基于FPGA的無線通信安全協(xié)議

　　0 引言

　　小型機(jī)器人足球融合機(jī)械設(shè)計(jì)、自動(dòng)控制、無線通信、圖像識(shí)別、智能體設(shè)計(jì)等多項(xiàng)技術(shù)，已成為機(jī)器人研究領(lǐng)域中的一個(gè)十分引人注目的熱點(diǎn)。機(jī)器人足球比賽系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，它一般由決策、機(jī)器人小車、視覺和無線通信四個(gè)子系統(tǒng)組成。其中，無線通信系統(tǒng)是銜接主機(jī)和底層機(jī)器人之間聯(lián)系的不可缺少的一環(huán)，其主要任務(wù)是將決策系統(tǒng)的控制命令實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地傳送給每個(gè)機(jī)器人，機(jī)器人按照決策系統(tǒng)的指令做出相應(yīng)的動(dòng)作，其通信性能好壞，將嚴(yán)重影響機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)和比賽的順利進(jìn)行。由于機(jī)器人足球比賽是一個(gè)動(dòng)態(tài)、快速的實(shí)時(shí)系統(tǒng)，要求無線通信系統(tǒng)有較高的通信速率、穩(wěn)定性和抗干擾性。另外，通信模塊的大小也要適應(yīng)足球機(jī)器人小車小型化的要求。因而，開發(fā)出通信速率高、集成度好、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)的無線通信系統(tǒng)對(duì)于贏得比賽具有重要的意義。本文為提高通信系統(tǒng)的性能，設(shè)計(jì)開發(fā)了一種基于PTR6000的高速無線通信系統(tǒng)。

　　1 足球機(jī)器人無線通信機(jī)理及通信硬件的選用

　　根據(jù)比賽規(guī)則，主機(jī)和機(jī)器人小車之間的通信采用無線方式，且兩支球隊(duì)的無線頻道不同。無線通信系統(tǒng)負(fù)責(zé)將主機(jī)決策機(jī)構(gòu)形成的控制命令通過計(jì)算機(jī)控制串行數(shù)據(jù)輸出至無線發(fā)射器，經(jīng)調(diào)制后發(fā)射出去，機(jī)器人小車上的接收模塊解調(diào)出無線信號(hào)上所載的命令信息，然后傳送給車載微處理器進(jìn)一步處理，各機(jī)器人必須根據(jù)自身的程序去篩選屬于自己的命令信息。

　　作為無線通信的空中接口，通信芯片的選型會(huì)直接影響到系統(tǒng)通信的高效性和可靠性。根據(jù)本系統(tǒng)對(duì)無線通信裝置提出的頻率可選、通信速率高、性能可靠、體積小等要求，本系統(tǒng)選定挪威Nordic公司nRF2401芯片的PTR6000模塊作為無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊。其工作在全球開發(fā)的2.4 GHz ISM頻段，通信速率高達(dá)2 Mb/s，有125個(gè)頻道，滿足多頻及跳頻需要;另外半雙工無線收發(fā)一體，因而通信方式比較靈活;體積小，所需外圍元件少，接口電路簡(jiǎn)單，因此特別適合于足球機(jī)器人小型化的要求;可直接連接單片機(jī)串口，也可接PC機(jī)RS 232串口，軟件編程非常方便;抗干擾能力強(qiáng);功耗小。

　　2 無線通信系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)

　　2.1 發(fā)射器的設(shè)計(jì)

　　在無線發(fā)射器中，核心部件采用了AT89LS52單片機(jī)和PTR6000的超高頻無線收發(fā)模塊，配合電平轉(zhuǎn)換電路及邏輯電路而成，其電路圖如圖1所示。從圖中可以看出，AT89LS52的RXD口接收來自PC機(jī)的數(shù)據(jù)信號(hào)，通過對(duì)PTR6000的初始化，使它工作在發(fā)射狀態(tài)，ShockBurst模式定義數(shù)據(jù)包格式，同時(shí)通過CE，CLK和DATA三線接口將數(shù)據(jù)發(fā)射出去，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送。

　　由于PC機(jī)串口采用RS 232電平，而無線通信模塊PTR6000以及單片機(jī)AT89LS52均使用TTL/CMOS電平，所以要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)中采用MAX232芯片，它是一種電平轉(zhuǎn)換芯片，可以將TTL轉(zhuǎn)換為RS 232，或?qū)S 232轉(zhuǎn)換為TTL，能滿足單片機(jī)或普通計(jì)算機(jī)的通信電平轉(zhuǎn)換要求

　　2.2 接收器的設(shè)計(jì)

　　接收器電路圖如圖2所示。接收端裝在每個(gè)機(jī)器人小車上，由于機(jī)器人小車的控制采用DSP控制器TMS320LF2407A，因而在接收端PTR6000無線通信模塊就采用TMS320LF2407A來控制。因PTR6000模塊與單片機(jī)采用的電平標(biāo)準(zhǔn)同為TTL/CMOS電平，所以在接收端直接將兩者連接。上電以后TMS320LF2407A首先配置PTR6000模塊，先將CS，CE設(shè)為配置模式，TMS320LF2407A通過PTR6000的CLKI，DATA將120 b配置數(shù)據(jù)移入PTR6 000模塊，完成無線模塊寄存器配置后，由TMS320LF2407A控制CS，CE啟動(dòng)接收模式。當(dāng)接收數(shù)據(jù)的地址與本機(jī)地址一致時(shí)，通過DRI輸出中斷指示(高電平有效)，DSP通過DATA，CLKI接收數(shù)據(jù)。

　　另外，在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中增加了跳頻撥碼開關(guān)，與之對(duì)應(yīng)的發(fā)射電路也設(shè)置了跳頻撥碼開關(guān)，通過調(diào)整撥碼開關(guān)的位置輸入不同的電平組合信號(hào)便可由軟件跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)頻道，以適應(yīng)比賽時(shí)更換頻率的需要。

　　3 無線通信系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　3.1 無線通信方式與協(xié)議

　　由于足球機(jī)器人的活動(dòng)空間有限，通常采用單向通信方式。為了實(shí)現(xiàn)一對(duì)多的通信，采用廣播方式，所有的機(jī)器人采用與發(fā)射器相同的通信頻率。每個(gè)控制周期無線發(fā)射器發(fā)射一幀數(shù)據(jù)給本方所有機(jī)器人，各機(jī)器人根據(jù)自身編號(hào)讀取數(shù)據(jù)幀的不同字段，獲得自己的運(yùn)動(dòng)控制指令。

　　本系統(tǒng)的足球機(jī)器人采用兩輪差動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)，因此，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制指令就是該機(jī)器人的左右輪速度設(shè)定值。足球機(jī)器人系統(tǒng)命令格式如表1所示。賽場(chǎng)上的機(jī)器人小車首先接收機(jī)器人標(biāo)識(shí)字節(jié)，并與自身的標(biāo)志相比較。當(dāng)比較匹配時(shí)，則認(rèn)定后面的2個(gè)字節(jié)是發(fā)送給本機(jī)的指令，準(zhǔn)備接收;否則，屏蔽掉后面的2個(gè)字節(jié)的指令，等待下一組的指令信息。

　　3.2 收發(fā)器的軟件設(shè)計(jì)

　　通信系統(tǒng)的軟件主要有兩部分：一是AT89LS52上的從RS 232接收和往PTR6000發(fā)射數(shù)據(jù);二是DSP2407A從PTR6000接收數(shù)據(jù)。圖3給出它們的流程框圖。

　　發(fā)射器中的單片機(jī)AT89LS52接收到上位機(jī)的通信指令后，將接收到的數(shù)據(jù)按照通信協(xié)議打包，然后通過對(duì)CLK1引腳和DATA引腳編程按照數(shù)據(jù)手冊(cè)上的時(shí)序圖將數(shù)據(jù)按位寫入PTR6000并以廣播形式發(fā)送給各個(gè)足球機(jī)器人。

　　足球機(jī)器人的接收程序則由機(jī)器人上的DSP2407A執(zhí)行，每個(gè)機(jī)器人根據(jù)各自設(shè)定的編號(hào)，從接收緩沖區(qū)取出相應(yīng)左右輪速度值。接收端的PTR6000在收到與本機(jī)地址相同的數(shù)據(jù)包后將DR1數(shù)據(jù)就緒引腳置為高電平，由于本設(shè)計(jì)將此引腳連接到了DSP的XINT2中斷引腳，因此DR1的上升沿將導(dǎo)致DSP轉(zhuǎn)入執(zhí)行中斷服務(wù)程序，通過對(duì)CLK1和DATA引腳編程以數(shù)據(jù)手冊(cè)提供的時(shí)序讀取接收數(shù)據(jù)。