AIRMAX無線網橋天線調試儀的設計與實現(xiàn)

袁 征1?,羅衛(wèi)兵1,丁娜娜2

(1.武警工程大學信息工程系,陜西西安710086; 2.武警石家莊士官學校網絡管理系,河北石家莊050061)

AIRMAX無線網橋天線調試儀的設計與實現(xiàn)

袁 征1?,羅衛(wèi)兵1,丁娜娜2

(1.武警工程大學信息工程系,陜西西安710086; 2.武警石家莊士官學校網絡管理系,河北石家莊050061)

在對AIRMAX網橋設備調試安裝時,為了快速進行天線波束對準和IP地址聯(lián)通測試,必須要及時準確獲得網橋信號接收強度和信噪比等多種實時參數(shù)。設計了一款簡易而低成本的網橋天線調試儀,使用ENC28J60以太網控制器實現(xiàn)調試儀與網橋的Telnet連接;利用ATMEGA328處理器完成信息的提取與篩選;通過LCD1602液晶顯示屏顯示網橋狀態(tài)參數(shù)。實驗結果表明:本系統(tǒng)的啟動時間小于1 min,每隔2 s對所需參數(shù)進行更新并顯示。達到調試工作對調試儀小型、快速、準確的要求。

網橋;天線調試;液晶顯示

1 引 言

隨著科技的發(fā)展,美國UBNT(Ubiquiti Networks)公司的產品以精美的設計工藝、穩(wěn)定可靠的質量、超強的性能以及超出想象力的價格等特點成為無線網絡設備中的主力軍。AIRMAX系列網橋是美國UBNT公司最新推出的基于802.11 n技術的室外無線產品,室外最遠傳輸距離可達15 km以上,最高吞吐量可達150 Mbit/s以上,是目前世界上體積最小、重量最輕、功能實用、性能穩(wěn)定、最具性價比的室外型無線網橋。該產品進入中國市場以來,在森林防火、數(shù)字化油田、智能電網、無線校園、農村無線寬帶等無線網絡工程中得到了廣泛的使用。為了實現(xiàn)遠距離,高吞吐量的信息傳輸能力,通常將AIRMAX設備安裝至鐵塔或樓頂處,雖然AIRMAX設備具有極強的工作能力,但為了獲得更加優(yōu)化的網絡服務,也需要安裝調試人員對設備進行正確、最優(yōu)化的安裝調試,特別是天線安裝的方向對準問題。AIRMAX設備多采用方向性較強的定向天線,只有在波束以一定的精度相互對準時,信號接收強度最大,雙方才能獲得最優(yōu)化的通信服務。目前,在實際的安裝調試過程中,工程人員都是憑借AIRMAX設備上的4個LCD信號指示燈進行感官手動對準操作,這使得天線指向調整時間過長,而且難以實現(xiàn)精確對準。在條件允許的情況下,可以將設備與PC機通過網口相連,通過網絡設置界面獲得具體RSSI(信號接收強度)值來對天線進行搜索調整,但這種方法需要PC機的支持,不利于工程人員在鐵塔或樓頂處安裝操作。因此,為了保證通信鏈路建立的快速性與可靠性,研究自動化程度高、對準速度快、精度高的AIRMAX設備天線對準儀具有非常重要的意義[1-3]。

2 系統(tǒng)總體結構

系統(tǒng)可分為7個基本模塊:核心控制模塊、信息采集模塊、顯示模塊、數(shù)據存儲模塊、電源模塊、鍵盤模塊以及聲音提示模塊。系統(tǒng)總體結構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設計方案Fig.1 Overall design of the system

控制模塊在硬件上采用基于AVR核心的ATMEGA328單片機,該單片機內置高速存儲器(32 KB的Flash,2.5 KB的SRAM和1 KB的EEPROM),不需要使用專門的外部Flash或ROM固化代碼,具有豐富的I/O端口以及SPI、USART等模塊,通過科學的復用可以滿足應用需要。

信號采集模塊核心為ENC28J60以太網控制器,ENC28J60以太網控制器采用標準的SPI串行接口,只需4條連線即可實現(xiàn)與單片機連接,有利于在小型系統(tǒng)上實現(xiàn)以太網功能。

顯示模塊采用顯示質量高、體積小、重量輕、功耗低的藍色背光LCD1602液晶屏完網橋狀態(tài)信息顯示,藍色背光的高亮度可以降低室外陽光對工程人員的視覺干擾。

讀寫SD卡實現(xiàn)本系統(tǒng)的數(shù)據存儲。SD卡的總線模式可分為兩種:SD總線模式和SPI總線模式。在SD總線模式下,4條數(shù)據線并行傳輸數(shù)據,數(shù)據傳輸速率高,但是傳輸協(xié)議較復雜;而在SPI總線模式下,只有一條數(shù)據傳輸線,數(shù)據傳輸速率較低,但傳輸協(xié)議簡單,易于實現(xiàn)。本系統(tǒng)采用SPI總線模式。

供電模塊采用POE技術,利用現(xiàn)存標準以太網傳輸電纜同時傳送數(shù)據和電功率,使得在確保現(xiàn)有結構化布線安全的同時保證現(xiàn)有網絡設備的正常運作,最大限度地降低成本。

系統(tǒng)還擴展了鍵盤模塊和聲音提示模塊,可通過編程設置鍵盤模塊完成信號記錄與提取、開/關顯示、聲音提示等功能。聲音提示模塊通過蜂鳴器以聽覺感官方式向工程人員提示信號接收強度,信號接收強度低于－75 d B時不發(fā)聲,高于-75 d B時發(fā)生頻率隨著信號接收強度的增大而增大,可保障工程人員在顯示屏顯示狀況不佳的情況下依然獲得信號接收強度參考[4]。

3 網橋狀態(tài)信息的獲取

3.1 ENC28J60模塊及其初始化

AIRMAX無線網橋提供一個以太網端口,因此,在本設計中,信息采集模塊采用ENC28J60以太網控制器,該控制器可通過SPI接口和單片機連接,構成嵌入式以太網通信接口與AIRMAX網橋實現(xiàn)連接,同時結合POE供電方式可以通過一個以太網端口實現(xiàn)對AIRMAX狀態(tài)信息的提取與網橋調試時的供電。

ENC28J60是Microchip Technology(美國微芯科技公司)推出的28引腳獨立以太網控制器,符合IEEE 802.3協(xié)議,內置10 Mb/s以太網物理層器件(PHY)及媒體訪問控制器(MAC),可按業(yè)界標準的以太網協(xié)議可靠地收發(fā)信息包,它既能提供完整的網絡功能,又可以大大簡化設計,使之成為目前市面上最小的嵌入式應用以太網解決方案[5]。ENC28J60工作電壓為3.3 V,但易于集成于5 V系統(tǒng)中,其CS、SCK和SI引腳都可以承受5 V電壓,單片機工作電壓為5 V,經74CHC00D電平轉換器后,即可以SPI方式與ENC28J60直接相連。AIRMAX網橋通過含有以太網變壓器的RJ-45插座HR901170A與ENC28J60相連。

ENC28J60中有3種類型的存儲器:控制寄存器、以太網緩沖器和PHY寄存器。控制寄存器提供主控制器和片內以太網控制器邏輯電路之間的主要接口。寫這些寄存器可控制接口操作,而讀這些寄存器則允許主控制器監(jiān)控這些操作。以太網緩沖器包含供以太網控制器使用的發(fā)送和接收存儲器。該緩沖器大小為8 KB,分成單獨的接收和發(fā)送緩沖空間。主控制器使用SPI接口可以對發(fā)送和接收存儲器的容量和位置進行編程[6-7]。

本設計中,調試儀是作為一個客戶端,與網橋建立Telnet連接后進行數(shù)據收發(fā),因此,首先需要對ENC28J60初始化設置,初始化設置工作主要包括緩沖器的接收和發(fā)送、PHY寄存器、MAC寄存器、過濾器的接收、晶振啟動時間[8]。其次,建立Telnet連接,設置ENC28J60的MAC地址、IP地址,即調試儀的MAC、IP地址,通過調用EthernetClient::connect(IPAddress ip,uint16_t port)函數(shù)與網橋建立連接,其中參數(shù)ip為網橋IP地址,port為端口號,默認為23,流程如圖2所示。

圖2 調試儀與網橋連接流程圖Fig.2 Flow of debugging devices connected to the bridge

3.2 信息的解析

連接成功后,一旦AIRMAX網橋接收到控制器的狀態(tài)請求信息,網橋便會向ENC28J60發(fā)送自身的全部狀態(tài)信息,信息保存在ENC28J60接收緩沖器中,由于ENC28J60沒有處理能力,還需要主控制器對信息進行提取并解析。主控制器需要建立一個字符串來對信息進行保存與處理,處理一次后立即清空字符串以備下一次接收,在2 s的時間內,ATMEGA328可以不需要中斷,完成一次上述操作,大大簡化了系統(tǒng)的軟件設計。本設計中,設定狀態(tài)信息更新周期為2 s,即通過編程使主控制器每隔2 s向網橋發(fā)送一次狀態(tài)請求信息。網橋的操作系統(tǒng)決定了網橋每次向外發(fā)送的狀態(tài)信息大約是200個字節(jié),由于網橋的狀態(tài)信息會不斷變化,所以保存其狀態(tài)信息的字符串長度也會不斷變化。但是每一次發(fā)送的狀態(tài)信息的參數(shù)種類與先后次序都是相同的,都是以IP地址為起始,以接入網橋的站點數(shù)為結束,其中包含了網橋工作時的各種配置信息和狀態(tài)參數(shù),而且不同的參數(shù)信息以“ ”相間隔,網橋狀態(tài)信息結構如表1所示。

在對網橋天線調試時,主要用到RSSI與NOISE(信噪比)等信息,對其余信息保存并顯示會占用系統(tǒng)資源。需要對字符串進行提取,獲得有用信息。由于狀態(tài)信息在控制器中以字符串形式存儲,并且,信息的參數(shù)種類與先后次序都是相同的。所以,只需通過匹配關鍵字“rssi”與“noise”定位所需信息在字符串中的位置即可獲得RSSI與NOISE值。以提取RSSI為例,首先,設置指向字符串位置的指針變量pointer1,通過循環(huán)匹配關鍵字將指針定位到“rssi”中的“i”位置。需要注意的是,定位到“i”時,之前的“rss”也是需要逐一匹配的,這是因為在整個字符串中,會有許多個“i”字節(jié)。指針加1指向“＝”,也可以直接匹配“rssi＝”,隨后輸出指針所指位置的后三位,即“－80”,為網橋當前的RSSI值。

表1 網橋狀態(tài)信息結構Tab.1 Structure of the bridge state information

4 液晶顯示設計

4.1 LCD1602硬件連接

液晶顯示模塊根據顯示器件的顯示方式可分為字段式液晶顯示模塊、點陣字符型液晶顯示模塊、點陣圖形液晶顯示模塊,本設計采用LCD1602完成實時狀態(tài)信息的顯示。LCD1602是專門顯示數(shù)字、字母、符號的點陣式液晶模塊,具有體積小、功耗低、顯示內容豐富、超薄輕巧等優(yōu)點,在微小型儀表和低功耗應用系統(tǒng)中得到廣泛的應用,也是單片機應用設計中最常用的信息顯示器件[9]。LCD1602液晶顯示模塊可以顯示兩行,每行16個字符,采用5 V電源供電,外圍電路配置簡單,一般采用標準的16引腳與單片機連接。BLA:背光源正極,接＋5 V;BLK:背光源負極,接地;VO:液晶顯示偏壓信號,通過電位器W1調節(jié);RS:決定傳輸類型是數(shù)據或命令,1表示數(shù)據,0表示命令;R/W:讀、寫控制,1表示讀, 0表示寫;E:使能端,高電平有效;DB0-DB7:數(shù)據端口。LCD1602與單片機連接如圖3所示。

圖3 LCD1602連接圖Fig.3 LCD1602 connection diagram

4.2 驅動設計

LCD1602內部結構可分成3部分:控制器、驅動器和顯示裝置。控制器一般采用集控制器、驅動器于一體的專用于字符顯示控制驅動的HD44780。本設計中,要使LCD1602顯示當前與存儲器中保存的天線RSSI值,需要考慮的問題是:a.顯示指令的控制;b.顯示字符的產生;c.顯示位置的指定[10]。

對LCD1602的顯示控制主要體現(xiàn)在HD44780指令集的使用上。HD44780共有11條指令,可完成顯示模式設置、顯示開/關及光標設置、數(shù)據指針設置、數(shù)據的讀寫、狀態(tài)的讀出等操作。11條控制指令如表2所示。

HD44780內置了DDRAM(顯示數(shù)據存儲器)、CGROM(字符發(fā)生存儲器)和CGRAM(自定義字符存儲器)。其中CGROM已經存儲了160個不同的點陣字符圖形,這些字符有:阿拉伯數(shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號等,每一個字符都有一個固定的代碼,比如大寫的英文字母“A”的代碼是01000001B(41H),這160個字符已經能滿足本設計中對英文字母和數(shù)字的顯示要求。

LCD1602液晶顯示模塊是慢顯示器件,所以在寫每條指令之前一定要確認狀態(tài)標志位為低電平,否則該指令失效。顯示字符時,要先輸入顯示字符地址,由于寫入顯示地址時要求最高位D7恒定為高電平(見指令表),所以實際寫入的數(shù)據應該是實際地址位＋80 H。例如第二行第一個字符的地址是40H,要使光標定位在第二行第一個字符的位置,不能直接寫入40 H,因為寫入顯示地址時要求最高位D7恒定為高電平,所以實際寫入的數(shù)據應該是01000000B(40H)＋10000000B(80H)。

表2 LCD1602液晶模塊內部的控制器的11條控制指令Tab.2 11 control instruction of controller within LCD1602

解決以上3個問題即可向LCD1602寫入數(shù)據并顯示,(1)通過RS確定是寫數(shù)據還是寫命令,寫命令包括液晶光標的顯示與否,光標的閃爍與否,在什么位置顯示等;(2)設置R/W為寫模式,即低電平;(3)將數(shù)據或命令送達數(shù)據線上; (4)給E一個高脈沖將數(shù)據送入控制器,完成寫操作。

4.3 顯示效果

工程人員可通過顯示的網橋狀態(tài)信息來調整網橋天線指向,使RSSI達到通信系統(tǒng)要求,完成天線調試工作。實物顯示效果如圖4所示。

圖4 調試儀顯示效果圖Fig.4 Debugging instrument display effect chart

5 結 論

本文設計的便攜式網橋天線調試儀,硬件上以ATMEGA328單片機、ENC28J60以太網控制器以及LCD1602液晶顯示屏為核心,軟件設計采用C語言編程,實現(xiàn)了對AIRMAX網橋狀態(tài)信息的可視化顯示與聲音提示。實物測試結果表明,該便攜式對準儀的啟動時間小于1 min,每隔2 s對網橋RSSI與NOISE值提取一次并顯示,工作穩(wěn)定、顯示效果清晰,能夠快速準確的向工程人員提供RSSI參考,提高設備安裝調試效率。

參 考 文 獻:

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Design and implementation of debugging instrument with AIRMAX bridge

YUAN Zheng1?,LUO Wei-bing1,DING Na-na2

(1.Engineering University of PAP,Xi′an 710086,China;2.Internet Management Department, Shijiazhuang Non-Commissioned Officer Academy of PAP,Shijiazhuang 050061,China)

In order to quickly test the antenna beam alignment and Unicom IP address in installing the AIRMAX bridge debugging equipment,the bridge receiving signal strength,the signal-to-noise ratio, and other parameters in real time must be accurately measured.A low cost and simple bridge antenna instrument was designed using an ENC28J60 Ethernet controller to set up bridge Telnet connection to measure these parameters.Additionally,an ATMEGA328 processor was used to carry out information extraction and selection.The bridge parameter statuses were shown on an LCD1602 display.Experimental results show that this system′s start time is less than 1 min,and it extracts and displays the Bridges RSSI and the NOISE value in every 0.5 s,satisfying the requirements of small,rapid and accurate debugging.

bridge;antenna debugging;liquid-crystal display

TP394.1;TH691.9

A

10.3788/YJYXS20153005.0819

1007-2780(2015)05-0819-06

袁征(1991－),男,陜西西安人,碩士研究生,主要從事信息與通信工程領域的研究。E-mail:297181357＠qq.com

羅衛(wèi)兵(1969－),男,湖南益陽人,博士,教授,博士生導師,主要從事通信工程領域的研究。E-mail:luoweibing ＠21cn.com

2015-02-05;

2015-03-07.

粵港關鍵領域重點突破項目(No.2000A10403021)

?通信聯(lián)系人,E-mail:297181357＠qq.com