无线多信道数据收发器

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无线多信道数据收发器\n技术领域\n[0001] 本发明涉及了一种无线多信道数据收发器，属于无线通信技术领域。\n背景技术\n[0002] 目前，无线传感网发展迅速，已经广泛应用于工业、农业、环境科学等领域。随着智能家居和物联网技术的兴起，将会有越来越多的人员加入到无线传感网开发的领域。\n[0003] 在无线传感网络系统开发过程中，各个设备的信息是以射频信号的方式相互传送的，调试者不能直观的观察调试结果，增加了调试难度和开发周期。\n[0004] 现有的无线数据监听器大多数是针对单一信道的情况，在调试大规模无线网络的时候，需要多次更换不同信道的监听器，或者摆放多个监听器，操作复杂，布置麻烦。特别是现在越来越多的无线设备使用了跳频技术，这就需要同时观测多个频段的数据情况，且要求各个频段保持严格的时间同步性，单一信道的监听器无法满足这样的调试条件。\n[0005] 虽然目前已有可以同时监听多个信道的设备，但仍有如下不足：1.不具备发送数据的功能。而一般在网络调试过程中，一个可以多信道同时发送数据的信号源也是必要的。\n2.现有无线数据监听器与上位机的通信接口比较单一，通用性不强，灵活性不高。\n发明内容\n[0006] 为了解决上述技术问题，本发明设计一种无线多信道数据收发器，能够多个信道实时同步收发数据，并且可以通过方便灵活的通信接口与上位机交互，加速设计的调试和测试，缩短开发周期。\n[0007] 本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：\n[0008] (定稿后拷贝权利要求)\n[0009] 本发明具有以下优点：\n[0010] 1.多信道实时同步收发数据。本发明采用现场可编程门阵列芯片来实现各个信道的独立操作，充分利用其可以并行执行程序的特点，使得多个信道之间互不干扰，各自完成数据的收发工作，各个信道之间的同步关系可以达到微秒级。\n[0011] 2.通用性。本发明不但能够实现多信道数据的实时同步监听，而且还能够由上位机选择发送数据模式，可以实现单一信道或者多信道同时发送数据，还可以选择为发送信道与接收信道并存的模式。此外，本发明带有WIFI无线通信接口，支持多个区域无线传感网络同时调试或者联调，所以本发明适用更多的无线传感网调试场合，通用性强。\n[0012] 3.灵活性。本发明支持三种与上位机的通信接口，既有有线方式(串口、USB)，又有无线方式(WIFI)，因此上位机选择灵活，可以使用台式机、笔记本电脑或者平板电脑与之通信，应用更广泛。\n[0013] 4.便携性。本发明把N个信道的无线射频模块整合到一块电路板上，体积小，便于携带。可以结合便携式电脑完成现场调试。\n附图说明\n[0014] 图1是本发明设计的无线多信道数据收发器结构框图；\n[0015] 图2是本发明实施例的硬件组成框图；\n[0016] 图3是本发明实施例中现场可编程门阵列芯片内部的电路框图；\n[0017] 图4是本发明设计的无线多信道数据收发器工作原理示意图；\n[0018] 图5是多个无线多信道数据收发器分布式调试原理示意图；\n[0019] 图6是本发明实施例中现场可编程门阵列的软件流程图；\n[0020] 图7是本发明实施例中微处理器的软件流程图。\n具体实施方式\n[0021] 下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。\n[0022] 如图1所示，本发明由N个无线射频模块、现场可编程门阵列模块、通信模块、微处理器模块以及电源模块共五部分组成。\n[0023] 图2给出了本发明实施例中各个模块的具体硬件组成：\n[0024] 所述N个无线射频模块，每个模块均由射频调制解调芯片Si4432及其外围电路组成。Si4432通过SPI接口与现场可编程门阵列模块通信，当接收到无线射频信号时，通过解调得到接收数据，然后由中断引脚通知现场可编程门阵列模块进行处理；发送数据时，先把待发送的数据缓存到Si4432中，然后使能发送，这样Si4432就会把数据调制成射频信号发射出去。\n[0025] 所述现场可编程门阵列模块中，FPGA芯片采用Altera公司Cyclone II系列的EP2C8Q208C，配置芯片采用16Mbit容量的EPCS16来存储配置信息，时钟电路采用一个\n20MHz的有源晶振为FPGA提供全局时钟。\n[0026] 图3所示为现场可编程门阵列芯片的内部组成框图，包括：控制模块，用于接收微处理器的控制指令，根据指令控制其余的模块，完成相应的操作；SPI接口模块，用于和无线射频模块之间的通信；发送接收控制模块，用于使能发送模块或者接收模块，进行数据发送和接收的转换；发送模块和接收模块，由发送接收控制模块控制，用于数据的发送和接收；计数器，为接收到的数据提供时间信息；数据处理模块，用于给接收到的数据添加时间信息、信道号和信号强度；数据缓存模块，用于把处理后的数据暂存起来，等待微处理器的读取。\n[0027] 所述通信模块由串口电路、USB通信接口电路和WIFI通信接口电路三部分组成，串口电路由Maxim公司的一款RS-232收发器芯片MAX3221及其外围电路组成，用于与上位机实现标准RS-232接口通信；USB通信接口电路由Cypress公司的一款带USB2.0内核的芯片CY7C68013A及其外围电路组成，用于与上位机实现高速USB通信；WIFI通信接口电路采用MXCHIP公司的一款SPI接口的WIFI通信模块实现与上位机的WIFI通信功能。\n[0028] 所述微处理器模块，由MSP430F1611单片机、时钟电路以及复位电路组成，由于射频芯片Si4432的配置复杂，用FPGA实现困难，所以本发明采用单片机和FPGA相结合的方式，在配置射频模块的时候，FPGA会把其内部的SPI接口模块的控制权移交给单片机，由单片机来完成复杂的配置工作，微处理器模块还负责向FPGA转发上位机的控制指令，控制通信模块与上位机通信。\n[0029] 所述电源模块，要能够产生3.3V、2.5V和1.2V电压，供系统中各个模块使用。3.3V电源由低压差线性稳压器芯片AMS1117-3.3V将系统提供的5V电源转换而成，2.5V电源由AMS1117-2.5V芯片转换而成，1.2V电源由LM317芯片转换而成。\n[0030] 图4所示为无线多信道数据收发器的工作原理示意图，在网络调试现场，首先需要将收发器放入被调试的无线传感网络中，然后把收发器通过通信接口与上位机相连，系统上电后，便可以进行网络调试。调试前，需要先根据实际情况配置各个无线射频模块，确立信道的个数和各个信道的中心频率，这些配置通过上位机软件完成；调试时，根据调试内容通过上位机软件还可以选择各种调试模式，例如：监听模式、单信道发送数据模式、多信道发送数据模式以及收发并存的模式。每种模式下，都可以通过上位机软件观察接收和发送的报文信息，例如：能够直观的显示各信道的报文同步关系和信号强度等，调试结果一目了然。\n[0031] 此外，本发明设计的无线多信道数据收发器带有WIFI通信接口，能够实现多个区域网同时调试或者联调。如图5所示，在多个小区域无线传感网需要联合调试的场合，只要在每个区域网内放置一个无线多信道数据收发器，就可以通过每个收发器的WIFI无线通信接口把调试信息传送到一个上位机上，实现多个收发器分布式调试的功能。\n[0032] 图6所示为本发明实施例中现场可编程门阵列的软件流程图，上电后，FPGA会一直等待微处理器的指令，指令共有三种，当接收到配置指令后，FPGA进入配置程序，释放SPI总线控制权给微处理器，直到所有无线射频模块都配置完成后，重新获得SPI总线的控制权；当接收到监听指令时，FPGA进入监听程序，使能各个无线射频模块为接收数据模式，开始接收数据，并把接收到的数据添加时间信息、信号强度和信道号，缓存到FIFO中，等待微处理器读取，各个信道独立完成整个接收数据过程，互不干扰；当接收到发送数据指令时，FPGA进入发送数据程序，根据指令中提供的信道信息，选择发送信道，然后接收微处理器发来的数据，将其装入发送缓冲区中，使能发送。\n[0033] 图7所示为本发明实施例中微处理器的软件流程图，上电后，微处理器首先要向FPGA发送配置指令，以获得SPI总线控制权，然后根据上位机的配置信息，配置各个无线射频模块，配置完成后再将SPI总线控制权交给FPGA，配置过程在系统上电之后完成，并且只需配置一次。接着，微处理器会一直等待上位机的指令，当接收到监听指令时，微处理器会向FPGA发送监听指令，当检测到FPGA中有数据到来时，读取数据并控制通信模块把数据上传给上位机；当接收到发送数据指令时，微处理器会把发送数据指令、信道信息和待发送数据一起发送给向FPGA，完成数据发送。