一種用于教學實驗設備的嵌入式無線Wi—Fi通信模塊設計

郭志強+溫渤嬰

摘 要 針對高校微機繼電保護實驗教學設備，提出一種基于MT7681 Wi-Fi（Wireless Fidelity）系統(tǒng)單芯片的無線通信解決方案，詳細介紹以MT7681芯片為基礎的無線通信模塊的設計，在此基礎上對實驗設備的通信部分進行嵌入式開發(fā)，取代原有的RS232和USB等有線通信方式，最終實現微機繼電保護系統(tǒng)的無線Wi-Fi通信。

關鍵詞 微機保護；實驗設備；Wi-Fi；嵌入式；MT7681；通信模塊

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2017）18-0031-04

Design of Embedded Wireless Wi-Fi Communication Module for

Teaching Experiment Equipment//GUO Zhiqiang， WEN Boying

Abstract Aiming at the experimental teaching equipment of micro-computer relay protection in school ，This paper presents a single chip wireless communication solution based on MT7681Wi-Fi （Wire-

less Fidelity） Single chip system， The design of wireless communi-cation module based on MT7681 chip is introduced in detail. On the

basis of the above， the communication part of the experimental equip-

ment is embedded，replacing the original RS232 and USB cable communication. Finally， the wireless Wi-Fi communication is rea-lized in the microcomputer relay protection system.

Key words microcomputer protection； experimental equipment； Wi-

Fi； embedded； MT7681； communication module

1 引言

實驗學習是學生理解掌握理論知識的重要環(huán)節(jié)。智能實驗設備常需要繁雜接線以傳遞數字信息。在實驗中常用的通信方式有RS232等串口、USB、以太網和光纖等，這些通信方式各有優(yōu)缺點。

RS232接口是一種用于近距離（30～60 m）、慢速度、點對點通信的通信協(xié)議。在RS232中一個信號只用到一條信號線，采取與地電壓參考的方式，因而在長距離傳輸后，發(fā)送端和接收端的電壓有出入，容易造成通信出錯或速度降低[1]。

USB通信距離太短，只有5 m，對傳輸時序要求非常嚴格。雖然USB數據線輸出的D+/D-兩線跟RS485一樣，都是差分信號輸出，但其高速傳輸特性限制了其傳輸距離和傳輸環(huán)境，通信距離長了，就容易導致兩線邊沿時序出現偏差，從而傳輸失敗。另外，USB協(xié)議比較復雜，不是對等協(xié)議，要求所有請求必須由主機發(fā)起，設備只能被動接受控制，設備與設備之間無法直接通信。并且多次實驗反復接線也會造成接線觸點接觸不良、接線斷線等故障，影響實驗的正常進行。

為了克服RS232、USB這兩種有線通信方式在實驗通信中傳輸數據的弊端，本文提出基于聯(lián)發(fā)科MT7681 Wi-Fi（Wireless Fidelity）系統(tǒng)單芯片的無線通信解決方案。在實驗過程中采用Wi-Fi無線通信，不會出現多次連接有線線路時數據傳輸失敗的情況，并且Wi-Fi通信具有組建簡單、無須布線、覆蓋范圍廣等優(yōu)點[2]，比較符合實驗室的操作環(huán)境。

2 Wi-Fi芯片MT7681介紹

MT7681是聯(lián)發(fā)科在2014年6月為智能家庭應用而設計的系統(tǒng)單芯片解決方案，采用40管腳5 mm×5 mm QFN封裝，為現今尺寸最小的支持IEEE 802.11n標準的系統(tǒng)單芯片，可以輕松地為嵌入式設備提供網絡服務[3]。對比其他廠商的Wi-Fi芯片，該芯片具有低功耗、高度整合等特點。主要被運用于家庭自動化、計量、遠程控制、網絡消費設備等領域。

聯(lián)發(fā)科的MT7681是一個高度集成的Wi-Fi片上系統(tǒng)的單芯片，支持802.11b/g/n等IEEE無線局域網通信標準，并為TCP/IP協(xié)議棧的Wi-Fi物理層提供協(xié)議支持，同時支持站（station）點模式（即無線終端）和接入（AP）點模式（即無線接入點）的工作方式，這為作為站點的嵌入式模塊的無線通信提供了網絡基礎。

MT7681還內嵌一個32位RISC（精簡指令集計算機）微處理器，同時提供UART（通用異步收發(fā)傳輸）與SPI（串行外設接口）接口，這為接收和處理串口數據提供了條件。

其他性能特點：工作在2.4 GHz頻率附近，傳輸速率達到2 Mbps；集成了3.3 V電源管理單元、功率放大器、低噪聲放大器、射頻切換器；支持GPIO及PWM（脈寬調制）智能化控制。MT7681芯片的引腳布局如圖1所示。

3 基于MT7681芯片的無線通信模塊硬件設計

由于MT7681芯片本身無線通信的功能以及所要進行嵌入式開發(fā)的設備的特點——含有MAX3232芯片的串行接口電路，因此形成的是串口轉Wi-Fi的模塊。考慮到實驗設備通信過程中要保持時間同步，以及模塊供電的獨立性，故需提供晶振和3.3 V電源部分。再者為了觀察通信的狀態(tài)，通過MT7681的軟件脈寬調制功能，可接LED調光器來顯示Wi-Fi的通信狀態(tài)。故最終形成的模塊組成圖如圖2所示。endprint

由圖2可知，無線模塊主要由電源、天線電路、串口連接電路、閃存連接電路等組成。

Wi-Fi芯片MT7681結合自身的電源管理單元和時鐘接口，分別與芯片外的3.3 V的直流電源和40 MHz的晶振相連接，通過UART接口接受來自外面串口設備的數據，并配合SPI閃存芯片W25X40BV將其轉化成Wi-Fi信號發(fā)送到Wi-Fi無線接口處（網絡中）。模塊主要接口硬件電路設計表述如下。

MT7681與SPI閃存芯片W25X40BV的接口電路（圖3） MT7681可以通過4線SPI總線（FLMOSI、FLMISO、FLCLK、FLCS）設置芯片的工作模式，并實現讀/寫緩存數據，讀/寫狀態(tài)寄存器等。通過MT7681的開發(fā)軟件SecureCRT設置模塊的工作模式為站點，并將配置數據存儲到閃存芯片W25X40BV中。

MT7681的天線電路（圖4） 第一部分射頻輸入/輸出匹配電路（L1、C2、C3、C4）主要用來匹配模塊的輸入輸出阻抗[4]，使其輸入輸出阻抗為50 Ω，完成模塊與天線

（天線的阻值為50 Ω）之間的功率匹配，以使天線的效率盡可能高。緊接著是雙工濾波器（C5、L3、C10、L2、C6），它是一種無源器件，內部包括發(fā)射濾波器和接收濾波器，它們都是帶通濾波器，作用是將接收射頻信號與發(fā)射射頻信號分離，以防止強的發(fā)射信號對接收機造成影響。由于發(fā)射信號總是比接收信號強，而強信號對弱信號有抑制作用，會使接收電路被強信號阻塞，使接收的弱信號被淹沒，引起接收靈敏度下降，因此，接收濾波器就是阻止發(fā)射信號串入接收電平，當然也一并拒收天線接收頻段以外的信號，而發(fā)射濾波器則拒絕接收頻率段的噪聲功率及發(fā)射調制信號。

通信串口接口電路（圖5） 發(fā)送數據時，實驗設備串口數據經過其MAX3232芯片將電平轉換為TTL電平，再通過MT7681無線發(fā)送。接收數據則是發(fā)送數據的逆過程：MT7681

先接收到數據信號，然后MAX3232將TTL電平轉換為串口的標準電平，再向設備的CPU輸入數據。

4 模塊抗干擾

由于實驗設備所處環(huán)境有較強的電磁場干擾，因此需要進行電磁屏蔽。具體方法為：將模塊置于一個鋁質外殼

中，外殼通過RS232接口與下位機外殼連接，實現接地。鋁質外殼相當于一個空心的導體，置于電場中，電力線終止于導體表面，從而有屏蔽電場的作用；鋁質外殼也相當于一個屏蔽罩，在高頻磁場的作用下產生渦流，而渦流的磁場與原磁場方向相反，從而可屏蔽高頻磁場[5]。

5 微機實驗系統(tǒng)與無線通信

實驗系統(tǒng)結構 微機繼電保護實驗系統(tǒng)是學習微機繼電保護硬件原理和各種基本算法的實驗平臺，由監(jiān)控計算機、微機保護實驗儀（以下簡稱實驗儀）、短路電壓電流發(fā)生器（以下簡稱發(fā)生器）組成。實驗系統(tǒng)的結構圖如圖6所示。整個實驗系統(tǒng)的運行過程為：學生通過監(jiān)控計算機設置一電網故障，計算機將這一故障通過建立電力系統(tǒng)的各種故障模型進行仿真計算，將仿真的數字結果通過RS232或USB數據線下傳給發(fā)生器，同時電腦屏幕上會顯示故障的電壓電流波形；發(fā)生器接收到數字信號后通過D/A轉化、低通濾波[6]等步驟，輸出模擬量的電壓電流給實驗儀；實驗儀也就是保護裝置，接收到故障的電壓電流后，保護裝置動作，切斷系統(tǒng)電路，完成保護并通過RS232或USB數據線上傳保護的數據給監(jiān)控計算機[7]。

原有的微機保護系統(tǒng)中發(fā)生器和實驗儀[7]與監(jiān)控計算機之間進行數據通信，都是通過RS232串口線或者USB數據線完成的。通過對系統(tǒng)的下位機（發(fā)生器和實驗儀）進行嵌入式開發(fā)，如前文所述，取代原有系統(tǒng)的有線通信方式（RS232和USB）后，形成的數據通信的過程大致如圖7所示。

無線通信軟件設置 為保證繼電保護中數據傳輸的有效性和可靠性，在監(jiān)控計算機與下位機之間進行嵌入式開發(fā)，將無線通信模塊嵌入下位機中。這時還需要有一系列的約定，就是數據傳輸規(guī)約或通信規(guī)約，它對通信鏈路的控制、通信雙方的應答關系、通信內容的格式、差錯控制方式以及傳輸速率等進行了一系列的約定[1]。

想要弄清楚如何設置上述參數，就必須了解數據在系統(tǒng)中是如何傳播的。圖8所示為數據在無線模塊中的傳輸路徑。

因為最終形成的是無線轉串口的模塊，所以關于模塊軟件設置方面主要是無線Wi-Fi的工作方式和串口設置。

配置IEEE 802.11n工作模式：MT7681支持802.11b/g/n無線通信標準，為通信標準的數據幀格式提供硬件支持[4]。

其MAC層的幀格式為“頭幀+數據幀+校驗幀”，物理層的幀格式為“同步幀+物理層頭幀+MAC幀”，幀頭序列的長度可以通過寄存器的設置來改變。可以采用16位CRC校驗來提高數據傳輸的可靠性。發(fā)送或接收的數據幀被送入RAM中128字節(jié)的緩存區(qū)，進行相應的幀打包和拆包操作。

串口設置：UART波特率，UART數據，UART奇偶校驗位，UART停止位。

除了上述參數配置外，還需配置模塊工作方式和網絡連接的基本參數模塊采用，而這些參數是以AT+指令集方式來呈現的，通過MT7681芯片的開發(fā)軟件平臺經串口輸入到模塊中。以下是模塊作為服務器站點模式時的配置命令的一個實例：

at+netmode=1 //模塊工作模式為站點

at+dhcpc=1 //打開路由DHCP服務器，模塊的IP地址自動獲得

at+remoteip=192.168.11.245 //上位機的IP地址

at+remoteport=8080 //本地端口

at+remotepro=tcp //采用TCP網絡協(xié)議

at+timeout=0 //不延時

at+mode=server //模塊作為服務器使用

at+uart=115200，8，n，1 //串口參數設置

at+uartpacklen=64 //串口數據打包大小，可自行更改

at+uartpacktimeout=10 //串口組幀時間設置

at+reconn=1 //重啟串口服務，收到指令，模塊開始傳輸

至此，模塊數據配置完整，實驗系統(tǒng)可進行無線通信。

6 結束語

本文詳細介紹了嵌入式Wi-Fi模塊實現方法，分析了模塊與微機保護系統(tǒng)在數據通信方面的聯(lián)系。從實際需求出發(fā)，基于上述技術研發(fā)的微機型綜合保護教學實驗裝置已經投入試運行，結果表明，該無線通信設計提高了通信可靠性，簡化了實驗接線過程，能夠滿足繼電保護通信實驗的需要。

參考文獻

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[3]聯(lián)發(fā)科技推出MIPS內核智能家庭SoC方案[DB/OL].http：//www.eeworld.com.cn/IoT/2014/0604/article_672.html.

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[7]帥萌，溫渤嬰.基于DSP的多功能微機保護實驗裝置[J].農村電氣化，2008（8）：31-32.endprint