摘要：介紹基于CATV的雙向FFSK數(shù)據(jù)通信線程和軟件設計的原理、流程。該裝置實現(xiàn)簡單、成本低廉、性能可靠，并在實際應用中得以成功運用。
關鍵詞：雙向CATV 窄帶 FFSK
有線電視網(wǎng)（CATV）是中國普及最廣的網(wǎng)絡，在已建的賓館、居民小區(qū)中絕大部分都已建成。因此利用已有的網(wǎng)絡進行更廣泛的功能的開發(fā)，如：影視點播、安防監(jiān)控、自動抄表及其它的服務呼叫等，是一個值得研究的課題。這些功能實現(xiàn)的關鍵，是在同軸電纜中控制信令的可靠實現(xiàn)。
在CATV網(wǎng)中，由于分支較多、用戶繁雜、線路老化等原因，不可避免地會造成大量的干擾信號的竄入。在實際的頻譜測試中，整個其帶經常被噪波干擾抬高，因此，尋找廉價且可靠的線路和傳送方案變得尤為重要。為此，我們通過長期的試驗和實驗，研制出一成本極其低廉，性能相當可靠的工作電路和通信方案，并在實際裝機運行中使用。
1 硬件組成及原理框圖
1.1 傳輸通道
根據(jù)國際，數(shù)據(jù)信息只能在雙向CATV網(wǎng)的低端通過，允許分布的頻率為65MHz以下。鑒于此，我們采用的通信頻率分別為：上行信號采用無線信號工作方式，頻點為21.7MHz，采用窄帶方式，帶寬為20kHz；下行信號采用電視信號的工作方式，中心頻率為38MHz，帶寬為8MHz。為加強抗干擾能力，上、下行被調制的信號采用FFSK方式，速率為1.2Kb/s。
圖1 數(shù)據(jù)中心采集卡的通信線路原理方框圖
采用此種通信方式的另一種考慮是成本及可生產化。數(shù)據(jù)采集中心與控制終端的通信系統(tǒng)是典型的一對多的通信，控制終端數(shù)量眾多，應盡可能地設計得簡單、低廉、精確；而數(shù)據(jù)采集心的采集卡則相對可靠即可。因此，在控制終端線路上的窄帶發(fā)射電路，為保證頻點精確且不漂移，舍棄LC振蕩電路采用晶體振蕩，定制晶體頻率為21.7MHz，帶寬為5kHz。通過對電源的控制來實現(xiàn)對振蕩電路起振與否的控制。接收電路采用電視信號解調芯片TA7606，解調出音頻FFSK信號。數(shù)據(jù)采集中心的采集卡相對應的接收電路采用窄帶接收芯片MC3363。MC3363是一個由RF放大器到音頻前置放大器輸出的完整的FM窄帶接收機。低電壓雙變換設計產生了用于窄帶音頻和數(shù)據(jù)鏈路的低功耗、高靈敏度和優(yōu)越的圖像載波抑制功能。MC3363具有較高的靈敏度，對于12dB SINAD（信號對噪聲的先真比）的典型的輸入值為0.3μV。輸入信號先通過兩級本生振蕩器的差頻輸出到455kHz以下，然后再對信號限幅放大，最后經過正交檢波輸出音頻范圍內的有用信號。雖然CATV網(wǎng)是有線的，但MC3363用在此處可大大提高上行信號的靈敏度，在信噪比較低時也能接收得很好。發(fā)射電路采用電視信號的中頻電路，即采用芯片MC1374，它的工作頻率也是晶體通過第6腳輸入的調制FFSK信號，硬件框圖如圖1所示。綜合數(shù)據(jù)處理中心的采集卡和終端的控制卡，上行和下行信號發(fā)射的工作頻率都是通過晶體振蕩產生的。這種設計思路將大大方便于調試、生產。上行信號采用窄帶是因為MC3363的接收性能極優(yōu)，同時節(jié)省頻率資源；而下行信號采用電視信號是因為成本低廉且便于調試、生產。圖1是數(shù)據(jù)中心采集卡的通信線程原理方框圖。
1.2 控制線程
采集卡的主控制芯片采用華邦公司的W77E58，主要出于三方面的考慮：
一是工作頻率高，最高可達40MHz，而且W77E58的機器工作頻率只是晶體振蕩頻率的4分頻，即40MHz的頻率相當于普通MCS-51系列單片機的120MHz。由于數(shù)據(jù)處理中心的采集卡要接收及處理多個終端來的信息，快速處理數(shù)據(jù)是必需的。二是W77E58擁有2個全雙工異步串口，給采集卡與數(shù)據(jù)控制中心的數(shù)據(jù)交換提供了便利。三是W77E58片內有1KB的SRAM（采用MOVX指令），無須外擴數(shù)據(jù)存儲芯片。當然，W77E58不還有其它一些特點也為程序設計帶來了極大的便利：雙16位的數(shù)據(jù)指針、WatchDog定時器等。FFSK調制解調芯片采用Toshiba公司的TC35470。該芯片有極少的外部線程，寬電壓（2.7～5.5V）和低功耗，內部抗電源干擾電路和抗噪聲濾波器。TC35470采用3.58MHz晶體，CPU的5根線相連，分別為：RTM（4腳）FFSK接收解調時鐘輸出，RDT（5腳）FFSK接收解調數(shù)據(jù)輸出，TD（11腳）FFSK發(fā)送調制時鐘輸出，TRD（12腳）FFSK發(fā)送調制數(shù)據(jù)輸入，MSKE（13腳）FFSK解調允許輸出控制腳。W77E58的雙串口有各自的用途：一串口通過RS232與控制主機相連，用以數(shù)據(jù)的通信；另一串口與其它設備相連。
由于終端所在的環(huán)境千變尤化，千差萬別，因此終端控制線路最關心的硬件設計是抗干擾和低功耗。為此，我們采用TI公司的MSP430系列的MSP430F1111芯片。該芯片具有ESD保護，抗干擾能力特別強，低電壓的工作范圍1.8～3.6V和超低功耗。它與TC35470組成終端的控制線路，可將電壓設計成3V，大大節(jié)省了耗電，使鋰電池供電成為可能。由于一個數(shù)據(jù)處理中心的采集卡要對應于多個終端，而多個終端共用一個上行通道，因此，MSP430F1111除了與TC35470的五根口線相連外，還須提供一口線控制電源以決定窄帶晶體振蕩電路是否工作。這里因為振蕩頻率已達21.7MHz，無法通過電子開關來實現(xiàn)關斷。MSP430F1111剩下的8個I/O口線可用做一些開關量的輸入/輸出，可對一些報警信號進行檢測，按鈕信號讀取，驅動一些控制開關。
2 通信信令方式
由于CATV網(wǎng)絡系統(tǒng)中眾多的終端用戶，采用一一“點名”的主從結構通信方式會使得整個通信周期太長。同時，在該網(wǎng)絡用戶中，大多通信事件的發(fā)起者應該是終端用戶而不是數(shù)據(jù)處理中心，而且在眾多用戶中，在某一時刻真正需要傳輸數(shù)據(jù)的用戶不可能很多。正因為大多通信事件的發(fā)起者是終端用戶，我們何不采用隨機信息上行的方案？考慮到以上各種因素，我們決定采用類似于無線集群通信的通信信令——ALOHA方式。
ALOHA信令是Motorola公司專為無線集群通信設定的控制信道通信協(xié)議，主要是針對于一個中心控制臺對眾多的手機用戶且事件發(fā)起者為終端用戶的情況，其核心內容是隨機訪問協(xié)議。隨機訪問協(xié)議的宗旨是：
*控制解決終端用戶上行信號的碰撞問題；
*使終端用戶的通信信息最快地上行；
*確何可靠性；
*在通信繁忙時也能保證通信有效。
當然，ALOHA控制信令的內容比較復雜，我們只采用了其中基本原理，并做了一定的修改，以適用本系統(tǒng)的應用環(huán)境。下面介紹其實現(xiàn)原理。
數(shù)據(jù)采集中心一直有信號向下發(fā)送，所以FFSK信號分成三類：
①空閑信令。該類信號一直下行，它是一種與終端約定的協(xié)議，表示緊接著的一段時間是采集卡接收終端初始上行信號的多個時鐘間隙。一時間間隙表示一幀終端上行信號所需的時間長度?？臻e信令本身包括空閑指令碼+時間間隔數(shù)值。時間間隔數(shù)值表示緊接著的時間間隙的個數(shù)，它不是一個固定的數(shù)值。這個數(shù)據(jù)應該隨著系統(tǒng)終端個數(shù)的多少和系統(tǒng)所要傳輸量數(shù)據(jù)多少進行最優(yōu)化的設計；同時，也要隨著采集卡收到要求信息交互的終端數(shù)的多少而變化。只有進行這樣的變化，才能保證ALOHA隨機訪問協(xié)議的宗旨。根據(jù)前面硬件的設計，終端的上行信號的發(fā)射電路在平時是無電停振狀態(tài)。當它要發(fā)射信號時，應給它的起振時間約為10ms，因此這一時間間隙應包括起振時間。
②應答信號。當采集卡收到終端的上行信息時，立刻給出應答信號。此應答信號包含終端地址。
③交互信令。給出應答信號后，采集卡還對信號進行分析，對于需要進一步交互的信息內容，立刻在空閑信令及時間間隙后跟上交互信令，同時跟上一幀的時間間隙以接收上行信號。交互信令也是由兩個部分組成：交互指令碼和需交互的終端地址。當在交互信令的時間間隔得到上行信號時也需給出應答信號。當收到上行的結束信號時，取消該地址的交互信令。
終端所發(fā)FFSK信號分成兩類：
①申請上行信號。終端控制板一直通過外部中斷口對數(shù)據(jù)中心采集卡的下行空閑信令進行檢測。當它有數(shù)據(jù)需要上行時，根據(jù)下行的空閑信令所得的時刻與現(xiàn)在這一刻進行比較判斷，在下一時間間隙立刻發(fā)射數(shù)據(jù)。信號發(fā)送后立刻檢測采集卡的應答信號，這一定時間內若無應答信號，則說明剛才的上行信號沒有被采集卡檢測到，需要再一次發(fā)送申請上行信號。一般而言，數(shù)據(jù)中心得不到數(shù)據(jù)是因為有兩個或兩個以上的用戶“同搶”時隙。這樣，再一次發(fā)射信息就要采用隨機發(fā)射方式：根據(jù)本機的一隨機數(shù)據(jù)發(fā)和函數(shù)得到一單字節(jié)的隨機數(shù)，除以時間間隙數(shù)，得一隨機余數(shù)。該隨機余數(shù)即為本次申請上行信號發(fā)生所占的時間間隙。之所以要有一隨機數(shù)據(jù)的發(fā)生函數(shù)，是因為采集卡的下行空閑信令之后的時間間隙的個數(shù)有限，為了效地干擾。若還不成功，就需要根據(jù)信息的重要程度不同進行不的處理：報警型就要重復剛才的過程，直到收到應答信號為止；一般的信息只需重復一定次數(shù)，若還不成功就可放棄。對于那些需進一步信息交互的內容，終端單片機對采集卡的下行信號進一步檢測，當檢測到交互信令時，就進行下一步的信息交互。申請上行信號由兩部分組成：終端地址和真正上行信息。
②交互行信號。檢測到交經信令時，終端就可以發(fā)送交互的上行信號了。一幀交互上行信號可根據(jù)實際需要設計得與一幀申請上行信號不一樣長。當信息交互完畢時，終端發(fā)送結束信息，以便采集卡收回該終端的交互信令時序。由于下行的交互信號中包含地址內容，因此交互上行信號只有信息內容。為了數(shù)據(jù)輸送的可檢驗，數(shù)據(jù)的傳送通過CRC校驗。
采用上述通信方式，通過試驗數(shù)據(jù)傳送既快無好，即使碰了多個用戶“同搶”的情況也能將信息順利上達。
3 軟件設計
在完成硬件設計和確定通信原理后，收發(fā)軟件設計中，最主要是怎樣把握時間間隙的計算。通過時間的延遲是可以達到這樣的目的，但這樣做要實現(xiàn)多樣的延時，在實際試驗中既不利于實現(xiàn)也不準確。我們采用的方法是：對芯片T35470，通過計算FFSK接收解調時鐘輸出RTM腳的脈沖個數(shù)來達到計時的目的。因為，此腳一直產生1.2kHz的方波，一個脈沖時間為0.83ms。比如，在終端每次發(fā)送信息應起振振蕩線路，時間約為10ms。我們就可以通過計12個脈沖來達到延時目的。下行信號留出的每個時間間隙都應包括這12個脈沖的時間。實際上，隨機函數(shù)也是通過計RTM腳脈沖的方式來實現(xiàn)的，這樣也便于隨機時隙的計算。
前已述及在外部中斷服務子程序中，單片同對采集卡的空閑信號一直都在采集，中斷就是由RTM腳脈沖引起的，在此服務子程序中也實現(xiàn)對RTM脈沖計數(shù)并實現(xiàn)隨機函數(shù)。采集卡和終端的通信程序流程如圖2、圖3所示。
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