袁 征1?,羅衛(wèi)兵1,丁娜娜2

(1.武警工程大學(xué)信息工程系,陜西西安710086; 2.武警石家莊士官學(xué)校網(wǎng)絡(luò)管理系,河北石家莊050061)

AIRMAX無(wú)線網(wǎng)橋天線調(diào)試儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

袁 征1?,羅衛(wèi)兵1,丁娜娜2

(1.武警工程大學(xué)信息工程系,陜西西安710086; 2.武警石家莊士官學(xué)校網(wǎng)絡(luò)管理系,河北石家莊050061)

在對(duì)AIRMAX網(wǎng)橋設(shè)備調(diào)試安裝時(shí),為了快速進(jìn)行天線波束對(duì)準(zhǔn)和IP地址聯(lián)通測(cè)試,必須要及時(shí)準(zhǔn)確獲得網(wǎng)橋信號(hào)接收強(qiáng)度和信噪比等多種實(shí)時(shí)參數(shù)。設(shè)計(jì)了一款簡(jiǎn)易而低成本的網(wǎng)橋天線調(diào)試儀,使用ENC28J60以太網(wǎng)控制器實(shí)現(xiàn)調(diào)試儀與網(wǎng)橋的Telnet連接;利用ATMEGA328處理器完成信息的提取與篩選;通過(guò)LCD1602液晶顯示屏顯示網(wǎng)橋狀態(tài)參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:本系統(tǒng)的啟動(dòng)時(shí)間小于1 min,每隔2 s對(duì)所需參數(shù)進(jìn)行更新并顯示。達(dá)到調(diào)試工作對(duì)調(diào)試儀小型、快速、準(zhǔn)確的要求。

網(wǎng)橋;天線調(diào)試;液晶顯示

1 引 言

隨著科技的發(fā)展,美國(guó)UBNT(Ubiquiti Networks)公司的產(chǎn)品以精美的設(shè)計(jì)工藝、穩(wěn)定可靠的質(zhì)量、超強(qiáng)的性能以及超出想象力的價(jià)格等特點(diǎn)成為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中的主力軍。AIRMAX系列網(wǎng)橋是美國(guó)UBNT公司最新推出的基于802.11 n技術(shù)的室外無(wú)線產(chǎn)品,室外最遠(yuǎn)傳輸距離可達(dá)15 km以上,最高吞吐量可達(dá)150 Mbit/s以上,是目前世界上體積最小、重量最輕、功能實(shí)用、性能穩(wěn)定、最具性價(jià)比的室外型無(wú)線網(wǎng)橋。該產(chǎn)品進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)以來(lái),在森林防火、數(shù)字化油田、智能電網(wǎng)、無(wú)線校園、農(nóng)村無(wú)線寬帶等無(wú)線網(wǎng)絡(luò)工程中得到了廣泛的使用。為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離,高吞吐量的信息傳輸能力,通常將AIRMAX設(shè)備安裝至鐵塔或樓頂處,雖然AIRMAX設(shè)備具有極強(qiáng)的工作能力,但為了獲得更加優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)服務(wù),也需要安裝調(diào)試人員對(duì)設(shè)備進(jìn)行正確、最優(yōu)化的安裝調(diào)試,特別是天線安裝的方向?qū)?zhǔn)問(wèn)題。AIRMAX設(shè)備多采用方向性較強(qiáng)的定向天線,只有在波束以一定的精度相互對(duì)準(zhǔn)時(shí),信號(hào)接收強(qiáng)度最大,雙方才能獲得最優(yōu)化的通信服務(wù)。目前,在實(shí)際的安裝調(diào)試過(guò)程中,工程人員都是憑借AIRMAX設(shè)備上的4個(gè)LCD信號(hào)指示燈進(jìn)行感官手動(dòng)對(duì)準(zhǔn)操作,這使得天線指向調(diào)整時(shí)間過(guò)長(zhǎng),而且難以實(shí)現(xiàn)精確對(duì)準(zhǔn)。在條件允許的情況下,可以將設(shè)備與PC機(jī)通過(guò)網(wǎng)口相連,通過(guò)網(wǎng)絡(luò)設(shè)置界面獲得具體RSSI(信號(hào)接收強(qiáng)度)值來(lái)對(duì)天線進(jìn)行搜索調(diào)整,但這種方法需要PC機(jī)的支持,不利于工程人員在鐵塔或樓頂處安裝操作。因此,為了保證通信鏈路建立的快速性與可靠性,研究自動(dòng)化程度高、對(duì)準(zhǔn)速度快、精度高的AIRMAX設(shè)備天線對(duì)準(zhǔn)儀具有非常重要的意義[1-3]。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)可分為7個(gè)基本模塊:核心控制模塊、信息采集模塊、顯示模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、電源模塊、鍵盤模塊以及聲音提示模塊。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案Fig.1 Overall design of the system

控制模塊在硬件上采用基于AVR核心的ATMEGA328單片機(jī),該單片機(jī)內(nèi)置高速存儲(chǔ)器(32 KB的Flash,2.5 KB的SRAM和1 KB的EEPROM),不需要使用專門的外部Flash或ROM固化代碼,具有豐富的I/O端口以及SPI、USART等模塊,通過(guò)科學(xué)的復(fù)用可以滿足應(yīng)用需要。

信號(hào)采集模塊核心為ENC28J60以太網(wǎng)控制器,ENC28J60以太網(wǎng)控制器采用標(biāo)準(zhǔn)的SPI串行接口,只需4條連線即可實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)連接,有利于在小型系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)功能。

顯示模塊采用顯示質(zhì)量高、體積小、重量輕、功耗低的藍(lán)色背光LCD1602液晶屏完網(wǎng)橋狀態(tài)信息顯示,藍(lán)色背光的高亮度可以降低室外陽(yáng)光對(duì)工程人員的視覺(jué)干擾。

讀寫SD卡實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。SD卡的總線模式可分為兩種:SD總線模式和SPI總線模式。在SD總線模式下,4條數(shù)據(jù)線并行傳輸數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)傳輸速率高,但是傳輸協(xié)議較復(fù)雜;而在SPI總線模式下,只有一條數(shù)據(jù)傳輸線,數(shù)據(jù)傳輸速率較低,但傳輸協(xié)議簡(jiǎn)單,易于實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)采用SPI總線模式。

供電模塊采用POE技術(shù),利用現(xiàn)存標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)傳輸電纜同時(shí)傳送數(shù)據(jù)和電功率,使得在確?，F(xiàn)有結(jié)構(gòu)化布線安全的同時(shí)保證現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的正常運(yùn)作,最大限度地降低成本。

系統(tǒng)還擴(kuò)展了鍵盤模塊和聲音提示模塊,可通過(guò)編程設(shè)置鍵盤模塊完成信號(hào)記錄與提取、開/關(guān)顯示、聲音提示等功能。聲音提示模塊通過(guò)蜂鳴器以聽覺(jué)感官方式向工程人員提示信號(hào)接收強(qiáng)度,信號(hào)接收強(qiáng)度低于－75 d B時(shí)不發(fā)聲,高于-75 d B時(shí)發(fā)生頻率隨著信號(hào)接收強(qiáng)度的增大而增大,可保障工程人員在顯示屏顯示狀況不佳的情況下依然獲得信號(hào)接收強(qiáng)度參考[4]。

3 網(wǎng)橋狀態(tài)信息的獲取

3.1 ENC28J60模塊及其初始化

AIRMAX無(wú)線網(wǎng)橋提供一個(gè)以太網(wǎng)端口,因此,在本設(shè)計(jì)中,信息采集模塊采用ENC28J60以太網(wǎng)控制器,該控制器可通過(guò)SPI接口和單片機(jī)連接,構(gòu)成嵌入式以太網(wǎng)通信接口與AIRMAX網(wǎng)橋?qū)崿F(xiàn)連接,同時(shí)結(jié)合POE供電方式可以通過(guò)一個(gè)以太網(wǎng)端口實(shí)現(xiàn)對(duì)AIRMAX狀態(tài)信息的提取與網(wǎng)橋調(diào)試時(shí)的供電。

ENC28J60是Microchip Technology(美國(guó)微芯科技公司)推出的28引腳獨(dú)立以太網(wǎng)控制器,符合IEEE 802.3協(xié)議,內(nèi)置10 Mb/s以太網(wǎng)物理層器件(PHY)及媒體訪問(wèn)控制器(MAC),可按業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)協(xié)議可靠地收發(fā)信息包,它既能提供完整的網(wǎng)絡(luò)功能,又可以大大簡(jiǎn)化設(shè)計(jì),使之成為目前市面上最小的嵌入式應(yīng)用以太網(wǎng)解決方案[5]。ENC28J60工作電壓為3.3 V,但易于集成于5 V系統(tǒng)中,其CS、SCK和SI引腳都可以承受5 V電壓,單片機(jī)工作電壓為5 V,經(jīng)74CHC00D電平轉(zhuǎn)換器后,即可以SPI方式與ENC28J60直接相連。AIRMAX網(wǎng)橋通過(guò)含有以太網(wǎng)變壓器的RJ-45插座HR901170A與ENC28J60相連。

ENC28J60中有3種類型的存儲(chǔ)器:控制寄存器、以太網(wǎng)緩沖器和PHY寄存器。控制寄存器提供主控制器和片內(nèi)以太網(wǎng)控制器邏輯電路之間的主要接口。寫這些寄存器可控制接口操作,而讀這些寄存器則允許主控制器監(jiān)控這些操作。以太網(wǎng)緩沖器包含供以太網(wǎng)控制器使用的發(fā)送和接收存儲(chǔ)器。該緩沖器大小為8 KB,分成單獨(dú)的接收和發(fā)送緩沖空間。主控制器使用SPI接口可以對(duì)發(fā)送和接收存儲(chǔ)器的容量和位置進(jìn)行編程[6-7]。

本設(shè)計(jì)中,調(diào)試儀是作為一個(gè)客戶端,與網(wǎng)橋建立Telnet連接后進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā),因此,首先需要對(duì)ENC28J60初始化設(shè)置,初始化設(shè)置工作主要包括緩沖器的接收和發(fā)送、PHY寄存器、MAC寄存器、過(guò)濾器的接收、晶振啟動(dòng)時(shí)間[8]。其次,建立Telnet連接,設(shè)置ENC28J60的MAC地址、IP地址,即調(diào)試儀的MAC、IP地址,通過(guò)調(diào)用EthernetClient::connect(IPAddress ip,uint16_t port)函數(shù)與網(wǎng)橋建立連接,其中參數(shù)ip為網(wǎng)橋IP地址,port為端口號(hào),默認(rèn)為23,流程如圖2所示。

圖2 調(diào)試儀與網(wǎng)橋連接流程圖Fig.2 Flow of debugging devices connected to the bridge

3.2 信息的解析

連接成功后,一旦AIRMAX網(wǎng)橋接收到控制器的狀態(tài)請(qǐng)求信息,網(wǎng)橋便會(huì)向ENC28J60發(fā)送自身的全部狀態(tài)信息,信息保存在ENC28J60接收緩沖器中,由于ENC28J60沒(méi)有處理能力,還需要主控制器對(duì)信息進(jìn)行提取并解析。主控制器需要建立一個(gè)字符串來(lái)對(duì)信息進(jìn)行保存與處理,處理一次后立即清空字符串以備下一次接收,在2 s的時(shí)間內(nèi),ATMEGA328可以不需要中斷,完成一次上述操作,大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)中,設(shè)定狀態(tài)信息更新周期為2 s,即通過(guò)編程使主控制器每隔2 s向網(wǎng)橋發(fā)送一次狀態(tài)請(qǐng)求信息。網(wǎng)橋的操作系統(tǒng)決定了網(wǎng)橋每次向外發(fā)送的狀態(tài)信息大約是200個(gè)字節(jié),由于網(wǎng)橋的狀態(tài)信息會(huì)不斷變化,所以保存其狀態(tài)信息的字符串長(zhǎng)度也會(huì)不斷變化。但是每一次發(fā)送的狀態(tài)信息的參數(shù)種類與先后次序都是相同的,都是以IP地址為起始,以接入網(wǎng)橋的站點(diǎn)數(shù)為結(jié)束,其中包含了網(wǎng)橋工作時(shí)的各種配置信息和狀態(tài)參數(shù),而且不同的參數(shù)信息以“ ”相間隔,網(wǎng)橋狀態(tài)信息結(jié)構(gòu)如表1所示。

在對(duì)網(wǎng)橋天線調(diào)試時(shí),主要用到RSSI與NOISE(信噪比)等信息,對(duì)其余信息保存并顯示會(huì)占用系統(tǒng)資源。需要對(duì)字符串進(jìn)行提取,獲得有用信息。由于狀態(tài)信息在控制器中以字符串形式存儲(chǔ),并且,信息的參數(shù)種類與先后次序都是相同的。所以,只需通過(guò)匹配關(guān)鍵字“rssi”與“noise”定位所需信息在字符串中的位置即可獲得RSSI與NOISE值。以提取RSSI為例,首先,設(shè)置指向字符串位置的指針變量pointer1,通過(guò)循環(huán)匹配關(guān)鍵字將指針定位到“rssi”中的“i”位置。需要注意的是,定位到“i”時(shí),之前的“rss”也是需要逐一匹配的,這是因?yàn)樵谡麄€(gè)字符串中,會(huì)有許多個(gè)“i”字節(jié)。指針加1指向“＝”,也可以直接匹配“rssi＝”,隨后輸出指針?biāo)肝恢玫暮笕?即“－80”,為網(wǎng)橋當(dāng)前的RSSI值。

表1 網(wǎng)橋狀態(tài)信息結(jié)構(gòu)Tab.1 Structure of the bridge state information

4 液晶顯示設(shè)計(jì)

4.1 LCD1602硬件連接

液晶顯示模塊根據(jù)顯示器件的顯示方式可分為字段式液晶顯示模塊、點(diǎn)陣字符型液晶顯示模塊、點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊,本設(shè)計(jì)采用LCD1602完成實(shí)時(shí)狀態(tài)信息的顯示。LCD1602是專門顯示數(shù)字、字母、符號(hào)的點(diǎn)陣式液晶模塊,具有體積小、功耗低、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧等優(yōu)點(diǎn),在微小型儀表和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用,也是單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)中最常用的信息顯示器件[9]。LCD1602液晶顯示模塊可以顯示兩行,每行16個(gè)字符,采用5 V電源供電,外圍電路配置簡(jiǎn)單,一般采用標(biāo)準(zhǔn)的16引腳與單片機(jī)連接。BLA:背光源正極,接＋5 V;BLK:背光源負(fù)極,接地;VO:液晶顯示偏壓信號(hào),通過(guò)電位器W1調(diào)節(jié);RS:決定傳輸類型是數(shù)據(jù)或命令,1表示數(shù)據(jù),0表示命令;R/W:讀、寫控制,1表示讀, 0表示寫;E:使能端,高電平有效;DB0-DB7:數(shù)據(jù)端口。LCD1602與單片機(jī)連接如圖3所示。

圖3 LCD1602連接圖Fig.3 LCD1602 connection diagram

4.2 驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

LCD1602內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分成3部分:控制器、驅(qū)動(dòng)器和顯示裝置?？刂破饕话悴捎眉刂破鳌Ⅱ?qū)動(dòng)器于一體的專用于字符顯示控制驅(qū)動(dòng)的HD44780。本設(shè)計(jì)中,要使LCD1602顯示當(dāng)前與存儲(chǔ)器中保存的天線RSSI值,需要考慮的問(wèn)題是:a.顯示指令的控制;b.顯示字符的產(chǎn)生;c.顯示位置的指定[10]。

對(duì)LCD1602的顯示控制主要體現(xiàn)在HD44780指令集的使用上。HD44780共有11條指令,可完成顯示模式設(shè)置、顯示開/關(guān)及光標(biāo)設(shè)置、數(shù)據(jù)指針設(shè)置、數(shù)據(jù)的讀寫、狀態(tài)的讀出等操作。11條控制指令如表2所示。

HD44780內(nèi)置了DDRAM(顯示數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器)、CGROM(字符發(fā)生存儲(chǔ)器)和CGRAM(自定義字符存儲(chǔ)器)。其中CGROM已經(jīng)存儲(chǔ)了160個(gè)不同的點(diǎn)陣字符圖形,這些字符有:阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號(hào)等,每一個(gè)字符都有一個(gè)固定的代碼,比如大寫的英文字母“A”的代碼是01000001B(41H),這160個(gè)字符已經(jīng)能滿足本設(shè)計(jì)中對(duì)英文字母和數(shù)字的顯示要求。

LCD1602液晶顯示模塊是慢顯示器件,所以在寫每條指令之前一定要確認(rèn)狀態(tài)標(biāo)志位為低電平,否則該指令失效。顯示字符時(shí),要先輸入顯示字符地址,由于寫入顯示地址時(shí)要求最高位D7恒定為高電平(見指令表),所以實(shí)際寫入的數(shù)據(jù)應(yīng)該是實(shí)際地址位＋80 H。例如第二行第一個(gè)字符的地址是40H,要使光標(biāo)定位在第二行第一個(gè)字符的位置,不能直接寫入40 H,因?yàn)閷懭腼@示地址時(shí)要求最高位D7恒定為高電平,所以實(shí)際寫入的數(shù)據(jù)應(yīng)該是01000000B(40H)＋10000000B(80H)。

表2 LCD1602液晶模塊內(nèi)部的控制器的11條控制指令Tab.2 11 control instruction of controller within LCD1602

解決以上3個(gè)問(wèn)題即可向LCD1602寫入數(shù)據(jù)并顯示,(1)通過(guò)RS確定是寫數(shù)據(jù)還是寫命令,寫命令包括液晶光標(biāo)的顯示與否,光標(biāo)的閃爍與否,在什么位置顯示等;(2)設(shè)置R/W為寫模式,即低電平;(3)將數(shù)據(jù)或命令送達(dá)數(shù)據(jù)線上; (4)給E一個(gè)高脈沖將數(shù)據(jù)送入控制器,完成寫操作。

4.3 顯示效果

工程人員可通過(guò)顯示的網(wǎng)橋狀態(tài)信息來(lái)調(diào)整網(wǎng)橋天線指向,使RSSI達(dá)到通信系統(tǒng)要求,完成天線調(diào)試工作。實(shí)物顯示效果如圖4所示。

圖4 調(diào)試儀顯示效果圖Fig.4 Debugging instrument display effect chart

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)的便攜式網(wǎng)橋天線調(diào)試儀,硬件上以ATMEGA328單片機(jī)、ENC28J60以太網(wǎng)控制器以及LCD1602液晶顯示屏為核心,軟件設(shè)計(jì)采用C語(yǔ)言編程,實(shí)現(xiàn)了對(duì)AIRMAX網(wǎng)橋狀態(tài)信息的可視化顯示與聲音提示。實(shí)物測(cè)試結(jié)果表明,該便攜式對(duì)準(zhǔn)儀的啟動(dòng)時(shí)間小于1 min,每隔2 s對(duì)網(wǎng)橋RSSI與NOISE值提取一次并顯示,工作穩(wěn)定、顯示效果清晰,能夠快速準(zhǔn)確的向工程人員提供RSSI參考,提高設(shè)備安裝調(diào)試效率。

參 考 文 獻(xiàn):

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Design and implementation of debugging instrument with AIRMAX bridge

YUAN Zheng1?,LUO Wei-bing1,DING Na-na2

(1.Engineering University of PAP,Xi′an 710086,China;2.Internet Management Department, Shijiazhuang Non-Commissioned Officer Academy of PAP,Shijiazhuang 050061,China)

In order to quickly test the antenna beam alignment and Unicom IP address in installing the AIRMAX bridge debugging equipment,the bridge receiving signal strength,the signal-to-noise ratio, and other parameters in real time must be accurately measured.A low cost and simple bridge antenna instrument was designed using an ENC28J60 Ethernet controller to set up bridge Telnet connection to measure these parameters.Additionally,an ATMEGA328 processor was used to carry out information extraction and selection.The bridge parameter statuses were shown on an LCD1602 display.Experimental results show that this system′s start time is less than 1 min,and it extracts and displays the Bridges RSSI and the NOISE value in every 0.5 s,satisfying the requirements of small,rapid and accurate debugging.

bridge;antenna debugging;liquid-crystal display

TP394.1;TH691.9

A

10.3788/YJYXS20153005.0819

1007-2780(2015)05-0819-06

袁征(1991－),男,陜西西安人,碩士研究生,主要從事信息與通信工程領(lǐng)域的研究。E-mail:297181357＠qq.com

羅衛(wèi)兵(1969－),男,湖南益陽(yáng)人,博士,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事通信工程領(lǐng)域的研究。E-mail:luoweibing ＠21cn.com

2015-02-05;

2015-03-07.

粵港關(guān)鍵領(lǐng)域重點(diǎn)突破項(xiàng)目(No.2000A10403021)

?通信聯(lián)系人,E-mail:297181357＠qq.com