工業(yè)遙控系統(tǒng)RF通信協(xié)議

1、工業(yè)遙控系統(tǒng)RF通信協(xié)議1 范圍本協(xié)議約定工業(yè)遙控系統(tǒng)RF通信協(xié)議，本協(xié)議適用于工業(yè)遙控系統(tǒng)的射頻數(shù)據(jù)通信。2 規(guī)范性引用文件無。3 術(shù)語與定義本標準術(shù)語定義引用:無。4 網(wǎng)絡(luò)物理描述本標準物理層描述引用:無。5 符號縮寫的含義表 1 符號縮寫符號含義符號含義2-FSK2進制頻率轉(zhuǎn)換按鍵ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器AFC自動頻率補償AGC自動增益控制 BER位誤差率CCA清理信道評估CRC循環(huán)冗余檢查EIRP等價等方性的輻射功率ESR等價串聯(lián)阻抗FEC前向誤差校正FIFO先進先出堆棧FSK頻移鍵控GFSK高斯整形頻率轉(zhuǎn)換鍵控IF中間頻率LBT發(fā)送之前偵測LNA低噪聲放大器LO局部振蕩器LQI鏈接質(zhì)量指示器

2、MCU微控制器單元MSK最小化轉(zhuǎn)換按鍵PA功率放大器PCB印制電路板PD功率降低PQI前導(dǎo)質(zhì)量指示器PQT前導(dǎo)質(zhì)量門限RCOSCRC振蕩器RF電磁波頻率RSSI接收信號長度指示器RX接收，接收模式SAW接口水波SNR信噪比SPI連續(xù)外圍接口TBD待定義TX發(fā)送，發(fā)送模式VCO電壓控制振蕩器WOR電磁波激活，低功率拉電路XOSC石英晶體振蕩器XTAL石英晶體6 物理層由于通信接口芯片采用TI公司的數(shù)字調(diào)制解調(diào)電路CC1100，調(diào)制方式為2-FSK，數(shù)據(jù)速率為38400 bps。物理層的幀格式依據(jù)CC1100的技術(shù)特點而設(shè)計。6.1 CC1100物理層基本幀結(jié)構(gòu)圖 1 基本幀結(jié)構(gòu)設(shè)計采用固定長度的

3、報文，長度為21字節(jié)。并由CC1100硬件實現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)的循環(huán)碼校驗（CRC16）、交織編碼（INTERLEAVING）、前向糾錯（FEC）、數(shù)據(jù)白化（WHITENING），并在白化數(shù)據(jù)發(fā)送前插入前導(dǎo)碼（我們編程為4字節(jié)），同步碼結(jié)構(gòu)（我們編程為4字節(jié)）。軟件通過編程CC1100控制寄存器，實現(xiàn)功能配置。表 2 CC1100調(diào)制碼參數(shù)配置項目數(shù)據(jù)內(nèi)容前導(dǎo)碼同步碼白化數(shù)據(jù)(CC1100生成)長度（字節(jié)）44M7 鏈路層7.1 通信匹配地址本系統(tǒng)采用點對點通信方式，只有通信地址匹配的報文才得到處理，通信地址不匹配的報文被丟棄，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)健可靠。對于港口起重等需要雙遙控器情況，通過功能碼擴展主、從

4、遙控器。系統(tǒng)采用16位二進制匹配地址碼，理論上支持65535套遙控系統(tǒng)。7.2 通信連接通信狀態(tài)維護采用連接方式，除了信道管理相關(guān)的數(shù)據(jù)包外，其他遙控命令數(shù)據(jù)包的發(fā)送前均應(yīng)檢查無線信道連接狀態(tài)，只有在連接正常的情況下，才啟動數(shù)據(jù)包發(fā)送。數(shù)據(jù)包發(fā)送時間分析：4+4+（21+2）*2=54字節(jié)，54*8/38.400=11.25ms。 再考慮通信的收發(fā)轉(zhuǎn)換、頻率校準、接收機的數(shù)據(jù)處理周期等開銷，一問一答的開銷約25ms?？紤]到系統(tǒng)容余等因素，通信周期可設(shè)計為30ms。7.2.1 信道連接的建立遙控器開機后處在接收狀態(tài)，進行信道統(tǒng)計。信道統(tǒng)計的方法為按信道表依次輪詢，讀取信道的RSSI值，統(tǒng)計出每個

5、信道上的最大RSSI、最小RSSI，計算出每個信道的RSSI平均值。每個信道的統(tǒng)計時間為T3（信道統(tǒng)計時間）。為確保該信道不被同類設(shè)備占用，T3必須大于心跳包發(fā)送周期T2。從統(tǒng)計的信道中選取最好的信道進行連接。信道選取過程為：1， 最大RSSI與平均RSSI差值不超過10dBm，且平均RSSI小于-70dBm的信道作為可用信道；統(tǒng)計出可用信道的平均RSSI值作為噪聲參考值；2， 在可用信道中選取平均RSSI值最小的信道進行連接；3， 若沒有可用信道，則選取所有信道中平均RSSI值最小的信道進行連接，所有信道的平均RSSI值作為噪聲參考值。 信道選取完成后，固定在此信道，轉(zhuǎn)換成發(fā)送模式，開始發(fā)送

6、連接請求，等待T4（等待應(yīng)答超時），若收到應(yīng)答數(shù)據(jù)包，建立連接，開始發(fā)送命令。若超時沒有收到數(shù)據(jù)包，則重新發(fā)送連接請求。數(shù)據(jù)包發(fā)送采用CSMA/CA機制。若等待信道clear時間超過T7（CCA等待超時），不使用CSMA/CA機制，強行發(fā)送。最長發(fā)送周期T9= T7+T1+ T4。接收機開機后處于接收狀態(tài)，按信道表進行周期性查詢。接收機信道查詢時間T5>3個最長發(fā)送周期T9。也就是，接收機輪詢到遙控器所在的頻率后，最多有3次接收連接請求的機會。若接收到地址碼匹配的數(shù)據(jù)包，建立連接，發(fā)送連接應(yīng)答數(shù)據(jù)包。連接過程如圖2。若遙控器在一個信道上等待的時間T10（信道等待時間）超過1個接收機輪詢周

7、期T6，更換信道，在新的信道上等待接收機。各段時間表如表二。表 3 各段時間表1個數(shù)據(jù)包發(fā)送時間T111.25 ms心跳包周期T2200 ms信道統(tǒng)計時間T3210 ms等待應(yīng)答超時T420 ms接收機信道查詢時間T5230 ms接收機輪詢周期T6230 ms *總信道數(shù)16=3680CCA等待超時T740接收機超時等待時間T8530 ms最長發(fā)送周期T971.25 ms信道等待時間T103700 ms圖 2 連接請求命令與應(yīng)答7.2.2 信道連接的維護考慮到無線信道的特點，要求遙控器、接收機分別設(shè)置連接狀態(tài)寄存器及連接超時寄存器，并按如下狀態(tài)轉(zhuǎn)移模式進行連接維護。連接成功后，遙控器開始發(fā)送命

8、令數(shù)據(jù)包，若命令發(fā)出后經(jīng)過等待應(yīng)答超時T4沒收到應(yīng)答，則重發(fā)命令。重發(fā)命令模式與重發(fā)連接運行模式類似。若一個命令數(shù)據(jù)包重復(fù)發(fā)送3次后仍沒收到應(yīng)答包，則認為連接丟失，更換信道，在新的信道等待接收機。接收機若超時沒收到遙控器的命令數(shù)據(jù)包，則認為連接丟失，繼續(xù)按信道表查詢。超時等待時間T8>4*最長發(fā)送周期T9。信道維護流程圖如圖4。圖 3 連接后的信道維護7.2.3 跳頻若遙控器在一個信道上的等待時間超過T10未收到應(yīng)答，或者連接上后重發(fā)次數(shù)已滿還未收到應(yīng)答，此時需要進行跳頻。跳頻的過程為：1， 再次統(tǒng)計當前信道的RSSI，若RSSI滿足可用信道條件，且平均RSSI小于RSSI參考值，則繼續(xù)

9、停留在該信道發(fā)送連接報文，等待接收機2， 如果當前信道不滿足可用信道條件，則依次跳到下一個信道進行統(tǒng)計。直到找到一個滿足條件的信道。3， 若沒有滿足條件的信道，則使用所有信道中平均RSSI值最小的信道進行通信7.3 數(shù)據(jù)發(fā)送模式數(shù)據(jù)的發(fā)送采用CSMA/CS機制和應(yīng)答機制。1， CSMA/CS機制考慮到在系統(tǒng)附近范圍內(nèi)可能存在多個同類系統(tǒng)，并且與這些系統(tǒng)存在使用相同信道的可能，有必要采用CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）機制來防止沖突發(fā)生和解決沖突問題。在802.11(主要應(yīng)用于無線局域網(wǎng))和802.15

10、.4（主要應(yīng)用于Zigbee）中，都采取了CSMA/CA機制。這種機制在一些點到點的無線通信中也比較常見。其過程是：(1)數(shù)據(jù)發(fā)送就緒時，先檢查信道是否被占用。(2)如果信道被占用，則等到介質(zhì)空閑后，再隨機退避一段時間，重復(fù)(1)過程。(3)發(fā)送數(shù)據(jù)。(4)等待接收者應(yīng)答。如果等待應(yīng)答超時，則重復(fù)(1)過程。如果成功接收到應(yīng)答，則此次發(fā)送過程成功結(jié)束。下面這個圖示用來說明兩個遙控系統(tǒng)如何避讓：認為信道clear的條件有兩個1， 相對差值。當前采集的RSSI值比上一次采集的RSSI值小10dBm。2， 絕對值。當前采集的RSSI值小于-70dBm。為了防止無限制等待，當?shù)却鼵CA時間超過了CCA

11、等待超時T7，將強制發(fā)送。2， 應(yīng)答機制遙控器端發(fā)送的任何消息都要求接收機立即應(yīng)答。如果超時未收到接收機的應(yīng)答，則重發(fā)報文。重發(fā)次數(shù)為3次。只有遙控器端發(fā)送使用CSMA/CA機制，接收機應(yīng)答不使用CSMA/CA機制。下圖表示通信3種情況。7.4 通信包結(jié)構(gòu)設(shè)備鏈路層實現(xiàn)數(shù)據(jù)包封裝與數(shù)據(jù)發(fā)送，我們定義CC1100進行CRC16計算前的數(shù)據(jù)為鏈路層數(shù)據(jù)，鏈路數(shù)據(jù)由應(yīng)用層數(shù)據(jù)打包得到。表 4 鏈路層幀結(jié)構(gòu)項目數(shù)據(jù)內(nèi)容地址碼功能碼報文長度命令編號應(yīng)用層數(shù)據(jù)XOR校驗數(shù)據(jù)長度（字節(jié)）3111N=141地址碼：用于遙控器與接收機配對，配對碼錯誤，后續(xù)報文自動丟棄。功能碼：用來描述數(shù)據(jù)包的功能用途。報文長度

12、：是指“應(yīng)用層數(shù)據(jù)”的長度，固定長度為14，小于255。保留該字節(jié)是為了鏈路層的媒介無關(guān)的特性。命令編號：為了防止遙控器重發(fā)命令時，接收機重復(fù)執(zhí)行命令。當遙控器收到正確回應(yīng)命令編號加1，如果接收機收到命令編號與前一次的相同，則不執(zhí)行該命令。應(yīng)用層數(shù)據(jù)：等待輸?shù)膽?yīng)用層數(shù)據(jù)，直接表達應(yīng)用層的要求。XOR校驗：“地址碼、功能碼、報文長度、應(yīng)用層數(shù)據(jù)”的所有字節(jié)的異或值，長度為1個字節(jié)。鏈路層的數(shù)據(jù)包總長度為21字節(jié)。 8 應(yīng)用層幀格式工業(yè)遙控系統(tǒng)支持報文類型參見下表。表 5 報文類型表序號報文類型應(yīng)用層功能報文長度說明1A0遙控器發(fā)起：通信連接固定長度為142A1接收機應(yīng)答：通信連接固定長度為143

13、A2遙控器發(fā)起：遙控命令固定長度為144A3接收機應(yīng)答：遙控命令固定長度為145A4遙控器發(fā)起：心跳包固定長度為146A5接收機應(yīng)答：心跳包固定長度為147A6遙控器發(fā)起：PWM電流調(diào)節(jié)固定長度為148A7接收機應(yīng)答：PWM電流調(diào)節(jié)固定長度為149保留不用10保留不用11AA保留不用12AB保留不用13AC遙控器請求：對時命令14AD接收機應(yīng)答：對時命令15AE保留不用16AF保留不用表 6 請求通信連接：A0字節(jié)序號報文內(nèi)容數(shù)據(jù)格式用途1T_CH遙控器的信道號2T_LINK_ST 遙控器連接狀態(tài)字節(jié)，待補充，默認為0X00。3T_STATUS遙控器狀態(tài)字節(jié)，待補充，默認為0X00。4Year

14、時間5Month6Day7hour8Minute9Second1011121314T_VERSION遙控器系統(tǒng)版本號。默認為0X01。表 7 應(yīng)答通信連接：A1字節(jié)序號報文內(nèi)容數(shù)據(jù)格式用途1R_CH接收機的信道號2R_LQI_AV信道質(zhì)量接收機通訊時LQI平均值3R_RSSI_MS信號強度接收機通訊時RSSI4R_RSSI_MIN接收機無通訊時RSSI最小值5R_RSSI_MAX接收機無通訊時RSSI最大值6R_RSSI_AV接收機無通訊時RSSI平均值7R_STATUSD7:=1 ARM自檢故障D7:=0 ARM自檢正常D6:=1 DSP自檢故障D6:=0 DSP自檢正常D5:=1 電源自檢

15、故障D5:=0電源自檢正常D4:=1 急停自檢故障D4:=0電源自檢正常D3:=1D3:=0D2:=1D2:=0D1:=1D1:=0D0:=1D0:=0接收機狀態(tài)字節(jié)，待補充，默認為0X00。891011121314R_VERSION接收機系統(tǒng)版本號。默認為0X01。表 8 遙控命令 A2字節(jié)序號報文內(nèi)容數(shù)據(jù)格式用途1ANALOG0搖桿0數(shù)據(jù)，用于控制臂架旋轉(zhuǎn)。2ANALOG1搖桿1數(shù)據(jù)，用于控制一節(jié)臂上下運動。3ANALOG2搖桿2數(shù)據(jù)，用于控制二節(jié)臂上下運動。4ANALOG3搖桿3數(shù)據(jù)，用于控制三節(jié)臂上下運動。5ANALOG4搖桿4數(shù)據(jù)，用于控制四節(jié)臂上下運動。6ANALOG5搖桿5數(shù)據(jù)，

16、用于控制五節(jié)臂上下運動。7ANALOG6備用模擬量。8ANALOG7排量數(shù)據(jù)9ANA_DIR0D7：搖桿7正向開關(guān)狀態(tài)。D6：搖桿7反向開關(guān)狀態(tài)。D5：搖桿6正向開關(guān)狀態(tài)。D4：搖桿6反向開關(guān)狀態(tài)。D3：搖桿5正向開關(guān)狀態(tài)。D2：搖桿5反向開關(guān)狀態(tài)。D1：搖桿4正向開關(guān)狀態(tài)。D0：搖桿4反向開關(guān)狀態(tài)。搖桿方向信息字節(jié)0，用于控制臂架正反運動方向。順時針方向為正向；逆時針方向為反向。向上為正向；向下為反向。1，表示對應(yīng)位開關(guān)閉合。0，表示對應(yīng)位開關(guān)打開。10ANA_DIR1D7：搖桿3正向開關(guān)狀態(tài)。D6：搖桿3反向開關(guān)狀態(tài)。D5：搖桿2正向開關(guān)狀態(tài)。D4：搖桿2反向開關(guān)狀態(tài)。D3：搖桿1正向開關(guān)

17、狀態(tài)。D2：搖桿1反向開關(guān)狀態(tài)。D1：搖桿0正向開關(guān)狀態(tài)。D0：搖桿0反向開關(guān)狀態(tài)。搖桿方向信息字節(jié)1，用于控制臂架正反運動方向。11SW_STATUS0D7：泵送啟動開關(guān)D6：泵送停止開關(guān)D5：正泵開關(guān)。D4：反泵開關(guān)D3：快速泵送開關(guān)D2：慢速泵送開關(guān)D1：發(fā)動機轉(zhuǎn)速加 D0：發(fā)動機轉(zhuǎn)速減開關(guān)量當前狀態(tài)字節(jié)0。1，表示對應(yīng)位開關(guān)閉合。0，表示對應(yīng)位開關(guān)打開。12SW_STATUS1D7：電笛開關(guān)D6：發(fā)動機熄火開關(guān)D5：遙控器電池狀態(tài) D4：遙控器開關(guān)機D3： D2：D1：D0：開關(guān)量當前狀態(tài)字節(jié)1D5=1，電池低電壓，遙控器即將進入待機狀態(tài)，命令接收機關(guān)閉所有輸出；D5=0，電池正常。D

18、4=1，遙控器已關(guān)機，接收機斷開連接，關(guān)閉所有輸出；D4=0，遙控器開機13SW_CHG0D7： 0D6：搖桿5 D5：搖桿4 D4：搖桿3 D3：搖桿2 D2：搖桿1 D1：搖桿0D0：排量變位狀態(tài)字節(jié)1。值為1時表示該開關(guān)量或模擬量有變化。未定義數(shù)據(jù)位為備用數(shù)據(jù)，要求發(fā)送方強制設(shè)置為0。14SW_CHG1D7：泵送開關(guān)D6：正/反泵開關(guān)D5：快/慢速泵送開關(guān)D4：發(fā)動機轉(zhuǎn)速加/減 D3：電笛開關(guān)D2：發(fā)動機熄火開關(guān)D1：遙控器電池狀態(tài)D0：急停開關(guān)量變位狀態(tài)字節(jié)0。值為1時表示該開關(guān)量有變化。表 9 應(yīng)答遙控命令 A3字節(jié)序號報文內(nèi)容數(shù)據(jù)格式用途1R_CH接收機的信道號2R_LQI_AV接收機通訊時LQI平均值3R_RSSI_MS接收機通訊時RSSI4R_RSSI_MIN接收機無通訊時RSSI最小值5R_RSSI_MAX接收機無通訊時RSSI最大值6R_RSSI_AV接收機無通訊時RSSI平均值7R_STATUSD7:=1 ARM自檢