范文范例參考./摘要井下人員定位系統是為了提高煤礦人員管理效率和加強井下與地面信息溝通而設計的,該系統能夠動態顯示井下工作人員的實時位置,并能夠對工人的工作時間和工作區域進行統計。本報告首先分析了國內外井下人員定位技術的發展現狀,并比較了其中的優缺點。分析了系統的工作原理,并進行了功能劃分。系統在設計過程中采用了模塊化思想,從三個子系統分別對系統進行設計。報告中重點研究了井下的無線通信問題,并選擇了RFID〔射頻識別為井下無線通信方案；在井下與地面的通信方式中選擇了技術先進、性能可靠的CAN總線技術；在地面監控端結合當前的新技術采用了GIS〔地理信息系統進行井下監控情況的實時顯示。關鍵字：井下人員定位；RFID；CAN；GIS目錄1緒論61.1煤礦生產管理中的問題61.2本項目研究的意義71.3井下人員定位系統的發展現狀81.3.1國外研究狀況81.3.2國內發展現狀81.4井下人員定位系統設計的難點問題91.5本項目所做的工作102井下人員定位系統的基本原理112.1定位系統概述112.2井下人員定位系統的基本原理113系統的功能劃分143.1井下無線監測子系統143.2地面數據處理子系統143.3井下與地面通信子系統154井下無線通信子系統設計174.1通信的基本知識174.1.1信號的轉換與編碼174.1.2差錯控制174.1.3多路復用184.1.4傳輸模式184.1.5傳輸協議184.2井下人員定位系統無線通信解決方案及對比194.2.1藍牙<Bluetooth>194.2.2HomeRF194.2.3ZigBee204.2.4RFID〔射頻識別204.2.5WIFI214.2.6無線MESH網絡214.2.7幾種無線通信方案的比較224.3無線通信方案的確定224.4無線通信子系統的硬件設計224.4.1基站硬件電路設計234.4.2射頻卡硬件電路設計424.5無線通信子系統的軟件設計43基站軟件設計434.5.2射頻卡軟件設計505井下與地面通信子系統設計525.1通信方案及比較525.1.1RS-485525.1.2現場總線525.1.3工業以太網545.2CAN總線555.2.1CAN總線簡介555.2.2CAN的性能特點555.2.3物理層565.3CAN總線接口電路設計565.3.1CAN總線與基站硬件接口電路設計615.3.2CAN總線與PC端的硬件接口電路設計635.4CAN總線接口電路軟件設計685.4.1基站部分CAN總線接口電路軟件設計685.4.2PC端CAN總線接口電路軟件設計696地面監管子系統設計717總結77附錄A781緒論1.1煤礦生產管理中的問題煤礦的生產分為露天開采和地下開采,而我國95%的煤礦開采是地下開采作業,而地下開采的危險性較之露天開采要大的多。我國煤層自然賦存條件復雜多變,影響煤礦安全生產的因素眾多,水、火、瓦斯、煤塵、頂板等自然災害時刻都在威脅礦井工作人員的生命安全,都可能是造成事故的客觀因素,礦井重大災害及傷亡事故隨時都有可能發生。據調查煤礦事故占工礦企業一次死亡10人以上特大事故的72.8%至89.6%<2002~20XX>。近幾年,隨著國民經濟對能源的需求增大,煤炭行業的開始復蘇,我國煤炭開采在規模和產量上都逐年擴大,但是通過以上觸目驚心的數據我們卻看到煤礦行業安全生產的形勢非常嚴峻,造成的損失是極其慘重的。特別是煤礦重大及特大瓦斯<煤塵>災害事故的頻發,不但造成國家財產和公民生命的巨大損失,增加了社會的不穩定團素,而且嚴重影響了我國的國際聲譽。實際上,這些事故的發生不是偶然的,它是煤礦生產過程中存在問題的集中暴露,涉及許多方面。既有自然因素、科技投入和研究的不足,也有人為因素以及國家的體制、煤礦企業管理不善等因素。更讓人擔憂的是,煤礦井下普遍存在入井人員管理困難,難以及時掌握井下人員的動態分布及作業情況,一旦事故發生,對井下人員的搶救缺乏可靠信息,搶險救災、安全救護的效率低。目前國家對煤礦企業安全生產要求的不斷提高和企業自身發展的需要,我國各大、中、小煤礦的高瓦斯或瓦斯突出礦井陸續在裝備礦井監測監控系統。系統的裝備大大提高了礦井安全生產水平和安全生產管理效率。但是,現有的礦井監測監控系統監測對象主要有兩種,一是環境安全監測：監測各種有害氣體及工作面的作業條件,如瓦斯濃度、一氧化碳、氧氣濃度、風速、空氣溫度、壓力、粉塵濃度等等；二是生產過程、生產工藝監測：監測主要生產環節的各種生產參數和重要設備的運行狀態,如煤倉料位、水倉水位、水泵、提升機、扇風機、壓風機、膠帶輸送機、采煤機等運行狀態和參數等運行狀態和參數。可以看出,井下礦工并不是現有監控系統的監控對象,他們在井下的位置和運行軌跡仍然是不得而知的,一旦發生突發性災難營救工作將無從下手。礦難事故發生后,對遇難的井下工作人員生命的搶救成為首要任務,決策指揮人員必須全面分析災情及其災變趨勢,迅速組織偵察工作,準確探明事故性質、原因、影響范圍、遇險人員數量和所在位置,以最快的速度、最短的路線進入災區,營救災區遇險人員。然而,目前國內煤礦正在使用的該類監控系統,并不能實時提供井下工作人員的具體位置與分布情況等重要數據,加之井下地形復雜,國內大部分礦井救護技術裝備落后,人員素質較低,這些都給偵察工作帶來了極大的困難。特別是在搜尋井下遇險人員的過程中,救護隊員只能依靠反映礦井現實情況的有關圖紙以及事故現場偵察得來的各種信息展開搶救工作。在缺乏準確數據的情況下,無法迅速制定出合理、有效的營救方案與措施,結果錯失最佳的營救時機,甚至是盲目營救。1.2本項目研究的意義面對我國煤礦安全生產的嚴峻形勢,用高新技術和先進實用技術改造傳統產業,增加科技含量,促進產品更新換代,提高產品質量和經濟效益,是走新型煤炭工業化道路的必然選擇。煤礦的現代化管理和煤礦的安全生產是煤炭行業舉足輕重的大事。在煤炭行業管理和安全方面,人的管理是一個十分關鍵的問題。長期以來,大部分礦井,尤其是現代化的礦井,井下都是連續生產,然而煤礦井下的員工狀況如何,一直是較難查清的問題。到目前為止,即使是我國的現代化礦井的管理,也只能是依據傳統礦燈管理、領取工作牌等考勤方式來了解下井人員的數量和情況。隨著無線通信、自動識別和計算機網絡技術在煤礦安全生產監測應用領域中的不斷發展,如何確定災害事故中遇險人員的具體情況和分布位置得到進一步地解決。特別是在國內射頻識別技術的引進和發展,使得對下井人員進行實時跟蹤變得可行。利用射頻識別技術對井下人員進行跟蹤定位不僅能方便決策人員快速準確了解井下遇險人員的具體分布位置、贏得搶救的寶貴時間,還可以用于煤礦的日常考勤、生產調度等方面。不僅加強了煤炭行業的生產與安全管理,使生產調度及時、準確,更得使煤礦的安全生產保障系統大大提高。在建立了井下人員定位系統后,若井下發生突發事件,可立即通過地面主機實時查出井下各位置的人員狀況,這樣就能夠做出及時的搶救決策,使事故損失降到最低。平時可以用來指揮生產做出優化決策,使生產指揮高效。煤礦井下人員定位系統的研究具有非常重要的現實意義。煤礦井下人員定位系統將在礦井的防災、減災以及提高生產效率方面發揮著重大的作用,而高性能的計算機礦井監測系統的應用前景尤為的廣闊。1.3井下人員定位系統的發展現狀國外研究狀況國外研制礦井計算機監控系統始于20世紀60年代,為保證煤礦安全生產,世界主要產煤國〔如美國、英國、德國、波蘭、前蘇聯等從50年代開始,陸續地把監測、監控技術應用到安全生產管理上。隨著射頻識別技術的興起,國外也加快了這一領域的發展,并成功地將其應用到了井下人員定位監控系統中。英國的DavisDerbyLimited公司采用最新的無線射頻技術開發了專門用于煤礦井下應用的多標簽讀取系統；戴維斯德比公司在地面和井下RFID系統的開發、生產、銷售服務等方面,已擁有十幾年的豐富經驗；澳大利亞芒特艾薩礦業公司開發了一種人員探測系統,用于監測礦工進入危險地帶；在南非的德里方月<Driefontayne>礦,安裝了一種人員跟蹤系統,它使用由澳大利亞ISD公司制造的一種射頻識別系統源信標；這個系統使用頂板安裝的天線,用來監控裝在每個礦工帽上的小型無源信標。1990年8月,美國安菲斯公司利用超低頻信號的穿透力研制開發的世界唯一套可實現超低頻信號穿透巖層進行傳輸的無線急救通訊系統<PED,即PersonalEmergeneyDevice系統>在悉尼附近的一所煤礦投入使用。PED系統的先進技術工藝和優越的性能得到了礦區領導的一致肯定。該系統能夠提供一些預先編制好的緊急信息,這些信息在緊急情況出現時自動生成。該系統可以直接連接現有的監控設備,可以監控多種輸入。這些警告信息由礦井工作人員預先指定,在緊急情況發生時,可以在最短的時間內,將替告發送給井下全部或相應的工作人員。國內發展現狀我國監測監控技術起步較晚,自1974年以來,僅有幾種單一的瓦斯監測儀器投入使用,如AYJ-1,AWBY-1.2,MJC-100等,實現了對瓦斯的連續監測。為了加快實現煤炭工業現代化管理的步伐,我國先后從波、法、德、英、美等國批量引進了安全監控系統并裝備了部分煤礦,如美國的SCADA系統、英國的MINOS系統、德國的TF200系統、法國的CTT63/40/u系統、加拿大森透里昂系統,這些系統在我國煤炭行業中發揮了作用,也為我國研制礦用監控系統提供了很好的借鑒。國內曾由中國煤炭部安全司、中國國際技術咨詢公司連手與安菲斯公司確定合作關系,決定三方共同在中國煤炭領域推廣PED系統。1998年,人同礦務局在人同煤峪口礦安裝了中國第一套PED系統。結果證明PED系統信號可以穿透巖層傳播并覆蓋到全部生產區,發出和收到信號準確率為100%,最遠穿透距離達2.80年代后期,在引進外國設備的同時,消化、吸收了制造技術,并結合我國煤礦的實際情況,先后研制出自己的監控系統,如KJ1,KJ2,KJ4,A-1,KJ10,KJ11,KJ22,KT,KJ95及XX工學院研制的KJ93礦井安全生產監控系統等,并在我國煤礦大批使用,有的系統已達到國際先進水平。這些系統主要也是側重于安全參數的檢測,而沒有對下井人員進行實時監控。隨著自動識別技術在國內各行各業的發展和應用,國內一些煤炭科研機構不斷推出新一代的人員自動識別系統,并成功應用于下井人員的管理。到門前為止國內部分礦井,尤其是現代化礦一井都安裝了識別系統,用以取代以前依據礦燈管理來對下井人員進行管理。人員識別系統從最初的條形碼、光電孔卡式到現在的指紋、紅外線式考勤形式各不相同,這些技術裝備利用不同的識別原理對下井人員進行監控、記錄。XX世紀潮智能科技有限公司與煤炭科學研究總院XX分院一起,于20XX8月開始研究"礦井人員跟蹤定位及考勤管理系統",經過資料收集、調研、方案論證、設計、試驗室試驗、樣機加工、性能測試、防爆送檢及井下工業性試驗等階段,歷時近一年半,完成了全部研究內容。礦井人員跟蹤定位及考勤管理系統在完成了全部開發設計、樣機生產加工、實驗室性能測試和防爆檢測檢驗后,成套產品于20XX10月在XX松藻煤電集團公司二礦、西山焦煤集團屯蘭礦、XX離柳焦煤集團有限公司朱家店煤礦第二坑口等地進行了現場安裝和工業性試驗。我國現在研發的新型人員定位系統主要以有源射頻卡為基礎,提高了射頻卡的使用的方便性,但由于基于射頻識別耦合原理的有效通信距離仍然相對較短。普遍用于遠距離射頻識別的2.4G頻段的信號對障礙物的穿透力很弱,信號衰減快。而礦山的井巷往往錯綜復雜,環境十分惡劣,當多人同時經過井下同一射頻閱讀基站時,往往出現漏讀率較高,系統穩定性不夠等問題。1.4井下人員定位系統設計的難點問題井下人員定位系統的設計有以下幾個難點問題：1.礦井下環境惡劣,通信條件復雜,并且屬于易燃易爆場所,因此對通信問題提出了嚴格的要求,而井下人員定位系統設計的關鍵環節正是井下的通信問題。目前井下人員定位系統多是基于RFID〔射頻識別技術,在井下建立無線監測網絡,對持有射頻標簽的工作人員進行位置信號采集,然后送到地面進行處理、顯示。但限于發射功率和通信環境,井下的無線通信距離較短,又由于地質結構復雜,電磁波信號不能有效的穿透巖層,造成無線通信局限在狹窄的巷道中。2.井下人員定位系統的設計還必須要考慮電源的供電問題,所有電氣設計必須嚴格按照煤礦安全操作規程進行。井下與地面的通信可以采用工業現場總線,增強通信抗干擾能力,同時滿足通信需求。1.5本項目所做的工作本項目結合目前定位系統的發展現狀,主要完成了一下工作：1.采取了低頻射頻RFID+CAN+GIS的設計方式,即：利用低頻射頻RFID完成井下的無線監測任務,利用CAN總線完成井下與地面的通信任務,利用GIS完成定位系統的顯示任務。2.在處理井下無線通信的問題時采取了基站+移動站的通信形式。基站按照其覆蓋范圍沿巷道分布,移動站以射頻標簽的形式附著于井下工作人員的身上,由于基站的安裝位置是確定的,當某個基站捕獲到射頻卡后就可以確定相應人員的大體位置。從應用需求的角度出發,同時為了降低成本,系統沒有采用精確定位的方法,而是如前所述的粗略定位方法,定位精度取決于基站的覆蓋范圍。3.系統的電源部分有基站和射頻卡兩個,基站由于安裝在巷道中需要在井下設立電源箱〔礦用防爆型為其供電。電源箱將井下變電所輸出的高壓經過變壓、整流、穩壓得到本安供電電源輸出；射頻卡由于采取有源形式〔識別距離較遠,需要設計供電部分,可以采用充電電池或者直接從井下工人礦工帽的蓄電池中取電。4.地面的顯示部分采用基于GIS開發的圖形顯示界面,方便管理,同時易于整合其他信息資源〔比如地質和水文。考慮到井下工作環境的變化性,采用CAN總線可以方便的擴充基站,配合煤礦井下巷道的延伸。2井下人員定位系統的基本原理2.1定位系統概述井下人員定位系統的設計目的一是為了礦井正常運作時對井下工作人員進行管理,另外一個目的是一旦發生安全事故可以為救援隊提供被困人員的位置和狀態信息,贏取寶貴的救援時間。因此從這兩個目的出發來考慮定位系統的設計方案。從目前的應用看,定位系統有多種形式。1.GPSGPS〔GlobalPositioningSystem全球定位系統具有高精度、全天候、高效率、多功能、操作簡便等特點,是最常見的一種定位系統,主要為船舶、汽車、飛機等運動物體進行定位導航。GPS定位系統正常工作需要空間部分〔衛星、地面控制部分〔主控站、監測站、地面控制站和用戶設備部分〔GPS信號接收機。定位的基本原理是測量出已知位置的衛星到用戶接收機之間的距離,然后綜合多顆衛星的數據按照定位解算方法進行定位計算,計算出用戶所在的地理位置的經緯度、高度、速度、時間等信息。2.短距離定位技術短距離定位是相對于全球定位而言的,其工作原理和GPS定位原理都是基于電磁波定位技術。短距離定位技術的應用范圍一般為幾十公里,其定位系統主要由分布在定位區域邊緣的基站和定位區域中的移動接收站組成。移動站通過測量到基站的距離,然后根據基站的位置信息按照定位解算方法進行計算,即可計算出移動站在定位區域中的位置。2.2井下人員定位系統的基本原理由上述可知,GPS定位系統技術成熟、應用廣泛,但對于井下定位系統的實現有一定難度。首先由于現有的移動通信網的無線信號不能穿透到礦井井下,因此不能直接實現井下與井上的無線通信,為了通信還要建立井下移動通信網絡；另外使用GPS定位系統的成本較高,對于我國這樣一個煤礦眾多,井下工作人員眾多的國家不太實用。實際上井下人員定位系統正是基于短距離無線定位技術,但由于煤礦井下環境與地面差別較大,信號在傳輸路徑衰減嚴重,干擾較多,且不易穿透巷道,無線傳輸只能局限在巷道中。目前,井下人員定位系統一般采用在井下巷道中建立多處無線通信基站,由井下的工作人員攜帶無線收發裝置,以此實現井下的無線通信。實際上井下人員定位系統的關鍵環節正是井下的無線通信問題,一旦建立起無線通信系統,即可實現許多附加的功能,其中包括定位功能。圖2-1為井下人員定位系統的原理圖。圖中BS為無線通信基站,基站沿煤礦井下巷道分布,覆蓋井下工作人員的活動范圍；MS是移動站,即井下工作人員隨身攜帶的無線收發裝置,能向基站發送自身ID以識別工作人員；現場總線部分負責把所有的基站連接起來和地面進行通信,及時將井下的無線定位數據傳送到地面進行處理和顯示；地面的處理顯示中心將接收的定位數據與基站的實際物理位置進行比對,判斷出對應數據的位置,再通過查詢人員ID號得到人員的位置數據。為了直觀顯示結果可以采用GIS以電子地圖的形式對人員的位置進行顯示；遠程監控部分方便各個管理層及時了解礦井的工作情況,實現多級監管。現場總線BS現場總線BSBSBS無線通信MSMSMS避雷器網關地面處理與顯示中心遠程監控部分礦井巷道地面圖2-1井下人員定位系統的原理框圖圖2-2井下人員定位系統工作示意圖圖2-2為系統的工作示意圖,井下不同的巷道中分別安裝有一些BS〔基站,BS安裝的物理位置是確定的,這樣井下位置就可以反映到電子地圖上。Tag〔電子標簽由工人攜帶,工人在巷道中工作時,其攜帶的Tag會被某個BS所識別到,由于Tag與實際的工人人員是一一對應的,因此BS就能識別出工作人員。當BS的數據傳輸到地面后,參照BS的物理位置和Tag的人員對應列表就可以獲得工作人員的定位信息,同時可以將監控數據實時進行顯示。3系統的功能劃分由系統的工作原理可以得出系統主要有幾部分功能模塊組成,為了便于對系統進行設計,根據系統各部分的工作特點,將井下人員定位系統分為三個子系統：井下無線監測子系統、地面數據處理子系統和礦井上下的通信子系統。在具體設計各個子系統時可以再將其進行功能劃分,以方便模塊化設計。3.1井下無線監測子系統井下無線監測子系統主要由無線監測基站和移動站兩部分組成。移動站中存儲有包含工作人員個人信息的數據,基站〔BS通過與移動站〔MS通信讀取存儲在移動站中的人員信息。然后基站將這些信息傳送到井上的數據處理中心,井上的數據處理中心根據井下基站的位置信息,對基站傳送回來的數據進行分析處理,然后得出人員的位置信息。1.基站〔BS的功能：a完成基站〔BS與移動站〔MS的無線通信,要求基站具有無線收發功能。b完成基站〔BS與地面數據處理中心的通信,要求基站具有串行通信功能。c完成對移動站的通信控制,要求基站具有一定的數據處理能力和數據存儲功能。2.移動站〔MS的功能：a完成移動站〔MS與基站〔BS的無線通信,要求移動站具有無線收發功能。b完成基站〔BS指令的數據操作,要求基站具有一定的數據處理和數據存儲功能。3.2地面數據處理子系統地面數據處理子系統完成對井下采集信息的分析與處理。地面數據處理子系統包括：數據接收部分,數據傳輸部分,數據分析計算部分,數據存儲部分,數據顯示部分。1.數據接收部分數據接收部分完成地面數據處理子系統與井下監測子系統通信的接口,主要是將井下傳送來的串行數據暫存入計算機,完成數據校驗等預處理,同時還能接受上層的管理命令,對井下監測子系統進行控制。2.數據傳輸部分為了方便對數據進行處理,并為監管部門提供監測數據需要對監測數據共享。數據傳輸部分主要負責數據在各個部門之間的共享傳輸,并控制數據的實時更新與同步。3.數據分析計算部分考慮到井下無線監測部分的數量很多,若使用數據處理功能較強的裝置則系統成本必然很高,因此采用井下無線監測加地面數據處理的模式。井下部分只完成數據的采集任務,減輕井下的數據處理負擔。數據傳送到地面后,由地面上計算功能強大的計算機完成數據的計算分析與處理。地面數據處理子系統事先把基站的位置信息存入計算,當接收到井下的監測數據后,計算機根據已存入基站的位置信息計算人員的位置,并可對人員進行位置跟蹤,工作時間統計等。數據的分析具體包括：位置信息計算,人數統計,時間計算,軌跡計算等。4.數據存儲部分井下人員定位系統一方面要實時反映井下人員的位置信息,另一方面還要對人員的出勤情況,工作內容等進行記錄和統計,以方便對人員的管理。同時數據存儲部分還要為顯示部分提供數據源,方便通過直觀的顯示畫面查看相關信息。5.數據顯示部分數據顯示部分完成人機接口,方便人員查看信息。數據顯示部分要能夠實時顯示井下人員的位置狀況,能夠提供歷史信息的查詢服務,能夠接收命令的輸入與執行以完成對系統的管理。3.3井下與地面通信子系統該通信子系統負責完成井下與地面的數據傳輸,主要有三個功能模塊：基站接口、傳輸線路和地面端接口。通信可以用RS-485或現場總線等工業控制中的遠程傳輸技術來實現。對該子系統的要求是：系統的容量大、傳輸可靠、協議簡單、安裝與維護成本低。1.基站接口接口主要完成基站數據到傳輸線路的通信,由于基站主控芯片功能有限,若沒有集成接口則需要設計接口電路。2.傳輸線路根據選定的通信方案來確定傳輸線纜的類型,如果有可能的話可以和井下其它監測系統共用傳輸線路,節省成本。3.地面端接口與計算機的通信可以采用標準串口〔RS-232,但傳輸線路卻不能使用RS-232這種計算機的標準接口,因為這種通信的距離太短〔小于等于15m。因此與基站部分相同,可以設計接口將傳輸線路轉換為RS-232與PC機進行通信。4井下無線通信子系統設計4.1通信的基本知識本報告中涉及較多的通信內容,下面簡單介紹下通信中要考慮的幾個問題。信號的轉換與編碼通常信號有模擬信號和數字信號之分,模擬信號是在幅值和時間上都連續的信號,數字信號則是在幅值和時間上都離散的信號。模擬信號和數字信號都可以用于數據通信,但由于二者之間有明顯的差異,其用途也不相同。比如電話網絡傳送的是模擬信號,而計算機總線上傳送的是數字信號。一般不同的傳輸線路只能傳輸特定的信號,模擬和數字信號不能同時傳輸。當需要是就要對信號進行變換。比如計算機的數字信號要通過電話網絡傳輸,就要先將數字信號轉換為模擬信號,然后再進行傳輸。在數字信號的傳送中,為了使二進制"1"和"0"的特性有利于傳輸,需要對信號進行編碼幾種比較常見的編碼方法有：不歸零編碼〔NonReturntoZero,NRZ、偽三元碼〔Pseudoternary、曼徹斯特〔Manchester編碼、差分曼徹斯特編碼〔DifferentialManchesterEncoding等。差錯控制在數據的通信過程中,數據傳輸的各個環節都可能產生差錯,為了保證通信的正常進行需要對差錯進行控制。所謂差錯控制是指對于數據傳輸設備、數據通信線路和通信控制器等產生的差錯進行控制。實際系統中數據傳輸設備和通信控制器本身所產生的誤差很小,因此數據通信中的差錯主要來自于數據通信線路。差錯控制方式基本上有兩類：一類是接收端檢測到接收的數據有錯時,接收端自動糾正錯誤；另一類是接收端檢測出錯誤后不自動糾錯,而是通過反饋信道發送一個表示錯誤的應答信號,要求重發,直到正確接收為止。目前通信系統中的差錯控制方式有：反饋糾錯、前向糾錯、混合糾錯。為了控制差錯必須先檢測出錯誤,這就是差錯的檢測。常用的差錯檢測方法是對數據進行校驗。常用的校驗碼有：奇偶校驗碼、恒比碼、漢明碼、循環碼。其中循環碼是一種使用較多的冗余校驗技術。多路復用在通信過程中,傳輸媒體的帶寬往往超過傳輸單一信號的需要,為了提高傳輸媒介的利用率,降低成本,希望在一個信道上可以同時傳輸多路信號,也即是多路復用問題。多路復用技術是指在數據傳輸系統中,允許兩個或兩個以上的數據源共享一個公共傳輸介質,把多個信號組合起來再一條物理信道上進行傳輸。這樣就好像每個數據源都有自己的信道一樣,因此采用多路復用可以將若干個無關的信號合并為一個能在一條共享信道上傳輸的復合信號。多路復用通常可以分為：頻分復用〔FDM、時分復用〔TDM、波分復用〔WDM和碼分復用〔CMD等。另外碼分多址〔CodeDivisionMultipleAccess,CMDA是移動通信中的一種信號處理方式,每個用戶在通信期間占用所有的頻率和所有時間,但不同的用戶具有不同的正交碼,可以區分不同用戶的信息,避免相互干擾。傳輸模式數據傳輸模式是指數據在信道上傳輸所采取的方式。在計算機內部各部件之間,計算機與各種外設之間,計算機與計算機之間,都以通信的方式傳遞數據信息。數據傳輸模式可以分為不同的類型,按數據代碼傳輸的順序可以分為并行傳輸和串行傳輸；按數據傳輸的同步方式可以分為同步傳輸和異步傳輸；按數據傳輸的流向和時間的關系可以分為單工、半雙工和全雙工；按傳輸的數據信號特點可分為基帶傳輸、頻帶傳輸和數字數據傳輸。傳輸協議在通信過程中,為了控制通信的雙方進行信息的發送和接收,需要有一個通信雙方都要遵守的"規則庫",或者說通信的雙方需要使用一種共同的"語言"來進行信息的交流。這個"規則庫"或者說"語言"就是通信的傳輸協議。傳輸協議定義了什么是通信,如何進行通信以及何時進行通信等問題。4.2井下人員定位系統無線通信解決方案及對比經過前面的分析,不難發現問題的難點集中在井下的無線通信上。由于井下環境惡劣,噪聲、干擾嚴重,給無線通信帶來的很大的不便。此外從安全角度來說也不允許無線設備的發射功率過大,另外還要按照礦用標準進行嚴格設計。從技術角度看,目前短距離無線通信的解決方案有多種,下面簡要介紹一下幾種不同的短距離無線通信方案。藍牙<Bluetooth>藍牙技術最初是由Ericsson、Nokia、IBM、Intel、Toshiba等公司聯合于1998年提出的,主要面向短距離,低功率,低成本的應用環境,以解決手機、PDA、筆記本電腦等移動設備間的通信問題。藍牙技術是一種能夠實現語音和數據無線傳輸的開放性方案,藍牙技術產品是采用低能耗無線電通信技術來實現語音、數據和視頻傳輸的,其傳輸速率最高為每秒1Mb/s,以時分方式進行全雙工通信,傳輸距離在10m以內,增加天線后可達到100m。藍牙產品采用的是跳頻技術,能夠抗信號衰落；采用快跳頻和短分組技術,能夠有效地減少同頻干擾,提高通信的安全性；采用前向糾錯編碼技術,以便在遠距離通信時減少隨機噪聲的干擾；采用24GHz的ISM頻段,以省去申請專用許可證的麻煩；采用FM調制方式,使設備變得更為簡單可靠。總之,藍牙技術產品與因特網Internet之間的通信,使得家庭和辦公室的設備不需要電纜也能夠實現互通互聯,大大提高辦公和通信效率。由于藍牙協議及相關堆棧都很復雜,對某些簡單應用就是多余的。另外藍牙的功耗也較大。HomeRFHomeRF<家庭射頻>是ITU<國際電信聯盟>內部的一個組,成立于1998年3月,主要為家庭網絡設計,其主要工作是開發低成本射頻語音、數據通信標準。HomeRF技術是DECT<DigitalEnhancedCordlessTelephone：數字增強型無繩電話>和WLAN<WirelessLocalAreaNetwork：無線局域網>技術相互融合發展的產物。HomeRF工作組開發了共享無線應用協議SWAP<SharedWirelessAccessProtocol>,它融合了無線局域網IEEE80211采用的CSMA/CA<CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionAvoidance：載波偵聽多路訪問/沖突避免>方式和DECT使用的TDMA<Time-divisionMultipleAccess：時分多路復用>方式,適合于話音和數據業務,并且特地為家庭小型網絡進行了優化。目前使用的家庭射頻芯片工作在2.4GHz頻段,采用數字跳頻擴頻技術,速率為50W秒,共有75個帶寬為1MHz跳頻信道。調制方式為恒定包絡的FSK<FrequencyShiftKeying：頻移鍵控>調制,分為2FSK與4FSK兩種。采用跳頻調制可以有效地抑制無線環境下的干擾和衰落。2FSK方式下,最大數據的傳輸速率為1Mb/s,4FSK方式下,速率可達2Mb/s。在HomeRF2x中,數據峰值高達610Mb/s,接近IEEE802l1b標準的11Mb/s,能滿足未來的家庭寬帶通信。HomeRF最早由Proxim公司開發,已經被美國聯邦通訊委員會接納為標準。HomeRF的不足在于在功能上過于局限家庭應用。ZigBeeZigBee聯盟成立于20XX8月,由英國Invensys公司、日本三菱電氣公司、美國摩托羅拉公司以及荷蘭飛利浦半導體公司組成,如今已經吸引了上百家芯片公司、無線設備公司和開發商的加入。ZigBee使用24GHz波段,采用跳頻技術,它具有下述特點：傳輸速率低：10kbps-250kbps；功耗低：兩節普通5號干電池可使用半年到兩年；成本低：由于ZigBee數據傳輸速率低、協議簡單,所以大大降低了成本；網絡容量大：每個ZigBee網絡最多可支持255個設備,也即每個ZigBee設備可與另外254臺設備相連接；有效范圍小：有效覆蓋范圍為10m－75m；工作頻段靈活：使用24GHz,868MHz<歐洲>及915MHZ<美國>免執照頻段。RFID〔射頻識別射頻識別技術<RFID,即RadioFrequencyIdentification>是從20世紀80年代起走向成熟的一項自動識別技術。它利用射頻方式進行非接觸雙向通信,實現人們對各類物體或設備<人員、物品>在不同狀態<移動或靜止>下的識別和數據交換。與同期或早期的接觸式識別技術不同的是RFID系統的射頻識別卡和讀卡器之間不用接觸就可完成識別。它具有以下特點：<1>操作方便,工作距離長,可以實現對移動目標的識別；<2>無硬件接觸,避免了因機械接觸而產生的各種故障,使用壽命長；<3>射頻識別卡無外露金屬觸點,整個卡片完全密封,具有良好的防水、防塵、防污損、防磁、防靜電性能,適合在惡劣環境條件下工作；<4>對無線傳輸的數據都經過隨機序列的加密,并有完善、保密的通信協議。卡內序列號是唯一的,制造商在卡出廠前已將此序號固化,安全性高；<5>卡內具有防碰撞機制,可同時對多個移動目標進行識別；<6>信號的穿透能力強<可穿透墻壁、路面、衣物、人等>,數據傳輸量小,抗干擾能力強,感應靈敏,易于維護和操作。WIFIWIFI全稱WirelessFidelity,采用802.11a/b/g標準,它的最大優點就是傳輸速度較高,可以達到54Mbps,另外它的有效距離也很長,同時也與已有的多種設備兼容。其優點主要體現在以下方面：<1>無線電波的覆蓋范圍廣,基于藍牙技術的電波覆蓋范圍非常小,半徑大約只有50英尺左右<約合15m>,而WIFI的半徑則可達100m。<2>WIFI手機的無線通信質量非常好,就是在嘈雜的環境下,也能有很好的過濾功能。<3>WIFI技術傳輸速度非常快,可以達到11Mbps,符合個人和社會信息化的需求。<4>WIFI手機通過TCP/IP協議進行數據交換,在網絡上的工作效率更高。無線MESH網絡<無線網狀網絡>也稱為"多跳<mult-hop>"網絡,它是一種與傳統無線網絡完全不同的新型無線網絡技術。在傳統的無線局域網<WLAN>中,每個客戶端均通過一條與AP相連的無線鏈路來訪問網絡,用戶如果要進行相互通信的話,必須首先訪問一個固定的接入點<AP>,這種網絡結構被稱為單跳網絡。而在無線MESH網絡中,任何無線設備節點都可以同時作為AP和路由器,網絡中的每個節點都可以發送和接收信號,每個節點都可以與一個或者多個對等節點進行直接通信。這種結構的最大好處在于：<1>無論固定組網還是移動組網,都能夠迅速按需形成任意拓撲；<2>拓撲遭遇節點高速、高頻變換時,無線網狀網能夠自動調整拓撲并維持連接；<3>能夠采用靈活的多跳傳輸,可隨需擴展,非常適合有線不方便或成本很高的場合；基于無線MESH網絡結構的以上優點和煤礦井下環境惡劣、組網復雜等特殊條件,無線MESH網絡很適合在煤礦井下應用。幾種無線通信方案的比較表4-1無線通信方案參數比較Tab.4-1Camparisonofparametersofseveralcommunicationprogram無線通信方式功耗速率距離頻率容量成本藍牙大中短ISM小高HomeRF中中中ISM小低ZigBee小低中ISM大中RFID中低中低、中、高大中WIFI小高遠ISM大高4.3無線通信方案的確定經過上述比較,得出以下結論：1藍牙技術功耗大,通信距離短,協議復雜,不適合井下通信。2HomeRF技術中等,但由于是針對家庭應用設計,因此有局限性。3WIFI技術先進,通信距離遠,傳輸速率高,但用在定位系統上有點"大材小用",且成本較高。4ZigBee技術也具有較多優點,適合于組建無線通信網絡。但考慮到井下環境復雜,若采用無線組網的方式配置起來較為復雜,沒有采用有線通信方式可靠。因此也不予采用。5RFID技術各項指標較為中等,功耗較低,通信距離較遠,技術成熟,已在多種領域有成功的應用。采用RFID技術對井下人員攜帶的射頻標簽進行識別,再通過有線方式將基站信息傳送到地面,即可完成井下人員定位的任務。由于系統的工作頻率與通信距離有較大關系,考慮到低頻和高頻信號的傳輸特點,采用RFID中的UHF頻段,這也是目前遠距離RFID系統的工作頻段,關于發射功率問題要參考有關的無線管制規定和礦井的安全操作規程。4.4無線通信子系統的硬件設計無線通信子系統由兩部分組成：基站〔BS和移動站〔MS。根據功能劃分部分所述,基站〔BS部分需具有無線收發功能、串行數據傳輸功能和數據存儲、處理功能。移動站〔MS部分需具有無線收發功能、數據存儲和處理功能。基站硬件電路設計考慮到基站的功能要求將基站的硬件電路分為五個功能模塊,如圖4-1所示,這五個模塊是：通信模塊、時鐘模塊、無線收發模塊、主控單元和電源模塊。這些的模塊的功能如下：通信模塊：負責基站〔BS與地面的通信,完成現場總線與主控單元的接口功能；時鐘模塊：負責提供日期與時間數據,方便記錄井下的監測數據,當基站向地面傳送定位數據時同時傳送定位時間信息；無線收發模塊：完成基站與射頻卡的無線通信,包括無線通信協議和數據的防碰撞算法部分；主控單元：控制無線收發模塊、通信模塊和時鐘模塊的工作,進行相應的數據存儲和處理；電源模塊：從井下的供電線路中獲取電源,并變換整定出穩定可靠的直流電壓,為基站提供不同等級的電壓,滿足供電要求。由于通信模塊與井下和地面所采取的通信方式有關,將其設計內容放在第三個子系統的設計中來考慮。下面分別設計基站的其他四個模塊,為了合理的選用器件,按照無線收發模塊、主控單元、時鐘模塊、電源模塊的順序依次進行設計。圖4-1基站原理框圖〔1無線收發模塊無線收發模塊的設計大體有兩種方案：一是利用分立器件搭建無線收發電路,另一種是直接選用具有無線收發功能的集成芯片。從設計的方便性和可靠性來考慮,應選用集成度較高的單片射頻收發芯片。這是因為一方面可以避免用分立元件搭建無線收發電路,提高系統工作的可靠性；另一方面由于單片射頻收發芯片可以獨立完成無線收發任務,也可以減輕傳輸控制電路的負擔。目前有多種功能不同的單片射頻收發芯片,下面介紹其中典型的幾種。1XE1202XE1202是將無線發射與接收功能集成在單一芯片上的射頻收發芯片,芯片內集成了射頻發射、射頻接收、PLL合成、FSK調制等電路,具有高速率、超低功耗等功能。可以工作在433MHz、870MHz和915MHzISM頻段,其數據傳輸速率可以達到76.8kbps。XE1202采用連續相位的兩級頻移鍵控〔CPFSK方式。XE1202的接收部分集成有低噪聲放大器〔LNA和下變頻器,采用直接變頻方式,具有濾波通道和接受用的解調器,微控制器接口可以直接對數據進行處理,并可以產生同步數據時鐘〔CLKD。XE1202的發射部分可以提供一個完整的通道,完成從數據到天線的傳送,該部分帶有一個可以對頻偏進行編程的直接上變頻器,并可以對RF輸出功率進行控制。芯片具有3線總線接口,可以通過3線總線以及外部引腳來設置傳輸狀態,僅需要極少的外部元件〔天線匹配網絡、振蕩電路、SAW振蕩器即可完成接收和發射的雙重功能。發射功率也可以通過總線來控制。2nRF2401nRF2401是單片射頻收發芯片,工作于2.4～2.5GHzISM頻段,芯片內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調制器等功能模塊,輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。芯片能耗非常低,以-5dBm的功率發射時,工作電流只有10.5mA,接收時工作電流只有18mA,多種低功率工作模式,節能設計更方便。其DuoCeiverTM技術使nRF2401可以使用同一天線,同時接收兩個不同頻道的數據。nRF2401適用于多種無線通信的場合,如無線數據傳輸系統、無線鼠標、遙控開鎖、遙控玩具等。nRF2401有工作模式有四種：收發模式、配置模式、空閑模式和關機模式。nRF2401的工作模式由PWR_UP、CE、TX_EN和CS三個引腳決定。nRF2401的收發模式有ShockBurstTM收發模式和直接收發模式兩種,收發模式由器件配置字決定。nRF2401的所有配置工作都是通過CS、CLK1和DATA三個引腳完成,把其配置為ShockBurstTM收發模式需要15字節的配置字,而如把其配置為直接收發模式只需要2字節的配置字。由上文對nRF2401工作模式的介紹,我們可以知道,nRF2401一般工作于ShockBurstTM收發模式,這樣,系統的程序編制會更加簡單,并且穩定性也會更高。3nRF9E5nRF9E5是真正的系統級無線射頻收發芯片,內嵌高性能8051MCU,4通道12位ADC。內置nRF905收發器,包括所有nRF905芯片的特性,可以工作在Shockburst模式下〔自動處理前綴,地址和CRC,最大程度抑制了噪聲,工作電壓范圍為1.9V-3.6V。芯片的最大輸出功率為+10dBm。只需極少的外圍元件就能組建一個完整的射頻收發電路。芯片還具有載波檢測功能,能有效的減少數據的碰撞。應用領域：無線數據通訊、報警和安全系統、自動測試系統、家庭自動化控制、遙控裝置、監測、車輛安全系統、工業控制、無線通信、電信終端等。4CC1010CC1010是基于Chipcon'sSmartRF技術的單片可編程UHF收發器芯片,電路工作在315/433/868/915MHzISM頻段〔300MHz-1000MHz。在典型的應用中,僅需少數的幾個外接元件。靈敏度為-109dBm,可編程輸出功率為-20dBm~10dBm,FSK調制,數據傳輸速率可達76.9kbps,2.7~3.6V低電源工作。芯片內嵌與8051兼容的微控制器〔MCU、32KBFlash、2048+128BytesSRAM、3通道10bitADC、4個定時器、2個脈沖寬度調制〔PWM輸出、2個通用異步串行收發〔UART接口、實時時鐘〔RTC、看門狗〔WatchDog、串行外設接口〔SPI、DES編碼,26個通用I/O口。適合與計算機遙測遙控、安放、家庭自動化、汽車儀表數據讀取等無線數據發射/接收系統中使用。上面介紹的幾種射頻收發芯片都能通過簡單的外圍電路來完成無線收發功能。其中前兩種射頻收發芯片內部沒有集成微控制器〔MCU,需要增加微控制器〔MCU來對數據的發送和接收進行控制,而且內部硬件資源較少,但價格相對較低,適用于簡單、低成本的無線通信電路；后面兩種內部集成有與8051兼容的微控制器〔MCU,并具有多種硬件資源,功能強大,但同時價格也高。由于井下環境惡劣,通信條件較差,為了保證數據傳輸的可靠性需要使用可靠的通信協議和數據差錯控制算法,另外還要考慮到RFID通信過程中的數據防碰撞問題,而這些都需要微處理器〔MCU來完成。如果選用內部沒有集成MCU的射頻芯片,那么這些工作都要由基站的主控MCU來完成,這會增加主控MCU的負擔,由于主控MCU還要完成其他的控制任務,為了保證系統的可靠工作還需要增加一片MCU專門來完成無線收發的控制任務,這樣就增加了系統的復雜性,同時也增加了系統成本。因此考慮采用內部集成有MCU的射頻芯片。nRF9E5和CC1010都是內部集成有兼容8051MCU的單片射頻收發芯片,都具有豐富的硬件資源,可以完成復雜的通信任務。考慮到CC1010雖然硬件資源較為豐富,但價格較高,因此采用nRF9E5。下面具體介紹一下這款芯片。nRF9E5是挪威NordicVLSI公司于20XX2月推出的系統級RF芯片。該芯片采用+3VDC供電,面積為5mm×5mm,共有32個外部引腳。nRF9E5嵌入了nRF905433/868/915MHz無線收發芯片、集成增強型MCS8051微控制器和4個通道的10位A/D轉換器,采樣速率為80kbps,內含1.22V電壓基準、電源管理、PWM輸出、UART異步串口、SPI通訊接口、邏輯接口電路、看門狗電路、多通道可編程喚醒,以及CRC檢驗和多點通信控制,高頻電感和濾波器等已經全部內置,芯片的一致性能好、穩定且不易受干擾。采用GFSK調制,抗擾能力強,支持多點通訊,數據傳輸速率高達0.1Mbps。具有特有的ShockBurst信號發射模式和發射信號載波監測功能,可有效降低功耗電流、避免數據沖突。nRF9E5沒有復雜的通訊協議,完全對用戶透明,同種產品之間可以自由通訊,內置的CRC糾錯硬件電路和協議免去了軟件開發人員的軟件糾錯編程和微控制器的糾錯運算,降低了無線應用的開發難度。外圍電路連接極為簡單,只需要一個晶體管和一個電阻,nRF9E5輸出端ANT1、ANT2外接50單天線終端裝置,信號有效發射距離無遮擋時可達800m以上,樓道內收發也可達到250m左右,對障礙物具有一定的穿透能力,且其最大發射功率僅為10DBm<10毫瓦>,收發狀態切換時間小于650ms。由于nRF905功耗低,工作可靠,因此很適用于井下人員定位系統設計。nRF9E5的外部電路非常簡潔,除了天線輸入輸出匹配濾波網絡、電壓偏置控制電阻和時鐘振蕩晶振外,基本不需要其它元件。但由于nRF9E5中沒有提供程序存儲空間Flash,所以每次上電復位后它都需要通過其SPI接口從外部程序存儲空間中導入4K的程序存放在內部4K的RAM中,為了適應nRF9E5這一特點,我們選用Microchip公司帶SPI接口的串行EEPROM25AA320芯片作為射頻卡的程序存儲器,該芯片支持低電壓工作,最低工作電壓為l.8V,且該芯片的存儲空間為4K。表4-2和表4-3分別是nRF9E5的特性和參考數據。表4-2nRF9E5的特性Tab.4-2FeaturesofnRF9E5內置nRF905433/868/915MHz頻率可調收發器內嵌兼容工業標準8051微控制器4輸入10位80kspsAD轉換器工作電壓：1.9~3.6V封裝：32pinQFN〔55mm只需極少的外圍元件內置VDD電源監控模塊掉電模式時工作電流：2.5最大輸出功率：+10dBm頻道切換時間：650s低MCU供電電流：1mA,4MHz@3V適合高頻應用具有載波檢測功能低供電電流,發射時的典型值：11mA@-10dBm,接收時的典型值：12.5mA對于nRF9E5而言,其最大的優點是具有載波檢測功能。在ShockBurst接收方式下,當出現nRF9E5工作信道內的射頻載波時,載波檢測引腳<CD>被置高,這個特性很好的避免了同一工作頻率下不同發射器數據包之間的碰撞,有效的防止了信號的干擾。當收發器準備發射數據時,它首先進入接收方式并探測所工作的信道是否空閑。載波檢測的標準一般比靈敏度低5dB,比如,靈敏度為-100dBm,載波檢測功能探測低至-105dBm的載波。也就是說,載波低于-105dBm,載波檢測信號為低<一般為0>,高于-95dBm,則載波檢測信號為高<一般為VDD>,介于-105~95dBm之間,載波檢測信號可能為低也可能為高。nRF9E5的內部主要由微控制器〔MCU模塊和射頻模塊〔nRF905組成,圖4-1為nRF9E5的結構框圖。下面簡單介紹一下這兩個模塊。nRF9E5內嵌的微控制器兼容工業標準8051,典型的指令周期為4~20個時鐘周期,與標準8051的12~48個時鐘周期相比,運算速度要快的多。另外微控制器模塊還比標準8051多了5個特殊的中斷源：ADC,SPI,2個射頻相關中斷,一個喚醒功能。模塊具有3個與8052兼容的定時器,在采用串口通信〔UART時波特率可以用定時器1也可以用定時器2生成。同時微控制器的時鐘由外部晶振得到,時鐘頻率控制靈活。表4-3nRF9E5的參考數據參數值單位最低供電電壓1.9V溫度范圍-40~+85發射功率為-10dBm時的發射電流11mA接收模式下的電流12.5mA微控制器4MHz@3volt時的供電電流1mAADC工作電流0.9mA最大發射功率10dBm數據傳輸率100Kbps靈敏度-100dBm低功耗模式下的工作電流2.5AnRF9E5內嵌處理器的存儲單元比較特殊,它是由一塊與80C52兼容的256個字節RAM和512個字節ROM及一個4K的RAM組成。512個字節的ROM中包含一個初始裝載程序,當系統上電或程序復位時,這個初始裝載程序將引導系統通過SPI接口將用戶編寫的放在一塊外部串行EERPMO程序存儲器中的程序調入內部4K的RMA中,然后系統在根據調入到RAM中的程序運行。對于外部EEPROM中存放的程序格式,nRF9E5系統也專門做了規定。在nRF9E5中,除了內置8051單片機外,另一個重要模塊就是射頻收發單元,該模塊電路與單芯片射頻收發器nRF905一樣,它與內嵌MCU是通過內部并行口P2和內部SPI模式進行通信的。數據準備好、載波檢測、地址匹配都能通過程序控制引起相應中斷。4Kbyte4KbyteRAMBootLoader256byteRAM7-channelinterruptionUART0Timer0Timer1Timer2CPU8051compatiblemicrocontrollerA/DconverternRF905433/868/915MHzreadiotranceiverBIASXTALoscillatorpowermgmtResetRegulatorsPortlogicPWMlowpowerRCoscillatorWatchDogRTCTimer8.chprogrammablewakeupSPIAIN3<26>AINT1〔20AINT2〔21VDD_PA〔19AIN2<27>AIN1<28>AIN0<29>AREF<30>IREF〔23XC2〔15XC1〔14VSS<5>VSS<16>VSS<18>VSS<22>VSS<24>VDD<4>VDD<17>VDD<25>DVDD_1V2<31>P00<32>P01<1>P02<2>P03<3>P04<6>P05<7>P06<8>P07<9>SDI25320SDOSCKCSNMISO<11>SCK<12>MOSI<10>圖4-2nRF9E5的結構框圖nRF905是一個可工作于433/868/915MHz的射頻收發器,它內部帶有完整的頻率合成單元,功率放大器,FSK調制和接收單元。該射頻收發器的輸出信號功率和載波頻率都可以方便的編程并通過SPI口傳送給nRF905內核。當信號輸出功率為-10dBm時,射頻模塊電路的電流消耗僅為9mA,當接收信號時,射頻模塊電路的電流消耗僅為12.5mA。同時為了節省功耗,射頻模塊還可以由程序控制開啟和關斷。為了實現微控制器〔MCU對射頻收發單元的控制,nRF9E5定義內嵌的8051MCU的P2口專門用于控制射頻收發模塊nRF905.因此射頻模塊的工作受特殊功能寄存器P2和SPI_CTRL控制。P2寄存器的每一位對應射頻收發模塊nRF905的相應引腳。nRF9E5采用32引腳的QFN封裝,引腳分配圖如下：圖4-2nRF9E5的引腳圖下面是nRF9E5的引腳工能列表。表4-4nRF9E5的引腳功能列表引腳名稱功能說明1P01數字輸入輸出雙向數字輸入輸出2P02數字輸入輸出雙向數字輸入輸出3P03數字輸入輸出雙向數字輸入輸出4VDD電源工作電源〔+3VDC5VSS電源地〔0V6P04數字輸入輸出雙向數字輸入輸出7P05數字輸入輸出雙向數字輸入輸出8P06數字輸入輸出雙向數字輸入輸出9P07數字輸入輸出雙向數字輸入輸出10MOSISPI接口SPI輸出11MISOSPI接口SPI輸入12SCKSPI時鐘SPI時鐘13EECSNSPI使能SPI使能,低有效14XC1模擬輸入晶體振蕩器1腳/外部時鐘輸入腳15XC2模擬輸出晶體振蕩器2腳16VSS電源地〔0V17VDD電源電源〔+3VDC18VSS電源地〔0V19VDD_PA電源輸出給nRF905功率放大器提供的+1.8V電源20ANT1RF-端口天線接口121ANT2RF-端口天線接口222VSS電源地〔0V23IREF模擬輸入參考電流24VSS電源地〔0V25VDD電源電源〔+3VDC26AIN3模擬輸入ADC輸入327AIN2模擬輸入ADC輸入228AIN1模擬輸入ADC輸入129AIN0模擬輸入ADC輸入030AREF模擬輸入ADC參考電壓31DVDD_1V2電源輸出數字電源去耦輸出32P00數字輸入輸出雙向數字輸入輸出下面是nRF9E5的應用電路圖4-3nRF9E5的應用電路由應用電路圖可以看出,nRF9E5的外圍元件很少,只需外接晶振電路、天線、外部存儲器和電源電路。芯片的引出腳可以方便的與MCU進行接口。由于內部嵌入了微控制器〔MCU因此數據的通信協議、數據的防碰撞算法都可以由射頻芯片完成,從而減輕了主控芯片的負擔。〔2主控單元主控單元主要管理無線數據的收發,以及與地面的有線通信,同時還要執行地面發送的命令。根據功能要求可以選擇一款合適的單片機來實現傳輸控制。目前市場上常用的單片機有：MCS-51系列、AVR單片機、PIC單片機。151系列單片機MCS-51單片機是美國Intel公司于1980年推出的產品,典型產品有8031〔內部沒有程序存儲器,實際使用方面已經被市場淘汰、8051〔芯片采用HMOS,功耗是630mW,是89C51的5倍,實際使用方面已經被市場淘汰和8751等通用產品,一直到現在。MCS-51內核系列兼容的單片機仍是應用的主流產品〔比如目前流行的89S51、已經停產的89C51等。MCS-51單片機影響極深遠,許多公司都推出了兼容系列單片機,就是說MCS-51內核實際上已經成為一個8位單片機的標準。2AVR單片機AVR單片機是1997年由ATMEL公司研發出的增強型內置Flash的RISC<ReducedInstructionSetCPU>精簡指令集高速8位單片機。AVR的單片機可以廣泛應用于計算機外部設備、工業實時控制、儀器儀表、通訊設備、家用電器等各個領域。AVR單片機硬件結構采取8位機與16位機的折中策略,即采用局部寄存器存堆<32個寄存器文件>和單體高速輸入/輸出的方案<即輸入捕獲寄存器、輸出比較匹配寄存器及相應控制邏輯>,提高了指令執行速度<1Mips/MHz>,克服了瓶頸現象,增強了功能；同時又減少了對外設管理的開銷,相對簡化了硬件結構,降低了成本。故AVR單片機在軟/硬件開銷、速度、性能和成本諸多方面取得了優化平衡,是高性價比的單片機。3PIC單片機PIC單片機是MicroChip公司生產的一種RISC單片機。主要有是PIC16C系列和17C系列8位單片機,CPU采用RISC〔精簡指令集結構,分別僅有33,35,58條指令,采用Harvard雙總線結構,運行速度快,低工作電壓,低功耗,較大的輸入輸出直接驅動能力,價格低,一次性編程,小體積。適用于用量大,檔次低,價格敏感的產品。在辦公自動化設備,消費電子產品,電訊通信,智能儀器儀表,汽車電子,金融電子,工業控制不同領域都有廣泛的應用,PIC系列單片機在世界單片機市場份額排名中逐年提高發展非常迅速。通過對上述單片機的比較發現：51系列單片機應用廣泛、技術成熟、資料詳細,但明顯的不足是片上資源較少,且運行速度不快,從基站的功能考慮還要加入較多外部設備,因此增加設計復雜度,不予考慮；PIC單片機型號眾多,產品有不同的層次可以使用不同要求的場合,而且抗干擾能力較好,但無論是芯片還是開發工具都較貴,因此也不予考慮；AVR單片機的功能比較適中,性價比高,而且開發方便,綜合成本低,因此選擇AVR單片機做基站的傳輸控制MCU。AVR單片機有多種型號,功能有所差異,這里選擇Atmega162,該型號單片機有雙串口和SPI接口,方便MCU的通信和控制。下面介紹一下AVR單片機Atmega162。Atmega162是一款基于AVR增強型RISC結構的采用CMOS工藝的高性能低功耗8位微控制器〔MCU。芯片內集成有16K字節Flash,512字節EEPROM,1K字節RAM,外部存儲器擴展最大可達64K字節。具有ISP〔InSystemProgrammable功能,在16MHz晶振下全速工作時指令指令速度可以達到16MIPS,同時芯片具有豐富的外設資源。Atmega162有PDIP和TQTP兩種封裝形式,圖4-4是其PDIP封裝的引腳分配圖。圖4-4Atmega62PDIP封裝引腳分配表4-5是Atmega162的特性參數。表4-5Atmega162特性高性能低功耗的8位AVR微控制器〔MCU先進RISC結構131條功能強大的指令,大部分指令的執行時間為單個時鐘周期。32個8位通用寄存器,全靜態工作,工作于16MHz時性能高達16MIPS,片上兩個時鐘周期的硬件乘法器非易失性程序和數據存儲器16K字節系統內可編程Flash,擦/寫壽命：10,000次,具有獨立鎖定位的可選Boot代碼區,通過片上Boot程序實現系統內編程,真正的同時讀寫操作。512字節的EEPROM,擦/寫壽命：100,000次。1K字節的片內SRAM。可擴展至64K字節的外部存儲空間。可以對鎖定位進行編程以實現用戶程序加密。JTAG接口〔與IEEE1149.1兼容符合JTAG標準的邊界掃描功能,支持擴展的片內調試功能,通過JTAT接口可以實現對Flash、EEPROM、熔絲位和鎖定位的編程外設特點兩個具有獨立預分頻器和比較器功能的8位定時器/計數器,兩個具有獨立預分頻器、比較功能和捕獲功能的16位定時器/計數器,具有獨立振蕩器的實時計數器RTC,6通道PWM,兩個可編程串行USART〔通用同步/異步收發器,可工作主機/從機模式的SPI串行接口,具有獨立片內振蕩器的可編程看門狗定時器,片內模擬比較器特殊的微控制器特點上電復位和可編程的掉電檢測,片內經過標定的RC振蕩器,片內/片外中斷源,5種睡眠模式：空閑模式、省電模式、掉電模式、Standby模式以及擴展Standby模式I/O和封裝35個可編程I/O口,40引腳PDIP封裝,4引腳TQFP封裝,44引腳MLF封裝。工作電壓Atmega162V：1.8~5.5V；Atmega162：2.7~5.5V速度等級Atmega162V：0~8MHzAtmega162：0~16MHz表4-6是針對圖4-3的ATmega162芯片引腳功能列表。表4-6Atmega162引腳功能列表VCC數字電路電源GND地端口A〔PA0~PA7雙向8位I/O口,具有內部上拉電阻。輸出緩沖器具有對稱的驅動特性,可以輸出和吸收大電流,作為輸入時,若內部上拉電阻使能,端口外部電路拉低時將輸出電流。復位過程中,即使系統時鐘未起振,端口A處于高阻狀態。端口A也可以用作其他不同的特殊功能。端口B〔PB0~PB7雙向8位I/O口,具有內部上拉電阻。輸出緩沖器具有對稱的驅動特性,可以輸出和吸收大電流,作為輸入時,若內部上拉電阻使能,端口外部電路拉低時將輸出電流。復位過程中,即使系統時鐘未起振,端口B處于高阻狀態。端口B也可以用作其他不同的特殊功能。端口C〔PC0~PC7雙向8位I/O口,具有內部上拉電阻。輸出緩沖器具有對稱的驅動特性,可以輸出和吸收大電流,作為輸入時,若內部上拉電阻使能,端口外部電路拉低時將輸出電流。復位過程中,即使系統時鐘未起振,端口C處于高阻狀態。如果JTAG接口使能,即使出現復位,引腳PC7<TDI>、PC5〔TMS、PC4〔TCK的上拉電阻也會被激活。端口C也可以用做JTAG接口和其他不同的特殊功能。端口D〔PD0~PD7雙向8位I/O口,具有內部上拉電阻。輸出緩沖器具有對稱的驅動特性,可以輸出和吸收大電流,作為輸入時,若內部上拉電阻使能,端口外部電路拉低時將輸出電流。復位過程中,即使系統時鐘未起振,端口D處于高阻狀態。端口D也可以用做其他特殊功能。端口E〔PE0~PE2雙向3位I/O口,具有內部上拉電阻。輸出緩沖器具有對稱的驅動特性,可以輸出和吸收大電流,作為輸入時,若內部上拉電阻使能,端口外部電路拉低時將輸出電流。復位過程中,即使系統時鐘未起振,端口E處于高阻狀態。端口E也可以用做其他特殊功能。復位輸入引腳。持續時間超過最小門限時間的低電平將引起系統復位。XTAL1反向振蕩放大器與片內時鐘操作電路輸入端XTAL2反向振蕩放大器輸出端圖4-5為Atmega162的結構框圖。portadrivers/buffersportadrivers/buffersportcdrivers/buffersportedrivers/buffersportadigialinterfaceportedigialinterfaceportcdigialinterfacepa0~pa7pe0~pe2pc0~pc7programcounterprogramflashinstructionregisterinstructiondocoderstackpointerSRAMgeneralpurpo