基于單片機的嵌入式多節(jié)點網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)設(shè)計研究

中國人民解放軍海軍七零一工廠 馮婷婷

1.前言

傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)在設(shè)計與應(yīng)用過程中逐漸暴露出來數(shù)據(jù)傳輸慢與能源損耗高等問題，因而本文針對這一情況提出了以單片機為基礎(chǔ)的嵌入式多節(jié)點網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的設(shè)計方法，該系統(tǒng)的主控芯片采用了C8051F020高速8位單片機，通過線性光耦設(shè)備來實現(xiàn)對于電路濾波的有效運放與調(diào)節(jié)，通過有效方式實現(xiàn)電源輸出電壓的轉(zhuǎn)換，設(shè)計雙頻結(jié)構(gòu)來對傳輸數(shù)據(jù)中產(chǎn)生的能源損耗進(jìn)行控制。

網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)經(jīng)歷了多種設(shè)計方法，并且產(chǎn)生了不同的效果，現(xiàn)代化的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)設(shè)計愈發(fā)多元，并且推動了網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)在更多領(lǐng)域中的應(yīng)用，包括軍事通信、環(huán)境監(jiān)測、建筑工程、金融貨代等領(lǐng)域。在計算機技術(shù)與信息技術(shù)高速發(fā)展的當(dāng)下，設(shè)計更加優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)已經(jīng)成為必然。

2.嵌入式系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)

2.1 嵌入式系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)的技術(shù)核心為計算機技術(shù)，在實際的構(gòu)建中采用了嵌入式處理裝置與相應(yīng)的硬件設(shè)備共同構(gòu)成，需要采用行之有效的操作系統(tǒng)進(jìn)行控制，以實現(xiàn)對于裝置與設(shè)備的有效控制與操作。在這個過程中，嵌入式處理設(shè)備作為嵌入式系統(tǒng)的重要核心，可以實現(xiàn)外圍功能的有效集中，以保證系統(tǒng)的集成操作?；诂F(xiàn)有的設(shè)備運行環(huán)境與運行需求進(jìn)行個性化設(shè)計，以保障系統(tǒng)運行效率與運行質(zhì)量。在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)高速發(fā)展的今天，嵌入式系統(tǒng)的構(gòu)建與設(shè)計需要以網(wǎng)絡(luò)環(huán)境為基礎(chǔ)，在網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的情況下進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)接口的安裝，以保證嵌入式網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建與發(fā)展的科學(xué)性?？紤]到嵌入式網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)在體積方面較小，因此數(shù)據(jù)信息的存儲量并不太大，因此在實際的軟件開發(fā)過程中要保證其數(shù)據(jù)存儲效果，以滿足系統(tǒng)的實用性要求。

2.2 網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)設(shè)計

就目前來看，出于保障嵌入式網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率的考量，陳文慶在《非線性網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性控制與模型仿真》中提出了一種以以太網(wǎng)為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)設(shè)計方法，該設(shè)計方法所采用的硬件基礎(chǔ)為TMS320C6748，該硬件基礎(chǔ)所具備的自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)接口可以滿足大體量數(shù)據(jù)的有效處理，并構(gòu)建與上位機之間的信息通信渠道，因而無需搭配系統(tǒng)以外的硬件平臺。同時，該系統(tǒng)設(shè)計中采用了固定與可變IP兩種形式，因此可以實現(xiàn)對于采樣數(shù)據(jù)的定時上傳。該實驗與研究所提出的方法具備較高的穩(wěn)定性與可靠性，但在這個過程中會產(chǎn)生較高的數(shù)據(jù)傳輸能源損耗[1]。繆竟鴻、王薇等人在《基于STM32F103的無主機通信系統(tǒng)的設(shè)計》中提出的以多種參數(shù)混合封裝技術(shù)為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了定時數(shù)據(jù)采集裝置與無線自組網(wǎng)等裝置與設(shè)備，需要設(shè)計其硬件部分，該網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的設(shè)計與搭建較為簡單，但在實驗中也暴露出了較大的誤差。就目前而言，大多數(shù)的嵌入式多節(jié)點網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)設(shè)計還沒有辦法可以實現(xiàn)對于能源損耗的有效控制，因此還需要加以進(jìn)一步創(chuàng)新與優(yōu)化[2]。

3.網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)框架

基于單片機的嵌入式多節(jié)點網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)設(shè)計，首先需要確定該系統(tǒng)框架?；谄涔δ苄孕枨?，該系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)包括控制器、數(shù)據(jù)采集、傳輸與存儲模塊、接口電路模塊、電源模塊等。而數(shù)據(jù)存儲是其中較為重要的組成部分，該模塊是出于保障網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)節(jié)點數(shù)據(jù)完整存儲的考量，以避免由于網(wǎng)絡(luò)中斷而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)真實性與完整性缺失問題。主控制器需要保障網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)功能模塊運作的協(xié)調(diào)性。如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能框架

3.2 主控制器模塊

基于單片機的嵌入式多節(jié)點網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的主控制芯片可以采用C8051F020高速8位單片機，搭配以8個外部輸入，其中的ADC在最大采樣速率中運行，可以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)木?。?shù)字I/O包含的8字節(jié)寬端口共計64個，可以保障數(shù)據(jù)通信節(jié)點傳輸?shù)淖顑?yōu)化。接口線采用5V電壓，通過可控裝置保證其片內(nèi)定時裝置與串行總線等數(shù)字信號的最優(yōu)化。

3.3 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊可以采用單電源四路運算放大器構(gòu)建運放電路，對數(shù)據(jù)采集模擬量倍數(shù)進(jìn)行縮小處理。所采用的單電源思路運算放大器內(nèi)部所含有的4組運算放大器，該數(shù)據(jù)采集模塊具備共用電源，具備獨立的4組運放，采用了5個引腳，通過節(jié)點信號出入段進(jìn)行傳輸。通過HCNR200高線性模擬光電耦合器來運放電路濾波并且對電路進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，該高線性模擬光電耦合器采用了3個光電元件，從技術(shù)層面上來看，該光電耦合器具備的線性誤差最大為±0.05%，傳輸增益偏差最大為±15%，具備絕緣電阻，該系統(tǒng)的輸入回路與輸出回路之間分布有0.4pF電容。本次設(shè)計所采用的高線性模擬光電耦合器具備較好的穩(wěn)定性，可以滿足帶寬模擬信號隔離的需求，單電源四路運算放大器采用的電源為±12V進(jìn)行供電。

3.4 電源模塊

本系統(tǒng)所采用的電源模塊旨在保障各功能模塊與數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼＿\轉(zhuǎn)，而在數(shù)據(jù)傳輸過程中所需要的電壓為5V，在對不同功能模塊進(jìn)行電源供應(yīng)時，可以采用低壓差線性穩(wěn)壓器來實現(xiàn)電源輸出電壓的轉(zhuǎn)換。在低壓差線性穩(wěn)壓器運行時會產(chǎn)生一定的噪音，因此還需要考量噪聲與電流輸出的問題，并且對電壓幅度加以考量。低壓差線性穩(wěn)壓器可以實現(xiàn)對于電源輸出電壓的轉(zhuǎn)換，當(dāng)電壓輸入與電壓與輸出電壓之間的差值較小的情況下，其直流輸出電壓較為穩(wěn)定，并且具備較高的噪音與電源的抑制比。低壓差線性穩(wěn)定器具備較為簡單的基本結(jié)構(gòu)，包括電壓基準(zhǔn)源、調(diào)整管、啟動電路與使能電路等。

4.系統(tǒng)軟件設(shè)計

基于以上系統(tǒng)框架設(shè)計，確定系統(tǒng)框架與功能模塊，系統(tǒng)核心采用了C8051F020的情況下，要想充分保障節(jié)點能源利用的高效化，進(jìn)一步延長網(wǎng)絡(luò)生存周期就成為需要考量的問題。通信節(jié)點的設(shè)計，可以以能源控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)，通過不同的通信距離來實現(xiàn)信道模式的轉(zhuǎn)換，當(dāng)數(shù)據(jù)節(jié)點傳送長度為1bit的情況下，則其與數(shù)據(jù)傳輸距離為d的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)之間需要消耗的能源為：

基于以上論述，在進(jìn)行節(jié)點數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的過程中，可以首先對其他通信節(jié)點的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收，進(jìn)而基于該節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)進(jìn)行方法送，每次進(jìn)行的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)所需要消耗能源為：

簇群內(nèi)部及不同簇群之間所進(jìn)行的通信活動是以無數(shù)據(jù)碰撞MAC協(xié)議為基礎(chǔ)的，無需對數(shù)據(jù)碰撞與數(shù)據(jù)重發(fā)過程中所產(chǎn)生的能源損耗加以考量，可以將首個由于能源損耗產(chǎn)生失效節(jié)點傳輸所需時間描述為Tnetwork。在這個過程中，可以對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行劃分，將之劃分為時間驅(qū)動與數(shù)據(jù)采集兩種類型。如果該節(jié)點并不需要進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，則該節(jié)點通過休眠來減少能源損耗，一旦周圍環(huán)境發(fā)生變化，或者出現(xiàn)節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡?，則該節(jié)點會從休眠當(dāng)中蘇醒，并且對數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行有效監(jiān)測。

5.實驗結(jié)果

實驗中考量不同網(wǎng)絡(luò)通信環(huán)境下的系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用狀況，分析不同情況下的節(jié)點傳輸控制效果，利用VisualC進(jìn)行實驗平臺的搭建。

首先，如果實驗環(huán)境中存在較多的干擾因素，則可以將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點傳輸?shù)氖瞻l(fā)距離控制在10米左右，合理控制其數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)撵`敏度，對各種情況下的節(jié)點傳輸過程中所產(chǎn)生的能源損耗所產(chǎn)生的誤比特率進(jìn)行觀察。本文所采用的實驗方法，在數(shù)據(jù)傳輸方面所產(chǎn)生的誤比特率較為合理，本文在進(jìn)行基于單片機的嵌入式多節(jié)點網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)設(shè)計中所采用的主控制芯片為以C8051F020高速8位單片機，在一定情況下可以減少數(shù)據(jù)信息傳輸過程中所產(chǎn)生的誤比特率。

其次，如果實驗環(huán)境較為空曠，并沒有過多干擾因素，則可以對網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點的輸出距離加以控制，可以將其控制在15米左右，將數(shù)據(jù)信息傳輸與接收的靈敏度控制在1s到2s之間，并且對比不同情況下的數(shù)據(jù)傳輸能源損耗。經(jīng)過對比可以得知，本文所采用的系統(tǒng)設(shè)計方法，在網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸方面的能源損耗控制可以通過雙頻結(jié)構(gòu)來加以實現(xiàn)，進(jìn)一步保障能源損耗過程中控制模塊電路邏輯單元的使用性能，所采用的晶體管具備較低的頻域，利用該晶體管進(jìn)行能源損耗控制模塊的設(shè)計，可以實現(xiàn)對于網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)傳輸過程中能源損耗的有效控制。

以單片機為基礎(chǔ)的嵌入式多節(jié)點網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)設(shè)計過程中，對其設(shè)計方法所進(jìn)行的檢測可以通過網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點傳輸速率作為指標(biāo)。實際上，本文采用的設(shè)計方法對于節(jié)點傳輸過程中能源損耗的覆蓋率具備較好的效果，將其通信系統(tǒng)的接口模塊劃分為直接連接與間接連接兩種方式，具備較高的覆蓋率，在能源損耗方面的覆蓋效果較好，因此具備實用性與有效性[3]。

6.結(jié)語

本文所提出的以單片機為基礎(chǔ)的嵌入式多節(jié)點網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，其主控制器采用了C8051F020，并且一直為核心進(jìn)行功能模塊的設(shè)計，搭建了嵌入式多節(jié)點網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，在系統(tǒng)功能穩(wěn)定性方面具有較大優(yōu)勢，并且具備較高的能源損耗控制精準(zhǔn)性，因此在實際的使用中可以對當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)設(shè)計模式中存在的不足與缺陷加以彌補。