無線通信在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用

微計(jì)算機(jī)信息 　　摘 要：本文介紹了無線數(shù)傳模塊在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用，嵌入式處理器與無線模塊的硬件接口設(shè)計(jì)，無線模塊的驅(qū)動程序的編寫，預(yù)約式點(diǎn)對多點(diǎn)無線通信的傳輸協(xié)議的制定以及實(shí)現(xiàn)。為無線通信在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用提供了有效的方案。
　　關(guān)鍵詞：無線通信；嵌入式系統(tǒng)；協(xié)議1 引言
在傳統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)中大多采用pc機(jī)作為上位機(jī)，通過rs485串行通信作為傳輸手段，因此系統(tǒng)有諸如工作不夠穩(wěn)定、連線繁多、擴(kuò)展性差等缺點(diǎn)。
　　本項(xiàng)目當(dāng)中采用32位嵌入式芯片組成的系統(tǒng)作為上位機(jī)，其體積小、功耗小而且工作穩(wěn)定；上位機(jī)與下位機(jī)之間的傳輸采用無線傳輸方式，且上位機(jī)對下位機(jī)可配置，從而使得系統(tǒng)具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性。這套系統(tǒng)具有更優(yōu)的性能，可以作為現(xiàn)有系統(tǒng)的升級產(chǎn)品。2 硬件結(jié)構(gòu)
　　上位機(jī)嵌入式系統(tǒng)采用在工控領(lǐng)域有傳統(tǒng)優(yōu)勢的摩托羅拉芯片（coldfire5249）為核心，配備4mbyte閃存和16mbyte內(nèi)存的系統(tǒng)，此系統(tǒng)外擴(kuò)有網(wǎng)絡(luò)接口可通過局域網(wǎng)為客戶機(jī)提供數(shù)據(jù)服務(wù)。通過無線模塊與下位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，獲取遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)，下達(dá)客戶機(jī)對遠(yuǎn)程對象的控制命令。　 下位機(jī)采用基于8051的單片機(jī)系統(tǒng)，他的主要功能是采集現(xiàn)場的數(shù)據(jù)以備上位機(jī)查詢，執(zhí)行上位機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)來的用戶指令。其中溫度傳感器采用ds18b20。
　　無線通信模塊采用ptr2000，ptr2000是收發(fā)一體的工作在國際通用數(shù)傳頻段433mhz的無線通信模塊。他最高傳輸速率可以達(dá)到20kbit/s，功耗低，待機(jī)狀態(tài)下僅為8ua，可以直接與cpu的串口連接使用。ptr2000的引腳定義如表1?！　tr2000的硬件連接非常簡單，由3個(gè)通用i/o口分別控制txe，pwr，cs。di， do與cpu的串口連接。txe為1時(shí)，為發(fā)送狀態(tài)，txe為0時(shí)，為接收狀態(tài)。狀態(tài)轉(zhuǎn)換需要5毫秒。pwr為0時(shí)，為節(jié)電待機(jī)狀態(tài)，此時(shí)模塊無法進(jìn)行接收或者發(fā)送。3 線通信協(xié)議及其軟件結(jié)構(gòu)
3.1 通信協(xié)議研究
　　在本系統(tǒng)中，網(wǎng)關(guān)（嵌入式系統(tǒng)）與下位機(jī)（單片機(jī)系統(tǒng)）之間采用無線通信方式。無線通信由于其無需布線、便于安裝、檢修升級容易、管理簡單、靈活性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，但是無線傳輸在傳輸過程中難以避免的會產(chǎn)生誤碼，而且產(chǎn)生誤碼的幾率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于有線網(wǎng)絡(luò)，并且誤碼的產(chǎn)生與多方面的因素有關(guān)，因此有很大的不確定性。所以我們必須采用一種差錯(cuò)控制機(jī)制，但是我們不需要也很難實(shí)現(xiàn)太過于復(fù)雜的方法，我們可以采用停止等待協(xié)議來實(shí)現(xiàn)差錯(cuò)控制。此外，我們必須采用校驗(yàn)機(jī)制以確定何時(shí)需要重傳，crc校驗(yàn)碼的檢錯(cuò)能力很強(qiáng),它除了能檢查出離散錯(cuò)外,還能檢查出突發(fā)錯(cuò)?？紤]到硬件和傳輸?shù)拈_銷問題，使用crc16校驗(yàn)碼。
本系統(tǒng)當(dāng)中我們所采用的無線數(shù)傳模塊是ptr2000，ptr2000靈敏性很高，因此在無載波的情況下在接收端會產(chǎn)生隨機(jī)的數(shù)據(jù)，在通信協(xié)議中必須在有效數(shù)據(jù)前加上兩個(gè)或多個(gè)固定的前導(dǎo)字符作為同步信號，使得接收端能夠辨別出有效數(shù)據(jù)的開始。

　　本系統(tǒng)中所采用的是一點(diǎn)對多點(diǎn)的無線通信模式，因此必須選擇一種多址方式來實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對多點(diǎn)通信，常用多址方式有時(shí)分多址（tdma）、頻分多址（fdma）、碼分多址（cdma）等,其中fdma為每一路通信提供一個(gè)不同的頻段，易于實(shí)現(xiàn)，但是需要比較大的頻段資源，而且抗干擾能力差。cdma是采用不同的編碼來區(qū)分不同的信道，抗干擾能力強(qiáng)，但是傳輸開銷非常大，而且實(shí)現(xiàn)也比較復(fù)雜。tdma在同一時(shí)間內(nèi)只有一個(gè)信道可以通信，抗干擾能力較強(qiáng)，傳輸開銷較小，而且實(shí)現(xiàn)比較容易，雖然實(shí)時(shí)性較差，但是由于溫度的物理特性，此系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求不高，所以可以采用時(shí)分多址（tdma）來實(shí)現(xiàn)。
3.2 通信協(xié)議制定　　其中前導(dǎo)字符可采用0xaa、0xaa、0xff、0x00共4字節(jié)，其中前兩個(gè)字節(jié)為同步信號，后兩個(gè)字節(jié)為幀開始標(biāo)志，接收端只要能夠接收到0xaa、0xaa、0xff、0x00就可以認(rèn)為新的一幀開始了；幀類型（4位）分為數(shù)據(jù)幀、有序數(shù)據(jù)幀、控制命令幀、確認(rèn)幀等多種幀類型；幀編號（4位）為可選項(xiàng)與幀類型相關(guān)，只有幀類型是有序數(shù)據(jù)幀時(shí)才有效；地址（1字節(jié)）標(biāo)明數(shù)據(jù)幀的目的地址；有效數(shù)據(jù)長度不定；校驗(yàn)為2字節(jié)crc16校驗(yàn)碼；結(jié)束標(biāo)志為0x00。
　　由于linux串行通信中有許多ascii碼是作為控制字符來使用，因此，對以上幀當(dāng)中除了前導(dǎo)字符和結(jié)束標(biāo)志外的數(shù)據(jù)進(jìn)行base64編碼。

3.3 通信協(xié)議的實(shí)現(xiàn)
嵌入式系統(tǒng)端軟件結(jié)構(gòu)
　　首先，在嵌入式操作系統(tǒng)中，由于通常只能在內(nèi)核態(tài)才能對硬件進(jìn)行訪問，所以軟件必須通過驅(qū)動程序來操作硬件，在這里ptr2000可以看作一個(gè)串口設(shè)備來使用，但是，ptr2000是一個(gè)半雙工的通信模塊，發(fā)送接收狀態(tài)由txe來控制，因此，要對默認(rèn)的串口驅(qū)動程序進(jìn)行一些修改，在串口驅(qū)動程序中的write函數(shù)完成發(fā)送功能，我們需要在其中加入一個(gè)通用對i