井下人员定位系统毕业设计
中文
题
快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题
目:井下人员定位系统设计
外文题目:DESIGN OF UNDERGROUND PERSONNEL POSITIONING SYSTEM
毕业设计(论文)共98页 (其中:外文文献及译文26页) 图纸共3张
完成日期2009年6月10日 答辩日期2009年6月23日
摘要
井下人员定位系统是为了提高煤矿人员管理效率和加强井下与地面信息沟通而设计的，该系统能够动态显示井下工作人员的实时位置，并能够对工人的工作时间和工作区域进行统计。
本文首先分析了国内外井下人员定位技术的发展现状，并比较了其中的优缺点。分析了系统的工作原理，并进行了功能划分。系统在设计过程中采用了模块化思想，从三个子系统分别对系统进行设计。文中重点研究了井下的无线通信问题，并选择了RFID(射频识别)为井下无线通信
方案
气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载
;在井下与地面的通信方式中选择了技术先进、性能可靠的CAN总线技术;在地面监控端结合当前的新技术采用了GIS(地理信息系统)进行井下监控情况的实时显示。
关键字:井下人员定位;RFID;CAN;GIS
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Abstract
Underground personnel positioning system is designed to improve the management efficiency of coal miners and strengthen the communication between the ground and underground .The system can dynamically display the real-time location of underground staff and record the working hours and regions of workers.
In this paper, we first dicussed the development of mine personnel positioning technology at home and abroad , and compared the advantages and disadvantages of them. Then we put forward the idea of the design of positioning system, and analysised its working principle and. During the process of design we submit the system into some models and design the system form three sub-systems.In the process we focused on the issue of underground wireless communication, and select the RFID (radio frequency identification) for underground wireless communications program. To solve the problem of communication with the ground we select the CAN bus technology,which was technologically advanced and has reliable performance. In designsing of the monitoring on the ground side, we use the GIS(Geographic Information System) combined with the currentthe new technology to monitor the situation of underground and pit the real-time display.
Key words: positioning of underground personnel; RFID; CAN; GIS
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目录
1 绪论 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 1 1.1 煤矿生产管理中的问题???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 1 1.2 选题意义????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 2 1.3 井下人员定位系统的发展现状 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 3 1.3.1 国外研究状况 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 3 1.3.2 国内发展现状 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 3 1.4 井下人员定位系统设计的难点问题 ??????????????????????????????????????????????????????????????????? 4 1.5 本设计所做的工作 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 5 2 井下人员定位系统的基本原理 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 6 2.1 定位系统概述 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 6 2.2 井下人员定位系统的基本原理 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 6 3 系统的功能划分 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 9 3.1 井下无线监测子系统 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 9 3.2 地面数据处理子系统 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 9 3.3 井下与地面通信子系统??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????10 4 井下无线通信子系统设计 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????12 4.1 通信的基本知识 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????12 4.1.1 信号的转换与编码 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????12 4.1.2 差错控制 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????12 4.1.3 多路复用 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????13 4.1.4 传输模式 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????13 4.1.5 传输协议 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????13
4.2 井下人员定位系统无线通信解决方案及对比 ????????????????????????????????????????????????14 4.2.1 蓝牙(Bluetooth)?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????14 4.2.2 HomeRF ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????14 4.2.3 ZigBee ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????15 4.2.4 RFID,射频识别, ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????15 4.2.5 WIFI ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????16 4.2.6 无线MESH网络 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????16 4.2.7 几种无线通信方案的比较 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????17 4.3 无线通信方案的确定 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????17 4.4 无线通信子系统的硬件设计 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????17 4.4.1 基站硬件电路设计 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????18 4.4.2 射频卡硬件电路设计???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????37 4.5 无线通信子系统的软件设计 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????38 4.5.1基站软件设计 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????38 4.5.2 射频卡软件设计 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????45 5 井下与地面通信子系统设计 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????47 5.1 通信方案及比较 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????47 5.1.1 RS-485 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????47 5.1.2 现场总线 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????47 5.1.3 工业以太网 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????49 5.2 CAN总线 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????50 5.2.1 CAN总线简介 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????50 5.2.2 CAN的性能特点 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????50 5.2.3 物理层????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????51 5.3 CAN总线接口电路设计 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????51 5.3.1 CAN总线与基站硬件接口电路设计 ?????????????????????????????????????????????????????????????56
5.3.2 CAN总线与PC端的硬件接口电路设计 ??????????????????????????????????????????????????????58 5.4 CAN总线接口电路软件设计 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????63 5.4.1 基站部分CAN总线接口电路软件设计 ???????????????????????????????????????????????????????63 5.4.2 PC端CAN总线接口电路软件设计 ??????????????????????????????????????????????????????????????64 6 地面监管子系统设计 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????66 7 结论 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????73 致谢 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????74 参考文献 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????76 附录A 译文 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????77 附录B 外文文献?????????????????????????????????????????????????????????????????? 错误～未定义书签。86 附录C 主电路图?????????????????????????????????????????????????????????????????? 错误～未定义书签。98
1 绪论
1.1 煤矿生产管理中的问题
煤矿的生产分为露天开采和地下开采，而我国95%的煤矿开采是地下开采作业，而地下开采的危险性较之露天开采要大的多。我国煤层自然赋存条件复杂多变，影响煤矿安全生产的因素众多，水、火、瓦斯、煤尘、顶板等自然灾害时刻都在威胁矿井工作人员的生命安全，都可能是造成事故的客观因素，矿井重大灾害及伤亡事故随时都有可能发生。据调查煤矿事故占工矿企业一次死亡10人以上特大事故的72.8%至89.6%(2002~2005年)。近几年，随着国民经济对能源的需求增大，煤炭行业的开始复苏，我国煤炭开采在规模和产量上都逐年扩大，但是通过以上触目惊心的数据我们却看到煤矿行业安全生产的形势非常严峻，造成的损失是极其惨重的。特别是煤矿重大及特大瓦斯(煤尘)灾害事故的频发，不但造成国家财产和公民生命的巨大损失，增加了社会的不稳定团素，而且严重影响了我国的国际声誉。实际上，这些事故的发生不是偶然的，它是煤矿生产过程中存在问题的集中暴露，涉及许多方面。既有自然因素、科技投入和研究的不足，也有人为因素以及国家的体制、煤矿企业管理不善等因素。更让人担忧的是，煤矿井下普遍存在入井人员管理困难，难以及时掌握井下人员的动态分布及作业情况，一旦事故发生，对井下人员的抢救缺乏可靠信息，抢险救灾、安全救护的效率低。
目前国家对煤矿企业安全生产要求的不断提高和企业自身发展的需要，我国各大、中、小煤矿的高瓦斯或瓦斯突出矿井陆续在装备矿井监测监控系统。系统的装备大大提高了矿井安全生产水平和安全生产管理效率。但是，现有的矿井监测监控系统监测对象主要有两种，一是环境安全监测:监测各种有害气体及工作面的作业条件，如瓦斯浓度、一氧化碳、氧气浓度、风速、空气温度、压力、粉尘浓度等等;二是生产过程、生产工艺监测:监测主要生产环节的各种生产参数和重要设备的运行状态，如煤仓料位、水仓水位、水泵、提升机、扇风机、压风机、胶带输送机、采煤机等运行状态和参数等运行状态和参数。可以看出，井下矿工并不是现有监控系统的监控对象，他们在井下的位置和运行轨迹仍然是不得而知的，一旦发生突发性灾难营救工作将无从下手。矿难事故发生后，对遇难的井下工作人员生命的抢救成为首要任务，决策指挥人员必须全面分析灾情及其灾变趋势，迅速组
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织侦察工作，准确探明事故性质、原因、影响范围、遇险人员数量和所在位置，以最快的速度、最短的路线进入灾区，营救灾区遇险人员。然而，目前国内煤矿正在使用的该类监控系统，并不能实时提供井下工作人员的具体位置与分布情况等重要数据，加之井下地形复杂，国内大部分矿井救护技术装备落后，人员素质较低，这些都给侦察工作带来了极大的困难。特别是在搜寻井下遇险人员的过程中，救护队员只能依靠反映矿井现实情况的有关图纸以及事故现场侦察得来的各种信息展开抢救工作。在缺乏准确数据的情况下，无法迅速制定出合理、有效的营救方案与措施，结果错失最佳的营救时机，甚至是盲目营救。 1.2 选题意义
面对我国煤矿安全生产的严峻形势，用高新技术和先进实用技术改造传统产业，增加科技含量，促进产品更新换代，提高产品质量和经济效益，是走新型煤炭工业化道路的必然选择。煤矿的现代化管理和煤矿的安全生产是煤炭行业举足轻重的大事。在煤炭行业管理和安全方面，人的管理是一个十分关键的问题。长期以来，大部分矿井，尤其是现代化的矿井，井下都是连续生产，然而煤矿井下的员工状况如何，一直是较难查清的问题。到目前为止，即使是我国的现代化矿井的管理，也只能是依据传统矿灯管理、领取工作牌等考勤方式来了解下井人员的数量和情况。随着无线通信、自动识别和计算机网络技术在煤矿安全生产监测应用领域中的不断发展，如何确定灾害事故中遇险人员的具体情况和分布位置得到进一步地解决。特别是在国内射频识别技术的引进和发展，使得对下井人员进行实时跟踪变得可行。利用射频识别技术对井下人员进行跟踪定位不仅能方便决策人员快速准确了解井下遇险人员的具体分布位置、赢得抢救的宝贵时间，还可以用于煤矿的日常考勤、生产调度等方面。不仅加强了煤炭行业的生产与安全管理，使生产调度及时、准确，更得使煤矿的安全生产保障系统大大提高。
在建立了井下人员定位系统后，若井下发生突发事件，可立即通过地面主机实时查出井下各位置的人员状况，这样就能够做出及时的抢救决策，使事故损失降到最低。平时可以用来指挥生产做出优化决策，使生产指挥高效。煤矿井下人员定位系统的研究具有非常重要的现实意义。煤矿井下人员定位系统将在矿井的防灾、减灾以及提高生产效率方面发挥着重大的作用，而高性能的计算机矿井监测系统的应用前景尤为的广阔。
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1.3 井下人员定位系统的发展现状
1.3.1 国外研究状况
国外研制矿井计算机监控系统始于20世纪60年代，为保证煤矿安全生产，世界主要产煤国(如美国、英国、德国、波兰、前苏联等)从50年代开始，陆续地把监测、监控技术应用到安全生产管理上。随着射频识别技术的兴起，国外也加快了这一领域的发展，并成功地将其应用到了井下人员定位监控系统中。英国的Davis Derby Limited公司采用最新的无线射频技术开发了专门用于煤矿井下应用的多标签读取系统;戴维斯德比公司在地面和井下RFID系统的开发、生产、销售服务等方面，已拥有十几年的丰富经验;澳大利亚芒特艾萨矿业公司开发了一种人员探测系统，用于监测矿工进入危险地带;在南非的德里方月(Driefontayne)矿，安装了一种人员跟踪系统，它使用由澳大利亚ISD公司制造的一种射频识别系统源信标;这个系统使用顶板安装的天线，用来监控装在每个矿工帽上的小型无源信标。1990年8月，美国安菲斯公司利用超低频信号的穿透力研制开发的世界唯一套可实现超低频信号穿透岩层进行传输的无线急救通讯系统(PED，即Personal Emergeney
Device系统)在悉尼附近的一所煤矿投入使用。PED系统的先进技术工艺和优越的性能得到了矿区领导的一致肯定。该系统能够提供一些预先编制好的紧急信息，这些信息在紧急情况出现时自动生成。该系统可以直接连接现有的监控设备，可以监控多种输入。这些警告信息由矿井工作人员预先指定，在紧急情况发生时，可以在最短的时间内，将替告发送给井下全部或相应的工作人员。
1.3.2 国内发展现状
我国监测监控技术起步较晚，自1974年以来，仅有几种单一的瓦斯监测仪器投入使用，如AYJ-1，AWBY-1.2，MJC-100等，实现了对瓦斯的连续监测。为了加快实现煤炭工业现代化管理的步伐，我国先后从波、法、德、英、美等国批量引进了安全监控系统并装备了部分煤矿，如美国的SCADA系统、英国的MINOS系统、德国的TF200系统、法国的CTT63/40/u系统、加拿大森透里昂系统，这些系统在我国煤炭行业中发挥了作用，也为我国研制矿用监控系统提供了很好的借鉴。国内曾由中国煤炭部安全司、中国国际技术咨询公司连手与安菲斯公司确定合作关系，决定三方共同在中国煤炭领域推广PED系统。
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1998年，人同矿务局在人同煤峪口矿安装了中国第一套PED系统。结果证明PED系统信号可以穿透岩层传播并覆盖到全部生产区，发出和收到信号准确率为100%，最远穿透距离达2.8公里。
80年代后期，在引进外国设备的同时，消化、吸收了制造技术，并结合我国煤矿的实际情况，先后研制出自己的监控系统，如KJ1，KJ2，KJ4，A-1，KJ10，KJ11，KJ22，KT，KJ95及焦作工学院研制的KJ93矿井安全生产监控系统等，并在我国煤矿大批使用，有的系统已达到国际先进水平。这些系统主要也是侧重于安全参数的检测，而没有对下井人员进行实时监控。
随着自动识别技术在国内各行各业的发展和应用，国内一些煤炭科研机构不断推出新一代的人员自动识别系统，并成功应用于下井人员的管理。到门前为止国内部分矿井，尤其是现代化矿一井都安装了识别系统，用以取代以前依据矿灯管理来对下井人员进行管理。人员识别系统从最初的条形码、光电孔卡式到现在的指纹、红外线式考勤形式各不相同，这些技术装备利用不同的识别原理对下井人员进行监控、记录。深圳世纪潮智能科技有限公司与煤炭科学研究总院重庆分院一起，于2003年8月开始研究“矿井人员跟踪定位及考勤管理系统”，经过资料收集、调研、方案论证、设计、试验室试验、样机加工、性能测试、防爆送检及井下工业性试验等阶段，历时近一年半，完成了全部研究内容。矿井人员跟踪定位及考勤管理系统在完成了全部开发设计、样机生产加工、实验室性能测试和防爆检测检验后，成套产品于2004年10月在重庆松藻煤电集团公司二矿、西山焦煤集团屯兰矿、山西离柳焦煤集团有限公司朱家店煤矿第二坑口等地进行了现场安装和工业性试验。
我国现在研发的新型人员定位系统主要以有源射频卡为基础，提高了射频卡的使用的方便性，但由于基于射频识别耦合原理的有效通信距离仍然相对较短。普遍用于远距离射频识别的2.4G频段的信号对障碍物的穿透力很弱，信号衰减快。而矿山的井巷往往错综复杂，环境十分恶劣，当多人同时经过井下同一射频阅读基站时，往往出现漏读率较高，系统稳定性不够等问题。
1.4 井下人员定位系统设计的难点问题
井下人员定位系统的设计有以下几个难点问题:
1. 矿井下环境恶劣，通信条件复杂，并且属于易燃易爆场所，因此对通信问题提出了
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严格的要求，而井下人员定位系统设计的关键环节正是井下的通信问题。目前井下人员定位系统多是基于RFID(射频识别)技术，在井下建立无线监测网络，对持有射频标签的工作人员进行位置信号采集，然后送到地面进行处理、显示。但限于发射功率和通信环境，井下的无线通信距离较短，又由于地质结构复杂，电磁波信号不能有效的穿透岩层，造成无线通信局限在狭窄的巷道中。
2. 井下人员定位系统的设计还必须要考虑电源的供电问题，所有电气设计必须严格按照煤矿安全操作规程进行。井下与地面的通信可以采用工业现场总线，增强通信抗干扰能力，同时满足通信需求。
1.5 本设计所做的工作
本文结合目前定位系统的发展现状，主要完成了一下工作:
1. 采取了RFID+CAN+GIS的设计方式，即:利用RFID完成井下的无线监测任务，利用CAN总线完成井下与地面的通信任务，利用GIS完成定位系统的显示任务。
2. 在处理井下无线通信的问题时采取了基站+移动站的通信形式。基站按照其覆盖范围沿巷道分布，移动站以射频标签的形式附着于井下工作人员的身上，由于基站的安装位置是确定的，当某个基站捕获到射频卡后就可以确定相应人员的大体位置。从应用需求的角度出发，同时为了降低成本，系统没有采用精确定位的方法，而是如前所述的粗略定位方法，定位精度取决于基站的覆盖范围。
3. 系统的电源部分有基站和射频卡两个，基站由于安装在巷道中需要在井下设立电源箱(矿用防爆型)为其供电。电源箱将井下变电所输出的高压经过变压、整流、稳压得到本安供电电源输出;射频卡由于采取有源形式(识别距离较远)，需要设计供电部分，可以采用充电电池或者直接从井下工人矿工帽的蓄电池中取电。
4. 地面的显示部分采用基于GIS开发的图形显示界面，方便管理，同时易于整合其他信息资源(比如地质和水文)。考虑到井下工作环境的变化性，采用CAN总线可以方便的扩充基站，配合煤矿井下巷道的延伸。
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2 井下人员定位系统的基本原理
2.1 定位系统概述
井下人员定位系统的设计目的一是为了矿井正常运作时对井下工作人员进行管理，另外一个目的是一旦发生安全事故可以为救援队提供被困人员的位置和状态信息，赢取宝贵的救援时间。因此从这两个目的出发来考虑定位系统的
设计方案
关于薪酬设计方案通用技术作品设计方案停车场设计方案多媒体教室设计方案农贸市场设计方案
。从目前的应用看，定位系统有多种形式。
1. GPS
GPS(Global Positioning System)全球定位系统具有高精度、全天候、高效率、多功能、操作简便等特点，是最常见的一种定位系统，主要为船舶、汽车、飞机等运动物体进行定位导航。GPS定位系统正常工作需要空间部分(卫星)、地面控制部分(主控站、监测站、地面控制站)和用户设备部分(GPS信号接收机)。定位的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据按照定位解算方法进行定位计算，计算出用户所在的地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。
2. 短距离定位技术
短距离定位是相对于全球定位而言的，其工作原理和GPS定位原理都是基于电磁波定位技术。短距离定位技术的应用范围一般为几十公里，其定位系统主要由分布在定位区域边缘的基站和定位区域中的移动接收站组成。移动站通过测量到基站的距离，然后根据基站的位置信息按照定位解算方法进行计算，即可计算出移动站在定位区域中的位置。 2.2 井下人员定位系统的基本原理
由上述可知，GPS定位系统技术成熟、应用广泛，但对于井下定位系统的实现有一定难度。首先由于现有的移动通信网的无线信号不能穿透到矿井井下，因此不能直接实现井下与井上的无线通信，为了通信还要建立井下移动通信网络;另外使用GPS定位系统的成本较高，对于我国这样一个煤矿众多，井下工作人员众多的国家不太实用。
实际上井下人员定位系统正是基于短距离无线定位技术，但由于煤矿井下环境与地面差别较大，信号在传输路径衰减严重，干扰较多，且不易穿透巷道，无线传输只能局限在
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巷道中。目前，井下人员定位系统一般采用在井下巷道中建立多处无线通信基站，由井下的工作人员携带无线收发装置，以此实现井下的无线通信。实际上井下人员定位系统的关键环节正是井下的无线通信问题，一旦建立起无线通信系统，即可实现许多附加的功能，其中包括定位功能。
图2-1为井下人员定位系统的原理图。图中BS为无线通信基站，基站沿煤矿井下巷道分布，覆盖井下工作人员的活动范围;MS是移动站，即井下工作人员随身携带的无线收发装置，能向基站发送自身ID以识别工作人员;现场总线部分负责把所有的基站连接起来和地面进行通信，及时将井下的无线定位数据传送到地面进行处理和显示;地面的处理显示中心将接收的定位数据与基站的实际物理位置进行比对，判断出对应数据的位置，再通过查询人员ID号得到人员的位置数据。为了直观显示结果可以采用GIS以电子地图的形式对人员的位置进行显示;远程监控部分方便各个管理层及时了解矿井的工作情况，实现多级监管。
远程监地面处理与控部分 显示中心
网关
地面 避雷器
BS BS
无线通信
MS 现
场MS 矿井巷道 MS 总
BS 线
图2-1 井下人员定位系统的原理框图
Fig.2-1 Principle diagram of underground personnel positioning system
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巷道A
BS1BS2
Tag1
Tag2
煤矿井下
地面数据处理
Tag2Tag1监控中心
巷道ABS2BS1
Tag1->张山Tag2->李四
图2-2 井下人员定位系统工作示意图
Fig2-2 Working diagram of underground personnel positioning system
图2-2为系统的工作示意图，井下不同的巷道中分别安装有一些BS(基站)，BS安装的物理位置是确定的，这样井下位置就可以反映到电子地图上。Tag(电子标签)由工人携带，工人在巷道中工作时，其携带的Tag会被某个BS所识别到，由于Tag与实际的工人人员是一一对应的，因此BS就能识别出工作人员。当BS的数据传输到地面后，参照BS的物理位置和Tag的人员对应列表就可以获得工作人员的定位信息，同时可以将监控数据实时进行显示。
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3 系统的功能划分
由系统的工作原理可以得出系统主要有几部分功能模块组成，为了便于对系统进行设计，根据系统各部分的工作特点，将井下人员定位系统分为三个子系统:井下无线监测子系统、地面数据处理子系统和矿井上下的通信子系统。在具体设计各个子系统时可以再将其进行功能划分，以方便模块化设计。
3.1 井下无线监测子系统
井下无线监测子系统主要由无线监测基站和移动站两部分组成。移动站中存储有包含工作人员个人信息的数据，基站(BS)通过与移动站(MS)通信读取存储在移动站中的人员信息。然后基站将这些信息传送到井上的数据处理中心，井上的数据处理中心根据井下基站的位置信息，对基站传送回来的数据进行分析处理，然后得出人员的位置信息。 1. 基站(BS)的功能:
a 完成基站(BS)与移动站(MS)的无线通信，要求基站具有无线收发功能。 b 完成基站(BS)与地面数据处理中心的通信，要求基站具有串行通信功能。 c 完成对移动站的通信控制，要求基站具有一定的数据处理能力和数据存储功能。 2. 移动站(MS)的功能:
a 完成移动站(MS)与基站(BS)的无线通信，要求移动站具有无线收发功能。 b 完成基站(BS)指令的数据操作，要求基站具有一定的数据处理和数据存储功能。 3.2 地面数据处理子系统
地面数据处理子系统完成对井下采集信息的分析与处理。地面数据处理子系统包括:数据接收部分，数据传输部分，数据分析计算部分，数据存储部分，数据显示部分。 1. 数据接收部分
数据接收部分完成地面数据处理子系统与井下监测子系统通信的接口，主要是将井下传送来的串行数据暂存入计算机，完成数据校验等预处理，同时还能接受上层的管理命令，对井下监测子系统进行控制。
2. 数据传输部分
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为了方便对数据进行处理，并为监管部门提供监测数据需要对监测数据共享。数据传输部分主要负责数据在各个部门之间的共享传输，并控制数据的实时更新与同步。 3. 数据分析计算部分
考虑到井下无线监测部分的数量很多，若使用数据处理功能较强的装置则系统成本必然很高，因此采用井下无线监测加地面数据处理的模式。井下部分只完成数据的采集任务，减轻井下的数据处理负担。数据传送到地面后，由地面上计算功能强大的计算机完成数据的计算分析与处理。地面数据处理子系统事先把基站的位置信息存入计算，当接收到井下的监测数据后，计算机根据已存入基站的位置信息计算人员的位置，并可对人员进行位置跟踪，工作时间统计等。数据的分析具体包括:位置信息计算，人数统计，时间计算，轨迹计算等。
4. 数据存储部分
井下人员定位系统一方面要实时反映井下人员的位置信息，另一方面还要对人员的出勤情况，工作内容等进行记录和统计，以方便对人员的管理。同时数据存储部分还要为显示部分提供数据源，方便通过直观的显示画面查看相关信息。
5. 数据显示部分
数据显示部分完成人机接口，方便人员查看信息。数据显示部分要能够实时显示井下人员的位置状况，能够提供历史信息的查询服务，能够接收命令的输入与执行以完成对系统的管理。
3.3 井下与地面通信子系统
该通信子系统负责完成井下与地面的数据传输，主要有三个功能模块:基站接口、传输线路和地面端接口。通信可以用RS-485或现场总线等工业控制中的远程传输技术来实现。对该子系统的要求是:系统的容量大、传输可靠、协议简单、安装与维护成本低。 1. 基站接口
接口主要完成基站数据到传输线路的通信，由于基站主控芯片功能有限，若没有集成接口则需要设计接口电路。
2. 传输线路
根据选定的通信方案来确定传输线缆的类型，如果有可能的话可以和井下其它监测系统共用传输线路，节省成本。
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3. 地面端接口
与计算机的通信可以采用标准串口(RS-232)，但传输线路却不能使用RS-232这种计算机的标准接口，因为这种通信的距离太短(小于等于15m)。因此与基站部分相同，可以设计接口将传输线路转换为RS-232与PC机进行通信。
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4 井下无线通信子系统设计
4.1 通信的基本知识
本设计中涉及较多的通信内容，下面简单介绍下通信中要考虑的几个问题。 4.1.1 信号的转换与编码
通常信号有模拟信号和数字信号之分，模拟信号是在幅值和时间上都连续的信号，数字信号则是在幅值和时间上都离散的信号。模拟信号和数字信号都可以用于数据通信，但由于二者之间有明显的差异，其用途也不相同。比如电话网络传送的是模拟信号，而计算机总线上传送的是数字信号。一般不同的传输线路只能传输特定的信号，模拟和数字信号不能同时传输。当需要是就要对信号进行变换。比如计算机的数字信号要通过电话网络传输，就要先将数字信号转换为模拟信号，然后再进行传输。
在数字信号的传送中，为了使二进制“1”和“0”的特性有利于传输，需要对信号进行编码几种比较常见的编码方法有:不归零编码(Non Return to Zero，NRZ)、伪三元码(Pseudoternary)、曼彻斯特(Manchester)编码、差分曼彻斯特编码(Differential Manchester
Encoding)等。
4.1.2 差错控制
在数据的通信过程中，数据传输的各个环节都可能产生差错，为了保证通信的正常进行需要对差错进行控制。所谓差错控制是指对于数据传输设备、数据通信线路和通信控制器等产生的差错进行控制。实际系统中数据传输设备和通信控制器本身所产生的误差很小，因此数据通信中的差错主要来自于数据通信线路。
差错控制方式基本上有两类:一类是接收端检测到接收的数据有错时，接收端自动纠正错误;另一类是接收端检测出错误后不自动纠错，而是通过反馈信道发送一个表示错误的应答信号，要求重发，直到正确接收为止。目前通信系统中的差错控制方式有:反馈纠错、前向纠错、混合纠错。
为了控制差错必须先检测出错误，这就是差错的检测。常用的差错检测方法是对数据
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进行校验。常用的校验码有:奇偶校验码、恒比码、汉明码、循环码。其中循环码是一种使用较多的冗余校验技术。
4.1.3 多路复用
在通信过程中，传输媒体的带宽往往超过传输单一信号的需要，为了提高传输媒介的利用率，降低成本，希望在一个信道上可以同时传输多路信号，也即是多路复用问题。多路复用技术是指在数据传输系统中，允许两个或两个以上的数据源共享一个公共传输介质，把多个信号组合起来再一条物理信道上进行传输。这样就好像每个数据源都有自己的信道一样，因此采用多路复用可以将若干个无关的信号合并为一个能在一条共享信道上传输的复合信号。
多路复用通常可以分为:频分复用(FDM)、时分复用(TDM)、波分复用(WDM)和码分复用(CMD)等。另外码分多址(Code Division Multiple Access，CMDA)是移动通信中的一种信号处理方式，每个用户在通信期间占用所有的频率和所有时间，但不同的用户具有不同的正交码，可以区分不同用户的信息，避免相互干扰。
4.1.4 传输模式
数据传输模式是指数据在信道上传输所采取的方式。在计算机内部各部件之间，计算机与各种外设之间，计算机与计算机之间，都以通信的方式传递数据信息。数据传输模式可以分为不同的类型，按数据代码传输的顺序可以分为并行传输和串行传输;按数据传输的同步方式可以分为同步传输和异步传输;按数据传输的流向和时间的关系可以分为单工、半双工和全双工;按传输的数据信号特点可分为基带传输、频带传输和数字数据传输。 4.1.5 传输协议
在通信过程中，为了控制通信的双方进行信息的发送和接收，需要有一个通信双方都要遵守的“规则库”，或者说通信的双方需要使用一种共同的“语言”来进行信息的交流。这个“规则库”或者说“语言”就是通信的传输协议。传输协议定义了什么是通信，如何进行通信以及何时进行通信等问题。
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4.2 井下人员定位系统无线通信解决方案及对比
经过前面的分析，不难发现问题的难点集中在井下的无线通信上。由于井下环境恶劣，噪声、干扰严重，给无线通信带来的很大的不便。此外从安全角度来说也不允许无线设备的发射功率过大，另外还要按照矿用标准进行严格设计。从技术角度看，目前短距离无线通信的解决方案有多种，下面简要介绍一下几种不同的短距离无线通信方案。 4.2.1 蓝牙(Bluetooth)
蓝牙技术最初是由Ericsson、Nokia、IBM、Intel、Toshiba等公司联合于1998年提出的，主要面向短距离，低功率，低成本的应用环境，以解决手机、PDA、
笔记
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本电脑等移动设备间的通信问题。蓝牙技术是一种能够实现语音和数据无线传输的开放性方案，蓝牙技术产品是采用低能耗无线电通信技术来实现语音、数据和视频传输的，其传输速率最高为每秒1 Mb/s，以时分方式进行全双工通信，传输距离在10 m以内，增加天线后可达到100 m。蓝牙产品采用的是跳频技术，能够抗信号衰落;采用快跳频和短分组技术，能够有效地减少同频干扰，提高通信的安全性;采用前向纠错编码技术，以便在远距离通信时减少随机噪声的干扰;采用24GHz的ISM频段，以省去申请专用许可证的麻烦;采用FM调制方式，使设备变得更为简单可靠。总之，蓝牙技术产品与因特网Internet之间的通信，使得家庭和办公室的设备不需要电缆也能够实现互通互联，大大提高办公和通信效率。由于蓝牙协议及相关堆栈都很复杂，对某些简单应用就是多余的。另外蓝牙的功耗也较大。 4.2.2 HomeRF
HomeRF(家庭射频)是ITU(国际电信联盟)内部的一个组，成立于1998年3月，主要为家庭网络设计，其主要工作是开发低成本射频语音、数据通信标准。HomeRF技术是DECT(Digital Enhanced Cordless Telephone:数字增强型无绳电话)和WLAN(Wireless Local
Area Network:无线局域网)技术相互融合发展的产物。HomeRF工作组开发了共享无线应用协议SWAP(Shared Wireless AccessProtocol)，它融合了无线局域网IEEE80211采用的CSMA/CA(Carrier SenseMultiple Access with Collision Avoidance:载波侦听多路访问/冲突避免)方式和DECT使用的TDMA(Time-division Multiple Access:时分多路复用)方式，适合于话音和数据业务，并且特地为家庭小型网络进行了优化。目前使用的家庭射频芯片工作
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在2.4GHz频段，采用数字跳频扩频技术，速率为50 W秒，共有75个带宽为1MHz跳频信道。调制方式为恒定包络的FSK(Frequency Shift Keying:频移键控)调制，分为2FSK与4FSK两种。采用跳频调制可以有效地抑制无线环境下的干扰和衰落。2FSK方式下，最大数据的传输速率为1 Mb/s，4FSK方式下，速率可达2Mb/s。在HomeRF2x中，数据峰值高达610Mb/s，接近IEEE802l1b标准的11Mb/s，能满足未来的家庭宽带通信。HomeRF最早由Proxim公司开发，已经被美国联邦通讯委员会接纳为标准。HomeRF的不足在于在功能上过于局限家庭应用。
4.2.3 ZigBee
ZigBee联盟成立于2002年8月，由英国Invensys公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司组成，如今已经吸引了上百家芯片公司、无线设备公司和开发商的加入。
ZigBee使用24GHz波段，采用跳频技术，它具有下述特点:
传输速率低:10kbps-250kbps;
功耗低:两节普通5号干电池可使用半年到两年;
成本低:由于ZigBee数据传输速率低、协议简单，所以大大降低了成本;
网络容量大:每个ZigBee网络最多可支持255个设备，也即每个ZigBee设备可与另外254台设备相连接;
有效范围小:有效覆盖范围为10m,75m;
工作频段灵活:使用24GHz，868MHz(欧洲)及915MHZ(美国)免执照频段。 4.2.4 RFID(射频识别)
射频识别技术(RFID，即Radio Frequency Identification)是从20世纪80年代起走向成熟的一项自动识别技术。它利用射频方式进行非接触双向通信，实现人们对各类物体或设备(人员、物品)在不同状态(移动或静止)下的识别和数据交换。与同期或早期的接触式识别技术不同的是RFID系统的射频识别卡和读卡器之间不用接触就可完成识别。它具有以下特点:
(1)操作方便，工作距离长，可以实现对移动目标的识别;
(2)无硬件接触，避免了因机械接触而产生的各种故障，使用寿命长;
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(3)射频识别卡无外露金属触点，整个卡片完全密封，具有良好的防水、防尘、防污损、防磁、防静电性能，适合在恶劣环境条件下工作;
(4)对无线传输的数据都经过随机序列的加密，并有完善、保密的通信协议。卡内序列号是唯一的，制造商在卡出厂前已将此序号固化，安全性高;
(5)卡内具有防碰撞机制，可同时对多个移动目标进行识别;
(6)信号的穿透能力强(可穿透墙壁、路面、衣物、人等)，数据传输量小，抗干扰能力强，感应灵敏，易于维护和操作。
4.2.5 WIFI
WIFI全称Wireless Fidelity，采用802.11a/b/g标准，它的最大优点就是传输速度较高，可以达到54Mbps，另外它的有效距离也很长，同时也与已有的多种设备兼容。其优点主要体现在以下方面:
(1)无线电波的覆盖范围广，基于蓝牙技术的电波覆盖范围非常小，半径大约只有50英尺左右(约合15m)，而WIFI的半径则可达100m。
(2) WIFI手机的无线通信质量非常好，就是在嘈杂的环境下，也能有很好的过滤功能。
(3) WIFI技术传输速度非常快，可以达到11Mbps，符合个人和社会信息化的需求。
(4) WIFI手机通过TCP/IP协议进行数据交换，在网络上的工作效率更高。 4.2.6 无线MESH网络
(无线网状网络)也称为“多跳(mult-hop)”网络，它是一种与传统无线网络完全不同的新型无线网络技术。在传统的无线局域网(WLAN)中，每个客户端均通过一条与AP相连的无线链路来访问网络，用户如果要进行相互通信的话，必须首先访问一个固定的接入点(AP)，这种网络结构被称为单跳网络。而在无线MESH网络中，任何无线设备节点都可以同时作为AP和路由器，网络中的每个节点都可以发送和接收信号，每个节点都可以与一个或者多个对等节点进行直接通信。这种结构的最大好处在于:
(1)无论固定组网还是移动组网，都能够迅速按需形成任意拓扑;
(2)拓扑遭遇节点高速、高频变换时，无线网状网能够自动调整拓扑并维持连接;
(3)能够采用灵活的多跳传输，可随需扩展，非常适合有线不方便或成本很高的场合;
基于无线MESH网络结构的以上优点和煤矿井下环境恶劣、组网复杂等特殊条件，无
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线MESH网络很适合在煤矿井下应用。
4.2.7 几种无线通信方案的比较
表4-1 无线通信方案参数比较
Tab.4-1 Camparison of parameters of several communication program
无线通信方式 功耗 速率 距离 频率 容量 成本
ISM 蓝牙 大 中 短 小 高
HomeRF ISM 中 中 中 小 低
ZigBee ISM 小 低 中 大 中
RFID 中 低 中 低、中、高 大 中
WIFI ISM 小 高 远 大 高 4.3 无线通信方案的确定
经过上述比较，得出以下结论:
1 蓝牙技术功耗大，通信距离短，协议复杂，不适合井下通信。
2 HomeRF技术中等，但由于是针对家庭应用设计，因此有局限性。
3 WIFI技术先进，通信距离远，传输速率高，但用在定位系统上有点“大材小用”，且成本较高。
4 ZigBee技术也具有较多优点，适合于组建无线通信网络。但考虑到井下环境复杂，若采用无线组网的方式配置起来较为复杂，没有采用有线通信方式可靠。因此也不予采用。
5 RFID技术各项指标较为中等，功耗较低，通信距离较远，技术成熟，已在多种领域有成功的应用。采用RFID技术对井下人员携带的射频标签进行识别，再通过有线方式将基站信息传送到地面，即可完成井下人员定位的任务。由于系统的工作频率与通信距离有较大关系，考虑到低频和高频信号的传输特点，采用RFID中的UHF频段，这也是目前远距离RFID系统的工作频段，关于发射功率问题要参考有关的无线管制规定和矿井的安全操作规程。
4.4 无线通信子系统的硬件设计
无线通信子系统由两部分组成:基站(BS)和移动站(MS)。根据功能划分部分所述，
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基站(BS)部分需具有无线收发功能、串行数据传输功能和数据存储、处理功能。移动站(MS)部分需具有无线收发功能、数据存储和处理功能。
4.4.1 基站硬件电路设计
考虑到基站的功能要求将基站的硬件电路分为五个功能模块，如图4-1所示，这五个模块是:通信模块、时钟模块、无线收发模块、主控单元和电源模块。这些的模块的功能如下:
通信模块:负责基站(BS)与地面的通信，完成现场总线与主控单元的接口功能;
时钟模块:负责提供日期与时间数据，方便记录井下的监测数据，当基站向地面传送定位数据时同时传送定位时间信息;
无线收发模块:完成基站与射频卡的无线通信，包括无线通信协议和数据的防碰撞算法部分;
主控单元:控制无线收发模块、通信模块和时钟模块的工作，进行相应的数据存储和处理;
电源模块:从井下的供电线路中获取电源，并变换整定出稳定可靠的直流电压，为基站提供不同等级的电压，满足供电要求。
由于通信模块与井下和地面所采取的通信方式有关，将其设计内容放在第三个子系统的设计中来考虑。下面分别设计基站的其他四个模块，为了合理的选用器件，按照无线收发模块、主控单元、时钟模块、电源模块的顺序依次进行设计。
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基站天线工业现场总线
通信模块时钟模块无线收发模块
主控单元电源模块
BS
井下供电线路
图4-1 基站原理框图
Fig4-1 Block diagram of BS
(1)无线收发模块
无线收发模块的设计大体有两种方案:一是利用分立器件搭建无线收发电路，另一种是直接选用具有无线收发功能的集成芯片。从设计的方便性和可靠性来考虑，应选用集成度较高的单片射频收发芯片。这是因为一方面可以避免用分立元件搭建无线收发电路，提高系统工作的可靠性;另一方面由于单片射频收发芯片可以独立完成无线收发任务，也可以减轻传输控制电路的负担。
目前有多种功能不同的单片射频收发芯片，下面接收其中典型的几种。 1) XE1202
XE1202是将无线发射与接收功能集成在单一芯片上的射频收发芯片，芯片内集成了射频发射、射频接收、PLL合成、FSK调制等电路，具有高速率、超低功耗等功能。可以工作在433MHz、870MHz和915MHz ISM频段，其数据传输速率可以达到76.8kbps。XE1202采用连续相位的两级频移键控(CPFSK)方式。XE1202的接收部分集成有低噪声放大器(LNA)和下变频器，采用直接变频方式，具有滤波通道和接受用的解调器，微控制
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器接口可以直接对数据进行处理，并可以产生同步数据时钟(CLKD)。XE1202的发射部分可以提供一个完整的通道，完成从数据到天线的传送，该部分带有一个可以对频偏进行编程的直接上变频器，并可以对RF输出功率进行控制。芯片具有3线总线接口，可以通过3线总线以及外部引脚来设置传输状态，仅需要极少的外部元件(天线匹配网络、振荡电路、SAW振荡器)即可完成接收和发射的双重功能。发射功率也可以通过总线来控制。 2) nRF2401
nRF2401是单片射频收发芯片，工作于2.4,2.5GHz ISM频段，芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置。芯片能耗非常低，以-5dBm的功率发射时，工作电流只有10.5mA，接收时工作电流只有18mA，多种低功率工作模式，节能设计更方便。其DuoCeiverTM技术使nRF2401可以使用同一天线，同时接收两个不同频道的数据。nRF2401适用于多种无线通信的场合，如无线数据传输系统、无线鼠标、遥控开锁、遥控玩具等。nRF2401有工作模式有四种:收发模式、配置模式、空闲模式和关机模式。nRF2401的工作模式由PWR_UP 、CE、TX_EN和CS三个引脚决定。nRF2401的收发模式有ShockBurstTM收发模式和直接收发模式两种，收发模式由器件配置字决定。nRF2401的所有配置工作都是通过CS、CLK1和DATA三个引脚完成，把其配置为ShockBurstTM收发模式需要15字节的配置字，而如把其配置为直接收发模式只需要2字节的配置字。由上文对nRF2401工作模式的介绍，我们可以知道，nRF2401一般工作于ShockBurstTM收发模式，这样，系统的程序编制会更加简单，并且稳定性也会更高。
3)nRF9E5
nRF9E5是真正的系统级无线射频收发芯片，内嵌高性能8051MCU，4通道12位ADC。内置nRF905收发器，包括所有nRF905芯片的特性，可以工作在Shockburst模式下(自动处理前缀，地址和CRC)，最大程度抑制了噪声，工作电压范围为1.9V-3.6V。芯片的最大输出功率为+10dBm。只需极少的外围元件就能组建一个完整的射频收发电路。芯片还具有载波检测功能，能有效的减少数据的碰撞。应用领域:无线数据通讯、报警和安全系统、自动测试系统、家庭自动化控制、遥控装置、监测、车辆安全系统、工业控制、无线通信、电信终端等。
4)CC1010
CC1010是基于Chipcon's Smart RF 技术的单片可编程UHF收发器芯片，电路工作在315/433/868/915MHz ISM频段(300MHz-1000MHz)。在典型的应用中，仅需少数的几个
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外接元件。灵敏度为-109dBm，可编程输出功率为-20dBm~10dBm，FSK调制，数据传输速率可达76.9kbps，2.7~3.6V低电源工作。芯片内嵌与8051兼容的微控制器(MCU)、32KB Flash、2048+128 Bytes SRAM、3通道10bitADC、4个定时器、2个脉冲宽度调制(PWM)输出、2个通用异步串行收发(UART)接口、实时时钟(RTC)、看门狗(WatchDog)、串行外设接口(SPI)、DES编码，26个通用I/O口。适合与计算机遥测遥控、安放、家庭自动化、汽车仪表数据读取等无线数据发射/接收系统中使用。
上面介绍的几种射频收发芯片都能通过简单的外围电路来完成无线收发功能。其中前两种射频收发芯片内部没有集成微控制器(MCU)，需要增加微控制器(MCU)来对数据的发送和接收进行控制，而且内部硬件资源较少，但价格相对较低，适用于简单、低成本的无线通信电路;后面两种内部集成有与8051兼容的微控制器(MCU)，并具有多种硬件资源，功能强大，但同时价格也高。
由于井下环境恶劣，通信条件较差，为了保证数据传输的可靠性需要使用可靠的通信协议和数据差错控制算法，另外还要考虑到RFID通信过程中的数据防碰撞问题，而这些都需要微处理器(MCU)来完成。如果选用内部没有集成MCU的射频芯片，那么这些工作都要由基站的主控MCU来完成，这会增加主控MCU的负担，由于主控MCU还要完成其他的控制任务，为了保证系统的可靠工作还需要增加一片MCU专门来完成无线收发的控制任务，这样就增加了系统的复杂性，同时也增加了系统成本。因此考虑采用内部集成有MCU的射频芯片。
nRF9E5和CC1010都是内部集成有兼容8051MCU的单片射频收发芯片，都具有丰富的硬件资源，可以完成复杂的通信任务。考虑到CC1010虽然硬件资源较为丰富，但价格较高，因此采用nRF9E5。下面具体介绍一下这款芯片。
nRF9E5是挪威Nordic VLSI公司于2004年2月推出的系统级RF芯片。该芯片采用+3VDC供电，面积为5mm×5mm，共有32个外部引脚。nRF9E5嵌入了nRF905 433/868/915MHz无线收发芯片、集成增强型MCS 8051微控制器和4个通道的10位A/D转换器，采样速率为80kbps，内含1.22V电压基准、电源管理、PWM输出、UART异步串口、SPI通讯接口、逻辑接口电路、看门狗电路、多通道可编程唤醒，以及CRC检验和多点通信控制，高频电感和滤波器等已经全部内置，芯片的一致性能好、稳定且不易受干扰。采用GFSK调制，抗扰能力强，支持多点通讯，数据传输速率高达0.1Mbps。具有特有的ShockBurst信号发射模式和发射信号载波监测功能，可有效降低功耗电流、避免数据冲突。nRF9E5没有复杂的通讯协议，完全对用户透明，同种产品之间可以自由通讯，内
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置的CRC纠错硬件电路和协议免去了软件开发人员的软件纠错编程和微控制器的纠错运算，降低了无线应用的开发难度。外围电路连接极为简单，只需要一个晶体管和一个电阻，nRF9E5输出端ANT1、ANT2外接50单天线终端装置，信号有效发射距离无遮挡时可,
达800m以上，楼道内收发也可达到250m左右，对障碍物具有一定的穿透能力，且其最大发射功率仅为10DBm(10毫瓦)，收发状态切换时间小于650ms。由于nRF905功耗低，工作可靠，因此很适用于井下人员定位系统设计。
nRF9E5的外部电路非常简洁，除了天线输入输出匹配滤波网络、电压偏置控制电阻和时钟振荡晶振外，基本不需要其它元件。但由于nRF9E5中没有提供程序存储空间Flash，所以每次上电复位后它都需要通过其SPI接口从外部程序存储空间中导入4K的程序存放在内部4K的RAM中，为了适应nRF9E5这一特点，我们选用Microchip公司带SPI接口的串行EEPROM 25AA320芯片作为射频卡的程序存储器，该芯片支持低电压工作，最低工作电压为l.8V，且该芯片的存储空间为4K。
表4-2和表4-3分别是nRF9E5的特性和参考数据。
表4-2 nRF9E5的特性
Tab.4-2 Features of nRF9E5
内置nRF905 433/868/915MHz频率可调收发器
内嵌兼容工业标准8051微控制器
4输入10位80ksps AD转换器
工作电压:1.9~3.6V
，封装:32pin QFN(55mm)
只需极少的外围元件
内置VDD电源监控模块
掉电模式时工作电流:2.5A ,
最大输出功率:+10dBm
频道切换时间:650s ,
低MCU供电电流:1mA，4MHz@3V
适合高频应用
具有载波检测功能
低供电电流，发射时的典型值:11mA@-10dBm，接收时的典型值:12.5mA
对于nRF9E5而言，其最大的优点是具有载波检测功能。在ShockBurst接收方式下，当出现nRF9E5工作信道内的射频载波时，载波检测引脚(CD)被置高，这个特性很好的避免了同一工作频率下不同发射器数据包之间的碰撞，有效的防止了信号的干扰。当收发器
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准备发射数据时，它首先进入接收方式并探测所工作的信道是否空闲。载波检测的标准一般比灵敏度低5dB，比如，灵敏度为-100dBm，载波检测功能探测低至-105dBm的载波。也就是说，载波低于-105dBm，载波检测信号为低(一般为0)，高于-95dBm，则载波检测信号为高(一般为VDD)，介于-105~95dBm之间，载波检测信号可能为低也可能为高。
nRF9E5的内部主要由微控制器(MCU)模块和射频模块(nRF905)组成，图4-1为nRF9E5的结构框图。下面简单介绍一下这两个模块。
nRF9E5内嵌的微控制器兼容工业标准8051，典型的指令周期为4~20个时钟周期，与标准8051的12~48个时钟周期相比，运算速度要快的多。另外微控制器模块还比标准8051多了5个特殊的中断源:ADC，SPI，2个射频相关中断，一个唤醒功能。模块具有3个与8052兼容的定时器，在采用串口通信(UART)时波特率可以用定时器1也可以用定时器2生成。同时微控制器的时钟由外部晶振得到，时钟频率控制灵活。
表4-3 nRF9E5的参考数据
Tab.4-3 Reference data of nRF9E5
参数 值 单位
最低供电电压 1.9 V
,-40~+85 温度范围 C
发射功率为-10dBm时的发射电流 11 mA
接收模式下的电流 12.5 mA
微控制器4MHz@3volt时的供电电流 1 mA
ADC工作电流 0.9 mA
10 dBm 最大发射功率
100 Kbps 数据传输率
灵敏度 -100 dBm
A ,低功耗模式下的工作电流 2.5
nRF9E5内嵌处理器的存储单元比较特殊，它是由一块与80C52兼容的256个字节RAM和512个字节ROM及一个4K的RAM组成。512个字节的ROM中包含一个初始装载程序，当系统上电或程序复位时，这个初始装载程序将引导系统通过SPI接口将用户编写的放在一块外部串行EERPMO程序存储器中的程序调入内部4K的RMA中，然后系统在根据调入到RAM中的程序运行。对于外部EEPROM中存放的程序格式，nRF9E5系统也专门做了规定。
在nRF9E5中，除了内置8051单片机外，另一个重要模块就是射频收发单元，该模块
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电路与单芯片射频收发器nRF905一样，它与内嵌MCU是通过内部并行口P2和内部SPI模式进行通信的。数据准备好、载波检测、地址匹配都能通过程序控制引起相应中断。
AINT1(20) 4K byte Boot 256 byte AIN3(26) AINT2(21) RAM Loader RAM AIN2(27) VDD_PA(19)
AIN1(28) 7-channel interruption AIN0(29)
AREF(30) UART0 nRF905
433/868/A/D Timer0 915MHz converter BIAS readio Timer1 tranceive
r IREF(23) Timer2 XC2(15)
CPU XC1(14) 8051compatible
microcontroller
XTAL
oscillator
low power
RC Watch RTC oscillator Dog Timer VSS(5) power PWM SPI VSS(16) mgmt VSS(18) VSS(22) Reset VSS(24) RegulaVDD(4) VDD(17) 8.ch programmable tors VDD(25) Portlogic wakeup
MOSI(10)
DVDD_1V2(31) MISO(11) SDO SCK(12) 25320 SCK P00(32) P01(1) CSN P02(2) 图4-2 nRF9E5的结构框图 P03(3) P04(6) Fig.4-2 nRF9E5 block diagram P05(7) P06(8) nRF905是一个可工作于433/868/915MHz的射频收发器，它内部带有完整的频率合成P07(9)
单元，功率放大器，FSK调制和接收单元。该射频收发器的输出信号功率和载波频率都可SDI
以方便的编程并通过SPI口传送给nRF905内核。当信号输出功率为-10dBm时，射频模块电路的电流消耗仅为9mA，当接收信号时，射频模块电路的电流消耗仅为12.5mA。同时
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为了节省功耗，射频模块还可以由程序控制开启和关断。
为了实现微控制器(MCU)对射频收发单元的控制，nRF9E5定义内嵌的8051MCU
的P2口专门用于控制射频收发模块nRF905.因此射频模块的工作受特殊功能寄存器P2和
SPI_CTRL控制。P2寄存器的每一位对应射频收发模块nRF905的相应引脚。
DVDD_1V2nRF9E5采用32引脚的QFN封装，引脚分配图如下: P0032AREF3130AIN029AIN128AIN227AIN326VDD25241VSSP01232IREFP02223VSSP03214ANT2VDD20nRF9E55ANT1VSS196VDD_PAP04187VSSP05178VDDP06
P07MOSI910MISO11EECSNSCK1213 XC114XC215图4-2 nRF9E5的引脚图 VSS16
Fig.4-2 Pin assignment of nRF9E5 下面是nRF9E5的引脚工能列表。
表4-4 nRF9E5的引脚功能列表
Tab.4-4 The functional group of nRF9E5 pins
引脚 名称 功能 说明
1 P01 数字输入输出 双向数字输入输出
2 P02 数字输入输出 双向数字输入输出
3 P03 数字输入输出 双向数字输入输出
4 VDD 电源 工作电源(+3VDC)
5 VSS 电源 地(0V)
6 P04 数字输入输出 双向数字输入输出
7 P05 数字输入输出 双向数字输入输出
8 P06 数字输入输出 双向数字输入输出
9 P07 数字输入输出 双向数字输入输出
10 MOSI SPI接口 SPI输出
11 MISO SPI接口 SPI输入
12 SCK SPI时钟 SPI时钟
13 EECSN SPI使能 SPI使能，低有效
14 XC1 模拟输入 晶体振荡器1脚/外部时钟输入脚
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15 XC2 模拟输出 晶体振荡器2脚 16 VSS 电源 地(0V) 17 VDD 电源 电源(+3VDC) 18 VSS 电源 地(0V) 19 VDD_PA 电源输出 给nRF905功率放大器提供的+1.8V电源 20 ANT1 RF-端口 天线接口1 21 ANT2 RF-端口 天线接口2 22 VSS 电源 地(0V) 23 IREF 模拟输入 参考电流 24 VSS 电源 地(0V) 25 VDD 电源 电源(+3VDC) 26 AIN3 模拟输入 ADC输入3 27 AIN2 模拟输入 ADC输入2 28 AIN1 模拟输入 ADC输入1 29 AIN0 模拟输入 ADC输入0 30 AREF 模拟输入 ADC参考电压 31 DVDD_1V2 电源输出 数字电源去耦输出 32 P00 数字输入输出 双向数字输入输出
下面是nRF9E5的应用电路
1kR1AREFAIN3AIN2C1C2AIN11nF100nFAIN0
C7VDD10nFDVDD_1V2C4C9P0033pF4.7nF3231AREF30AIN029AIN128AIN2U127AIN3C1326C10VDD253.9pFP00124C5P01VSSP01C15223P02IREFP0250ohm RF I/O32212nHP03VSSP03433pF21VDDANT2P04VDD5nRF9E520C14VSSANT1P05C12619P04VDD_PAP0671812nHVDDP05VSSP07817P06VDDMOSI(P1.1)C6MISO(P1.2)C16C3R2SCK(P1.0)P0722kMOSI12nHEECSN(P1.3)933pF10MISONRF9E533pF11C11EECSNSCK3.9pF1213XC114XC215VDDVSS16
R4X1100kC193.3nF16MHzR5VDDU21M18CSVCCC17C1827SOHOLD22pF22pF36C8WPSCK45VSSSI10nF25XX320R310k
nRF9E5应用电路
图4-3 nRF9E5的应用电路
Fig.4-3 The application circuit of nRF9E5
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由应用电路图可以看出，nRF9E5的外围元件很少，只需外接晶振电路、天线、外部存储器和电源电路。芯片的引出脚可以方便的与MCU进行接口。由于内部嵌入了微控制器(MCU)因此数据的通信协议、数据的防碰撞算法都可以由射频芯片完成，从而减轻了主控芯片的负担。
(2)主控单元
主控单元主要管理无线数据的收发，以及与地面的有线通信，同时还要执行地面发送的命令。根据功能要求可以选择一款合适的单片机来实现传输控制。目前市场上常用的单片机有:MCS-51系列、AVR单片机、PIC单片机。
1)51系列单片机
MCS-51单片机是美国Intel公司于1980年推出的产品，典型产品有 8031(内部没有程序存储器，实际使用方面已经被市场淘汰)、8051(芯片采用HMOS，功耗是630mW，是89C51的5倍，实际使用方面已经被市场淘汰)和8751等通用产品，一直到现在。MCS-51内核系列兼容的单片机仍是应用的主流产品(比如目前流行的89S51、已经停产的89C51等)。MCS-51单片机影响极深远，许多公司都推出了兼容系列单片机，就是说MCS-51内核实际上已经成为一个8位单片机的标准。
2)AVR单片机
AVR单片机是1997年由ATMEL公司研发出的增强型内置Flash的RISC(Reduced Instruction Set CPU) 精简指令集高速8位单片机。AVR的单片机可以广泛应用于计算机外部设备、工业实时控制、仪器仪表、通讯设备、家用电器等各个领域。AVR单片机硬件结构采取8位机与16位机的折中策略，即采用局部寄存器存堆(32个寄存器文件)和单体高速输入/输出的方案(即输入捕获寄存器、输出比较匹配寄存器及相应控制逻辑)，提高了指令执行速度(1Mips/MHz)，克服了瓶颈现象，增强了功能;同时又减少了对外设管理的开销，相对简化了硬件结构，降低了成本。故AVR单片机在软/硬件开销、速度、性能和成本诸多方面取得了优化平衡，是高性价比的单片机。
3)PIC单片机
PIC单片机是MicroChip公司生产的一种RISC单片机。主要有是PIC 16C系列和17C系列8位单片机，CPU采用RISC(精简指令集)结构，分别仅有33，35，58条指令，采用Harvard双总线结构，运行速度快，低工作电压，低功耗，较大的输入输出直接驱动能力，价格低，一次性编程，小体积。 适用于用量大，档次低，价格敏感的产品。在办公自动化设备，消费电子产品，电讯通信，智能仪器仪表，汽车电子，金融电子，工业控
27
制不同领域都有广泛的应用，PIC系列单片机在世界单片机市场份额排名中逐年提高发展非常迅速。
通过对上述单片机的比较发现:51系列单片机应用广泛、技术成熟、资料详细，但明显的不足是片上资源较少，且运行速度不快，从基站的功能考虑还要加入较多外部设备，因此增加设计复杂度，不予考虑;PIC单片机型号众多，产品有不同的层次可以使用不同要求的场合，而且抗干扰能力较好，但无论是芯片还是开发工具都较贵，因此也不予考虑;AVR单片机的功能比较适中，性价比高，而且开发方便，综合成本低，因此选择AVR单片机做基站的传输控制MCU。
AVR单片机有多种型号，功能有所差异，这里选择Atmega162，该型号单片机有双串口和SPI接口，方便MCU的通信和控制。下面介绍一下AVR单片机Atmega162。
Atmega162是一款基于AVR增强型RISC结构的采用CMOS工艺的高性能低功耗8位微控制器(MCU)。芯片内集成有16K 字节 Flash，512 字节EEPROM，1K 字节 RAM ，外部存储器扩展最大可达64K 字节。具有ISP(In System Programmable)功能，在16MHz晶振下全速工作时指令指令速度可以达到16MIPS，同时芯片具有丰富的外设资源。
Atmega162有PDIP和TQTP两种封装形式，图4-4是其PDIP封装的引脚分配图。
140PB0(OC0/T0)VCC239PB1(OC2/T1)PA0(AD0/PCINT0)338PB2(RXD1/AIN0)PA1(AD1/PCINT1)437PB3(TXD1/AIN1)PA2(AD2/PCINT2)536PB4(SS/OC3B)PA3(AD3/PCINT3)635PB5(MOSI)PA4(AD4/PCINT4)734PB6(MISO)PA5(AD5/PCINT5)833PB7(SCK)PA6(AD6/PCINT6)932RESETPA7(AD7/PCINT7)1031PD0(RXD0)PE0(ICP1/INT2)11ATmega16230PD1(TXD0)PE1(ALE)1229PD2(INT0/XCK1)PE2(OC1B)1328PD3(INT1/ICP3)PC7(A15/TDI/PCINT15)1427PD4(TOSC1/XCK0/OC3A)PC6(A14/TDO/PCINT14)1526PD5(OC1A/TOSC2)PC5(A13/TMS/PCINT13)1625PD6(WR)PC4(A12/TCK/PCINT12)1724PD7(RD)PC3(A11/PCINT11)1823XTAL2PC2(A1/PCINT10)1922XTAL1PC1(A9/PCINT9)2021GNDPC0(A8/PCINT8)
ATMEGA162PI
ATmega162
图4-4 Atmega62 PDIP封装引脚分配
Fig.4-4 Pins assignment of PDIP seal Atmega162
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表4-5是Atmega162的特性参数。
表4-5 Atmega162特性
Tab.4-5 Features of Atmega162
高性能低功耗的8位AVR微控制器(MCU)
131条功能强大的指令，大部分指令的执行时间为单个时钟周期。32先进RISC结构 个8位通用寄存器，全静态工作，工作于16MHz时性能高达16MIPS，
片上两个时钟周期的硬件乘法器
16K 字节系统内可编程Flash，擦/写寿命:10,000次，具有独立锁定
位的可选Boot代码区，通过片上Boot程序实现系统内编程，真正的非易失性程序和数
同时读写操作。512字节的EEPROM，擦/写寿命:100,000次。1K据存储器
字节的片内SRAM。可扩展至64K字节的外部存储空间。可以对锁
定位进行编程以实现用户程序加密。 JTAG接口(与IEEE 符合JTAG标准的边界扫描功能，支持扩展的片内调试功能，通过1149.1兼容) JTAT接口可以实现对Flash、EEPROM、熔丝位和锁定位的编程
两个具有独立预分频器和比较器功能的8位定时器/计数器，两个具
有独立预分频器、比较功能和捕获功能的16位定时器/计数器，具有外设特点 独立振荡器的实时计数器RTC，6通道PWM，两个可编程串行
USART(通用同步/异步收发器)，可工作主机/从机模式的SPI串行
接口，具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器，片内模拟比较器
上电复位和可编程的掉电检测，片内经过标定的RC振荡器，片内/特殊的微控制器特
片外中断源，5种睡眠模式:空闲模式、省电模式、掉电模式、Standby
点
模式以及扩展Standby模式
35个可编程I/O口，40引脚PDIP封装，4引脚TQFP封装，44引脚I/O和封装
MLF封装。
工作电压 Atmega162V:1.8~5.5V;Atmega162:2.7~5.5V
Atmega162V:0~8MHz
速度等级
Atmega162:0~16MHz
表4-6是针对图4-3的ATmega162芯片引脚功能列表。
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表4-6 Atmega162引脚功能列表
Tab.4-6 The functional group of Atmega162 pins
VCC 数字电路电源
GND 地
双向8位I/O口，具有内部上拉电阻。输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以端口A(P输出和吸收大电流，作为输入时，若内部上拉电阻使能，端口外部电路拉低时A0~PA7) 将输出电流。复位过程中，即使系统时钟未起振，端口A处于高阻状态。端口
A也可以用作其他不同的特殊功能。
双向8位I/O口，具有内部上拉电阻。输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以端口B(P输出和吸收大电流，作为输入时，若内部上拉电阻使能，端口外部电路拉低时B0~PB7) 将输出电流。复位过程中，即使系统时钟未起振，端口B处于高阻状态。端口
B也可以用作其他不同的特殊功能。
双向8位I/O口，具有内部上拉电阻。输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以
输出和吸收大电流，作为输入时，若内部上拉电阻使能，端口外部电路拉低时端口C(P
将输出电流。复位过程中，即使系统时钟未起振，端口C处于高阻状态。如果C0~PC7)
JTAG接口使能，即使出现复位，引脚PC7(TDI)、PC5(TMS)、PC4(TCK)
的上拉电阻也会被激活。端口C也可以用做JTAG接口和其他不同的特殊功能。
双向8位I/O口，具有内部上拉电阻。输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以端口D(P输出和吸收大电流，作为输入时，若内部上拉电阻使能，端口外部电路拉低时D0~PD7) 将输出电流。复位过程中，即使系统时钟未起振，端口D处于高阻状态。端口
D也可以用做其他特殊功能。
双向3位I/O口，具有内部上拉电阻。输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以端口E(P输出和吸收大电流，作为输入时，若内部上拉电阻使能，端口外部电路拉低时E0~PE2) 将输出电流。复位过程中，即使系统时钟未起振，端口E处于高阻状态。端口
E也可以用做其他特殊功能。
复位输入引脚。持续时间超过最小门限时间的低电平将引起系统复位。 RESET
XTAL1 反向振荡放大器与片内时钟操作电路输入端 XTAL2 反向振荡放大器输出端
图4-5为Atmega162的结构框图。
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pa0~pa7 pe0~pe2 pc0~pc7 porta drivers/buffers porte drivers/buffers portc drivers/buffers porta digial interface porte digial interface portc digial interface program stack internal
counter pointer oscillator
xtal1
watchdog oscillator program timer SRAM flash
resetmcu ctrl general xtal2 &timing instruction purpose register register
interrupt internal X calibrated unit
oscillator instruction Y
docoder Z timers/couoscillator nters
control EEPROM ALU line
status
register USART0
programm
ing logic SPI
USART1
comr + interface -
portb digial interface portd digial interface
portb drivers/buffers portd drivers/buffers pb0~pb7 pd0~pb7
图4-5 Atmega162的结构框图
Fig.4-5 Atmega162 block diagram
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Atmega162很方便搭建控制系统，而且AVR单片机基本都有ISP功能，可以方便开发，省去了昂贵的开发费用。图4-6是Atmega162的典型应用电路图。
+3.3V
J1+5V+3.3VU11MOSILM1117-3.3213+3.3VINOUT34.7kR1GND42C2C35RESEST++10uF100uFC16220uF7SCKGND89GND10
AVR-ISP
+3.3V
U2140PB0(OC0/T0)VCC239PB1(OC2/T1)PA0(AD0/PCINT0)338PB2(RXD1/AIN0)PA1(AD1/PCINT1)437PB3(TXD1/AIN1)PA2(AD2/PCINT2)536PB4(SS/OC3B)PA3(AD3/PCINT3)635PB5(MOSI)PA4(AD4/PCINT4)734PB6(MISO)PA5(AD5/PCINT5)833PB7(SCK)PA6(AD6/PCINT6)932RESETPA7(AD7/PCINT7)1031PD0(RXD0)PE0(ICP1/INT2)11ATmega16230PD1(TXD0)PE1(ALE)1229PD2(INT0/XCK1)PE2(OC1B)1328PD3(INT1/ICP3)PC7(A15/TDI/PCINT15)1427PD4(TOSC1/XCK0/OC3A)PC6(A14/TDO/PCINT14)1526PD5(OC1A/TOSC2)PC5(A13/TMS/PCINT13)1625X1PD6(WR)PC4(A12/TCK/PCINT12)1724PD7(RD)PC3(A11/PCINT11)1823XTAL2PC2(A1/PCINT10)19228MHzXTAL1PC1(A9/PCINT9)C4C52021GNDPC0(A8/PCINT8)20pF20pFATMEGA162PI
ATmega162最小系统
图4-6 Atmega162应用电路图
Fig.4-6 The application circuit of Atmega162
(3)时钟模块
时钟模块主要为基站提供实时时钟，方便记录监测数据，对于数据的存储和管理有重要作用。时钟模块可以采用软件或硬件的形式来实现。采用软件形式即由主控单元利用定时器或精确时钟来进行计时，进而提供日期与时间信息。采用软件计时不需要专门的硬件电路，可以减少硬件开销，降低成本，但同时会占用主控单元较多的资源。采用硬件形式也就是设计专门的计时电路，该电路直接为MCU提供时间信息。本文采用硬件电路来完成时钟模块。DS1302是一种应用较多的实时时钟芯片，本文采用DS1302来设计时钟模块。下面简要说明一下这款芯片。
DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5V,5.5V。采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信
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号或RAM数据。DS1302内部有一个31×8的用于临时性存放数据的RAM寄存器。DS1302是DS1202的升级产品，与DS1202兼容，但增加了主电源/后背电源双电源引脚，同时提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力。
18VCC2VCC127X1SCLK36X2I/O45GNDRST
DS1302
图4-7 DS1302引脚分配图
Fig4-7 Assignment of DS1302 Pins
图4-7是DS1302的引脚分配图，由于采用串行通信方式，DS1302的引脚较少，外围电路也相当简单。DS1302的引脚功能如下:
表4-7 DS1302引脚说明
Tab4-7 Pin description of DS1302
X1、X2 32.768kHz晶振引脚
GND 地
复位引脚 RST
I/O 数据输入/输出引脚
SCLK 串行时钟引脚
V、V 电源引脚 CC1CC2
表中V为后备电源，V为主电源。在主电源关闭的情况下，也能保持时钟的连续CC1CC2
运行(有后备电源)。DS1302由V或V两者中的较大者供电。当V大于V，0.2VCC1CC2CC2CC1时，V给DS1302供电。当V小于V时，DS1302由V供电。X1和X2是振荡CC2CC2CC1CC1
源，外接32.768kHz晶振。RST是复位/片选线，通过把RST输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。RST输入有两种功能:首先，RST接通控制逻辑，允许地址/命令序列送入移位寄存器;其次，RST提供终止单字节或多字节数据的传送手段。当RST为高电平时，所有的数据传送被初始化，允许对DS1302进行操作。如果在传送过程中RST置为低电平，则会终止此次数据传送，I/O引脚变为高阻态。上电运行时，在Vcc?2.5V之前，RST必须保持低电平。只有在SCLK为低电平时，才能将RST置为高电平。I/O为串行数据输入输出端(双向)，与MCU串行通信。
DS1302只需外接32.768kHz的晶振，加上电源电路就可工作。图4-7是基于DS1302的时钟模块设计电路。图中VCC可以选择和主控单元电平一致的3.3V，后备电源采用3V
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电池供电。SCLK、I/O、分别与单片机相连。 RST
R1VCC
VCC3V
U118VCC2VCC1X127X1SCLK36X2I/O45GNDRST32.768kHzDS1302
图4-8 时钟模块电路
Fig4-8 Circuit of clock model (4)电源模块
电源模块为基站提供所需的不同等级的电压，保证可靠的供电。电源模块从井下的电
电源箱(矿用防爆型)将井下变电所送出的电源箱输出的本安电源取电，确保安全。井下
压(供电电压可以选择为:660V/380V/127V)进行变换和整定，输出为较低电压的本安电源(12V/18V)，由此可简化基站电源模块的设计。
~660V12V
/~380V/18V基站井下变电所电源箱电源模块
图4-9 基站供电示意图
Fig4-9 Schematic diagram of power supply to BS
基站的供电要求是:主控单元(Atmega162)DC+3.3V，无线收发模块DC+3.3V，时钟模块DC+3.3V，通信模块需要DC+5V电压(后续设计中会进行说明)。因此要求电源模块要将电源箱输出的电压调整至+5V和+3.3V。可以采用集成稳压器来进行电压调整，先将电压调整至+5V，然后再稳压到+3.3V。
+5V稳压器选用常用的L7805，L7805最高输入电压+35V，输出+5V。+3.3V稳压器选用LDO芯片LM1117-3.3，该芯片输入电压+4.7V~+10V，输出+3.3V。图4-10为电源模块的电路图，输入电压经过L7805稳压到+5V，可以为通信模块提供电源;+5V电压经过LM1117-3.3稳压到+3.3V，为主控单元、无线收发模块和时钟模块供电。
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U2U3+5V+3.3V+12/18VL7805LM1117-3.31313INOUTINOUTGNDGND22
C4C5C6++330uFC1C2C310uF220uF0.33uF0.1uF100uF
图4-10 电源模块电路
Fig4-10 Circuit of power supply model (5)基站硬件电路图
设计完基站的各个模块后很容易得到基站的电路图，图4-10是基站的硬件电路图(不包括通信模块)。ATmega162是主控单元，nRF9E5是无线收发模块的射频收发芯片，DS1302是时钟电路模块的实时时钟芯片，电源模块则由L7805和LM1117-3.3稳压芯片组成。ATmega162与无线收发模块的通信是通过串行接口来完成的，nRF9E5的突发传输模式可以实现低速MCU控制高速无线收发数据。Atmega162的SPI接口可以对片外的Flash存储
器进行读写，也可以用来对nRF9E5进行配置。
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VDD
DVDD_1V2C26C19C30VCCP0010nF33pF4.7nF3231AREF30AIN0J?29AIN1MOSI1C3928AIN2VCC2U?27C34AIN334.7kR1263.9pF4VDD25RESESTC205C43624150ohm RF I/OP01VSSSCK223712nHP02IREF33pFGND8322P03VSSC4212nHMISO4921VDDVDDANT2C38GND105nRF9E520VSSANT1619P04VDD_PAAVR-ISP718P05VSSC21817VDDVDDP06C44R322k12nHP07C18MOSI33pF933pFC3510MISONRF9E53.9pF11EECSNSCK1213XC114XC215VSS16
X1VCCC323.3nF16MHzR1U?1401MPB0(OC0/T0)VCC239PB1(OC2/T1)PA0(AD0/PCINT0)C48C49338PB2(RXD1/AIN0)PA1(AD1/PCINT1)22pF22pF437PB3(TXD1/AIN1)PA2(AD2/PCINT2)536PB4(SS/OC3B)PA3(AD3/PCINT3)635PB5(MOSI)PA4(AD4/PCINT4)734PB6(MISO)PA5(AD5/PCINT5)833PB7(SCK)PA6(AD6/PCINT6)U2U3932RESETPA7(AD7/PCINT7)+12/18VL7805LM1117-3.31031+5V+3.3VPD0(RXD0)PE0(ICP1/INT2)1311ATmega1623013INOUTPD1(TXD0)PE1(ALE)INOUT1229PD2(INT0/XCK1)PE2(OC1B)GNDGND1328PD3(INT1/ICP3)PC7(A15/TDI/PCINT15)22VDD1427PD4(TOSC1/XCK0/OC3A)PC6(A14/TDO/PCINT14)C4C5C61526U?++PD5(OC1A/TOSC2)PC5(A13/TMS/PCINT13)330uFC1C2C310uFX1162518PD6(WR)PC4(A12/TCK/PCINT12)CSVCC220uF0.33uF0.1uF100uF172427PD7(RD)PC3(A11/PCINT11)SOHOLDC28182336XTAL2PC2(A1/PCINT10)WPSCK8MHz192245XTAL1PC1(A9/PCINT9)VSSSIC4C510nF2021GNDPC0(A8/PCINT8)R620pF20pF25XX32010kR9ATMEGA162PIR1100kVCCVCC3V
U1VDD18VCC2VCC1X127X1SCLK36X2I/O基站(无线收发)45GNDRST32.768kHzDS1302
图4-11 基站(无线收发)电路
Fig.4-11 BS circuit(wireless receive and transmit)
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4.4.2 射频卡硬件电路设计
射频卡由于要让工人随身携带，要求体积小巧。同时由于需要采用电池供电要求其功耗低，工作时间长。
天线
无线收发模块
电源模块主控单元
蓄电池
图4-12 射频标签原理框图
Fig4-12 Block diagram of RF tag
前面所述的射频芯片nRF9E5由于内部集成有MCU因此可以省去附加的MCU使得电路设计简化，同时功耗也很低，因此采用nRF9E5设计射频卡。射频卡的工作较为简单，与基站的无线收发模块部分基本相同，只不过电源模块只需+3.3V电压，因此可以参考基站部分的设计。图4-13是射频卡的硬件电路图。
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VDDU3+3.3V+5VLM1117-3.3DVDD_1V213INOUTC8C5C10GNDP0010nF33pF4.7nF32231AREF30C5C6AIN0++2910uFAIN1C1428100uFAIN2U?27C11AIN3263.9pFVDD25C6C1624150ohm RF I/OVSSP0123212nHIREFP0233pF223VSSP03C1512nH214VDDANT2VDDC13nRF9E5205ANT1VSS196VDD_PAP04187VSSP05C7178VDDVDDP06C17R122k12nHP07C433pFMOSI933pFC1210MISONRF9E53.9pF11EECSNSCK1213XC114XC215VSS16
X1C203.3nF16MHzR4VDDU?1M18CSVCCC18C1927SOHOLD22pF22pFC936WPSCK45VSSSI10nFR225XX32010kR3100k
射频标签
VDD
图4-13 射频卡硬件电路图
Fig.4-13 Hardware circuit of RF card 4.5 无线通信子系统的软件设计
无线通信部分有两个部分:基站和射频卡。基站的无限收发部分与射频卡的软件设计要配合完成数据的传输。
4.5.1基站软件设计
由于nRF9E5内部集成有MCU，基站的软件设计包括主控单元和无线收发模块。无线收发模块的软件部分要包含通信的协议以及RFID的数据防碰撞算法等。主控单元的软件部分则要完成:无线收发管理、时钟电路管理、通信模块管理等。
(1)无线收发模块的软件设计
无线收发芯片内部嵌入了MCU，可以通过对MCU编程来控制无线数据的传输。这里主要考虑的是通信协议和数据的防碰撞问题。
a 通信协议设计
通信协议是为了保证数据的无差错传输，以及协调通信的各方而设计的一组通信规则。为了保证通信线路可用，在正式发送数据前通常会测试线路的状况，即先发送“握手”信号，当握手成功时即认为线路正常，可以进行通信，这时再发送数据。数据发送完后接
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收数据的一方要发确认信号，发信方接到回复后认为通信成功，否则需要再次传送数据。如下图为通信的双方传送数据过程的示意图。实际上图示仅是两个通信个体之间的数据传送，实际传送数据时，因为线路往往被复用，当公用同一线路的两个以上的发信方同时发送数据时，数据信号会在通信线路上叠加，从而造成线路上数据传输错误，这时接收方无法接收正确的数据，从而通信失败。因为在某一时刻通信只能在两个实体之间进行(广播形式除外)，要解决这个问题就要求发信方不能同时发送数据，即同一时间，共用一条线路的发信发只能有一个发送数据，其他为接收或是监听状态。任何一个数据终端在发送数据前要先检测线路上有没有数据在传送，若有则等待时间T后继续检测，直到线路空闲，才开始发送数据。图4-8是数据通信的示意图。
接收数据 发送数据
握手测试数据包
ACK(确认数据包)
BS Tag 握手成功，发送数据
接收数据确认
握手不成功，等待时间
T，再次发握手数据包
发送数据后，未收到确认
数据，定时到则自动重发
图4-14 通信示意图
Fig.4-14 Schematic diagram of communication
b 数据防碰撞算法设计
在RFID通信中一个不可回避的问题就是数据的碰撞问题。所谓数据碰撞也就是在一个阅读基站和多个射频标签、多个阅读基站和一个射频标签或者是多个阅读基站和多个射频标签之间进行通信时引发的问题。因为实际应用中往往会出现多个射频标签出现一个阅读基站的覆盖范围内，这时如何完成多个射频标签与阅读基站之间的通信就是个问题。为了解决多个射频标签同时发送数据时的数据碰撞问题就需要研究数据的防碰撞问题。图4-9
39
是发生数据碰撞的示意图。
在无线电技术中，实现防碰撞基本上有4 种不同的方法:时分多路法、频分多路法、空分多路法以及码分多路法。时分多路(TDMA)法是把整个可供使用的通路容量按时间分配给多个用户的技术。TDMA在数字移动无线电系统中得到广泛应用。考虑到RFID系统通信形式、功耗、系统的复杂性及成本等因素，选择TDMA来实现射频识别系统的防碰撞机制是最普遍的方法。TDMA法通常被分为两大类:读写器控制防碰撞法和射频卡控制防碰撞法。读写器控制防碰撞法是以读写器为主动控制器，进入读写器范围的所有射频卡同时由读写器进行控制和检查。
BS
Tag
Tag
Tag Tag
图4-15 数据碰撞示意图
Fig.4-15 Schematic diagram of data collision
阅读器依据射频卡的ID号( Identification number)首先向射频卡发射不同的询问信号或指令，阅读器依据选举方法或二进制树寻找方法，在同一时间内总是建立起一个通信关系，并且可以快速地按时间顺序操作射频卡。射频卡控制法以射频卡为主控制器，读写器对数据传输没有控制。读写器发出指令后，由射频卡依据自己的ID号(每个射频卡的ID 号是唯一的) 随机产生应答时间。这时阅读器发送信息如果有冲突，则射频卡要等到下一个时隙到来时再重新产生响应时间(即自动排队) ，使射频卡在不同的时间段发回数据，读写器只是被动的接收数据。若有两张以上的射频卡同时反应，则读写器认为该数据无效，会重发指令，直到识别出场中的所有射频卡。IS015693标准就采用了这种时隙方法。
40
二进制搜索算法的方法类似于在天平中采用的逐次比较方法。通过多次比较，不断筛选出不同的序列号，时分复用地进行读写器和射频卡之间的信号交换，以一个独特的序列号来识别射频卡为基础。为了从一组射频卡中选择其中之一，读写器发出一个请求命令有意识地将射频卡序列号传输时的数据碰撞引导到读写器上，即通过读写器判断是否有碰撞发生。如果有碰撞，则缩小范围进行进一步的搜索。二进制搜索算法由一个读写器和多个射频卡之间规定的一组命令和应答规则构成，目的在于从多卡中选出任一个实现数据通信。
该算法有3个关键要素:
?选用适当的基带编码(易于识别碰撞) 。
? 利用射频卡卡序列号唯一的特性。
?设计一组有效的指令规则，高效、迅速地实现选卡。
在二进制搜索算法的实现中，起决定作用的是读写器所使用的信号编码必须能够确定碰撞的准确比特位置。曼彻斯特码(Mancher ster)可在多卡同时响应时，译出错误码字，可以按位识别出碰撞。这样可以根据碰撞的位置，按一定法则重新搜索射频卡。
防碰撞的典型指令规则:
?REQUEST 请求(序列号) 。此命令发送一序列号作为参数给射频卡。应答规则是，射频卡把自己的序列号与接收到的序列号比较，如果自身序列号小于或等于REQUEST 指令序列号参数，则此射频卡回送其序列号给读写器。这样可以缩小预选的射频卡的范围;如果大于，则不响应。
?SELECT 选择( 序列号) 。用某个( 事先确定的) 序列号作为参数发送给射频卡。具有相同序列号的射频卡将以此作为执行其他命令(例如读出和写入数据) 的切入开关，即选择这个射频卡。具有其他序列号的射频卡只对REQUEST 命令应答。
?READDATA 读出数据。选中的射频卡将存储的数据发送给读写器。
?UNSEL ECT 去选择。取消一个事先选中的射频卡，射频卡进入“无声”状态，在这种状态下射频卡完全是非激活的，对收到的REQUEST 命令不作应答。为了重新活化射频卡，必须先将射频卡移出读写器的作用范围再进入，以实行复位。
该算法的工作流程如下:
在二进制搜索算法中，要能够检测出多张卡的存在，卡片的返回数据必须具有唯一性，且卡片在传输其UID(Ubiquitous IDentifications，身份识别标签) 时必须准确、同步。这样终端才能在位级上检测出多张卡片的存在，这是防碰撞检测的关键。射频卡工作的特点是，
41
当读到读写器发出的序列号大于自身序列号时，则对系统作出响应。根据这一特点，二进制搜索算法的工作流程是:
?射频卡进入读写器的工作范围，读写器发出一个最大序列号让所有射频卡响应;同一时刻开始传输它们的序列号到读写器的接收模块。
?读写器对比射频卡响应的序列号的相同位数上的数，如果出现不一致的现象(即有的序列号该位为0，而有的序列号该位为1)，则可判断出有碰撞。
?确定有碰撞后，把有不一致位的数从最高位到次低次依次置0 再输出系列号，即依次排除序列号大的数，至读写器对比射频卡响应的序列号的相同位数上的数完全一致时，说明无碰撞。这时就选出序列号最小的数。
?选出序列号最小的数后，对该卡进行数据交换，然后使该卡进入“无声”状态，则在读出器范围也不再响应(移动该范围后移入可再次响应) 。
?重复流程?，选出序列号倒数第二的射频卡进行数据交换。
?多次循环后可完成所有射频卡的读取。
由二进制搜索算法的工作流程可知，防碰撞处理是在确认有碰撞的情况下，根据高低位不断降值的序列号一次次进行筛选出某一射频卡，从而可知射频卡的数量越多，防碰撞执行时间就将越长。搜索的次数N可用下式来计算:
N,Integ(logMlog2)，1
式中:M是终端作用范围内射频卡片数目; Integ 表示数值取整。UID的位数越多(如ICODE达64位)，每次传送的时间加长，数据传送的时间就会增大。如每次都传输完整的UID，每次时间为T，则用于传输UID的通信时间为:
t,T，N
即终端作用范围内射频卡片数越多，UID 位数越多，传送时间越长，总的防碰撞执行时间肯定也就越长。
由于二进制树搜索算法的执行时间会随着射频卡的增多而增加，因此当大量的射频卡同时出于某个基站的覆盖范围内时，就会因为执行算法的时间太长而造成某些射频卡无法通信，从而给系统带来问题。为了解决这个问题，又研究了改进的防碰撞算法:动态二进制树搜索算法。
动态二进制搜索算法考虑的是在UID位数不变的情况下，尽量减少传输的数据量，使传送时间缩短，提高RFID系统的效率。其改进思路是把数据分成两部分，收发双方各自传送其中一部分数据，可把传输的数据量减小到一半，达到缩短传送时间的目的。通常序
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列号的规模在8 字节以上。为选择一个单独的射频卡，每次都不得不传输大量的数据，效率非常低。根据二进制搜索算法的思路进行改良，可以减少每次传送的位数，也可缩短传送的时间，从而缩短防碰撞执行时间。
下面分析动态二进制搜索算法的工作过程。在例子中，射频卡有3 张，序列号分别是:Tag1 ，11010111 ;Tag2 ，11010101 ;Tag3 ，11111101 。
动态二进制搜索算法的工作步骤如下:
?读写器第一次发出一个完整的UID 位数码N ，每个位上的码全为1 ，让所有射频卡都发回响应。
?读写器判断有碰撞的最高位数X ，把该位置0 。然后传输N, X 位的数据后即中断传输。射频卡接到这些数据后马上响应，回传的信号位是X - 1,1 。即读写器和射频卡以最高碰撞位为界分别传送前后信号。传递的总数据量可减小一半。
?读写器检测第二次返回的最高碰撞位数X’是否小于前一次检测回传的次高碰撞位数。若不是，则直接把该位置“0”;若是，则要把前一次检测的次高位也填“0”。然后向射频卡发出信号。发出信号的位数为N, X’，射频卡接收到信号这一级信号出现小于或回传的信号只是序列号中最高碰撞位后的数，即X-1,1 等于相应数据时后马上响应，
位。若射频卡返回信号表示无碰撞，则对该序列号的射频卡进行读/写处理，然后使其进入“不响应状态”。
?重复步骤?，多次重复后可完成射频卡的交换数据工作。
经过上述改进，可以缩短对射频卡的识别时间。但无可否认的是这种算法仍存在缺陷，那就是读取完一个射频卡的信息后，该射频卡必须重新进入基站的覆盖范围才能再次与基站通信。对于本设计中的定时刷新人员的位置来说这是不能接受的算法，因为这个算法无法满足定时刷新这个要求。因此考虑改进算法。试想一下:基站的存储器中保存有一批序列号，序列号的数目与基站的最大识别数目相等。当基站和射频卡建立起通信关系后，基站为射频卡分配一个序列号，同时在基站的存储器中
标识
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该序列号已被占用。依次类推，基站每和一个射频卡建立通信关系就为其分配一个序列号，当通信完毕后，射频卡依然处于激活状态。如果基站想再次与该射频卡通信，只需先发送该射频卡的序列号，然后由射频卡响应即可。另外基站发出序列号通信请求时，若经过时间T为得到回复，则经过时间T再次发该序列号，若依然未得到回复则认为该射频卡已经离开该基站的覆盖范围，基站就取消该序列号的标识以分配其他进入范围的射频卡。
无线收发软件流程图如图4-16。
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开始
初始化
发广播信号
否有回复,
是
调用防碰撞算法
读取射频卡信息
是
还有射频卡,
否
向主控单元传送数据
否传送结束,
是
图4-16 无线收发软件流程图
Fig.4-16 Flow diagram of wireless receive and transmit software
(2)主控单元软件设计
主控单元主要是将无线模块的数据通过通信模块传送至地面监控中心，为了方便采集数据的记录在传输时加上采集数据的时间信息。主控单元在接收到上位机的数据传输指令时将缓存的数据进行上传，上传完毕后则重新从无线收发模块中读取数据，更新缓存内的数据，等待下次传输。该部分的软件流程图为:
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开始
系统初始化
查询串口
否有查询命令吗
是否比对查询代码
无线模块数据准备好了吗否代码匹配吗是
是
读取无线模块数据从缓存中读取数据
加入时间信息通过串口发送数据
存入缓存
否发送完了吗
是
图4-17 主控单元的软件流程图
Fig.4-17 Flow diagram of main control unit
4.5.2 射频卡软件设计
射频卡的软件部分控制硬件电路完成与基站无线收发部分进行通信，由于与基站采用
同样的射频芯片，软件设计可以参考基站部分的设计。流程图如下:
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开始
初始化
监测载波
否进入基站范围,
是
调用防碰撞算法
发送ID信息
否有控制指令,
是
转为静默
否有激活信号
是
图4-18 射频卡软件流程图
Fig.4-18 Flow diagram of software in RF card
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5 井下与地面通信子系统设计
井下与地面通信子系统负责把井下的无线采集数据传送到地面的计算机，以进行分析与处理。由于井下无线通信环境复杂，因此该通信部分选择有线通信。通过用线缆把井下基站与地面的计算机连接起来进行通信。下面先论述一下有线通信的方案。 5.1 通信方案及比较
目前在测控网络中，设备控制层常用的通信技术有RS-485、现场总线和工业以太网等。随着工业以太网技术的不断发展，测控网络的设备控制层将有可能采用工业以太网技术来实现。下面分别对这些技术进行论述。
5.1.1 RS-485
RS-485利用差分方式来传输数据，有效的抑制了共模干扰，提高了可靠性与通信距离。RS-485的电气特性与RS-422相同。RS-422的通信速率可达10Mbps(距离上限为10m)，通信距离可达1.2km(速率上限为100kbps)。RS-485的拓扑结构为总线型，但是仅实现了物理层协议，对于链路层没有定义，缺乏总线仲裁、出错校验、可靠性措施等诸多网络功能。
采用RS-485连成的设备网络中，只能有一个主节点，其余均为从节点。这种主从结构的网络无法构成多主结构或冗余结构的系统，一旦主节点出现故障，整个系统将处于瘫痪状态，因而对主节点的可靠性要求很高。
另外，网络中数据通信方式为命令响应型，任何一次数据传输都是主节点首先发出命令，从节点接到命令后，以相应的方式传给主节点。这使得网络上的数据传输率降低很多，并且使主节点控制器非常繁忙。
5.1.2 现场总线
现场总线是应用于过程控制现场的一种数字网络，它不仅包含有过程控制信息交换，而且还包含设备管理信息的交流。通过现场总线，各种智能设备(智能变送器、调节器、
47
分析仪和分布式I/O单元)可以方便地进行数据交换，过程控制策略可以完全在现场设备层次上实现。
目前，使用较多的现场总线主要是CAN现场总线、基金会现场总线(FF，Foundation FieldBus)和Profibus现场总线。
(1)基金会现场总线(FF)
基金会现场总线能适应本质安全防爆的要求，可以通过传输数据的总线为现场设备提供工作电源。FF定义了OSI模型中的物理层、数据链路层、应用层、户层。FF的优点是配置灵活、协议的功能齐全;其缺点是实现复杂，兼容设备限，另外其标准化的进程以及被工业应用接受的进程比较缓慢。
(2)Profibus
Profibus采用了OSI模型的物理层、数据链路层。根据应用的特点，Profibus有三个兼容版本:Profibus-DP、Profibus-FMS、Profibus-PA。Profibus的优点是能够高速处理大量的数据，对于每个节点来说，每个报文最多可包含244字节的数据。其缺点是传送的数据少时，额外开销大，因为每个报文均有12个字节的额外开销;另外，Profibus在总线上没有电源。
(3)CAN
20世纪80年代初，德国Bosch公司为了解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换问题，开发了一种串行数据通信协议-CAN。CAN是一种可以有效支持分布式控制系统或实时控制系统的串行通信网络。由于其性能较好，己经从汽车行业推广到其它工业控制领域成为一种事实上的工业标准。CAN定义了OSI模型中的物理层和数据链路层，对应用层没有进行定义。CAN的最大特点是其可靠性高、实时性强、连接方便。CAN的相关产品价格比较低廉并且CAN协议得到了Intel，Motorola，Philips，Simens，NEC等多家国际著名大公司的支持。
使用现场总线带来的好处:
节省硬件成本;设计、组态、安装以及调试简单;系统维护、设备更换和系统扩充方便;系统的安全、可靠性好、减少故障停机时间;用户对系统配制、设备选型有最大的自主权;完善了企业信息系统，为实现企业综合自动化提供了基础。
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5.1.3 工业以太网
下面从通信带宽等五个方面对工业以太网与现场总线进行对比。
(1)通信带宽
以太网的通信速率较高，其标准带宽为10Mbps，现在又出现了快速以太网(100Mbps)以及千兆以太网。而一般的现场总线的带宽都没有超过12Mbps，表5-1为几种常见现场总线的最大带宽。
表5-1 几种现场总线的最大带宽
Tab.5-1 Maximum bandwidth of several filed bus
现场总线 Profibus FF Lonworks HART CAN
最大带宽 12M 2.5M 1.5M 1.2M 1M
从带宽角度讲，以太网较现场总线有一定的优势。但是，在一般的工业控制现场，对通信速率的要求并不是很高，CAN现场总线的通信速率可以满足要求。 (2)传输短报文时带宽利用率
在实际的工业现场，一般站点之间的通信以交换短报文(由几个字节组成)为主。以太网的MAC(Medium Access Control，媒体访问控制)子层中，采用CSMA/CD(Carrier Sense
Multiple Access with Collision Detection，带冲突检测的载波侦听多路访问)协议。当一个站点发送短帧时，有可能第一个尚未到达电缆的远端就己经完成发送，于是造成冲突发生却检测不到的现象，导致通信无法正常进行。为了避免产生这种现象，必须对最短帧长度进行限制。因此，采用以太网来传输短报文，造成了很大的带宽浪费。使其用于传输用信息的速率大打折扣。
(3)实时性
在工业现场，数据必须在确定的时间内到达目的站点。对于信道的访问，太网采用CSM/CD协议，这种协议不能确保报文何时到达目的站点。在一些时间敏感的应用场合，报文的延迟将会造成严重后果。而现场总线技术的传输确定性的，可以预知报文何时到达目的站点
(4)对工业现场的适应性
以太网在总线上没有电源，连接器脆弱。与大多数现场总线相比，以太网更容易受电磁干扰以及射频干扰。
(5)现场设备的支持
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目前，支持以太网的现场设备有限，少量支持以太网的设备价格昂贵，导致整个工程的成本过高。而对于现场总线技术而言，支持的厂家较多，现场设备选择的余地较大，另外，价格比较低廉。从上述比较可以看出，现场总线技术有诸多优点，CAN现场总线技术更是在成本、可靠性、通信速率方面满足系统要求。因此，在本文所论述的煤矿井井下人员定位系统中，采用CAN现场总线作为现场设备控制层的通信总线。 5.2 CAN总线
5.2.1 CAN总线简介
CAN(Controller Area Network)即控制器局域网，是国际上应用最广泛的现场总线之一。它最初出现在80年代末的汽车工业里。起先，CAN总线被设计作为汽车环境中的微控制器通讯，在车载各电子控制装置ECU之间交换信息，形成汽车电子控制网络。
CAN总线的信号传输采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8个，因而传输时间短、受干扰的概率低。当节点严重错误时，具有自动关闭的功能以切断该节点与总线的联系，使总线上的其它节点及通信不受影响，具有较强的抗干扰能力和检错能力。
CAN总线支持多主方式工作，网络上任何节点均可在任意时刻主动向其它节点发送信息，支持点对点、一点对多点和全局广播方式接收发送数据。它采用总线仲裁技术，当出现几个节点同时在网络上传输信息时，优先级高的节点可继续传输数据，而优先级低的节点则主动停止发送，从而避免了总线冲突。
CAN通讯协议描述了在设备之间信息如何传递。它对层的定义与开放系统互连模型OSI一致。每一层与另一设备上相同的那一层通讯。实际的通讯是发生在每一设备上相邻的两层，而设备只通过模型物理层的物理介质互连。CAN的结构定义了模型的最下面的两层:数据链路层和物理层。应用层通过不同的新兴协议层(专门用于特殊的工业领域加上由个别CAN用户定义的任何合适的方案)和物理层连接。
5.2.2 CAN的性能特点
CAN是由ISO定义的一种多主方式的串行通讯总线，它的基本设计规范要求有高的位速率，高抗电磁干扰性，而且能够检测出产生的任何错误。一个由CAN总线构成的单一网络中，理论上可以挂接无数个节点。实际应用中，节点数目受网络硬件的电气特性所限
50
制。例如，当使用PhilipsP82C250作为CAN收发器时，同一网络中允许挂接110个节点。CAN可提供高达1Mbps的数据传输速率，这使实时控制变得非常容易。当信号传输距离达到10km时，CAN总线仍可提供高达5kbps的数据传输速率。另外，硬件的错误检定特性也增强了CAN的抗电磁干扰能力。
作为一种技术先进、可靠性高、功能完善的现场总线，CAN已被广泛应用到各个自动化控制系统中。从高速的网络到低价位的多路接线都可以使用CAN总线。和一般通信总线相比，CAN总线都具有不可比拟的优越性。归纳如下:
低成本;极高的总线利用率;很远的数据传输距离(长达10km);高速的数据传输速率(高达1Mbps);可根据报文的ID决定接收或屏蔽该报文;可靠的错误处理和检错机制;发送的信息遭到破坏后，可自动重发;节点在错误严重的情况下具有自动退出总线的功能;报文不包含源地址或目标地址，仅用标志符来指示功能信息、优先级信息。 5.2.3 物理层
CAN能够使用很多物理介质例如双绞线、光纤等，只要物理驱动器是在“开集电极”而且每个节点都能够监听，那么CAN就能够工作。最常用的就是双绞线，一个信号能够使用差分电压传送CAN驱动器，因此能避免噪声和容错。这两条信号线被称为“CAN_H”和“CAN_L”，静态时是2.5V。用CAN_H比CAN_L高表示的逻辑0被称为显形位，而用CAN_L比CAN_H高表示的逻辑“1”叫做“隐性”位。
5.3 CAN总线接口电路设计
要实现井下无线监测网络与地面处理中心的CAN通信，需要设计CAN接口电路。基站与地面端的CAN接口部分相类似，只是主控芯片有所不同。下面先说明CAN总线的接口电路，再分别就基站与地面端进行设计。
图5-1为CAN总线接口的电路框图。
51
CAN总线
CAN总线协CAN总线驱MCU 光耦 议控制器 动器
图5-1 CAN总线接口电路框图
Fig.5-1 Diagram of CAN interface circuit
进过上面的接口电路，MCU的数据数据传输可以通过简单的I/O操作完成，接口电路的芯片中集成了CAN的通信协议以及通信控制规则。在接口芯片中选择SJA1000作为CAN总线协议控制器，PCA82C250作为CAN总线驱动，光耦选择6N137高速光耦。
SJA1000介绍
SJA1000是一种独立的CAN总线协议控制器，主要用于移动目标和一般工业环境中的区域网络控制。它是Philips公司PCA82C200控制器的替代产品，除了PCA82C200的BasicCAN操作模式以外，还增加了一种新的操作模式—PeliCAN，这种模式支持具有很多新特性的CAN2.0B协议。
SJA1000的基本特性如下:
表5-2 SJA1000特性
Tab.5-2 Features of SJA1000
引脚电气参数与PCA82C200兼容
具有PCA82C200模式(即默认的BasicCAN模式)，支持CAN2.0A和CAN2.0B
有扩展的接收缓冲器64字节，先进先出(FIFO)
支持11位和29位标识码，通信速率可达1Mbps
其PeliCAN模式的扩展功能包括:可读写的错误计数器，可编程的错误报警限额寄存器，
最近一次错误代码寄存器，对每一个总线错误的中断，有具体位表示的仲裁丢失中断，单次
发送(无重发)，支持热拔插，可扩展的验收滤波器，可接收自身报文(自请求接收)
图5-2是SJA1000的引脚图:
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128AD6AD5227AD7AD4326ALE/ASAD3425CSAD2524RD/EAD1623WRAD0722CLKOUTVDD1821Vss1Vss2920XTAL1RX11019XTAL2RX01118MODEVDD21217VDD3RST1316TX0INT1415TX1Vss3
SJA1000
图5-2 SJA1000引脚图
Fig.5-2 Pins assignment of SJA1000
表5-3是SJA1000的引脚对应功能列表。
表5-3 SJA1000引脚功能列表
Tab.5-3 Functional group of SJA1000 pins
引脚 符号 功能
2，1，AD7~AD0 多路地址/数据总线
28~23
3 ALE/AS ALE输入信号(Intel模式)，AS输入信号(Motorola模式) 4 片选输入，低电平允许访问SJA1000 CS
5 信号(Intel模式)或E使能信号(Motorola模式) 微控制器的RD /E RD
6 信号(Intel模式)或者RD/信号(Motorola模式) 微控制器的 WRWRWR
SJA1000产生的提供给微控制器的时钟输出信号;时钟信号来源于内7 CLKOUT
部晶振且通过编程驱动;时钟控制寄存器的时钟关闭位可禁止该引脚 8 Vss1 接地
9 XTAL1 输入到振荡器放大电路;外部振荡器信号由此输入 10 XTAL2 振荡放大器输出;使用外部振荡信号时左开路输出 11 MODE 模式选择输入:1=Intel模式;0=Motorola模式 12 Vdd3 输出驱动的5V电压源
13 TX0 从CAN输出驱动器0输出到物理线路上 14 TX1 从CAN输出驱动器1输出到物理线路上 15 Vss3 输出驱动器接地
在内部中断寄存器各位都被置位中断输出，用于中断微控制器;INT
16 INT时低电平有效;是开漏输出，且与系统中的其他是线或得;INTINT
此引脚上的低电平可以把IC从睡眠模式中激活
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引脚通过电容复位输入，用于复位CAN接口(低电平有效);把RST17 连到Vss，通过电阻连到Vdd可自动上电复位(例如，C=1F;, RST
R=50k) ,
18 Vdd2 输入比较器的5V电压源
从物理的CAN总线输入到SJA1000的输入比较器;支配(控制)电
平将会唤醒SJA1000的睡眠模式;如果RX1比RX0的电平高，就读
支配(控制)电平，反之读弱势电平;如果时钟分频寄存器的CBP位19，20 RX0，RX1
被置位，就旁路CAN输入比较器以减少内部延时(此时连有外部收发
电路);这种情况下只有RX0是激活的;弱势电平被认为是高而支配
电平被认为是低
21 Vss2 输入比较器的接地端
22 Vdd1 逻辑电路的5V电压源
PCA82C250介绍
PCA82C250是CAN协议控制器和物理总线之间的接口，该器件对总线提供差动发送
能力并对CAN控制器提供差动接收能力。是使用较为广泛的CAN总线收发器。PCA82C250
具有如下特性:
表5-4 PCA82C250特性
Tab.5-4 Features of PCA82C250
完全符合“ISO11898”标准
高速(可达1Mbps)
可挂110个节点
低电流待机模式
未供电的节点不会干扰总线
斜率控制以降低射频干扰(RFI)
差动接收器具有宽共模范围，有很强的抗电磁干扰(EMI)的能力
PCA82C250的引脚图如下:
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18TXDRs27GNDCANH36VCCCANL45RXDVref
PCA82C250
图5-3 PCA82C250引脚图
Fig.5-3 Pins assignment of PCA82C250
表5-5为PCA82C250的引脚功能列表。
表5-5 PCA82C250引脚功能列表
Tab.5-5 Functional group of PCA82C250 pins
引脚 符号 功能
1 TXD 发送数据输入端
2 GND 地
3 Vcc 电源
4 RXD 接收数据输出端
5 Vref 参考电压输出端
6 CANL 低电平CAN电压输入/输出端
7 CANH 高电平CAN电压输入/输出端
8 Rs 总线脉冲斜率控制电阻连接端
6N137介绍
高速光电耦合器6N137 由磷砷化镓发光二极管和光敏集成检测电路组成。通过光敏二极管接收信号并经内部高增益线性放大器把信号放大后，由集电极开路门输出。该器件高、低电平传输延迟时间短，典型值仅为45ns ，已接近TTL 电路传输延迟时间的水平。具有10Mbps的高速性能，因而在传输速度上完全能够满足隔离总线的要求。内部噪声防护装置提供了典型10kV/s的共模抑制功能。除此之外，6N137 还具有一个控制端,通过对该,
端的控制，可使光耦输出端呈现高阻状态。
6N137的特性如表5-6:
55
表5-6 6N137特性列表
Tab.5-6 Features of 6N137
转换速率高达10Mbps
摆率高达10kV/s ,
扇出系数为8
逻辑电平输出
集电极开路输出
下图为6N137的引脚图:
16ANODEVCC5Vout34CATHODEGND
6N137
图5-4 6N137引脚图
Fig.5-4 Pins assignment of 6N137 下表为6N137的引脚功能列表。
表5-7 6N137引脚功能列表
Tab.5-7 Functional group of 6N137 pins
引脚 符号 功能
1 ANODE 阳极
3 CATHODE 阴极
4 GND 地
5 Vout 开路集电极输出
6 Vcc 电源
5.3.1 CAN总线与基站硬件接口电路设计
CAN总线接口芯片可以方便的与MCU相连，下图是基站的CAN总线接口部分电路
图(也即基站的通信模块)。这里由于CAN接口芯片需要+5V电压，因此基站电源模块需
要同时提供+5V和+3.3V电压。
下图为基站部分CAN总线接口的硬件电路图，MCU为ATmega162。
56
VCC
J11MOSI2VCC34.7kR145RESEST67SCK8GND910GND+5VVDDAVR-ISPCAN总线R3C1390R7U30.1uF16124ANODEVCC5VoutR234TX0CATHODEGND3906N137VCCR6U1140RextPB0(OC0/T0)VCC239PB1(OC2/T1)PA0(AD0/PCINT0)338U2U5PB2(RXD1/AIN0)PA1(AD1/PCINT1)43712818PB3(TXD1/AIN1)PA2(AD2/PCINT2)AD6AD5TXDRs53622727C2PB4(SS/OC3B)PA3(AD3/PCINT3)AD7AD4GNDCANH63532636PB5(MOSI)PA4(AD4/PCINT4)ALE/ASAD3VCCCANL734425450.1uFPB6(MISO)PA5(AD5/PCINT5)CSAD2RXDVref833524PB7(SCK)PA6(AD6/PCINT6)RD/EAD1932623PCA82C250+5VRESETPA7(AD7/PCINT7)WRAD01031722VDDPD0(RXD0)PE0(ICP1/INT2)CLKOUTVDD1VDD11ATmega16230821PD1(TXD0)PE1(ALE)Vss1Vss21229920PD2(INT0/XCK1)PE2(OC1B)XTAL1RX113281019PD3(INT1/ICP3)PC7(A15/TDI/PCINT15)XTAL2RX0R9R414271118PD4(TOSC1/XCK0/OC3A)PC6(A14/TDO/PCINT14)MODEVDD2VDD6.8k39015261217PD5(OC1A/TOSC2)PC5(A13/TMS/PCINT13)VDD3RST16251316X1PD6(WR)PC4(A12/TCK/PCINT12)TX0INT17241415X2PD7(RD)PC3(A11/PCINT11)TX1Vss3R51823U4XTAL2PC2(A1/PCINT10)R81922SJA1000168MHzXTAL1PC1(A9/PCINT9)ANODEVCCC4C5C33902021516MHz124GNDPC0(A8/PCINT8)Vout20pF20pFC6C70.1uF34CATHODEGNDATMEGA162PI22pF22pF6N137R103.6k
CAN总线基站接口部分
图5-5 CAN总线基站接口部分
Fig.5-5 BS part of CAN interface
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5.3.2 CAN总线与PC端的硬件接口电路设计
与基站端的CAN接口电路类似，CAN与PC的接口电路也可以用单片机来完成。CAN总线的数据经过CAN接口电路进入到MCU，再由MCU把数据用串口(UART，RS232)传送给PC机。不过由于不像基站的主控芯片任务那么繁忙，PC端的CAN总线接口用的MCU可以选用功能简单一点的51系列单片机。这里就选择AT89S51单片机作为PC端CAN总线接口电路的主控芯片，其他CAN总线接口的芯片与基站端的相同。下面简单介绍一下AT89S51单片机。
AT89S51是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS8位单片机，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。内部集成有ISP电路，可在线编程。
AT89S51提供一下标准功能:4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，看门狗(WDT)，两个数据指针，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口(UART)，片内振荡器及时钟电路。
AT89S51的芯片引脚分配图:
140P1.0VCC239P1.1P0.0(AD0)338P1.2P0.1(AD1)437P1.3 P0.2(AD2)536P1.4P0.3(AD3)635P1.5(MOSI)P0.4(AD4)734P1.6(MISO)P0.5(AD5)833P1.7(SCK)P0.6(AD6)932RSTP0.7(AD7)1031P3.0(RXD)EA/VPP1130P3.1(TXD)ALE/PROG1229P3.2(INT0)PSEN1328P3.3(INT1)P2.7(A15)1427P3.4(T0)P2.6(A14)1526P3.5(T1)P2.5(A13)1625P3.6(WR)P2.4(A12)1724P3.7(RD)P2.3(A11)1823XTAL2P2.2(A10)1922XTAL1P2.1(A9)2021GNDP2.0(A8)
AT89S51
图5-6 AT89S51引脚分配图
Fig.5-6 Pins assignment of AT89S51
AT89S51引脚功能列表:
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表5-8 AT89S51引脚功能列表
Tab.5-8 Functional group of AT89S51 pins
引脚 符号 功能
P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可
驱动4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部上拉电阻把端1~8 P1.0~P1.7 口拉到高电平，此时可作为输入口。作输入口时，因内部与上拉电阻，
某个引脚被外部信号拉低时才会输出电流。Flash编程和程序校验时，
P1接收低8位地址。
9 RST 复位输入
P3口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3的输出缓冲级可
驱动4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部上拉电阻把端10~17 P3.0~P3.7
口拉到高电平，此时可作为输入口。作输入口时，被外部信号拉低时
的P3口将用上拉电阻输出电流。P3口还有其他特殊功能。 18 XTAL2 振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端 19 XTAL1 振荡器反相放大器的输出端
20 GND 地
P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可
驱动4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部上拉电阻把端
口拉到高电平，此时可作为输入口。作输入口时，因内部与上拉电阻，
某个引脚被外部信号拉低时才会输出电流。Flash编程和程序校验时，21~28 P2.0~P2.7
P1接收低8位地址。在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据
存储器时，P2口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据
存储器时，P2口线的内容，在整个访问期间不改变。Flash编程或校
验时，P2亦接收高位地址和其他控制信号。 29 外部程序存储器的读选通信号 PSEN
当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE输出脉冲用于锁存地ALE/
30 址的低8位字节。对Flash存储器编程期间，该引脚用于输入编程脉
PROG冲(PROG)
外部访问允许，EA端保持低电平时，CPU仅访问外部程序存储器;31 EA/VPPEA端接高电平时，CPU执行内部程序存储器中的指令
P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，即地址/数据总线复用口。
作为输出口用时，每个能驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”32~39 P0.7~P0.0
可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器是，这
组口线分时转换地址(低8位)和数据总线复用，在访问期间激活内
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部上拉电阻。在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，
输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。
40 VCC 电源
图5-7是AT89S51的典型应用电路图。PC端的CAN接口设计和基站CAN节点的设计原理相同，只不过增加了和PC通信的接口。图5-8是CAN与PC端接口的电路图。
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+5V
+5VR5D2Pin11S12.2kC214R6Pin2210kPin1515C42.2k3Pin1616420uF+5VPin1717Pin55U?U?181201406OEVCCP1.0VCCPin1219239190Q7QP1.1P0.0(AD0)R1R231833870D7DP1.2P0.1(AD1)Pin2417437201001001D6DP1.3 P0.2(AD2)51653681Q6QP1.4P0.3(AD3)Pin15R4615635212Q5QP1.5(MOSI)P0.4(AD4)R371473491002D5DP1.6(MISO)P0.5(AD5)Pin5813833221003D4DP1.7(SCK)P0.6(AD6)912932103Q4QRSTP0.7(AD7)1011103123GNDLEP3.0(RXD)EA/VPP113011P3.1(TXD)ALE/PROG74HC373122924P3.2(INT0)PSEN132812P3.3(INT1)P2.7(A15)Pin16142725C7P3.4(T0)P2.6(A14)152613P3.5(T1)P2.5(A13)Pin171625P3.6(WR)P2.4(A12)30pF1724ISPP3.7(RD)P2.3(A11)C91823XTAL2P2.2(A10)12M1922XTAL1P2.1(A9)U?2021C8GNDP2.0(A8)L780512V+5V13AT89S51INOUT30pFGND2C3C5C1C6330pF100pF2200uF3300uF
AT89S51最小系统 图5-7 AT89S51应用电路图
Fig.5-7 Application circuit of AT89S51
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+5V
R5D1Pin112.2kPin214+5VR6U3Vin+5VC32Pin15L7805C1152.2k13D23INOUTPin1616110uFGNDU24610uF2C7Pin17116172C1+VCCC5C6Pin5215C257Vs+GND220uF0.33uF0.1uFU1314183C1-T1out12041368OEVCCC2+R1inPin121951219410uF0Q7QC2-R1outR1R2318611790D7DVs-T1inPin24177102051001001D6DT2outT2in5168981Q6QR2inR2outPin15R461521DB92Q5QR3MAX232(1)714C491002D5DPin5813221003D4D912103Q4Q10112310uFGNDLE1174HC3732412Pin162513Pin17DB25+5VVDD
CAN总线R7C10390R11U4160.1uF+5VANODEVCC1245VoutR834TX0CATHODEGND3906N137+5VR15U6140P1.0VCCRext239P1.1P0.0(AD0)338U7U8C11P1.2P0.1(AD1)43712818S1P1.3 P0.2(AD2)AD6AD5TXDRs53622727C8P1.4P0.3(AD3)AD7AD4GNDCANH6353263620uFP1.5(MOSI)P0.4(AD4)ALE/ASAD3VCCCANL734425450.1uFP1.6(MISO)P0.5(AD5)CSAD2RXDVref833524P1.7(SCK)P0.6(AD6)RD/EAD1932623PCA82C250+5VRSTP0.7(AD7)WRAD01031722VDDP3.0(RXD)EA/VPPCLKOUTVDD1VDD1130821P3.1(TXD)ALE/PROGVss1Vss21229920P3.2(INT0)PSENXTAL1RX113281019P3.3(INT1)P2.7(A15)XTAL2RX0R14R914271118R13P3.4(T0)P2.6(A14)MODEVDD2VDD6.8k3901526121710kP3.5(T1)P2.5(A13)VDD3RST16251316X1P3.6(WR)P2.4(A12)TX0INT17241415X2P3.7(RD)P2.3(A11)TX1Vss31823U5R10XTAL2P2.2(A10)R121922SJA10001612MHzXTAL1P2.1(A9)ANODEVCC20215C12C13C939016MHzGNDP2.0(A8)Vout1243430pF30pFC14C150.1uFCATHODEGNDAT89S5122pF22pF6N137R163.6k
CAN总线与PC接口
图5-8 CAN总线与PC端接口电路图
Fig.5-8 Circuit of CAN interface to PC
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5.4 CAN总线接口电路软件设计
为了完成通信任务，需要分别为基站和PC端的CAN总线接口电路设计功能软件。其中基站部分CAN总线接口电路的软件可以作为基站主程序的一个功能程序来调用，PC端CAN总线接口电路的软件部分则构成其主程序。下面说明软件的设计思路和程序流程图。
5.4.1 基站部分CAN总线接口电路软件设计
基站端接口电路软件负责接收地面端发送来的查询命令以及向地面端发送所请求的数据，由此来完成井下与地面的通信。程序的设计思路如下:基站的单片机定时读取CAN总线上的数据，判断是否有地面端发送的查询命令，若没有则执行其他操作，定时到后再次读取CAN总线数据，若仍没有则重复上述过程;若受到地面端的查询命令，首先判断查询对象是否是自身，若不是，则返回上述过程，若是则开始传输请求数据。传输完成后继续上述过程。
软件的流程图如下:
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开始
读取CAN总线数据
否有查询命令吗
是
是自身吗否是定时到是
否传送数据
其他否传送完了吗
是
图5-9 基站部分CAN总线接口电路软件流程图
Fig.5-9 Flow diagram of BS part CAN interface circuit software
5.4.2 PC端CAN总线接口电路软件设计
这一部分的软件负责将CAN总线上的数据读出，然后由单片机进行相应的处理再用串口(UART)发送给PC机，同时还要把接收到得PC机发出的查询命令通过CAN总线发送出去。设计思路:首先通过串口查询是否有PC机发出的查询命令，若没有继续查询。若有，则将查询命令接收，同时向CAN总线发送查询命令。然后监听CAN总线的数据，若CAN总线上发送的数据和查询命令的查询对象一致则将数据接收到单片机，再通过串口发送给PC端。完成一次发送和接收过程，以后重复上述过程。
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软件的流程图如下:
开始
系统初始化
查询串口数据
否有查询命令吗
是
向CAN总线发送查询命令
否发送完毕了吗
是
监测CAN总线数据
否与查询命令相符吗
是
通过串口发送数据
否发送完了吗
图5-10 PC端CAN总线接口电路软件流程图 是
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Fig.5-10 Flow diagram of PC part CAN interface circuit software 6 地面监管子系统设计
地面监管子系统负责处理井下采集的数据，对数据进行存储、计算和显示。为了多级部门监管方便还可以把数据通过Internet传送到其他远程监管主机。
系统的示意框图如下:
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远程监管Internet
GIS图形显示
数据库数据接收
分析计算
监控计算机
井下监测数据
图6-1 地面监管系统框图
Fig.6-1 Block diagram of ground monitoring system
在目前的井下人员定位系统中应用GIS的还较少，而GIS由于能汇集大量的地理信息，并以直观的画面显示，因此能方便监管人
员进行管理和操作，也是井下人员定位系统地面监控系统的应用趋势。下面主要介绍一下GIS的有关内容。
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GIS(Geography Information System)地理信息系统，是以地理空间数据为基础，在计算机软硬件的支持下，对空间相关数据进行采集、管理、操作、模拟、分析和显示，并采用地理模型分析方法，适时提供多种空间和动态的地理信息，为地理研究和地理决策服务而建立起来的计算机技术系统。地理信息系统从外部看，它表现为计算机软硬件系统，其内涵是由计算机程序和地理数据组织而成的地理空间信息模型，是一个逻辑缩小的高度信息化的地理系统。信息的流动及信息流动的结果，完全由计算机程序的运行和数据的交换来仿真，地理学家可以在GIS的支持下，提取地理系统的不同侧面、不同层次的空间和时间特征信息，也可以快速模拟自然过程的演变和思维过程，取得地理预测和实验的结果，选择优化方案，避免错误的决策。地理信息系统就是空间数据的管理系统。
地理信息系统是在地理学、地图学、测量学和计算机科学等学科基础上发展起来的一门学科，具有独立的学科体系。经过了40年的发展，到今天GIS已经逐渐成为一门相当成熟的技术，取得了惊人的发展，广泛应用于资源调查、环境评估、灾害预测、国土管理、城市规划、邮电通讯、交通运输、军事公安、水利电力、公共设施管理、农林牧业、统计、商业金融等几乎所有领域。
目前国内外有许多优秀的GIS软件，国内比较有影响的GIS软件有:
1. MAPGIS地理信息系统是中国地质大学信息工程学院开发的工具型地理信息系统软件。该软件产品在由国家科技部组织的国产地理信息系统软件测评中连续三年均名列前茅，是国家科技部向全国推荐的唯一国产地 理信息系统软件平台。以该软件为平台，开发出了用于城市规划、通信管网及配线、城镇供水、城镇煤气、综合管网、电力配网、地籍管理、土地详查、GPS导航与监控、作战指挥、公安报警、环保监测、大众地理信息制作等一系列应用系统。
2. GeoStar是武汉吉奥信息工程公司所开发的地理信息系统基础软件吉奥之星系列软件的核心(基本)板块。用于空间数据的输入、显示、编辑、分析、输出和构建与管理大型空间数据库。GeoStar最独特的优点在于矢量数据、属性数据、影象数据、DEM数据高度集成。这种集成面向企业级的大型空间数据库。矢量数据、属性数据、影象数据和DEM数据可以单独建库，并可进行分布式管理。通过集成化界面，可以将四种数据统一调度，无缝漫游，任意开窗放大，实现各种空间查询与处。
GeoStar NT版采用当前计算机领域最先进的面向对象技术，根据地理信息系统和计算机技术的发展趋势，将网络化和集成化作为软件的基本特征。它几乎涉及地理信息系统和遥感应用领域的所有基本功能。
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GeoStar NT版定位在企业级，面向大型的空间数据管理。同时管理GIS中的图形数据、属性数据、影象数据和DEM数据，通过ODBC可以与各种商用数据库管理系统连接，如SQL Server、Sybase、Oracle等，通过自行开发的空间数据交换模块可以与当前流行的GIS软件及我国的空间数据交换格式交换数据。
3. SuperMap GIS是北京超图地理信息技术有限公司依托中国科学院的科技优势，立足技术创新，研制的新一代大型地理信息系统平台，满足各行业不同类型的用户需要。SuperMap GIS 5系列产品是SuperMap GIS产品的最新版本。
凭借超图公司领先的技术、开放的理念、优质的服务，SuperMap GIS系列软件成为了中国主流的GIS平台，并已成功地进入了日本、韩国、新加坡、美国、意大利、台湾、香港、澳门等国家和地区。SuperMap正逐步向一个国际化的GIS品牌迈进。
国外一些较为优秀的GIS软件有:
1. ARC/INFO UNIX/NT版(以下合称ARC/INFO)是ESRI公司系列产品中最经典、功能最强大的专业GIS产品，它是ESRI公司实力的标志，经受了时间的考验，其许多先进的设计思想和概念被其他产品借鉴和采纳，成为引导全球GIS发展方向的旗帜。
ARC/INFO可运行于各种平台上，包括SUN Solaris、SGI IRIX、DigitaI Unix、HP UX、IBM AIX、Windows NT(Intel/Alpha)等。在各种平台上可直接共享数据及应用。
ARC/INFO实行全方位的汉化，包括图形、界面，数据库，并支持NLS(Native Language System)，实现可重定义的自动语言本地化。
2. ArcView是世界上最大的GIS软件厂商美国环境系统研究所(ESRI)的桌面GIS软件。从ArcView的2.0版以后，ArcView就广泛受到GIS领域的重视。ArcView2.0版给自己的定位是“基于GIS的桌面制图系统”，桌面制图系统是指利用ArcView可以方便地制图各种专题地图，而所谓“基于GIS”则指ArcView2.0具有较强的空间查询和分析功能，利用ArcView2.0的GIS功能可以使用桌面制图更加灵活。到ArcView3.0，数据编辑、空间分析和可视化功能大大得到加强，具有了丰富的GIS功能，因此，ESRI将其定位发展到桌面地理地理信息系统，ArcView3.0的启动封面上的标题也从原先的“ArcView”改为“ArcView GIS”。
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以上是一些优秀的GIS软件的介绍，这些GIS软件的功能都很强大，具有实现大系统的能力。但是考虑到煤矿的局部地域特性，使用大型的GIS软件似乎并不合适，一方面本系统不需要实现这么多的功能，另一方面这些功能强大的GIS软件的价格也十分昂贵，对于开发本定位系统成本太高。这里介绍一款适合本系统的国产GIS软件:TopMap。
TopMap是由北京慧图信息科技有限公司独立开发的具有完全知识产权的GIS(地理信息系统)软件，包括全组件式的GIS开发平台、专业GIS产品以及GIS相关的GPS(全球卫星定位系统)、SMS(GSM短消息通讯系统)开发组件。产品历经2000.1、2000.2、2001.1、2001.2、2001.3、2002.12各版本 ，于2004年底正式推出全新设计开发的TopMap 6X系列产品:TopMap ActiveX 6;TopMap World 6;TopMap Desktop 6;TopMap SDP 6;PocketMap 6等。
TopMap World 6是基于COM/DCOM及.NET技术的网络地理信息系统(WebGIS)开发平台，提供了一个三层结构(数据层、业务应用层、展示层)基于服务器端的WebGIS解决方案，适用于广域网、局域网的地理信息系统应用开发。产品包括服务器端COM/DCOM开发组件、.NET开发组件、客户端Applet、TopMap World 6自调度集群地图服务等组件及服务支持包，结合TopMap SDP 6可满足从简单到复杂的WebGIS地图应用。TopMap World 6可在ASP、.NET等环境中进行开发。
TopMap World 6开发平台采用分级封装技术，具有高度的伸缩性，可满足不同复杂度的应用需求。分级封装技术既能满足传统的COM/DCOM,ASP开发模式，也可应用.NET封装件进行基于.NET框架的快速开发;TopMap World 6客户端既可以是完全无需下载插件的纯粹瘦客户端模式，也可以应用TopMap JavaApplet插件、面向应用的封装件进行开发，大大简化客户端程序的编码工作;TopMap World 6既可以用于单服务器的网络地图发布，也可以选用TopMap World Cluster Service(TopMap World集群服务)技术(企业版)，建立自调度的分布式WebGIS服务，满足海量空间信息发布、查询和复杂的GIS运算的需要。
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图6-2 KJ222井下人员定位系统
Fig6-2 KJ222 underground personnel positioning system
南京北路科技有限公司在TopMap GIS系统基础上开发出了“煤矿井下人员实时定位监控系统”，实现了基于电子地图的煤矿井下人员实时监控。其界面如图6-2所示。主要功能包括:煤矿巷道电子地图浏览、区域人数分析、基站区域人员报表、地图报警、人员定位、人员实时轨迹监控、人员历史轨迹回放、人员巷道最佳路径分析等功能，为煤矿的安全生产提供了及时有效的井下人员定位和监控功能，并提供了人员逃生的最佳路径分析，以信息化手段提高了煤矿的安全生产能力。可以考虑采用作为地面端的人机接口。
71
72
7 结论
1.系统设计总结
本文主要阐述了井下人员定位系统的工作原理和设计思路。文中首先讨论了国内外井下人员定位系统的发展概况，比较了其中不同方案的优缺点，接着从系统的需求出发提出了设计框架。在对系统进行设计时，采用了功能模块化的思想，对系统进行了功能划分，然后针对不同的模块详细讨论其设计问题。
设计过程中考虑到矿井环境的特殊性，将系统分为井下无线通信子系统、地面监管子系统和井下、地面通信子系统，并着重考虑了井下无线通信子系统的设计问题。在对子系统进行设计时，首先讨论了方案的选择问题，然后分别进行了硬件电路和功能软件的设计。
井下人员定位系统的问题重点在于井下的无线通信，文中经过方案比较选择RFID作为无线通信技术。目前短距离无线通信技术发展迅速，各自有优缺点和适用领域，要从技术和经济等多方面考虑选择最优的解决方案。
地面监管部分采用了GIS进行图形实时显示，这也是井下人员定位系统的趋势。GIS的强大功能可以整合有关矿井的许多其他信息(比如地质和水文状况)，能为监管部门提供更为全面和直观的现场资料。
2. 系统改进方案探索
随着技术的不断进步，短距离无线通信技术有了新的突破。以ZigBee为代表的短距离无线网络解决方案在迅速发展，而WIFI手机也给井下的无线通信带来了新的生机。井下人员定位系统随着井下无线通信环境的改善会有新的发展，可以和其他无线通信业务合并，减少开支和系统的复杂度。
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致谢
在论文完成之际，首先要感谢我的指导老师郭凤仪教授。郭老师对我的设计给与了大力的支持，并进行了悉心的指导。在论文的写作和修改过程中郭老师都给与了精心的指导。
感谢姜玉东和吕振老师，他们在百忙之中抽出时间解答我的疑问，给与帮助。
感谢研究生刘勋和王占超，他们对自己在设计中遇到的问题进行了热心的帮助，使自己能最终解决所遇到的问题。 最后谨向所有曾给予我帮助和指导的老师、同学和朋友们致以衷心的感谢!
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参考文献
[1] 李智群，王志功.射频集成电路与系统，北京:科学出版社，2008
[2] 黄智伟.射频集成电路芯片原理与应用电路设计，北京:电子工业出版社，2004.3 [3] (美)拉德马内斯(Radmanesh，M.M.)著;顾继慧，李鸣译.射频与微波电子学，北京:科学出版社，2006 [4] 赵家贵.电子电路设计，北京:中国计量出版社，2005
[5] 周晓光，王晓华，王伟.射频识别(RFID)系统设计、仿真与应用，北京:人民邮电出版社，2008.3 [6] 马光.单片机原理及应用，北京:机械工业出版社，2006.1
[7] 周昕.数据通信与网络技术，北京:清华大学出版社，2004.2
[8] 谭浩强.C程序设计(第二版)，北京:清华大学出版社，199.12
[9] 周晓光，王晓华等.射频识别(RFID)技术原理与应用实例，北京:人民邮电出版社，2006.12 [10] 黄智伟.无线发射与接受电路设计，北京:北京航空航天大学出版社，2004.5 [11] 李翔.智能卡研发技术与工程实践，北京:人民邮电出版社，2003.11
[12] 宁焕生，张彦等.RFID产品研发及生产关键技术，北京:电子工业出版社，2007.3 [13] 夏靖波等.嵌入式系统原理与开发，西安;西安电子科技大学出版社，2006.2 [14] 郭韡，李郴，郑岚，杨敏，徐元元，赵伟.煤矿井下人员定位系统的现状和发展.江西煤炭科技，2008，(2):33-36 [15] 魏煜欣.矿山井下人员定位系统中无线通信技术研究与开发.湖南大学，2008.4 [16] 孙蓓，王立杰，黄国君.基于蓝牙技术的井下人员定位管理系统.中国煤炭，2007，33(10):67-69 [17] 黄旭慧.基于ZigBee技术的煤矿井下人员定位系统研究与应用.南昌大学信息工程学院，2007.12 [18] 孙利民等.无线传感器网络，北京:清华大学出版社，2005.5
[19] 李伯成.基于MCS-51单片机的嵌入式系统设计，北京:电子工业出版社，2004.7
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附录A 译文
1 总述
nRF9E5是真正的系统级无线射频收发芯片，内嵌高性能8051MCU，4通道12位ADC。内置nRF9E5收发器，包括所有nRF905
TM芯片特性，可以工作在Shockburst模式下(自动处理前缀，地址和CRC)，最大程度的抑制了噪声，工作电压范围是1.9V~3.6V。nRF9E5符合FCC标准和ETSI EN300 220-1标准。
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2 快速参考数据
表2-1 nRF9E5 快速参考数据
参数 值 单位
最低供电电压 1.9 V
,温度范围 -40~+85 C
78
发射功率为-10dBm时的发射电流 11 mA
接收模式下的电流 12.5 mA 微控制器4MHz@3volt时的供电电流 1 mA
0.9 mA ADC工作电流
最大发射功率 10 dBm
数据传输率 100 Kbps
灵敏度 -100 dBm
A ,低功耗模式下的工作电流 2.5
79
3 结构框图
80
AINT1(20) 4K byte Boot 256 byte AIN3(26) AINT2(21) Loader RAM RAM AIN2(27) VDD_PA(19)
AIN1(28) 7-channel interruption AIN0(29)
AREF(30) UART0 nRF905
433/868/A/D Timer0 915MHz converter BIAS readio Timer1 tranceive
r IREF(23) Timer2 XC2(15)
CPU XC1(14) 8051compatible
microcontroller
XTAL
oscillator
low power
RC Watch RTC oscillator Dog Timer VSS(5) power PWM SPI VSS(16) mgmt VSS(18) VSS(22) Reset VSS(24) RegulaVDD(4) VDD(17) 8.ch programmable tors VDD(25) Portlogic wakeup
MOSI(10) DVDD_1V2(31) MISO(11) SDO 81 SCK(12) 25320 SCK P00(32) P01(1) CSN P02(2) P03(3) P04(6) P05(7) P06(8) P07(9)
SDI
图3-1 nRF9E5的结构框图
4 概述
本章将对图3-1中的各部分做一简单说明。
4.1 微控制器
nRF9E5的片内微控制器与标准8051兼容。指令时序与标准8051稍有区别，典型的区别是:nRF9E5片内微控制器的指令周期为4到20个时钟周期，8051为12到48个时钟周期。中断控制器支持5个扩展中断源:ADC中断，SPI中断，两个无线收发中断、一个唤醒中断。微控制器内有3个与8052相同的定时器。一个与8051相同的串行通信端口UART。CPU备有两个数据指针，使得片外RAM存取数据变得方便。系统时钟频率由晶体振荡器提供。
4.1.1 存储器结构
微处理器中有256字节的数据RAM(与8052一致，高半部分只能通过寄存器间接寻址)和512字节的ROM，ROM中为引导程序，上电复位或软件复位后，处理器自动执行ROM引导区中的代码，将用户程序从EEPROM加载到内部4K的RAM中，这4K字节的RAM也可以作存储数据用。
4.1.2 导入EEPROM/FLASH
nRF9E5的程序代码必须要从片外存储器装载，默认使用的存储器为带有SPI接口的EEPROM“25320一族”。这类存储器供电电压可以低至1.8V。SPI接口使用MISO(EEPROM的SDO脚)，SCK(连接到EEPROM的SCK脚)，MOSI(EEPROM的SDI脚)，EECSN(EEPROM的CSN脚)。当程序完全装载后，MISO、MOSI和SCK脚可以用于别的用途，比如用于连接其他的SPI装置或者
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通用输入/输出口。
4.1.3 存储器映射
大部分nRF9E5的特殊功能寄存器与标准8051完全相同。但nRF9E5也有一些附加的特殊功能寄存器。nRF9E特殊功能寄存器地
址映射表如表4-1所示。
表4-1 SFR存储器映射表
X000 X001 X010 X011 X100 X101 X110 X111
F8 EIP HWRE
V
F0 B
E8 EIE
E0 ACC
D8 EICON
D0 PSW
C8 T2CON RCAP2L RCAP2H TL2 TH2
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C0
B8 IP CKLF
CON
B0 RSTRESPI_DATSPI_CTRSPI_CLK TICK_CK_CTTEST_M
AS A L DV RL ODE
A8 IE PWMCPWMDUREGX_MRETX_LREGX_
ON TY SB SB CTRL
A0 P2
98 SCON SBUF
90 P1 EXIF MPAGE P0_DRV P0_DIR P0_ALP1_DIP1_ALT
T R
88 TCON TMOD TL0 TL1 TH0 TH1 CKCOSPC_FN
N C
80 P0 SP DPL0 DPH0 DPL1 DPH1 DPS PCON
灰色标识部分寄存器与标准8051相同。注意:P0、P1和P2口的地址和8051相同，但在功能上稍有区别。
4.2 PWM
nRF9E5有一个可编程脉宽调制输出，它是P0.7的复用脚。PWM可以通过编程设置成6，7，8位脉宽调制。占空比通过设置一个8位寄存器可设置在0%~100%之间。
4.3 SPI
nRF9E5以SPI接口控制为特点。SPI的3根数据线(MISO、SCK和MOSI)具有多种复用功能。SPI硬件不产生片选信号。设计人员可以通过GPIO(通用输入/输出)来设置一个或多个外部SPI的片选。EECSN引脚是通用I/O接口，它在这里作为导入EEPROM的片选端。
4.4 端口逻辑
nRF9E5有一个8位通用双向口(P0口)。另外，4个SPI也可以用作通用I/O口(P1口)。大部分通用I/O口都可以通过编程设置
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为第二功能，第二功能包括:RXD、TXD、SPI、3个定时器/计数器、PWM输出等。
4.5 电源管理
nRF9E5可通过编程设置成多种低功耗模式，并且ADC和RF子系统可以通过编程控制开关。在掉电模式下，CUP停止工作，所有RAM和寄存器冻结在他们的原有状态，但是看门狗，RTC唤醒时钟和GPIO唤醒功能仍正常工作。在掉电模式、晶振停止工作时电流消耗的典型值是2.5A。 ,
唤醒定时器被激活、看门狗复位或P0口任意触发时系统退出掉电模式。
4.6 低频时钟，RTC唤醒定时器，GPIO唤醒功能和看门狗
nRF9E5内部包括一个常开的低频率时钟CKLF。当晶振工作时，CKLF=4kHz。当晶振不工作时，VDD=1.8V时，CKLF是一个不能被禁止的低功耗RC振荡器。RTC唤醒定时器、GPIO唤醒功能和看门狗都工作在CKLF作用下，以保证关键功能在掉电模式下能够运行。
RTC唤醒定时器是一个24位可编程减一计数器，看门狗是一个16进位可编程减一计数器。看门狗和唤醒定时器的时间通过设置可从300s到80ms不等，默认值为1ms。唤醒定时器由应用程序控制起停。看门狗在一次复位后被禁止。RTC唤醒定时器溢出时可,
输出一个可编程脉冲给IO口。
GPIO唤醒功能是通过软件设置P0口，使一个或几个引脚具有唤醒功能。通过边缘触发方式(上升沿、下降沿或二者兼有)和消抖滤波器分别对各脚进行编程。
4.7 XTAL振荡器
微控制器、AD转换器和无线收发器都是在同一个晶振周期下工作的。可使用的晶振频率范围是:4~20MHz。详细情况见章节10.1。通过软件编程可以设置晶振的起停。
4.8 AD转换器
nRF9E5含一个10位线性AD转换器，其转换速率为80kbps。AD转换器参考电压可通过软件选择A输入或内部带隙参考电压ref
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1.22V。AD转换器有5个输入，可通过软件选择。AD转换器的典型应用时启动/停止模式，采样时间是由软件来控制的，默认状态下是10位的，如有特殊需要，AD转换器可以软件设置为6位、8位和12位转换器。AD转换器也可以应用在差分模式下，当AIN0作为负输入端时，AIN1~AIN3作为正输入端。
4.9 无线电收发器
电路的无线收发部分和nRF905的射频收发部分功能是完全相同的。数据准备就绪信号(DR)，载波监测信号(CD)和地址匹配信号(AM)可以软件设置为MCU中断源或通用IO口输入信号。nRF905是一个433/868/915MHz的射频收发装置，它由频率发生器，功率放大器，调制器和接受单元组成。输出功率和频率等配置内容可以通过SPI接口编程配置。TX模式下的工作电流为11mA，TX模式下的工作电流为12.5mA。射频收发器的节能模式可以通过软件来控制开关。
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浙公网安备 33021202002483