王紅萍

（中國(guó)人民解放軍91550部隊(duì)89分隊(duì) 大連 116023）

0 引言

現(xiàn)行市場(chǎng)上的LED屏，采用異步串口、TCP/IP接口等有線和GPRS無(wú)線進(jìn)行通信。對(duì)于裝修計(jì)劃中的LED屏，即使提前布線或預(yù)留線纜空間，在線纜損壞或調(diào)試LED屏還是有諸多不利條件。技術(shù)成熟的GPRS無(wú)線模塊，價(jià)格昂貴，不適用于大眾場(chǎng)合。針對(duì)普遍使用的串口通信控制的LED屏，本文介紹了采用nRF905芯片為核心的硬件電路，論述了無(wú)線通信系統(tǒng)中的功耗估計(jì)、速率適配、串口與無(wú)線的通信協(xié)議設(shè)計(jì)和嵌入式單片機(jī)的軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)控制串口的無(wú)線通信。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 硬件總體框圖

硬件框圖如圖1和圖2所示。圖1為上位機(jī)框圖，電路板上的單片機(jī)收到計(jì)算機(jī)發(fā)來(lái)的控制數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線模塊轉(zhuǎn)發(fā)。圖2為下位機(jī)框圖，單片機(jī)將無(wú)線模塊收到的數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)給LED屏的電路控制板。LED屏回復(fù)數(shù)據(jù)的傳輸方向正好相反。

圖1 上位機(jī)框圖

圖2 下位機(jī)框圖

采用ProtelDXP繪制電路原理圖和雙面PCB板，使用JTAG mk II在AVR Studio4下編寫(xiě)基于單片機(jī)的嵌入式軟件，采用GCC編譯器進(jìn)行編譯連接。

1.2 電路設(shè)計(jì)

A）單片機(jī)Atmega16A

采用芯片LM1117將DC 9V穩(wěn)壓到3.3V，對(duì)單片機(jī)Atmega16A、芯片nRF905、芯片Max3232供電。串口通信采用芯片Max3232進(jìn)行邏輯電平的轉(zhuǎn)換。

系統(tǒng)采用高性能、低功耗的8位AVR微處理器Atmega16A單片機(jī)。該單片機(jī)具有16K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash、512字節(jié)的EEPROM和1K字節(jié)的SRAM，供嵌入式軟件使用；在線調(diào)試的JTAG端口，豐富了系統(tǒng)的調(diào)試手段；獨(dú)立的定時(shí)器和可編程的串口，加強(qiáng)了系統(tǒng)的功能。單片機(jī)Atmega16A上的SPI接口，保證了無(wú)線芯片nRF905的無(wú)縫連接。

B）無(wú)線芯片nRF905

NORDIC公司的無(wú)線芯片nRF905采用高效的GFSK調(diào)制，使用開(kāi)放的ISM頻段，工作速率可達(dá)50K bps，收發(fā)模式切換時(shí)間短，功耗低，內(nèi)置硬件CRC校驗(yàn)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信地址控制，這些優(yōu)點(diǎn)特別適合工業(yè)控制場(chǎng)合。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 通信協(xié)議

A）串口通信協(xié)議

設(shè)計(jì)串口通信協(xié)議：1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，“空格”校驗(yàn)位，1位停止位；

B）數(shù)據(jù)通信協(xié)議

設(shè)計(jì)串口發(fā)送數(shù)據(jù)的通信協(xié)議：串口發(fā)送數(shù)據(jù)的第一個(gè)字節(jié)和第二個(gè)字節(jié)是0xF6、0x5A，作為包頭，第三個(gè)字節(jié)和第四個(gè)字節(jié)為數(shù)據(jù)長(zhǎng)度的一半，數(shù)據(jù)最后的兩個(gè)字節(jié)為校驗(yàn)字節(jié)，數(shù)據(jù)的倒數(shù)第三字節(jié)和第四字節(jié)為無(wú)線發(fā)送數(shù)據(jù)次數(shù)。LED屏控制卡回復(fù)數(shù)據(jù)為四個(gè)字節(jié)，第一個(gè)字節(jié)和第二個(gè)字節(jié)為為發(fā)送數(shù)據(jù)的前兩個(gè)字節(jié)，后兩個(gè)字節(jié)為發(fā)送數(shù)據(jù)次數(shù)。

C）無(wú)線收發(fā)數(shù)據(jù)協(xié)議

無(wú)線通信的數(shù)據(jù)采取分包發(fā)送的機(jī)制。無(wú)線通信協(xié)議設(shè)計(jì)：第一個(gè)字節(jié)為包頭0xF6，第二個(gè)字節(jié)為數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度，此字節(jié)的首位置1，此包數(shù)據(jù)為最后一包，此字節(jié)的首位置0，此包數(shù)據(jù)非最后一包。由于無(wú)線芯片一包最大發(fā)送或接收字節(jié)數(shù)32字節(jié)，所以最大數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度為30個(gè)字節(jié)。大于30個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，分包發(fā)送。

2.2 基于狀態(tài)機(jī)的嵌入式軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 系統(tǒng)初始化

系統(tǒng)初始化主要包括：端口、串口、SPI總線、無(wú)線芯片、定時(shí)器和鏈表。狀態(tài)機(jī)的初始化包括：初始狀態(tài)、各個(gè)狀態(tài)的初始條件等。根據(jù)數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的流程，設(shè)計(jì)狀態(tài)機(jī)的5種狀態(tài)：待機(jī)狀態(tài) ST_STAND_BY、串口接收狀態(tài)（PC端） ST_UART_RECV、無(wú)線接收狀態(tài)（LED屏端）ST_WAVE_RECV、串口等待狀態(tài)（LED屏端）ST_UART_WAIT，以及無(wú)線等待狀態(tài)（PC端）ST_WAVE_WAIT。

2.2.2 狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)觸發(fā)與轉(zhuǎn)換

上位機(jī)在中斷中接收PC發(fā)送的控制數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在循環(huán)鏈表中，通過(guò)無(wú)線芯片分包發(fā)送；上位機(jī)查詢(xún)無(wú)線芯片接收回復(fù)數(shù)據(jù)，通過(guò)串口發(fā)給PC上的控制軟件；上位機(jī)狀態(tài)觸發(fā)與轉(zhuǎn)換關(guān)系關(guān)系如圖3所示。

圖3 上位機(jī)狀態(tài)觸發(fā)與轉(zhuǎn)換關(guān)系關(guān)系

下位機(jī)查詢(xún)接收無(wú)線模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)，通過(guò)串口轉(zhuǎn)發(fā)給LED屏控制卡；LED屏控制卡的回復(fù)數(shù)據(jù)，下位機(jī)在中斷中接收，通過(guò)無(wú)線發(fā)送；下位機(jī)狀態(tài)觸發(fā)與轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖4所示。圖3和圖4共同完成一次數(shù)據(jù)應(yīng)答。

圖4 下位機(jī)狀態(tài)觸發(fā)與轉(zhuǎn)換關(guān)系

2.2.3 定時(shí)器的數(shù)據(jù)收發(fā)檢測(cè)

A）串口接收數(shù)據(jù)完的檢測(cè)

串口的數(shù)據(jù)接收是在中斷中完成的，因此在中斷中對(duì)定時(shí)器置數(shù)，中斷外面減數(shù)。波特率為9600 bps時(shí)，中斷間隔小于1 ms。設(shè)置定時(shí)器的時(shí)長(zhǎng)1.5 ms，如果超過(guò)此時(shí)長(zhǎng)，則意味著串口數(shù)據(jù)接收完成。

B)無(wú)線發(fā)送接收數(shù)據(jù)的檢測(cè)

嵌入式程序中多處用到無(wú)線收發(fā)數(shù)據(jù)的定時(shí)器檢測(cè)，根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合，選擇定時(shí)器的時(shí)長(zhǎng)。

3 測(cè)試方案與數(shù)據(jù)

3.1 測(cè)試方案

板卡測(cè)試分為無(wú)線發(fā)送數(shù)據(jù)部分測(cè)試、無(wú)線接收部分測(cè)試及無(wú)線測(cè)試。無(wú)線發(fā)送數(shù)據(jù)測(cè)試部分：采用工具軟件串口監(jiān)視助手監(jiān)視上位機(jī)軟件通過(guò)串口發(fā)送給無(wú)線部分的數(shù)據(jù)，在嵌入式程序調(diào)試中，利用芯片Max3232的多通道，無(wú)線發(fā)送的數(shù)據(jù)，通過(guò)串口送回上位機(jī)，串口監(jiān)視助手監(jiān)視無(wú)線發(fā)送的數(shù)據(jù)。無(wú)線接收部分測(cè)試：無(wú)線部分收到數(shù)據(jù)后，利用芯片Max3232的多通道，將收到的數(shù)據(jù)送回上位機(jī)，同樣利用串口監(jiān)視助手監(jiān)視無(wú)線接收的數(shù)據(jù)。

無(wú)線測(cè)試?yán)秒p串口的計(jì)算機(jī)，一個(gè)串口連接發(fā)送數(shù)據(jù)的板卡，另外一個(gè)串口連接接收數(shù)據(jù)板卡，利用串口調(diào)試助手分別監(jiān)視兩路串口，完成無(wú)線部分的數(shù)據(jù)發(fā)送與接收調(diào)試。

3.2 測(cè)試數(shù)據(jù)

LED屏的無(wú)線發(fā)送與接收測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 無(wú)線發(fā)送與接收測(cè)試數(shù)據(jù)表

上位機(jī)與LED屏的通信，每次先握手再交換數(shù)據(jù)，初次連接只進(jìn)行握手。表1中，總字節(jié)長(zhǎng)度表中采用十進(jìn)制數(shù)，數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度采用十六進(jìn)制數(shù)。表1中的數(shù)據(jù)內(nèi)容與數(shù)據(jù)格式：包頭、數(shù)據(jù)產(chǎn)度、數(shù)據(jù)及奇偶校驗(yàn)等，滿(mǎn)足數(shù)據(jù)通信協(xié)議要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)采用芯片nRF905進(jìn)行LED屏的無(wú)線通信進(jìn)行了論證，從通信速率和功耗兩個(gè)方面分析了技術(shù)可行性，設(shè)計(jì)了串口通信協(xié)議、數(shù)據(jù)包協(xié)議和無(wú)線通信協(xié)議、論述了基于狀態(tài)機(jī)的嵌入式軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)預(yù)想功能。

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