一種用于教學實驗設備的嵌入式無線Wi—Fi通信模塊設計

郭志強+溫渤嬰

摘 要 針對高校微機繼電保護實驗教學設備，提出一種基于MT7681 Wi-Fi（Wireless Fidelity）系統單芯片的無線通信解決方案，詳細介紹以MT7681芯片為基礎的無線通信模塊的設計，在此基礎上對實驗設備的通信部分進行嵌入式開發，取代原有的RS232和USB等有線通信方式，最終實現微機繼電保護系統的無線Wi-Fi通信。

關鍵詞 微機保護；實驗設備；Wi-Fi；嵌入式；MT7681；通信模塊

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2017）18-0031-04

Design of Embedded Wireless Wi-Fi Communication Module for

Teaching Experiment Equipment//GUO Zhiqiang， WEN Boying

Abstract Aiming at the experimental teaching equipment of micro-computer relay protection in school ，This paper presents a single chip wireless communication solution based on MT7681Wi-Fi （Wire-

less Fidelity） Single chip system， The design of wireless communi-cation module based on MT7681 chip is introduced in detail. On the

basis of the above， the communication part of the experimental equip-

ment is embedded，replacing the original RS232 and USB cable communication. Finally， the wireless Wi-Fi communication is rea-lized in the microcomputer relay protection system.

Key words microcomputer protection； experimental equipment； Wi-

Fi； embedded； MT7681； communication module

1 引言

實驗學習是學生理解掌握理論知識的重要環節。智能實驗設備常需要繁雜接線以傳遞數字信息。在實驗中常用的通信方式有RS232等串口、USB、以太網和光纖等，這些通信方式各有優缺點。

RS232接口是一種用于近距離（30～60 m）、慢速度、點對點通信的通信協議。在RS232中一個信號只用到一條信號線，采取與地電壓參考的方式，因而在長距離傳輸后，發送端和接收端的電壓有出入，容易造成通信出錯或速度降低[1]。

USB通信距離太短，只有5 m，對傳輸時序要求非常嚴格。雖然USB數據線輸出的D+/D-兩線跟RS485一樣，都是差分信號輸出，但其高速傳輸特性限制了其傳輸距離和傳輸環境，通信距離長了，就容易導致兩線邊沿時序出現偏差，從而傳輸失敗。另外，USB協議比較復雜，不是對等協議，要求所有請求必須由主機發起，設備只能被動接受控制，設備與設備之間無法直接通信。并且多次實驗反復接線也會造成接線觸點接觸不良、接線斷線等故障，影響實驗的正常進行。

為了克服RS232、USB這兩種有線通信方式在實驗通信中傳輸數據的弊端，本文提出基于聯發科MT7681 Wi-Fi（Wireless Fidelity）系統單芯片的無線通信解決方案。在實驗過程中采用Wi-Fi無線通信，不會出現多次連接有線線路時數據傳輸失敗的情況，并且Wi-Fi通信具有組建簡單、無須布線、覆蓋范圍廣等優點[2]，比較符合實驗室的操作環境。

2 Wi-Fi芯片MT7681介紹

MT7681是聯發科在2014年6月為智能家庭應用而設計的系統單芯片解決方案，采用40管腳5 mm×5 mm QFN封裝，為現今尺寸最小的支持IEEE 802.11n標準的系統單芯片，可以輕松地為嵌入式設備提供網絡服務[3]。對比其他廠商的Wi-Fi芯片，該芯片具有低功耗、高度整合等特點。主要被運用于家庭自動化、計量、遠程控制、網絡消費設備等領域。

聯發科的MT7681是一個高度集成的Wi-Fi片上系統的單芯片，支持802.11b/g/n等IEEE無線局域網通信標準，并為TCP/IP協議棧的Wi-Fi物理層提供協議支持，同時支持站（station）點模式（即無線終端）和接入（AP）點模式（即無線接入點）的工作方式，這為作為站點的嵌入式模塊的無線通信提供了網絡基礎。

MT7681還內嵌一個32位RISC（精簡指令集計算機）微處理器，同時提供UART（通用異步收發傳輸）與SPI（串行外設接口）接口，這為接收和處理串口數據提供了條件。

其他性能特點：工作在2.4 GHz頻率附近，傳輸速率達到2 Mbps；集成了3.3 V電源管理單元、功率放大器、低噪聲放大器、射頻切換器；支持GPIO及PWM（脈寬調制）智能化控制。MT7681芯片的引腳布局如圖1所示。

3 基于MT7681芯片的無線通信模塊硬件設計

由于MT7681芯片本身無線通信的功能以及所要進行嵌入式開發的設備的特點——含有MAX3232芯片的串行接口電路，因此形成的是串口轉Wi-Fi的模塊。考慮到實驗設備通信過程中要保持時間同步，以及模塊供電的獨立性，故需提供晶振和3.3 V電源部分。再者為了觀察通信的狀態，通過MT7681的軟件脈寬調制功能，可接LED調光器來顯示Wi-Fi的通信狀態。故最終形成的模塊組成圖如圖2所示。endprint

由圖2可知，無線模塊主要由電源、天線電路、串口連接電路、閃存連接電路等組成。

Wi-Fi芯片MT7681結合自身的電源管理單元和時鐘接口，分別與芯片外的3.3 V的直流電源和40 MHz的晶振相連接，通過UART接口接受來自外面串口設備的數據，并配合SPI閃存芯片W25X40BV將其轉化成Wi-Fi信號發送到Wi-Fi無線接口處（網絡中）。模塊主要接口硬件電路設計表述如下。

MT7681與SPI閃存芯片W25X40BV的接口電路（圖3） MT7681可以通過4線SPI總線（FLMOSI、FLMISO、FLCLK、FLCS）設置芯片的工作模式，并實現讀/寫緩存數據，讀/寫狀態寄存器等。通過MT7681的開發軟件SecureCRT設置模塊的工作模式為站點，并將配置數據存儲到閃存芯片W25X40BV中。

MT7681的天線電路（圖4） 第一部分射頻輸入/輸出匹配電路（L1、C2、C3、C4）主要用來匹配模塊的輸入輸出阻抗[4]，使其輸入輸出阻抗為50 Ω，完成模塊與天線

（天線的阻值為50 Ω）之間的功率匹配，以使天線的效率盡可能高。緊接著是雙工濾波器（C5、L3、C10、L2、C6），它是一種無源器件，內部包括發射濾波器和接收濾波器，它們都是帶通濾波器，作用是將接收射頻信號與發射射頻信號分離，以防止強的發射信號對接收機造成影響。由于發射信號總是比接收信號強，而強信號對弱信號有抑制作用，會使接收電路被強信號阻塞，使接收的弱信號被淹沒，引起接收靈敏度下降，因此，接收濾波器就是阻止發射信號串入接收電平，當然也一并拒收天線接收頻段以外的信號，而發射濾波器則拒絕接收頻率段的噪聲功率及發射調制信號。

通信串口接口電路（圖5） 發送數據時，實驗設備串口數據經過其MAX3232芯片將電平轉換為TTL電平，再通過MT7681無線發送。接收數據則是發送數據的逆過程：MT7681

先接收到數據信號，然后MAX3232將TTL電平轉換為串口的標準電平，再向設備的CPU輸入數據。

4 模塊抗干擾

由于實驗設備所處環境有較強的電磁場干擾，因此需要進行電磁屏蔽。具體方法為：將模塊置于一個鋁質外殼

中，外殼通過RS232接口與下位機外殼連接，實現接地。鋁質外殼相當于一個空心的導體，置于電場中，電力線終止于導體表面，從而有屏蔽電場的作用；鋁質外殼也相當于一個屏蔽罩，在高頻磁場的作用下產生渦流，而渦流的磁場與原磁場方向相反，從而可屏蔽高頻磁場[5]。

5 微機實驗系統與無線通信

實驗系統結構 微機繼電保護實驗系統是學習微機繼電保護硬件原理和各種基本算法的實驗平臺，由監控計算機、微機保護實驗儀（以下簡稱實驗儀）、短路電壓電流發生器（以下簡稱發生器）組成。實驗系統的結構圖如圖6所示。整個實驗系統的運行過程為：學生通過監控計算機設置一電網故障，計算機將這一故障通過建立電力系統的各種故障模型進行仿真計算，將仿真的數字結果通過RS232或USB數據線下傳給發生器，同時電腦屏幕上會顯示故障的電壓電流波形；發生器接收到數字信號后通過D/A轉化、低通濾波[6]等步驟，輸出模擬量的電壓電流給實驗儀；實驗儀也就是保護裝置，接收到故障的電壓電流后，保護裝置動作，切斷系統電路，完成保護并通過RS232或USB數據線上傳保護的數據給監控計算機[7]。

原有的微機保護系統中發生器和實驗儀[7]與監控計算機之間進行數據通信，都是通過RS232串口線或者USB數據線完成的。通過對系統的下位機（發生器和實驗儀）進行嵌入式開發，如前文所述，取代原有系統的有線通信方式（RS232和USB）后，形成的數據通信的過程大致如圖7所示。

無線通信軟件設置 為保證繼電保護中數據傳輸的有效性和可靠性，在監控計算機與下位機之間進行嵌入式開發，將無線通信模塊嵌入下位機中。這時還需要有一系列的約定，就是數據傳輸規約或通信規約，它對通信鏈路的控制、通信雙方的應答關系、通信內容的格式、差錯控制方式以及傳輸速率等進行了一系列的約定[1]。

想要弄清楚如何設置上述參數，就必須了解數據在系統中是如何傳播的。圖8所示為數據在無線模塊中的傳輸路徑。

因為最終形成的是無線轉串口的模塊，所以關于模塊軟件設置方面主要是無線Wi-Fi的工作方式和串口設置。

配置IEEE 802.11n工作模式：MT7681支持802.11b/g/n無線通信標準，為通信標準的數據幀格式提供硬件支持[4]。

其MAC層的幀格式為“頭幀+數據幀+校驗幀”，物理層的幀格式為“同步幀+物理層頭幀+MAC幀”，幀頭序列的長度可以通過寄存器的設置來改變。可以采用16位CRC校驗來提高數據傳輸的可靠性。發送或接收的數據幀被送入RAM中128字節的緩存區，進行相應的幀打包和拆包操作。

串口設置：UART波特率，UART數據，UART奇偶校驗位，UART停止位。

除了上述參數配置外，還需配置模塊工作方式和網絡連接的基本參數模塊采用，而這些參數是以AT+指令集方式來呈現的，通過MT7681芯片的開發軟件平臺經串口輸入到模塊中。以下是模塊作為服務器站點模式時的配置命令的一個實例：

at+netmode=1 //模塊工作模式為站點

at+dhcpc=1 //打開路由DHCP服務器，模塊的IP地址自動獲得

at+remoteip=192.168.11.245 //上位機的IP地址

at+remoteport=8080 //本地端口

at+remotepro=tcp //采用TCP網絡協議

at+timeout=0 //不延時

at+mode=server //模塊作為服務器使用

at+uart=115200，8，n，1 //串口參數設置

at+uartpacklen=64 //串口數據打包大小，可自行更改

at+uartpacktimeout=10 //串口組幀時間設置

at+reconn=1 //重啟串口服務，收到指令，模塊開始傳輸

至此，模塊數據配置完整，實驗系統可進行無線通信。

6 結束語

本文詳細介紹了嵌入式Wi-Fi模塊實現方法，分析了模塊與微機保護系統在數據通信方面的聯系。從實際需求出發，基于上述技術研發的微機型綜合保護教學實驗裝置已經投入試運行，結果表明，該無線通信設計提高了通信可靠性，簡化了實驗接線過程，能夠滿足繼電保護通信實驗的需要。

參考文獻

[1]金明亮，游大海，李正天，等.一種微機保護的光纖通訊設計[J].繼電器，2005，33（12）：56-61.

[2]黃佳斌，魏德華，雷琪，等.含有嵌入式Web服務器與Wi-Fi技術的微機型保護測控裝置研發[J].電力系統保護與控制，2016，44（24）：117-122.

[3]聯發科技推出MIPS內核智能家庭SoC方案[DB/OL].http：//www.eeworld.com.cn/IoT/2014/0604/article_672.html.

[4]王秀梅，劉乃安.利用2.4GHz射頻芯片CC2420實現ZigBee無線通信設計[J].國外電子元器件，2005（3）：59-62.

[5]劉江沙，雷偉，尹酉.基于CC2430的串口無線模塊的設計[J].國外電子元器件，2007（4）：47-50.

[6]王朕，朱琳，溫渤嬰.基于PSCAD的繼電保護電壓電流發生器的研制[J].電力自動化設備，2010，30（8）：121-124.

[7]帥萌，溫渤嬰.基于DSP的多功能微機保護實驗裝置[J].農村電氣化，2008（8）：31-32.endprint