[所有分类]基于单片机的多路遥控系统的设计

[所有分类]基于单片机的多路遥控系统的设计 基于单片机的多路遥控系统的设计 摘要:随着社会的发展、科技的进步以及人们生活水平的逐步提高，各种方便于 生活的遥控系统开始进入了人们的生活。本文介绍了一种基于单片机STC89C52最小系 统的多路遥控系统。当按键时，发射模块的单片机根据键号进行软件编码，由红外发射 二极管发射;接收器HS0038接收，由接收模块的单片机在其内部进行状态解码，从而 实现不同的功能。该论文重点描述了单片机红外遥控器的设计思想及软硬件电路的工作 原理、设计过程，并叙述了调试过程以及调试中所出现的问 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 ，最后给出详细的测试数 据并且进行了分析。 关键词:单片机;红外遥控;编码;解码 The Design of Multi Remote Control System on the Basis of single Chip Abstract: With the social and scientific development and improvement of people’s living standard, various remote control systems for the convenience of our life come into being. This paper introduces a minimal type of multi remote control system based on the single chip STC89C52. When pressing the button, the single chip of transmitting module encodes software according to key number, and by way of the transmission of infrared diode the receiver HS0038 takes the signal. The single chip of receiver module carries the internal decoding process so as to realize different functions. This paper focuses on the description of the design and priciple of infrared remote control of single chip, and accounts for the system debugging and its problems related. Finally the detailed testing data and their analysis are provided. Key words: Single Chip;Infrared Remote Control;Encoding;Decoding 目录 前 言 .................................................................... 1 第一章 设计任务 ........................................................ 2 1.1 设计的内容与功能 ...................................................... 2 1.2 技术指标 .............................................................. 2 第二章 总体 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 .................................................... 3 2.1设计 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 的论证 ........................................................ 3 2.1.1 红外遥控发射电路的方案论证 ........................................ 3 2.1.2 红外遥控接收电路的方案论证 ........................................ 3 2.1.3 单片机的选择 ...................................................... 4 2.1.4 显示器件选择 ...................................................... 4 2.2 红外遥控系统电路的原理框图以及各部分作用 .............................. 4 2.2.1 红外发射部分原理框图以及各部分作用 ................................ 4 2.2.2 红外接收部分原理框图以及各部分作用 ................................ 5 第三章 系统硬件电路的设计............................................. 7 3.1 单片机遥控接收部分的硬件电路 .......................................... 7 3.1.1 电源电路 .......................................................... 7 3.1.2 红外接收部分电路 .................................................. 8 3.1.3 显示电路 .......................................................... 9 3.1.4 控制电路 .......................................................... 9 3.1.5 单片机STC89C52的最小系统的连接电路 .............................. 10 3.2 单片机遥控发射部分的硬件电路 ......................................... 11 第四章 遥控发射及接收控制电路的软件设计 ........................... 13 4.1 软件设计流程图 ....................................................... 13 4.1.1 遥控发射主程序流程图 ............................................. 13 4.1.2 键扫描程序流程图 ................................................. 14 4.1.3 遥控码发射程序流程图 ............................................. 16 4.1.4 遥控接收器主程序流程图 ........................................... 19 4.1.5 中断程序流程图 ................................................... 23 第五章 系统调试 ...................................................... 26 5.1本设计常用的调试仪器 ................................................. 26 调试步骤: ........................................................... 26 5.2 5.2.1 调试前不加电源的检查 ............................................. 26 5.2.2 静态检测与调试 ................................................... 26 5.2.3 动态检测与调试 ................................................... 27 5.2.4 调试过程中所遇到的问题及解决方法 ................................. 27 5.2.5 调试注意事项 ..................................................... 28 第六章 测试结果与分析 ................................................ 29 6.1 测试结果 ............................................................. 29 6.2 问题分析 ............................................................. 30 参考文献 ............................................................... 31 致 谢 ................................................ 错误～未定义书签。32 附 录 .................................................................. 32 附录一 发送接收电路原理图 ................................................ 33 附录二 程序清单 .......................................................... 33 附录三 元器件清单 ........................................................ 42 附录四 英文资料 .......................................................... 43 前 言 无线遥控是指利用无线电波、红外线、超声波等作为载体，不用导线，而在空间传输，实现对被控目标的控制。实现对以家用电器为代表的中小型电器的遥控方法，主要 [1]有无线电遥控和红外线遥控。 红外线遥控与无线电遥控相比:红外光波的波长远小于无线电波的波长，因此红外线遥控信号不会影响其它家用电器，也不会影响到邻近的无线电设备;另外，红外线遥控不具有无线电遥控那样穿透障碍物去控制被控对象的能力，在设计家用电器的红外线遥控器时，不必要像无线电遥控那样，每套发射器和接收器要有不同的遥控频率或编码，否则，就会隔墙控制或干扰邻居的家用电器，所有同类产品的红外线遥控器，可以有相同的遥控频率或编码，而不会出现遥控信号“串门”的情况，这对于大批量生产以及在家用电器上普及红外线遥控提供了极大的方便;此外，红外线为不可见光，对环境影响 [2]很小，同时又具有很强的隐蔽性和保密性。 由此可见，红外线遥控具有结构简单、制作方便、成本低廉、抗干扰能力强、工作 [3]可靠性高等一系列优点，是近距离遥控优选方式，并因此而广泛应用在各类电器上。 但目前市场上一般设备系统均采用专用的遥控编码及解码集成电路，具有制作简单等特点，由于这些芯片价格较贵，功能键数及功能受到特定的限制，且相互之间采用的遥控编码格式互不兼容，所以各机型的遥控器通常只能针对各自的遥控对象而无法通用，只适用于某一专用电器产品的应用，应用范围受到限制。而采用单片机进行遥控系统的设计，具有硬件接口简单方便，编程灵活多样，操作码个数可随意设定等优点。 本文介绍了一种基于STC89C52单片机的红外遥控系统的设计和制作过程。该系统利用红外发送，单片机软件编码，把状态发送给接收部分的单片机，接收的单片机在内部进行状态解码，从而实现一个遥控器控制多种电器设备的功能。 第 1 页 共 57 页 第一章 设计任务 1.1设计的内容与功能 设计内容:用单片机作为控制芯片制作一个遥控器，另一个单片机控制系统能被遥控操作。本设计用单片机制作7路电器遥控器，可以分别控制7个电器的电源开关。该遥控采用脉冲个数编码，4*4键盘开关。并特别扩展了对一个电机的正反转的控制。具体功能如下: 当按下键1时，发光二极管LED1亮，数码管显示数字1; 当按下键2时，发光二极管LED2亮，数码管显示数字2; 当按下键3时，发光二极管LED3亮，数码管显示数字3; 当按下键4时，发光二极管LED4亮，数码管显示数字4; 当按下键5时，发光二极管LED5亮，数码管显示数字5; 当按下键6时，发光二极管LED6亮，数码管显示数字6; 当按下键7时，发光二极管LED7亮，数码管显示数字7; 当按下键8时，电机正转，数码管显示数字8; 当按下键9时，电机反转，数码管显示数字9; 当按下键10时，发光二极管LED1-LED7依次亮，数码管显示数字A; 当按下键11时，发光二极管LED7-LED1依次亮，数码管显示数字b; 当按下键12时，发光二极管LED1-LED7依次渐亮，数码管显示数字c; 当按下键13时，发光二极管LED7-LED1依次渐亮，数码管显示数字d; 当按下键14时，发光二极管全亮，数码管显示数字e; 当按下键15时，发光二极管全亮，数码管显示数字f; 1.2技术指标 (1)最大遥控距离:5M (2)发射接收角:水平最大90度 (3)遥控器发射时工作电流:20mA 第 2 页 共 57 页 第二章 总体设计方案 2.1设计方案的论证 由于是遥控系统，所以分遥控发射和遥控接收两大部分。 2.1.1红外遥控发射电路的方案论证 方案一:指令信号产生电路以不同的脉冲编码(不同的脉冲数目及组合)代表不同的控制指令。当不同的指令键被按下时，指令信号电路产生不同脉冲编码的指令信号，也就是进行编码，然后经调制电路调制，变为编码脉冲调制信号，再由驱动电路驱动红 [4]外发射器发射红外信号。整体过程如下: 驱 红指 指 调 外 令 发令 编 动 码 射 制 键 图2-1遥控发射器遥控过程 方案二:采用指令键产生电路产生不同的控制指令，单片机进行状态的编码，直接由单片机的口输出方波信号控制红外发射管进行发射。红外发射管采用普通的红外发射 [5]二极管。 由于我们现在所掌握专业知识的限制，调制电路功能不易实现，通过比较，选用方案二。 2.1.2红外遥控接收电路的方案论证 方案一:红外接收装置把接收过来的信号进行前置放大，通过解调电路，指令解码 [7]电路，记忆驱动电路实现对所控制状态的解码，然后执行(实现控制功能)。原理框图如图2-2所示。 第 3 页 共 57 页 红前指记 解令忆外置执 解驱接放调 行 码 动 收 大 图2-2红外遥控接收器的接收过程框图 方案二:遥控系统采用红外线脉冲个数编码，直接利用单片机软件解码，实现功能 [8]的遥控。 综合以上两种方案分析，方案一比较复杂，相应的硬件电路难以实现其要求，所用到的芯片也比较昂贵，而方案二直接利用单片机就可以达到接收功能，减少了电路的复杂程度，也比较符合我们现在的知识程度，信价比较高，故采用方案二。 2.1.3单片机的选择 ,31, STC89C,52,羚羊单片机等多种单片机来实现。 本设计所用的单片机可以用C 考虑本设计的要求，需要编写程序，但是C,31没有内部存储器，那么就要用外部 [9]扩展，比较麻烦。本设计所编写的程序比较简单，功能也比较少，如果用羚羊单片机就过于麻烦，大材小用，本设计所用到的输入输出端口也不是很多，所以我们决定用 [10]STC89C,52单片机来完成本设计，既方便也很实用。 2.1.4显示器件选择 在单片机应用系统中,使用的显示器主要有LED(发光二极管)以及LCD(液晶显示器)[11]。 这两种显示器成本低廉，配置灵活，与单片机接口方便。但是他们也是各有特点的: [12]LED接口非常简单，不需要专用的驱动程序，在设计程序时也非常的简单;LCD显示的字比较丰富，也比较清楚，给人的感觉很好，但是它接口复杂，且要自己造字库，难度不小。故没必要采用LCD，用LED发光二极管就够了。 2.2红外遥控系统电路的原理框图以及各部分作用 2.2.1红外发射部分原理框图以及各部分作用 红外发射部分原理框图如图2-3所示。 第 4 页 共 57 页 STC89C52行列式键盘红外发射电路单片机 图 2-3 红外遥控发射原理框图 各部分作用: (1)行列式键盘 行列式键盘又称为矩阵式键盘，用I/O线组成行列结构，按键设置在行列的交点上， 行列式分别连接到按键开关的两端。键盘中有无按键按下是由行线送入扫描字及列线读 入列线状态字来判断的，有键按下时通过查键并执行键功能程序。 (2)红外线发射电路 遥控器信息码由单片机的定时器1中断产生40KHZ红外线方波信号。由P3.5口输 出，经过三极管放大，由红外线发射管发送。 (3)单片机 单片机用于输出方波信号控制红外发射电路的工作。 2.2.2 红外接收部分原理框图以及各部分作用 红外接收部分原理框图如图2-4所示。 +5V电源电路 STC89C52控制电路单片机 红外接收电路 图 2-4单片机红外接收部分原理框图 各部分作用: (1)+5V电源电路 给单片机最小系统、控制电路提供以及红外接收电路提供电压。 第 5 页 共 57 页 (2)红外接收电路 红外接收电路把接收到的状态在内部进行解码，从而实现不同的功能。 (3)控制电路 通过发射电路的按键实现对控制电路的控制作用。 第 6 页 共 57 页 第三章 系统硬件电路的设计 3.1 单片机遥控接收部分的硬件电路 图3-1 遥控接收部分硬件电路 3.1.1电源电路 由桥式整流、滤波电容、7805稳压器以及电源指示灯组成。选用220V 10W的电源变压器把220V 50HZ的市网电压变成9V 50HZ的电压。 电源电路如图3-2所示。其中: (1)电源变压器选用220V 10W的电源变压器 (2) 桥式整流:选用4个IN4007的锗整流二极管构成, 额定正向工作电流为1A,I 反向耐压为1000V (3)电容滤波C1:选用容量为2200uf，耐压为25V的电容实现滤波 第 7 页 共 57 页 (4)电容C2:选用容量为1000uf，耐压为16V的电容 (5)电源指示灯:选用红色的发光二极管，发光二极管的压降为1.5V，其工作电 流一般取10mA,图中电阻R1为限流电阻 图3-2 电源电路 3.1.2红外接收部分电路 本设计的接收电路使用一体化的集成红外接收器成品，一体化的红外接收装置将红外信号的接收、放大、检波、整形集于一身，并且输出可以让单片机识别的TTL信号，这样大大简化了接收电路的复杂程度和电路的设计工作，方便使用。在本系统中采用的红外一体化接收头HS0038，外接电阻与电容。该接收器对外只有三个引脚，分别为电源VCC，地GND和一个脉冲信号输出OUT,脉冲信号输出接CPU的中断输入引脚，采用这种连接方式，软件解码既可以工作于查询方式，也可以工作在中断方式。单片机STC89C52 [12]根据不同的信息码可以对相应的端口进行控制操作。 红外接收电路如图3-3所示。 第 8 页 共 57 页 图3-3 遥控接收部分硬件电路 3.1.3显示电路 利用7段共阴数码管进行显示，数码管与P0口的P0.0-P0.7相连，并接一个10K*8的排阻。数码管用来显示发射电路中的按键号。电路如图3-4所示。 图3-4数码管电路 3.1.4控制电路 控制电路由电机的正反转和7个LED发光二极管电路组成。 电机的正反转电路:电机的两个端分别与两个继电器的常闭端相连，继电器的常开端接地。一个继电器的电源端经过驱动三极管9012，电阻接到P1.0口。另一个继电器的电源端经过驱动三极管9012，电阻接到P1.1口。 7个LED发光二极管电路:阳极分别于+5V电源相连，阴极分别接到P2.1-P2.2口。 第 9 页 共 57 页 图3-5 控制电路 片机STC89C52的最小系统的连接电路 3.1.5单 最小系统包括单片机的基本供电、时钟电路和复位电路。单片机由桥式整流稳压电源电路供电。 时钟和时钟电路: 时钟电路是计算机的心脏，它控制着计算机的工作节奏。STC89C52单片允许的时钟频率的典型值12MHZ，也可以是6MHZ。本设计采用12MHZ。单片机时钟电路图如图3-6所示。 图3-6单片机时钟电路 图3-6中晶振频率选择12MHZ。接到晶振两端的瓷片电容作用是使振荡器起振和对 第 10 页 共 57 页 f 微调补偿，典型值为30PF。当单片机加电以后延迟约10ms的时间振荡器起振产生时钟，不受软件控制(XTAL2输出幅度为3V左右的正弦波)。 复位和复位电路: 计算机在启动运行时都需要复位，使中央处理器CPU和系统中的其它部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。单片机的复位引脚是RST，当振荡器起振后，该引脚上出现2个周期的高电平，是器件复位，只要RST保持高电平，单片机保持 -7)、人工复位(如图3-8)。本复位状态。单片机复位方式有二种:上电复位(如图3 设计采用的是图3-7上电复位，具体电路如图3-9所示。 图3-7上电复位电路 图3-8 人工复位 注:RST与Vss之间的那个电阻在NMOS型单片机种需要接，但是在CMOS型单片机中不接。其中电容一般为10uF的电解电容。 图3-9 复位和复位电路 3.2 单片机遥控发射部分的硬件电路 单片机遥控发射部分的硬件电路如图3-10所示。 第 11 页 共 57 页 图3-10 单片机遥控发射部分的硬件电路 本发射电路采用一个12M的晶体振荡器，产生相对应受控开关的脉冲频率，通过红外发射管发射出去。P3.5接两个9013三级管，发光二级管利用红外光为介质，将控制信号以红外光脉冲的形式发射出去。 晶体三极管主要用于放大电路中起放大作用，为了得到更大的放大倍数，采用了复合三极管的连接方法。因为从P3.5口出来的为高电压，而三级管9013不能承受此电压，所以采用了一个阻值较大的电阻来起分压作用，从而缓冲了加到三级管上的电压。改变与红外发射管相连的10K的滑动变阻器阻值可以改变发射距离。 第 12 页 共 57 页 第四章 遥控发射及接收控制电路的软件设计 4.1 软件设计流程图 4.1.1遥控发射主程序流程图 开始 初始化 调用键扫描处理子 程序 图4-1遥控发射主程序流程图 图4-1是遥控发射的主程序流程图:首先初始化程序,然后调用键扫描程序。相应 的发射主程序如下: 发送主程序: #include //定义 #define uint unsigned int //定义 #define uchar unsigned char//定义 extern uchar keyscan(void); //定义 extern void init(void); //定义 extern void send_infrared(uchar keyval); //定义 void delay1ms(uint time) //延时时间 { uint i,j; for(i=0;i // #define uint unsigned int #define uchar unsigned char #define keyrow P0 //对P0口的定义 #define keyline P2 //对P2口的定义 uchar code keyv[8]={1,2,4,8}; uchar keyscan(void) { uchar keyval,i; //定义 keyval=0; //初始化 keyrow=0xfe; //P0.0=0 if(keyline!=0xff)//判断P2的P2.0~P2.3口是否为0 for(i=0;i<4;i++) if(~keyline==keyv[i]) keyval=i+1;//为0, 说明键号为i+1的键按下 keyrow=0xfd; //P0.1=0 if(keyline!=0xff) //判断P2的P2.0~P2.3口是否为0 for(i=0;i<4;i++) if(~keyline==keyv[i]) keyval=i+5; //为0, 说明键号为i+5的键按下 keyrow=0xfb; //P0.2=0 if(keyline!=0xff) //判断P2的P2.0~P2.3口是否为0 for(i=0;i<4;i++) if(~keyline==keyv[i]) keyval=i+9; //为0, 说明键号为i+9的键按下 keyrow=0xf7; //P0.7=0 if(keyline!=0xff) //判断P2的P2.0~P2.3口是否为0 第 15 页 共 57 页 for(i=0;i<4;i++) if(~keyline==keyv[i]) keyval=i+13; //为0, 说明键号为i+13的键按下 不执行 while(keyline!=0xff);// 判断P2的P2.0~P2.3口为否为0,为0, return(keyval);//返回键号值 } 4.1.3遥控码发射程序流程图 发射开始 装入发射脉冲个数 发3ms脉冲 停发1ms Y发完, N 返回主程序 发1ms脉冲 停发1ms 图4-3遥控码发射程序流程图 红外信号发射过程: 该遥控器采用脉冲个数编码，不同的脉冲个数代表不同的码，最小为2个脉冲，最大为17个脉冲，为了使接收可靠，第一位码宽为3ms，其余为1ms，遥控码数据帧间隔 [13]大于10ms 。如图4-4为遥控码的编码格式。当某个被控电器的电源开关被按下时,单片机先读出键值,然后根据键值设定遥控码的脉冲个数,再调制成40kHz方波由红外线 第 16 页 共 57 页 [14]发光管发身出去。 图4-4 遥控码的编码格式 相应的遥控码发射程序如下: 发送程序: #include #define uint unsigned int #define uchar unsigned char sbit remoteout=P3^3; //遥控输出口 extern void delay1ms(uint time); /*************初始化函数***********/ void init(void) { remoteout=0; //关遥控输出 IE=0x00; IP=0x08; TMOD=0x22; //8位自动重新装模式 TH1=0xf3; //40kHZ初值 第 17 页 共 57 页 TL1=0xf3; EA=1; //开总中断 } /*****************发射函数***********/ void send_infrared(uchar keyval) { uchar m; ET1=1;TR1=1;delay1ms(3);ET1=0;TR1=0;remoteout=0; //40KHZ 发3ms for(m=keyval;m>0;m--) { delay1ms(1); //停1ms ET1=1;TR1=1;delay1ms(1);ET1=0;TR1=0;remoteout=0; //40KHZ发1ms } delay1ms(10); } /******************40KHZ发生器************/ //定时中断T1 void time_intt1(void) interrupt 3 { remoteout=~remoteout; } 第 18 页 共 57 页 4.1.4遥控接收器主程序流程图 开始 初始化 NP3.0=0? Y 调用延时程序 接收处理 图4-5 遥控接收器主程序流程图 相应的接收主程序如下: 接收主程序: #include #include"intrins.h" #define uchar unsigned char #define uint unsigned int Char code table[16]={0x11,0xbd,0x23,0x29,0x8d,0x49,0x41,0x3d,0x01,0x09,0x05, 0xc1,0xe3,0xa1,0x43,0x47}; //数码管字型码0-F extern void clearmen(void); extern uchar value; sbit jdq1=P2^0; //继电器1与P2.0口相连 sbit jdq2=P2^1; //继电器2与P2.1口相连 uchar temp; void delay1ms(uint time) //延时时间程序 { uint i,j; 第 19 页 共 57 页 for(i=0;i>=1; //整个功能显示完一次后右移一位，重新开始 } } 第 20 页 共 57 页 void quanliang(void) //7个流水灯全亮 { uint i; temp=0xfe; for(i=0;i<8;i++) //7个流水灯依次全部点亮 { P0=table[13]; P1=temp; delay1ms(1000); //调用延时时间程序 temp<<=1; //整个功能显示完后左移一位，重新开始 } } void fquanliang(void) //7个流水灯全亮 { uint i; temp=0x7f; for(i=0;i<8;i++) //7个流水灯依次全部点亮 { P0=table[14]; P1=temp; delay1ms(1000); //调用延时时间程序 temp>>=1; //整个功能显示完后右左移一位，重新开始 } } void main() { clearmen(); 第 21 页 共 57 页 P0=0xff; while(1) //判断接收键值，执行相应的按键功能 { if(value==1) {P0=table[1];P1=0xfe;} //如果是键1，执行键1功能 if(value==2) {P0=table[2];P1=0xfd;} //如果是键2，执行键2功能 if(value==3) {P0=table[3];P1=0xfb;} //如果是键3，执行键3功能 if(value==4) {P0=table[4];P1=0xf7;} //如果是键4，执行键4功能 if(value==5) {P0=table[5];P1=0xef;} //如果是键5，执行键5功能 if(value==6) {P0=table[6];P1=0xdf;} //如果是键6，执行键6功能 if(value==7) {P0=table[7];P1=0xbf;} //如果是键7，执行键7功能 if(value==8) {P0=table[8];P1=0xff;} //如果是键8，执行键8功能 if(value==9) {P0=table[9];jdq1=0;} //如果是键9，执行键9功能 if(value==10) {P0=table[10];jdq2=0;} //如果是键10，执行键10功能 if(value==11) {P0=table[11];P2=0x03;} //如果是键11，执行键11功能 if(value==12) youyi();//如果是键12，执行键12功能 if(value==13) zuoyi();//如果是键13，执行键13功能 if(value==14) quanliang();//如果是键14，执行键14功能 if(value==15) fquanliang();//如果是键15，执行键15功能 } } 第 22 页 共 57 页 4.1.5 中断程序流程图 中断开始 N低电平脉宽 >2ms, Y 接收并对低电平脉宽计数 N高电平脉宽 >3ms, Y 按脉冲个数执行对应功能 程序 中断返回 图4-6 中断程序流程图 中断过程:首先判断低电平脉宽度是否大于2ms,若脉宽不到2ms,则中断返回;若低 电平大于2ms,则接收并地低电平脉冲计数,接下来看判断高电平脉宽度冲是否大于3ms, 若脉宽不到3ms,则返回上一接收计数过程;若高电平脉宽大于3ms,则按照脉冲个数至对 应功能程序。此时中断返回。相应的中断程序如下: 中断程序: #include #include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int sbit remotein=P3^1; //遥控输入 extern void delay1ms(uint time); uchar value; 第 23 页 共 57 页 /***********初始化********/ void clearmen(void) { EX0=1; EA=1; //开总中断 } /**************外中断遥控接收函数**************/ void intt0(void) interrupt 0 { uchar keyval,k,sign; EX0=0;sign=0;keyval=0; if(remotein==0) { delay1ms(1); if(remotein==0) while(1) { while(remotein==0); keyval++;k=0;delay1ms(1); while(remotein==1) { delay1ms(1);k++; if(k>2) { value=keyval-1; sign=1; break; } } 第 24 页 共 57 页 if(sign) break; } } EX0=1; } 第 25 页 共 57 页 第五章 系统调试 控制电路板的安装与调试在整个电路的设计中占有重要位置，它是把理论付诸实践的过程，也是把纸面设计转变为实际产品的必经阶段。 5.1本设计常用的调试仪器 万用表、稳压电源、示波器、信号发生器等。 5.2调试步骤: 5.2.1调试前不加电源的检查 对照电路图和实际线路检查连线是否正确，包括错接、少接、多接等;用万用表电阻档检查焊接和接插是否良好;元器件引脚之间有无短路，连接处有无接触不良，二极管、三极管、集成电路和电解电容的极性是否正确;电源供电包括极性、信号源连线是否正确;电源端对地是否存在短路(用万用表测量电阻)。 经过上述检查，我们发现我们所设计的电路存在错接和连接处不良接触的问题，经过细心的检查后，解决了上述的一些电路上的问题。 5.2.2静态检测与调试 断开信号源，把经过准确测量的电源接入电路，用万用表电压档监测电源电压，观察有无异常现象:如冒烟、异常气味、手摸元器件发烫，电源短路等，如发现异常情况，立即切断电源，排除故障; 我们的电路在此项测试中如无异常情况，接着我们又分别测量各关键点直流电压，如静态工作点、放大电路输入、输出端直流电压等是否在正常工作状态下，结果有个别电路不符，经过调整电路元器件参数、更换元器件，使电路最终工作在合适的工作状态; 对于放大电路我们还用示波器观察是否有自激发生。结果一切正常。 第 26 页 共 57 页 5.2.3动态检测与调试 动态调试是在静态调试的基础上进行的，调试的方法地在电路的输入端加上所需的信号源，并循着信号的注射逐级检测各有关点的波形、参数和性能指标是否满足设计要求，如必要，要对电路参数作进一步调整。发现问题，要设法找出原因，排除故障，继续进行。 我们所设计的遥控器电路是采用码分制遥控方式，用示波器对发射电路输出端及接收电路输入端的信号波型的进行了检查，发现当按下不同的开关按钮时所显示的波型是不同的。这说明了此电路是工作在正常状态的。 5.2.4调试过程中所遇到的问题及解决方法 (1)电源电路输出不是5V,于是用数字万用表对电源电路一部分一部分的测电压，发现整流二极管最后输出的电压不对，经分析，发现有一个整流二极管没接。 (2)按下按键时，当LED发光二极管正在显示的状态没显示完时，如果立马按另外一个键，LED发光二极管会把之前的状态完全显示完以后再显示我当前按得键的键功能，此时数码管的显示值却是我当前的键号值。也就是说换键后，数码管所显示的键号值与LED数码管的状态不对应。经过分析，是程序中延时时间太长了的原因，经修改，避免了这个问题。 ,3,由于数码管的动态连接。因为动态连接时需要连接的脚比较多也比较紧，所以在焊接的时候要特别的小心，不能焊接错误。我在焊接时就发生了类似的错误，没有把数码管的公共端和单片机的接口对应的连接起来，然后在数码管调试的时候发生了数码位置混乱的情况。而且有的时候会出现没有焊上或者是焊点焊接时间过长导致导线铜皮外露引起短路，这些问题在用万用表检测后被排除。 ,4,看遥控发射部分是否能发射信号，主要是用示波器看发射部分能给否输出图 [15]4-4的波形 。刚开始波形比较乱，前面符合，后面不能与图4-4对应。经分析后，得出原因是编码格式没置好。 ,5,对遥控器的调试主要是用示波器观察能否在遥控接收器中输出图2-7数据帧的接收处理的图形。如果能输出此波形，就代表接收模块能接收到发射模块发射的信息。刚开始调试时，没有波形，原因是中断程序里出错，经改进，解决了此问题。 第 27 页 共 57 页 (6)发射部分能发射信号，接收部分也能接收信号，能实现功能，接下来就要看遥控发射距离，调节与红外发射管相串联的发射管，本设计用的是滑动变阻器，改变其 [16]阻值，可以改变发射距离。调节时发现不能变更发射距离，经分析后，发现滑动变阻器焊接错了，不能改变其阻值。于是拆下来重新焊接后，达到了效果。 5.2.5调试注意事项 经过自己动手调试电路。从问题之中总结出来一些常用电路调试的注意事项。 (1)正确使用测量仪器的接地端，仪器的接地端与电路的接地端要可靠连接; 2)在信号较弱的输入端，尽可能使用屏蔽线连线，屏蔽线的外屏蔽层要接到公共地( 线上，在频率较高时要设法隔离连接线分布电容的影响，例如用示波器测量时应该使用示波器探头连接，以减少分布电容的影响。 (3)测量电压所用仪器的输入阻抗必须远大于被测处的等效阻抗。 (4)测量仪器的带宽必须大于被测量电路的带宽。 (5)正确选择测量点和测量 (6)认真观察记录实验过程，包括条件、现象、数据、波形、相位等。 (7)出现故障时要认真查找原因。 (8)在按键8时，电机是正转的，此时必须先让它停下来后，才能让它反转，也就是说按下键9后，得先按键10，才能按键9。反过来也是一样的道理。 第 28 页 共 57 页 第六章 测试结果与分析 6.1 测试结果 调试完以后，按照测试步骤，测出的结果如下表6-1所示。由下表6-1可看出，功 能已经达到了任务书上的任务要求，但是技术指标没有达到相应的要求，发射距离测到 3m多，发射角度也只有30度。 表6-1测试结果 键号值 数码管LED0-LED6的状态/电机状态 数码管显示值 1 LED1亮 1 2 LED2亮 2 3 LED3亮 3 4 LED4亮 4 5 LED5亮 5 6 LED6亮 6 7 数码管全灭 7 8 电机正转 8 9 电机反转 9 10 电机停止转动 A 11 LED0-LED6从左到右依次亮 b 12 LED0-LED6从右到左依次亮 c 13 LED0-LED6从左到右依次渐亮(最后全亮) d 14 LED0-LED6从右到左依次渐亮(最后全亮) e 15 LED发光二级管全亮 f 第 29 页 共 57 页 6.2 问题分析: 存在的问题:发送距离达不到技术指标的要求，即达不到5M，约只有3米多;发射角度也达不到90度的,当超出这2个范围时，接收模块接收不到发送模块所发送的信息。 测试问题的分析:因为遥控系统采用的是码分制原理，而在码分制系统中由编码电路和解码电路构成，而且要有调制和解调的过程，因为码分制系统编码脉冲的频率极低，为超低频，如果不用调制与解调电路，外界突然的光线变化可能会对接收电路造成干扰，产生误动作，系统的抗干扰能力及可靠性就难以保证。因为本设计系统中没有调制和解调的电路，直接利用单片机进行软件编码与解码，所以导致发送距离和角度的限制，也是今后将要改进的地方。 第 30 页 共 57 页 参考文献 [1]谢自美.电子线路实验与测试[M].武汉:华中科技大学出版社,2002. [2]楼然苗,李光飞.单片机课程设计指导[M].北京:北京航空航天大学出版 社,2005:152-178. 周平.单片机应用技术[M].北京:高等教育出版社,2002. [3] [4]继宗南.红外线遥控发射器的原理及应用[J].国外电子元器件,1999,(10):32-34. [5]陈玻沿.红外系统[M].北京:国防工业出版社,1988. [6]李贵和.电器及其控制[M].重庆:重庆大学出版社,1993. [7]周航慈.单片机应用程序设计技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,2002:56-62. [8]李华等.MCS-51系列单片机使用接口技术[M].北京:北京航空航天大学出版 社,1993:51-68. [9]李建华.实用遥控器原理与制作[D].北京:人民邮电出版社,1996. [10]苏长赞.红外线与超声波遥控[D].北京:人民邮电出版社,1995. [11] 高章飞, 朱善安. 基于单片机MSP430和nRF905的无线通信模块[J]. 机电工程 , 2006,(02). [12] 汪小旵, 李洵. 用VB实现微机与单片机之间多机通信的两种方式[J]. 机械与电 子 , 2000,(02). [13] AT89C2051 Data Sheet[R].ATMEL Inc. [14]Infrared Remote Control Transmitter PT2221A_PT2222A Data Shee[R]t.PTC Inc. [15] Philips Semiconductors.The I2C-Bus Specification Version (2.1) 2000 . [16]Sheu J K,Chang S J,Kuo C H,et al.White2Light Emission From NearUV:InGaN2GaN LED Chip Precoated With BluePGreenPRed Phosphors[J]. IEEE PHOTONICS TECHNLOGYIEITERS ,2003,15(1):18,20. 第 31 页 共 57 页 附 录 第 32 页 共 57 页 附录一:发送接收电路原理图: 接收电路原理图 发射电路原理图 附录二:程序清单 发送系统: 1、键扫描程序: 第 33 页 共 57 页 #include #define uint unsigned int #define uchar unsigned char #define keyrow P0 #define keyline P2 uchar code keyv[8]={1,2,4,8}; uchar keyscan(void) { uchar keyval,i; keyval=0; keyrow=0xfe; if(keyline!=0xff) for(i=0;i<4;i++) if(~keyline==keyv[i]) keyval=i+1; keyrow=0xfd; if(keyline!=0xff) for(i=0;i<4;i++) if(~keyline==keyv[i]) keyval=i+5; keyrow=0xfb; if(keyline!=0xff) for(i=0;i<4;i++) if(~keyline==keyv[i]) keyval=i+9; keyrow=0xf7; if(keyline!=0xff) for(i=0;i<4;i++) if(~keyline==keyv[i]) keyval=i+13; 第 34 页 共 57 页 while(keyline!=0xff); return(keyval); } 2、发送程序: #include #define uint unsigned int #define uchar unsigned char sbit remoteout=P3^3; //遥控输出口 extern void delay1ms(uint time); /*************初始化函数***********/ void init(void) { remoteout=0; //关遥控输出 IE=0x00; IP=0x08; TMOD=0x22; //8位自动重新装模式 TH1=0xf3; //40kHZ初值 TL1=0xf3; EA=1; //开总中断 } /*****************发射函数***********/ void send_infrared(uchar keyval) { uchar m; ET1=1;TR1=1;delay1ms(3);ET1=0;TR1=0;remoteout=0; //40KHZ 发3ms 第 35 页 共 57 页 for(m=keyval;m>0;m--) { delay1ms(1); //停1ms ET1=1;TR1=1;delay1ms(1);ET1=0;TR1=0;remoteout=0; //40KHZ发1ms } delay1ms(10); } /******************40KHZ发生器************/ //定时中断T1 void time_intt1(void) interrupt 3 { remoteout=~remoteout; } 3、发送主程序: #include #define uint unsigned int #define uchar unsigned char extern uchar keyscan(void); extern void init(void); extern void send_infrared(uchar keyval); void delay1ms(uint time) { uint i,j; for(i=0;i #include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int sbit remotein=P3^1; //遥控输入 extern void delay1ms(uint time); uchar value; /***********初始化********/ void clearmen(void) { EX0=1; EA=1; //开总中断 } /**************外中断遥控接收函数**************/ void intt0(void) interrupt 0 第 37 页 共 57 页 { uchar keyval,k,sign; EX0=0;sign=0;keyval=0; if(remotein==0) { delay1ms(1); if(remotein==0) while(1) { while(remotein==0); keyval++;k=0;delay1ms(1); while(remotein==1) { delay1ms(1);k++; if(k>2) { value=keyval-1; sign=1; break; } } if(sign) break; } } EX0=1; } 2、接收主程序: #include #include"intrins.h" #define uchar unsigned char 第 38 页 共 57 页 #define uint unsigned int Char code table[16]={0x11,0xbd,0x23,0x29,0x8d,0x49,0x41,0x3d,0x01,0x09,0x05, 0xc1,0xe3,0xa1,0x43,0x47}; //0-F extern void clearmen(void); extern uchar value; sbit jdq1=P2^0; sbit jdq2=P2^1; uchar temp; void delay1ms(uint time) { uint i,j; for(i=0;i>=1; } } void quanliang(void) { uint i; temp=0xfe; for(i=0;i<8;i++) //7个流水灯依次全部点亮 { P0=table[13]; P1=temp; delay1ms(1000); temp<<=1; } } void fquanliang(void) { uint i; temp=0x7f; for(i=0;i<8;i++) //7个流水灯依次全部点亮 { 第 40 页 共 57 页 P0=table[14]; P1=temp; delay1ms(1000); temp>>=1; } } void main() { clearmen(); P0=0xff; while(1) { if(value==0) {P0=table[0];P1=0xfe;} if(value==1) {P0=table[1];P1=0xfd;} if(value==2) {P0=table[2];P1=0xfb;} if(value==3) {P0=table[3];P1=0xf7;} if(value==4) {P0=table[4];P1=0xef;} if(value==5) {P0=table[5];P1=0xdf;} if(value==6) {P0=table[6];P1=0xbf;} if(value==7) {P0=table[7];P1=0xff;} if(value==8) {P0=table[8];jdq1=0;} 第 41 页 共 57 页 if(value==9) {P0=table[9];jdq2=0;} if(value==10) {P0=table[10];P2=0x03;} if(value==11) youyi(); if(value==12) zuoyi(); if(value==13) quanliang(); if(value==14) fquanliang(); } } 附录三:元器件清单 通用板 两块 变压器 一个 电机 一个 第 42 页 共 57 页 继电器 两个 三极管 9012 PNP 两个 9013 NPN 两个 电阻 1K 五个 100 一个 10K 三个 滑动变阻器 10K 一个 红外接收头 HS0038 一个 红外发射二极管 一个 电容 1uf 一个 30p 四个 10uf 两个 开关按钮 十六个 LED发光二级管 十一个 数码管 一个 排阻 10K*8 一个 晶振 12M 两个 二极管 四个 7805稳压管 一个 附录四:英文资料 Wireless Technology in Industrial Networks Abstract:With the success of wireless technologies in consumer electronics, standard 第 43 页 共 57 页 wireless technologies are envisioned for the deployment in industrial environments as well. Industrial applications involving mobile subsystems or just the desire to save cabling make [15]wireless technologies attractive. Nevertheless, these applications often have stringent requirements on reliability and timing. In wired environments, timing and reliability are well catered for by fieldbus systems (which are a mature technology designed to enable communication between digital controllers and the sensors and actuators interfacing to a physical process). When wireless links are included, reliability and timing requirements are [15]significantly more difficult to meet, due to the adverse properties of the radio channels. In this paper we thus discuss some key issues coming up in wireless fieldbus and wireless industrial communication systems: i) fundamental problems like achieving timely and reliable transmission despite channel errors; ii) the usage of existing wireless technologies for this specific field of applications, and iii) the creation of hybrid systems in which wireless stations are included into existing wired systems. Keywords:Fieldbus;systems;real-time;communications;wireless;technologies;Bluetooth;IEEE 802.15.4;IEEE 802.11;hybrid systems I. INTRODUCTION The true convenience of being able to connect devices without the use of wires has lead to the unprecedented success of wireless technologies in the consumer goods industry. Based on this success, applications using these technologies are beginning to appear in various other settings as well. In anindustrial or factory floor setting, for example, the benefits of using wireless technologies are manifold. First of all, the cost and time needed for the installation and maintance of the large number of cables normally required in such an environment can be substantially reduced, thus making plant setup and reconfiguration more easy. This is especially important in harsh environments where chemicals, vibrations, or moving parts exist that could potentially damage any sort of cabling. In terms of plant flexibility, stationary systems can be wirelessly coupled to any mobile subsytems or mobile robots that may exist in order to achieve a connectivity that would otherwise be impossible. Furthermore, the task of temporarily accessing any of the machinery in the plant for diagnostic or programming purposes can be greatly simplified by the use of these wireless technologies. 第 44 页 共 57 页 Along with the simplification of acessing machinery, many industrial applications exist that could benefit from the use of wireless technologies. The localization and tracking of unfinished parts, the coordination of autonomous transport vehicles and mobile robots [1]–[3], as well as applications involving distributed control are all areas in which wireless technologies could be used in an industrial environment. Many of these industrial applications are served by fieldbus systems [4]–[8] like PROFIBUS [9],[10], WorldFIP [11], [12] or CAN [13], [14], which are wired. Fieldbus systems have been specifically designed for solving automation or control tasks that rely on the interconnection of digital controllers with other digital controllers as well as sensors and/or actuators (including their underlying physical processes). The primary goal of these systems is to provide real-time communication services that are both predictable and reliable, i.e. make certain guarantees on eventual delivery of packets and delivery times. Some important characteristics of fieldbus traffic are: i) presence of cyclic (i.e. recurring) or even periodic traffic (bounded jitter between subsequent packets required), subject to deadlines; ii) presence of important acyclic packets like alarms, which need to be reliably transmitted with bounded latencies; and iii) most packets are short, in the order of a few bytes. The protocol architecture of most fieldbus systems covers only the physical layer, the data-link layer including the medium access control (MAC) sublayer, and the application layer of the OSI reference model. The obvious benefits of wireless transmission have led to a number of solutions. These solutions range from voice-oriented, large-scale cellular networks such as UMTS, to data-oriented solutions like wireless local area networks (WLAN), wireless personal area networks (WPAN) and wireless sensor networks. WLAN systems, like the IEEE 802.11 family of standards [15]–[17], are designed to provide users with high data rates (tens of Mbit/s) over ranges of tens to hundreds of meters. These parameters provide the user with untethered access to Ethernet, for example. WPAN systems, such as Bluetooth [18], [19] and IEEE 802.15.4 [20], [21], have been designed for connecting devices wirelessly, while taking energy-efficiency into account. They support medium data rates in the order of hundreds of Kbit/s to a few Mbit/s and have ranges on the order of a few meters. Many vendors offer equipment compliant to these standards. 第 45 页 共 57 页 Running fieldbus-based applications with wireless technologies can be especially challenging. Since wireless channels are prone to possible transmission errors caused by either channel outages (which occur when the received signal strength drops below a critical threshold) and/or interference, the real-time and reliability requirements are more likely to be jeopardized than they would be over a wired channel. This is one of the key issues to be resolved in wireless fieldbus systems, or in general in the usage of wireless technologies in industrial applications, and focus of this paper. The goal of this paper is to give an overview of the problems and issues that arise when considering the use of standardized wireless technologies like IEEE 802.11, Bluetooth, or IEEE 802.15.4 in a fieldbus-controlled industrial network. The discussion of this topic takes the following structure. Section II considers the adverse effect that transmission errors and other properties of the wireless channel have on the timing and reliability of packet transmissions, irrespective of the specific wireless technology used. These effects can be (partially) compensated for by either designing robust and loss-tolerant applications / control algorithms or by trying to improve the channel quality when when designing a wireless fieldbus protocol. We focus on taking the latter approach. Section III introduces the widely used wireless technologies of interest for use by fieldbus systems in industrial environments: Bluetooth [18], [19], IEEE 802.15.4 [20], [21] and IEEE 802.11 [15]. Given that users will most likely not want to simply throw out their functioning wired fieldbus installations in favor of wireless ones, Section IV discusses how wireless stations can be integrated into wired fieldbuses to create hybrid wired/wireless fieldbus systems. Conclusions are provided in Section V. Besides the issues discussed in this paper, there are further issues to consider in wireless fieldbus systems. Two important ones are the following: •Security: The wireless medium is an open medium and without countermeasures, it is easy for an attacker to eavesdrop, to insert malicious packets, or to simply jam the medium, this way challenging reliable and timely transmission. On the other hand, ensuring security goals like confidentiality or accountability was not the main focus in the design of many fieldbus systems [22], [23]. The recent trend to connect fieldbuses to the Internet by means of gateways has led to research towards securing the gateway [24], [22], but it is also required to 第 46 页 共 57 页 protect a fieldbus against attacks from the inside, for example by employing proper encryption and authentication schemes. •Energy supply and low power operation: In some fieldbus systems the same cable can be used for communication purposes as well as to supply a station with energy. If the cabling were to be dropped completely, alternative ways to supply stations with energy would have to be found. Some options are wireless energy transmission [25], [26], energy-scavenging methods [27] or using batteries. For battery-driven stations, energy is a scarce resource and should be used economically. Replacing batteries may be infeasible or can lead to machine downtimes. Several mechanisms to conserve energy in protocols and applications have been developed in the context of wireless (sensor) networks [28]–[30]. In the design of fieldbus protocols, however, the main concern was real-time communications, not energy-efficiency. There are efforts to combine both targets [31]. Wireless fieldbus systems and wireless industrial networks have created interest in both academia and industry. The first publications date back to 1988 [32]. One of the earliest projects, the European Union OLCHFA project, started in June 92 with the goal to provide wireless spread-spectrum transmission for the WorldFIP (formerly just FIP) fieldbus [33], [34]. Today, several companies and consortia are active, for example, the wireless industrial networking alliance (WINA), see www.wina.org. II. FUNDAMENTAL PROBLEMS OF REAL-TIME AND FIELDBUS COMMUNICATION This section introduces some of the fundamental properties of wireless transmission media, without referring to any wireless technology in particular (this is done in the following Section III). Given that there are a number of mature and commercially available (wired) fieldbus systems, the question is whether there are major difficulties when using them with wireless media. Some examples discussed in this section show that some protocols do indeed have difficulties. One particularly important problem is channel errors; channel errors can cause packets to miss their deadlines, for instance. Accordingly, not only are the consequences of errors of interest, but also the mechanisms that allow one to deal with them. Some of these mechanisms, which have been been proposed specifically for fieldbus systems, 第 47 页 共 57 页 will be discussed. The wireless channel should influence the design of industrial applications. The fault assumptions, for example, are different in wireless channels than in wired channels [72]. It is likely that errors occur more often on wireless channels than on wired ones. Transmission errors on wireless channels, however, tend to be transient (deep fades end at some time and the channel becomes good again), whereas errors on wired channels are often of permanent nature, due to faulty cables, connectors, or other hardware components. Note that for some applications the rate of residual errors (after applying any countermeasures) has to be kept at extremely low levels. “Fly-by-wireless” systems in aircrafts, for example, might require residual error rates of 10?19 [72]. New protocol mechanisms or the combination of existing protocol mechanisms are needed to achieve such low levels of residual error rates. Even if these levels become achievable, it will likely require a tremendous amount of design effort. To reduce this effort, it is helpful to relax the requirements posed to the communication system. This can be achieved, for example, by designing industrial applications that can tolerate a certain percentage of packet losses or deadline misses. This line of research is pursued in the area of networked control systems [79]–[81]. III. REVIEW OF WIRELESS TECHNOLOGIES FOR INDUSTRIAL AUTOMATION For the various reasons listed at the beginning of the introduction, wireless technologies might be of advantage in industrial environments. Due to the general tendency towards standardization and the fact that cheap, commercial-of-the-shelf (COTS) wireless technologies are available, it seems only logical to investigate these for their suitability in industrial deployment. Of particular interest for industrial environments are technologies that do not require any sort of frequency licensing. These technologies include the wireless personal area network (WPAN) technologies such as IEEE 802.15.1/Bluetooth and IEEE 802.15.4/ZigBee as well as the wireless local area network (WLAN) technologies from the IEEE 802.11 family. Despite the advantages a single wireless network might offer on the factory floor, it will be often required to run multiple WLAN/WPAN networks in parallel in different or overlapping regions of the plant. Because of this fact, the co-existence of multiple networks of 第 48 页 共 57 页 either the same or varying types needs to be investigated. We consider how certain communication patterns typical to those of fielddbus systems can be implemented within such overlapping networks. IV. HYBRID WIRED / WIRELESS FIELDBUS SYSTEMS V. CONCLUSIONS AND OUTLOOK Selected issues related to wireless fieldbus systems have been discussed in this paper.Wireless technologies can bring many benefits to industrial applications, one of them being the ability to reduce machine setup times by avoiding cabling. The market offers mature wireless solutions, such as the IEEE 802.11 standard, the IEEE 802.15.4 standard, or Bluetooth. So far, however, wireless technologies have not gained widespread acceptance on the factory floor. One reason for this lack of acceptance is the difficulty in achieving the timely and successful transmission of packets over error-prone wireless channels. With the design of suitable protocol mechanisms and transmission schemes, along with the careful combination of these schemes, important steps towards increasing the acceptance of wireless technologies for industrial applications can be made. The approach based on “hardening” the protocol stack can benefit from relaxing user requirements and making applications more tolerant against errors. In fact, a key observation from the field of wireless sensor networks [29] is that the joint design of applications (here: controllers) and the networking stack, along with careful cross-layer design within the networking stack itself, is more likely to give better results than designing each element in isolation. There are many research opportunities in the fields of wireless fieldbus systems and wireless industrial communications. One such opportunity involves the search for new protocol mechanisms to improve realtime capabilities. A key component in the design and evaluation of such mechanisms is the formulation of appropriate performance measures, benchmark applications, and wireless channel models that have been adapted to industrial environments. Another opportunity involves the assessment of the many emerging wireless technologies (Ultra-wideband, MIMO techniques, smart antennas, wireless ad hoc and sensor networks) from both a technological and a market perspective in terms of their potential use in industrial applications. Yet another research opportunity concerns a trend in fieldbus 第 49 页 共 57 页 systems to carry multimedia and TCP traffic in addition to control traffic. As a consequence, there is a need for wireless-adapted protocol support for these data types, which would not degrade the quality of service rendered to the control traffic. From a practical perspective, plant engineers need software tools for planning, configuration, and maintenance of wireless industrial networks. One component of such a software suite would need to determine the placement of wireless stations and coupling devices. An optimization goal might be to minimize the installation costs while satisfying the real-time requirements of individual stations. Further areas of research include security, mobility support, and the joint consideration of real-time transmission and energy efficiency. 无线技术在工业网络的应用 摘要:随着无线技术在消费性电子产品上的成功， 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 无线技术被构想部署在工业 环境里。工业的应用包括移动子系统或是想要节省电缆它使得无线技术具有吸引力。然 而，这些应用通常在可靠性和时间上有严格要求。在有线的环境里，时间和可靠性被现 场总线系统(一项被设计成在数字式控制器和传感器之间和主动器连接的物理过程间通 信的成熟技术)很好迎合。当无线链接被包括在内，由于射频信道的不利因素使得对可 靠性和时间要求更难实现。因而在本文里我们谈论一些出现在无线现场总线和无线工业 通信系统中的主要问题:i)根本问题如:尽管存在信道错误仍可以实现实时性和可靠的 传输;ii)现有的无线技术用在这个具体领域应用;iii)无线是来源于现有的有线的系 统混合体系的创作物。 关键词:现场总线系统;实时通信;无线技术;蓝牙;混合的系统 ?.引言 能够的真实方便连接无线装置使得无线技术在生活消费品工业方面取得了史无前 例的成功。基于这项成功，对这些技术的应用开始出现多种不同的设置，例如，在工业 或工厂底层设置，使用无线技术的好处是多方面的。首先，在这种环境中安装和维修大 第 50 页 共 57 页 数量的电缆的设施和主体部分在费用和时间上花费可能大大地被减少， 这样使设备设定和重组更加容易。在充斥着有可能毁坏电缆铺设的化学药品，震动和移动的设备的恶劣环境中，无线技术显得尤为重要。在设备灵活性条件下，固定的系统能够无线的连接到任何一个以别的方式是不可能完成的连接的移动分线系统或移动式遥控装置上。此外，由于诊断或是编程目的而临时访问任何机械的任务通过无线技术的使用可以得到很大的简化。 随着访问的设备的简化，许多现存工业应用能从无线技术的使用中受益。定位和跟踪未完成的零件，自治运输车和移动的遥控装置的协调[ 1]--[3 ]，以及应用于分布控制使无线技术能被使用在一个工业环境的所有区域。 许多这些工业应用由现场总线系统为其服务[4]-[8]例如PROFIBUS [9]-[10]，WorldFIP [ 11 ]-[ 12 ] 或CAN[ 13 ]-[ 14 ]，这些都是有线的。现场总线系统已经被具体设计成为解决自动化或依靠数字式控制器互联与其它数字式控制器和传感器的控制任务或主动器(包括他们下面的物理过程)问题。这些系统的主要目标是提供实时的既可预期而又可靠的通信服务，也就是在包的传送和传送的次数方面给予了保证。一些现场总线路线的重要特性是: i) 循环的(也就是反复出现的)甚至是周期性的路线(包之间的紧张跳动是必需的)，按照截止日期;ii)出现重要非周期性包如警报, 需要与跳跃的潜伏可靠地与一起传输;iii)多数信息包是短的，按几个字节的顺序。多数现场总线系统协议体系结构包括单独的物理层，数据链路层包括介质访问控制(MAC)下层，以及OSI 模型的应用层。 无线传输的明显好处已经提供了一定数量的解决方案。这些解决方案的范围从针对声音，大规模多孔的网络譬如UMTS，针对数据的解决方案如:无线地区网络(WLAN)，无线个人区域网络(WPAN) 和无线传感器网络。WLAN 系统，如:IEEE 802.11 家族标准[15]-[17], 被设计能够提供给用户高数据速率(十倍Mbit/s) ，范围能从几十米到上百米。例如，这些参数提供用户以对以太网的访问。当把能量效率计算在内时，WPAN 系统，譬如蓝牙[ 18 ]-[ 19 ]和IEEE 802.15.4[ 20 ]-[ 21 ], 已经被设计成为无线的连接设备。他们支持中等数据速率按上百Kbit/s到几Mbit/s的顺序在大约几米的范围之内。许多销售商提供符合这些标准的设备。 应用以现场总线为基础的无线技术特别具有挑战性。因为无线信道很有可能出现由任一信道损耗(当被标准的信号强度下降在一定限度之下)或者干扰所引起的传输错误，实时性和可靠性要求可能会比通过有线信道更可能受到危害。这是无线现场总线系统中 第 51 页 共 57 页 所要解决的主要问题之一，总体来讲也是在无线技术在工业应用领域所要解决的问题之一，也是本论文的焦点。本论文的目的就是就在以现场总线控制的工业网络中运用如:IEEE 802.11，蓝牙或IEEE 802.15.4这些 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 化的无线技术时所产生的问题和议题给出一个总的概述。这一个主题的讨论遵循以下结构。第二部分考虑无线渠道在包传输方面的实时性和可靠性方面所包含的传输错误或者其他的不利因素的影响，不考虑是否使用具体的无线技术。通过设计更为坚强的或者耐损耗的应用或者控制运算法则或是在设计无线现场总线协议时尝试改善线路质量，这些不利影响可以得到补偿或者部分地得到补偿。我们把重心放在后一种方法上。第三部分是介绍在工业环境中被现场总线系统所广泛应用的无线技术:蓝牙[18]-[19]，IEEE 802.15.4[20]-[21]和IEEE 802.11[15]。考虑到用户们很有可能不会为了支持无线现场总线系统而抛弃具备的有线现场总线系统的功能，因此，第四部分我们将讨论无线站点怎样被融入到有线现场总线系统中，从而创造出有线和无线相混合的现场总线系统。 除了上述所说的讨论的议题外，我们将就无线现场总线系统进行进一步的讨论。有重要的两点如下: •安全:无线的媒体是一种开放的媒体，如果没有应对的措施，它很容易被攻击者所窃听，侵入恶意的包，或仅仅只是干扰媒体，这样一来，便向传输的实时性和可靠性发出了挑战。另一方面,确保类似机密或责任的安全目标不是许多现场总线系统所设计的主要焦点[22]-[23]。现在趋向于通过门户的途径将现场总线连接到英特网，这已经导致研究方向朝着保护门户的方向发展[24]-[22],但是它也被要求保护现场总线免受来自内部的侵袭，例如，可以藉由正确的密码技术和证明方案。 •能源补给和低能量措施:在一些现场总线系统中相同的电缆既能作为沟通目的而且可以充当一个能量补给站。如果可以完全放弃铺设线路,那么就需要找到能够替代能量补给站的方法。可以选择无线能量传输[25]-[26],能源寻找方法或者 [27] 或使用电池。对于由电池驱动的站点，能源是难得的资源而且应该被节俭地使用，更换电池可能是行不通的而且可能导致机器停工。在协议和实际应用中一些贮存能量的机制已经在无线(感应)网络的联系中得到发展[28]-[30]。然而，在现场总线的协议和设计中，主要注意的是实时通信，而不是能量效率。这里为了结合两个目标而努力[31]。 无线现场总线系统和无线的工业网络已经在学术和产业两个方面都创造了利益。第一次出版始于1988[32]。最早的项目之一--欧盟OLCHFA 工程，在92年6月开始的，以能够为WorldFIP(之前仅仅是 FIP)现场总线提供无线的光谱辐射传播为目标 第 52 页 共 57 页 [33]-[34]。当今，一些公司和公会也是非常活跃的，譬如说无线的产业网络联盟(WINA)，见 www.wina.org。 ?. 实时及现场总线沟通的基本问题 没有特别涉及任何的无线技术。 (这这一部分介绍无线传输媒体的一些基本特性， 在下列的第三部分中将被阐述)。现在存在着一些成熟的具有盈利性质的有线现场总线系统，因此问题是当与无线媒体一起使用的时候会不会出现大的困难。 该部分所讨论的一些例子表明一些协议的确存在着困难。一个尤为重要的问题就是信道错误;例如，信道错误能导致丢包。因此，除了是重要错误的结果，还有一些机制也能够应付他们。一些已经被明确地被推荐为现场总线系统的机制也将会被讨论。 无线的信道可以影响工业应用的设计。例如，故障假定在无线的信道中和在有线的信频道中[72]是不同的。故障假定可能的错误在无线的信道发生频率远高于在有线的信道上。在无线的信道上的传输误差，仍然趋向于短暂的(强信号有时降到最低点，而不久信道再一次变成好)，因为电缆的不完整，连接器或其他的硬件原因，然而在有线的信道上的错误时常是持久的状态。 注意对于残留误差的速率(在应用任何计算度量器后)有的一些应用在极端低的水平被保持。在“Fly-by-wireless”系统中，举例来说，可能需要剩余错误率为10-19[72]。新的协议机制或现有协议的组合达成如此低标准的剩余的误差率。即使这些标准变成可完成的，它将会需要很多的努力设计。为了要减少这一努力，它对减少沟通系统形势的需求是有帮助。这是可以被完成的，举例来说，允许丢包或截止期限过错的特定百分比的工业应用的设计。这一项研究在网络的控制系统[79]–[81]的区域中被继续。 ?. 工业的自动化的无线技术的回顾 介绍从最初的地方因为各种不同的理由列出，无线技术能在工业的环境中是有优势的。由于标准化趋势(的影响)以及便宜，COTS无线电技术的广泛使用，(使得)它在工业部署中的适当投资，似乎只在逻辑上可行。对于工业环境是不需要任何种类频率的许可技术是特别重要的。这些技术包括无线的个人区域网络(WPAN) 技术，例如IEEE 802.15.1/蓝牙和IEEE 802.15.4/ ZigBee 和无线的局域网络 (WLAN) 技术IEEE 802.11 家族。 不管一个单一无线网络的优势是否可能在工业或工厂底层上体现，它将会时常是需要在类似的不同的或重叠的设备的区域中运行多重的WLAN/WPAN网络。事实因为，多样网络的每一个相同的或变化的类型的共存需要被调查。我们考虑如何让特定的通信在这 第 53 页 共 57 页 样的交叠网络里面模仿典型现场总线系统被实现。 ?.混合的有线的/无线的现场总线系统 V. 结论及展望 我们在该篇论文中已经讨论了关于无线现场总线系统的几个挑选议题。无线电技术能给工业应用带来需要利益，其中之一就是可以省去铺设电缆而减少机器设备的时间。市场提供成熟的无线解决方案，像IEEE 802.11标准，IEEE 802.15.4 标准或蓝牙。然而，到现在为止，无线电技术在工厂层面并没有得到广泛的接受和认可。缺乏认可的一个原因就是无线通信的包通过错误频繁的无线信道上及时和成功传输方面产生的困难。随着适当的协议机制和传输方案的设计，连同这些方案的合理组合，由于那适当记录机制和传输的设计方案，连同小心组合一起这些方案，因此，增加工业应用中无线的技术的认可度的重要步伐正在进行。 以坚固协议堆叠为基础的方法能受益于放松使用者需求而且使应用更能应付错误。事实上，来自无线的领域一个观察感应器网络[29]是应用的联合设计(这里: 控制器)和网络堆叠，连同在网络堆叠本身里面仔细的跨一起层设计，比超过独立设计的零件可以给出更好的答案。 在无线现场总线系统的领域和无线的工业沟通中有许多研究机会。一个如此的机会包括对改善新的协议机制实时的能力的研究。设计和评价这样的机制的一个主要成份就是适当的表现措施的形成，基点应用和能够适应工业环境的无线的线路模型。另外的一个机会包括许多出现无线电技术(超宽波带，MIMO 技术，小型天线，无线的感应器网络)的评估，根据他们在工业应用上的应用潜力从科技和市场远景两个角度出发进行评估。然而另外的一个研究机会关于现场总线系统携带多媒体和传输控制协议交通和控制交通之外的一个趋势。结果，对适应无线电协议为这些数据类型支援有一个需要，这个需要不会降低对控制交通的服务品质。从一种实际的角度出发，工厂工程师需要软件工具进行计划，结构组合，和无线工业的网络维护。一组如此软件一个成份会需要到决定无线电台的安置和联结装置。一个最佳化目标可能是到将安装费用减到最少，满意的各个电台的实时需求。进一步的研究领域包括安全性，可动性支持。和实时传输的联合考虑和能源效率。 第 54 页 共 57 页