沈國浩

（蚌埠學(xué)院數(shù)理系，安徽 蚌埠 233000）

射頻技術(shù)的無線控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方法初探

沈國浩

（蚌埠學(xué)院數(shù)理系，安徽 蚌埠 233000）

無線網(wǎng)絡(luò)可以克服傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中有線傳輸介質(zhì)帶來的組網(wǎng)困難.根據(jù)現(xiàn)場控制需要,基于射頻技術(shù),設(shè)計(jì)了一種使用2.4GHz公用頻率通道和具有主從星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的無線控制網(wǎng)絡(luò).主設(shè)備采用FPGA驅(qū)動(dòng)射頻模塊,從設(shè)備采用單片機(jī)直接驅(qū)動(dòng)射頻模塊.實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明,該方案具有可行性.

無線；控制網(wǎng)絡(luò)；射頻技術(shù)

1 前言

工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)是計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)與自動(dòng)控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物,是在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,專門用于自動(dòng)控制領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)技術(shù).現(xiàn)有的控制網(wǎng)絡(luò)一般基于有線傳輸介質(zhì),由此帶來了地表、墻體布線、網(wǎng)絡(luò)線路維護(hù)等一些問題,在一些需要突發(fā)性、臨時(shí)性處理和信息交換設(shè)備需要較大范圍移動(dòng)的場合,更帶來了應(yīng)用上的一些困難.隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展,把無線技術(shù)引入控制網(wǎng)絡(luò),可以克服傳統(tǒng)組網(wǎng)中的缺點(diǎn),而成為有線網(wǎng)絡(luò)一種有益的補(bǔ)充.雖然目前由于現(xiàn)場控制的特點(diǎn),完全采用無線技術(shù)還不現(xiàn)實(shí),但可以預(yù)見隨著技術(shù)的日益成熟,無線技術(shù)在控制網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用將會(huì)日益廣泛.

2 無線控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制網(wǎng)絡(luò)的基本任務(wù)是實(shí)現(xiàn)測量與控制,面向?qū)ο蠖嗍欠植加谏a(chǎn)現(xiàn)場、有通信能力的傳感器、執(zhí)行器、測控儀表等控制節(jié)點(diǎn).這些節(jié)點(diǎn)要求的通信數(shù)據(jù)傳輸量相對(duì)較小,傳輸速率也較低,且多為短數(shù)據(jù)幀傳送,但對(duì)通信傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性、可靠性有著很高的要求.而且現(xiàn)場根據(jù)生產(chǎn)的需要,可能經(jīng)常需要撤銷或者增加新的節(jié)點(diǎn),這就給網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮岢隽吮阌诮M網(wǎng)的要求.一種可推薦的無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫蔷哂兄鲝墓δ艿男切屯負(fù)?具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力,通過合理布局,完成對(duì)整個(gè)控制現(xiàn)場的網(wǎng)絡(luò)覆蓋.現(xiàn)場處理節(jié)點(diǎn)（從節(jié)點(diǎn)）作為星型網(wǎng)的從設(shè)備,主要完成工業(yè)生產(chǎn)的基本控制功能,并通過無線信道,實(shí)時(shí)發(fā)送現(xiàn)場測控?cái)?shù)據(jù),為高層控制系統(tǒng)決策提供所需的信息,并接受網(wǎng)絡(luò)控制節(jié)點(diǎn)傳來的數(shù)據(jù),執(zhí)行上層發(fā)出的調(diào)控命令.依照規(guī)定,無線局域網(wǎng)只能在國際上通用的ISM免許可證頻段（902MHz～928MHz,2.402GHz～2.48GHz和5.725GHz～5.850GHz）進(jìn)行研究、應(yīng)用.考慮組網(wǎng)的帶寬要求及網(wǎng)絡(luò)通信的傳輸性能,選擇工作頻段為2.4GHz.為簡化設(shè)計(jì),試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)的主、從設(shè)備采用相同天線和射頻模塊PBA31301/2.

3 主設(shè)備硬件設(shè)計(jì)

主設(shè)備以微型計(jì)算機(jī)為核心,通過USB接口控制FPGA,FPGA控制射頻電路,進(jìn)行數(shù)據(jù)和命令的發(fā)送和接收,其硬件模塊圖如圖2所示.由于計(jì)算機(jī)采用了非實(shí)時(shí)的Windows XP操作系統(tǒng),故在接口電路中使用可編程器件FLEX10K10作為主設(shè)備控制信道的緩沖,以便能對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)控制.計(jì)算機(jī)通過并口器件配置電路,對(duì)FLEX10K10進(jìn)行編程配置.FLEX10K10是Altera公司生產(chǎn)的FPGA器件,主要由嵌入式陣列塊（Embedded Array Block,EAB）、邏輯陣列（Logic ArrayBlock,LAB）、輸入/輸出單元（I/O Element,IOE）及內(nèi)部連線組成.其中,EAB是在輸入和輸出端口帶有寄存器的靈活RAM塊,用于實(shí)現(xiàn)一般陣列宏（Mega）功能,還可通過事先寫入查表值方法構(gòu)成如乘法器、糾錯(cuò)邏輯等電路;LAB由八個(gè)邏輯單元（Logic Element,LE）以及進(jìn)位鏈、級(jí)聯(lián)鏈、LAB控制信號(hào)與LAB局部互連組成,主要用于邏輯電路設(shè)計(jì);IOE由一個(gè)雙向緩沖器和一個(gè)寄存器組成,可作為全局的時(shí)鐘及清零信號(hào)輸入端口或具有可編程性的各種輸入、輸出端口.

3.1 USB總線接口

USB總線接口采用了Philps公司生產(chǎn)的符合USB1.1協(xié)議規(guī)范的接口器件PDIUSBD12.其作為微控制器與FPGA通信的高速通用并行接口,支持本地DMA傳輸,負(fù)責(zé)完成USB數(shù)據(jù)包的解析與封裝,驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示.虛線框內(nèi)為在FLEX10K10內(nèi)部設(shè)計(jì)的PDIUSBD12驅(qū)動(dòng)電路模塊,分別是USB控制、數(shù)據(jù)傳輸和DMA控制三個(gè)模塊.USB控制模塊連接PDIUSBD12的各控制線,通過接收和置位,與數(shù)據(jù)傳輸模塊一起實(shí)現(xiàn)對(duì)芯片工作狀態(tài)的控制及數(shù)據(jù)存取.DMA控制模塊用于數(shù)據(jù)的塊傳輸控制.

3.2 射頻模塊

射頻模塊采用射頻控制器PBA31301/2加天線構(gòu)成.PBA31301/2是愛立信公司生產(chǎn)的射頻控制器,工作在2.4GHzISM頻段,能快速跳頻,具有79個(gè)信道（2.402～2.480GHz）,采用 GFSK 調(diào)制,有 0dBm（1mW）、4dBm（2.5mW）兩級(jí)射頻輸出.芯片最大工作電壓為3.3V,采用34腳BGA封裝,內(nèi)部集成了完整的無線電結(jié)構(gòu),只需外接一個(gè)50Ω工業(yè)頻帶天線和一個(gè)有13MHz的基準(zhǔn)頻率電路.它基本提供了系統(tǒng)所需的全部射頻解決方案.

射頻驅(qū)動(dòng)器的接口電路如圖4所示.射頻模塊PBA31301/2外接13MHz晶振,其ANT端與50Ω天線相連,電源電壓Vcc為3.3V.PBA31301/2的非電源引腳端的最大電壓為Vcc+0.3（V）,FLEX10K10的I/O引腳電壓為0～5V,故采用兩片低電壓總線驅(qū)動(dòng)芯片74LVC245實(shí)現(xiàn)射頻模塊與驅(qū)動(dòng)電路的信號(hào)電平轉(zhuǎn)換.74LVC245電源電壓為3.3V,其I/O引腳耐壓值為0～5.5V,輸出電壓0～3.3V,可滿足信號(hào)匹配的要求.虛線框內(nèi)為在FLEX10K10內(nèi)部設(shè)計(jì)的射頻驅(qū)動(dòng)電路模塊,分別是串行控制、數(shù)據(jù)傳輸、輸入控制和輸出控制四個(gè)模塊.其中,串行控制模塊制射頻模塊的工作狀態(tài),其余三個(gè)模塊共同負(fù)責(zé)射頻模塊的啟動(dòng)和基帶數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖瞻l(fā)控制.

4 從設(shè)備硬件設(shè)計(jì)

從設(shè)備主要指現(xiàn)場中的各種監(jiān)測器和執(zhí)行器,既要具有傳統(tǒng)的監(jiān)測控制功能,又要具有網(wǎng)絡(luò)通信功能.設(shè)計(jì)了以單片機(jī)80C196KC為核心的從設(shè)備硬件結(jié)構(gòu),單片機(jī)80C196KC具有良好的工業(yè)控制性能,但在位（bit）控制方面卻有明顯的不足.射頻模塊PBA31301/2要求有較多的位控制信號(hào),因此采用了8255A的C口擴(kuò)充單片機(jī)的位控制能力.其接口電路與主設(shè)備相似,在此不再贅述.

5 軟件設(shè)計(jì)

考慮到現(xiàn)場控制設(shè)備實(shí)際需求,也為了降低控制網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性,設(shè)計(jì)中只實(shí)現(xiàn)了OSI網(wǎng)絡(luò)參考模型中的三層:物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層.在主從設(shè)備中,各層的實(shí)現(xiàn)不完全一樣.在主設(shè)備中,網(wǎng)絡(luò)的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議主要由射頻模塊PBA31301/2來實(shí)現(xiàn),通過FLEX10K10對(duì)數(shù)據(jù)幀的封裝,可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的收發(fā).網(wǎng)絡(luò)的上層協(xié)議主要由核心PC來實(shí)現(xiàn),其與FLEX10K10通過中斷的方式傳輸數(shù)據(jù),示.從設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中處于被支配地位,采用中斷處理的方式實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸.射頻模塊PBA31301/2的LPO_CLK引腳固定輸出3.2MHz的脈沖,通過校準(zhǔn),單片機(jī)能方便的獲得一個(gè)200Hz的中斷信號(hào).

6 結(jié)論

試驗(yàn)結(jié)果表明,從設(shè)備對(duì)工頻正弦波和方波采樣,主設(shè)備PC通過無線控制網(wǎng)絡(luò)能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤和顯示,驗(yàn)證了該方案具有可行性.

本文作者創(chuàng)新點(diǎn):系統(tǒng)硬件分別采用現(xiàn)場可編程門陣列驅(qū)動(dòng)射頻模塊和單片機(jī)驅(qū)動(dòng)射頻模塊的方案,一方面較好的模擬了現(xiàn)場控制的硬件環(huán)境,另一方面也使得無線控制網(wǎng)絡(luò)在軟件協(xié)議的編制上具有了較大的靈活性;軟件方面,在Windows環(huán)境中完成了基于底層控制網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的監(jiān)控系統(tǒng)軟件編制.

〔1〕閻威武，邵惠鶴.支持向量機(jī)和最小二乘支持向量機(jī)的比較及應(yīng)用研究[J].控制與決策，2005,18（3）:358-360.

〔2〕彭輝，張長水，榮剛，邊肇祺.基于K—L變化的人臉自動(dòng)識(shí)別方法[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)，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〕趙宇，王志良，劉冀偉.一種基于支持向量機(jī)的測井巖性預(yù)測新方法[J].微計(jì)算機(jī)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.

TN925.93

A

1673-260X（2011）09-0020-02

安徽省蚌埠學(xué)院重點(diǎn)項(xiàng)目BBXYGC2010A02