一种点对多点的无线数传系统设计

2017-12-09李俊吴燕王文娟

科技视界 2017年24期

李俊　吴燕　王文娟

【摘要】针对无线传输效果不稳定，采用主从式、消息队列技术及随机延时的思想设计了一种点对多点的无线数传系统。该模块由STC单片机、射频芯片ESP和拨码开关等组成，具有成本低廉，实现简单等优点。

【关键词】主从式；点对多点；无线传输

0 引言

在短距离的通信中，无线技术被普遍看好，无线数据通信的应用领域越来越多：遥控遥测、无线抄表、工业数据采集系统、身份识别等。凡是布线繁杂或不允许布线的场合都希望能通过无线方案来解决。目前主流的几种短距离无线传输有：蓝牙技术，无线射频收发一体型芯片技术，ZigBee技术，射频识别技术，IrDA技术；其中射频技术因为功耗低和无方向性等优点而受到青睐。

无线设备间的互连操作随处可见，其核心问题是设备间通讯[1]。本论文采用主从分布式、消息列队技术及随机延时的思想实现点对多点的无线数传系统设计，提高无线数据传输的准确性、实时性和可靠性。

1 系统的基本结构

点对多点的无线数传系统的结构框图如图 1 所示，由一台主无线模块和多個从无线模块构成，可以实现无线数据的双向传输。每个从无线模块都有独立的CPU，与主无线模块的通讯互不影响，不会因某个无线模块的故障而使整个系统失去控制，不仅能提高系统的可用性，更便于维护。

2 系统的硬件设计

在硬件方面，无线数传系统的硬件框图如图2所示。系统采用目前比较流行的低功耗、抗干扰能力强、误码低的射频收发芯片ESP8266，52单片机最小系统，外部串口，电源模块，拨码开关等研制无线数传模块。为避免PC机与多外围设备或外围设备之间的数据碰撞，采用一主多从模式，并且模块的接收缓冲具有消息列队功能，在同时接收两个及以上模块数据时，可以自动规避冲突，保证数据传输的准确性与可靠性。

2.1 射频收发芯片ESP8266

如图3所示，该芯片为低功耗无线芯片，工作电压为3.3v，由1117提供。其遵循802.11b/g/n无线协议，并自带完整的TCP/IP协议，即该芯片模块具有13个信号频段：2412MHz. 2417MHz. 2422MHz. 2427MHz. 2432MHz. 2437MHz， 2442MHz. 2447MHz. 2452MHz. 2457MHz. 2462MHz. 2467MHz. 2472MHz。可根据环境无线环境自动选择干扰较小的通信信道。其无线功率可达到+20dBm，自带50k数据缓存，发射电流小于80ma，待机功耗小于1mW，从待机状态唤醒时间小于2ms。其通信方式为UART串行接口，波特率为115200，与单片机的串口1相连接，由单片机进行通信配置和数据传输。

2.2 单片机最小系统

如图4所示，单片机芯片为STC15F2K08S2，芯片电源为5v单电源供电，由LM2940提供电源供应，单片机的静态功耗仅5mW，保证了系统的低功耗设计的可靠性。

模块在复位电路设计中采用的是施密特触发复位，单片机上的RESET管脚是触发输入管脚，在复位电路设计中，添加了一个干扰滤波电容。只要按下S1，无论单片机处于什么状态都会启动片内的唤醒定时器，直到外部动作撤除时振荡器才重新开始运行。计数到设定值后，片内的电路完成了芯片程序的初始化。在系统刚进入时正常初始化外，一切不正当操作引发的死锁状态时，可通过复位键使系统重新启动。本系统采用了较为精简的阻容复位电路设计，如图4设计可实现芯片运行过程中的按键复位。在按下键时，RSTET直接与VCC相互连接，这样高电平形成复位操作，同时C1电容也给电路放电，松开开按键后VCC只对电容充电，充电的过程中R6上仍然会有电流的存在，系统还处于复位中充电结束后，电容就相当于开路电路，RSTET变为低电平，C51单片机芯片正常运作。其中R6的阻值是决定充电时间的设定，阻值越大充电时间就越长。

15F2K08S2采用的是外部晶振，通过调整外部时钟源来调整整个系统的时钟，使系统运行速度更快。如图4所示，在设计中外部晶振的频率范围是10MHz～20MHz。本系统使用外部12MHz晶振，这样在计算时间方面就会很方便，因为一个机器周期为1/12时钟周期，选用12M晶振的话，一个时钟周期为12us，那么定时器计一次数就是1us了，电路如图3-7，C2、C3为旁路电容，电容范围在20-40pF之间，这里连接的是30pF的电容。系统中用12MHz晶振除了计算方便外海可以使波特率更精确，同时能够支持15F2K08S2芯片内部PLL功能及ISP功能。

2.3 外部串口

如图5所示，外部串口为单片机的第二串口，RX为P1.0， TX为 P1.1，该串口在程序初始化配置中进行复用配置，该接口可下接RS232转RS485接口，拓展为RS485外围接口，兼容RS485设备。

2.4 电源模块

在模块设计上，将会使用到+5V和3.3V的电源来驱动电路。5V的电源电路我们选择LM2940集成稳压器，3.3V的电源电路我们选择L1117低压差线性调压器，LM2940集成稳压器电路如图4所示，这是一个输出正5V直流电压的稳压电源电路。IC采用集成稳压器2940，在电路中C4、C5分别为滤波电容，R5为电路负载电阻。D4为电源开关指示灯。当输出电较大时，2940应配上散热板。

如图6所示电路为输出电压+5V的稳压电源及3.3v稳压电源。5v稳压电源部分由电源输入端J1，整流二极管D5，滤波电容C4、C5，防止自激电容C6、C7和一只固定式三端稳压器（2940）极为简捷方便地搭成的。

3.3V稳压电源电路采用的是L1117低压差线性调压器，LM1117是一个可调电压芯片。同时它还可以固定输出3.3V电压的，电路前后各配两个滤波电容，根据芯片规格书上的要求建议使10uF的电容，根据电容值的增加可以提高回路的稳定性和瞬间响应。因此在电路设计上使用22uF的电容。增加一个小电容是使得电路可以滤掉更加高频的交流信号，这样通过一大一小的电容配合来扩大滤波的频率范围，使得到的3.3V电压中掺杂更少的谐波。endprint

2.5 拨码开关

如图7所示，拨码开关为8位拨码开关，连接在单片机的P2.5，P2.4，P2.3，P2.2，P2.1，P2.0，P3.7，P3.6接口与GND之间，在系统中的功能为手动设置客户端ID，其编码方式为二进制编码方式，可设置256个客户端ID。

2.6 存储电路

如图8所示，其A0，A1，A2全部接地，其WP脚也接地。由于芯片内部无上拉电阻，故将7，8两数据脚通过R7，R8两个10K欧姆电阻上拉至5v。

本模块的储存电路采用的是电可擦可编程只读存储器，掉电后芯片的数据不丢失，芯片在系统中可以进行在线重配置，并保持修改的结果。它兼有数据RAM 和程序ROM的功能，并可以在系统设备上擦除已有信息，并重新编程，本系统采用存储芯片24C256，其容量大小为256k，可读、可写、可擦除，拥有两线串行接口总新，兼容I2C。本设计中24C256通过I2C总线实现互通。图8为存储电路硬件电路图，其中SDA和SCL引脚都为漏极开路，所以必需在这两个引脚跟VCC之间介入上拉电阻。

3 系统的软件设计

无线数传模块接收串口数据的处理流程如图9所示，为保证系统能正常运行，任一条指令或数据，在规定时间内未应答，可以重发3次，一旦超过了重发次数，就放弃此条指令或数据，进入下一条指令或数据的通信。新数据包ID依次为00-0xFF，如果数据包发送不成功（需重发的数据包）则该序号不增加，从机通过该序号判定是否是重复数据。

4 实物测试

4.1 实物制作

在实际制作前进一步确定原理图的正确性，通过对原理图的进一步排查找出设计中疏漏的地方，在排查完后将原理图制作成PCB图，在生成PCB图后根据选用的元器件的布局并考虑成本问题后采取双层的PCB，确定双层板后采用手动布线，这样根据电气特性和作品美观布局电子元器件的位置，尽量使PCB图中的线路设计合理化，完成PCB的制作后接下来就会进入到实际制作PCB板的过程中，由于是双层板，实验室目前没有条件实现，因此，使用万用洞洞板进行焊接验证，如图10所示为电路实物照片。

4.2 测试记录

数据模块的频段基于标准2.4G（2.412GHz-2.472GHz共13个信道），信道可自动调节，测试选择2.427GHz，室内（24小时），主机（一块无线通信模块，一块USB转TTL模块）电压12V，电流100mA ，从机（一块无线通信模块）电压12V，电流50mA，测试部分数据如图11所示。

经过测试发现，在空旷传输有效距离最远可达1000m；当中间有门或者其他障碍物阻隔时，接收距离会下降，最远可达180m。在有效距离内，系统传输的正确率能达到99%。

5 结论

本文所设计的一点对多点的无线数传系统，具有良好的准确性、实时性、可靠性。通过实验测得：在空旷传输有效距离最远可达 1000m；当中间有门或者其他障碍物阻隔时，接收距离会下降，最远可达180m。在有效距离内，系统传输的正确率能达到 99.9%，可靠性较好，完全可以应用于相关测控领域。

【参考文献】

[1]吴燕，周玉林.采用主从方式实现点对多点的无线数传设计输[J].现在电子技术，2012，35（21）：10-12.

[2]严冬，黄聃，王平等.一种 480 MHz 无线数传模块的设计[J].电子技术应用，2012，38（6）：41-43.

[3]焦文哲.无线窄带数传系统的研究与设计[D].四川：电子科技大学，2016：52-55.

[4]何炎新，白仲文，黎卓康.短距离无线数据传输应用[J].科技经济导刊，2016，14：25-26.

[5]苏杰仁，周华劳，华辉.一种远程多点温度监控系统[J].机电工程技术，2017，46（6）：30-33.

[6]张耀峰.基于CC3200的数据采集无线传输系统的设计与实现[D].中北大学，2017.