无线中远程通信系统设计

涂 宁，施 展

(上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海200093)

STM32以其优良的性价比、丰富的片上资源，被广泛应用于通信传输系统中。而通信系统的快速发展对数据的处理速率、可靠性、实时性都提出了更高的要求［1］。

RS485具有传输速度快、传输距离远、支持多节点和抗干扰能力强等特点，基于Modbus协议的RS485已广泛应用于通信系统中。此实验是利用RS485和无线收发模块实现一点对多点的无线通信，并将无线与有线相结合，充分利用其优点。传统的便携通信系统因受存储空间等限制，已无法满足实际通信系统的调度与管理的需要，本文提出的基于STM32单片机的无线通信系统充分利用其片上资源，扩展了512 MB的NAND Flash存储器。此外还利用了STM32的电源、时钟管理和看门狗等功能，改善了传统中远距离传输过程中存在的不足，同时功耗也大幅降低［2］。

1 无线传输系统的总体设计方案

系统是基于STM32微控制器和Modbus协议的RS485总线的弱电信号传输系统，可应用于各种弱电信号一对多的无线传输。整个系统由STM32主控制器、数据存储器、SP3485接收器、NRF24L01无线通信模块、电源模块等组成。

发出信息经过无线传输传给无线接收模块，在经过RS485接口模块进行高效率的一点对多点信息传递，最后由从设备对信号进行存储和显示。无线传输系统总体框图如图1所示。

2 无线传输系统硬件设计

无线传输系统硬件部分由主控制器、数据存储器、RS485通讯接口、无线传输模块和电源电路组成。主控制器完成信号的传输、接收控制和存储显示;RS485通讯接口将信号传递给主控制器进行存储与显示;无线传输模块完成无线传输信号的发送和接收;电源模块为整个无线传输系统的各个模块提供工作电压。

图1 无线传输系统总体框图

2.1 无线通信模块

本实验无线模块中所使用的芯片是NRF24L01芯片，用到的是深圳云佳科技生产的NRF24L01，该模块的工作电压是3.3 V，工作在2.4 GHz全球开放的ISM频段。最高工作速率2 Mbit·s－1，具有高效的GFSK调制和抗干扰能力强等特点，且其成熟度和稳定性良好，该模块已被大量使用。模块VCC脚的电压范围为1.9～3.6 V，一般不超过3.6 V，否则可能烧坏电路板。

2.2 RS485接口电路

RS485总线由于具有结构简单、技术成熟、造价低廉、便于维护等特点被广泛应用于通信网络中。RS485的电器特性规定为2线，半双工，多点通信的标准。其特性与RS232不同，其是靠线缆两端的电压差来表示传递信号［3］。RS485总线的电气接口有四线制跟两线制接口，根据实验采用的半双工和全双工模式的不同而不同，本实验使用两线制的RS485总线拓扑图。总线的两端跨接了两个电阻，是用于消除信号反射带来的信号失真，RS485的接口电路主要由低功耗的RS485接收器SP3485组成，其最大速率可达10 Mbit·s－1，支持32个节点，并具有输出短路保护［4］。通信接口模块电路如图2所示。

图2 RS485总线接口模块电路

2.3 数据存储模块

AT25DF021是带有SPI接口的Flash型数据存储器。传统的Flash存储器需多个地址线和一个并行接口，而AT25DF021采用的是串行接口传输方式，按顺序访问内部的数据，容量为2 MB，最大工作频率为66 MHz。本实验使用的这种简单的串行接口，可简化硬件繁琐的布局，从而使系统的可靠性得到提高。AT25DF021的低电压、低功耗，对于此实验通讯系统的设计较为适用。

2.4 RS485总线拓扑结构

RS485总线只是定义在网络的物理层，对网络的上层没有规定，可根据具体需要来定义上层的协议。本实验采用Modbus协议向多个从设备传递信息。Modbus协议对网络物理层没有规定。按照主－从的方式进行网络通信，即所有的命令都是主设备发起，从设备根据所得到的信息进行回应［5］。本实验中主设备可以一对一或一对多的方式进行通信。网络还需两个匹配电阻，其阻值等于传输电缆的特性阻抗，一般为120Ω，其作用是避免设备在静止或无能量时产生噪音，导致数据传输错误。总线拓扑结构如图3所示。

图3 RS485总线拓扑结构

3 无线传输系统的软件实现

本实验设计中，采用ARM公司推出的集成开发环境Keil4为开发平台。应用程序包括主设备和从设备程序、无线模块控制程序、串行接口中断子程序等主要部分。

3.1 主从设备程序设计

主从设备的程序主要负责对于系统初始化、数据的发送和接收、错误检测、中断处理和存储与显示操作。主从设备都是依照Modbus协议来编写程序。主设备需要主动发起网络中的通信，为了保证系统的可靠性，程序还设置了超时和错误检测。从设备一直处于接收状态，当从设备接收到数据时，首先和自身的地址进行比较，若地址不一致，将丢弃这一帧数据，继续等待数据。若地址一致则接收数据，存储并显示。然后向总线发出反馈信号作为回应。主从设备程序流程分别如图4和图5所示。

3.2 无线接收模块的控制程序设计

每一帧数据都包括两位的PID数据包识别码，用来识别接收的数据是否为新数据，PID标示码可防止同一数据多次被接收，每次在接收一帧新数据后PID值加1。

此外还有CRC校验，在链路中如果丢失了一帧数据，而导致PID值与上一包的PID值相同，则进行CRC校验［6］。对两包的CRC值进行比较，若CRC值相同，则认为是同一帧数据并将其舍去。无线接 收模块的控制程序流程图如图6所示。

图4 主设备程序设计流程图

图5 从设备程序设计流程图

图6 无线接收模块的控制流程图

3.3 中断处理流程设计

初始化中设置UART0模块工作，选择时钟信号为ACLK，数据位为8位，波特率为9 600 bit·s－1，发送数据方式为主动发送［7］。当接收到一个完整的数据，产生一个信号:URXIFG0=1，表示接受完整的数据。当数据正在发送中，UTXIFG0=1，此时不能再发送数据，必须等当前数据发送完毕。

完成整个串行数据的传输是靠中断来处理的，当串行口有数据时，即触发中断，在中断环节中完成数据的存储与显示，然后不断地重复进行，直到数据传输结束。

3.4 Modbus协议设计

Modbus协议有ASCII和RTU两种传输模式。同样在9 600 bit·s－1波特率下，可比ASCII方式传送更多的数据。所以本实验采用Modbus协议的传输模式是RTU模式，其是建立在串口通信方式的基础上，摒弃了TCP/IP协议的3次握手才建立连接的繁琐，体现出便捷式传输的优点。RTU传输模式如表1所示。

表1 RTU消息帧

实验工作在9 600 bit·s－1波特率下，并将定时器终端设置为1 ms一次，在9 600 bit·s－1的情况下将超时时间设为4，在串口不接收数据时，定时器不会清0，当达到超时时间4时，将下面传来的帧视为新的消息帧，在接收新帧结束后进入命令解析状态。第一步是CRC校验，将接收的CRC值与自身解析的CRC值进行比较，来判断接收的数据是否正确。

在CRC校验正确后，便可判断地址。每个从设备用自身的本机地址跟新帧的第一字节相比较，从而识别主机查询的是哪个设备。当地址、CRC等判断正确后，就可判断最重要的功能码了，由于是需要读取数据，所以选择功能码为0X01。在对一帧的外围进行解析和判断之后，就开始进行数据的传输。下面是获得CRC校验码C语言程序的实现。

4 系统实现

本实验所设计的中远程无线通信系统，通过无线接口模块和RS485总线实现主机与从设备之间的通信，从设备的液晶屏可实时接收并显示从主机发送过来的信息。在代码编译成功后，烧写代码到开发板，通过按键指定NRF24L01模块的接收方式，主设备选择发送，从设备选择接收状态，设置好后，便可进行实时通信了。

完成对芯片的正确配置之后，可通过串行调制助手来测试相应的误码率和丢包率。测试中每次发送200 000 Byte的数据进行测试。测试效果如表2所示。

表2 实时测试结果

实验数据显示，在近距离的情况下，系统相对稳定，误码率和丢包率相对较低，而在短距离且中间有障碍物时，误码率和丢包率均会大幅增加，且丢包率波动较大。在30 m以内时信号传输相对较稳定，误码率约为4%。在30 m以外系统丢包率和误码率会随着无线传输距离的增加而增加。

无线通信需要解决的最大问题是保证传输数据的准确性，即要求误码率低。误码率是衡量数据在规定时间内数据传输精确性的指标。误码率=错误码元数/传输总码元数100%［8］。实验中通过KEY0和KEY1来选择NRF24L01模块所要进入的工作模式，开发板一个选择发送，一个选择接收即可。设置好后通信结果如图7所示。

图7 通信结果

5 结束语

本文设计了中远程通信系统的实现方法。通过调试，证明了系统可以正常运行，各方面指标均已达到设计要求且误码率低。整个系统集成度高、功耗低，且体积小、可靠性高，易于控制，使用灵活，性价比较高。

［1］ 张旭，元学广，李世光，等.基于STM32电力数据采集系统的设计［J］.电子测量技术，2010，6(2):90－93.

［2］ 王永虹，徐炜，郝立平.STM32系列ARM Cortex－M3微控制器原理及实践［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2008.

［3］AI Changsheng，Wang Baoguang，Sun Xuan.Ultrasonic water depth measuring instrument withdifferential GPS over GPRS network［C］.3rd Tnternational Symposium on Instrumentation Science and Technology，2004:1127－1131.

［4］ 马洪兵，谷源涛.嵌入式系统硬件与软件架构［M］.北京:人民邮电出版社，2008.

［5］ 李宁.基于MDK的STM32处理器开发应用［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2008.

［6］ 李东生.Prote199SE电路设计技术入门与应［M］.北京:电子工业出版社，2002.

［7］ 曾勇，杨涛，冯月晖.基于nRF24L01的超低功耗无线传感网网络节点设计［J］.电子技术应用，2008，7(2):45－48.

［8］ 王永虹，徐炜，郝立平.STM32系ARMCortex－M3微控制器原理与实践［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2008.