無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)論文

時(shí)間：2021年x月x日書山有路勤為徑，學(xué)海無涯苦作舟頁碼：第1頁共9頁無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)論文摘要：介紹了一種用于RobocupF-180小型組足球機(jī)器人比賽的無線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。包括發(fā)送端和接收端系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)及其軟件設(shè)計(jì)。給出了一種適應(yīng)于這套系統(tǒng)的通信協(xié)議，包括物理層的編碼設(shè)計(jì)、糾錯(cuò)編碼設(shè)計(jì)和幀關(guān)鍵詞：串行通信無線通信機(jī)器人足球機(jī)器人是一個(gè)極富挑戰(zhàn)性的高技術(shù)密集密集型項(xiàng)目，融小車機(jī)械、機(jī)器人學(xué)、機(jī)電一體化、單片機(jī)、數(shù)據(jù)融合、精密儀器、實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理、圖像處理與圖像識(shí)別、知識(shí)工程與專家系統(tǒng)、決策、軌跡規(guī)劃、自組織與自學(xué)習(xí)理論、多智能體協(xié)調(diào)以及無線通信等理論和技術(shù)于一體，既是一個(gè)典型的智能機(jī)器人系統(tǒng)，又為研究發(fā)展多智能體系統(tǒng)、多機(jī)器人之間的合作與對抗提供了生動(dòng)的研究模型。它通過提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)任務(wù)，使研究人員利用各種技術(shù)獲得更好的解決方案，從而有效促進(jìn)各個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展。其聽理論與技術(shù)可應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、自動(dòng)化流水線、救援、教育等實(shí)踐領(lǐng)域，從而有效推動(dòng)國家科技經(jīng)濟(jì)等方面的發(fā)展。機(jī)器人足球從一個(gè)側(cè)面反映了一個(gè)國家信息與自動(dòng)化領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究和高技術(shù)本文所要論述的系統(tǒng)所應(yīng)用的F-180小型足球機(jī)器人比賽就是RoboCup系列中應(yīng)F-180小型足球機(jī)器人足球比賽的示意圖如圖1所示，比賽雙方各有5名機(jī)器人小車在場上。足球機(jī)器人系統(tǒng)在硬件設(shè)備方面包括機(jī)器人小車、攝像裝時(shí)間：2021年x月x日書山有路勤為徑，學(xué)海無涯苦作舟置、計(jì)算機(jī)主機(jī)和無線發(fā)射裝置；從功能上分，它包括機(jī)器人小車、視覺、決策和無線通信四個(gè)子系統(tǒng)。其中無線通信系統(tǒng)是銜接主機(jī)和底層機(jī)器人不可缺少的一環(huán)，它必須保證從主機(jī)端到機(jī)器人底層之間的數(shù)據(jù)傳送是可靠的，從而使得機(jī)器人比較能夠順利流暢進(jìn)行。由于比賽雙方都有多個(gè)機(jī)器人同時(shí)在場地上跑動(dòng)，要求無線通信有一定的抗干擾性。無線通信系統(tǒng)的性能相當(dāng)程度上直接影響著機(jī)器人的場上表1系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)比賽中從攝像頭來的視頻信號(hào)經(jīng)過計(jì)算機(jī)處理之后得到控制小車用的數(shù)據(jù)信息，而無線通信系統(tǒng)的就是將這些數(shù)據(jù)信息及時(shí)準(zhǔn)確地送達(dá)場上的每一個(gè)機(jī)器人小車，系統(tǒng)采用廣播方式，各機(jī)器人根據(jù)特定標(biāo)志識(shí)別發(fā)給自己的有用數(shù)據(jù)，從而進(jìn)行決策與行動(dòng)。整個(gè)系統(tǒng)的框圖如圖2所示。1.1發(fā)送端的硬件設(shè)計(jì)發(fā)送端主要用PIC16F877單片機(jī)實(shí)現(xiàn)編碼和對發(fā)射機(jī)的控制，計(jì)算機(jī)通過串行口發(fā)送數(shù)據(jù)，經(jīng)過PIC16F877編碼后再通過PTR3000無線通信模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。所采用的PIC16F877單處機(jī)是MICROCHIP公司推出的8位單片機(jī)。采用RISC指令系統(tǒng)和哈佛總線結(jié)構(gòu)，最高運(yùn)行的時(shí)鐘頻率可達(dá)20MHz,因而指令運(yùn)行速度快。它有很寬的工作電壓范圍，可直接與3.3V的PTR3000無線通信模塊配合使用。TR3000無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊是一種半雙工收發(fā)器，采用NORDIC公司的時(shí)間：2021年x月x日書山有路勤為徑，學(xué)海無涯苦作舟頁碼：第3頁共9頁nrf903無線收發(fā)芯片，工作頻率采用國際通用的數(shù)傳頻段ISM,頻段915MHz,工作頻率可以在902MHz～928MHz可變。采用GMSK調(diào)制，抗干擾能力強(qiáng)，特別適合工業(yè)控制。靈敏度高，達(dá)到-100dBm,最大發(fā)射功率+10dBm,工作電壓為2.7V～3.3V。它最多有169個(gè)頻道，可滿足需要多頻道的場合，最高數(shù)據(jù)速率可達(dá)76.8kbps。因而完全可以滿足小型組機(jī)器人通信的數(shù)傳速率與距離的需要。本系統(tǒng)中PIC16F877就是采用20MHz的時(shí)鐘信號(hào)，能夠滿足即時(shí)收發(fā)數(shù)據(jù)以及編碼的需要。整個(gè)系統(tǒng)中包含兩種電源，無線通信模塊的電源為3.3V,而MAX232又需要+5電源。信號(hào)線的連接也要考慮兩種電平的匹配問題，在必要的地方要加上電平轉(zhuǎn)換電路。首先單片機(jī)要接收來自計(jì)算機(jī)端的數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)串口輸出的信號(hào)經(jīng)過MAX232由232電平轉(zhuǎn)換為TTL電平。但是由于單片機(jī)采用3.3V電平，因而MAX232輸出的信號(hào)需經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換才能輸入單片機(jī)，電平轉(zhuǎn)換可以采用Tl公司提供的典型電平匹配電路(見圖3),也可采用74LVCXX系列邏輯門來轉(zhuǎn)換。由于PIC16F877只有一個(gè)異步串行口，因而要通過16C550通用同步異步收發(fā)器(USART)芯片來擴(kuò)展一個(gè)異步串行口。這樣就可以保證從計(jì)算機(jī)串口輸出的數(shù)據(jù)與無線通信的數(shù)據(jù)速率不同，從而使原始數(shù)據(jù)經(jīng)過通信編碼及打包數(shù)據(jù)量增加之后也能及時(shí)傳送，并且在必要時(shí)也能將接收數(shù)據(jù)送回計(jì)算機(jī)端，實(shí)現(xiàn)半雙工通道。系統(tǒng)的電路圖如圖4。從圖4可以看出PIC單片機(jī)采用并口對16C550進(jìn)行初始化配置。由于16C550共有10個(gè)寄存器，且占用了8個(gè)地址，因而PIC單片機(jī)用RA0、RA1、RA2三個(gè)通用I/O口做地址線選擇16C550的各個(gè)寄存器。單片機(jī)可以不斷通過RB1、RB2引腳檢測TXRDY、RXRDY信號(hào)獲知ST16C550是否時(shí)間：2021年x月x日書山有路勤為徑，學(xué)海無涯苦作舟接收到數(shù)據(jù)，還是已經(jīng)發(fā)送了數(shù)據(jù)。還可以通過把16C550設(shè)置成中斷方式使每接收到一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)便產(chǎn)生一次中斷使INT信號(hào)有效，單片機(jī)進(jìn)入中斷處理程序，從而使單片機(jī)的執(zhí)行效率更高。單片機(jī)通過自帶的異步串行口輸出數(shù)據(jù)到PTR3000通信模塊。由于nrf903芯片接收和發(fā)送數(shù)據(jù)共用一個(gè)引腳，因而需要其他電路來解復(fù)用。最簡單的方法就是在單片機(jī)的TX引腳先接一個(gè)10kQ的隔離電阻，再與RX和PTR3000的DATA引腳相連。但是這種方法有兩個(gè)缺點(diǎn)，它會(huì)造成發(fā)送的數(shù)據(jù)串入到單片機(jī)的接收引腳中，另外發(fā)送信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力受到了極大的限制。因此，本系統(tǒng)采用了74HC244三態(tài)緩沖器作為隔離(見圖4中虛線框內(nèi)所示),并且通過單片機(jī)的RB4控制收發(fā)狀態(tài)，因而在半雙工方式下發(fā)送信號(hào)與接收信號(hào)可以互不干擾地傳送。對于通信模塊工作狀態(tài)的控制主要包含表1所列的這幾個(gè)信號(hào)，通過單片機(jī)的普通l/0口即可控制。表1PTR3000工作工作模式配置表PTR3000工作模式STBYPWR-DWNTXENCS掉電模式01XX待機(jī)模式10XX1.2發(fā)送端的軟件設(shè)計(jì)當(dāng)系統(tǒng)復(fù)位時(shí)，單片機(jī)首先要對PTR3000無線通信模塊和16C550的書山有路勤為徑，學(xué)海無涯苦作舟寄存器進(jìn)行編程初始化。PTR3000的初始化編程是通過同步串行信號(hào)進(jìn)行的，總共有三個(gè)信號(hào)CFG_CLK、CS和CFG_DATA,分別連接到單片機(jī)RC3、RB7、RC5引腳。PIC16F877單片機(jī)本身就有同步串行口功能模塊，但是由于PTR3000的同步串行數(shù)據(jù)位為14位，并非整數(shù)字節(jié)，而且14位數(shù)據(jù)必須一次初始化完成，因此實(shí)際通過普通的I/O口編程來實(shí)現(xiàn)這14位的同步串行信號(hào)更方便一些。在整個(gè)初始化期間CS信號(hào)必須一直為高電平。這14位初始化字的定義見表2。在初始態(tài)以免在其他頻率造成無線干擾，編程完成后就可以將狀態(tài)改為發(fā)射狀態(tài)了。表2PTR3000初始化控制字各位定義Bit參數(shù)名稱符號(hào)參數(shù)位數(shù)0～1頻段FB必須為了10(表示為選擇頻段915±13MHz)210～11輸出功率POUT發(fā)射功率≈-8dBm+6dBm·POUT2接下來對16C550的初始化設(shè)置。由于PIC16F877自身的并行口對16C550進(jìn)行初始化編程設(shè)置各個(gè)寄存器，需要注意的只是在輸出每一個(gè)字節(jié)之前先要通過RA0～RA2輸出相應(yīng)字節(jié)的地址信號(hào)。在初始化設(shè)置時(shí)將16C550的第6頁共9頁時(shí)間：2021年x月x日由于PTR3000的這些特性，很自然就想到采用曼徹斯特編碼 時(shí)間：2021年x月x日選擇糾錯(cuò)編碼方案有(14,8)分組碼、(7,4)分組碼和循環(huán)碼，需要使用兩字時(shí)間：2021年x月x日書山有路勤為徑，學(xué)海無涯苦作舟其低四位的監(jiān)督碼為：則編碼后成為兩個(gè)byte長度：其中每個(gè)字節(jié)的最高位作為標(biāo)志位，用于表示高四位和低四位，高四位用“1”做標(biāo)志，低四位用“0”做標(biāo)志。接收端通過檢測標(biāo)志進(jìn)行重組和解碼。對于譯碼基本方法有維特比譯碼和使用監(jiān)督矩陣譯碼，可根據(jù)具體的編碼方案靈活選用。2.3幀格式設(shè)計(jì)一般數(shù)據(jù)幀包括幀頭、機(jī)器人標(biāo)識(shí)、數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)校驗(yàn)、保留字節(jié)等內(nèi)容，通常按照下面的格式排列：幀頭機(jī)器人標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)保留字?jǐn)?shù)據(jù)校驗(yàn)為了保證幀能夠準(zhǔn)確接收，幀頭的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。一般幀頭需要兩個(gè)或兩個(gè)以上的字節(jié)，并且應(yīng)該選擇數(shù)據(jù)中出現(xiàn)幾率較低的數(shù)值和組合。在這個(gè)系統(tǒng)中可以采用一般數(shù)據(jù)中根本不會(huì)出現(xiàn)的數(shù)據(jù)字節(jié)如OxFO、0xCC作為數(shù)據(jù)幀頭。而其它類型的幀(如開球或暫停等命令幀),則可以選擇在OxFO之后加上其它的等構(gòu)成。這種幀頭組合在一般的數(shù)據(jù)中是不會(huì)出現(xiàn)的，因而可保證幀同步不會(huì)出錯(cuò)。場上的每個(gè)機(jī)器人通過數(shù)據(jù)幀中的機(jī)器人標(biāo)識(shí)來識(shí)別屬于自己的數(shù)據(jù)，由于場上只有5個(gè)機(jī)器人，因而機(jī)器人標(biāo)識(shí)只占用一個(gè)字節(jié)。時(shí)間：2021年x月x日書山有路勤為徑，學(xué)海無涯苦作舟頁碼：第9頁共9頁這套通信系統(tǒng)采用了PTR3000無線通信模塊進(jìn)行無線傳輸，并運(yùn)用了單處機(jī)的編解碼使這套系統(tǒng)工作更加穩(wěn)定可靠，使數(shù)據(jù)通信及時(shí)正確地傳送到場上的每個(gè)機(jī)器人，完