PIC單片機的多機無線通信系統設計

     現代通信技術的迅速發展使得許多應用領域都採用無線的通信方式進行數據傳輸。編解碼晶元PT2262、PT2272組成的電路，由於具有體積小、功耗低、功能強、成本低等特點，廣泛應用於各類的無線遙控器、無線報警器以及玩具等其他小型電器裝置。但是，這種電路極少用在多個位元組數據的通信方面，具有一定的局限性。本文主要介紹利用433 MHz高頻發射模塊和接收模塊來製作多機無線ASCII碼格式的簡訊通信。該通信方式是在433MHz高頻發射模塊和接收模塊的基礎上自己定義無線傳輸協議，實現任意兩機之間的多個位元組數據通信。

1 硬體系統設計
    本系統主要由PIC16F877A單片機構成控制系統，周圍4個模塊分別是：按鍵輸入模塊、顯示輸出模塊、接收模塊和發射模塊。系統整體結構框圖如圖1所示。
 
1.1 主機電路的設計
    由於系統涉及的程序量比較大，所以要求Flash程序存儲器的存儲量不能太小；對發射和接收的簡訊進行存儲，要用到EEPROM數據存儲器模塊，EEPROM數據存儲器存儲的內容掉電時不會丟失；接收解碼需要脈寬的捕捉和比較功能，要用到捕捉／比較／脈寬調製CCP模塊；發射、接收以及時鐘均要用到獨立的定時器，所要求的定時器的個數不少於3個。基於設計需要，採用Microchip公司的PIC16F877A晶元作為系統的主控制器。該電路主要由主控晶元、晶體振蕩電路和在線模擬介面組成，如圖2所示。設計中使用MCLR、RB6、RB7三個介面作為在線模擬介面。
 
1.2 發射和接收電路的設計
    採用433 MHz高頻發射和接收模塊。433 MHz的高頻發射電路在控制腳為高電平時起振併發射等幅高頻信號，當控制腳為低電平時停止振蕩。因此，可以用控制腳對高頻電路完成幅度鍵控(ASK調製)，相當於調製度為100％的調幅。當接收模塊接收到433 MHz的等幅高頻信號時，信號腳就輸出高電平，否則輸出低電平。所以接收信號腳的高低電平變化會與發射控制腳的高低電平變化相對應。多個接收模塊可以同時接收到同一個發射模塊發射的信號，可以實現一機發送，多機同時接收。圖3所示電路是高頻433 MHz載波的發射和接收模塊。433 MHz的高頻發射電路在控制腳B5為高平時，三級管T1導通，T2射級接地起振併發射等幅高頻433 MHz的信號；當控制腳B5為低電平時，就停止振蕩。因此，可以用控制腳B5對高頻電路完成幅度鍵控(ASK調製)，相當於調製度為100％的調幅。當接收模塊接收到433 MHz的等幅高頻信號時，信號腳就輸出高電平到C2口，若未收到433 MHz的等幅高頻信號則輸出低電平。所以接收信號腳的高低電平變化會與發射控制腳的高低電平變化相對應。例如給B5引腳輸入圖4所示的波形，那麼在接收模塊的C2引腳上也將出現同樣的波形。注意，B5和C2的控制信號分別由主控晶元PIC16F877A的RB5和RC2發出。
 
 
1.3 液晶外圍控制電路的設計
    採用諾基亞3310 LCD顯示模塊。該LCD為84×48點陣的液晶屏，一屏可顯示4×7個(12×12點陣)漢字，或6×14個(6×8點陣)英文、數字、標點符號等字元。該液晶顯示器輕薄短小、低功耗電量，常用於手機顯示。液晶外圍電路如圖5所示。
 
    本設計中，諾基亞3310 LCD用3 V的電壓供電。其中，1引腳是電源腳，6引腳接地線，2引腳為SCLK，3引腳為SDIN。4引腳為數據／地址選擇端，分別給4引腳高低電平，可以控制單片機對諾基亞3310 LCD寫數據或者寫命令。5引腳為使能端，低電平有效。8引腳為複位端，低電平有效。11引腳接背光燈電源的正級，12引腳接背光燈電源的控制級。9、10引腳為諾基亞3310 LCD自帶的喇叭，此喇叭用單片機來控制的聲音效果並不理想，所以改用直流自帶振蕩蜂鳴器。為了避免蜂鳴器和背燈光工作時對液晶電源造成影響，蜂鳴器和背燈光由5 V的電源來供電，與液晶電源分開。

2 軟體系統設計   
    本系統在主程序中運用模塊化結構，使得各個模塊之間關係清晰明了。複位分為兩個部分，以區分上電複位與非上電複位，上電複位執行上電複位初始化程序；運用散轉結構，再根據重要數據3比2表決，實現無擾動重入；所有控制量(開關量)和接收數據集中處理，提高了處理效率；特殊功能寄存器冗餘重置，使整個系統更穩定地工作。主程序總流程如圖6所示。
 

3 通信模塊功能及演算法
    本無線通信協議模仿OSI分層模型分為以下3層，各層之間相互獨立，靈活性好，適應性強。
    (1)物理層
    物理層處於最低層，其任務是傳送和接收比特流。物理層關心的問題是：如何表示“1”和“O”；如何排除干擾；傳輸是否在兩個方向上同時進行等。本設計中使用433 MHz高頻發射模塊和接收模塊作為無線通信橋樑，固定的頻率限制了數據傳輸在同一時刻只能在一個方向上進行，所以兩個方向上的數據傳輸要在交替發生的情況下才能完成。
    (2)數據鏈路層
    數據鏈路層使用由物理層提供的服務，並通過添加錯誤處理機制將簡單的數據鏈路改造成可靠的數據鏈路，再提供給應用層。數據鏈路層以碼字為單位傳輸數據，每一碼字包括數據和必要的校驗信息。在此自定義為無線傳輸協議(Wireless Transmission Protocol，WTP)。
    (3)應用層
    應用層處於最高層，它為應用進程提供了接入點，直接為用戶的應用進程提供服務。在此自定義為簡訊通信協議(Message Communication Protocol，MCP)。
3.1 定時器T2中斷模塊
    中斷處理採用片內CCPI中斷捕捉方式，對外部介面引腳CCP上輸入的脈衝信號上升沿或下降沿進行實時捕捉檢測。藉助於這個強大的邊沿捕捉功能，很容易對信號的高電平時間進行檢測，從而實現對WTP解讀功能。中斷服務程序流程如圖7所示。
 
    在解讀WTP過程中只要判斷出同步碼，就對這一碼字進行初始化，把脈衝個數計數器清O；然後每捕捉到一個高電平，脈衝個數計數器就加1並保存記錄該脈衝。捕捉到一個高電平后，若高電平時間寬度為409．6～819．2μs，就認為是窄脈衝；高電平時間寬度為819．2～1 228．8μs，就認為是寬脈衝；若高電平時間寬度小於409．6μs或大於1 228．8μs，則認為該脈衝為干擾信號，當低電平時間寬度大於819．2μs時也認為是干擾信號。收到干擾信號后將脈衝個數計數器清0，並把正在接收的碼字丟棄處理。當接收到25個脈衝后對前面16個脈衝進行處理，若每個位碼不是由一個窄脈衝和一個寬脈衝組成的，就認為接收正常。接收正常后，通過一個接收到數據的標誌位反饋到MCP(簡訊通信協議)上處理，通信協議會根據該標誌位到接收緩存中取剛剛接收到的數值。
    一個位元組的數據波形如圖8所示。根據無線傳輸協議定義，發送的一個完整的碼字由數據碼、校驗碼、同步碼組成(圖中用虛線隔開這3個部分)。數據碼和校驗碼都用寬度不同的脈衝來表示，2個窄脈衝表示“0”，2個寬脈衝表示“1”。每組字碼之間有同步碼隔開，同步碼用一個窄脈衝和一個比較寬的低電平表示。一個字碼由8位數據碼、4位校驗碼和1個窄脈衝組成。若每個位碼用2個脈衝來代表，則一個碼字就是由25個脈衝組成。無線傳輸協議定義窄脈衝時間寬度為739．2μs，寬脈衝時間寬度為1 156．8μs，而脈衝之間的低電平時間統一為331．2μs，同步碼的低電平時間寬度為5 ms。
    圖8表示發送～個十六進位數“57H”，ASCII碼的“57H”表示字元“W”。圖中前16個脈衝表示“57H”的數據碼，二進位表示為“B01010111”；中間8個脈衝表示校驗碼，在該協議中校驗碼固定定義為半個位元組的“AH”，二進位表示為“B1010”；同步碼則為一個時間寬度為739．2μS的窄脈衝和一個時間寬度為5 ms的低電平。
 
    該協議中從以下幾個方面來提高抗干擾能力：
    ①每個碼字由25個脈衝組成；
    ②每個位碼用2個脈衝來表示；
    ③校驗碼用“B1010”(“O”、“1”間隔)來排除干擾；
    ④若數據碼大於7FH，則作為無效數據處理。

3.2 發送簡訊模塊
    這個模塊實現MCP功能，編輯簡訊採用ASCII碼格式，簡訊內容取值範圍為ASCII碼的20H～7AH，ASCII碼內容可以參照ASCII碼錶。7CH～7FH作為特殊功能碼來處理。簡訊內容格式要求為3個字元的“名字+內容”。例如：要給名為LZX的通信器發簡訊，可寫成“LZX：……”。應用層的簡訊通信協議要求發送機發送簡訊順序是：
    ①發送簡訊開始碼(即7FH)；
    ②發送簡訊的頭3個字元(即接收者的名字)；
    ③等待接收者的簡訊開始應答信號(即7DH)；
    ④收到應答信號后開始發送簡訊內容；
    ⑤簡訊內容發完后發簡訊結束碼(即7EH)；
    ⑥等待接收者的簡訊結束應答信號(即7CH)。
    由於是無線發送與接收，有時會接收不到信號，所以當沒有收到簡訊開始應答信號時就從第一步再開始執行。若執行8次依舊沒有收到應答信號，就得出“無此人發送失敗”的結果。若沒有收到簡訊結束應答信號，就得出“發送中止失敗”的結果，否則就顯示“對方已收到”。
    因為無線發射的特點，第一組字碼非常容易受零電平干擾，往往會產生誤碼，所以剛開始發射的簡訊開始碼一般要發2～3次。如圖9所示，發送了5個碼字的數據：7FH，7FH，57H，44H，58H(分別為開始碼、開始碼、W、D、X，其中“WDX"’為萬能名)。然後，等待接收者的簡訊開始應答信號再發簡訊內容。
 
3.3 接收簡訊模塊
    在這個模塊中實現對MCP解讀功能。根據MCP，在解讀中只要判斷出接收到簡訊開始碼，就將收簡訊的標誌位置1，並開始設置一個通信超時值，然後繼續接收下3個字元再與本身名字或萬能名比較。應用層的簡訊通信協議要求接收機接收簡訊順序是：
    ①一旦接收到簡訊開始碼就進入接收簡訊；
    ②接收3個字元后與本身名或萬能名比較，若同名就反饋應答信號，否則返回到①；
    ③繼續接收簡訊內容；
    ④接收到結束碼后反饋應答信號，若沒收到結束碼且通信超時則返回到①。
    在任何狀態收到簡訊的結束碼后，都會在液晶顯示屏的第一行顯示“receive a mess”，並以聲、光形式提示收到簡訊，由用戶手動查閱新的簡訊。

3.4編輯簡訊模塊
    這個模塊實現對簡訊的編輯，類似於手機編輯簡訊的模式；有單字刪除鍵、快速刪除鍵、全部清除鍵、標點符號鍵、輸入狀態大小寫字母或數字的切換鍵，簡訊尾部可顯示游標。因為受液晶屏幕所限，規定一條簡訊內容長度為70個字元，編輯時限制字數為67個字元，發送時軟體上自動在簡訊尾部添加本機名併發送。液晶屏幕第一行顯示正在編輯狀態、現在的時間和大小寫輸入狀態。在該模塊中，主要是要定位好顯示和編輯指針，然後對各個按鍵做處理。

結語
    本文闡述的設計方法集編碼和解碼技術、通信協議技術、抗干擾技術、編輯簡訊技術、液晶點陣顯示技術於一體。實現任意兩機之間可以互發70個ASCII碼字元的簡訊，可以像普通手機一樣編輯簡訊，機子可以由用戶命名以區別其他機子，實現一機對一機的通信，也可以用萬能名(“WDX”)實現一機對多機的通信。可以存儲一條發送出去的簡訊，也可以存儲一條剛接收到的簡訊和舊的簡訊。整個系統人機交互界面友好，類似於普通手機系統，有操作提示，易於操作。本設計中採用分層的協議可以很容易地把無線通信模塊用其他性能更好的無線模塊替換。