計算機射頻通信系統(tǒng)的設(shè)計與功能實現(xiàn)研究

陳 燕

（湖南高速鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 衡陽 421002）

1 射頻通信和計算機技術(shù)及其應(yīng)用優(yōu)勢

隨著目前的社會經(jīng)濟、技術(shù)等快速發(fā)展，計算機和通信技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛，還有一些具備計算功能的控制部件應(yīng)用也不斷隨之增多。在相關(guān)技術(shù)應(yīng)用中，會出現(xiàn)大量的數(shù)據(jù)交換，還涉及到相關(guān)設(shè)備和數(shù)據(jù)信息等的遠程控制問題，這些問題的解決都可以借助射頻通信技術(shù)來進行。射頻通信技術(shù)可以在一定程度上實現(xiàn)計算機功能拓展，滿足相關(guān)軟件和硬件的嵌入式應(yīng)用，還可以解決遠程監(jiān)控和數(shù)據(jù)交互中的一些問題，適合在大型超市、野外作業(yè)等各大工作場景中應(yīng)用[1-3]。

射頻通信技術(shù)借助無線電波，實現(xiàn)計算機和計算機之間以及計算機和數(shù)據(jù)之間的采集與控制，相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸可以分為單向和多向。射頻技術(shù)應(yīng)用的優(yōu)勢比較多，主要表現(xiàn)在技術(shù)應(yīng)用靈活性比較高，整體技術(shù)應(yīng)用實用性更強，在技術(shù)應(yīng)用中，不需要特定的系統(tǒng)布線設(shè)置，還可以在移動環(huán)境中應(yīng)用，對于解決一些惡劣環(huán)境下的技術(shù)操作和數(shù)據(jù)采集具有很好的使用效果。但這一技術(shù)自身也存在一些不足，無線通信受自身因素影響，在具體的使用中和有線網(wǎng)絡(luò)的差異性較為明顯，了解和掌握其中的相關(guān)性，對于系統(tǒng)技術(shù)研究和開發(fā)都具有一定的必要性。

2 系統(tǒng)基本設(shè)計框架

此次計算機射頻通信系統(tǒng)設(shè)計，主要包含的系統(tǒng)構(gòu)件有兩個：主機部分和通信部件。其中，射頻通信部件可以結(jié)合系統(tǒng)功能設(shè)計的需求，可以選擇簡單或者是負責結(jié)構(gòu)，但是在整體通信部件設(shè)計和選擇上，需要滿足3個不同單元功能，分別為接口單元、控制單元和通信單元。

具體來看，在接口單元設(shè)計中，要認識到這一部分是通信和主機的接口和通信部分。在接口方法選擇上，需要考慮對于波特率的要求，波特率偏低，可以使用串行接口和主機連接。而如果對于波特率要求比較高，則可以通過并行接口來處理，確保和主機的有效連接。在連接方式上，串行是相對簡單的方法。此外還有一種USB接口方法，操作簡單且高效。其次，控制單元設(shè)計主要是實現(xiàn)數(shù)據(jù)緩沖，還要實現(xiàn)數(shù)據(jù)幀構(gòu)造，滿足通信協(xié)議的要求。在這一部分設(shè)計中，考慮到成本控制需要，可以使用單片機來進行控制單元構(gòu)建，因為很多單片機自身具備接口，所以可以方便串行方式實現(xiàn)和主機的連接，使用起來很方便。此外，在系統(tǒng)設(shè)計中，可能需要對于系統(tǒng)存儲器進行拓展，以確保數(shù)據(jù)量緩沖效果。而通信單元可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)幀接收和發(fā)送，這部分功能比較關(guān)鍵[4-6]。

3 計算機射頻通信系統(tǒng)設(shè)計的要點

3.1 通信芯片選擇

在計算機射頻通信系統(tǒng)設(shè)計中，相應(yīng)的通信部件選擇是關(guān)鍵，因為這一部分是系統(tǒng)的核心，對于系統(tǒng)的性能具有重要影響。在相關(guān)通信部件中，芯片是核心部分，作為系統(tǒng)集成電路，可以實現(xiàn)對于射頻通信電路的集成。所以，在相關(guān)芯片的制造和選擇中，有效應(yīng)用相關(guān)通信部件很有必要。

射頻芯片的種類多樣，在相應(yīng)射頻芯片的性能、成本、發(fā)射距離、功率傳輸速度上，需要結(jié)合相關(guān)系統(tǒng)設(shè)計和功能實現(xiàn)進行合理選擇。例如，芯片的發(fā)射功率上，相關(guān)發(fā)射功率應(yīng)該滿足射頻芯片向外發(fā)射無線電波的功率要求，所以要結(jié)合無線電管理的條件選擇合適的功率。同時，需要把握功率自身的消耗問題，確保相應(yīng)功率可以達到距離條件，優(yōu)先選擇小功率射頻芯片。此外，芯片的抗干擾能力也是芯片選擇中需要重點考慮的問題。在正常環(huán)境中包含很多的電磁波形式，這樣在射頻通信部件制造中，就需要解決相互之間的干擾問題。所以，要合理選擇芯片，保證這種干擾能夠緩解或者降低。這就要求選擇的射頻芯片應(yīng)該具備一定的抗干擾性能。在目前的射頻通信芯片試產(chǎn)中，ASK方式的芯片能夠通過軟件應(yīng)用，借助沖突檢測協(xié)議，促進相關(guān)通信干擾問題得到解決[7]。

3.2 通信協(xié)議確定

對于計算機射頻通信系統(tǒng)而言，通信協(xié)議是信息輸出和接收的重要前提。一般通信協(xié)議可以自行設(shè)計，也可以和既有的系統(tǒng)之間達到兼容效果。一些射頻芯片要借助接收前導(dǎo)比特流實現(xiàn)電路接收，構(gòu)建電路初始狀態(tài)。

一般情況下，一幀數(shù)據(jù)中包含了前導(dǎo)、頭部、內(nèi)容以及校驗等信息。考慮到無線通信通道本身具有一定的時變性，在數(shù)據(jù)幀的選擇上盡量避免長度過長，以確保每一幀的數(shù)據(jù)傳輸高效快捷，避免重復(fù)操作的麻煩[8]。

此外，通信協(xié)議和系統(tǒng)沖突問題也有一定的關(guān)聯(lián)。在實際操作中，要是借助FSK或者是ASK芯片來設(shè)計，就需要考慮多個通信部件同一頻率問題，明確可能出現(xiàn)的沖突。對此，可以設(shè)計一套通信沖突控制協(xié)議。這樣就可以在一些沖突問題出現(xiàn)后，通過檢測沖突后再重新發(fā)送，規(guī)劃合理的通信協(xié)議，避免矛盾問題產(chǎn)生。

3.3 天線設(shè)計

在計算機射頻通信系統(tǒng)設(shè)計中，相同的通信天線設(shè)計也很重要。一般使用不同的天線，相應(yīng)的增益、方向、安裝難度等也會有一些差異。

在計算機射頻通信系統(tǒng)設(shè)計中，多使用以下幾種天線。一是鞭狀天線。這類天線自身的增益及全方向性比較好，但是天線高度相對較高，在一些移動環(huán)境中的應(yīng)用并不方便。二是環(huán)形天線。這類天線的增益不大，方向變化影響也相對較低，優(yōu)勢是環(huán)形天線可以在電路板中進行印制，整體成本低，安裝便利。三是集成天線。很多集成天線自身的體積不大，增益和全向性較好，使用方便，整體的信息接收和發(fā)送效率高，但成本也更高。

完成通信天線選擇后，下一步是進行天線匹配電路設(shè)計。要確保完全匹配，才能確保天線可以收獲最大發(fā)射量，提升發(fā)射效率[9]。

3.4 軟件系統(tǒng)設(shè)計

一個功能齊全的計算機射頻通信系統(tǒng)，需要有完備的硬件設(shè)備，還需要有一個可靠的軟件系統(tǒng)來作為平臺支撐和管理基礎(chǔ)。構(gòu)建軟件平臺是整個計算機射頻通信系統(tǒng)的核心部分，軟件性能和應(yīng)用的靈活性等對于整體的計算機射頻通信系統(tǒng)具有重要影響，決定著計算機射頻通信系統(tǒng)整體的使用性能和協(xié)調(diào)性等。目前市面上的計算機射頻通信系統(tǒng)還沒有實現(xiàn)全面的智能化目標，只能應(yīng)用于一部分電氣設(shè)備中，實現(xiàn)全覆蓋還需要進一步的技術(shù)研究和開發(fā)。在目前的計算機射頻通信市場中，應(yīng)用比較多的智能軟件設(shè)備主要是UML為基礎(chǔ)建模語言的軟件系統(tǒng)。系統(tǒng)功能模塊、通信的軟件設(shè)備和系統(tǒng)功能軟件模塊是組成這一軟件系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)，借助有效的智能軟件系統(tǒng)應(yīng)用，對于提升整體的設(shè)備使用性能具有突出作用[10]。

在此次計算機射頻通信系統(tǒng)設(shè)計中，要確保軟件功能設(shè)計，軟件開發(fā)人員應(yīng)根據(jù)《設(shè)計開發(fā)任務(wù)書》的要求進行軟件功能設(shè)計，軟件功能設(shè)計的輸出結(jié)果由技術(shù)發(fā)展部負責人負責審核。軟件工程師應(yīng)根據(jù)《設(shè)計開發(fā)任務(wù)書》進行軟件詳細設(shè)計，軟件詳細設(shè)計輸出是《軟件詳細設(shè)計說明書》，研究技術(shù)發(fā)展部負責人和總工程師負責審核批準。

軟件編碼也至關(guān)重要。軟件工程師依據(jù)《軟件詳細設(shè)計說明書》進行編碼，儀器產(chǎn)品項目主管負責審核。軟件工程師在軟件單元模塊的編碼完成后，先進行代碼的自查和調(diào)試，再進行軟件單元測試。儀器產(chǎn)品項目主管負責審核。在完成所有開發(fā)要求和軟件系統(tǒng)測試后，儀器產(chǎn)品質(zhì)量主管應(yīng)組織根據(jù)《軟件詳細設(shè)計說明書》標準進行驗收測試，測試工程師協(xié)助，輸出針對驗收測試的《軟件預(yù)期功能測試報告》、《軟件X系統(tǒng)測試報告》，并發(fā)送信息到技術(shù)支持部門。軟件設(shè)計開發(fā)的更改可發(fā)生在各個階段，開發(fā)人員應(yīng)正確識別和評估設(shè)計更改對產(chǎn)品功能、過程、安全性、可靠性以及風險性等方面帶來的影響。當需要進行軟件設(shè)計開發(fā)更改時，應(yīng)由相關(guān)人員按質(zhì)量體系要求向儀器產(chǎn)品總監(jiān)進行反饋，在確認需進行軟件設(shè)計開發(fā)更改時應(yīng)報總經(jīng)理批準后方可進行。當更改涉及到主要技術(shù)參數(shù)和功能、性能指標，應(yīng)對更改進行評審驗證和確認，并進行風險評審，經(jīng)批準后才能實施。

3.5 系統(tǒng)調(diào)試

完成計算機射頻通信系統(tǒng)設(shè)計后，進行系統(tǒng)調(diào)試是必不可少的部分。進行系統(tǒng)調(diào)試的目的是更好地把握計算機射頻通信系統(tǒng)設(shè)計的各部分功能要通過計算機射頻通信系統(tǒng)調(diào)試，明確系統(tǒng)設(shè)計中，相關(guān)模塊和功能能否正常實現(xiàn)，是否存在相關(guān)部分的矛盾沖突，以便進一步做好系統(tǒng)優(yōu)化和調(diào)整，確保整體的系統(tǒng)設(shè)計和應(yīng)用成效安全可靠。

4 結(jié) 論

計算機射頻通信系統(tǒng)在目前的計算機和相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)用不斷增多，在此背景下，進行計算機射頻通信系統(tǒng)的設(shè)計和優(yōu)化很有必要。此次研究中，重點對于計算機射頻通信系統(tǒng)的設(shè)計思路，設(shè)計要點進行介紹，并對研究系統(tǒng)設(shè)計中芯片選擇、通信協(xié)議制定、天線設(shè)計、系統(tǒng)軟件設(shè)計、系統(tǒng)調(diào)試等進行詳細分析，為計算機通信系統(tǒng)設(shè)計提供了參考和借鑒。