專利名稱：無線多信道數(shù)據(jù)收發(fā)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及了一種無線多信道數(shù)據(jù)收發(fā)器，屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前，無線傳感網(wǎng)發(fā)展迅速，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域。隨著智能家居和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起，將會有越來越多的人員加入到無線傳感網(wǎng)開發(fā)的領(lǐng)域。在無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)開發(fā)過程中，各個設(shè)備的信息是以射頻信號的方式相互傳送的，調(diào)試者不能直觀的觀察調(diào)試結(jié)果，增加了調(diào)試難度和開發(fā)周期。現(xiàn)有的無線數(shù)據(jù)監(jiān)聽器大多數(shù)是針對單一信道的情況，在調(diào)試大規(guī)模無線網(wǎng)絡(luò)的時候，需要多次更換不同信道的監(jiān)聽器，或者擺放多個監(jiān)聽器，操作復(fù)雜，布置麻煩。特別是現(xiàn)在越來越多的無線設(shè)備使用了跳頻技術(shù)，這就需要同時觀測多個頻段的數(shù)據(jù)情況，且要求各個頻段保持嚴(yán)格的時間同步性，單一信道的監(jiān)聽器無法滿足這樣的調(diào)試條件。雖然目前已有可以同時監(jiān)聽多個信道的設(shè)備，但仍有如下不足:1.不具備發(fā)送數(shù)據(jù)的功能。而一般在網(wǎng)絡(luò)調(diào)試過程中，一個可以多信道同時發(fā)送數(shù)據(jù)的信號源也是必要的。
2.現(xiàn)有無線數(shù)據(jù)監(jiān)聽器與上位機的通信接口比較單一，通用性不強，靈活性不高。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明設(shè)計一種無線多信道數(shù)據(jù)收發(fā)器，能夠多個信道實時同步收發(fā)數(shù)據(jù)，并且可以通過方便靈活的通信接口與上位機交互，加速設(shè)計的調(diào)試和測試，縮短開發(fā)周期。本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案是:(定稿后拷貝權(quán)利要求)本發(fā)明具有以下優(yōu)點:1.多信道實時同步收發(fā)數(shù)據(jù)。本發(fā)明采用現(xiàn)場可編程門陣列芯片來實現(xiàn)各個信道的獨立操作，充分利用其可以并行執(zhí)行程序的特點，使得多個信道之間互不干擾，各自完成數(shù)據(jù)的收發(fā)工作，各個信道之間的同步關(guān)系可以達(dá)到微秒級。2.通用性。本發(fā)明不但能夠?qū)崿F(xiàn)多信道數(shù)據(jù)的實時同步監(jiān)聽，而且還能夠由上位機選擇發(fā)送數(shù)據(jù)模式，可以實現(xiàn)單一信道或者多信道同時發(fā)送數(shù)據(jù)，還可以選擇為發(fā)送信道與接收信道并存的模式。此外，本發(fā)明帶有WIFI無線通信接口，支持多個區(qū)域無線傳感網(wǎng)絡(luò)同時調(diào)試或者聯(lián)調(diào)，所以本發(fā)明適用更多的無線傳感網(wǎng)調(diào)試場合，通用性強。3.靈活性。本發(fā)明支持三種與上位機的通信接口，既有有線方式(串口、USB)，又有無線方式(WIFI)，因此上位機選擇靈活，可以使用臺式機、筆記本電腦或者平板電腦與之通信，應(yīng)用更廣泛。4.便攜性。本發(fā)明把N個信道的無線射頻模塊整合到一塊電路板上，體積小，便于攜帶?？梢越Y(jié)合便攜式電腦完成現(xiàn)場調(diào)試。


圖1是本發(fā)明設(shè)計的無線多信道數(shù)據(jù)收發(fā)器結(jié)構(gòu)框圖；圖2是本發(fā)明實施例的硬件組成框圖；圖3是本發(fā)明實施例中現(xiàn)場可編程門陣列芯片內(nèi)部的電路框圖；圖4是本發(fā)明設(shè)計的無線多信道數(shù)據(jù)收發(fā)器工作原理示意圖；圖5是多個無線多信道數(shù)據(jù)收發(fā)器分布式調(diào)試原理示意圖；圖6是本發(fā)明實施例中現(xiàn)場可編程門陣列的軟件流程圖；圖7是本發(fā)明實施例中微處理器的軟件流程圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。如圖1所示，本發(fā)明由N個無線射頻模塊、現(xiàn)場可編程門陣列模塊、通信模塊、微處理器模塊以及電源模塊共五部分組成。圖2給出了本發(fā)明實施例中各個模塊的具體硬件組成:所述N個無線射頻模塊，每個模塊均由射頻調(diào)制解調(diào)芯片Si4432及其外圍電路組成。Si4432通過SPI接口與現(xiàn)場可編程門陣列模塊通信，當(dāng)接收到無線射頻信號時，通過解調(diào)得到接收數(shù)據(jù)，然后由中斷引腳通知現(xiàn)場可編程門陣列模塊進(jìn)行處理；發(fā)送數(shù)據(jù)時，先把待發(fā)送的數(shù)據(jù)緩存到Si4432中，然后使能發(fā)送，這樣Si4432就會把數(shù)據(jù)調(diào)制成射頻信號發(fā)射出去。所述現(xiàn)場可編程門陣列模塊中，F(xiàn)PGA芯片采用Altera公司Cyclone II系列的EP2C8Q208C，配置芯片采用16Mbit容量的EPCS16來存儲配置信息，時鐘電路采用一個20MHz的有源晶振為FPGA提供全局時鐘。圖3所示為現(xiàn)場可編程門陣列芯片的內(nèi)部組成框圖，包括:控制模塊，用于接收微處理器的控制指令，根據(jù)指令控制其余的模塊，完成相應(yīng)的操作；SPI接口模塊，用于和無線射頻模塊之間的通信；發(fā)送接收控制模塊，用于使能發(fā)送模塊或者接收模塊，進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的轉(zhuǎn)換；發(fā)送模塊和接收模塊，由發(fā)送接收控制模塊控制，用于數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收；計數(shù)器，為接收到的數(shù)據(jù)提供時間信息；數(shù)據(jù)處理模塊，用于給接收到的數(shù)據(jù)添加時間信息、信道號和信號強度；數(shù)據(jù)緩存模塊，用于把處理后的數(shù)據(jù)暫存起來，等待微處理器的讀取。所述通信模塊由串口電路、USB通信接口電路和WIFI通信接口電路三部分組成，串口電路由Maxim公司的一款RS-232收發(fā)器芯片MAX3221及其外圍電路組成，用于與上位機實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)RS-232接口通信；USB通信接口電路由Cypress公司的一款帶USB2.0內(nèi)核的芯片CY7C68013A及其外圍電路組成，用于與上位機實現(xiàn)高速USB通信；WIFI通信接口電路采用MXCHIP公司的一款SPI接口的WIFI通信模塊實現(xiàn)與上位機的WIFI通信功能。所述微處理器模塊，由MSP430F1611單片機、時鐘電路以及復(fù)位電路組成，由于射頻芯片Si4432的配置復(fù)雜，用FPGA實現(xiàn)困難，所以本發(fā)明采用單片機和FPGA相結(jié)合的方式，在配置射頻模塊的時候，F(xiàn)PGA會把其內(nèi)部的SPI接口模塊的控制權(quán)移交給單片機，由單片機來完成復(fù)雜的配置工作，微處理器模塊還負(fù)責(zé)向FPGA轉(zhuǎn)發(fā)上位機的控制指令，控制通信模塊與上位機通信。
所述電源模塊，要能夠產(chǎn)生3.3V、2.5V和1.2V電壓，供系統(tǒng)中各個模塊使用。3.3V電源由低壓差線性穩(wěn)壓器芯片AMSl117-3.3V將系統(tǒng)提供的5V電源轉(zhuǎn)換而成，2.5V電源由AMSl117-2.5V芯片轉(zhuǎn)換而成，1.2V電源由LM317芯片轉(zhuǎn)換而成。圖4所示為無線多信道數(shù)據(jù)收發(fā)器的工作原理示意圖，在網(wǎng)絡(luò)調(diào)試現(xiàn)場，首先需要將收發(fā)器放入被調(diào)試的無線傳感網(wǎng)絡(luò)中，然后把收發(fā)器通過通信接口與上位機相連，系統(tǒng)上電后，便可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)調(diào)試。調(diào)試前，需要先根據(jù)實際情況配置各個無線射頻模塊，確立信道的個數(shù)和各個信道的中心頻率，這些配置通過上位機軟件完成；調(diào)試時，根據(jù)調(diào)試內(nèi)容通過上位機軟件還可以選擇各種調(diào)試模式，例如:監(jiān)聽模式、單信道發(fā)送數(shù)據(jù)模式、多信道發(fā)送數(shù)據(jù)模式以及收發(fā)并存的模式。每種模式下，都可以通過上位機軟件觀察接收和發(fā)送的報文信息，例如:能夠直觀的顯示各信道的報文同步關(guān)系和信號強度等，調(diào)試結(jié)果一目了然。此外，本發(fā)明設(shè)計的無線多信道數(shù)據(jù)收發(fā)器帶有WIFI通信接口，能夠?qū)崿F(xiàn)多個區(qū)域網(wǎng)同時調(diào)試或者聯(lián)調(diào)。如圖5所示，在多個小區(qū)域無線傳感網(wǎng)需要聯(lián)合調(diào)試的場合，只要在每個區(qū)域網(wǎng)內(nèi)放置一個無線多信道數(shù)據(jù)收發(fā)器，就可以通過每個收發(fā)器的WIFI無線通信接口把調(diào)試信息傳送到一個上位機上，實現(xiàn)多個收發(fā)器分布式調(diào)試的功能。圖6所示為本發(fā)明實施例中現(xiàn)場可編程門陣列的軟件流程圖，上電后，F(xiàn)PGA會一直等待微處理器的指令，指令共有三種，當(dāng)接收到配置指令后，F(xiàn)PGA進(jìn)入配置程序，釋放SPI總線控制權(quán)給微處理器，直到所有無線射頻模塊都配置完成后，重新獲得SPI總線的控制權(quán)；當(dāng)接收到監(jiān)聽指令時，F(xiàn)PGA進(jìn)入監(jiān)聽程序，使能各個無線射頻模塊為接收數(shù)據(jù)模式，開始接收數(shù)據(jù)，并把接收到的數(shù)據(jù)添加時間信息、信號強度和信道號，緩存到FIFO中，等待微處理器讀取，各個信道獨立完成整個接收數(shù)據(jù)過程，互不干擾；當(dāng)接收到發(fā)送數(shù)據(jù)指令時，F(xiàn)PGA進(jìn)入發(fā)送數(shù)據(jù)程序，根據(jù)指令中提供的信道信息，選擇發(fā)送信道，然后接收微處理器發(fā)來的數(shù)據(jù)，將其裝入發(fā)送緩沖區(qū)中，使能發(fā)送。圖7所示為本發(fā)明實施例中微處理器的軟件流程圖，上電后，微處理器首先要向FPGA發(fā)送配置指令，以獲得SPI總線控制權(quán)，然后根據(jù)上位機的配置信息，配置各個無線射頻模塊，配置完成后再將SPI總線控制權(quán)交給FPGA，配置過程在系統(tǒng)上電之后完成，并且只需配置一次。接著，微處理器會一直等待上位機的指令，當(dāng)接收到監(jiān)聽指令時，微處理器會向FPGA發(fā)送監(jiān)聽指令，當(dāng)檢測到FPGA中有數(shù)據(jù)到來時，讀取數(shù)據(jù)并控制通信模塊把數(shù)據(jù)上傳給上位機；當(dāng)接收到發(fā)送數(shù)據(jù)指令時，微處理器會把發(fā)送數(shù)據(jù)指令、信道信息和待發(fā)送數(shù)據(jù)一起發(fā)送給向FPGA，完成數(shù)據(jù)發(fā)送。
權(quán)利要求
1.一種無線多信道數(shù)據(jù)收發(fā)器，其特征在于，包括 N個無線射頻模塊，分別負(fù)責(zé)N個信道射頻信號的收發(fā)； 現(xiàn)場可編程門陣列模塊，配合微處理器模塊完成N個無線射頻模塊的配置，既可實現(xiàn)多信道按特定模式發(fā)送，也可實時多信道同步接收，并將收到的數(shù)據(jù)附加特定標(biāo)識信息后緩存； 通信模塊，負(fù)責(zé)與上位機的通信，接收上位機所選擇的收發(fā)器工作模式； 微處理器模塊，與現(xiàn)場可編程門陣列模塊、通信模塊連接，通過發(fā)送指令給現(xiàn)場可編程門陣列模塊，操作現(xiàn)場可編程門陣列模塊配置各個無線射頻模塊、接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，控制通信模塊與上位機的信息交互； 電源模塊，負(fù)責(zé)給各個模塊提供工作電源。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線多信道數(shù)據(jù)收發(fā)器，其特征在于，所述N個無線射頻模塊整合到一塊電路板上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線多信道數(shù)據(jù)收發(fā)器，其特征在于，所述現(xiàn)場可編程門陣列模塊由現(xiàn)場可編程門陣列芯片、配置芯片和時鐘組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的無線多信道數(shù)據(jù)收發(fā)器，其特征在于，所述現(xiàn)場可編程門陣列芯片包括: 控制模塊，用于接收微處理器的控制指令，根據(jù)該指令控制現(xiàn)場可編程門陣列芯片中的其他模塊； 發(fā)送接收控制模塊，用于使能發(fā)送模塊和接收模塊； 發(fā)送模塊，用于數(shù)據(jù)發(fā)送給SPI接口模塊； 接收模塊，用于數(shù)據(jù)接收給SPI接口模塊； SPI接口模塊，用于與無線射頻模塊通信； 計數(shù)器，根據(jù)所述時鐘為接收到的數(shù)據(jù)提供時間信息； 數(shù)據(jù)處理模塊，用于為接收模塊傳送的數(shù)據(jù)添加時間信息、信道號和信號強度； 數(shù)據(jù)緩存模塊，用于暫存經(jīng)數(shù)據(jù)處理模塊處理后的數(shù)據(jù)，等待所述微處理器的讀取。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線多信道數(shù)據(jù)收發(fā)器，其特征在于，所述通信模塊支持有線的串口通信、USB通信及WIFI無線通信三種通信方式。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線多信道數(shù)據(jù)收發(fā)器，其特征在于，所述微處理器模塊由單片機、復(fù)位電路和時鐘電路組成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線多信道數(shù)據(jù)收發(fā)器，其特征在于，所述收發(fā)器工作模式包括監(jiān)聽模式、單信道發(fā)送數(shù)據(jù)模式、多信道發(fā)送數(shù)據(jù)模式或者收發(fā)并存的模式。
全文摘要
本發(fā)明涉及了一種無線多信道數(shù)據(jù)收發(fā)器，屬于無線通信領(lǐng)域。本發(fā)明包括N個無線射頻模塊，分別負(fù)責(zé)N個信道射頻信號的收發(fā)；現(xiàn)場可編程門陣列模塊，負(fù)責(zé)配合微處理器模塊完成N個無線射頻模塊的配置，既可實現(xiàn)多信道按特定模式發(fā)送，也可實時多信道同步接收，并將收到的數(shù)據(jù)附加特定標(biāo)識信息后緩存；通信模塊，負(fù)責(zé)與上位機的通信，支持有線的串口、USB通信方式及WIFI無線通信；微處理器模塊，負(fù)責(zé)向現(xiàn)場可編程門陣列模塊發(fā)送指令，配置各無線射頻模塊的工作模式，控制通信模塊與上位機的信息交互過程；電源模塊，負(fù)責(zé)給整個工作裝置提供工作電源。本發(fā)明的特點在于其網(wǎng)絡(luò)調(diào)試功能，能夠?qū)崿F(xiàn)無線多信道實時同步收發(fā)數(shù)據(jù)，具有通用性強，攜帶方便，使用靈活的優(yōu)點。
文檔編號H04W84/18GK103209431SQ20121000793
公開日2013年7月17日 申請日期2012年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月11日
發(fā)明者尚志軍, 崔世界, 曾鵬, 于海斌 申請人:中國科學(xué)院沈陽自動化研究所