沈国浩

（蚌埠学院数理系，安徽 蚌埠 233000）

射频技术的无线控制网络设计方法初探

沈国浩

（蚌埠学院数理系，安徽 蚌埠 233000）

无线网络可以克服传统网络技术中有线传输介质带来的组网困难.根据现场控制需要,基于射频技术,设计了一种使用2.4GHz公用频率通道和具有主从星型拓扑结构的无线控制网络.主设备采用FPGA驱动射频模块,从设备采用单片机直接驱动射频模块.实验结果证明,该方案具有可行性.

无线；控制网络；射频技术

1 前言

工业控制网络是计算机技术、通信技术与自动控制技术相结合的产物,是在传统网络基础上发展起来的,专门用于自动控制领域的网络技术.现有的控制网络一般基于有线传输介质,由此带来了地表、墙体布线、网络线路维护等一些问题,在一些需要突发性、临时性处理和信息交换设备需要较大范围移动的场合,更带来了应用上的一些困难.随着无线通信技术的发展,把无线技术引入控制网络,可以克服传统组网中的缺点,而成为有线网络一种有益的补充.虽然目前由于现场控制的特点,完全采用无线技术还不现实,但可以预见随着技术的日益成熟,无线技术在控制网络中的应用将会日益广泛.

2 无线控制网络系统设计

控制网络的基本任务是实现测量与控制,面向对象多是分布于生产现场、有通信能力的传感器、执行器、测控仪表等控制节点.这些节点要求的通信数据传输量相对较小,传输速率也较低,且多为短数据帧传送,但对通信传输的实时性、可靠性有着很高的要求.而且现场根据生产的需要,可能经常需要撤销或者增加新的节点,这就给网络拓扑提出了便于组网的要求.一种可推荐的无线网络拓扑是具有主从功能的星型拓扑,具有较强的数据处理能力,通过合理布局,完成对整个控制现场的网络覆盖.现场处理节点（从节点）作为星型网的从设备,主要完成工业生产的基本控制功能,并通过无线信道,实时发送现场测控数据,为高层控制系统决策提供所需的信息,并接受网络控制节点传来的数据,执行上层发出的调控命令.依照规定,无线局域网只能在国际上通用的ISM免许可证频段（902MHz～928MHz,2.402GHz～2.48GHz和5.725GHz～5.850GHz）进行研究、应用.考虑组网的带宽要求及网络通信的传输性能,选择工作频段为2.4GHz.为简化设计,试验网络的主、从设备采用相同天线和射频模块PBA31301/2.

3 主设备硬件设计

主设备以微型计算机为核心,通过USB接口控制FPGA,FPGA控制射频电路,进行数据和命令的发送和接收,其硬件模块图如图2所示.由于计算机采用了非实时的Windows XP操作系统,故在接口电路中使用可编程器件FLEX10K10作为主设备控制信道的缓冲,以便能对无线网络实时控制.计算机通过并口器件配置电路,对FLEX10K10进行编程配置.FLEX10K10是Altera公司生产的FPGA器件,主要由嵌入式阵列块（Embedded Array Block,EAB）、逻辑阵列（Logic ArrayBlock,LAB）、输入/输出单元（I/O Element,IOE）及内部连线组成.其中,EAB是在输入和输出端口带有寄存器的灵活RAM块,用于实现一般阵列宏（Mega）功能,还可通过事先写入查表值方法构成如乘法器、纠错逻辑等电路;LAB由八个逻辑单元（Logic Element,LE）以及进位链、级联链、LAB控制信号与LAB局部互连组成,主要用于逻辑电路设计;IOE由一个双向缓冲器和一个寄存器组成,可作为全局的时钟及清零信号输入端口或具有可编程性的各种输入、输出端口.

3.1 USB总线接口

USB总线接口采用了Philps公司生产的符合USB1.1协议规范的接口器件PDIUSBD12.其作为微控制器与FPGA通信的高速通用并行接口,支持本地DMA传输,负责完成USB数据包的解析与封装,驱动电路如图3所示.虚线框内为在FLEX10K10内部设计的PDIUSBD12驱动电路模块,分别是USB控制、数据传输和DMA控制三个模块.USB控制模块连接PDIUSBD12的各控制线,通过接收和置位,与数据传输模块一起实现对芯片工作状态的控制及数据存取.DMA控制模块用于数据的块传输控制.

3.2 射频模块

射频模块采用射频控制器PBA31301/2加天线构成.PBA31301/2是爱立信公司生产的射频控制器,工作在2.4GHzISM频段,能快速跳频,具有79个信道（2.402～2.480GHz）,采用 GFSK 调制,有 0dBm（1mW）、4dBm（2.5mW）两级射频输出.芯片最大工作电压为3.3V,采用34脚BGA封装,内部集成了完整的无线电结构,只需外接一个50Ω工业频带天线和一个有13MHz的基准频率电路.它基本提供了系统所需的全部射频解决方案.

射频驱动器的接口电路如图4所示.射频模块PBA31301/2外接13MHz晶振,其ANT端与50Ω天线相连,电源电压Vcc为3.3V.PBA31301/2的非电源引脚端的最大电压为Vcc+0.3（V）,FLEX10K10的I/O引脚电压为0～5V,故采用两片低电压总线驱动芯片74LVC245实现射频模块与驱动电路的信号电平转换.74LVC245电源电压为3.3V,其I/O引脚耐压值为0～5.5V,输出电压0～3.3V,可满足信号匹配的要求.虚线框内为在FLEX10K10内部设计的射频驱动电路模块,分别是串行控制、数据传输、输入控制和输出控制四个模块.其中,串行控制模块制射频模块的工作状态,其余三个模块共同负责射频模块的启动和基带数据传输的收发控制.

4 从设备硬件设计

从设备主要指现场中的各种监测器和执行器,既要具有传统的监测控制功能,又要具有网络通信功能.设计了以单片机80C196KC为核心的从设备硬件结构,单片机80C196KC具有良好的工业控制性能,但在位（bit）控制方面却有明显的不足.射频模块PBA31301/2要求有较多的位控制信号,因此采用了8255A的C口扩充单片机的位控制能力.其接口电路与主设备相似,在此不再赘述.

5 软件设计

考虑到现场控制设备实际需求,也为了降低控制网络实现的复杂性,设计中只实现了OSI网络参考模型中的三层:物理层、数据链路层和应用层.在主从设备中,各层的实现不完全一样.在主设备中,网络的物理层和数据链路层协议主要由射频模块PBA31301/2来实现,通过FLEX10K10对数据帧的封装,可以对网络进行实时数据的收发.网络的上层协议主要由核心PC来实现,其与FLEX10K10通过中断的方式传输数据,示.从设备在网络中处于被支配地位,采用中断处理的方式实现网络数据的传输.射频模块PBA31301/2的LPO_CLK引脚固定输出3.2MHz的脉冲,通过校准,单片机能方便的获得一个200Hz的中断信号.

6 结论

试验结果表明,从设备对工频正弦波和方波采样,主设备PC通过无线控制网络能够进行实时跟踪和显示,验证了该方案具有可行性.

本文作者创新点:系统硬件分别采用现场可编程门阵列驱动射频模块和单片机驱动射频模块的方案,一方面较好的模拟了现场控制的硬件环境,另一方面也使得无线控制网络在软件协议的编制上具有了较大的灵活性;软件方面,在Windows环境中完成了基于底层控制网络协议的监控系统软件编制.

〔1〕阎威武，邵惠鹤.支持向量机和最小二乘支持向量机的比较及应用研究[J].控制与决策，2005,18（3）:358-360.

〔2〕彭辉，张长水，荣刚，边肇祺.基于K—L变化的人脸自动识别方法[J].清华大学学报，1997，37（3）：67-70,945-949.

〔3〕Burges C J C.A Tutorial on Support Vector Machines for PatternRecognition[J].Know ledge Discovery and Data M ining.1998,2（2）:121-167.

〔4〕赵宇，王志良，刘冀伟.一种基于支持向量机的测井岩性预测新方法[J].微计算机信息，2004（06）：50-51.

〔5〕Bennett K,Blue J.A support vector machine approach to decisiontrees[R].Resselaer Polytechnic Institute,Troy,NY:R.P.IMath report,1997：97-100.

〔6〕Sungmoon C,Sang H O,Soo-Young L.Support Vector Machinesw ith Binary Tree Architecture forMulti-ClassClassification [J].Neural Information Processing Lettersand Reviews,2004;2（3）:47-51.

〔7〕Donoho D L.and Johnstone I M.Adapting to Unknown SmoothnessVia Wavelet Shrinkage [J].Journal of the American Statisticl Assoc.,1995,90（32）:1200-1224.

〔8〕Donoho D L.,Johnstone I M.,Kerkyacharian G.and PicardD.W avelet shrinkage:Asymptopia? [J].Journal of the Royal StatisticalSociety,Series B,1994.

〔9〕Mallat S.A Theory for Multiresolution Signal Decomposition:theWavelet Representation [J].IEEE Trans on Patt Anal Mach Intell,1989,11（7）647-693.

[10]MATLAB Link for Code Composer Studio DevelopmentToolsUser’sGuide.Mathworks.2002.

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