程　坤，朱　勇，趙劍楠，張來源

(黑龍江大學(xué) 電子工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080)

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基于PIC單片機(jī)的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

程坤，朱勇，趙劍楠，張來源

(黑龍江大學(xué) 電子工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080)

針對于有線通信布線繁瑣以及通信故障不易檢查等問題，立足于無線技術(shù)的高效性和便捷性，運(yùn)用硬件與軟件相結(jié)合的方式，提出了基于PIC單片機(jī)的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。所設(shè)計(jì)的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)具有實(shí)現(xiàn)雙PC機(jī)間的數(shù)據(jù)傳輸功能。設(shè)計(jì)分析與測試結(jié)果表明，基于PIC單片機(jī)的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)穩(wěn)定性更強(qiáng)、可擴(kuò)展性更全面，并使得短距離無線通信質(zhì)量增強(qiáng)，為提高網(wǎng)絡(luò)通信的傳輸可靠性提供了新的解決方案。

PIC單片機(jī)；無線通信；通信質(zhì)量；可靠性

0　引言

隨著科技的進(jìn)步和社會(huì)的發(fā)展，人們期望能夠隨時(shí)隨地、不受地域和時(shí)空的限制，進(jìn)行信息的交流。如今各種各樣的智能控制系統(tǒng)也同樣需要依賴于信息的傳輸來實(shí)現(xiàn)各自的功能[1]。與有線傳輸相比，無線傳輸不需要傳輸線纜，并且施工簡單，成本低廉，其突出的優(yōu)點(diǎn)在各領(lǐng)域應(yīng)用極為廣泛，如：無線數(shù)據(jù)采集、智能家居、無線抄表、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)等。短距離無線通信具備如下特征：① 成本低；② 功耗低；③ 對等通信[2]。由于是短距離無線通信，所以在“距離”被限制這一缺點(diǎn)上也就轉(zhuǎn)變?yōu)樗邆涞凸牡膬?yōu)點(diǎn)[3]。

1　無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)工作原理

該系統(tǒng)分為無線收發(fā)電路和單片機(jī)控制電路兩部分，即主機(jī)與從機(jī)，每當(dāng)主機(jī)發(fā)送命令時(shí)，從機(jī)都會(huì)執(zhí)行相應(yīng)的指令[4]。系統(tǒng)框圖如圖1所示，從圖中可看出，這兩部分系統(tǒng)發(fā)送與接收主要是通過天線進(jìn)行無線通信的。

圖1　無線數(shù)據(jù)收發(fā)系統(tǒng)原理框圖

1.2系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

通過自行繪制電路原理圖和PCB板，搭建硬件結(jié)構(gòu)。PC與單片機(jī)通過USB轉(zhuǎn)串口進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)的，而單片機(jī)與無線模塊直接采用串口通信，當(dāng)JN5168模塊接收到數(shù)據(jù)準(zhǔn)備發(fā)送時(shí)，會(huì)與周圍設(shè)備進(jìn)行配對，認(rèn)證成功后，對方設(shè)備即可接收J(rèn)N5168模塊所發(fā)送的數(shù)據(jù)[5]。

2　軟件程序的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1底層驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)

本系統(tǒng)采用IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，在Eclipse開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行底層驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)[6]。

2.1.1信道設(shè)置

根據(jù)IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)中的物理層定義，有3個(gè)載波頻段可以收發(fā)數(shù)據(jù)，本設(shè)計(jì)選擇的是2 400～2 483.5 MHZ頻段，此頻段定義了16個(gè)信道，標(biāo)號(hào)為11～26號(hào)信道。中心頻率如下：F=2405+5(k-11)MHz，k=11，12，...，26，式中：k為信道編號(hào)，可從11～26號(hào)進(jìn)行選擇，F(xiàn)為每個(gè)信道對應(yīng)的中心頻率。本文采用如下代碼進(jìn)行設(shè)置上述定義：

Dri_RFSetChannel(USIGN8 usChannel)

{

USIGN16 f,

USIGN8 fH_L,fTmep;

If((ucChannel > 26)||(ucChannel < 11))return;

phyCurrentChannel=ucChannel;

f=2405 + 5*(ucChannel-11);

f=f-2048;

fTmep =FSCTRLH;

Tmep=fTmep & 0xfc;

fH_L=*((USIGN8*)&f + 1);

fH_L=fH_L | fTmep;

FSCTRLH=fH_L;

fH_L=*((USIGN8*)&f);

FSCTRLL=fH_L;

}

2.1.2網(wǎng)絡(luò)地址設(shè)置與網(wǎng)絡(luò)號(hào)設(shè)置

(a)網(wǎng)絡(luò)地址設(shè)置

{

SHORTADDRL=*addr;

SHORTADDRH=*(addr + 1);

}

(b)網(wǎng)絡(luò)號(hào)設(shè)置

50例患者經(jīng)治療結(jié)合有效的護(hù)理干預(yù)后,29例患者顯效,19例患者有效,治療總有效率達(dá)96%;43例患者對護(hù)理表示滿意,護(hù)理滿意度達(dá)86%。

Dri_RFSetPanID(USIGN8* panid)

{

PANIDL=*panid;

PANIDH=*(panid + 1);

}

2.2點(diǎn)對點(diǎn)通信設(shè)計(jì)

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)被應(yīng)用以前，傳統(tǒng)的參考網(wǎng)絡(luò)是7層結(jié)構(gòu)[7]。如果從應(yīng)用層面而言，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)基本是由工作站和服務(wù)器組成；從傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層面而言，這2個(gè)部分沒有具體本質(zhì)上的區(qū)別，它們只不過是一臺(tái)連接到網(wǎng)絡(luò)的機(jī)器而已[8]。如果從局域網(wǎng)的角度來闡述以上觀點(diǎn)，點(diǎn)對點(diǎn)通信就是2個(gè)工作站可以不經(jīng)過服務(wù)器的中轉(zhuǎn)而直接通信，不論是協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與終端節(jié)點(diǎn)之間，還是協(xié)調(diào)器與路由節(jié)點(diǎn)之間均是如此[9]。在WSN中的對等通信，要比傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)上的對等通信簡單。此系統(tǒng)的運(yùn)行通過以下代碼實(shí)現(xiàn)，通過調(diào)用其API函數(shù)，完成整個(gè)工作流程。

PUBLIC void AppColdStart(void)

{

/* Disable watchdog if enabled by default */

#ifdef WATCHDOG_ENABLED

vAHI_WatchdogStop();

#endif

/*初始化協(xié)調(diào)器 */

vCrd_Init();

/*運(yùn)行主函數(shù) */

while(1)

{

/*運(yùn)行系統(tǒng)程序*/

vProcessEventQueues();

}

}

2.3上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)應(yīng)用程序開發(fā)使用的工具為Microsoft Visual Studio 2012[10]，此方案中通過數(shù)據(jù)是否被接收來驗(yàn)證點(diǎn)對點(diǎn)的通信，流程圖如圖2所示。

圖2　點(diǎn)對點(diǎn)通信流程圖

3　系統(tǒng)測試與性能分析

3.1整體系統(tǒng)穩(wěn)定測試

由于無線通信環(huán)境的不確定行，應(yīng)用在各種各樣的環(huán)境下都是有可能的，且在不同環(huán)境下的傳輸效果也不相同，比如說外界的干擾、人體的影響、建筑的阻礙以及路徑的損耗都會(huì)對測試結(jié)果產(chǎn)生一定的干擾[11]。因此在系統(tǒng)驗(yàn)證時(shí)，選擇以下場所分別進(jìn)行測試：

① 當(dāng)周圍物體較多時(shí)，將無線收發(fā)模塊距離地面約1.5 m高，最佳通信距離為8～10 m；接收靈敏度為2～3 s；當(dāng)發(fā)送端發(fā)送“黑大歡迎您！”這段文字后，接收端能夠準(zhǔn)確無誤地顯示這幾個(gè)字符。

② 當(dāng)選擇空曠的場地時(shí)，無線收發(fā)模塊距離地面同樣約1.5 m高時(shí)，最佳通信具體為12～13 m;接收靈敏度為1～2 s；當(dāng)發(fā)送端發(fā)送“黑大歡迎您！”這段文字后，接收端能夠準(zhǔn)確無誤地顯示這幾個(gè)字符。

3.2系統(tǒng)丟包率測試

實(shí)驗(yàn)中選擇的是一個(gè)比較空曠的場地，從距離0開始，發(fā)送器與接收器以每次增加2 m的距離進(jìn)行通信，直到距離滿20 m為止，每個(gè)距離上每隔3 min發(fā)射一個(gè)數(shù)據(jù)幀，接收器如果接收到的數(shù)據(jù)不完整則說明存在丟包的現(xiàn)象，丟包率定義為丟失字節(jié)與完整數(shù)據(jù)幀字節(jié)數(shù)的比值[12]。通過測試，數(shù)據(jù)總結(jié)如表1所示，對傳輸距離與丟包率擬合曲線關(guān)系如圖3所示。

表1　測試距離與丟包率數(shù)據(jù)關(guān)系

圖3　丟包率曲線擬合

由圖3驗(yàn)證可得到的結(jié)論為：① 丟包率與測試距離是呈正比的，它會(huì)隨測試距離的增加而增加；② 當(dāng)無線設(shè)備需要應(yīng)用在較遠(yuǎn)的傳輸距離上，需要選擇一款發(fā)射功率較大的無線模塊，以防止數(shù)據(jù)的丟失與傳輸?shù)难舆t；③ 當(dāng)使用無線模塊傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，周圍的某些物體會(huì)對傳輸質(zhì)量產(chǎn)生一定的干擾。

4　結(jié)束語

隨著集成電路和射頻技術(shù)的發(fā)展，無線通信技術(shù)被應(yīng)用在許多領(lǐng)域，原因是其功能的實(shí)現(xiàn)更容易，傳輸數(shù)據(jù)的速度更快，甚至可以達(dá)到與有線網(wǎng)絡(luò)相媲美的水平。因此，對于無線通信的研究是國內(nèi)發(fā)展的一個(gè)方向。本文提出了基于PIC單片機(jī)無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，MCU選取的是PIC16F系列單片機(jī)，而無線傳輸模塊的選取恩智浦(NXP)公司推出的JN5168模塊。硬件方面自行繪制電路板，完成硬件電路的搭建；軟件方面編寫上位機(jī)軟件程序完成視圖界面操作。最終通過軟件與硬件的聯(lián)調(diào)，完成整個(gè)系統(tǒng)的測試與評估。測試結(jié)果表明，在正常無遮擋、無障礙物影響的環(huán)境下，通信質(zhì)量穩(wěn)定可靠；隨著通信距離的增加，系統(tǒng)的丟包率在逐漸上升；如果想增加通信距離，則可以改變無線模塊的發(fā)射功率。未來的研究將進(jìn)一步提高通信質(zhì)量、增加通信距離，并利用無線通信技術(shù)將生活變得智能化，為后續(xù)通信技術(shù)的發(fā)展提供新的思路。

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Design of Wireless Data Transmission System Based on PIC Microcontroller

CHENG Kun,ZHU Yong,ZHAO Jian-nan,ZHANG Lai-yuan

(School of Electronic Engineering,Heilongjiang University,Harbin Heilongjiang 150080,China)

Due to wiring trouble and communication issue difficult to check in wired communications,and high efficiency and convenience with wireless technology,a design of wireless data transmission system based on PIC microcontroller is proposed,combining hardware and software.Wireless data transmission system is designed with the function of data transfer between PCs.Design analysis and test results show that the design of wireless data transmission system based on PIC microcontroller has high stability and comprehensive extensibility,improving the quality of short-range wireless communications,and provides a novel solution to improve the transmission reliability of network communications.

PIC microcontroller;Wireless communication;Communication quality;reliability

10.3969/j.issn.1003-3114.2016.05.09

引用格式：程坤，朱勇，趙劍楠,等.基于PIC單片機(jī)的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].無線電通信技術(shù),2016,42(5):35-37.

2016-05-06

程坤(1991—)，男，碩士研究生，主要研究方向：通信與信息處理。朱勇(1974—)，男，教授，主要研究方向：通信與信息處理。

TN911.7

A

1003-3114(2016)05-35-3