在保證通信質(zhì)量的前提下，應提高數據傳輸的波特率，縮短通信時(shí)間片的長(cháng)度，確定系統中呼叫器的適當的數量。

3 系統的硬件設計

圖4給郵了無(wú)線(xiàn)呼叫系統的硬件結構框圖。系統的中央服務(wù)器與呼叫器的控制功能由單片機實(shí)現，射頻收發(fā)模塊主要由一塊射頻集成芯片構成。此外，中央服務(wù)器還有LED顯示電路以及發(fā)音電路。

單片機使用Atmel公司的AT89C51，其中集成了4KB FlashROM，主要用來(lái)控制射頻集成芯片的收發(fā)，數據的識別和提取，進(jìn)行反碰撞處理。此外，還要控制LED顯示呼叫器的識別號碼及給出提示音。

射頻集成芯片選用Nordic公司的nRF401。NRF401j 單片機集成收發(fā)芯片，可工作于433.92MHz/434.33MHz兩個(gè)頻道，最大數據傳輸率為20kbps，調制方式為FSK，功耗低，且發(fā)射功率可以調整，最大發(fā)射功率為+10dBm。當工作于等機模式，待機電流僅為8μA，因此很適合用于便攜式的無(wú)線(xiàn)通信設備中。連接nRF401的天線(xiàn)是以差分方式連接到nRF401的。在實(shí)際設計中，呼叫器的天線(xiàn)采用差分環(huán)型天線(xiàn)，這種天線(xiàn)可直接刻蝕在PCB板上。中央服務(wù)器的天線(xiàn)采用高靈每度的單端天線(xiàn)，但是單端天線(xiàn)與nRF401之間也必須通過(guò)一個(gè)差分轉換匹配網(wǎng)絡(luò )連接起來(lái)。圖5所示的硬件連接原理圖中的各個(gè)引腳的功能如下所列。

CS：頻道選擇，CS=0選擇工作頻道1，即433.92MHz；CS=1選擇工作頻率2，即434.33MHz。連接AT89C51的P2.5腳。

DOUT：數據輸出，連接AT89C51串口RXD。

DIN：數據輸入，連接AT89C51串口TXD。

PWR_UP：節能控制，PWR_UP=1正常工作狀態(tài)，PWR_UP=0低功耗節能狀態(tài)。連接AT89C51的P2.6腳。

TXEN：發(fā)射接收控制，TXEN=1時(shí)，nRF401為發(fā)射狀態(tài)；TXEN=0時(shí)，nRF401為接收狀態(tài)。連接AT89C51的P2.7腳。

NRF401射頻模塊硬件電路的具體設計。為了獲得最佳的RF性能，推薦使用1.6mm FR4板材的雙面PCB；nRF401的直流供電必須使用高性能的RF電容去耦；在PCB板上應該避免長(cháng)的電源走線(xiàn)；所有的開(kāi)關(guān)數字信號和控制信號都不能經(jīng)過(guò)nRF401的PLL環(huán)路濾波元件和VCO電感附近。

4 無(wú)線(xiàn)呼叫系統的軟件設計

4.1 通信協(xié)議

為了保證通信成功，通信雙方必須嚴格遵循通信協(xié)議的約定。由于nRF401的最大數據傳輸率為20kbps，為獲得中央服務(wù)器和呼叫器之間大的通信速率，單片機的系統時(shí)鐘頻率為11.0582MHz時(shí)，我們將串口的波特率選定在19.2kbps。

由中央服務(wù)器向所有呼叫器發(fā)系統同步信號。根據設計要求和測試結果，我們將同步信號序列SYN定義為雙同步字符：0xAA和0xAA。所有呼叫器接收到該字符串后，開(kāi)始計算各自的可以發(fā)送呼叫信息等時(shí)間Ti。

當對應呼叫器與中央服務(wù)器建立起通信關(guān)系后，在可通信時(shí)間片內采用異步通信的方式。呼叫器向服務(wù)器發(fā)出握手信號：0xBB；服務(wù)器接收到握手信號后發(fā)回應答信號：0xCC，接收到應答信號后呼叫器開(kāi)始傳送數據塊。設計中的數據塊可以直接是使用VCD碼表示的呼叫器的識別號，能很方便地在服務(wù)器的LED上顯示出來(lái)，還可以傳輸對其它相應服務(wù)編碼得到數據。收、發(fā)雙方的數據校驗方式采用計算發(fā)送數據塊的“校驗和”。呼叫器對所發(fā)數據求出“校驗和”，在數據塊發(fā)完后將其發(fā)到中央服務(wù)器中；服務(wù)器計算所收數據塊的“校驗和”，并與從呼叫器發(fā)來(lái)的“校驗和”相比較。若兩者相等，收正確，服務(wù)器應答一個(gè)“0x00”；叵不等，說(shuō)明接收器接收到“0x00”的答復后，結束發(fā)送。又因為呼叫器發(fā)出的服務(wù)請求只能在規定時(shí)間片段內完成，故必須的服務(wù)請求。系統直到等待時(shí)間最長(cháng)的那個(gè)呼叫器的時(shí)間片過(guò)去以后，中央服務(wù)器又再次向所有呼叫器發(fā)出系統同步信號.

圖6 收發(fā)程序流程

4.2 收發(fā)程序設計

因為系統分配給各個(gè)呼叫器的可與中央服務(wù)器完成一次呼叫申請的時(shí)間片的長(cháng)度是固定的，這個(gè)時(shí)間長(cháng)度既要保證呼叫器發(fā)出的申請能準確的傳到服務(wù)臺上，又要盡量短，才可縮小同步信號的周期。因此收發(fā)程序的執行時(shí)間十分關(guān)鍵，必須短而高效。圖6給出了中央服務(wù)器和呼叫器的收發(fā)程序流程。

結語(yǔ)

本設計中的硬件設計、軟件設計方案已通過(guò)實(shí)驗檢驗。對在多發(fā)單收情況下產(chǎn)生的數據磁撞一解決良好，系統運行穩定，通信誤碼率低。由于電路的結構簡(jiǎn)單，功能完善，這種低成本的無(wú)線(xiàn)呼叫系統在酒店、醫院及娛樂(lè )場(chǎng)所中有很好的實(shí)用價(jià)值。