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1數(shù)據(jù)通信適配器基本工作原理

(1)數(shù)據(jù)通信適配器主要構(gòu)成數(shù)據(jù)通信適配器，主要由通信接口單元、通信控制單元、微處理器單元(數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、編碼解碼、加密糾錯(cuò)等)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元、調(diào)制解調(diào)單元、電平轉(zhuǎn)換單元、電源管理單元等構(gòu)成，如圖1所示。通信接口單元，主要用于數(shù)據(jù)分配、交換、控制及傳輸通道、傳輸速率和傳輸規(guī)程等。通信控制單元，主要用于對(duì)數(shù)據(jù)信息傳輸進(jìn)行收發(fā)狀態(tài)控制和串/并狀態(tài)轉(zhuǎn)換等。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元，主要用于對(duì)數(shù)據(jù)信息傳輸過程的緩沖存儲(chǔ)和等待處理等。微處理器(單片機(jī))單元，主要完成信息傳輸中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、編碼解碼、加密糾錯(cuò)及時(shí)鐘控制等。調(diào)制解調(diào)單元，主要完成對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息進(jìn)行輸出調(diào)制和輸入解調(diào)的相關(guān)變換等。電平轉(zhuǎn)換單元，主要完成數(shù)據(jù)通信適配器與電臺(tái)及計(jì)算機(jī)之間的電平匹配等。電源管理單元，主要提供給數(shù)據(jù)通信適配器各單元所需要穩(wěn)定可靠的工作電壓等。(2)窄帶無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)主要組成窄帶無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，主要由計(jì)算機(jī)(信息終端)、數(shù)據(jù)通信適配器、窄帶無線電臺(tái)(通信終端)等組成，如圖2所示。窄帶無線數(shù)據(jù)通信適配器主要完成窄帶無線電臺(tái)(通信終端)的模擬信道與計(jì)算機(jī)(信息終端)之間的信息轉(zhuǎn)換控制和交換處理功能，實(shí)現(xiàn)在窄帶無線電臺(tái)(模擬信道)系統(tǒng)之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的數(shù)據(jù)通信。窄帶無線數(shù)據(jù)通信適配器主要完成窄帶無線電臺(tái)(通信終端)的模擬信道與計(jì)算機(jī)(信息終端)之間的信息轉(zhuǎn)換控制和交換處理功能，實(shí)現(xiàn)在窄帶無線電臺(tái)(模擬信道)系統(tǒng)之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的數(shù)據(jù)通信。(3)數(shù)據(jù)通信適配器基本工作原理數(shù)據(jù)通信適配器主要通過配置特殊存儲(chǔ)器及控制指令，可使系統(tǒng)在串口同步通信方式下工作，其數(shù)據(jù)信息的發(fā)送過程是以高速輸入(從計(jì)算機(jī)輸出)以中低速輸出(輸入于電臺(tái))，而數(shù)據(jù)信息的接收過程以中低速輸入(電臺(tái)接收)而以高速輸出(送入計(jì)算機(jī))。用微處理器的P1口控制收發(fā)轉(zhuǎn)換電路，使適配器工作在不同的模式，其收發(fā)功耗極低。當(dāng)工作在發(fā)送方式時(shí)，對(duì)相應(yīng)的接口進(jìn)行控制，并在驅(qū)動(dòng)程序的作用下，發(fā)送時(shí)CPU請(qǐng)求發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送地址和有效載荷數(shù)據(jù)送給轉(zhuǎn)換電路，電臺(tái)轉(zhuǎn)發(fā)，將要發(fā)送的信息經(jīng)過輸出端口發(fā)射出去;接收時(shí)，電臺(tái)處于收信，通過輸入端口進(jìn)來的信息經(jīng)接口控制，則接收地址和有效載荷數(shù)據(jù)送入轉(zhuǎn)換電路，此時(shí)，接收信息經(jīng)過轉(zhuǎn)換處理后，傳輸?shù)捷斎氪谒徒o計(jì)算。微處理器具有通用的串行通信接口，它允許多位串行數(shù)據(jù)流以預(yù)設(shè)的速率及外部時(shí)鐘確定的速率有序的移入與移出。數(shù)據(jù)通信適配器主要采用的是微處理器與計(jì)算機(jī)及無線電臺(tái)之間的數(shù)據(jù)處理傳輸和收發(fā)轉(zhuǎn)換控制等基本原理，其兩端的速率分別與串口傳輸速率和無線信道傳輸速率相同，并分別由UART0、UARTl控制信息的接收與發(fā)送。窄帶無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)工作時(shí)，首先在通信控制程序或應(yīng)用軟件的作用下，把計(jì)算機(jī)輸出的信息經(jīng)過發(fā)送控制后傳輸?shù)綌?shù)據(jù)存儲(chǔ)器，再送入微處理器(單片機(jī))，并進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)模轉(zhuǎn)換和編碼加密處理，然后通過相關(guān)電路和軟件的控制及通信設(shè)置，按照規(guī)定的傳輸速率，以合適的匹配電平經(jīng)輸出電路控制傳送給無線電臺(tái)。接收信息時(shí)，把經(jīng)過輸入電路所接收的模擬信息傳輸給微處理器(單片機(jī))，經(jīng)過信息的模數(shù)轉(zhuǎn)換及解碼識(shí)別和糾錯(cuò)處理后，再將數(shù)據(jù)信息經(jīng)單片機(jī)的輸出端口傳送到計(jì)算機(jī)。

2數(shù)據(jù)通信適配器主要設(shè)計(jì)方案

(1)接口通信電路以微處理器(單片機(jī))為核心的數(shù)據(jù)通信適配器能夠提供透明的數(shù)據(jù)接口，適應(yīng)任何標(biāo)準(zhǔn)或非標(biāo)準(zhǔn)的用戶通信協(xié)議。串行通信只需較少的端口就可以實(shí)現(xiàn)微處理器與計(jì)算機(jī)及無線通信電臺(tái)之間的通信。通信中的信息發(fā)送可以通過串行通信方式與計(jì)算機(jī)的串口相接。計(jì)算機(jī)串行接口采用的是RS232標(biāo)準(zhǔn)的電平和邏輯關(guān)系，而微處理器(單片機(jī))采用的是TTL電平和邏輯關(guān)系。由于RS232和TTL各自規(guī)定了自己的電氣標(biāo)準(zhǔn)，互不兼容，因此，RS232與TTL電路接口時(shí)需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)采用MAX323系列驅(qū)動(dòng)芯片，該芯片是一款低功耗寬電壓供電的通信芯片，可以完成TTL電平與RS232電平之間的轉(zhuǎn)換及串口通信控制。通過計(jì)算機(jī)與單片機(jī)內(nèi)部提供的串口通信模塊，配合接口電路軟件驅(qū)動(dòng)和電平轉(zhuǎn)換芯片的設(shè)計(jì)，即可實(shí)現(xiàn)串口通信及數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)陌l(fā)收控制。同時(shí)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)發(fā)送與接收的狀態(tài)指示燈，以指示串口和微處理器之間的數(shù)據(jù)傳輸情況。(2)通信協(xié)議規(guī)程數(shù)據(jù)通信適配器中的微處理器(單片機(jī))提供兩個(gè)串口和兩種接口方式，COM1接口用于微處理器與計(jì)算機(jī)之間的通信。計(jì)算機(jī)使用標(biāo)準(zhǔn)RS232串口與數(shù)據(jù)通信適配器相連接，采用雙工通信方式，按照標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，串口數(shù)據(jù)傳輸速度為57600bpts，每幀格式為1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，在通信控制程序的驅(qū)動(dòng)下，計(jì)算機(jī)向模塊發(fā)送數(shù)據(jù)設(shè)為發(fā)送狀態(tài)，其余時(shí)隙則自動(dòng)設(shè)置為接收狀態(tài)。COM2接口定義為RS232接口，用于微處理器(數(shù)據(jù)適配器)輸出輸入端口的通信，傳輸速率(信道速率)為2400bpts～9600bpts(根據(jù)窄帶無線電臺(tái)的帶寬確定)，主要通過軟件編程進(jìn)行設(shè)置。在通信應(yīng)用軟件和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的作用控制下，可對(duì)較大容量的數(shù)據(jù)信息通過分段打包和斷續(xù)發(fā)送與接收的方式進(jìn)行傳輸。(3)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路在數(shù)據(jù)通信過程中，數(shù)據(jù)通信適配器必須對(duì)傳輸信息進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)模(D/A)和模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換后才能正常使用。數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換處理，主要使用微處理器內(nèi)部自帶的SD16位的數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊，并通過軟件編程來實(shí)現(xiàn)16位數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換處理功能，其數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊主要實(shí)現(xiàn)波形與數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，Timer對(duì)時(shí)鐘進(jìn)行分頻，從而提高時(shí)鐘頻率，使數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)能有更快的采樣率或轉(zhuǎn)換速度，以保持轉(zhuǎn)換的精度，實(shí)現(xiàn)更高頻率的波形產(chǎn)生。在外部使用可編程控制的放大器對(duì)波形進(jìn)行調(diào)整，利用濾波器對(duì)波形進(jìn)行優(yōu)化，以滿足更好的精度和波形要求。(4)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路數(shù)據(jù)通信適配器主要利用微處理器內(nèi)部FLASH存儲(chǔ)器，存放Bootloader、模塊驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序。為了確保系統(tǒng)能夠傳輸較大容量的信息，并防止系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸通信中斷，信息無法發(fā)送出去而造成數(shù)據(jù)丟失，在設(shè)計(jì)中采用了IS62LV系列數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器具有較大的容量(系統(tǒng)設(shè)計(jì)容量為64kbit)和較低的功耗、高可靠性及高速率的數(shù)據(jù)存取功能。在發(fā)送信息時(shí)將計(jì)算機(jī)送來的信號(hào)首先經(jīng)過輸入緩存，經(jīng)過輸入緩存后對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，然后再經(jīng)微處理器內(nèi)部SD16進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換后把數(shù)據(jù)存入專用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，在接收信息時(shí)將無線電臺(tái)送來的信息送入SD16進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換和緩存，然后再將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)存入專用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。(5)調(diào)制解調(diào)電路在窄帶無線信道上，存在有較為嚴(yán)重的各種電磁干擾，在數(shù)據(jù)通信時(shí)，如果采用PSK，ASK調(diào)制方式，將會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸過程中的誤碼率增大、可靠性降低。因此，在系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)中，選用了CMX469系列芯片完成信息傳輸過程中的調(diào)制與解調(diào)功能，并利用了微處理器自有抗干擾能力強(qiáng)的GFSK調(diào)制方式，GFSK是高斯頻移鍵控方式，它能有效地克服窄帶無線數(shù)據(jù)通信過程中，由于存在各種干擾所造成的誤碼，同時(shí)，為有效提高數(shù)據(jù)傳輸速率，選取了對(duì)調(diào)制方式更加有利的同步通信方式，這與異步傳輸方式相比，其窄帶無線通信的數(shù)據(jù)傳輸速率提高了20%左右。(6)電源管理電路電源是數(shù)據(jù)通信適配器單元集成的重要部分之一。設(shè)計(jì)中，為了減少體積，增加使用的方便性，在不影響數(shù)據(jù)通信適配器整體使用的情況下，一是采用了計(jì)算機(jī)主板上的USB或其內(nèi)部其它相應(yīng)的±5V電源供電;二是采用了電臺(tái)內(nèi)部相應(yīng)的±5V電源供電，運(yùn)用電源管理的方法對(duì)電源進(jìn)行分配，主要使用AMS1117系列電源開關(guān)作電源控制，在整個(gè)電路中通過整流變換、濾波穩(wěn)壓等方式，將提供的±5V電源轉(zhuǎn)換成電路中所需要穩(wěn)定可靠的±3V電源等，并通過微處理器(單片機(jī))的數(shù)字信號(hào)控制電源的使用，充分提高了電源的利用率，有效降低了數(shù)據(jù)通信適配器的功耗。

3數(shù)據(jù)通信適配器主要軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)通信適配器所采用的微處理器(單片機(jī))的內(nèi)核CPU結(jié)構(gòu)是按照精簡(jiǎn)指令集和高透明指令的宗旨來設(shè)計(jì)的，使用C語言編程與標(biāo)準(zhǔn)的C語言編程有著較高的兼容性，且在軟件設(shè)計(jì)過程中用選擇模塊化方法，確保程序結(jié)構(gòu)化的一目了然，因此，軟件編程用C語言，其程序設(shè)計(jì)提高了開發(fā)調(diào)試效率，編寫的串口通信控制軟件穩(wěn)定可靠、可移植性好，并為系統(tǒng)的擴(kuò)展運(yùn)用提供了重要作用。在軟件模塊設(shè)計(jì)中，主要有數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)換、編碼加密、解碼糾錯(cuò)及發(fā)送接收等模塊程序，當(dāng)系統(tǒng)在工作狀態(tài)下，對(duì)程序?qū)嵭谐跏蓟幚恚缓笸ㄟ^指令控制可進(jìn)行發(fā)送，當(dāng)完成這一程序后，自動(dòng)進(jìn)入接收模式。如果在此過程中發(fā)生了中斷事件，則可自動(dòng)判斷中斷源位置，并連接相關(guān)的中斷服務(wù)，處理完中斷控制后，再進(jìn)入收發(fā)過程控制。初始化程序主要用于中斷有關(guān)服務(wù)程序的入口和出口，并對(duì)微處理器(單片機(jī))及收發(fā)控制等進(jìn)行設(shè)置，其流程如圖3所示。中斷控制程序，主要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，以便于系統(tǒng)正常地進(jìn)行工作。在中斷中，將得到的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，并設(shè)置標(biāo)識(shí)，同時(shí)將發(fā)送指針或接收指針向后移動(dòng)，主程序中會(huì)進(jìn)行數(shù)據(jù)的相關(guān)處理，等待中斷結(jié)束，重新請(qǐng)求執(zhí)行程序，其流程如圖4所示。收發(fā)程序主要用于進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、控制和編碼解碼。發(fā)送程序?qū)⒔⒌臄?shù)據(jù)包通過微處理器(單片機(jī))串口2接收送至輸出端口;接收程序主要完成電臺(tái)所接收的信息，經(jīng)過微處理器(單片機(jī))串口將接收的模擬信息進(jìn)行處理和存儲(chǔ)，然后將數(shù)據(jù)信息通過串口1給計(jì)算機(jī)，其流程如圖5所示。

4主要抗干擾技術(shù)設(shè)計(jì)

為了有效地降低系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸過程中的誤碼率，提高其抗電磁干擾能力，在設(shè)計(jì)過程中，一是采用了高斯頻移鍵控(GFSK)調(diào)制方式和曼徹斯特編碼/解碼及其糾錯(cuò)編解碼技術(shù)，使用內(nèi)置完整的通信協(xié)議和CRC校驗(yàn)電路;二是軟件設(shè)計(jì)使用了高效的循環(huán)交織糾檢錯(cuò)編碼和編碼加密的方法，并對(duì)于超過糾錯(cuò)范圍的差錯(cuò)，可采用檢錯(cuò)重發(fā)，以及采用多次發(fā)送的選擇法等技術(shù)手段。能夠?qū)?shù)據(jù)傳輸過程中，由于隨機(jī)干擾造成的隨機(jī)錯(cuò)誤和突發(fā)干擾造成的突發(fā)性錯(cuò)誤進(jìn)行有效的糾錯(cuò)，能夠自動(dòng)濾除信息傳輸過程中，由于空間電磁波干擾及相關(guān)因素導(dǎo)致在所產(chǎn)生的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)和及虛假信息，其抗突發(fā)干擾和靈敏度有較大的改善，具有較強(qiáng)的抗干擾能力和低誤碼率，系統(tǒng)特別適合長(zhǎng)期工作和在較為惡劣環(huán)境下使用的要求。

5結(jié)束語

本文利用微處理器的特點(diǎn)，充分挖掘所具有的功能及相關(guān)軟、硬件資源，使設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)通信適配器能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)信息的轉(zhuǎn)換處理及收發(fā)控制，而且其具有體積小、構(gòu)成簡(jiǎn)單、功耗較低、集成化程度高、接口靈活及開發(fā)周期短、性價(jià)比高、易于實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)，并有一定的擴(kuò)展性和移植性，應(yīng)用于窄帶無線電臺(tái)模擬信道的數(shù)據(jù)通信，其系統(tǒng)傳輸速率高、工作穩(wěn)定可靠、電磁兼容性好、誤碼率低，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，能夠滿足于野外環(huán)境條件下的軍用及工業(yè)作業(yè)等實(shí)際應(yīng)用的需要。

作者：黨朝發(fā)畢學(xué)軍金麗亞肖慶鐘海波單位：裝甲兵工程學(xué)院信息工程系