在噪聲和干擾環(huán)境中運行的嵌入式通信系統(tǒng)解決方案

當(dāng)受到電磁干擾時，發(fā)射器和接收器之間的通信就會中斷。當(dāng)出現(xiàn)干擾信號時，電磁頻譜的某一區(qū)域?qū)o法使用。無線電、移動電話、GPS、M2M、藍(lán)牙、Wi-Fi、工業(yè)/科學(xué)/醫(yī)療（ISM）射頻模塊和衛(wèi)星連接等系統(tǒng)是當(dāng)今在超高頻（UHF）頻段工作的主要通信系統(tǒng)，當(dāng)這些系統(tǒng)因噪聲而無法使用時，就需要一個應(yīng)急通信系統(tǒng)。1

該系統(tǒng)應(yīng)結(jié)合自動信道掃描、跳頻和信道監(jiān)聽，并利用接收信號強度指示器（RSSI）信息區(qū)分噪聲和數(shù)據(jù)，以提供多信道廣播和接收。本文介紹了一種安全無線通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)可在電磁噪聲和干擾的影響下進(jìn)行自動信道掃描和信道同步，以創(chuàng)建新的通信信道。該系統(tǒng)是通過芯片上的可編程系統(tǒng)平臺實現(xiàn)的。

對幾種商用射頻接收器、射頻發(fā)射器和射頻接收器/發(fā)射器模塊進(jìn)行了研究。之所以選擇HopeRF RFM22B收發(fā)器模塊，是因為它具有信道選擇、跳頻、RSSI反饋和多信道射頻通信功能。

然而，實現(xiàn)設(shè)計的功能是算法和嵌入式系統(tǒng)平臺的能力。目前有多種平臺可供選擇，包括Raspberry Pi、2 Zynq、3 Jetson、4 Altera CycloneII、5 Beagle Bone、6 Odroid、7 STM328和Cypress PSoC9。本研究采用Cypress PSoC，因為它具有CPU內(nèi)核和可配置的模擬與數(shù)字模塊，這使其有別于傳統(tǒng)微控制器。Cypress PSoC在算法的實施、開發(fā)和調(diào)試階段為設(shè)計人員提供了易用性。

在這一設(shè)計中，有一個提供待發(fā)送數(shù)據(jù)的主電路、一個接收發(fā)送數(shù)據(jù)的副電路和一個噪聲發(fā)生器，用于測試通信系統(tǒng)在干擾情況下的性能。噪聲發(fā)生器充當(dāng)干擾器，在所需信道上進(jìn)行廣播。主設(shè)備確保鍵盤輸入的數(shù)據(jù)在不含噪聲的空信道上傳輸。副設(shè)備與主設(shè)備調(diào)諧的信道同步捕獲數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)已接收的通知也會發(fā)送到主設(shè)備。相關(guān)算法可確保數(shù)據(jù)以安全可靠的方式傳輸。10-13

系統(tǒng)描述

RFM22B是一款低成本無線ISM收發(fā)器模塊，工作頻率范圍為240-960MHz。它在接收模式下的功耗為55.5mW，在發(fā)射模式下的最大功耗為265mW。RFM22B通信模塊的接收靈敏度為-121dBm，最大輸出功率為+20dBm?？紤]到工作頻率下的自由空間路徑損耗，這些模塊可在開放空間內(nèi)提供長距離通信。

天線分集和跳頻支持可用于擴展范圍和提高性能。自動喚醒定時器、低電量檢測器、64字節(jié)Tx/Rx-FIFO、自動數(shù)據(jù)包處理和前置信號檢測等附加系統(tǒng)功能可降低總體功耗，并支持使用低成本系統(tǒng)MCU。14

Cypress PSoC包含一個CPU內(nèi)核以及可配置的模擬和數(shù)字模塊，這使其有別于傳統(tǒng)的微控制器。PSoC和RFM22B模塊使用串行外設(shè)接口(SPI)協(xié)議進(jìn)行通信。SPI連接如圖1所示。RFM22B通過SCLK、SDI和nSEL引腳接收PSoC的數(shù)據(jù)。PSoC從RFM22B收發(fā)器的SDO輸出引腳讀取數(shù)據(jù)。通過Cypress PSoC Creator軟件，可以為PSoC 5LP片上系統(tǒng)生成程序。

圖1 PSoC Creator程序中RFM22B的SPI連接。

通信協(xié)議用于寫入或讀取集成在PSoC上的寄存器。SPI數(shù)據(jù)交換如下：

1比特讀寫選擇比特（R/W）以16比特字符串的形式出現(xiàn)，其后7比特為地址空間，最后8比特為數(shù)據(jù)。在這里，如果讀寫選擇比特為0，則從7比特地址讀取數(shù)據(jù)，如果為1，則向7比特地址寫入數(shù)據(jù)。

在寫入所需地址后，SS引腳置零，R/W比特置1，所需地址將在隨后的7比特中發(fā)送。地址之后的8比特數(shù)據(jù)也以這種方式寫入所需地址。寫入是通過在時鐘信號上升沿傳輸一個比特來完成的。

在SPI協(xié)議中，必須先將SS引腳置零，才能開始數(shù)據(jù)交換，而且必須以這種方式選擇副電路。如果沒有選擇副電路，則無法進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。在讀取操作中，R/W比特被置零，地址在隨后的7比特中發(fā)送。地址后面的8比特數(shù)據(jù)被置零，并填充從該地址讀取的數(shù)據(jù)。與寫操作一樣，該操作在時鐘信號的上升沿執(zhí)行。

RFM22B采用SPI協(xié)議編程，允許使用頻移鍵控(FSK)、15 高斯頻移鍵控(GFSK)16和開/關(guān)鍵控(OOK)17調(diào)制類型。

主電路和副電路設(shè)計

嵌入式系統(tǒng)設(shè)計采用PSoC 5LP片上系統(tǒng)（圖2）。在主電路中，有一個用于輸入數(shù)據(jù)的鍵盤、一個2x16 LCD用戶界面屏幕、一個RFM22B收發(fā)器模塊和一個用于產(chǎn)生多通道射頻信號的天線單元。在副電路中，鍵盤的使用是可選的，單向通信則不需要鍵盤。

圖2 主電路和副電路框圖。

在主電路中，采用I2C串行通信協(xié)議的微型鍵盤(cardKB)用于向系統(tǒng)輸入數(shù)據(jù)。它的尺寸僅為84×54mm，有50個按鍵、一個neopixel LED、一個Atmega328P處理器和一個通信端口。使用shift、ctrl、alt、sym和fn鍵可以發(fā)送不同的字符。

圖3是采用CY8C5868AXI-LP035型PSoC的主/副電路的原理圖。PSoC采用100引腳薄型四扁平封裝，由24MHz晶振提供時鐘。串行線調(diào)試編程輸出用于方便編程操作。

圖3 主/副電路圖。

噪聲發(fā)生器電路可進(jìn)行外部參數(shù)調(diào)整，也可用作測試干擾器（圖4）。噪聲發(fā)生器電路中的微型開關(guān)（DIP開關(guān)）用于選擇噪聲注入的頻段。

圖4噪聲發(fā)生器電路框圖

通信系統(tǒng)印刷電路板（PCB）如圖5所示。紅色為主電路板和副電路板，黑色為多通道射頻噪聲注入電路板。

圖5 制作的通信系統(tǒng)印刷電路板組件。

實驗結(jié)果

圖6的設(shè)置用于系統(tǒng)評估。

圖6測試電路框圖

情景1：在有噪聲的情況下從不同信道傳輸數(shù)據(jù)包

在第一種情況下，在傳輸由八個字母"DATATEST"組成的樣本信息時，在不同信道中注入噪聲，以檢驗系統(tǒng)的動態(tài)行為。單詞"DATATEST"的每個字母以1秒的間隔傳輸，系統(tǒng)通電時環(huán)境中沒有噪聲信號。

在信道無噪聲期間，"DATA"從頻率為300MHz的信道1發(fā)送到接收機。緊接著，噪聲發(fā)生器啟動，噪聲被注入300至340MHz頻段?？招诺罀呙杷惴ㄩ_始查詢其他信道，以傳輸數(shù)據(jù)串的剩余部分。由于頻率在300和340MHz之間的信道中存在噪聲，頻率為350MHz的信道6上的主單元和副單元建立了連接，并發(fā)送了"TE"。此時，噪聲被注入350至380MHz頻段。同樣，信道掃描算法在390MHz的信道10上建立連接，發(fā)送最后兩個字母"ST"。這樣，數(shù)據(jù)包的傳輸（盡管是部分傳輸）就完成了。情景1的頻譜分析儀截圖如圖7所示。在不同時間信道隨機產(chǎn)生噪聲的情況下，信道跳頻成功地傳輸了測試數(shù)據(jù)。圖8進(jìn)一步說明了這一點。

圖7 隨機噪聲注入情況下的自動跳頻性能：在信道中無噪聲的情況下，從頻率為300MHz的信道1向接收機發(fā)送"DATA"（a）；信道1至5中存在噪聲，在頻率為350MHz的信道6向接收機發(fā)送"TE"（b）；信道1至9中存在噪聲，在頻率為390MHz的信道10向接收機發(fā)送"ST"（c）。

圖8 存在噪音時的數(shù)據(jù)包傳輸。

情景2：注入動態(tài)噪聲的圖像傳輸

傳輸符號"1"的5×5像素灰度圖像（圖9a）。每個像素在黑白之間有255種色調(diào)。當(dāng)環(huán)境中沒有噪聲時，預(yù)計所有數(shù)據(jù)都在同一信道上傳輸。然而，在存在時變噪聲的情況下，數(shù)據(jù)包可能不會完全在同一信道上傳輸，而是從不同的信道上分批傳輸。

這些信息通過頻率為300MHz的第一信道傳輸。當(dāng)在t1至t3時間間隔內(nèi)向300MHz信道注入噪聲時，第二和第三個像素的灰度值（25和66）將從頻率為310MHz的第二個信道傳輸。由于t3至t25時間間隔內(nèi)的噪聲隨機變化，數(shù)據(jù)部分在最合適的空信道中傳輸（圖9b）。

圖9 隨時間變化的圖像數(shù)據(jù)傳輸與動態(tài)噪聲注入：圖像映射（a）和傳輸頻率與時間間隔（b）。

結(jié)論

一種新型通信系統(tǒng)采用PSoC實現(xiàn)了掃描功能。它能在出現(xiàn)噪聲或干擾時改變信道，同時通過檢測到的清晰信道保持?jǐn)?shù)據(jù)流。所開發(fā)系統(tǒng)中用于信道掃描、發(fā)射機-接收機同步和成功接收的信息確認(rèn)算法非常新穎。

RFM22B可使用FSK、GFSK和OOK調(diào)制技術(shù)。它使用SPI串行通信協(xié)議進(jìn)行通信。PSoC SPI模塊簡化了射頻模塊的編程。

主設(shè)備確保從鍵盤輸入的數(shù)據(jù)通過第一個無噪聲的空閑信道傳輸。副設(shè)備通過掃描空閑信道從主設(shè)備獲取數(shù)據(jù)。

在嘈雜的環(huán)境中，通過在使用所開發(fā)算法創(chuàng)建的信道之間循環(huán)，可確保安全的射頻通信。已演示原型的主、副和噪聲發(fā)生器電路支持240-960MHz的頻率范圍（300-400MHz的頻率范圍用于測試），并給出了多通道系統(tǒng)的一般解決方案。

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