李鵬飛 發表於 2020-03-06 09:35:10
引言
隨著信息技術的飛速發展，短距離無線通信技術的應用已經越來越廣泛，硬體低成本，協議簡單的無線通信系統越來越受到歡迎。現有的一些通信技術包括WiFi和UWB，WiFi是一種無線網絡通信技術，可以改善基於IEEE802.11標準的無線網絡產品之間的互通性。UWB（Ultra Wideband）是一種無載波通信技術，它利用納秒至微微秒級的非正弦波窄脈衝傳輸數據。但採用這些方式其硬體成本較高，協議相對複雜。本文採用基於通信晶片SI4432設計的無線通信系統，不儀通信質量好，而且成本低和開發難度低，可應用於無線通信、智能控制等領域。
1 、系統網絡結構
本方案採用分布集散數據採集控制系統結構，如圖1所示，由一個控制工作站（主操作臺）、多個無線監控網關和多個無線控制節點組成。無線控制節點（即用戶所使用的設備和無線I/O模塊）通過無線監控網關與控制工作站通信。
2、 無線通信系統總體設計
該系統用LPC2103微控制器控制SI4432實現數據收發，系統軟體採用μC/OS-II嵌入式作業系統。μC/OS-II採用的是可剝奪型實時多任務內核，該通信系統將分解成若干任務，實現模塊化設計。串口接收任務將數據寫入發送緩衝區，發送任務從發送緩衝區取得數據並將數據傳輸給SI4432進行編碼處理，並以特定的格式經天線發送給接收模塊。接收任務負責接收來自SI4432的數據，並將數據寫入接收緩衝區，串口的接收任務將數據傳到PC機或其他設備。無線收發模塊的硬體結構如圖2所示。
3 、系統硬體設計
主控晶片採用飛利浦公司生產的LPC2103晶片，LPC2103是基於ARM7TDMI-S CPU的微控制器，由於內置了寬範圍的串行通信接口（範圍從多個UART、SPI和SSP到兩條I2C總線）和8 KB的片內SRAM，非常適合通信網關和協議轉換器應用，可以通過內置SPI控制器對SI4432的內部寄存器進行讀寫操作，根據實際情況配置各項參數。通過SPI接口完成對SI4432的各種配置和操作，如初始化配置、讀寫數據、訪問FIFO等。MOSI和MISO用於實現LPC2103到SI4432的雙工傳輸;SCK用於串行數據傳輸的同步;nSEL作為片選信號。SPI接口示意圖如圖3所示。
4、 系統軟體設計
採用μC/OS-II作為作業系統，該系統將分解成幾個任務：系統初始化任務、SI4432發射任務、SI4432接收任務、讀緩衝區任務、寫緩衝任務。軟體合理設定任務的優先級，μC/OS-II是基於優先級調度執行的。
4.1 系統初始化任務
系統初始化任務包括目標板初始化、SPI接口初始化、SI4432初始化。
4.1.1 目標板初始化
目標板初始化主要是定時器0初始化和註冊定時器0中斷服務程序。μC/OS-II要求提供時鐘中斷以實現延時與超時控制功能，多任務系統啟動以後，也就是涮用OSStart（）之後第一件事就是初始化定時器，定時器0初始化：
4.1.2 SPI接口初始化
為了使LPC2103與SI4432能更高速地進行雙向數據傳輸，將前者配置為SPI主機模式後者為從機模式。由於SI4432的所有配置都是通過SPI接口進行的，配置的恰當與否對系統最終的通信效果有很大的影響。SPI初始化為主機，部分程序如下：
4.1.3 SI4432初始化
SI4432主要是自組織協議設計和一些寄存器配置。自組織協議格式如圖4所示。
其中，Pre表示前導碼，這些字符雜波不容易產生，通過測試和試驗發現，噪聲中不容易產生0x55和0xAA等非常有規律的信號，因此前導碼採用0x55AA;Sync（同步字）在前導碼之後，本系統設定的同步字為2B，同步字內容為0x2DD4，接收端在檢測到同步字後才開始接收數據;本系統不需要TX header（幀頭）;Data表示有效數據;CRC表示檢驗位，說明採用何種校驗方式，可避免接收錯誤的數據包;SI4432內部集成有調製/解調、編碼/解碼等功能，Pre、Sync和CRC都是由SI4432自動填充，用戶只需設定數據包的組成結構和有效數據即可。
4.2 SI4432發射任務
發射任務在LPC2103、SPI和SI4432的初始化後。配置寄存器使其進入發射狀態，然後讀取發射緩衝區（緩衝區就是一個靜態隊列數據結構）數據到TXFIFO裡，當數據包發送完時，SI4432產生中斷，引腳nIRQ拉低從而通知LPC2103數據包發送完畢，LPC2103讀取該中斷信號從而釋放SI4432的nIRQ引腳，以便接收下一次中斷的產生。
無線監控網關會根據所要傳遞到特定網關而切換到特定的信道，下面的子網關則使用特定的信道。無線發射流程圖如圖5所示。
4.3 SI4432接收任務
當接收任務檢測到LPC2103的P0.16引腳被拉低時，首先關閉SI4432接收，然後讀取其狀態寄存器釋放nIRQ，判斷數據包接收中斷和檢測該包是否有效。如果CRC也正確，LPC2103讀取RXFIFO中的數據，將其寫入接收緩衝區（靜態隊列數據結構）。數據接收完畢後，清除RXFIFO打開接收使系統進入下一次數據通信，無線監控網關會監聽所有的信道，而下面的子網關則使用特定的信道。無線接收程序流程如圖6所示。
4.4 讀緩衝區任務和寫緩衝任務
讀緩衝任務主要是讀取SI4432寫到緩衝區的數據，傳送到串口，以便傳輸到PC或其他設備;寫緩衝區任務主要是把PC或其他設備準備發射的數據由串口寫入到發射緩衝區，由發射任務發射出去。
結語
本文設計了一種基於SI4432的無線通信平臺，此通信平臺採用μC/OS-II和LPC2103作為作業系統和微控制器，通信的直線距離可達600～800 m，在建築物內通信質量亦能得到保證，該通信平臺能夠應用於多種場合。
責任編輯：gt
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