中國(guó)人民解放軍海軍七零一工廠 馮婷婷

1.前言

傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)在設(shè)計(jì)與應(yīng)用過(guò)程中逐漸暴露出來(lái)數(shù)據(jù)傳輸慢與能源損耗高等問(wèn)題，因而本文針對(duì)這一情況提出了以單片機(jī)為基礎(chǔ)的嵌入式多節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，該系統(tǒng)的主控芯片采用了C8051F020高速8位單片機(jī)，通過(guò)線性光耦設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)于電路濾波的有效運(yùn)放與調(diào)節(jié)，通過(guò)有效方式實(shí)現(xiàn)電源輸出電壓的轉(zhuǎn)換，設(shè)計(jì)雙頻結(jié)構(gòu)來(lái)對(duì)傳輸數(shù)據(jù)中產(chǎn)生的能源損耗進(jìn)行控制。

網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)經(jīng)歷了多種設(shè)計(jì)方法，并且產(chǎn)生了不同的效果，現(xiàn)代化的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)愈發(fā)多元，并且推動(dòng)了網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)在更多領(lǐng)域中的應(yīng)用，包括軍事通信、環(huán)境監(jiān)測(cè)、建筑工程、金融貨代等領(lǐng)域。在計(jì)算機(jī)技術(shù)與信息技術(shù)高速發(fā)展的當(dāng)下，設(shè)計(jì)更加優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)已經(jīng)成為必然。

2.嵌入式系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)

2.1 嵌入式系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)的技術(shù)核心為計(jì)算機(jī)技術(shù)，在實(shí)際的構(gòu)建中采用了嵌入式處理裝置與相應(yīng)的硬件設(shè)備共同構(gòu)成，需要采用行之有效的操作系統(tǒng)進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)對(duì)于裝置與設(shè)備的有效控制與操作。在這個(gè)過(guò)程中，嵌入式處理設(shè)備作為嵌入式系統(tǒng)的重要核心，可以實(shí)現(xiàn)外圍功能的有效集中，以保證系統(tǒng)的集成操作?；诂F(xiàn)有的設(shè)備運(yùn)行環(huán)境與運(yùn)行需求進(jìn)行個(gè)性化設(shè)計(jì)，以保障系統(tǒng)運(yùn)行效率與運(yùn)行質(zhì)量。在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)高速發(fā)展的今天，嵌入式系統(tǒng)的構(gòu)建與設(shè)計(jì)需要以網(wǎng)絡(luò)環(huán)境為基礎(chǔ)，在網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的情況下進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)接口的安裝，以保證嵌入式網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建與發(fā)展的科學(xué)性?？紤]到嵌入式網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)在體積方面較小，因此數(shù)據(jù)信息的存儲(chǔ)量并不太大，因此在實(shí)際的軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中要保證其數(shù)據(jù)存儲(chǔ)效果，以滿足系統(tǒng)的實(shí)用性要求。

2.2 網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

就目前來(lái)看，出于保障嵌入式網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率的考量，陳文慶在《非線性網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性控制與模型仿真》中提出了一種以以太網(wǎng)為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，該設(shè)計(jì)方法所采用的硬件基礎(chǔ)為T(mén)MS320C6748，該硬件基礎(chǔ)所具備的自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)接口可以滿足大體量數(shù)據(jù)的有效處理，并構(gòu)建與上位機(jī)之間的信息通信渠道，因而無(wú)需搭配系統(tǒng)以外的硬件平臺(tái)。同時(shí)，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用了固定與可變IP兩種形式，因此可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于采樣數(shù)據(jù)的定時(shí)上傳。該實(shí)驗(yàn)與研究所提出的方法具備較高的穩(wěn)定性與可靠性，但在這個(gè)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較高的數(shù)據(jù)傳輸能源損耗[1]?？娋锅?、王薇等人在《基于STM32F103的無(wú)主機(jī)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)》中提出的以多種參數(shù)混合封裝技術(shù)為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了定時(shí)數(shù)據(jù)采集裝置與無(wú)線自組網(wǎng)等裝置與設(shè)備，需要設(shè)計(jì)其硬件部分，該網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與搭建較為簡(jiǎn)單，但在實(shí)驗(yàn)中也暴露出了較大的誤差。就目前而言，大多數(shù)的嵌入式多節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)還沒(méi)有辦法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于能源損耗的有效控制，因此還需要加以進(jìn)一步創(chuàng)新與優(yōu)化[2]。

3.網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)框架

基于單片機(jī)的嵌入式多節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)，首先需要確定該系統(tǒng)框架?；谄涔δ苄孕枨?，該系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)包括控制器、數(shù)據(jù)采集、傳輸與存儲(chǔ)模塊、接口電路模塊、電源模塊等。而數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是其中較為重要的組成部分，該模塊是出于保障網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)完整存儲(chǔ)的考量，以避免由于網(wǎng)絡(luò)中斷而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)真實(shí)性與完整性缺失問(wèn)題。主控制器需要保障網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)功能模塊運(yùn)作的協(xié)調(diào)性。如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能框架

3.2 主控制器模塊

基于單片機(jī)的嵌入式多節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的主控制芯片可以采用C8051F020高速8位單片機(jī)，搭配以8個(gè)外部輸入，其中的ADC在最大采樣速率中運(yùn)行，可以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)木?。?shù)字I/O包含的8字節(jié)寬端口共計(jì)64個(gè)，可以保障數(shù)據(jù)通信節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)淖顑?yōu)化。接口線采用5V電壓，通過(guò)可控裝置保證其片內(nèi)定時(shí)裝置與串行總線等數(shù)字信號(hào)的最優(yōu)化。

3.3 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊可以采用單電源四路運(yùn)算放大器構(gòu)建運(yùn)放電路，對(duì)數(shù)據(jù)采集模擬量倍數(shù)進(jìn)行縮小處理。所采用的單電源思路運(yùn)算放大器內(nèi)部所含有的4組運(yùn)算放大器，該數(shù)據(jù)采集模塊具備共用電源，具備獨(dú)立的4組運(yùn)放，采用了5個(gè)引腳，通過(guò)節(jié)點(diǎn)信號(hào)出入段進(jìn)行傳輸。通過(guò)HCNR200高線性模擬光電耦合器來(lái)運(yùn)放電路濾波并且對(duì)電路進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，該高線性模擬光電耦合器采用了3個(gè)光電元件，從技術(shù)層面上來(lái)看，該光電耦合器具備的線性誤差最大為±0.05%，傳輸增益偏差最大為±15%，具備絕緣電阻，該系統(tǒng)的輸入回路與輸出回路之間分布有0.4pF電容。本次設(shè)計(jì)所采用的高線性模擬光電耦合器具備較好的穩(wěn)定性，可以滿足帶寬模擬信號(hào)隔離的需求，單電源四路運(yùn)算放大器采用的電源為±12V進(jìn)行供電。

3.4 電源模塊

本系統(tǒng)所采用的電源模塊旨在保障各功能模塊與數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼＿\(yùn)轉(zhuǎn)，而在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中所需要的電壓為5V，在對(duì)不同功能模塊進(jìn)行電源供應(yīng)時(shí)，可以采用低壓差線性穩(wěn)壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)電源輸出電壓的轉(zhuǎn)換。在低壓差線性穩(wěn)壓器運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的噪音，因此還需要考量噪聲與電流輸出的問(wèn)題，并且對(duì)電壓幅度加以考量。低壓差線性穩(wěn)壓器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于電源輸出電壓的轉(zhuǎn)換，當(dāng)電壓輸入與電壓與輸出電壓之間的差值較小的情況下，其直流輸出電壓較為穩(wěn)定，并且具備較高的噪音與電源的抑制比。低壓差線性穩(wěn)定器具備較為簡(jiǎn)單的基本結(jié)構(gòu)，包括電壓基準(zhǔn)源、調(diào)整管、啟動(dòng)電路與使能電路等。

4.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于以上系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)，確定系統(tǒng)框架與功能模塊，系統(tǒng)核心采用了C8051F020的情況下，要想充分保障節(jié)點(diǎn)能源利用的高效化，進(jìn)一步延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存周期就成為需要考量的問(wèn)題。通信節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，可以以能源控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)，通過(guò)不同的通信距離來(lái)實(shí)現(xiàn)信道模式的轉(zhuǎn)換，當(dāng)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)傳送長(zhǎng)度為1bit的情況下，則其與數(shù)據(jù)傳輸距離為d的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)之間需要消耗的能源為：

基于以上論述，在進(jìn)行節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的過(guò)程中，可以首先對(duì)其他通信節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收，進(jìn)而基于該節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)進(jìn)行方法送，每次進(jìn)行的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)所需要消耗能源為：

簇群內(nèi)部及不同簇群之間所進(jìn)行的通信活動(dòng)是以無(wú)數(shù)據(jù)碰撞MAC協(xié)議為基礎(chǔ)的，無(wú)需對(duì)數(shù)據(jù)碰撞與數(shù)據(jù)重發(fā)過(guò)程中所產(chǎn)生的能源損耗加以考量，可以將首個(gè)由于能源損耗產(chǎn)生失效節(jié)點(diǎn)傳輸所需時(shí)間描述為T(mén)network。在這個(gè)過(guò)程中，可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行劃分，將之劃分為時(shí)間驅(qū)動(dòng)與數(shù)據(jù)采集兩種類(lèi)型。如果該節(jié)點(diǎn)并不需要進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，則該節(jié)點(diǎn)通過(guò)休眠來(lái)減少能源損耗，一旦周?chē)h(huán)境發(fā)生變化，或者出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡冢瑒t該節(jié)點(diǎn)會(huì)從休眠當(dāng)中蘇醒，并且對(duì)數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)。

5.實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中考量不同網(wǎng)絡(luò)通信環(huán)境下的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用狀況，分析不同情況下的節(jié)點(diǎn)傳輸控制效果，利用VisualC進(jìn)行實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建。

首先，如果實(shí)驗(yàn)環(huán)境中存在較多的干擾因素，則可以將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)氖瞻l(fā)距離控制在10米左右，合理控制其數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)撵`敏度，對(duì)各種情況下的節(jié)點(diǎn)傳輸過(guò)程中所產(chǎn)生的能源損耗所產(chǎn)生的誤比特率進(jìn)行觀察。本文所采用的實(shí)驗(yàn)方法，在數(shù)據(jù)傳輸方面所產(chǎn)生的誤比特率較為合理，本文在進(jìn)行基于單片機(jī)的嵌入式多節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中所采用的主控制芯片為以C8051F020高速8位單片機(jī)，在一定情況下可以減少數(shù)據(jù)信息傳輸過(guò)程中所產(chǎn)生的誤比特率。

其次，如果實(shí)驗(yàn)環(huán)境較為空曠，并沒(méi)有過(guò)多干擾因素，則可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點(diǎn)的輸出距離加以控制，可以將其控制在15米左右，將數(shù)據(jù)信息傳輸與接收的靈敏度控制在1s到2s之間，并且對(duì)比不同情況下的數(shù)據(jù)傳輸能源損耗。經(jīng)過(guò)對(duì)比可以得知，本文所采用的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，在網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸方面的能源損耗控制可以通過(guò)雙頻結(jié)構(gòu)來(lái)加以實(shí)現(xiàn)，進(jìn)一步保障能源損耗過(guò)程中控制模塊電路邏輯單元的使用性能，所采用的晶體管具備較低的頻域，利用該晶體管進(jìn)行能源損耗控制模塊的設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中能源損耗的有效控制。

以單片機(jī)為基礎(chǔ)的嵌入式多節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)其設(shè)計(jì)方法所進(jìn)行的檢測(cè)可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點(diǎn)傳輸速率作為指標(biāo)。實(shí)際上，本文采用的設(shè)計(jì)方法對(duì)于節(jié)點(diǎn)傳輸過(guò)程中能源損耗的覆蓋率具備較好的效果，將其通信系統(tǒng)的接口模塊劃分為直接連接與間接連接兩種方式，具備較高的覆蓋率，在能源損耗方面的覆蓋效果較好，因此具備實(shí)用性與有效性[3]。

6.結(jié)語(yǔ)

本文所提出的以單片機(jī)為基礎(chǔ)的嵌入式多節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，其主控制器采用了C8051F020，并且一直為核心進(jìn)行功能模塊的設(shè)計(jì)，搭建了嵌入式多節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，在系統(tǒng)功能穩(wěn)定性方面具有較大優(yōu)勢(shì)，并且具備較高的能源損耗控制精準(zhǔn)性，因此在實(shí)際的使用中可以對(duì)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)模式中存在的不足與缺陷加以彌補(bǔ)。