嵌入式通信系统解决方案

在噪声和干扰环境中运行的嵌入式通信系统解决方案

Burak Tasci, Vocational School of Technical Sciences, Firat University, Elazig,Turkey and Yavuz Erol, Department of Electrical and Electronic Engineering, Firat University, Elazig,Turkey

当受到电磁干扰时，发射器和接收器之间的通信就会中断。当出现干扰信号时，电磁频谱的某一区域将无法使用。无线电、移动电话、GPS、M2M、蓝牙、Wi-Fi、工业/科学/医疗（ISM）射频模块和卫星连接等系统是当今在超高频（UHF）频段工作的主要通信系统，当这些系统因噪声而无法使用时，就需要一个应急通信系统。¹

该系统应结合自动信道扫描、跳频和信道监听，并利用接收信号强度指示器（RSSI）信息区分噪声和数据，以提供多信道广播和接收。本文介绍了一种安全无线通信系统，该系统可在电磁噪声和干扰的影响下进行自动信道扫描和信道同步，以创建新的通信信道。该系统是通过芯片上的可编程系统平台实现的。

对几种商用射频接收器、射频发射器和射频接收器/发射器模块进行了研究。之所以选择HopeRF RFM22B收发器模块，是因为它具有信道选择、跳频、RSSI反馈和多信道射频通信功能。

然而，实现设计的功能是算法和嵌入式系统平台的能力。目前有多种平台可供选择，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，因为它具有CPU内核和可配置的模拟与数字模块，这使其有别于传统微控制器。Cypress PSoC在算法的实施、开发和调试阶段为设计人员提供了易用性。

在这一设计中，有一个提供待发送数据的主电路、一个接收发送数据的副电路和一个噪声发生器，用于测试通信系统在干扰情况下的性能。噪声发生器充当干扰器，在所需信道上进行广播。主设备确保键盘输入的数据在不含噪声的空信道上传输。副设备与主设备调谐的信道同步捕获数据。数据已接收的通知也会发送到主设备。相关算法可确保数据以安全可靠的方式传输。^10-13

系统描述

RFM22B是一款低成本无线ISM收发器模块，工作频率范围为240-960MHz。它在接收模式下的功耗为55.5mW，在发射模式下的最大功耗为265mW。RFM22B通信模块的接收灵敏度为-121dBm，最大输出功率为+20dBm。考虑到工作频率下的自由空间路径损耗，这些模块可在开放空间内提供长距离通信。

天线分集和跳频支持可用于扩展范围和提高性能。自动唤醒定时器、低电量检测器、64字节Tx/Rx-FIFO、自动数据包处理和前置信号检测等附加系统功能可降低总体功耗，并支持使用低成本系统MCU。¹⁴

Cypress PSoC包含一个CPU内核以及可配置的模拟和数字模块，这使其有别于传统的微控制器。PSoC和RFM22B模块使用串行外设接口(SPI)协议进行通信。SPI连接如图1所示。RFM22B通过SCLK、SDI和nSEL引脚接收PSoC的数据。PSoC从RFM22B收发器的SDO输出引脚读取数据。通过Cypress PSoC Creator软件，可以为PSoC 5LP片上系统生成程序。

图1 PSoC Creator程序中RFM22B的SPI连接。

通信协议用于写入或读取集成在PSoC上的寄存器。SPI数据交换如下：

1比特读写选择比特（R/W）以16比特字符串的形式出现，其后7比特为地址空间，最后8比特为数据。在这里，如果读写选择比特为0，则从7比特地址读取数据，如果为1，则向7比特地址写入数据。

在写入所需地址后，SS引脚置零，R/W比特置1，所需地址将在随后的7比特中发送。地址之后的8比特数据也以这种方式写入所需地址。写入是通过在时钟信号上升沿传输一个比特来完成的。

在SPI协议中，必须先将SS引脚置零，才能开始数据交换，而且必须以这种方式选择副电路。如果没有选择副电路，则无法进行数据交换。在读取操作中，R/W比特被置零，地址在随后的7比特中发送。地址后面的8比特数据被置零，并填充从该地址读取的数据。与写操作一样，该操作在时钟信号的上升沿执行。

RFM22B采用SPI协议编程，允许使用频移键控(FSK)、¹⁵ 高斯频移键控(GFSK)¹⁶和开/关键控(OOK)¹⁷调制类型。

主电路和副电路设计

嵌入式系统设计采用PSoC 5LP片上系统（图2）。在主电路中，有一个用于输入数据的键盘、一个2×16 LCD用户界面屏幕、一个RFM22B收发器模块和一个用于产生多通道射频信号的天线单元。在副电路中，键盘的使用是可选的，单向通信则不需要键盘。

图2 主电路和副电路框图。

在主电路中，采用I²C串行通信协议的微型键盘(cardKB)用于向系统输入数据。它的尺寸仅为84×54mm，有50个按键、一个neopixel LED、一个Atmega328P处理器和一个通信端口。使用shift、ctrl、alt、sym和fn键可以发送不同的字符。

图3是采用CY8C5868AXI-LP035型PSoC的主/副电路的原理图。PSoC采用100引脚薄型四扁平封装，由24MHz晶振提供时钟。串行线调试编程输出用于方便编程操作。

图3 主/副电路图。

噪声发生器电路可进行外部参数调整，也可用作测试干扰器（图4）。噪声发生器电路中的微型开关（DIP开关）用于选择噪声注入的频段。

图4 噪声发生器电路框图

通信系统印刷电路板（PCB）如图5所示。红色为主电路板和副电路板，黑色为多通道射频噪声注入电路板。

图5 制作的通信系统印刷电路板组件。

实验结果

图6的设置用于系统评估。

图6 测试电路框图

情景1：在有噪声的情况下从不同信道传输数据包

在第一种情况下，在传输由八个字母”DATATEST”组成的样本信息时，在不同信道中注入噪声，以检验系统的动态行为。单词”DATATEST”的每个字母以1秒的间隔传输，系统通电时环境中没有噪声信号。

在信道无噪声期间，”DATA”从频率为300MHz的信道1发送到接收机。紧接着，噪声发生器启动，噪声被注入300至340MHz频段。空信道扫描算法开始查询其他信道，以传输数据串的剩余部分。由于频率在300和340MHz之间的信道中存在噪声，频率为350MHz的信道6上的主单元和副单元建立了连接，并发送了”TE”。此时，噪声被注入350至380MHz频段。同样，信道扫描算法在390MHz的信道10上建立连接，发送最后两个字母”ST”。这样，数据包的传输（尽管是部分传输）就完成了。情景1的频谱分析仪截图如图7所示。在不同时间信道随机产生噪声的情况下，信道跳频成功地传输了测试数据。图8进一步说明了这一点。

图7 随机噪声注入情况下的自动跳频性能：在信道中无噪声的情况下，从频率为300MHz的信道1向接收机发送”DATA”（a）；信道1至5中存在噪声，在频率为350MHz的信道6向接收机发送”TE”（b）；信道1至9中存在噪声，在频率为390MHz的信道10向接收机发送”ST”（c）。

图8 存在噪音时的数据包传输。

情景2：注入动态噪声的图像传输

传输符号”1″的5×5像素灰度图像（图9a）。每个像素在黑白之间有255种色调。当环境中没有噪声时，预计所有数据都在同一信道上传输。然而，在存在时变噪声的情况下，数据包可能不会完全在同一信道上传输，而是从不同的信道上分批传输。

这些信息通过频率为300MHz的第一信道传输。当在t1至t3时间间隔内向300MHz信道注入噪声时，第二和第三个像素的灰度值（25和66）将从频率为310MHz的第二个信道传输。由于t3至t25时间间隔内的噪声随机变化，数据部分在最合适的空信道中传输（图9b）。

图9 随时间变化的图像数据传输与动态噪声注入：图像映射（a）和传输频率与时间间隔（b）。

结论

一种新型通信系统采用PSoC实现了扫描功能。它能在出现噪声或干扰时改变信道，同时通过检测到的清晰信道保持数据流。所开发系统中用于信道扫描、发射机-接收机同步和成功接收的信息确认算法非常新颖。

RFM22B可使用FSK、GFSK和OOK调制技术。它使用SPI串行通信协议进行通信。PSoC SPI模块简化了射频模块的编程。

主设备确保从键盘输入的数据通过第一个无噪声的空闲信道传输。副设备通过扫描空闲信道从主设备获取数据。

在嘈杂的环境中，通过在使用所开发算法创建的信道之间循环，可确保安全的射频通信。已演示原型的主、副和噪声发生器电路支持240-960MHz的频率范围（300-400MHz的频率范围用于测试），并给出了多通道系统的一般解决方案。