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基于信息支持设备的通信系统的设计
作者：RFID世界网 收编
来源：网络
日期：2010-06-18 08:53:19
摘要：ZigBee是一种新型的近距离无线通信技术，以2．4 GHz为主要频段，采用扩频技术。该技术具有低速率、低功耗、低成本、自配置和灵活的网络拓扑等特点。便携式信息支持设备以其体积小、携带方便、计算速度快、高智能化等优点广泛应用于各类设备的技术保障部分，并从原有的单一电子手册功能逐渐向多功能综合方向发展。
1 引言
ZigBee是一种新型的近距离无线通信技术，以2．4 GHz为主要频段，采用扩频技术。该技术具有低速率、低功耗、低成本、自配置和灵活的网络拓扑等特点。便携式信息支持设备以其体积小、携带方便、计算速度快、高智能化等优点广泛应用于各类设备的技术保障部分，并从原有的单一电子手册功能逐渐向多功能综合方向发展。但信息支持设备通信能力有限，重新开发新功能模块成本高，效率低，并且现有装备已有很多通信手段，如果充分利用这些通信手段，将大大提高信息支持设备的通信能力。便携式信息支持设备通过特制的通信适配器，利用ZigBee技术组网，与无线数据传输设备、通信控制设备、以太网、数字交换机等构成传输信息网络，从而可扩展信息支持设备的应用范围。
2 通信系统的硬件设计
2．1 信息支持设备
信息支持设备具有在复杂环境下可实现信息采集、处理、传输、显示和查询等功能。其硬件设计部分包括主机和外部扩展功能设备模块，外部带有一个RS232接口，采用模块化设计。通过与信息采集等不同模块组合，信息支持设备可以获得不同信息。
2．2 通信系统的网络拓扑
通信系统的信息传输分为短距离通信、中距离通信和远距离通信。信息支持设备本身具备短距离信息传输能力，短距离信息传输应用ZigBee技术组网，构建成点对点对等拓扑。在该网络中，信息支持设备作为一般设备，只要任意两个信息支持设备彼此都在对方通信距离内就可以直接通信。而中距离通信时，由于信息支持设备和无线数据传输设备、通信控制设备和以太网的接口类型和通信协议不匹配，因此不能直接通信，需通过特制的通信适配器，扩展信息支持设备的信息传输。远距离通信时，信息支持设备则与卫星或配备的CDMA模块构成远程通信网。
2．3 通信适配器设计
在通信系统硬件设计中，其核心是适配器的设计。适配器是用于扩展信息支持设备功能，提高信息支持设备的通用性和灵活性，从而实现信息支持设备扩展标准RS232串行接口、标准以太网接口和2FSK／OPSK二线接口。信息支持设备作为上位机，通信适配器作为下位机。适配器的硬件电路主要由微控制器、存储器、调制解调、RS232标准串行接口、以太网控制和电源等电路构成。该系统硬件结构如图1所示。
通信硬件设计电路是以微控制器为核心，采用带有2个串口的MPC82G516型微控制器，用于控制调制解调器、网口、存储器和外围接口等部分。该器件处理速度快．是普通80C5l的12倍，还具有抗干扰能力强、功耗低等特点。存储器采用IS62C256型8位CMOS静态RAM。适配器利用串口1与上位机连接，实现与上位机信息传输。由于上位机接口信号符合RS232／EIA标准，而下位机微控制器接口信号却符合TTL标准，所以需要EIA—TTL转换。因此这里采用MAX232A，该器件采用5 V电压供电，5线制(TXD、RXD、RTS、CTS和GND信号)通信方式。适配器利用串口2与外部通信设备连接，作为扩展信息传输接口，同样采用MAX232A，5线制通信方式实现信息传输。以太网控制电路采用RTL8019AS，全双工工作，收发速率同时达到lO Mb／s。调制解调器采用主控器件AOY214实现高速数据传输。
微控制器与存储器的硬件电路如图2所示，考虑到MPC82G516微控制器的处理速度快，内嵌64 KB闪存可用于编程或存储数据，因此选用MPC82G516作为电路的控制核心。网口电路如图3所示。在图2、3中，MPC82G516微控制器的ADO、ADl~AD7是地址数据复用总线，ALE引脚用于确定总线上传输的是数据还是地址，I/OREAD、I/OWRITE引脚控制网口和存储器的读写操作。ALE置高时，地址数据复用总线传输地址信息，通过地址锁存器访问存储器的数据和外部程序：ALE置低时，地址数据复用总线传输数据信息。MPC82G516微控制器读取数据时，总线传输地址信息，经地址锁存器锁定地址，然后读取存储器中的数据。
3 通信系统软件设计
3．1 通信过程
通信系统数字化平台包括信息获取、传输模式和通信协议。信息支持设备的配套模块为系统提供各种信息。短距离通信时，信息支持设备遵循IEEE802．15．4协议，利用ZigBee技术组网传输信息。ZigBee协议栈的物理、MAC层作为低速无线局域网技术，即是IEEE802．15．4协议。中距离通信时，信息支持设备中的信息通过适配器，借助于无线数据传输设备、通信控制设备和以太网等信道实现信息远程传输。远距离通信时，可通过卫星或CDMA模块实现。
由于信息支持设备本身和无线数据传输设备、通信控制设备和以太网等的信道都符合安全性要求，因此借助于它们的信道传输信息是安全可靠的。
3．2 适配器软件设计
该通信系统中适配器具有重要作用。适配器软件包括传输协议转换、上位机和下位机的通信程序。传输协议转换是利用软件理论中的编译方法学理论实现的。该传输协议转换过程分为发送，接收、拆包和重新打包等工作状态．这些工作状态可以相互转换。适配器在协议转换时依据编译原理逐层进行，物理层完成驱动和接收，代码层则完成正文代码转换，链路层完成地址、控制、标志和校验段的转换。
下位机软件采用C语言编程，数据格式为：1个起始位、8个数据位和1个停止位，无奇偶校验位。通信双方波特率根据需要可在多个波特率中灵活选择。上位机与适配器信息传输时，首先在适配器的控制界面中选择一种发送方式，诸如串口、网口和二线口等，然后确定通信波特率。发送数据时，首先判断串口是否准备好，然后判断接收缓冲区是否接收到数据，判断接收缓冲区中是否有数据等待读取，当满足条件时，则接收串口数据，完成后则关闭串口。图4为下位机软件流程图。
在编程中，定义适配器与信息支持设备相联的串口为串口1，适配器与其他相联的串口为串口2。当串口l中断时．接收信息支持设备数据，存入不同缓冲区，发送串口l缓冲区数据到信息支持设备。当串口2中断时，接收外部串口数据或调制解调器数据存入串口1发送缓冲区，发送串口2缓冲区数据到外部串口或调制解调器。
4 结语
针对信息支持设备通信能力受限，提出了一种基于信息支持设备的通信系统的设计方案，短中距离通信时利用ZigBee技术组网。设计方案主要应用于低速率通信场合，实际应用中信息支持设备可通过文中特制的通信适配器和无线通信设备、通信控制设备等相连，构成一个通信系统。适配器的软、硬件设计是设计方案中的重点。通信系统的设计有助于扩展信息支持设备的功能，扩大应用范围。
ZigBee是一种新型的近距离无线通信技术，以2．4 GHz为主要频段，采用扩频技术。该技术具有低速率、低功耗、低成本、自配置和灵活的网络拓扑等特点。便携式信息支持设备以其体积小、携带方便、计算速度快、高智能化等优点广泛应用于各类设备的技术保障部分，并从原有的单一电子手册功能逐渐向多功能综合方向发展。但信息支持设备通信能力有限，重新开发新功能模块成本高，效率低，并且现有装备已有很多通信手段，如果充分利用这些通信手段，将大大提高信息支持设备的通信能力。便携式信息支持设备通过特制的通信适配器，利用ZigBee技术组网，与无线数据传输设备、通信控制设备、以太网、数字交换机等构成传输信息网络，从而可扩展信息支持设备的应用范围。
2 通信系统的硬件设计
2．1 信息支持设备
信息支持设备具有在复杂环境下可实现信息采集、处理、传输、显示和查询等功能。其硬件设计部分包括主机和外部扩展功能设备模块，外部带有一个RS232接口，采用模块化设计。通过与信息采集等不同模块组合，信息支持设备可以获得不同信息。
2．2 通信系统的网络拓扑
通信系统的信息传输分为短距离通信、中距离通信和远距离通信。信息支持设备本身具备短距离信息传输能力，短距离信息传输应用ZigBee技术组网，构建成点对点对等拓扑。在该网络中，信息支持设备作为一般设备，只要任意两个信息支持设备彼此都在对方通信距离内就可以直接通信。而中距离通信时，由于信息支持设备和无线数据传输设备、通信控制设备和以太网的接口类型和通信协议不匹配，因此不能直接通信，需通过特制的通信适配器，扩展信息支持设备的信息传输。远距离通信时，信息支持设备则与卫星或配备的CDMA模块构成远程通信网。
2．3 通信适配器设计
在通信系统硬件设计中，其核心是适配器的设计。适配器是用于扩展信息支持设备功能，提高信息支持设备的通用性和灵活性，从而实现信息支持设备扩展标准RS232串行接口、标准以太网接口和2FSK／OPSK二线接口。信息支持设备作为上位机，通信适配器作为下位机。适配器的硬件电路主要由微控制器、存储器、调制解调、RS232标准串行接口、以太网控制和电源等电路构成。该系统硬件结构如图1所示。
通信硬件设计电路是以微控制器为核心，采用带有2个串口的MPC82G516型微控制器，用于控制调制解调器、网口、存储器和外围接口等部分。该器件处理速度快．是普通80C5l的12倍，还具有抗干扰能力强、功耗低等特点。存储器采用IS62C256型8位CMOS静态RAM。适配器利用串口1与上位机连接，实现与上位机信息传输。由于上位机接口信号符合RS232／EIA标准，而下位机微控制器接口信号却符合TTL标准，所以需要EIA—TTL转换。因此这里采用MAX232A，该器件采用5 V电压供电，5线制(TXD、RXD、RTS、CTS和GND信号)通信方式。适配器利用串口2与外部通信设备连接，作为扩展信息传输接口，同样采用MAX232A，5线制通信方式实现信息传输。以太网控制电路采用RTL8019AS，全双工工作，收发速率同时达到lO Mb／s。调制解调器采用主控器件AOY214实现高速数据传输。
微控制器与存储器的硬件电路如图2所示，考虑到MPC82G516微控制器的处理速度快，内嵌64 KB闪存可用于编程或存储数据，因此选用MPC82G516作为电路的控制核心。网口电路如图3所示。在图2、3中，MPC82G516微控制器的ADO、ADl~AD7是地址数据复用总线，ALE引脚用于确定总线上传输的是数据还是地址，I/OREAD、I/OWRITE引脚控制网口和存储器的读写操作。ALE置高时，地址数据复用总线传输地址信息，通过地址锁存器访问存储器的数据和外部程序：ALE置低时，地址数据复用总线传输数据信息。MPC82G516微控制器读取数据时，总线传输地址信息，经地址锁存器锁定地址，然后读取存储器中的数据。
3 通信系统软件设计
3．1 通信过程
通信系统数字化平台包括信息获取、传输模式和通信协议。信息支持设备的配套模块为系统提供各种信息。短距离通信时，信息支持设备遵循IEEE802．15．4协议，利用ZigBee技术组网传输信息。ZigBee协议栈的物理、MAC层作为低速无线局域网技术，即是IEEE802．15．4协议。中距离通信时，信息支持设备中的信息通过适配器，借助于无线数据传输设备、通信控制设备和以太网等信道实现信息远程传输。远距离通信时，可通过卫星或CDMA模块实现。
由于信息支持设备本身和无线数据传输设备、通信控制设备和以太网等的信道都符合安全性要求，因此借助于它们的信道传输信息是安全可靠的。
3．2 适配器软件设计
该通信系统中适配器具有重要作用。适配器软件包括传输协议转换、上位机和下位机的通信程序。传输协议转换是利用软件理论中的编译方法学理论实现的。该传输协议转换过程分为发送，接收、拆包和重新打包等工作状态．这些工作状态可以相互转换。适配器在协议转换时依据编译原理逐层进行，物理层完成驱动和接收，代码层则完成正文代码转换，链路层完成地址、控制、标志和校验段的转换。
下位机软件采用C语言编程，数据格式为：1个起始位、8个数据位和1个停止位，无奇偶校验位。通信双方波特率根据需要可在多个波特率中灵活选择。上位机与适配器信息传输时，首先在适配器的控制界面中选择一种发送方式，诸如串口、网口和二线口等，然后确定通信波特率。发送数据时，首先判断串口是否准备好，然后判断接收缓冲区是否接收到数据，判断接收缓冲区中是否有数据等待读取，当满足条件时，则接收串口数据，完成后则关闭串口。图4为下位机软件流程图。
在编程中，定义适配器与信息支持设备相联的串口为串口1，适配器与其他相联的串口为串口2。当串口l中断时．接收信息支持设备数据，存入不同缓冲区，发送串口l缓冲区数据到信息支持设备。当串口2中断时，接收外部串口数据或调制解调器数据存入串口1发送缓冲区，发送串口2缓冲区数据到外部串口或调制解调器。
4 结语
针对信息支持设备通信能力受限，提出了一种基于信息支持设备的通信系统的设计方案，短中距离通信时利用ZigBee技术组网。设计方案主要应用于低速率通信场合，实际应用中信息支持设备可通过文中特制的通信适配器和无线通信设备、通信控制设备等相连，构成一个通信系统。适配器的软、硬件设计是设计方案中的重点。通信系统的设计有助于扩展信息支持设备的功能，扩大应用范围。
