基于單片機(jī)的嵌入式多節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)設(shè)計

楊娜

摘 要： 為解決傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)存在數(shù)據(jù)傳輸速度慢、傳輸能耗高及穩(wěn)定性差的問題，提出一種基于單片機(jī)的嵌入式多節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)設(shè)計。將C8051F020高速8位單片機(jī)作為嵌入式多節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的主控芯片，采用HCNR200線性光耦對運(yùn)放電路濾波以及調(diào)節(jié)，根據(jù)低壓差線性穩(wěn)壓器對電源輸出電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將主控芯片與系統(tǒng)各組成模塊進(jìn)行連接，通過雙頻結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸能耗的控制。在系統(tǒng)的軟件部分設(shè)計中設(shè)定一個閾值，當(dāng)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(tài)；當(dāng)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(zhí)行任務(wù)，由此完成網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的設(shè)計。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，所提方法提升了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低了網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點(diǎn)的傳輸能耗，且提高了數(shù)據(jù)的傳輸速度。

關(guān)鍵詞： 傳輸能耗； 嵌入式； 多節(jié)點(diǎn)； 穩(wěn)壓器； 閾值； 網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)

中圖分類號： TN919?34 文獻(xiàn)標(biāo)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(wǎng)絡(luò)通信發(fā)展的歷程中，出現(xiàn)了短波通信系統(tǒng)、微波通信系統(tǒng)以及移動通信等。不同的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)存在不同的利弊，這使得現(xiàn)代的網(wǎng)絡(luò)通信具有多樣化[1?3]。該多樣化使其在軍事領(lǐng)域、環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域、建筑安全檢測領(lǐng)域和醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用[4?6]。計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展速度越來越快，使其也滲透到了社會和科技發(fā)展以及生活的方方面面，而其中的嵌入式多節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)成為當(dāng)前亟待解決的問題[7]。

為了達(dá)到總線數(shù)據(jù)的傳輸速率，文獻(xiàn)[8]提出基于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)設(shè)計方法。該系統(tǒng)以TMS320C6748作為硬件的基礎(chǔ)，TMS320C6748中有一個10/100 Mb自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)接口，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對大量數(shù)據(jù)的處理，而且還能夠直接和上位機(jī)進(jìn)行通信，并不需額外硬件平臺，這個系統(tǒng)具有固定和可變的IP地址，能夠定時上傳采樣數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)表明該方法具有穩(wěn)定性和可靠性，但是數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芎妮^高。文獻(xiàn)[9]提出一種基于多種參數(shù)混合封裝技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)設(shè)計。此系統(tǒng)利用STC89C52定時計數(shù)采集器、無線自組網(wǎng)、上位機(jī)三部分組成，并結(jié)合實(shí)際應(yīng)用對該系統(tǒng)的硬件部分進(jìn)行設(shè)計。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法較為簡單，但在運(yùn)行中存在誤差較大的問題。

當(dāng)前大部分嵌入式多節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)設(shè)計方法，均無法實(shí)現(xiàn)能耗的高效控制，這促使網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)設(shè)計要進(jìn)一步創(chuàng)新。

1 網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)設(shè)計

1.1 網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)整體框架

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)主要功能的需求，該系統(tǒng)主要由主控制器、數(shù)據(jù)傳輸模塊、接口電路模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)存儲是為了對網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)更加完整地進(jìn)行保存，以彌補(bǔ)因無網(wǎng)絡(luò)傳輸帶來數(shù)據(jù)丟失的現(xiàn)象。主控制器主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)中各個功能模塊的協(xié)調(diào)工作。

1.2 嵌入式多節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)主控制器模塊

嵌入式多節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)根據(jù)C8051F020高速8位單片機(jī)作為主控制芯片。圖2中的模擬外設(shè)中有1個片內(nèi)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(shù)據(jù)傳輸。圖2中的數(shù)字I/O中，一共有64個通用的8個字節(jié)寬的端口I/O，能夠?qū)⑼ㄐ殴?jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的傳輸達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。其中所有的接口線都是5 V電壓，片內(nèi)的定時器以及串行總線等數(shù)字信號均可利用設(shè)置將控制狀態(tài)達(dá)到最佳。

1.3 網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊

在網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集模塊中，利用LM324構(gòu)建的運(yùn)放電路實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集模擬量縮小倍數(shù)處理。LM324作為四運(yùn)放集成電路，其內(nèi)部包括4組顯示相似的運(yùn)算放大器，其中，除了電源共用，4組運(yùn)放均是獨(dú)立的，其有5個引腳，有“+”、“-”兩個節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)信號輸入端。嵌入式多節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊中采用HCNR200線性光耦對運(yùn)放電路濾波以及調(diào)節(jié)，HCNR200光電耦合器由3個光電元件構(gòu)成，其主要的技術(shù)指標(biāo)是：具有正負(fù)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(dá)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(yīng)用于需具有良好穩(wěn)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(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)電源模塊

網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)電源模塊負(fù)責(zé)為系統(tǒng)的各個模塊進(jìn)行供電，以保障節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸能耗控制的正常運(yùn)行，如圖4所示。系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓ぷ麟妷菏? V，由此在給各個模塊進(jìn)行供電時，需要利用低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO）對電源輸出電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)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(wěn)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(wěn)定值，且有極高自有噪聲與較高電源抑制比，LDO基本結(jié)構(gòu)十分簡單，其中包含電壓的基準(zhǔn)源、調(diào)整管等，還包括氣動電路、使能電路以及保護(hù)電路等結(jié)構(gòu)。

2 網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)軟件設(shè)計

根據(jù)上述對網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的硬件設(shè)計，得到系統(tǒng)的框架和各個組成模塊，在以C8051F020作為系統(tǒng)核心的基礎(chǔ)上，如何高效地利用節(jié)點(diǎn)能量并最大程度地延長網(wǎng)絡(luò)生存周期成為本節(jié)需要解決的問題。

通信節(jié)點(diǎn)能夠根據(jù)能量控制技術(shù)，通過通信距離的大小于兩種信道模式切換，則節(jié)點(diǎn)傳送的長度是[l] bit的數(shù)據(jù)與之距離為[d]的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)所耗能量為：

[ETxl，d=lEelec+lεfsd2， d

式中：[lEelec]代表數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行數(shù)據(jù)編碼、濾波等過程消耗的能量；[lεfsd2]和[lεmpd4]代表數(shù)據(jù)發(fā)送端和接收端間的距離與可以接受的誤比特率。根據(jù)式（1）選取對應(yīng)發(fā)送方式發(fā)射功率放大器的能量消耗。在這里假設(shè)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(jié)點(diǎn)收到一個[l] bit的數(shù)據(jù)消耗的能量為：

[ERxl=lEelec] （2）

綜上，節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的過程分為兩個步驟：先接收來自其他通信節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)；其次將其發(fā)送出去。則轉(zhuǎn)發(fā)1個[l] bit數(shù)據(jù)的能耗為：

[Erelayl，d=lEelec+lεfsd2] （3）

簇群內(nèi)與簇群之間的通信都根據(jù)無碰撞MAC協(xié)議完成，不考慮由于碰撞與重發(fā)產(chǎn)生的能量消耗，將網(wǎng)絡(luò)生命周期[Tnetwork]描述成出現(xiàn)第一個由于電能耗盡，導(dǎo)致的失效節(jié)點(diǎn)傳輸需要的時間。另外，網(wǎng)絡(luò)能夠劃分為時間驅(qū)動型與數(shù)據(jù)采集型。節(jié)點(diǎn)沒有傳輸任務(wù)時處于休眠的狀態(tài)，用來節(jié)省能量，如果周圍的環(huán)境有變化或者是節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹芷谝坏剑蜁R上被喚醒，并執(zhí)行監(jiān)測傳輸?shù)娜蝿?wù)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在實(shí)驗(yàn)過程中，由于網(wǎng)絡(luò)通信的環(huán)境不確定，應(yīng)用于各種情況下都有可能，在不同環(huán)境下節(jié)點(diǎn)傳輸控制的效果也不相同。本文在以下情況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并將實(shí)驗(yàn)平臺搭建在Visual C上。

1） 當(dāng)周圍的物體比較多時，把網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)氖瞻l(fā)距離設(shè)置為10 m，接收靈敏度設(shè)置為2～3 s，觀察不同方法在進(jìn)行節(jié)點(diǎn)傳輸能耗控制時的誤比特率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

根據(jù)圖5可知，本文方法數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`比特率方面與其他文獻(xiàn)方法相比具有明顯的優(yōu)勢，本文方法設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)根據(jù)C8051F020高速8位單片機(jī)作為主控制芯片設(shè)計完成，降低了數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`比特率。

2） 選擇一塊空曠的場地，將網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點(diǎn)輸出的距離設(shè)置為15 m，數(shù)據(jù)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(jìn)行對比，結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，本文方法網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點(diǎn)傳輸能耗控制模塊采用雙頻結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)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(shè)計能耗控制模塊，較好地控制了網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的傳輸能耗。

3） 網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點(diǎn)傳輸速率是檢驗(yàn)嵌入式多節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)設(shè)計方法的重要指標(biāo)。不同方法的數(shù)據(jù)傳輸速率如圖7所示。

通過圖7可知，本文方法節(jié)點(diǎn)傳輸能耗控制覆蓋率明顯比其他文獻(xiàn)所提方法的節(jié)點(diǎn)傳輸能耗控制覆蓋率高。本文方法所設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)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(jié) 語

本文以C8051F020為核心，根據(jù)各輔助模塊組建嵌入式多節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，具有穩(wěn)定性好、功耗控制精度高等優(yōu)點(diǎn)?？捎行Ы鉀Q當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)設(shè)計方法中存在的弊端，對該領(lǐng)域發(fā)展具有重要意義。

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