1 引言
裝甲車(chē)輛狀態(tài)信息采集系統(tǒng)的信息采集單元通常采用CAN總線連接，某些情況下，車(chē)輛上裝和下裝之間的旋轉(zhuǎn)連接器由于沒(méi)有連線空間，需要無(wú)線通信模塊為上裝和下裝的CAN總線提供一個(gè)透明的無(wú)線通道。本文基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)給出一種無(wú)線通道的設(shè)計(jì)，主要包括CAN總線無(wú)線接入控制模塊電路設(shè)計(jì)以及無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的通信協(xié)議設(shè)計(jì)等內(nèi)容。
2 電路設(shè)計(jì)
以無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的CAN總線擴(kuò)展系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，其主要由兩塊CAN總線無(wú)線接入控制模塊構(gòu)成，每個(gè)模塊的組成及各部分的作用是：無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的微控制器及存儲(chǔ)器模塊，接收對(duì)端無(wú)線接人控制模塊傳來(lái)的數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)，然后將數(shù)據(jù)交CAN控制器待發(fā)，同時(shí)接收CAN控制器傳來(lái)的數(shù)據(jù)并通過(guò)傳感器網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到對(duì)端無(wú)線接入控制模塊；CAN控制器采用SJA1000，運(yùn)行CAN協(xié)議，為傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)提供CAN總線服務(wù)；收發(fā)器采用TJA1050作為CAN控制器與物理媒體的物理接口，為CAN控制器提供比特流服務(wù)。
3 無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)
3.1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)
圖2所示為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件，包括傳感器模塊、微處理器模塊和無(wú)線通信模塊等三個(gè)功能部分。GAINTS系列節(jié)點(diǎn)使用AT-MEGA128單片機(jī)作為控制器和處理核心，無(wú)線通信模塊核心采用工作在433 MHz的單芯片低電壓CC1000收發(fā)器，該射頻芯片具有工作電壓低(2.1～3.6V均可工作)、能耗低、體積小等非常適合于集成的特點(diǎn)。它采用FSK調(diào)制方式，外部采用SPI的接口，可以和微控制器直接相聯(lián)。CC1000使用頻率為14.745 MHz的晶振作為驅(qū)動(dòng)，在該驅(qū)動(dòng)下面CC1000可以提供的最大數(shù)據(jù)傳輸率為19.2KB／s，也就是說(shuō)每ms不到3個(gè)字節(jié)，這個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)MAC層的協(xié)議是很有用的，在設(shè)置ACK等待時(shí)間和RTS-CTS等待時(shí)間的時(shí)候需要考慮這些參數(shù)。
3.2 通信協(xié)議設(shè)計(jì)
本文基于TinyOS底層通信接口進(jìn)行通信協(xié)議設(shè)計(jì)。對(duì)TinyOS編程采用的是nesC語(yǔ)言，這是一種類(lèi)似C的語(yǔ)言，是對(duì)C的擴(kuò)展，也是結(jié)構(gòu)化的語(yǔ)言，是基于組件式的編程，模塊化的設(shè)計(jì)。nesC組件有兩種：Module(模塊)和Configuration(連接配置文件)。Module在模塊中主要實(shí)現(xiàn)代碼的編制，可以使用和提供接口，在它的實(shí)現(xiàn)部分必須對(duì)提供接口里的command和使用接口里的event進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。
TinyOS是基于一種組件架構(gòu)方式的開(kāi)源的嵌入式操作系統(tǒng)，一個(gè)應(yīng)用程序可以通過(guò)連接配置文件(a wiring specification)將各種組件連接起來(lái)，以完成它所需要的功能。TinyOS的應(yīng)用程序都是基于事件驅(qū)動(dòng)模式的，采用事件觸發(fā)去喚醒傳感器工作。tasks一般用在對(duì)于時(shí)間要求不是很高的應(yīng)用中，且tasks之間是平等的，即在執(zhí)行時(shí)是按先后順序，一般為了減少tasks的運(yùn)行時(shí)間，要求每一個(gè)task都很短小，能夠使系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)較輕；events一般用在對(duì)于時(shí)間要求很?chē)?yán)格的應(yīng)用中，而且它可以?xún)?yōu)先于tasks和其他events執(zhí)行，可以被一個(gè)操作完成或是來(lái)自外部環(huán)境的事件觸發(fā)，在TinyOS中一般由硬件中斷處理來(lái)驅(qū)動(dòng)事件。在TinyOS中由于tasks之間不能互相占先執(zhí)行，所以TinyOS沒(méi)有提供任何阻塞操作，為了讓一個(gè)耗時(shí)較長(zhǎng)的操作盡快完成，一般都是將對(duì)這個(gè)操作的需求及其完成分開(kāi)來(lái)實(shí)現(xiàn)，以便獲得較高的執(zhí)行效率。由于在Tiny-OS中沒(méi)有進(jìn)程管理的概念，它對(duì)任務(wù)是按簡(jiǎn)單的FIFO隊(duì)列進(jìn)行處理的，對(duì)資源采取預(yù)先分配，且這個(gè)隊(duì)列里最多只能有7個(gè)未解決的任務(wù)。我們?cè)O(shè)計(jì)時(shí)，主要處理三類(lèi)事件，即串口接收數(shù)據(jù)事件、無(wú)線接收數(shù)據(jù)事件和定時(shí)器事件。
①串口接收數(shù)據(jù)事件。每次節(jié)點(diǎn)從串口接收到一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)將觸發(fā)該事件。對(duì)于信息采集任務(wù)來(lái)說(shuō)，其信息是定時(shí)采集的。同時(shí)，CAN總線的速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于無(wú)線傳輸?shù)乃俾省Ｒ虼耍诠?jié)點(diǎn)開(kāi)辟了一段較大的緩存區(qū)，對(duì)CAN總線傳過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存。該緩存區(qū)的大小取決于無(wú)線傳輸?shù)乃俾室约癈AN總線在一個(gè)定時(shí)采集周期的數(shù)據(jù)量大小。假設(shè)無(wú)線傳輸?shù)乃俾蕿閂、緩存區(qū)大小為Mem、采集周期為T(mén)、每個(gè)采集周期的數(shù)據(jù)量為Data，注意V為傳輸有效數(shù)據(jù)的速率，即要去掉協(xié)議開(kāi)銷(xiāo)以及管理和控制開(kāi)銷(xiāo)，則至少滿(mǎn)足V×T≥Data，Mem≥Data。為提高無(wú)線傳輸?shù)男剩皇敲看螐拇诮邮艿揭粋€(gè)字節(jié)就從無(wú)線接口發(fā)走，而是每次緩存的字節(jié)數(shù)達(dá)到無(wú)線傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)包的大小時(shí)，啟動(dòng)任務(wù)一UARTRcvdTask。這種采用任務(wù)的方式進(jìn)行實(shí)際的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸可以避免阻塞其他event事件。
②無(wú)線接受數(shù)據(jù)事件。每次節(jié)點(diǎn)從無(wú)線接口接受到一個(gè)數(shù)據(jù)包將觸發(fā)該事件。事件處理程序主要從協(xié)議數(shù)據(jù)包中獲取傳輸數(shù)據(jù)，并且緩存于接受緩存區(qū)，具體地怎么處理無(wú)線接受的數(shù)據(jù)的工作，通過(guò)啟動(dòng)任務(wù)——RadioRcvdTask來(lái)完成，以避免阻塞其他event事件。
③定時(shí)器事件。該事件定時(shí)觸發(fā)。該事件處理程序主要定時(shí)判斷串口接受數(shù)據(jù)緩存區(qū)是否有數(shù)據(jù)，如果有的話，則啟動(dòng)任務(wù)——UARTRcvdTask，以避免到串口收到的數(shù)據(jù)不足一個(gè)協(xié)議數(shù)據(jù)包時(shí)，會(huì)長(zhǎng)期滯留在串口接受數(shù)據(jù)緩存區(qū)中。
4 性能分析和實(shí)驗(yàn)
整個(gè)系統(tǒng)的性能主要取決于無(wú)線傳輸?shù)乃俾省o(wú)線CC1000使用頻率為14.745 MHz的晶振作為驅(qū)動(dòng)，在該驅(qū)動(dòng)下面CC1000可以提供的最大數(shù)據(jù)傳輸率為19.2 KB／s。考慮無(wú)線傳輸協(xié)議消耗，無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)報(bào)的格式如下：
其中TOSH_DATA_LENGTH=29，故協(xié)議的理論有效數(shù)據(jù)比率約為70％。同時(shí)，為提高無(wú)線傳輸?shù)男剩皇敲看螐拇诮邮艿揭粋€(gè)字節(jié)就從無(wú)線接口發(fā)走，而是每次緩存的字節(jié)數(shù)達(dá)到無(wú)線傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)包的大小時(shí)，才啟動(dòng)發(fā)送任務(wù)，故無(wú)線有效傳輸速率約為13.4 KB／s,，對(duì)于本系統(tǒng)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，CAN總線的采樣周期為10 s，每次采樣數(shù)據(jù)為1 K數(shù)據(jù)。雖然，CAN總線速率相對(duì)來(lái)說(shuō)較高，但是通過(guò)緩存完全可以滿(mǎn)足需求。在性能測(cè)試中，該系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行20多個(gè)小時(shí)，收發(fā)均無(wú)問(wèn)題。
5 結(jié) 論
本文基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)給出一種連接CAN總線的無(wú)線通道設(shè)計(jì)，主要包括CAN總線無(wú)線接入控制模塊電路設(shè)計(jì)以及無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的通信協(xié)議設(shè)計(jì)等內(nèi)容。目前，該系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，實(shí)際使用效果良好。本文內(nèi)容對(duì)于一般的信息采集無(wú)線傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有較好的借鑒意義。
