基于a7102c的短距离无线通信网设计

基于a7102c的短距离无线通信网设计内容摘要：

s，共有 75 个带宽为 1MHz 的跳频信道。 调制方式为恒定包络的 FSK调制。 在 2FSK 方式下，最大数据传输率为 1Mb/s， 4FSK 方式下，速率可达 2Mb/s。 最新的 中，其数据峰值可达 10Mb/s。 ZigBee[5]是一种近年来才兴起的无线网络通信技 术标准。 它出现的时间较短，2020 年底才由 ZigBee 联盟发布了 版本规范，尚未进入大规模的商业化生产和应用；但是，它的上升势头十分明显，已有 Chip、 Freescale、 CompXs、 Ember 四家公司在 05 年 4 月通过了 ZigBee 联盟对其产品所作的测试和兼容性验证。 ZigBee 是一种通过简捷方式实现“无线”沟通的方式。 人们借此称呼一种专注于低功耗、低成本、低复杂度、低速率的短距离无线网络通信技术 ，在具有上诉特点之外，同时还具有短时延、高容量、高安全、免执照频段等特点。 它主要应用在距离短、低功 耗且传输速率不高的各种电子设备之间，典型的传输数据类型有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据。 根据设想，它的应用目标主要是：工业控制 (如自动控制设备、无线传感器网络 )，医护 (如监视和传感 )，家庭智能控制 (如照明、水电气计量几报警 )，消费类电子等大量的应用场合。 一般而言， ZigBee 技术应用在以下几方面具有显著的优势： (1)需要无线通信交换信息的低成本装置； (2)数据的交换量较小、传输的速率要求不高； (3)功耗要求极低，采用电池供电且需要维持较长时间 (4)需要多个 (尤其是大量 )设备组成无线通信网络， 主要进行检测和控制的场合。 本文设计所设计 的通信协议有些地方 借鉴 于 ZigBee 技术，主要表现在网络的组建上和设备的划分上，采取这种方式的原 因主要是因为针对实际的应用环境大多是低速率和低成本的原因。 但是帧结构的定义 有所区别。 熊川：基于 A7102C 的短距离无线通信网设计 8 网络体系结构 网络体系结构 是 网络的各层及其协议的集合，是 通信系统的整体设计，它为网络硬件、软件、协议、存取控制和拓扑提供标准 [1]。 网络设备 需要完成的工作包括发起通信的设备必须将数据通信的通路进行激活，以保证要传输的数据能在这条通路上正确发送和接收；要告诉网络如何识别接收数据的 设备；发起通信的设备必须查明对方设备是否开机，并且与网络连接正常；通信双方传输的数据格式必须按照事先定义好的格式；对出现的各种差错和意外事故，如数据传送、错误或丢失等，网络应用相应的处理机制等。 由此可见，相互通信的两个计算机系统必须高度协调工作才行，所以现在的网络体系结构基本都采用“分层”的思想，这样能将一个庞大而复杂的问题，转化为若干较小的局部问题来处理。 开放系统互联参考模型 OSI 用物理层、数据链路层、网络层、传送层、对话层、表示层和应用层七个层次描述网络的结构， 结构图如图 所示。 它的规范对所有的厂 商是开放的，具有 指导 国际网络结构和开放系统走向的作用。 它直接影响总线、接口和网络的性能。 目前常见的网络体系结构有 FDDI、以太网、令牌环网和快速以太网等。 从网络互连的角度看，网络体系结构的关键要素是协议和拓扑。 图 典型网络体系结构 本文设计同样也采用了分层的结构，由于主要应用于 短距离和低速率的要求，所以协议主要由物理层、链路层和应用层组成。 物理层基本由 A7102C 来完成，链路层则是本文设计协议的重点，应用层本文设计较少体现，通过简单的数据模拟应用层数据。 各层的重要性是必不可少的 ，比如在链路层的操 作最后就是调用物理层的相关函数来完成收发操作。 2020 届电子信息工程专业毕业设计（论文） 9 CSMA/CA 无线局域网标准 的 MAC 和 协议的 MAC 非常相似，都是在一个共享媒体之上支持多个用户共享资源，由发送者在发送数据前先进行网络的可用性。 在 协议中，是由一种称为 载波侦听 /冲突检测 [8](CSMA/CD,Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)的协议来完成调节，这个协议解决了在 Ether 上的各个工作站如何在线缆上进行传输的问题，利用它检测和 避免当两个或两个以上的网络设备需要进行数据传送时网络上的冲突。 在 无线局域网协议中，冲突的检测存在一定的问题，这个问题称为 Near/Far现象，这是由于要检测冲突，设备必须能够一边接受数据信号一边传送数据信号，而这在无线系统中是无法办到的。 鉴于这个差异，在 中对 CSMA/CD 进行了一些调整，采用了新的协议 载波侦听 /冲突避免(CSMA/CA， Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)或者 分布式协调功能 (DCF,Distributed Coordination Function)。 CSMA/CA 利用 ACK 信号来避免冲突的发生，也就是说，只有当客户端收到网络上返回的 ACK 信号后才确认送出的数据已经正确到达目的。 CSMA/CA 协议的工作流程分为 以下 两个 部分 : (1)送出数据前，监听媒体状态，等没有人使用媒体，维持一 段时间后，再等待一段随机的时间后依然没有人使用，才送出数据。 由于 每个设备采用的随机时间不同，所以可以减少冲突的机会。 (2)送出数据前，先送一段小小的请求传送报文 (RTS,Request to Send)给目 标端，等待目标端回应 (CTS,Clear to Send)报文后，才开始传送。 利用 RTSCTS 握手(handshake)程序，确保接下来传送资料时，不会被碰撞。 同时 由于 RTSCTS 封包都很小，让传送的无效开销变小。 CSMA/CA 通过这两种方式来提供无线的共享访问，这种显式的 ACK 机制在处理无线问题时非常有效。 然而不管是对于 还是 来说，这种方式都增加了额外的负担，所以 网络和类似的 Ether 网比较总是在性能上稍逊一筹。 本文设计采用了类似于 CSMA/CA 的虚拟 载 波侦听机制，功能上只具有侦听的功能，不具有冲突避免的功能，由于 硬件的原因，本文设计采用了读取接收缓存的方式来识别信道是否处于通信状态，如果在规定的时间内，能够正常接收到数据帧，则可以认为网络处于通信状态，该 终端节点必须随机退避一段时间之后，再侦听信道以判断是否发送数据。 熊川：基于 A7102C 的短距离无线通信网设计 10 网络拓扑结构 网络拓扑结构是指用传输媒体互连各种设备的物理布局，就是用什么方式把网络中的 终端 设备连接起来。 拓扑图给出网络服务器、工作站的网络配置和相互间的连接，它的结构主要有星型结构、环型结构、总线结构、分布式结构、树型结构、网状结 构、蜂窝状结构以及它们的混合拓扑结构等。 在这里主要介绍本文设计中所用到的星型拓扑结构和树型拓扑结构。 星型结构 星型结构 (图 )是最古老的一种连接方式，大家每天都使用的电话属于这种结构。 星型结构是指各工作站以星型方式连接成网。 网络有中央节点，其他节点（ 全功能节点 、 精简节点 ）都与中央节点直接相连，这种结构以中央节点为中心，因此又称为集中式网络。 这种结构便于集中控制，因为端用户之间的通信必须经过中心站。 由于这一特点，也带来了易于维护和安全等优点。 端用户设备因为故障而停机时也不会影响其它端用户间的 通信。 同时它的网络延迟时间较小，传输误差较低。 但这种结构非常不利的一点是，中心系统必须具有极高的可靠性，因为中心系统一旦损坏，整个系统便趋于瘫痪。 对此中心系统通常采用双机热备份，以提高系统的可靠性。 本文设计所产生的星型网络主要是由信息中心或者全功能设备 (具有有效的且有组网功能的网络地址 )所建立的，这两种设备是具有组网的功能，首先有该类设备发出组网帧后，其他节点收到该帧之后才发出请求发送帧，来得到自己的地址；最后以形成一个星型网络。 图 星型结构 2020 届电子信息工程专业毕业设计（论文） 11 树型结构 树型网络结构 (图 )可 以简单的形容为多个星型结构的集合。 若干个星型拓扑连接到一起，可以使通信区域大幅扩大。 树型结构的实现需要多个关键网络服务：首先，树型结构必须提供动态地址分配机制；其次树型结构中每个节点必须根据信息的发送者和接收者做出一个最简单的路由选择，保证信息向前发送；最后，树型网络必须提供可配置的范围树型，以此表明网络设备有多少资源支持树型结构。 图 树型结构 树型结构的优点是成本较低、覆盖范围较大，缺点是动态环境适应性差，同时若任何一个节点的中断和鼓掌将会导致部分节点脱离网络。 所以说相对来说，树型结构的网络稳 定性较差。 本文设计所生成的树型网络，主要由信息中心和全功能设备两者共同完成。 上电初，是由网络信息中心发出组网帧之后，其他可与信息中心通信的终端节点获得网络地址之后，如该地址具有组网功能 (全功能设备 )，就可以由该设备发出组网帧，以组成下一级的星型网络，这样 逐 级 向外扩展，最后 数据 的中转都是由全功能设备来完成，这样就形成一个树型的网络结构。 本章小 结 本章主要介绍了无线通信技术的基本知识，其最为重要的就是通信过程中信号的流向，这对我们理解通信系统的工作原理有很大的帮助。 其次介绍了各种无线短程通信技术的基 本情况和特别，并针对实际的应用环境在本文设计中参照了一定的知识。 最后就是介绍了网络技术的一些重要的概念 和思想，同样 按照实际的应用环境，提出本文设计中所体现的一些基本的思想，如 载波侦听，网络拓扑，协议分层等重要的思想。 在此基础上，为一个网络的组建搭配一个完整的硬件环境，接下来的一章就全面介绍节点的各个硬件组成部分。 熊川：基于 A7102C 的短距离无线通信网设计 12 第 3 章 节点系统设计方案 系统整体架构 一个完整的系统不仅包括硬件资源，同样也包括软件资源，并相辅相成、缺一不可。 完整的网络由分布在不同位置上的节点组成，但是仅有这些网络节点还不够，还得需 要相应的网络协议来协调它们之间的通信才能完成网络的组建，最后才能发挥出它应有的作用。 本文设计所体现的网络由三类节点组成，分别是信息中心、全功能设备和精简设备。 整个的网络首先是由信息中心发起的，其他节点在得到有效网络地址之后，再根据该地址判断是否属于 全功能设备，然后由全功能设备发起组网，这样一级一级 向外扩展，形成一个网络。 一个完整的无线网络终端节点，必须有无线收发模块，本文设计采用台湾笙科公司的 A7102C 无线 IC 芯片，该芯片可以工作在 ISM 频段的 433M 等多个频段，设计中采用的是 433M 单信道的方式，整 个通信也是一个半双工的通信方式；其次，终端节点还必须有微处理器，用于 控制 无线模块的工作方式，另外一个很重要的就是协议的处理，设计中协议部分完全采用软件的方式实现 ，设计中采用的 AT89C52 单片机，利用 单片机的普通 I/O 口模拟无线模块的读写时序来与其协调。 最后，配以必要的外围电路来完成整个节点的硬件环境搭建，主要是通过一定的显示方式来表达网络的各种情况，对于信息中心，主要是通过液晶的方式，其他节点都采用 LED 的方式来表达，黄色灯表示连接网络成功，绿色灯表示数据传送成功，红色灯表示模块处于发送的过程中。 下面详细 介绍节点的重要硬件组成部分。 A7102C无线 收发 模块 A7102C 是 台湾笙科 (AMICCOM)推出的一款工作 用于无线 315/433/868/915MHz的单片 CMOS 无线收发 IC 芯片， 采用 32 脚的 QFN 封装，采用模拟 SPI 接口数据传送方式。 通信 方式为半双工方式，不能同时进行收发操作，实际工作频率采用其中的一个频段，所以为单信道的通信线路，实际中需配以必要的外围电路，包括滤波电路和晶振等。 该芯片 广泛应用于无线数据传输、远程控制、无线接入、家庭智能控制和无线玩具等数据速率要求不是很高的应用场合。 2020 届电子信息工程专业毕业设计（论文） 13 模块功能 特点 A7102C 由于采用了低功耗设计，高接收灵敏度的设计，满足无线管制的要求，无须使用许可证，因此在低功耗、低成本无线传输设备的选用时具有很大的优势。 A7102C 芯片具有如下功能特点： (1)A7102C 芯片具有多工作频率的通道选择； (2)可编程的 RF 输出功率，最高可达 15dBm； (3)低功耗，输出功率为 0dBm 时，接收电流为 13mA,发送电流为 20mA； (4)供应电源 电压 范围： ~ ； (5)可编程的数据速率选择，最高可达 150Kbps； (6)没有外部的表面声波滤 波器； (7)可编程选择的 RTC 功能； (8)具有片上 8 位 AD 转 换； (9)片上集成温度传感器； (10)具有可编程选择的 FEC/CRC 数据加密 、校验 功能； (11)可编程选择的 Manchester 数据编码； (12)64 字节的发送 /接收 FIFO 缓存，最大可扩展到 256 个字节； A7102C 芯片引脚如图 所示： 图 A7102C 引脚图 本文设计所采用的是无线收发模块 只具有无线收发功能，对于芯片提供的一些其他功能本文设计中没有利用到，所以实际的模块只是利用了其中的通信部分功能，对熊川：基于 A7102C 的短距离无线通信网设计 14 于必。