防數(shù)據(jù)碰撞的無(wú)線呼叫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：在多點(diǎn)對(duì)單點(diǎn)無(wú)線通信領(lǐng)域中，為防止多個(gè)發(fā)射器同時(shí)向接收器發(fā)送數(shù)據(jù)而產(chǎn)生的相互干擾（碰撞），提出一種具有反碰撞功能的無(wú)線呼叫系統(tǒng)模型，給出單片機(jī)與無(wú)線收發(fā)模塊的硬件接口設(shè)計(jì)；詳細(xì)介紹所用的通信協(xié)議和呼叫接收器，以及收發(fā)雙方的軟件設(shè)計(jì)，為多點(diǎn)對(duì)單點(diǎn)的無(wú)線呼叫系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)提供一種有效可靠的解決方案。

關(guān)鍵詞：中央服務(wù)器 無(wú)線呼叫系統(tǒng) 防碰撞技術(shù) 同步信號(hào)

隨著科技的進(jìn)步以及對(duì)生活質(zhì)量要求的不斷提高，人們要求在消費(fèi)中得到的服務(wù)更加快捷、方便、舒適；同時(shí)處于激烈競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境中的服務(wù)性企業(yè)也需要吸引顧客，提高企業(yè)自身的服務(wù)檔次和形象。無(wú)線呼叫系統(tǒng)能夠?yàn)轭櫩蛣?chuàng)造良好的消費(fèi)環(huán)境，使其得到方便及時(shí)的服務(wù)；企業(yè)也能隨時(shí)掌握顧客需要的服務(wù)，提高服務(wù)效率。它可以廣泛應(yīng)用于酒店、銀行、醫(yī)院、娛樂場(chǎng)所等服務(wù)性行業(yè)中。因此，研究出一種簡(jiǎn)單可靠、高效率的無(wú)線呼叫系統(tǒng)，對(duì)于提高我服務(wù)行業(yè)的服務(wù)水平，改進(jìn)人們的生活方式，促進(jìn)社會(huì)生活的信息化，具有重要的理論、實(shí)用和商用價(jià)值。

1 無(wú)線呼叫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能

圖1所示給出了由一臺(tái)中央服務(wù)器CSS（Central Sever System）和多臺(tái)終端呼叫器MTCU（Multiple Terminal Call Unit）構(gòu)成的多點(diǎn)對(duì)單點(diǎn)無(wú)線通信系統(tǒng)。中央服務(wù)器CSS與每一臺(tái)呼叫器CU（Call Unit）之間以雙向方式傳遞數(shù)據(jù)，傳輸數(shù)據(jù)量大，實(shí)時(shí)性要求高。同傳統(tǒng)的線呼叫系統(tǒng)相比，無(wú)線呼叫系統(tǒng)的使用更加靈活，無(wú)需在工作環(huán)境中鋪設(shè)有線物理網(wǎng)絡(luò)，極大降低了投資成本。

系統(tǒng)工作在ISM頻段433MHz附近，該頻段無(wú)需申請(qǐng)?jiān)S可證。呼叫器作為數(shù)據(jù)載體通常由用戶即服務(wù)的申請(qǐng)方來(lái)控制，每個(gè)呼叫器有一個(gè)唯一的識(shí)別碼。當(dāng)用戶按其上的發(fā)射鍵后，識(shí)別碼被發(fā)射出去，等待中央接收器的響應(yīng)；中央服務(wù)器接收到服務(wù)申請(qǐng)后，根據(jù)識(shí)別碼鑒定出是由哪一臺(tái)呼叫器發(fā)出的申請(qǐng)，并給出聲音提示和顯示呼叫器的識(shí)別號(hào)。

在酬、醫(yī)院、娛樂業(yè)等經(jīng)營(yíng)場(chǎng)所中，中央服務(wù)器置于服務(wù)臺(tái)或值班室中，呼叫器安放在客戶里、病床邊或顧客身邊。顧客隨時(shí)可以發(fā)出服務(wù)申請(qǐng)，中央服務(wù)器接收到申請(qǐng)后，發(fā)出提示音和顯示識(shí)別號(hào)碼，通知服務(wù)員向提出服務(wù)申請(qǐng)的顧客提供服務(wù)。

2 防碰撞技術(shù)

2.1 防碰撞問題的提出

在服務(wù)行業(yè)的營(yíng)業(yè)場(chǎng)所中，顧客需要服務(wù)人員能夠提供準(zhǔn)確、及時(shí)的服務(wù)，因此要求所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)有很好的實(shí)時(shí)性和可靠性。一方面，顧客提出的申請(qǐng)能夠很快地得到響應(yīng)，使顧客感覺不到時(shí)間的浪費(fèi)；另一方面，中央服務(wù)器不能由于接收到的是錯(cuò)誤信息，使服務(wù)員打擾并未提出服務(wù)申請(qǐng)的顧客。

針對(duì)系統(tǒng)的要求，可以得出導(dǎo)致服務(wù)中出現(xiàn)錯(cuò)誤的原因有二：一是由于無(wú)線信道的復(fù)雜性，信息在無(wú)線信道的傳輸過(guò)程極易受到干擾而產(chǎn)生錯(cuò)誤，接收端不能接收到正確的信息；其二是由于多個(gè)呼叫器同時(shí)競(jìng)爭(zhēng)通信信道向中央服務(wù)器發(fā)出呼叫，各個(gè)呼叫器發(fā)出的數(shù)據(jù)相互干擾，使中央服務(wù)器不能正確地辨別是哪一臺(tái)呼叫器發(fā)出的申請(qǐng)。這兩種錯(cuò)誤可能使沒有發(fā)出呼叫申請(qǐng)的顧客得到了不需要的服務(wù)，而有服務(wù)要求的顧客又得不到滿足，反而降低了服務(wù)的效率和準(zhǔn)確度，起不到服務(wù)行業(yè)中需要的無(wú)線呼叫系統(tǒng)的作用。對(duì)于前一種情況可以采用適當(dāng)?shù)男＜m錯(cuò)方式，降低中央服務(wù)器向服務(wù)員提供錯(cuò)誤呼叫信息的概率，無(wú)需本文詳細(xì)討論。而對(duì)后一種情況，需要找到一種合適的反碰撞方法，這正是本文要解決的問題。

2.2 無(wú)線呼叫系統(tǒng)的防碰撞技術(shù)

數(shù)據(jù)的碰撞問題即無(wú)線通信中的多路存取問題。我們把多個(gè)通信通路競(jìng)爭(zhēng)一個(gè)通信信道的最大數(shù)據(jù)傳輸率以及供它使用的時(shí)間片確定的，故分配給每個(gè)用戶的通路容量必須滿足：當(dāng)有多個(gè)發(fā)射器同時(shí)把數(shù)據(jù)傳輸給同一個(gè)接收器時(shí)，不能出現(xiàn)互相干擾（碰撞）。在無(wú)線電技術(shù)中，多路存取問題的存在由來(lái)已久。因此，出現(xiàn)了許多方法，可以把不同的用戶信號(hào)分開。比較典型的方法有四種：空分多路法、頻分多路法、時(shí)分多路法以及碼分多路法。這些經(jīng)典的多路存取問題解決方法用于移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信等系統(tǒng)中時(shí)，可以將不間斷的數(shù)據(jù)流傳輸給用戶，并且保證一次分配的通信容量能夠保持足夠長(zhǎng)的時(shí)間，如同話音通信所需要的那樣（例如在一次通話的整個(gè)交談過(guò)程）。

圖3 系統(tǒng)通信時(shí)序圖

對(duì)無(wú)線呼叫系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，中央服務(wù)器與呼叫器之間只存在很短的動(dòng)作周期，這種周期被較長(zhǎng)的不等非工作間歇所中斷。呼叫器發(fā)出的數(shù)據(jù)在數(shù)十ms的時(shí)間內(nèi)被鑒別，讀出和寫入；接著，中央服務(wù)器在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)不會(huì)上到呼叫器發(fā)出的信號(hào)。但這并不意味我們不需要考慮多個(gè)呼叫器同時(shí)向服務(wù)器傳輸數(shù)據(jù)的可能性。我們需要的是一種高效的多路存取法，使用戶感覺不到時(shí)間的損失就完成了數(shù)據(jù)的區(qū)分、顯示及對(duì)用戶的響應(yīng)。見圖2，許多呼叫器試圖“圖時(shí)”將數(shù)據(jù)傳輸給服務(wù)器。

現(xiàn)在比較常用的多路存取方法有頻分復(fù)用和時(shí)分復(fù)用法。頻分復(fù)用法（FDM，F(xiàn)requency-Division Multiplexing）是在呼叫器與接收器之間建立多條不同帶的通信信道。但這種方法實(shí)現(xiàn)上過(guò)于復(fù)雜，硬件上需要增加濾波器組；并且由于信道的非線性會(huì)產(chǎn)生交調(diào)失真和高次諧波，引起信號(hào)的串路，因而不適合所設(shè)計(jì)的無(wú)線呼叫系統(tǒng)在本系統(tǒng)使用的是時(shí)分復(fù)用法（TDM，Time-Division Multiplexing）。TMD同F(xiàn)DM相比較具有電路實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單可靠，對(duì)系統(tǒng)的非線性失真要求不高。

2.3 中央服務(wù)器與呼叫器之間的通信過(guò)程

時(shí)分復(fù)用的主要特點(diǎn)是利用不同時(shí)隙來(lái)傳送各路不同的信號(hào)，每路信號(hào)在時(shí)域上是分割開的。我們?yōu)槊颗_(tái)呼叫器分配的，可與中央服務(wù)器通信的時(shí)間段是不同的。因此，要求我們所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有良好的同步機(jī)制，解決中央服務(wù)器與所有呼叫器之間時(shí)鐘的步問題。在同步信號(hào)的指揮下，每個(gè)呼叫器都能在分配給自己的時(shí)間段內(nèi)發(fā)送信息。

系統(tǒng)由中央服務(wù)器產(chǎn)生的步信號(hào)作為整個(gè)系統(tǒng)同步的基準(zhǔn)信號(hào)，這就為所有呼叫器建立了一個(gè)能夠計(jì)算出各自可以發(fā)出呼叫申請(qǐng)時(shí)間的起點(diǎn)。這里的同步信號(hào)是使整個(gè)系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作的同步信號(hào)，而并不要求單個(gè)呼叫器與中央服務(wù)器采用同步通信方式的幀同步信號(hào)，呼叫器與央服務(wù)器之間的通信仍然可以采用異步通信的方式。呼叫器從收到系統(tǒng)同步信號(hào)后，開始計(jì)算可以發(fā)送信號(hào)的延遲時(shí)間。延遲時(shí)間的長(zhǎng)度是在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)就已經(jīng)約定的，每臺(tái)呼叫器對(duì)應(yīng)不同的延遲時(shí)間，使各個(gè)呼叫器與服務(wù)器通信的時(shí)間是錯(cuò)開的，不會(huì)產(chǎn)生重疊，也就防止了中央服務(wù)器時(shí)收到多臺(tái)呼叫器的服務(wù)申請(qǐng)，避免了數(shù)據(jù)之間的碰撞。中央服務(wù)器產(chǎn)生的系統(tǒng)同步信號(hào)是周期性的，這個(gè)周期的大小與系統(tǒng)中呼叫器的個(gè)數(shù)、呼叫器與服務(wù)器之間完成一次通信所需要的時(shí)間有關(guān)，也與硬件設(shè)計(jì)的系統(tǒng)時(shí)鐘大小和數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟ㄌ芈视嘘P(guān)。圖3給出了中央服務(wù)器與呼叫器之間通信的時(shí)序圖。

從圖3中，我們按照時(shí)分復(fù)用的原則，得出系統(tǒng)能夠正常工作的條件：

系統(tǒng)處于工作狀態(tài)后，中央服務(wù)器先發(fā)出同步信號(hào)SYN。該信號(hào)是周期信號(hào)，在兩個(gè)同步信號(hào)之間，服務(wù)器處于接收狀態(tài)。呼叫器CUi接收到同步脈沖后等待Ti時(shí)間，并在這臺(tái)呼叫器有顧客發(fā)出服務(wù)申請(qǐng)的情況下才能向服務(wù)器傳輸信息。呼叫器CUi與中央服務(wù)器通信一次的時(shí)間片的長(zhǎng)度為ti，在時(shí)間片內(nèi)呼叫器可向服務(wù)器重復(fù)傳送n次信息，時(shí)間片內(nèi)數(shù)據(jù)的傳輸仍然采用異步通信的方式。由于所有呼叫器在兩個(gè)SYN之間均有一次機(jī)會(huì)可與中央服務(wù)器通信，所以劃分的時(shí)間片越長(zhǎng)，同步信號(hào)的周期也截止大。但若同步信號(hào)的周期時(shí)間太長(zhǎng)，超過(guò)顧客對(duì)服務(wù)等待時(shí)間的滿意程度，也就不能滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。所以在保證通信質(zhì)量的前提下，應(yīng)提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟ㄌ芈?，縮短通信時(shí)間片的長(zhǎng)度，確定系統(tǒng)中呼叫器的適當(dāng)?shù)臄?shù)量。

3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

圖4給郵了無(wú)線呼叫系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖。系統(tǒng)的中央服務(wù)器與呼叫器的控制功能由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，射頻收發(fā)模塊主要由一塊射頻集成芯片構(gòu)成。此外，中央服務(wù)器還有LED顯示電路以及發(fā)音電路。

單片機(jī)使用Atmel公司的AT89C51，其中集成了4KB FlashROM，主要用來(lái)控制射頻集成芯片的收發(fā)，數(shù)據(jù)的識(shí)別和提取，進(jìn)行反碰撞處理。此外，還要控制LED顯示呼叫器的識(shí)別號(hào)碼及給出提示音。

射頻集成芯片選用Nordic公司的nRF401。NRF401j 單片機(jī)集成收發(fā)芯片，可工作于433.92MHz/434.33MHz兩個(gè)頻道，最大數(shù)據(jù)傳輸率為20kbps，調(diào)制方式為FSK，功耗低，且發(fā)射功率可以調(diào)整，最大發(fā)射功率為+10dBm。當(dāng)工作于等機(jī)模式，待機(jī)電流僅為8μA，因此很適合用于便攜式的無(wú)線通信設(shè)備中。連接nRF401的天線是以差分方式連接到nRF401的。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，呼叫器的天線采用差分環(huán)型天線，這種天線可直接刻蝕在PCB板上。中央服務(wù)器的天線采用高靈每度的單端天線，但是單端天線與nRF401之間也必須通過(guò)一個(gè)差分轉(zhuǎn)換匹配網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)。圖5所示的硬件連接原理圖中的各個(gè)引腳的功能如下所列。

CS：頻道選擇，CS=0選擇工作頻道1，即433.92MHz；CS=1選擇工作頻率2，即434.33MHz。連接AT89C51的P2.5腳。

DOUT：數(shù)據(jù)輸出，連接AT89C51串口RXD。

DIN：數(shù)據(jù)輸入，連接AT89C51串口TXD。

PWR_UP：節(jié)能控制，PWR_UP=1正常工作狀態(tài)，PWR_UP=0低功耗節(jié)能狀態(tài)。連接AT89C51的P2.6腳。

TXEN：發(fā)射接收控制，TXEN=1時(shí)，nRF401為發(fā)射狀態(tài)；TXEN=0時(shí)，nRF401為接收狀態(tài)。連接AT89C51的P2.7腳。

NRF401射頻模塊硬件電路的具體設(shè)計(jì)。為了獲得最佳的RF性能，推薦使用1.6mm FR4板材的雙面PCB；nRF401的直流供電必須使用高性能的RF電容去耦；在PCB板上應(yīng)該避免長(zhǎng)的電源走線；所有的開關(guān)數(shù)字信號(hào)和控制信號(hào)都不能經(jīng)過(guò)nRF401的PLL環(huán)路濾波元件和VCO電感附近。

4 無(wú)線呼叫系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

4.1 通信協(xié)議

為了保證通信成功，通信雙方必須嚴(yán)格遵循通信協(xié)議的約定。由于nRF401的最大數(shù)據(jù)傳輸率為20kbps，為獲得中央服務(wù)器和呼叫器之間大的通信速率，單片機(jī)的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為11.0582MHz時(shí)，我們將串口的波特率選定在19.2kbps。

由中央服務(wù)器向所有呼叫器發(fā)系統(tǒng)同步信號(hào)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求和測(cè)試結(jié)果，我們將同步信號(hào)序列SYN定義為雙同步字符：0xAA和0xAA。所有呼叫器接收到該字符串后，開始計(jì)算各自的可以發(fā)送呼叫信息等時(shí)間Ti。

當(dāng)對(duì)應(yīng)呼叫器與中央服務(wù)器建立起通信關(guān)系后，在可通信時(shí)間片內(nèi)采用異步通信的方式。呼叫器向服務(wù)器發(fā)出握手信號(hào)：0xBB；服務(wù)器接收到握手信號(hào)后發(fā)回應(yīng)答信號(hào)：0xCC，接收到應(yīng)答信號(hào)后呼叫器開始傳送數(shù)據(jù)塊。設(shè)計(jì)中的數(shù)據(jù)塊可以直接是使用VCD碼表示的呼叫器的識(shí)別號(hào)，能很方便地在服務(wù)器的LED上顯示出來(lái)，還可以傳輸對(duì)其它相應(yīng)服務(wù)編碼得到數(shù)據(jù)。收、發(fā)雙方的數(shù)據(jù)校驗(yàn)方式采用計(jì)算發(fā)送數(shù)據(jù)塊的“校驗(yàn)和”。呼叫器對(duì)所發(fā)數(shù)據(jù)求出“校驗(yàn)和”，在數(shù)據(jù)塊發(fā)完后將其發(fā)到中央服務(wù)器中；服務(wù)器計(jì)算所收數(shù)據(jù)塊的“校驗(yàn)和”，并與從呼叫器發(fā)來(lái)的“校驗(yàn)和”相比較。若兩者相等，收正確，服務(wù)器應(yīng)答一個(gè)“0x00”；叵不等，說(shuō)明接收器接收到“0x00”的答復(fù)后，結(jié)束發(fā)送。又因?yàn)楹艚衅靼l(fā)出的服務(wù)請(qǐng)求只能在規(guī)定時(shí)間片段內(nèi)完成，故必須的服務(wù)請(qǐng)求。系統(tǒng)直到等待時(shí)間最長(zhǎng)的那個(gè)呼叫器的時(shí)間片過(guò)去以后，中央服務(wù)器又再次向所有呼叫器發(fā)出系統(tǒng)同步信號(hào).

圖6 收發(fā)程序流程

4.2 收發(fā)程序設(shè)計(jì)

因?yàn)橄到y(tǒng)分配給各個(gè)呼叫器的可與中央服務(wù)器完成一次呼叫申請(qǐng)的時(shí)間片的長(zhǎng)度是固定的，這個(gè)時(shí)間長(zhǎng)度既要保證呼叫器發(fā)出的申請(qǐng)能準(zhǔn)確的傳到服務(wù)臺(tái)上，又要盡量短，才可縮小同步信號(hào)的周期。因此收發(fā)程序的執(zhí)行時(shí)間十分關(guān)鍵，必須短而高效。圖6給出了中央服務(wù)器和呼叫器的收發(fā)程序流程。

結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)中的硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)方案已通過(guò)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。對(duì)在多發(fā)單收情況下產(chǎn)生的數(shù)據(jù)磁撞一解決良好，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，通信誤碼率低。由于電路的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功能完善，這種低成本的無(wú)線呼叫系統(tǒng)在酒店、醫(yī)院及娛樂場(chǎng)所中有很好的實(shí)用價(jià)值。