一種用于教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的嵌入式無(wú)線Wi—Fi通信模塊設(shè)計(jì)

郭志強(qiáng)+溫渤嬰

摘 要 針對(duì)高校微機(jī)繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備，提出一種基于MT7681 Wi-Fi（Wireless Fidelity）系統(tǒng)單芯片的無(wú)線通信解決方案，詳細(xì)介紹以MT7681芯片為基礎(chǔ)的無(wú)線通信模塊的設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的通信部分進(jìn)行嵌入式開發(fā)，取代原有的RS232和USB等有線通信方式，最終實(shí)現(xiàn)微機(jī)繼電保護(hù)系統(tǒng)的無(wú)線Wi-Fi通信。

關(guān)鍵詞 微機(jī)保護(hù)；實(shí)驗(yàn)設(shè)備；Wi-Fi；嵌入式；MT7681；通信模塊

中圖分類號(hào)：G642.423 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：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(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)是學(xué)生理解掌握理論知識(shí)的重要環(huán)節(jié)。智能實(shí)驗(yàn)設(shè)備常需要繁雜接線以傳遞數(shù)字信息。在實(shí)驗(yàn)中常用的通信方式有RS232等串口、USB、以太網(wǎng)和光纖等，這些通信方式各有優(yōu)缺點(diǎn)。

RS232接口是一種用于近距離（30～60 m）、慢速度、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的通信協(xié)議。在RS232中一個(gè)信號(hào)只用到一條信號(hào)線，采取與地電壓參考的方式，因而在長(zhǎng)距離傳輸后，發(fā)送端和接收端的電壓有出入，容易造成通信出錯(cuò)或速度降低[1]。

USB通信距離太短，只有5 m，對(duì)傳輸時(shí)序要求非常嚴(yán)格。雖然USB數(shù)據(jù)線輸出的D+/D-兩線跟RS485一樣，都是差分信號(hào)輸出，但其高速傳輸特性限制了其傳輸距離和傳輸環(huán)境，通信距離長(zhǎng)了，就容易導(dǎo)致兩線邊沿時(shí)序出現(xiàn)偏差，從而傳輸失敗。另外，USB協(xié)議比較復(fù)雜，不是對(duì)等協(xié)議，要求所有請(qǐng)求必須由主機(jī)發(fā)起，設(shè)備只能被動(dòng)接受控制，設(shè)備與設(shè)備之間無(wú)法直接通信。并且多次實(shí)驗(yàn)反復(fù)接線也會(huì)造成接線觸點(diǎn)接觸不良、接線斷線等故障，影響實(shí)驗(yàn)的正常進(jìn)行。

為了克服RS232、USB這兩種有線通信方式在實(shí)驗(yàn)通信中傳輸數(shù)據(jù)的弊端，本文提出基于聯(lián)發(fā)科MT7681 Wi-Fi（Wireless Fidelity）系統(tǒng)單芯片的無(wú)線通信解決方案。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用Wi-Fi無(wú)線通信，不會(huì)出現(xiàn)多次連接有線線路時(shí)數(shù)據(jù)傳輸失敗的情況，并且Wi-Fi通信具有組建簡(jiǎn)單、無(wú)須布線、覆蓋范圍廣等優(yōu)點(diǎn)[2]，比較符合實(shí)驗(yàn)室的操作環(huán)境。

2 Wi-Fi芯片MT7681介紹

MT7681是聯(lián)發(fā)科在2014年6月為智能家庭應(yīng)用而設(shè)計(jì)的系統(tǒng)單芯片解決方案，采用40管腳5 mm×5 mm QFN封裝，為現(xiàn)今尺寸最小的支持IEEE 802.11n標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)單芯片，可以輕松地為嵌入式設(shè)備提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)[3]。對(duì)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(diǎn)。主要被運(yùn)用于家庭自動(dòng)化、計(jì)量、遠(yuǎn)程控制、網(wǎng)絡(luò)消費(fèi)設(shè)備等領(lǐng)域。

聯(lián)發(fā)科的MT7681是一個(gè)高度集成的Wi-Fi片上系統(tǒng)的單芯片，支持802.11b/g/n等IEEE無(wú)線局域網(wǎng)通信標(biāo)準(zhǔn)，并為TCP/IP協(xié)議棧的Wi-Fi物理層提供協(xié)議支持，同時(shí)支持站（station）點(diǎn)模式（即無(wú)線終端）和接入（AP）點(diǎn)模式（即無(wú)線接入點(diǎn)）的工作方式，這為作為站點(diǎn)的嵌入式模塊的無(wú)線通信提供了網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)。

MT7681還內(nèi)嵌一個(gè)32位RISC（精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)）微處理器，同時(shí)提供UART（通用異步收發(fā)傳輸）與SPI（串行外設(shè)接口）接口，這為接收和處理串口數(shù)據(jù)提供了條件。

其他性能特點(diǎn)：工作在2.4 GHz頻率附近，傳輸速率達(dá)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(diào)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(wú)線通信模塊硬件設(shè)計(jì)

由于MT7681芯片本身無(wú)線通信的功能以及所要進(jìn)行嵌入式開發(fā)的設(shè)備的特點(diǎn)——含有MAX3232芯片的串行接口電路，因此形成的是串口轉(zhuǎn)Wi-Fi的模塊?？紤]到實(shí)驗(yàn)設(shè)備通信過(guò)程中要保持時(shí)間同步，以及模塊供電的獨(dú)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(tài)，通過(guò)MT7681的軟件脈寬調(diào)制功能，可接LED調(diào)光器來(lái)顯示W(wǎng)i-Fi的通信狀態(tài)。故最終形成的模塊組成圖如圖2所示。endprint

由圖2可知，無(wú)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(jié)合自身的電源管理單元和時(shí)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(guò)UART接口接受來(lái)自外面串口設(shè)備的數(shù)據(jù)，并配合SPI閃存芯片W25X40BV將其轉(zhuǎn)化成Wi-Fi信號(hào)發(fā)送到Wi-Fi無(wú)線接口處（網(wǎng)絡(luò)中）。模塊主要接口硬件電路設(shè)計(jì)表述如下。

MT7681與SPI閃存芯片W25X40BV的接口電路（圖3） MT7681可以通過(guò)4線SPI總線（FLMOSI、FLMISO、FLCLK、FLCS）設(shè)置芯片的工作模式，并實(shí)現(xiàn)讀/寫緩存數(shù)據(jù)，讀/寫狀態(tài)寄存器等。通過(guò)MT7681的開發(fā)軟件SecureCRT設(shè)置模塊的工作模式為站點(diǎn)，并將配置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(lái)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(wú)源器件，內(nèi)部包括發(fā)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(hào)與發(fā)射射頻信號(hào)分離，以防止強(qiáng)的發(fā)射信號(hào)對(duì)接收機(jī)造成影響。由于發(fā)射信號(hào)總是比接收信號(hào)強(qiáng)，而強(qiáng)信號(hào)對(duì)弱信號(hào)有抑制作用，會(huì)使接收電路被強(qiáng)信號(hào)阻塞，使接收的弱信號(hào)被淹沒(méi)，引起接收靈敏度下降，因此，接收濾波器就是阻止發(fā)射信號(hào)串入接收電平，當(dāng)然也一并拒收天線接收頻段以外的信號(hào)，而發(fā)射濾波器則拒絕接收頻率段的噪聲功率及發(fā)射調(diào)制信號(hào)。

通信串口接口電路（圖5） 發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，實(shí)驗(yàn)設(shè)備串口數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)其MAX3232芯片將電平轉(zhuǎn)換為TTL電平，再通過(guò)MT7681無(wú)線發(fā)送。接收數(shù)據(jù)則是發(fā)送數(shù)據(jù)的逆過(guò)程：MT7681

先接收到數(shù)據(jù)信號(hào)，然后MAX3232將TTL電平轉(zhuǎn)換為串口的標(biāo)準(zhǔn)電平，再向設(shè)備的CPU輸入數(shù)據(jù)。

4 模塊抗干擾

由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備所處環(huán)境有較強(qiáng)的電磁場(chǎng)干擾，因此需要進(jìn)行電磁屏蔽。具體方法為：將模塊置于一個(gè)鋁質(zhì)外殼

中，外殼通過(guò)RS232接口與下位機(jī)外殼連接，實(shí)現(xiàn)接地。鋁質(zhì)外殼相當(dāng)于一個(gè)空心的導(dǎo)體，置于電場(chǎng)中，電力線終止于導(dǎo)體表面，從而有屏蔽電場(chǎng)的作用；鋁質(zhì)外殼也相當(dāng)于一個(gè)屏蔽罩，在高頻磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生渦流，而渦流的磁場(chǎng)與原磁場(chǎng)方向相反，從而可屏蔽高頻磁場(chǎng)[5]。

5 微機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與無(wú)線通信

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 微機(jī)繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是學(xué)習(xí)微機(jī)繼電保護(hù)硬件原理和各種基本算法的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，由監(jiān)控計(jì)算機(jī)、微機(jī)保護(hù)實(shí)驗(yàn)儀（以下簡(jiǎn)稱實(shí)驗(yàn)儀）、短路電壓電流發(fā)生器（以下簡(jiǎn)稱發(fā)生器）組成。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程為：學(xué)生通過(guò)監(jiān)控計(jì)算機(jī)設(shè)置一電網(wǎng)故障，計(jì)算機(jī)將這一故障通過(guò)建立電力系統(tǒng)的各種故障模型進(jìn)行仿真計(jì)算，將仿真的數(shù)字結(jié)果通過(guò)RS232或USB數(shù)據(jù)線下傳給發(fā)生器，同時(shí)電腦屏幕上會(huì)顯示故障的電壓電流波形；發(fā)生器接收到數(shù)字信號(hào)后通過(guò)D/A轉(zhuǎn)化、低通濾波[6]等步驟，輸出模擬量的電壓電流給實(shí)驗(yàn)儀；實(shí)驗(yàn)儀也就是保護(hù)裝置，接收到故障的電壓電流后，保護(hù)裝置動(dòng)作，切斷系統(tǒng)電路，完成保護(hù)并通過(guò)RS232或USB數(shù)據(jù)線上傳保護(hù)的數(shù)據(jù)給監(jiān)控計(jì)算機(jī)[7]。

原有的微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)中發(fā)生器和實(shí)驗(yàn)儀[7]與監(jiān)控計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，都是通過(guò)RS232串口線或者USB數(shù)據(jù)線完成的。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的下位機(jī)（發(fā)生器和實(shí)驗(yàn)儀）進(jìn)行嵌入式開發(fā)，如前文所述，取代原有系統(tǒng)的有線通信方式（RS232和USB）后，形成的數(shù)據(jù)通信的過(guò)程大致如圖7所示。

無(wú)線通信軟件設(shè)置 為保證繼電保護(hù)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行院涂煽啃?，在監(jiān)控計(jì)算機(jī)與下位機(jī)之間進(jìn)行嵌入式開發(fā)，將無(wú)線通信模塊嵌入下位機(jī)中。這時(shí)還需要有一系列的約定，就是數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約或通信規(guī)約，它對(duì)通信鏈路的控制、通信雙方的應(yīng)答關(guān)系、通信內(nèi)容的格式、差錯(cuò)控制方式以及傳輸速率等進(jìn)行了一系列的約定[1]。

想要弄清楚如何設(shè)置上述參數(shù)，就必須了解數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中是如何傳播的。圖8所示為數(shù)據(jù)在無(wú)線模塊中的傳輸路徑。

因?yàn)樽罱K形成的是無(wú)線轉(zhuǎn)串口的模塊，所以關(guān)于模塊軟件設(shè)置方面主要是無(wú)線Wi-Fi的工作方式和串口設(shè)置。

配置IEEE 802.11n工作模式：MT7681支持802.11b/g/n無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)，為通信標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)幀格式提供硬件支持[4]。

其MAC層的幀格式為“頭幀+數(shù)據(jù)幀+校驗(yàn)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(zhǎng)度可以通過(guò)寄存器的設(shè)置來(lái)改變。可以采用16位CRC校驗(yàn)來(lái)提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。發(fā)送或接收的數(shù)據(jù)幀被送入RAM中128字節(jié)的緩存區(qū)，進(jìn)行相應(yīng)的幀打包和拆包操作。

串口設(shè)置：UART波特率，UART數(shù)據(jù)，UART奇偶校驗(yàn)位，UART停止位。

除了上述參數(shù)配置外，還需配置模塊工作方式和網(wǎng)絡(luò)連接的基本參數(shù)模塊采用，而這些參數(shù)是以AT+指令集方式來(lái)呈現(xiàn)的，通過(guò)MT7681芯片的開發(fā)軟件平臺(tái)經(jīng)串口輸入到模塊中。以下是模塊作為服務(wù)器站點(diǎn)模式時(shí)的配置命令的一個(gè)實(shí)例：

at+netmode=1 //模塊工作模式為站點(diǎn)

at+dhcpc=1 //打開路由DHCP服務(wù)器，模塊的IP地址自動(dòng)獲得

at+remoteip=192.168.11.245 //上位機(jī)的IP地址

at+remoteport=8080 //本地端口

at+remotepro=tcp //采用TCP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

at+timeout=0 //不延時(shí)

at+mode=server //模塊作為服務(wù)器使用

at+uart=115200，8，n，1 //串口參數(shù)設(shè)置

at+uartpacklen=64 //串口數(shù)據(jù)打包大小，可自行更改

at+uartpacktimeout=10 //串口組幀時(shí)間設(shè)置

at+reconn=1 //重啟串口服務(wù)，收到指令，模塊開始傳輸

至此，模塊數(shù)據(jù)配置完整，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可進(jìn)行無(wú)線通信。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文詳細(xì)介紹了嵌入式Wi-Fi模塊實(shí)現(xiàn)方法，分析了模塊與微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)在數(shù)據(jù)通信方面的聯(lián)系。從實(shí)際需求出發(fā)，基于上述技術(shù)研發(fā)的微機(jī)型綜合保護(hù)教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置已經(jīng)投入試運(yùn)行，結(jié)果表明，該無(wú)線通信設(shè)計(jì)提高了通信可靠性，簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)接線過(guò)程，能夠滿足繼電保護(hù)通信實(shí)驗(yàn)的需要。

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