鲍 琳，王 帅

（1.中国人民解放军95668部队，云南 昆明 650200；2.中国人民解放军95037部队，湖北 武汉 430000）

0 引 言

无线控制网络是自动控制技术、通信技术和计算机技术相结合的产物，是一种在自动控制范畴使用较多的技术。目前，我国通常以有线为控制网络的传输介质，但这种控制网络在使用过程中存在网络线路维护难、地表和墙体布线难等问题[1]。当信息交换器械在适用场合发生极大变化或遇到紧急情况时，移动方面难度会较大。无线技术因无线通信技术的发展而被应用于控制网络，本文提出的基于分层协议的无线控制网络，可以弥补传统无线控制网络的弱点，还能有效提高无线控制网络组网的应用效率和应用质量。

1 基于分层协议的无线控制网络组网研究

无线控制网络可同时实现控制和测量，而控制、测量的目标多位于生产一线，并且是具备一定通信功能的传感器、执行器和测控仪器等控制、测量节点[2]。其特点是通信数据传输量小、传输速率低，多为短数据帧传送，可靠性与实时性相对较高。根据生产需求，无线控制网络的具体应用需经常增加或撤销节点，这对网络拓扑提出了新的组网要求[3]。

星型网的主要设备是网络控制的主节点，其对数据处理和分析的综合能力较强，能够使网络覆盖整个控制现场。由此可以推断，节点作为整个工业生产的控制基础，即星型网中的从设备，功能强大，能够以无线信道为基础，实时监控工业生产，收发生产现场实时数据，根据上级节点命令进行调控[4]。目前，无线局域网只采用国际上统一使用的ISM免许可证频段进行研究与应用。本文所设计的基于分层协议的无线控制网络组网的主设备和从设备均采用一致的射频模块和天线模块，即PBA1313012/2。

1.1 基于分层协议的无线控制网络组网主设备硬件

以微型计算机作为基于分层协议的无线控制网络组网主设备的硬件核心，FPGA受USB接口控制。FPGA能够控制射频电路，同时实现数据的传送与接收[5]。考虑到微型计算机虽为Windows XP操作系统，但具有非实时性；因此，以可编程元件（FLEX10K10）辅助主设备控制信道进行数据缓冲，从而实现实时控制。

1.2 从设备硬件设计

从设备硬件包括监测器和执行器两部分，以此保障网络基础控制功能的实现，即通信、监测。基于此，从设备硬件的核心选择了型号为80C196KC的单片机，详情见图1。

图1 从设备硬件结构

80C196KC型号单片机在工业控制上的高性能无法弥补其在位（bit）控制方面的弱势，为增强位（bit）控制能力，在射频模块中应用了8255A的C口，以扩充单片机。FLEX10K10由逻辑阵列、嵌入式阵列块、输入/输出单元以及内部连线组成。其中：嵌入式阵列块主要功能是实现一般阵列宏，并利用事先写入查表值的方法构造如纠错逻辑、乘法器等电路；逻辑阵列主要用于设计逻辑电路，包含了LAB局部互连、进位链LAB控制信号、级联链和八大逻辑单元四部分；输入/输出单元具有时钟功能，并可同时作为输入/输出端口、清零信号输入口（可编程性），由双向缓冲器和寄存器共同组成。

1.3 射频模块

射频控制器（PBA31301/2）和天线共同组成了无线控制网络组网的射频模块。射频控制器的工作频段为3.8 GHz，包含了2.402～2.480 GHz的97个信道，两级射频输出（1 dBm（1 mW）和8 dBm（2.5 mW）），可快速跳屏。调制芯片GFSK的电压极值为3.6 V，封装选取34脚的BGA。射频模块已有完备的无线电结构，工作时只要连接13 MHz的基准频率电路和50 Ω工业频带天线即可。整个基于分层协议的无线控制网络组网中，其基本上提供了所需的全部射频解决方案。

1.4 无线控制网络组网的实现

实现无线控制网络组网构建时，需要结合现场生产中控制设备的现实需求和复杂的控制网络，因此软件设计要使用OSI网络参考模型中的三个层级。基于分层协议的无线控制网络组网的主设备中，数据链路层与网络物理层的协议主要由射频模块PBA31301/2体现，数据帧的封装的选取FLEX10K10，可根据实时网络数据进行收发。核心PC与FLEX10K10以中断方式进行网络数据传输，可实现网络上层协议。在所有的工作流程中，从设备利用中断处理实现实时网络数据的高效传输，一直受主设备支配。射频模块中，PBA31301/2 LPO_CLK引脚固定输出为3.2 MHz的脉冲，进行高精度校准后，可协助单片机获取300 Hz的中断信号。

2 实验论证分析

为验证本文提出的网络组网的实际效用，将基于分层协议的无线控制网络与传统组网无线网络组网进行对比分析，具体对比数据见表1。

经实验对比发现，本文提出的基于分层协议的无线控制网络组网比传统组网具有更加明显的优势，其运行周期较短、运行速度较快，运行效率较高，高达87%，比传统的无线控制网络组网的运行效率高42%。

3 结 论

本文主要设计了基于分层协议的无线控制网络组网，有效克服了传统网络技术中有线传输介质所造成的组网困难问题。通过本文研究可以发现，基于分层协议的无线控制网络是一种特殊的Ad-Hoc网络，具有抗毁坏性强、快速展开自组织等优势，比传统无线控制网络组网的运行效率高42%，以期本研究能够为无线控制网络组网的研究提供理论基础。

表1 本文组网与传统组网数据对比表