專利名稱：無線多信道數據收發器的制作方法
技術領域：
本發明涉及了一種無線多信道數據收發器，屬于無線通信技術領域。
背景技術：
目前，無線傳感網發展迅速，已經廣泛應用于工業、農業、環境科學等領域。隨著智能家居和物聯網技術的興起，將會有越來越多的人員加入到無線傳感網開發的領域。在無線傳感網絡系統開發過程中，各個設備的信息是以射頻信號的方式相互傳送的，調試者不能直觀的觀察調試結果，增加了調試難度和開發周期。現有的無線數據監聽器大多數是針對單一信道的情況，在調試大規模無線網絡的時候，需要多次更換不同信道的監聽器，或者擺放多個監聽器，操作復雜，布置麻煩。特別是現在越來越多的無線設備使用了跳頻技術，這就需要同時觀測多個頻段的數據情況，且要求各個頻段保持嚴格的時間同步性，單一信道的監聽器無法滿足這樣的調試條件。雖然目前已有可以同時監聽多個信道的設備，但仍有如下不足:1.不具備發送數據的功能。而一般在網絡調試過程中，一個可以多信道同時發送數據的信號源也是必要的。
2.現有無線數據監聽器與上位機的通信接口比較單一，通用性不強，靈活性不高。

發明內容
為了解決上述技術問題，本發明設計一種無線多信道數據收發器，能夠多個信道實時同步收發數據，并且可以通過方便靈活的通信接口與上位機交互，加速設計的調試和測試，縮短開發周期。本發明為實現上述目的所采用的技術方案是:(定稿后拷貝權利要求)本發明具有以下優點:1.多信道實時同步收發數據。本發明采用現場可編程門陣列芯片來實現各個信道的獨立操作，充分利用其可以并行執行程序的特點，使得多個信道之間互不干擾，各自完成數據的收發工作，各個信道之間的同步關系可以達到微秒級。2.通用性。本發明不但能夠實現多信道數據的實時同步監聽，而且還能夠由上位機選擇發送數據模式，可以實現單一信道或者多信道同時發送數據，還可以選擇為發送信道與接收信道并存的模式。此外，本發明帶有WIFI無線通信接口，支持多個區域無線傳感網絡同時調試或者聯調，所以本發明適用更多的無線傳感網調試場合，通用性強。3.靈活性。本發明支持三種與上位機的通信接口，既有有線方式(串口、USB)，又有無線方式(WIFI)，因此上位機選擇靈活，可以使用臺式機、筆記本電腦或者平板電腦與之通信，應用更廣泛。4.便攜性。本發明把N個信道的無線射頻模塊整合到一塊電路板上，體積小，便于攜帶。可以結合便攜式電腦完成現場調試。


圖1是本發明設計的無線多信道數據收發器結構框圖；圖2是本發明實施例的硬件組成框圖；圖3是本發明實施例中現場可編程門陣列芯片內部的電路框圖；圖4是本發明設計的無線多信道數據收發器工作原理示意圖；圖5是多個無線多信道數據收發器分布式調試原理示意圖；圖6是本發明實施例中現場可編程門陣列的軟件流程圖；圖7是本發明實施例中微處理器的軟件流程圖。
具體實施例方式下面結合附圖及實施例對本發明做進一步的詳細說明。如圖1所示，本發明由N個無線射頻模塊、現場可編程門陣列模塊、通信模塊、微處理器模塊以及電源模塊共五部分組成。圖2給出了本發明實施例中各個模塊的具體硬件組成:所述N個無線射頻模塊，每個模塊均由射頻調制解調芯片Si4432及其外圍電路組成。Si4432通過SPI接口與現場可編程門陣列模塊通信，當接收到無線射頻信號時，通過解調得到接收數據，然后由中斷引腳通知現場可編程門陣列模塊進行處理；發送數據時，先把待發送的數據緩存到Si4432中，然后使能發送，這樣Si4432就會把數據調制成射頻信號發射出去。所述現場可編程門陣列模塊中，FPGA芯片采用Altera公司Cyclone II系列的EP2C8Q208C，配置芯片采用16Mbit容量的EPCS16來存儲配置信息，時鐘電路采用一個20MHz的有源晶振為FPGA提供全局時鐘。圖3所示為現場可編程門陣列芯片的內部組成框圖，包括:控制模塊，用于接收微處理器的控制指令，根據指令控制其余的模塊，完成相應的操作；SPI接口模塊，用于和無線射頻模塊之間的通信；發送接收控制模塊，用于使能發送模塊或者接收模塊，進行數據發送和接收的轉換；發送模塊和接收模塊，由發送接收控制模塊控制，用于數據的發送和接收；計數器，為接收到的數據提供時間信息；數據處理模塊，用于給接收到的數據添加時間信息、信道號和信號強度；數據緩存模塊，用于把處理后的數據暫存起來，等待微處理器的讀取。所述通信模塊由串口電路、USB通信接口電路和WIFI通信接口電路三部分組成，串口電路由Maxim公司的一款RS-232收發器芯片MAX3221及其外圍電路組成，用于與上位機實現標準RS-232接口通信；USB通信接口電路由Cypress公司的一款帶USB2.0內核的芯片CY7C68013A及其外圍電路組成，用于與上位機實現高速USB通信；WIFI通信接口電路采用MXCHIP公司的一款SPI接口的WIFI通信模塊實現與上位機的WIFI通信功能。所述微處理器模塊，由MSP430F1611單片機、時鐘電路以及復位電路組成，由于射頻芯片Si4432的配置復雜，用FPGA實現困難，所以本發明采用單片機和FPGA相結合的方式，在配置射頻模塊的時候，FPGA會把其內部的SPI接口模塊的控制權移交給單片機，由單片機來完成復雜的配置工作，微處理器模塊還負責向FPGA轉發上位機的控制指令，控制通信模塊與上位機通信。
所述電源模塊，要能夠產生3.3V、2.5V和1.2V電壓，供系統中各個模塊使用。3.3V電源由低壓差線性穩壓器芯片AMSl117-3.3V將系統提供的5V電源轉換而成，2.5V電源由AMSl117-2.5V芯片轉換而成，1.2V電源由LM317芯片轉換而成。圖4所示為無線多信道數據收發器的工作原理示意圖，在網絡調試現場，首先需要將收發器放入被調試的無線傳感網絡中，然后把收發器通過通信接口與上位機相連，系統上電后，便可以進行網絡調試。調試前，需要先根據實際情況配置各個無線射頻模塊，確立信道的個數和各個信道的中心頻率，這些配置通過上位機軟件完成；調試時，根據調試內容通過上位機軟件還可以選擇各種調試模式，例如:監聽模式、單信道發送數據模式、多信道發送數據模式以及收發并存的模式。每種模式下，都可以通過上位機軟件觀察接收和發送的報文信息，例如:能夠直觀的顯示各信道的報文同步關系和信號強度等，調試結果一目了然。此外，本發明設計的無線多信道數據收發器帶有WIFI通信接口，能夠實現多個區域網同時調試或者聯調。如圖5所示，在多個小區域無線傳感網需要聯合調試的場合，只要在每個區域網內放置一個無線多信道數據收發器，就可以通過每個收發器的WIFI無線通信接口把調試信息傳送到一個上位機上，實現多個收發器分布式調試的功能。圖6所示為本發明實施例中現場可編程門陣列的軟件流程圖，上電后，FPGA會一直等待微處理器的指令，指令共有三種，當接收到配置指令后，FPGA進入配置程序，釋放SPI總線控制權給微處理器，直到所有無線射頻模塊都配置完成后，重新獲得SPI總線的控制權；當接收到監聽指令時，FPGA進入監聽程序，使能各個無線射頻模塊為接收數據模式，開始接收數據，并把接收到的數據添加時間信息、信號強度和信道號，緩存到FIFO中，等待微處理器讀取，各個信道獨立完成整個接收數據過程，互不干擾；當接收到發送數據指令時，FPGA進入發送數據程序，根據指令中提供的信道信息，選擇發送信道，然后接收微處理器發來的數據，將其裝入發送緩沖區中，使能發送。圖7所示為本發明實施例中微處理器的軟件流程圖，上電后，微處理器首先要向FPGA發送配置指令，以獲得SPI總線控制權，然后根據上位機的配置信息，配置各個無線射頻模塊，配置完成后再將SPI總線控制權交給FPGA，配置過程在系統上電之后完成，并且只需配置一次。接著，微處理器會一直等待上位機的指令，當接收到監聽指令時，微處理器會向FPGA發送監聽指令，當檢測到FPGA中有數據到來時，讀取數據并控制通信模塊把數據上傳給上位機；當接收到發送數據指令時，微處理器會把發送數據指令、信道信息和待發送數據一起發送給向FPGA，完成數據發送。
權利要求
1.一種無線多信道數據收發器，其特征在于，包括 N個無線射頻模塊，分別負責N個信道射頻信號的收發； 現場可編程門陣列模塊，配合微處理器模塊完成N個無線射頻模塊的配置，既可實現多信道按特定模式發送，也可實時多信道同步接收，并將收到的數據附加特定標識信息后緩存； 通信模塊，負責與上位機的通信，接收上位機所選擇的收發器工作模式； 微處理器模塊，與現場可編程門陣列模塊、通信模塊連接，通過發送指令給現場可編程門陣列模塊，操作現場可編程門陣列模塊配置各個無線射頻模塊、接收和發送數據，控制通信模塊與上位機的信息交互； 電源模塊，負責給各個模塊提供工作電源。
2.根據權利要求1所述的無線多信道數據收發器，其特征在于，所述N個無線射頻模塊整合到一塊電路板上。
3.根據權利要求1所述的無線多信道數據收發器，其特征在于，所述現場可編程門陣列模塊由現場可編程門陣列芯片、配置芯片和時鐘組成。
4.根據權利要求3所述的無線多信道數據收發器，其特征在于，所述現場可編程門陣列芯片包括: 控制模塊，用于接收微處理器的控制指令，根據該指令控制現場可編程門陣列芯片中的其他模塊； 發送接收控制模塊，用于使能發送模塊和接收模塊； 發送模塊，用于數據發送給SPI接口模塊； 接收模塊，用于數據接收給SPI接口模塊； SPI接口模塊，用于與無線射頻模塊通信； 計數器，根據所述時鐘為接收到的數據提供時間信息； 數據處理模塊，用于為接收模塊傳送的數據添加時間信息、信道號和信號強度； 數據緩存模塊，用于暫存經數據處理模塊處理后的數據，等待所述微處理器的讀取。
5.根據權利要求1所述的無線多信道數據收發器，其特征在于，所述通信模塊支持有線的串口通信、USB通信及WIFI無線通信三種通信方式。
6.根據權利要求1所述的無線多信道數據收發器，其特征在于，所述微處理器模塊由單片機、復位電路和時鐘電路組成。
7.根據權利要求1所述的無線多信道數據收發器，其特征在于，所述收發器工作模式包括監聽模式、單信道發送數據模式、多信道發送數據模式或者收發并存的模式。
全文摘要
本發明涉及了一種無線多信道數據收發器，屬于無線通信領域。本發明包括N個無線射頻模塊，分別負責N個信道射頻信號的收發；現場可編程門陣列模塊，負責配合微處理器模塊完成N個無線射頻模塊的配置，既可實現多信道按特定模式發送，也可實時多信道同步接收，并將收到的數據附加特定標識信息后緩存；通信模塊，負責與上位機的通信，支持有線的串口、USB通信方式及WIFI無線通信；微處理器模塊，負責向現場可編程門陣列模塊發送指令，配置各無線射頻模塊的工作模式，控制通信模塊與上位機的信息交互過程；電源模塊，負責給整個工作裝置提供工作電源。本發明的特點在于其網絡調試功能，能夠實現無線多信道實時同步收發數據，具有通用性強，攜帶方便，使用靈活的優點。
文檔編號H04W84/18GK103209431SQ20121000793
公開日2013年7月17日 申請日期2012年1月11日 優先權日2012年1月11日
發明者尚志軍, 崔世界, 曾鵬, 于海斌 申請人:中國科學院沈陽自動化研究所