基于單片機的嵌入式多節點網絡通信系統設計

楊娜

摘 要： 為解決傳統網絡通信系統存在數據傳輸速度慢、傳輸能耗高及穩定性差的問題，提出一種基于單片機的嵌入式多節點網絡通信系統設計。將C8051F020高速8位單片機作為嵌入式多節點網絡通信系統的主控芯片，采用HCNR200線性光耦對運放電路濾波以及調節，根據低壓差線性穩壓器對電源輸出電壓進行轉換，將主控芯片與系統各組成模塊進行連接，通過雙頻結構實現對節點數據傳輸能耗的控制。在系統的軟件部分設計中設定一個閾值，當簇群中的通信距離與簇群間的通信距離小于該閾值時，通信信道為休眠狀態；當簇群中的通信距離與簇群間的通信距離大于該閾值時，則信道立即執行任務，由此完成網絡通信系統的設計。實驗結果證明，所提方法提升了系統的穩定性，降低了網絡通信節點的傳輸能耗，且提高了數據的傳輸速度。

關鍵詞： 傳輸能耗； 嵌入式； 多節點； 穩壓器； 閾值； 網絡通信系統

中圖分類號： TN919?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）11?0013?04

Design of embedded multi?node network communication

system based on single chip microcomputer

YANG Na

（School of Information and Electronic Engineering， Shangqiu Institute of Technology， Shangqiu 476000， China）

Abstract： The traditional network communication system has the problems of low data transmission speed， high transmission energy consumption and poor stability. Therefore， a design of embedded multi?node network communication system based on single chip microcomputer is presented. The high?speed 8?bit microcontroller C8051F020 is taken as the main control chip of the embedded multi?node network communication system. The linear optocoupler HCNR200 is used to filter and regulate the operational amplifier circuit. The low dropout linear regulator is used to convert the output voltage of power supply. The main control chip is connected with each module of the system to control the transmission energy consumption of node data by means of dual?band structure. A threshold is set in the software of the system. If the communication distance in the cluster or the communication distance among the clusters is less than the threshold， the communication channel maintains a sleep state； otherwise the channel executes the task immediately， by which the design of network communication system can be accomplished. The experimental results show that the proposed method can enhance the stability of the system， reduce the transmission energy consumption of the network communication node， and improve the speed of data transmission.

Keywords： transmission energy consumption； embedded system； multi?node； voltage regulator； threshold； network communication system

0 引 言

在網絡通信發展的歷程中，出現了短波通信系統、微波通信系統以及移動通信等。不同的網絡通信系統存在不同的利弊，這使得現代的網絡通信具有多樣化[1?3]。該多樣化使其在軍事領域、環境監測領域、建筑安全檢測領域和醫療衛生領域中有著廣泛的應用[4?6]。計算機技術的發展速度越來越快，使其也滲透到了社會和科技發展以及生活的方方面面，而其中的嵌入式多節點網絡通信系統成為當前亟待解決的問題[7]。

為了達到總線數據的傳輸速率，文獻[8]提出基于以太網的網絡通信系統設計方法。該系統以TMS320C6748作為硬件的基礎，TMS320C6748中有一個10/100 Mb自適應網絡接口，不僅能夠實現對大量數據的處理，而且還能夠直接和上位機進行通信，并不需額外硬件平臺，這個系統具有固定和可變的IP地址，能夠定時上傳采樣數據。實驗表明該方法具有穩定性和可靠性，但是數據傳輸的能耗較高。文獻[9]提出一種基于多種參數混合封裝技術的網絡通信系統設計。此系統利用STC89C52定時計數采集器、無線自組網、上位機三部分組成，并結合實際應用對該系統的硬件部分進行設計。實驗結果表明，該方法較為簡單，但在運行中存在誤差較大的問題。

當前大部分嵌入式多節點網絡通信系統設計方法，均無法實現能耗的高效控制，這促使網絡通信系統設計要進一步創新。

1 網絡通信系統設計

1.1 網絡通信系統整體框架

根據網絡通信系統主要功能的需求，該系統主要由主控制器、數據傳輸模塊、接口電路模塊、數據采集模塊、數據存儲模塊、電源模塊等部分組成，如圖1所示。其中，比較重要的部分中的數據存儲是為了對網絡通信節點數據更加完整地進行保存，以彌補因無網絡傳輸帶來數據丟失的現象。主控制器主要負責網絡通信系統中各個功能模塊的協調工作。

1.2 嵌入式多節點網絡通信系統主控制器模塊

嵌入式多節點網絡通信系統根據C8051F020高速8位單片機作為主控制芯片。圖2中的模擬外設中有1個片內12位SAR ADC0，還有8個外部輸入，其中ADC工作于100 kS/s最大采樣速率中，能夠提供高精度的數據傳輸。圖2中的數字I/O中，一共有64個通用的8個字節寬的端口I/O，能夠將通信節點數據的傳輸達到最優狀態。其中所有的接口線都是5 V電壓，片內的定時器以及串行總線等數字信號均可利用設置將控制狀態達到最佳。

1.3 網絡通信系統數據采集模塊

在網絡通信節點數據采集模塊中，利用LM324構建的運放電路實現數據采集模擬量縮小倍數處理。LM324作為四運放集成電路，其內部包括4組顯示相似的運算放大器，其中，除了電源共用，4組運放均是獨立的，其有5個引腳，有“+”、“-”兩個節點數據信號輸入端。嵌入式多節點網絡通信系統數據采集模塊中采用HCNR200線性光耦對運放電路濾波以及調節，HCNR200光電耦合器由3個光電元件構成，其主要的技術指標是：具有正負0.05%的最大線性誤差，HCNR200中含有最大15%的傳輸增益偏差；具有比較寬的帶寬，由DC至1 MHz以上；絕緣電阻達到了1 013 Ω，輸入與輸出的回路間分布的電容是0.4 pF。HCNR200能夠廣泛應用于需具有良好穩定性以及帶寬模擬信號的隔離場合，且從圖3中可以明顯看出，對LM324供電的方式采取了±12 V的電源。

1.4 網絡通信系統電源模塊

網絡通信系統電源模塊負責為系統的各個模塊進行供電，以保障節點數據傳輸能耗控制的正常運行，如圖4所示。系統中數據傳輸的工作電壓是5 V，由此在給各個模塊進行供電時，需要利用低壓差線性穩壓器（LDO）對電源輸出電壓進行轉換。然而LDO工作時會生成噪聲，所以在選取LDO時需要考慮噪聲輸出和電流輸出以及電壓幅度等問題。LDO是一種低功耗低壓差線性穩壓器，其在輸入輸出電壓差比較小時，直流輸出的電壓還會維持在一個穩定值，且有極高自有噪聲與較高電源抑制比，LDO基本結構十分簡單，其中包含電壓的基準源、調整管等，還包括氣動電路、使能電路以及保護電路等結構。

2 網絡通信系統軟件設計

根據上述對網絡通信系統的硬件設計，得到系統的框架和各個組成模塊，在以C8051F020作為系統核心的基礎上，如何高效地利用節點能量并最大程度地延長網絡生存周期成為本節需要解決的問題。

通信節點能夠根據能量控制技術，通過通信距離的大小于兩種信道模式切換，則節點傳送的長度是[l] bit的數據與之距離為[d]的網絡通信系統所耗能量為：

[ETxl，d=lEelec+lεfsd2， d

式中：[lEelec]代表數據傳輸進行數據編碼、濾波等過程消耗的能量；[lεfsd2]和[lεmpd4]代表數據發送端和接收端間的距離與可以接受的誤比特率。根據式（1）選取對應發送方式發射功率放大器的能量消耗。在這里假設通信的距離都小于閾值[dcrossover]。針對大于閾值的情況，其分析方法類似。通信節點收到一個[l] bit的數據消耗的能量為：

[ERxl=lEelec] （2）

綜上，節點轉發數據的過程分為兩個步驟：先接收來自其他通信節點的數據；其次將其發送出去。則轉發1個[l] bit數據的能耗為：

[Erelayl，d=lEelec+lεfsd2] （3）

簇群內與簇群之間的通信都根據無碰撞MAC協議完成，不考慮由于碰撞與重發產生的能量消耗，將網絡生命周期[Tnetwork]描述成出現第一個由于電能耗盡，導致的失效節點傳輸需要的時間。另外，網絡能夠劃分為時間驅動型與數據采集型。節點沒有傳輸任務時處于休眠的狀態，用來節省能量，如果周圍的環境有變化或者是節點數據傳輸的周期一到，就會馬上被喚醒，并執行監測傳輸的任務。

3 實驗結果與分析

在實驗過程中，由于網絡通信的環境不確定，應用于各種情況下都有可能，在不同環境下節點傳輸控制的效果也不相同。本文在以下情況下進行實驗，并將實驗平臺搭建在Visual C上。

1） 當周圍的物體比較多時，把網絡節點傳輸的收發距離設置為10 m，接收靈敏度設置為2～3 s，觀察不同方法在進行節點傳輸能耗控制時的誤比特率，實驗結果如圖5所示。

根據圖5可知，本文方法數據傳輸的誤比特率方面與其他文獻方法相比具有明顯的優勢，本文方法設計的網絡通信系統根據C8051F020高速8位單片機作為主控制芯片設計完成，降低了數據傳輸的誤比特率。

2） 選擇一塊空曠的場地，將網絡通信節點輸出的距離設置為15 m，數據接收的靈敏度為1～2 s，將不同討論方法傳輸能耗控制情況進行對比，結果如圖6所示。

由圖6可知，本文方法網絡通信節點傳輸能耗控制模塊采用雙頻結構實現對節點數據傳輸能耗的控制，并且為了提高能耗控制模塊電路邏輯單元性能，利用較低頻域的晶體管設計能耗控制模塊，較好地控制了網絡通信系統的傳輸能耗。

3） 網絡通信節點傳輸速率是檢驗嵌入式多節點網絡通信系統設計方法的重要指標。不同方法的數據傳輸速率如圖7所示。

通過圖7可知，本文方法節點傳輸能耗控制覆蓋率明顯比其他文獻所提方法的節點傳輸能耗控制覆蓋率高。本文方法所設計的網絡通信系統的接口模塊分為直接連接方式和間接連接方式，覆蓋率較高，同時也提高了能耗控制的覆蓋率，證明了本文方法具有可靠性。

4 結 語

本文以C8051F020為核心，根據各輔助模塊組建嵌入式多節點網絡通信系統，具有穩定性好、功耗控制精度高等優點。可有效解決當前網絡通信系統設計方法中存在的弊端，對該領域發展具有重要意義。

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