點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無線射頻通訊器的設(shè)計(jì)

◎ 闞英男 莊宇 郭東升 劉政男 李冬洋 黃詩琪

基于單片機(jī)控制技術(shù)和無線通信技術(shù)，設(shè)計(jì)了計(jì)算機(jī)間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無線通信的射頻通信系統(tǒng)，包括無線通信電路的硬件部分和上位機(jī)軟件部分。系統(tǒng)中采用低成本、低功耗的單片機(jī)主控芯片作為主控制器，以433MHz的通信頻率進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸。設(shè)計(jì)的通信系統(tǒng)可用于計(jì)算機(jī)戶外互聯(lián)和數(shù)據(jù)加密通信等應(yīng)用，同時(shí)具有科研價(jià)值和商業(yè)價(jià)值。

引言：近年來，隨著無線射頻技術(shù)的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)+、智慧城市、智慧家庭等諸多研究熱點(diǎn)得到了廣泛的發(fā)展和應(yīng)用，越來越多的智能設(shè)備、智能家電應(yīng)運(yùn)而生，為人民提供了更加便利、舒適的工作和生活環(huán)境。然而，目前局域網(wǎng)內(nèi)計(jì)算機(jī)之間的網(wǎng)絡(luò)連接方式仍以路由器和交換機(jī)等設(shè)備為主，計(jì)算機(jī)之間需要此類網(wǎng)絡(luò)設(shè)備作為中轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)有線或無線的網(wǎng)絡(luò)通信。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一款低成本、便攜式的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無線射頻通信器，用于計(jì)算機(jī)之間的網(wǎng)絡(luò)通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信功能。作為現(xiàn)有計(jì)算機(jī)通信方式的一種補(bǔ)充，可以實(shí)現(xiàn)更靈活的數(shù)據(jù)通信，尤其適用于對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速率要求不高、對(duì)價(jià)格敏感的應(yīng)用場景，可以在很多應(yīng)用場合中發(fā)揮優(yōu)勢。

LabVIEW軟件平臺(tái)提供了一種圖形化編程方法，包括硬件配置、測量數(shù)據(jù)和調(diào)試。使用LabVIEW可以有效地集成來自現(xiàn)有的商業(yè)化和自主開發(fā)的測量硬件，在程序框圖上表現(xiàn)復(fù)雜的邏輯，開發(fā)數(shù)據(jù)分析算法，并可以設(shè)計(jì)自定義工程用戶界面。

本文設(shè)計(jì)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無線射頻通訊器硬件，配合基于Lab-VIEW開發(fā)的上位機(jī)軟件程序，能夠滿足計(jì)算機(jī)間的數(shù)據(jù)通信，具有高性價(jià)比的優(yōu)勢，可以應(yīng)用在工業(yè)過程控制、戶外計(jì)算機(jī)間的中短距離數(shù)據(jù)通信（一百米內(nèi)）、計(jì)算機(jī)間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)加密通信等應(yīng)用場合，不僅具有科研實(shí)驗(yàn)的價(jià)值，還具有潛力巨大的商業(yè)價(jià)值，因此具有重要的研究意義。

一、通信系統(tǒng)的功能概述和器件選型原則

點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無線射頻通訊器的電路可以主要分為三個(gè)部分：1）供電電路：通訊器應(yīng)具備USB供電和電池供電兩種方式。2）主控制器電路：綜合考慮處理能力、片上資源、穩(wěn)定性、價(jià)格等要素后，選取適當(dāng)?shù)闹骺匦酒⑼瓿芍骺刂破麟娐罚€包含串口通信、無線通信等電路功能。3）按鍵和指示燈電路：用于控制無線通信的各項(xiàng)功能，包括開關(guān)、待機(jī)、通信參數(shù)配置等功能。完成后的通信系統(tǒng)功能示意圖如圖1所示，圖中采用USB接口對(duì)通訊器進(jìn)行供電和數(shù)據(jù)傳輸，在不超過100米的范圍內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)筆記本電腦的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信功能。

為了降低成本和縮小硬件體積，提高無線射頻通訊器的便利性，在硬件設(shè)計(jì)階段就應(yīng)該開展相關(guān)設(shè)計(jì)，在器件選型方面，選用性價(jià)比高、小體積、表貼封裝的電子器件，可以有效地減小硬件體積，縮小PCB尺寸，達(dá)到低成本、小體積的設(shè)計(jì)要求。

二、通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，主控芯片控制通信電路和USB接口及控制電路，實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)的通信傳輸和USB接口的數(shù)據(jù)通信，通過按鍵和指示燈可以對(duì)通訊器進(jìn)行操作，通過主控芯片中燒寫的程序?qū)νㄓ嵠鬟M(jìn)行手動(dòng)控制。通訊器與臺(tái)式計(jì)算機(jī)或者筆記本相連接，在計(jì)算機(jī)中安裝基于LabVIEW開發(fā)的軟件，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信相關(guān)的一系列功能，包括串口通信控制、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能等。

三、軟件程序設(shè)計(jì)

現(xiàn)實(shí)生活中的計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)具有多樣化的特點(diǎn)，以微軟公司的windows系列操作系統(tǒng)為例，綜合考慮現(xiàn)實(shí)情況和未來的發(fā)展趨勢，系統(tǒng)中需要分別開發(fā)32位和64位的上位機(jī)驅(qū)動(dòng)和軟件程序。針對(duì)32位的Windows XP系統(tǒng)和Windows 7系統(tǒng)開發(fā)32位的上位機(jī)軟件，以兼容此類計(jì)算機(jī)，確保硬件驅(qū)動(dòng)能夠順利安裝，保證硬件正常識(shí)別。同時(shí)，需要開發(fā)64位的上位機(jī)軟件，兼容Windows 7，8，10等操作系統(tǒng)的64位版本。基于LabVIEW軟件平臺(tái)，可以在完成主程序的開發(fā)之后，分別針對(duì)不同的操作系統(tǒng)生成對(duì)應(yīng)軟件安裝包，以滿足各系統(tǒng)的運(yùn)行要求，保證軟件能夠正常運(yùn)行。

結(jié)論：設(shè)計(jì)了用于計(jì)算機(jī)間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無線通信的射頻通信系統(tǒng)，包括無線通信電路的硬件部分和上位機(jī)軟件部分。以433MHz的通信頻率進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸，使用基于LabVIEW開發(fā)的上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)串口通信控制、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能。該通信系統(tǒng)可用于計(jì)算機(jī)戶外互聯(lián)和數(shù)據(jù)加密通信等應(yīng)用，即具有科研價(jià)值，也具有一定的商業(yè)價(jià)值。