基于信息支持設備的通信系統(tǒng)的設計

1 引言

ZigBee是一種新型的近距離無線通信技術，以2．4 GHz為主要頻段，采用擴頻技術。該技術具有低速率、低功耗、低成本、自配置和靈活的網(wǎng)絡拓撲等特點。便攜式信息支持設備以其體積小、攜帶方便、計算速度快、高智能化等優(yōu)點廣泛應用于各類設備的技術保障部分，并從原有的單一電子手冊功能逐漸向多功能綜合方向發(fā)展。但信息支持設備通信能力有限，重新開發(fā)新功能模塊成本高，效率低，并且現(xiàn)有裝備已有很多通信手段，如果充分利用這些通信手段，將大大提高信息支持設備的通信能力。便攜式信息支持設備通過特制的通信適配器，利用ZigBee技術組網(wǎng)，與無線數(shù)據(jù)傳輸設備、通信控制設備、以太網(wǎng)、數(shù)字交換機等構成傳輸信息網(wǎng)絡，從而可擴展信息支持設備的應用范圍。

2 通信系統(tǒng)的硬件設計

2．1 信息支持設備

信息支持設備具有在復雜環(huán)境下可實現(xiàn)信息采集、處理、傳輸、顯示和查詢等功能。其硬件設計部分包括主機和外部擴展功能設備模塊，外部帶有一個RS232接口，采用模塊化設計。通過與信息采集等不同模塊組合，信息支持設備可以獲得不同信息。

2．2 通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡拓撲

通信系統(tǒng)的信息傳輸分為短距離通信、中距離通信和遠距離通信。信息支持設備本身具備短距離信息傳輸能力，短距離信息傳輸應用ZigBee技術組網(wǎng)，構建成點對點對等拓撲。在該網(wǎng)絡中，信息支持設備作為一般設備，只要任意兩個信息支持設備彼此都在對方通信距離內就可以直接通信。而中距離通信時，由于信息支持設備和無線數(shù)據(jù)傳輸設備、通信控制設備和以太網(wǎng)的接口類型和通信協(xié)議不匹配，因此不能直接通信，需通過特制的通信適配器，擴展信息支持設備的信息傳輸。遠距離通信時，信息支持設備則與衛(wèi)星或配備的CDMA模塊構成遠程通信網(wǎng)。

2．3 通信適配器設計

在通信系統(tǒng)硬件設計中，其核心是適配器的設計。適配器是用于擴展信息支持設備功能，提高信息支持設備的通用性和靈活性，從而實現(xiàn)信息支持設備擴展標準RS232串行接口、標準以太網(wǎng)接口和2FSK／OPSK二線接口。信息支持設備作為上位機，通信適配器作為下位機。適配器的硬件電路主要由微控制器、存儲器、調制解調、RS232標準串行接口、以太網(wǎng)控制和電源等電路構成。該系統(tǒng)硬件結構如圖1所示。

通信硬件設計電路是以微控制器為核心，采用帶有2個串口的MPC82G516型微控制器，用于控制調制解調器、網(wǎng)口、存儲器和外圍接口等部分。該器件處理速度快．是普通80C5l的12倍，還具有抗干擾能力強、功耗低等特點。存儲器采用IS62C256型8位CMOS靜態(tài)RAM。適配器利用串口1與上位機連接，實現(xiàn)與上位機信息傳輸。由于上位機接口信號符合RS232／EIA標準，而下位機微控制器接口信號卻符合TTL標準，所以需要EIA—TTL轉換。因此這里采用MAX232A，該器件采用5 V電壓供電，5線制(TXD、RXD、RTS、CTS和GND信號)通信方式。適配器利用串口2與外部通信設備連接，作為擴展信息傳輸接口，同樣采用MAX232A，5線制通信方式實現(xiàn)信息傳輸。以太網(wǎng)控制電路采用RTL8019AS，全雙工工作，收發(fā)速率同時達到lO Mb／s。調制解調器采用主控器件AOY214實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸。

微控制器與存儲器的硬件電路如圖2所示，考慮到MPC82G516微控制器的處理速度快，內嵌64 KB閃存可用于編程或存儲數(shù)據(jù)，因此選用MPC82G516作為電路的控制核心。網(wǎng)口電路如圖3所示。在圖2、3中，MPC82G516微控制器的ADO、ADl~AD7是地址數(shù)據(jù)復用總線，ALE引腳用于確定總線上傳輸?shù)氖菙?shù)據(jù)還是地址，I/OREAD、I/OWRITE引腳控制網(wǎng)口和存儲器的讀寫操作。ALE置高時，地址數(shù)據(jù)復用總線傳輸?shù)刂沸畔ⅲ�通過地址鎖存器訪問存儲器的數(shù)據(jù)和外部程序：ALE置低時，地址數(shù)據(jù)復用總線傳輸數(shù)據(jù)信息。MPC82G516微控制器讀取數(shù)據(jù)時，總線傳輸?shù)刂沸畔ⅲ�經地址鎖存器鎖定地址，然后讀取存儲器中的數(shù)據(jù)。

3 通信系統(tǒng)軟件設計

3．1 通信過程

通信系統(tǒng)數(shù)字化平臺包括信息獲取、傳輸模式和通信協(xié)議。信息支持設備的配套模塊為系統(tǒng)提供各種信息。短距離通信時，信息支持設備遵循IEEE802．15．4協(xié)議，利用ZigBee技術組網(wǎng)傳輸信息。ZigBee協(xié)議棧的物理、MAC層作為低速無線局域網(wǎng)技術，即是IEEE802．15．4協(xié)議。中距離通信時，信息支持設備中的信息通過適配器，借助于無線數(shù)據(jù)傳輸設備、通信控制設備和以太網(wǎng)等信道實現(xiàn)信息遠程傳輸。遠距離通信時，可通過衛(wèi)星或CDMA模塊實現(xiàn)。

由于信息支持設備本身和無線數(shù)據(jù)傳輸設備、通信控制設備和以太網(wǎng)等的信道都符合安全性要求，因此借助于它們的信道傳輸信息是安全可靠的。

3．2 適配器軟件設計

該通信系統(tǒng)中適配器具有重要作用。適配器軟件包括傳輸協(xié)議轉換、上位機和下位機的通信程序。傳輸協(xié)議轉換是利用軟件理論中的編譯方法學理論實現(xiàn)的。該傳輸協(xié)議轉換過程分為發(fā)送，接收、拆包和重新打包等工作狀態(tài)．這些工作狀態(tài)可以相互轉換。適配器在協(xié)議轉換時依據(jù)編譯原理逐層進行，物理層完成驅動和接收，代碼層則完成正文代碼轉換，鏈路層完成地址、控制、標志和校驗段的轉換。

下位機軟件采用C語言編程，數(shù)據(jù)格式為：1個起始位、8個數(shù)據(jù)位和1個停止位，無奇偶校驗位。通信雙方波特率根據(jù)需要可在多個波特率中靈活選擇。上位機與適配器信息傳輸時，首先在適配器的控制界面中選擇一種發(fā)送方式，諸如串口、網(wǎng)口和二線口等，然后確定通信波特率。發(fā)送數(shù)據(jù)時，首先判斷串口是否準備好，然后判斷接收緩沖區(qū)是否接收到數(shù)據(jù)，判斷接收緩沖區(qū)中是否有數(shù)據(jù)等待讀取，當滿足條件時，則接收串口數(shù)據(jù)，完成后則關閉串口。圖4為下位機軟件流程圖。

在編程中，定義適配器與信息支持設備相聯(lián)的串口為串口1，適配器與其他相聯(lián)的串口為串口2。當串口l中斷時．接收信息支持設備數(shù)據(jù)，存入不同緩沖區(qū)，發(fā)送串口l緩沖區(qū)數(shù)據(jù)到信息支持設備。當串口2中斷時，接收外部串口數(shù)據(jù)或調制解調器數(shù)據(jù)存入串口1發(fā)送緩沖區(qū)，發(fā)送串口2緩沖區(qū)數(shù)據(jù)到外部串口或調制解調器。

4 結語

針對信息支持設備通信能力受限，提出了一種基于信息支持設備的通信系統(tǒng)的設計方案，短中距離通信時利用ZigBee技術組網(wǎng)。設計方案主要應用于低速率通信場合，實際應用中信息支持設備可通過文中特制的通信適配器和無線通信設備、通信控制設備等相連，構成一個通信系統(tǒng)。適配器的軟、硬件設計是設計方案中的重點。通信系統(tǒng)的設計有助于擴展信息支持設備的功能，擴大應用范圍。