一種低功耗遠距離無線傳輸系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)-設計應用

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隨著無線技術的日益發(fā)展，無線傳輸技術應用越來越被各行各業(yè)所接受。無線監(jiān)控作為一個特殊使用方式也逐漸被廣大用戶看好。其安裝方便、靈活性強、性價比高等特性使得更多行業(yè)的監(jiān)控系統(tǒng)采用無線監(jiān)控方式，建立被監(jiān)控點和監(jiān)控中心之間的連接。無線監(jiān)控技術已經(jīng)在現(xiàn)代化小區(qū)、交通、運輸、水利、航運、治安、消防等領域得到了廣泛的應用。

本文介紹一種采用通用的低功耗單片機MSP430作為主控芯片、具有多信道的單片收發(fā)芯片nRF905作為無線收發(fā)模塊、利用SPI口實現(xiàn)雙向通訊的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。系統(tǒng)集成了MSP430在低功耗應用方面的優(yōu)勢和nRF905無線特有的多頻道支持及功耗低、易控制等優(yōu)點，特別適合于低功耗、小數(shù)據(jù)量的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。

1系統(tǒng)的總體結構

系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。主控MCU使用TI公司MSP430系列中的F1491型，射頻收發(fā)模塊使用Nordic公司的nRF905實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)收發(fā)。除MSP430和nRF905外，系統(tǒng)還提供RS-232接口，可以實現(xiàn)與PC機的通訊，RS-485接口滿足一些通用儀器儀表的要求。根據(jù)不同的應用需求，可選擇采用PCB天線或高增益的外置式天線以滿足遠距離的需求。

2系統(tǒng)主要芯片介紹

MSP430系列單片機是美國德州儀器（TI）1996年開始推向市場的一種16位超低功耗的混合信號處理器（MixedSignalProcessor）。稱之為混合信號處理器，主要是由于其針對實際應用需求，把許多模擬電路、數(shù)字電路和微處理器集成在一個芯片上，以提供"單片"解決方案。強大的處理能力MSP430系列單片機是一個16位的單片機，采用了精簡指令集（RISC）結構，具有豐富的尋址方式（7種源操作數(shù)尋址、4種目的操作數(shù)尋址）、簡潔的27條內核指令以及大量的模擬指令；大量的寄存器以及片內數(shù)據(jù)存儲器都可參加多種運算；還有高效的查表處理指令；有較高的處理速度，在8MHz晶體驅動下指令周期為125ns.這些特點保證了可編制出高效率的源程序。

射頻部分使用Nordic公司的多通道單片收發(fā)芯片nRF905[2].它采用GFSK調制解調技術，工作電壓為1.9~3.6V,工作于433/868/915MHz3個ISM頻道。nRF905由頻率合成器、接收解調器、功率放大器、晶體振蕩器和調制器組成，具有低功耗的ShockBurst工作模式，可以自動完成前導碼和CRC的工作，可由片內硬件自動完成曼徹斯特編碼/解碼，使用SPI接口與MCU通信，配置非常方便。作為射頻發(fā)射芯片，其低功耗性能是極為突出。以-10dBm的輸出功率發(fā)射時，電流只有11mA,在接收模式時電流為12.5mA.nRF905傳輸數(shù)據(jù)時為非實時方式，即發(fā)送端發(fā)出數(shù)據(jù)，接收端收到后先暫存于芯片存儲器內，外部的MCU可以在需要時再到芯片中去取。nRF905發(fā)射多可傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量為32B.天線接口設計為差分天線，便于使用低成本的PCB天線[3].

3點對點無線通信的實現(xiàn)

3.1SPI接口

SPI（SerialPeripheralInterface--串行外設接口）總線系統(tǒng)是一種同步串行外設接口，它可以使MCU與各種外圍設備以串行方式進行通信以交換信息。SPI有三個寄存器分別為：控制寄存器SPCR,狀態(tài)寄存器SPSR,數(shù)據(jù)寄存器SPDR.外圍設置FLASHRAM、網(wǎng)絡控制器、LCD顯示驅動器、A/D轉換器和MCU等。

nRF905是挪威Nordic公司推出的單片射頻發(fā)射器芯片，工作電壓為1.9-3.6V,32引腳QFN封裝（5mm×5mm），工作于433/868/915MHz3個ISM頻道（可以使用）。nRF905可以自動完成處理字頭和CRT（循環(huán)冗余碼校驗）的工作，可由片內硬件自動完成曼徹斯特編碼/解碼，使用SPI接口與微控制器通信，配置非常方便，其功耗非常低，以-10dBm的輸出功率發(fā)射時電流只有11mA,在接收模式時電流為12.5mA.nRF905傳輸數(shù)據(jù)時為非實時方式，即發(fā)送端發(fā)出數(shù)據(jù)，接收端收到后先暫存于芯片存儲器內，外面的MCU可以在需要時再到芯片中去取。nRF905的數(shù)據(jù)傳輸量多為32B,由四種模式，通過單片機來配置，nRF905的兩種工作模式和兩種節(jié)能模式，分別為掉電模式、待機模式、ShockBurstTM接收模式和ShockBurstTM發(fā)送模式，這幾種模式由外界CPU通過控制nRF905的3個引腳PWR_UP、TRX_CE和TX_EN的高低電平來決定，外界MCU通過SPI總線配置nRF905的內部寄存器，讀寫數(shù)據(jù)時必須把其置為待機或掉電模式，nRF905在待機模式時功耗為40μA,在掉電模式時功耗為2.5μA.

MCU通過SPI總線配置nRF905的內部寄存器和收發(fā)數(shù)據(jù)。這里nRF905為從機，其SPI的時鐘范圍很寬，可為1Hz~10MHz,因此MCU在寫控制程序時不必苛求時間的準確度。SPI總線的每次操作都必須在使能引腳CSN的下降沿開始，CSN低電平有效，總線上的數(shù)據(jù)在時鐘的上升沿有效。MCU對SPI總線進行讀操作時，先把CSN置低，然后在MOSI數(shù)據(jù)線上輸出一個表示讀命令的字節(jié)，與此同時，nRF905會在MISO數(shù)據(jù)線上輸出一個字節(jié)表示狀態(tài)信息的數(shù)據(jù)，隨后輸出一個地址字節(jié)，后面跟隨有效數(shù)據(jù)。在進行寫操作時比較簡單，MCU先把CSN拉低，然后在MOSI線上輸出寫命令字節(jié)和數(shù)據(jù)字節(jié)即可。

3.2數(shù)據(jù)收發(fā)過程

在nRF905正常工作前，必須由MCU根據(jù)需要寫好配置寄存器。發(fā)送數(shù)據(jù)時，先通過MCU把nRF905置于待機模式（PWR_UP置為高、TRX_CE置為低），然后通過SPI總線把發(fā)送地址和待發(fā)送的數(shù)據(jù)都寫入相應的寄存器中，之后把nRF905置于發(fā)送模式（PWR_UP、TRX_CE和TX_EN全部置高），配置成功后數(shù)據(jù)就會自動發(fā)送出去。若射頻配置寄存器中的自動重發(fā)位（AUTO_RETRAN）設為有效，數(shù)據(jù)包就會被重復發(fā)出，直到MCU拉低TRX_CE退出發(fā)送模式為止。nRF905發(fā)送數(shù)據(jù)的流程圖如圖2所示。

接收數(shù)據(jù)時，MCU先在nRF905的待機狀態(tài)中寫好射頻配置寄存器中的接收地址，然后將nRF905置于接收模式（PWR_UP和TRX_CE置高、TX_EN置低），nRF905就會自動接收空中的載波。當收到有效數(shù)據(jù)（地址匹配且校驗正確）時，DR引腳會自動置高，MCU在檢測到這個信號后，可以將nRF905置為待機模式，然后通過SPI總線從接收數(shù)據(jù)寄存器中讀出有效數(shù)據(jù)。nRF905接收數(shù)據(jù)的流程如圖3所示。

3.3點對點傳輸距離

傳輸距離主要由傳播損耗、工作頻率、外部損耗等因素決定。而傳播損耗是非常復雜的問題，涉及電波傳播機理、地形地物影響、載波工作頻段和天線指向等很多因素。這里給出自由空間傳播時的無線通信距離計算公式：

20lgd[km]=Los[dB]-32.44-20lgf[MHz]（1）

式中Los為傳播損耗，f為工作頻率，d為通信距離[4].nRF905的發(fā)射功率為10dBm,接收靈敏度為-100dBm,假定由大氣、阻擋物、多徑等造成的損耗為25dB,可以計算得出通信距離d=0.98km,這是理想狀況下的計算。實測結果表明，在采用高增益天線時，基本可以達到800米以上的傳輸距離；使用PCB天線時距離有所下降，但也可達到300米左右。

4通信協(xié)議設計

4.1MAC協(xié)議

MAC協(xié)議的主要作用是保證公平性和有效的資源共享。MAC機制主要分為兩類：1基于競爭的協(xié)議2無競爭的信道協(xié)議。基于競爭的協(xié)議假定網(wǎng)絡中沒有中心實體來分配信道資源，每個節(jié)點必須通過競爭媒體資源來進行傳送，當超過一個節(jié)點同時嘗試發(fā)送時，碰撞就會發(fā)生。

本系統(tǒng)采用了一個簡化的點對多點通訊協(xié)議，主要分為三層。層為物理層，由nRF905模塊硬件實現(xiàn)；第二層為數(shù)據(jù)鏈路層，提供可靠的無線數(shù)據(jù)傳輸，每一個數(shù)據(jù)包都包括具體數(shù)據(jù)和一些必要的控制信息；第三層為應用層，調用數(shù)據(jù)鏈接層完成具體的應用邏輯，包括數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)查詢等。

整個系統(tǒng)硬件可分為兩部分，分別定義為基站模塊和節(jié)點模塊。節(jié)點模塊應用層的功能是使數(shù)據(jù)與無線通訊相結合。對于不同的應用，可能有不同的數(shù)據(jù)采集方法。應用層接收數(shù)據(jù)鏈路層發(fā)來的命令，完成對數(shù)據(jù)的采集，并將數(shù)據(jù)打包發(fā)給數(shù)據(jù)鏈路層?；灸K的應用層負責與中心控制器的鏈接。將中心控制器發(fā)來的數(shù)據(jù)校驗處理后轉發(fā)給數(shù)據(jù)鏈路層，將數(shù)據(jù)鏈路層發(fā)來的數(shù)據(jù)打包處理后發(fā)給中心控制器。因為協(xié)議是分層的，相鄰層之間的聯(lián)系只是調用發(fā)送接收函數(shù)，因此實現(xiàn)了各層的獨立，更換被采集的儀表或更換無線傳輸模塊所做的改動都不會影響其他層，從而提高了系統(tǒng)的靈活性。

系統(tǒng)設定的數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)幀格式如表1.

每個數(shù)據(jù)幀包括2B的幀頭、1B的幀類型、6B的本地地址和目的地址、1B的幀長度、NB的數(shù)據(jù)、16位CRC校驗和2B的幀尾。本系統(tǒng)針對較小數(shù)據(jù)量的應用設計，每個數(shù)據(jù)包的有效數(shù)據(jù)長度N一般小于32B,每個節(jié)點每需要傳送的數(shù)據(jù)都可以通過一個數(shù)據(jù)包發(fā)送完成。數(shù)據(jù)幀的類型包括采集命令、正確接收確認、重發(fā)請求、異常信號等，用兩個字節(jié)來標示以便接收方分類處理。在N個字節(jié)的數(shù)據(jù)之后是16位CRC校驗。接收方同樣計算CRC后與校驗和比較，如果CRC正確，則發(fā)送正確接收確認（ACK）。如果CRC不同，即為傳輸中出現(xiàn)錯誤，則給出出錯反饋要求發(fā)送方重新發(fā)送數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的通信流程基本可概述為DATA+ACK形式，即發(fā)送完DATA等待ACK,接收到DATA則發(fā)送ACK確認。

由于射頻芯片的高靈敏度，即使在沒有進行數(shù)據(jù)傳輸時，其數(shù)據(jù)輸出腳也會有雜波輸出，這些雜波會被MCU的串口接收并處理。同時處于低功耗的考慮，在每個數(shù)據(jù)幀之前要先發(fā)幾個字節(jié)的同步碼以實現(xiàn)數(shù)據(jù)同步和射頻喚醒。實踐證明四個字節(jié)的0xCC就可以確保在有效數(shù)據(jù)幀到達前雙方通訊實現(xiàn)同步。為了準確區(qū)分噪聲與有效數(shù)據(jù)，分別加入了2B的幀頭（0xD792）和幀尾（0xC2D5），以確保有效數(shù)據(jù)的確認。

4.2跳頻機制

為避免信道阻塞，系統(tǒng)采用了二進制指數(shù)退避算法[5]隨機延時一段時間再發(fā)送數(shù)據(jù)，有效地避免了同頻道下的數(shù)據(jù)沖突。除此之外，系統(tǒng)還設計了跳頻機制以有效地保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性。

跳頻機制的基本原理是將頻段分為一系列的通道，發(fā)送端查找預先設定的頻率列表，以偽隨機方式產(chǎn)生通信頻道及發(fā)射前導碼，發(fā)射前導碼的時間應確保接收機可以掃描所有的通道[6].接收端以一定的跳頻序列掃描，在某一通道上，接收端收到完整的前導碼則收發(fā)雙方頻率同步。一旦完成頻率捕獲，發(fā)送端與接收端即可識別對方，并且相互通信。發(fā)送端和接收端的跳頻過程示意圖分別如圖4（a）和圖4（b）所示。

本系統(tǒng)設定了5個隨機頻道，當跳頻次數(shù)hop大于5后認為通信失敗。由于同時采用了重發(fā)和退讓機制，收發(fā)雙方并不需要同時跳入隨機頻道，系統(tǒng)具有一定的容錯性。通常一定時間內干擾只在某個頻段存在，只要將5個通信頻道拉開一段頻距，即可有效抵制干擾。

5系統(tǒng)的低功耗設計

系統(tǒng)中MSP430完成初始化后，處于低功耗工作模式，在有外部事件發(fā)生時喚醒進入中斷服務程序，完成后重新進入低功耗模式。如此循環(huán)往復，可以限度地降低功耗。所以系統(tǒng)低功耗設計的重點是射頻芯片nRF905的控制。nRF905在接收狀態(tài)時功耗比較大，工作電流為10mA左右，所以應盡量使nRF905處于休眠狀態(tài)。對于下層節(jié)點模塊，當上層基站模塊需要進行數(shù)據(jù)采集時，首先發(fā)送喚醒碼。本系統(tǒng)使用0xCC作為喚醒碼，即主機連續(xù)發(fā)送0xCC,從機收到連續(xù)兩個0xCC后即保持接收狀態(tài)而不進入休眠。如果兩個周期內沒有收到有效數(shù)據(jù)幀的幀頭，則視為雜波干擾，重新進入休眠狀態(tài)。如此設定之后，nRF905的平均工作電流可降至200?滋A以下，整個模塊的平均工作電流在250?滋A以下，采用兩節(jié)電池供電可以使用一年以上。上層基站模塊作為主機，可主動發(fā)起通信，所以等待時nRF