【正文】 的應(yīng)用場(chǎng)合。 熊川：基于 A7102C 的短距離無線通信網(wǎng)設(shè)計(jì) 8 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu) 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu) 是 網(wǎng)絡(luò)的各層及其協(xié)議的集合，是 通信系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)，它為網(wǎng)絡(luò)硬件、軟件、協(xié)議、存取控制和拓?fù)涮峁?biāo)準(zhǔn) [1]。 它的規(guī)范對(duì)所有的廠 商是開放的，具有 指導(dǎo) 國際網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和開放系統(tǒng)走向的作用。 圖 典型網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu) 本文設(shè)計(jì)同樣也采用了分層的結(jié)構(gòu)，由于主要應(yīng)用于 短距離和低速率的要求，所以協(xié)議主要由物理層、鏈路層和應(yīng)用層組成。在 協(xié)議中，是由一種稱為 載波偵聽 /沖突檢測(cè) [8](CSMA/CD,Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)的協(xié)議來完成調(diào)節(jié)，這個(gè)協(xié)議解決了在 Ether 上的各個(gè)工作站如何在線纜上進(jìn)行傳輸?shù)膯栴}，利用它檢測(cè)和 避免當(dāng)兩個(gè)或兩個(gè)以上的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備需要進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時(shí)網(wǎng)絡(luò)上的沖突。 CSMA/CA 協(xié)議的工作流程分為 以下 兩個(gè) 部分 : (1)送出數(shù)據(jù)前，監(jiān)聽媒體狀態(tài)，等沒有人使用媒體，維持一 段時(shí)間后，再等待一段隨機(jī)的時(shí)間后依然沒有人使用，才送出數(shù)據(jù)。 同時(shí) 由于 RTSCTS 封包都很小，讓傳送的無效開銷變小。 熊川：基于 A7102C 的短距離無線通信網(wǎng)設(shè)計(jì) 10 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是指用傳輸媒體互連各種設(shè)備的物理布局，就是用什么方式把網(wǎng)絡(luò)中的 終端 設(shè)備連接起來。星型結(jié)構(gòu)是指各工作站以星型方式連接成網(wǎng)。端用戶設(shè)備因?yàn)楣收隙C(jī)時(shí)也不會(huì)影響其它端用戶間的 通信。 本文設(shè)計(jì)所產(chǎn)生的星型網(wǎng)絡(luò)主要是由信息中心或者全功能設(shè)備 (具有有效的且有組網(wǎng)功能的網(wǎng)絡(luò)地址 )所建立的，這兩種設(shè)備是具有組網(wǎng)的功能，首先有該類設(shè)備發(fā)出組網(wǎng)幀后，其他節(jié)點(diǎn)收到該幀之后才發(fā)出請(qǐng)求發(fā)送幀，來得到自己的地址；最后以形成一個(gè)星型網(wǎng)絡(luò)。 圖 樹型結(jié)構(gòu) 樹型結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是成本較低、覆蓋范圍較大，缺點(diǎn)是動(dòng)態(tài)環(huán)境適應(yīng)性差，同時(shí)若任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)的中斷和鼓掌將會(huì)導(dǎo)致部分節(jié)點(diǎn)脫離網(wǎng)絡(luò)。 本章小 結(jié) 本章主要介紹了無線通信技術(shù)的基本知識(shí)，其最為重要的就是通信過程中信號(hào)的流向，這對(duì)我們理解通信系統(tǒng)的工作原理有很大的幫助。熊川：基于 A7102C 的短距離無線通信網(wǎng)設(shè)計(jì) 12 第 3 章 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 系統(tǒng)整體架構(gòu) 一個(gè)完整的系統(tǒng)不僅包括硬件資源，同樣也包括軟件資源，并相輔相成、缺一不可。 一個(gè)完整的無線網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)，必須有無線收發(fā)模塊，本文設(shè)計(jì)采用臺(tái)灣笙科公司的 A7102C 無線 IC 芯片，該芯片可以工作在 ISM 頻段的 433M 等多個(gè)頻段，設(shè)計(jì)中采用的是 433M 單信道的方式，整 個(gè)通信也是一個(gè)半雙工的通信方式；其次，終端節(jié)點(diǎn)還必須有微處理器，用于 控制 無線模塊的工作方式，另外一個(gè)很重要的就是協(xié)議的處理，設(shè)計(jì)中協(xié)議部分完全采用軟件的方式實(shí)現(xiàn) ，設(shè)計(jì)中采用的 AT89C52 單片機(jī)，利用 單片機(jī)的普通 I/O 口模擬無線模塊的讀寫時(shí)序來與其協(xié)調(diào)。通信 方式為半雙工方式，不能同時(shí)進(jìn)行收發(fā)操作，實(shí)際工作頻率采用其中的一個(gè)頻段，所以為單信道的通信線路，實(shí)際中需配以必要的外圍電路，包括濾波電路和晶振等。 模塊編程與收發(fā)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換 A7102C 芯片提供了 16 個(gè) 16 位控制寄存器來設(shè)置其工作方式，寄存器地址為 8位；每一控制寄存器的 16 位數(shù)據(jù)不是全部有效，有一部分是沒有用到， 且有些寄存器的讀寫操作代表著不同的意思，有些寄存器只能進(jìn)行寫操作； 整個(gè)無線收發(fā)模塊的工作方式選擇 是通過微處理器對(duì)其進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。 式 () 式 () 式 () 表 系統(tǒng)時(shí)鐘寄存器 (2) 鎖相環(huán)寄存器 1(PLL1)： 設(shè)置 RF 參考計(jì)數(shù)器 (式 )。 式 () 式 () 2020 屆電子信息工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 表 鎖相環(huán)寄存器 1 表 鎖相環(huán)寄存器 2 (4) 代碼寄存器 (Code)： 設(shè)置數(shù)據(jù)的加 密和校驗(yàn)等功能 ； WS[6： 0]為數(shù)據(jù)加密種子； MCS 為 Manchester編碼的選擇位，為高時(shí)是編碼使能，為低時(shí)編碼無效； CRCS 為 CRC 校驗(yàn)位，高時(shí)是校驗(yàn)使能，低時(shí)是校驗(yàn)無效； IDL 為模塊 ID 位，為高時(shí)是 4 字節(jié) ID，為低時(shí)是 2字節(jié) ID。 表 引腳控制寄存器 (6) 模式寄存器 (Code)：設(shè)置模塊的工作方式； FMT 為 FIFO 模式測(cè)試位，為高時(shí)是 測(cè)試模式，為低時(shí)是正常模式； FMS 為模式選擇位，為高時(shí)是 FIFO 模式，為低時(shí)是直接模式； CER 為芯片使能位，為高時(shí)芯片使能； TRSR 和 TRER 為寄存器模式下的發(fā)送和接收控制位。模塊的工作方式為 16 字節(jié) FIFO4 線 模式 (SCS， SCK， SDIO， IRQ)， 4 字節(jié) ID， 開啟 Manchester編碼，開啟硬件 CRC 校驗(yàn)， 開啟 FSK 調(diào)制解調(diào)， 寄存器控制收發(fā)。模塊與 AT89C52 的接口電路如圖 所示。同時(shí)在接口提供一復(fù)位引腳，可進(jìn)行軟件復(fù)位操作或硬件復(fù)位控制。 (4) 漢字、 ASCII 碼、點(diǎn)陣圖形和變化曲線的同屏顯示。 模塊顯示方式的軟件編程 模塊提供了 23 個(gè)顯示方式的操作命令， 只需要操作命令之后的參數(shù)，就可以使模塊正確顯示數(shù)據(jù)。 (3) 光標(biāo)處顯示中文和 8*16ASCII 混合字符串： 0xED(表 ) 表 混合字 符串顯示指令 該指令的長短由 顯示的內(nèi)容決定，但是如果顯示的內(nèi)容超過模塊當(dāng)中的一行，也既是列坐標(biāo)超過 127 之后，模塊會(huì)自動(dòng)跳到下一個(gè)字符顯示的位置繼續(xù)顯示，這在實(shí)際當(dāng)中使用需注意與其他顯示的字符重疊 情況 ，導(dǎo)致顯示錯(cuò)誤。 模塊與 AT89C52的接口電路 由于 液晶 顯示模塊采用 REQ/BUSY 握手的通訊方式，所以 單 片機(jī) 只需要控制模塊的這兩個(gè)引腳，然后操作數(shù)據(jù)線完成對(duì)模塊的顯示操作，當(dāng) REQ 信號(hào)無效時(shí)，數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)不會(huì)影響其顯示的方式和內(nèi)容，這 樣可以利于其他需要使用該數(shù)據(jù)口的外部設(shè)備對(duì)其讀寫數(shù)據(jù)?？梢哉f，微處理器是進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的中心，是控制流程的中心，是電路結(jié)構(gòu)的“心臟”。單片機(jī)簡單外圍電路如圖 所示。其中較為詳細(xì)的介紹了各模塊的各項(xiàng)參數(shù)，編程中需要詳細(xì)了解的一些指令或者寄存器等。 圖 協(xié)議層次結(jié)構(gòu) 最底層為物理層，由無線模塊 A7102C 實(shí)現(xiàn)，硬件完成電信號(hào)的轉(zhuǎn)換、編碼和調(diào)制解調(diào)等，軟件完成數(shù)據(jù)包的發(fā)送、接受和簡單的處理。 應(yīng)用層 為協(xié)議的最高層，主要是最后數(shù)據(jù) 應(yīng)用 處理； 實(shí)際數(shù)據(jù)送往鏈路層，經(jīng)過物理層傳送到網(wǎng)絡(luò)中。 圖 通信方式 收發(fā)雙方采用四次握手的通信過程，并且從設(shè)備發(fā)出的第一個(gè)數(shù)據(jù)包在協(xié)議設(shè)計(jì)中有抑制其他從設(shè)備向網(wǎng)絡(luò)中發(fā)出數(shù)據(jù)包的作用。其他的從設(shè)備在收到該設(shè)備發(fā)出的請(qǐng)求發(fā)送信息之后，會(huì)將信道標(biāo)志位置為忙狀態(tài)，利用這個(gè)標(biāo)志位就可以控制其發(fā)送數(shù)據(jù)包的過程，從而達(dá)到降低信道沖突的可能性。上層數(shù)據(jù)的通信都是通過網(wǎng)絡(luò)地址來實(shí)現(xiàn)，下層數(shù)據(jù)的通信都是通過 MAC 地址來實(shí)現(xiàn)，協(xié)議中有兩個(gè)數(shù)據(jù)表，一是存放轉(zhuǎn)發(fā)的網(wǎng)絡(luò)地址信息，二是存放 MAC 地址信息。 表 16 字節(jié) 幀結(jié)構(gòu) 目的 MAC 地址：目的設(shè)備的 MAC 地址，由幀結(jié)構(gòu)當(dāng)中的目的網(wǎng)絡(luò)地址或者轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)地址確定，此地址是唯一的。本協(xié)議中，主信息中心的網(wǎng)絡(luò)地址默認(rèn)為 0x00，廣播地址為 0xFF,從設(shè)備默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)地址為 0xFF。 幀類型：數(shù)據(jù)幀的控制信息，主要涉及兩部分的控制信息，組網(wǎng)和數(shù)據(jù)傳送過程中的控制信息，具體請(qǐng)參照下一節(jié)。協(xié)議中涉及到熊川：基于 A7102C 的短距離無線通信網(wǎng)設(shè)計(jì) 24 MAC 表和轉(zhuǎn)發(fā)表，幀結(jié)構(gòu)當(dāng)中的地址信息就是通過查詢這兩個(gè)數(shù)據(jù)表格來實(shí)現(xiàn)。實(shí)際編程中，兩個(gè)數(shù)據(jù)表都是通過二維數(shù)組來實(shí)現(xiàn)。 請(qǐng)求發(fā)送幀 (0x00)：每一通信過程的建立是由此幀發(fā)起的，優(yōu)先獲得信道資源的從設(shè)備，優(yōu)先發(fā)送此幀，處于接收狀態(tài)的其他從設(shè)備，根據(jù)此幀會(huì)設(shè)置信道狀態(tài)，從而控制其發(fā)送狀態(tài)。 地址應(yīng)答幀 (0x03)： 此幀是由網(wǎng)絡(luò)主設(shè)備發(fā)出，前提是在收到從設(shè)備發(fā)出的地址請(qǐng)求幀之后，主設(shè)備作出的應(yīng)答。當(dāng)從設(shè)備處于全功能設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)時(shí)，數(shù)據(jù)的傳送是靠從設(shè)備的父節(jié)點(diǎn)設(shè)備來 實(shí)現(xiàn)中轉(zhuǎn)的。 復(fù)位信道幀 (0x10)：告訴網(wǎng)絡(luò)中其他從設(shè)備上一次的通信已經(jīng)完成，信道進(jìn)入閑狀態(tài)，其他從設(shè)備收到該幀之后，改變其信道狀態(tài)位，從而可以進(jìn)行后續(xù)的發(fā)送操作。 網(wǎng)絡(luò)號(hào)請(qǐng)求幀 (0x30)：此幀由全功能設(shè)備發(fā)出，通信的目的地是網(wǎng)絡(luò)信息中心，目的是避免網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)相同的網(wǎng)絡(luò)號(hào)，對(duì) MAC 表和轉(zhuǎn)發(fā)表的內(nèi)容造成矛盾。鏈路層處理依賴于上層應(yīng)用層，依賴于下層物理層，本協(xié)議的重點(diǎn)是對(duì)鏈路層及以下的處理，所以下面詳細(xì)介紹鏈路層針對(duì)下層的處理過程。整個(gè)發(fā)送熊川：基于 A7102C 的短距離無線通信網(wǎng)設(shè)計(jì) 26 過程需要載波偵聽和退避的支持，協(xié)議規(guī)定網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí) ，先偵聽信道，如果信道為忙，就隨機(jī)退避一段時(shí)間之后 (為接收周期的整數(shù)倍 )，再進(jìn)行信道偵聽，查詢信道的情況，如果繼續(xù)為忙，則循環(huán)退避和查詢，直到將數(shù)據(jù)發(fā)送出去，如果偵聽信道 5 次，信道仍為忙就退出發(fā)送過程，等待下一次的發(fā)送過程。EX1=0。 carrier_flag=csma()。tx_buff)。 } } 2020 屆電子信息工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 27 接收流程： 按照前面的介紹，采用 A7102C 的 硬件 CRC 校驗(yàn)，所以無線模塊接收到數(shù)據(jù)包之后，第一項(xiàng) 工作就是判斷該數(shù)據(jù)包的正確性，讀取 A7102C 的模式 寄存器，如果CRC 位為低，則表示 CRC 校驗(yàn)正確，反之則表示發(fā)送過程產(chǎn)生錯(cuò)誤。 圖 從設(shè)備接收 流 程 (目的 MAC 不匹配 ) 熊川：基于 A7102C 的短距離無線通信網(wǎng)設(shè)計(jì) 28 對(duì)于從設(shè)備的接收過程，一方面獲得組網(wǎng)信息，另一方面獲得信道狀態(tài)。 圖 主設(shè)備后臺(tái)接收 流 程 void receiveInt() interrupt 2 { uchar temp1。 //寫入接收緩存 A7102_Register_Write(Reg_ModeControl,0x00d0)。 receive_flag=1。 圖 從設(shè)備后臺(tái)接收流程 從設(shè)備的接收后臺(tái)處理同樣根據(jù)接收標(biāo)志位。由于采用四次握手方式，每一次具體請(qǐng)求都有請(qǐng)求發(fā)送幀和響應(yīng)發(fā)送幀的通信過程，完成之后，才會(huì)進(jìn)一步的通信完成具體的請(qǐng)求操作。 A7102_Register_Read(Reg_ModeControl))8。 A7102_Fifo_Read(amp。 接收函數(shù)實(shí)際編程如下： 以上操作只是針對(duì)于中斷接收的處理，還需要進(jìn)一步的處理才能完成整個(gè)接收過程，因?yàn)楸疚膶?shí)際編程實(shí)現(xiàn)采用了前后臺(tái)操作的思想，以上中斷接收過程就相當(dāng)于一個(gè)前臺(tái)的處理，根據(jù)響應(yīng)的信息置響應(yīng)的標(biāo)志位，然后退出中斷之后，主函數(shù)就根據(jù)相應(yīng) 的標(biāo)志類型位來作進(jìn)一步 處理，也就是后 臺(tái)的處理。主設(shè)備接收流程如圖 所示。 //開啟發(fā)送 while(iSPI_IRQ)。 if(i==5)break。 carrier_flag=csma()。發(fā)送流程如圖 所示。 發(fā)送和接收流程 無線模塊的各項(xiàng)參數(shù)和工作方式在上電之后，由微處理器進(jìn)行協(xié)調(diào)和控制；由于本文軟件方案采用前后臺(tái)系統(tǒng)的思想，所以微處理器基本都是通過判斷各標(biāo)志位來判斷進(jìn)行何種操作；發(fā)送和接收過程也是采用標(biāo)志位的方式來獲得微處理的執(zhí)行操作。 鏈路層工作流程 本文 主要針對(duì)數(shù)據(jù)速率較小，且 多用于數(shù)據(jù)采集的系統(tǒng)，大部分的節(jié)點(diǎn)都需要將該節(jié)點(diǎn)采集到 的 數(shù)據(jù)傳送網(wǎng)絡(luò) 信息中心進(jìn)行處理。此幀還包含一些重要的信息，從設(shè)備可以根據(jù)該幀，確定父節(jié)點(diǎn)的相關(guān)信息，包括 MAC 地址和網(wǎng)絡(luò)地址，同時(shí)將該信息寫入對(duì)應(yīng)的信息列表；另外還可以判斷該從設(shè)備是直接與網(wǎng)絡(luò)信息中心通信還是間接的通信。 數(shù)據(jù)應(yīng)答幀 (0x05)：此幀為網(wǎng)絡(luò)信息中心發(fā)出，全功能設(shè)備在處理數(shù)據(jù)傳送時(shí)，2020 屆電子信息工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 25 只能是作為中轉(zhuǎn)的功能。 數(shù)據(jù)幀 (0x04)：此幀是由從設(shè)備發(fā)出的，主要是應(yīng)用層下來的數(shù)據(jù)，需要傳送給網(wǎng)絡(luò)信息中心，也是主要用于數(shù)據(jù)的傳送過程。 地址請(qǐng)求幀 (0x02)：此幀是又從設(shè)備發(fā)出的，從設(shè)備在沒有有效網(wǎng)絡(luò)地址之前，會(huì)定時(shí)向網(wǎng)絡(luò)主設(shè)備此數(shù)據(jù)幀，以獲得一個(gè)有效地址。本協(xié)議主要是涉及兩個(gè)過程，組網(wǎng)和數(shù)據(jù)傳送過程，所以控制信息的編碼定義主要對(duì)應(yīng)于這兩個(gè)過程。對(duì)于 MAC 表，每一條信息包含兩個(gè)數(shù)據(jù)，第一個(gè)數(shù)據(jù)為網(wǎng)絡(luò)地址，第二個(gè)數(shù)據(jù)為網(wǎng)絡(luò)地址對(duì)應(yīng)的 MAC 地址，初始化有一條信息 (0xFF,0xFF)，此信息是在組網(wǎng)過程中需要用到的，因?yàn)樵诮M網(wǎng)過程中，從設(shè)備是利用廣播地址 (0xFF)來處理該 過程。 數(shù)據(jù)長度：指示數(shù)據(jù)幀所攜帶的數(shù)據(jù)信息長度，一個(gè)數(shù)據(jù)幀最大能攜帶 8 個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)信息，所以此值不能超過 8。協(xié)議中采用的查詢轉(zhuǎn)發(fā)表來獲得該地址，而該地址信息是在之前的組網(wǎng)過程中就已經(jīng)將其寫入轉(zhuǎn)