一種點對多點的無線數傳系統設計

李俊　吳燕　王文娟

【摘 要】針對無線傳輸效果不穩定，采用主從式、消息隊列技術及隨機延時的思想設計了一種點對多點的無線數傳系統。該模塊由STC單片機、射頻芯片ESP和撥碼開關等組成，具有成本低廉，實現簡單等優點。

【關鍵詞】主從式；點對多點；無線傳輸

0 引言

在短距離的通信中，無線技術被普遍看好，無線數據通信的應用領域越來越多：遙控遙測、無線抄表、工業數據采集系統、身份識別等。凡是布線繁雜或不允許布線的場合都希望能通過無線方案來解決。目前主流的幾種短距離無線傳輸有：藍牙技術，無線射頻收發一體型芯片技術，ZigBee技術，射頻識別技術，IrDA技術；其中射頻技術因為功耗低和無方向性等優點而受到青睞。

無線設備間的互連操作隨處可見，其核心問題是設備間通訊[1]。本論文采用主從分布式、消息列隊技術及隨機延時的思想實現點對多點的無線數傳系統設計，提高無線數據傳輸的準確性、實時性和可靠性。

1 系統的基本結構

點對多點的無線數傳系統的結構框圖如圖 1 所示，由一臺主無線模塊和多個從無線模塊構成，可以實現無線數據的雙向傳輸。每個從無線模塊都有獨立的CPU，與主無線模塊的通訊互不影響，不會因某個無線模塊的故障而使整個系統失去控制，不僅能提高系統的可用性，更便于維護。

2 系統的硬件設計

在硬件方面，無線數傳系統的硬件框圖如圖2所示。系統采用目前比較流行的低功耗、抗干擾能力強、誤碼低的射頻收發芯片ESP8266，52單片機最小系統，外部串口，電源模塊，撥碼開關等研制無線數傳模塊。為避免PC機與多外圍設備或外圍設備之間的數據碰撞，采用一主多從模式，并且模塊的接收緩沖具有消息列隊功能，在同時接收兩個及以上模塊數據時，可以自動規避沖突，保證數據傳輸的準確性與可靠性。

2.1 射頻收發芯片ESP8266

如圖3所示，該芯片為低功耗無線芯片，工作電壓為3.3v，由1117提供。其遵循802.11b/g/n無線協議，并自帶完整的TCP/IP協議，即該芯片模塊具有13個信號頻段：2412MHz. 2417MHz. 2422MHz. 2427MHz. 2432MHz. 2437MHz， 2442MHz. 2447MHz. 2452MHz. 2457MHz. 2462MHz. 2467MHz. 2472MHz。可根據環境無線環境自動選擇干擾較小的通信信道。其無線功率可達到+20dBm，自帶50k數據緩存，發射電流小于80ma，待機功耗小于1mW，從待機狀態喚醒時間小于2ms。其通信方式為UART串行接口，波特率為115200，與單片機的串口1相連接，由單片機進行通信配置和數據傳輸。

2.2 單片機最小系統

如圖4所示，單片機芯片為STC15F2K08S2，芯片電源為5v單電源供電，由LM2940提供電源供應，單片機的靜態功耗僅5mW，保證了系統的低功耗設計的可靠性。

模塊在復位電路設計中采用的是施密特觸發復位，單片機上的RESET管腳是觸發輸入管腳，在復位電路設計中，添加了一個干擾濾波電容。只要按下S1，無論單片機處于什么狀態都會啟動片內的喚醒定時器，直到外部動作撤除時振蕩器才重新開始運行。計數到設定值后，片內的電路完成了芯片程序的初始化。在系統剛進入時正常初始化外，一切不正當操作引發的死鎖狀態時，可通過復位鍵使系統重新啟動。本系統采用了較為精簡的阻容復位電路設計，如圖4設計可實現芯片運行過程中的按鍵復位。在按下鍵時，RSTET直接與VCC相互連接，這樣高電平形成復位操作，同時C1電容也給電路放電，松開開按鍵后VCC只對電容充電，充電的過程中R6上仍然會有電流的存在，系統還處于復位中充電結束后，電容就相當于開路電路，RSTET變為低電平，C51單片機芯片正常運作。其中R6的阻值是決定充電時間的設定，阻值越大充電時間就越長。

15F2K08S2采用的是外部晶振，通過調整外部時鐘源來調整整個系統的時鐘，使系統運行速度更快。如圖4所示，在設計中外部晶振的頻率范圍是10MHz～20MHz。本系統使用外部12MHz晶振，這樣在計算時間方面就會很方便，因為一個機器周期為1/12時鐘周期，選用12M晶振的話，一個時鐘周期為12us，那么定時器計一次數就是1us了，電路如圖3-7，C2、C3為旁路電容，電容范圍在20-40pF之間，這里連接的是30pF的電容。系統中用12MHz晶振除了計算方便外海可以使波特率更精確，同時能夠支持15F2K08S2芯片內部PLL功能及ISP功能。

2.3 外部串口

如圖5所示，外部串口為單片機的第二串口，RX為P1.0， TX為 P1.1，該串口在程序初始化配置中進行復用配置，該接口可下接RS232轉RS485接口，拓展為RS485外圍接口，兼容RS485設備。

2.4 電源模塊

在模塊設計上，將會使用到+5V和3.3V的電源來驅動電路。5V的電源電路我們選擇LM2940集成穩壓器，3.3V的電源電路我們選擇L1117低壓差線性調壓器，LM2940集成穩壓器電路如圖4所示，這是一個輸出正5V直流電壓的穩壓電源電路。IC采用集成穩壓器2940，在電路中C4、C5分別為濾波電容，R5為電路負載電阻。D4為電源開關指示燈。當輸出電較大時，2940應配上散熱板。

如圖6所示電路為輸出電壓+5V的穩壓電源及3.3v穩壓電源。5v穩壓電源部分由電源輸入端J1，整流二極管D5，濾波電容C4、C5，防止自激電容C6、C7和一只固定式三端穩壓器（2940）極為簡捷方便地搭成的。

3.3V穩壓電源電路采用的是L1117低壓差線性調壓器，LM1117是一個可調電壓芯片。同時它還可以固定輸出3.3V電壓的，電路前 后各配兩個濾波電容，根據芯片規格書上的要求建議使10uF的電容，根據電容值的增加可以提高回路的穩定性和瞬間響應。因此在電路設計上使用22uF的電容。增加一個小電容是使得電路可以濾掉更加高頻的交流信號，這樣通過一大一小的電容配合來擴大濾波的頻率范圍，使得到的3.3V電壓中摻雜更少的諧波。endprint

2.5 撥碼開關

如圖7所示，撥碼開關為8位撥碼開關，連接在單片機的P2.5，P2.4，P2.3，P2.2，P2.1，P2.0，P3.7，P3.6接口與GND之間，在系統中的功能為手動設置客戶端ID，其編碼方式為二進制編碼方式，可設置256個客戶端ID。

2.6 存儲電路

如圖8所示，其A0，A1，A2全部接地，其WP腳也接地。由于芯片內部無上拉電阻，故將7，8兩數據腳通過R7，R8兩個10K歐姆電阻上拉至5v。

本模塊的儲存電路采用的是電可擦可編程只讀存儲器，掉電后芯片的數據不丟失，芯片在系統中可以進行在線重配置，并保持修改的結果。它兼有數據RAM 和程序ROM的功能，并可以在系統設備上擦除已有信息，并重新編程，本系統采用存儲芯片24C256，其容量大小為256k，可讀、可寫、可擦除，擁有兩線串行接口總新，兼容I2C。本設計中24C256通過I2C總線實現互通。圖8為存儲電路硬件電路圖，其中SDA和SCL引腳都為漏極開路，所以必需在這兩個引腳跟VCC之間介入上拉電阻。

3 系統的軟件設計

無線數傳模塊接收串口數據的處理流程如圖9所示，為保證系統能正常運行，任一條指令或數據，在規定時間內未應答，可以重發3次，一旦超過了重發次數，就放棄此條指令或數據，進入下一條指令或數據的通信。新數據包ID依次為00-0xFF，如果數據包發送不成功（需重發的數據包）則該序號不增加，從機通過該序號判定是否是重復數據。

4 實物測試

4.1 實物制作

在實際制作前進一步確定原理圖的正確性，通過對原理圖的進一步排查找出設計中疏漏的地方，在排查完后將原理圖制作成PCB圖，在生成PCB圖后根據選用的元器件的布局并考慮成本問題后采取雙層的PCB，確定雙層板后采用手動布線，這樣根據電氣特性和作品美觀布局電子元器件的位置，盡量使PCB圖中的線路設計合理化，完成PCB的制作后接下來就會進入到實際制作PCB板的過程中，由于是雙層板，實驗室目前沒有條件實現，因此，使用萬用洞洞板進行焊接驗證，如圖10所示為電路實物照片。

4.2 測試記錄

數據模塊的頻段基于標準2.4G（2.412GHz-2.472GHz共13個信道），信道可自動調節，測試選擇2.427GHz，室內（24小時），主機（一塊無線通信模塊，一塊USB轉TTL模塊）電壓12V，電流100mA ，從機（一塊無線通信模塊）電壓12V，電流50mA，測試部分數據如圖11所示。

經過測試發現，在空曠傳輸有效距離最遠可達1000m；當中間有門或者其他障礙物阻隔時，接收距離會下降，最遠可達180m。在有效距離內，系統傳輸的正確率能達到99%。

5 結 論

本文所設計的一點對多點的無線數傳系統，具有良好的準確性、實時性、可靠性。通過實驗測得：在空曠傳輸有效距離最遠可達 1000m；當中間有門或者其他障礙物阻隔時，接收距離會下降，最遠可達180m。在有效距離內，系統傳輸的正確率能達到 99.9%，可靠性較好，完全可以應用于相關測控領域。

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