摘要 利用AT89LV52單片機作控制器，實現(xiàn)基于RFWaves公司的射頻芯片RFW122-M的短距離無線數(shù)據通信系統(tǒng);分析射頻芯片RFW122-M及其與單片機的接口芯片RFW-D100的特點；給出系統(tǒng)的硬件原理框圖及軟件流程圖。對應用于該裝置的無線數(shù)據傳輸協(xié)議CSMA進行分析，并且在對固件的編程配置中加以實現(xiàn)。
關鍵詞 無線數(shù)據通信系統(tǒng) RFW122-M RFW-D100 AT89LV52 CSMA協(xié)議
目前, 短程射頻通信技術是一種熱門技術, 已廣泛應用于實際中, 主要有無線局域網(WLAN )、個人區(qū)域網絡(PAN) 及無線短距離消費類產品(如中低速數(shù)據傳輸應用, 有效范圍在30 m以內)。該通信技術的標準有IEEE802.11a、Hiperlan2、藍牙（IEEE802.15.1）、 HomeRF及IEEE802.11b（WIFI）等。支持這些標準的器件一般功耗都比較高，結構復雜，價格較高, 因而不適合低端產品。RFWaves 公司針對現(xiàn)有市場發(fā)展推出的面向低端的用于短距離無線通信的射頻通信芯片組RFW122-M，符合美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）的技術規(guī)范。
本系統(tǒng)利用射頻芯片RFW122-M及其與MCU的接口芯片RFW-D100，在單片機AT89LV52的控制下，實現(xiàn)了短距離的無線數(shù)據通信。
1 射頻芯片RFW122-M及其接口芯片RFW-D100
RFW122-M無線收發(fā)芯片是一種半雙工、使用直接序列擴頻（DSSS）技術的無線收發(fā)兩用集成電路，工作中心頻率為2.44 GHz（ISM頻段），采用ASK調制方式，工作電壓為2.4～3.6 V。在空閑狀態(tài)下，幾乎不消耗功率（0.1 μA @ VCC=3 V）。RFW122-M可以外接一個200 Ω的差分阻抗天線（印制版天線）或帶有匹配電路的其他天線，在誤碼率為10-3的條件下，接收靈敏度為-77 dBm。該模塊有3根數(shù)據控制線，且其數(shù)據I/O口是一個串行的數(shù)字接口。它的喚醒時間為20 μs,同步時間是1.2 μs。最高數(shù)據傳輸速率為1 Mbps，此時工作電流為33 mA。
為了降低MCU實時處理MAC協(xié)議的要求，RFW122-M芯片組提供了RFW122-M與MCU之間的接口芯片RFW-D100。該芯片在MCU和RFW122-M之間提供了一個并行接口；同時提供了對CSMA協(xié)議的支持。RFW-D100采用了兩種技術來獲得比較好的載波偵聽的能力： 一種是RSSI(射頻信號強度檢測)，能檢測到任何強度的無線傳輸，避免沖突；另一種是使用RFWaves 網絡的載波偵聽算法。采用這種技術可以避免與本網絡內的或其他網絡的RFWaves站點發(fā)生沖突。
（1） RSSI(射頻信號強度檢測)
RSSI機制用來比較某個非RFWaves站點傳輸?shù)墓β食^了一個確定的門限（用一個外部的電阻來設置這個數(shù)值，RFW-D100給出了該門限的參考電壓和計算公式），比較的結果放在寄存器SSR[7]-COMP_IN中。當MCU內有數(shù)據傳輸時，就去讀取該寄存器，根據寄存器的狀態(tài)確定信道是否處于被占用的狀態(tài)，從而確定數(shù)據是否被傳輸。
（2） 內部/外部RFWaves網絡的載波監(jiān)聽的算法
該機制主要用來監(jiān)測相似的RFWaves網絡。RFWD100利用載波偵聽算法監(jiān)聽是否有外部相似的RFWaves網絡正在傳輸數(shù)據。如果外部的RFWaves網絡正在進行數(shù)據的傳輸，則內部的標志位將被置1，表示信道處于被占用的狀態(tài)；如果信道由被占用的狀態(tài)轉為空閑的狀態(tài)，將產生一個中斷來通知MCU，此時MCU可以進行數(shù)據的傳輸。
2 硬件設計
系統(tǒng)的微處理器采用Atmel公司的AT89LV52。它是一款基于51系列的低功耗微處理器，支持匯編和C語言，開發(fā)環(huán)境采用Keil公司 Keil C51（51單片機的匯編和C語言的開發(fā)工具）；支持匯編、C語言以及混合編程，同時具備功能強大的軟件仿真和硬件仿真。系統(tǒng)包含兩個半雙工的通信終端，來自高層的數(shù)據由串口發(fā)往MCU，MCU再將數(shù)據發(fā)往RFW-D100。RFW-D100將數(shù)據打包以后送往RFW122-M進行調制，再通過天線發(fā)送出去。系統(tǒng)框圖如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)框圖
MCU與RFW122-M及RFW-D100的連接關系如圖2所示。
圖2 MCU與RFW122-M及RFW-D100的連接關系
3 通信協(xié)議及軟件流程
系統(tǒng)所采用的數(shù)據鏈路層的協(xié)議是載波偵聽多路訪問協(xié)議（CSMA）。局域網一般采用共同介質的方法，為此當多個站點要同時訪問介質時，就要進行控制。CSMA就是常用的一種方式。當網中站臺要發(fā)送數(shù)據時，先檢測是否有別的站臺占用了傳輸媒體。具體做法是：先進行載波偵聽，如果發(fā)現(xiàn)介質（媒體）空閑，則立刻發(fā)送數(shù)據；否則，就根據不同的策略退避重發(fā)。
由于該系統(tǒng)工作在2.44 GHz的ISM頻段，該頻段存在較大干擾，所以設計數(shù)據包結構時最重要的原則是，以盡量短的時間占用信道，以降低潛在沖突的概率。在傳輸中，包重疊的概率是與每個發(fā)送節(jié)點占用共享信道的時間成正比的。因此，若以高比特率傳輸數(shù)據包， 會提高數(shù)據被正確接收的概率。RFW-D100最高的空中數(shù)據傳輸速率為1 Mbps，它可以被配置為各種傳輸速率。在RFW-D100的數(shù)據手冊中，降低數(shù)據速率并不能降低誤碼率，因此為了縮短數(shù)據包在空中傳輸?shù)臅r間，降低數(shù)據碰撞的概率，在協(xié)議中建議以最高的速率傳輸數(shù)據。若把數(shù)據分成小包，則每個小包被正確接收的概率又會增加。這樣，當干擾出現(xiàn)時，只有一小部分會丟失，而且協(xié)議有能力來定位在特定包中損壞的數(shù)據。因此可以得出這樣的結論：以高的數(shù)據速率發(fā)送短的數(shù)據包，將增強協(xié)議處理損壞數(shù)據的能力。
3.1 數(shù)據包格式
數(shù)據包格式如圖3所示。
圖3 數(shù)據包格式
① PREAMBLE：RFWD100 發(fā)送PREAMBLE 的目的是使接收機和發(fā)送機同步。20 位長，高4位為1111，其他16位可以配置。發(fā)送順序為從高到低。
② NET_FIRST：1字節(jié)，網絡地址字節(jié)。
?、?nbsp; NET_SEC：1字節(jié)，網絡地址字節(jié)。
?、?nbsp; DST_ID：1字節(jié)，數(shù)據包所發(fā)往的目的節(jié)點地址。
⑤ SRC_ID：1字節(jié)，發(fā)數(shù)據包的源站地址。
?、?nbsp; SEQUENCE：1字節(jié)。這個段包括兩個值：高4位表示數(shù)據序號，低4位表示數(shù)據包的類型。低4位代表的含義：0000b為握手數(shù)據包， 0001b為握手應答包，0010b為數(shù)據包，0011b為數(shù)據包的應答包，0100b為拆鏈包，0101b為拆鏈的響應包。
?、?nbsp; SIZE：1字節(jié)。這個段說明包的大小。當設定數(shù)據包為固定大小時，SIZE沒有意義。
?、?nbsp; PAYLOAD：1字節(jié)。來自上層軟件層的數(shù)據。
⑨ CRC：1字節(jié)。RFWD100 在發(fā)送端給每個包增加CRC 信息，使得接收機對接收的數(shù)據進行檢測。
在本系統(tǒng)的協(xié)議設計過程中，采用小數(shù)據包的傳輸模式，從串口中收到的數(shù)據個數(shù)（以字節(jié)為單位）等于10時，將這些數(shù)據打包發(fā)送出去。如果收到的數(shù)據個數(shù)小于10， 并且串口數(shù)據的發(fā)送已經結束， 則系統(tǒng)也將這些數(shù)據打包并發(fā)送出去。
3.2 系統(tǒng)狀態(tài)轉移圖
系統(tǒng)的狀態(tài)轉移如圖4所示，包含4個狀態(tài)，分別是空閑態(tài)、握手態(tài)、傳輸態(tài)和接收態(tài)。
圖4 系統(tǒng)狀態(tài)轉移圖
空閑態(tài)：如果沒有串口中斷或外部的握手信號中斷，則系統(tǒng)將一直處于空閑狀態(tài)。
握手態(tài)：如果串口中斷發(fā)生，則表明有上層的數(shù)據包需要傳輸，系統(tǒng)進入握手的狀態(tài)。
傳輸態(tài)：系統(tǒng)把從串口收到的數(shù)據通過無線信道發(fā)送出去。
接收態(tài)：系統(tǒng)處理接收到的數(shù)據包，發(fā)往串口，并對從串口到來的數(shù)據包做丟棄處理。
3.3 4個狀態(tài)的處理流程
系統(tǒng)4個狀態(tài)的處理流程如圖5~圖8所示。
圖5 空閑態(tài)流程
圖6 握手態(tài)流程
圖7 發(fā)送態(tài)流程
圖8 接收態(tài)流程
系統(tǒng)接收串口數(shù)據的緩沖池的大小為15字節(jié)。
圖6中各個標志位的意義如下：
New_flag串口中有新數(shù)據到來（串口中有數(shù)據到來，將New_flag置1，在串口中斷中設置此標志位）。
Checkact_suc_flag收到握手應答包的標志。收到握手應答數(shù)據包后將此標志位置1。
Tx_size系統(tǒng)接收到的來自串口的字節(jié)個數(shù)。
Tx_end_flag串口中的數(shù)據發(fā)送完畢。由定時器1控制，定時一段時間。如果在這段時間內沒有新的數(shù)據到來，則認為串口數(shù)據的這次發(fā)送完畢。每次收到新的串口數(shù)據時重置定時器，定時的時間大于1字節(jié)數(shù)據傳輸?shù)臅r間。
Checkact _send_flag由定時器0控制，在定時的時間內如果沒有收到握手應答包，則定時器0溢出，Checkact _send_flag被置1，重發(fā)握手包。
圖7中各個標志位的意義如下：
New_flag串口中有新的數(shù)據到來。若串口有數(shù)據到來，則將New_flag置1，在串口中斷中設置此標志位。
Pk_sended_nack一個數(shù)據包已經發(fā)送出去但還沒有收到確認包時將此位置1，為0時表示系統(tǒng)可以發(fā)送數(shù)據包。
Ack_flag為1表示發(fā)出的數(shù)據包收到了確認。
Tx_end_flag從串口發(fā)來的數(shù)據已經停止了發(fā)送。
Exceed_timing_flag在發(fā)送完每一個數(shù)據包的同時打開定時器0，從定時器0打開到定時器0溢出的這段時間內，如果沒有收到確認包，則認為數(shù)據包發(fā)送失敗，將Exceed_timing_flag置1；如果在這段時間內收到確認的數(shù)據包，則將定時器0關閉。
Tx_size系統(tǒng)接收到的來自串口的字節(jié)個數(shù)。
圖8中各個標志位的意義如下：
Lock_flag本節(jié)點收到了其他節(jié)點發(fā)來的數(shù)據包。
Tx_to_s_flag在接收狀態(tài)，如果MCU中的緩沖區(qū)內仍有數(shù)據，且Tx_to_s_flag=1，則可向串口發(fā)送1字節(jié)數(shù)據。當MCU的TI中斷發(fā)生時，將此標志位置1。
4 接口芯片RFW_D100的固件編程
對RFWD100進行固件的編程是通過對RFWD100內的特殊功能寄存器的編程實現(xiàn)的。
SCR2=0x1c配置前的操作；
BLR=0x06配置數(shù)據的空中碼速為1 Mbps；
PPR=0xca配置數(shù)據包的格式；
LCR=0x45配置數(shù)據包特殊字節(jié)的位置；
NIR=0xbb網絡識別地址；
BIR=0xee節(jié)點識別地址；
SCR1=0x20打開RSSI；
SCR3=0x03
SCR4=0x03
IER=0x13中斷使能；
SCR2=0x02系統(tǒng)處于數(shù)據包的搜索狀態(tài)。
結語
本設計以射頻芯片RFW122M及其接口芯片RFED100為核心，采用單片機AT89LV52作微處理器，實現(xiàn)了一個短距離無線數(shù)據傳輸系統(tǒng)。今后的工作是完善和改進該協(xié)議，進一步提高無線數(shù)據的傳輸效率。
參考文獻
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