ISM频段无线通信模块设计

论文摘要

将X射线千伏(kV)测量值传输出屏蔽室的传统方法是使用长电缆线传输模拟信号或数字信号。当传输模拟信号时,由于电缆的漏电因素造成测量值误差较大,改用传输数字信号后仍不能克服布线灵活性差的缺点。本课题采用的是数字无线方式将X射线kV测量值传输出屏蔽室。课题来源于中国测试技术研究院开发的“X射线kV测量”课题中的“无线数据传输”子课题。由于无线频段的使用有严格的限制,该无线数据传输系统的数据接收/发射机工作设计在免许可的ISM的低UHF频段部分。由于ISM是开放性的频段,经常容易导致通信的堵塞或中断的现象。利用抗干扰技术解决此频段的通信稳定性问题,成为本课题研究的主要内容。跳频通信(FH)技术具有优良的抗干扰性能。目前,利用无线方式传输X射线kV测量值在国内未见有产品,同时在ISM频段下通信模块也没有采用抗干扰技术。因此,在研究了跳频通信相关技术和文献的基础上,结合现有产品,设计了满足X射线kV测量值要求的基于ISM频段的跳频通信模块。本文在分析了跳频技术特点的基础上,针对本项目的设计要求,首先在模块的选型和特点基础上介绍了X射线kV测量的无线通信模块各硬件部分的设计;由于X射线kV测量的现场环境对信号具有很强屏蔽作用,使用了868MHz的载波中心频率。接着在探讨了跳频通信的特点的基础上,设计了本通信模块的通信指令、数据包格式、差错控制方案、跳频同步、跳频序列方案和AFH跳频协议等。在模块调试和测试阶段,使用高级语言Visual Basic设计开发上层测试应用程序。通过串口,射频模块将接收到的数据包、RSSI/LQI指示、应答信号、频道号、重传信息等上传PC,使得PC机能够对通信的误码或中断状况,信道连接质量进行监控。对比测试表明,在特定干扰情况下该通信模块能够避开干扰频段,堵塞和中断的次数与无特定干扰时相比无明显变化,从而有效地保证了整机通信的效率,并为下一步在该频段下如何更可靠和有效的通信提供了有益的探讨和尝试。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 ISM频段概述
• 1.2 课题的来源及意义
• 1.3 抗干扰技术发展动态及前景
• 1.4 课题要求及本人工作
• 第二章 通信抗干扰原理与跳频技术
• 2.1 扩展频谱的理论
• 2.2 跳频通信原理
• 2.3 跳频伪随机序列
• 2.3.1 跳频图案
• 2.3.2 跳频序列族的理论
• 2.3.3 跳频伪随机序列族设计方法与比较
• 2.4 跳频系统的同步
• 第三章 硬件模块结构及设计
• 3.1 总体结构设计
• 3.2 处理器模块
• 3.3 射频工作模块
• 3.4 电平转换接口模块
• 3.5 电源模块
• 第四章 无线通信的软件模块设计
• 4.1 分层模型
• 4.2 单片机与射频模块协议
• 4.2.1 SPI协议
• 4.2.2 射频模块操作
• 4.3 通信协议设计
• 4.3.1 编码设计
• 4.3.2 差错控制
• 4.3.3 数据包设计
• 4.3.4 自适应跳频通信
• 4.4 同步协议设计
• 4.4.1 通信指令设计
• 4.4.2 同步捕获
• 4.4.3 跳频通信
• 4.5 跳频序列族设计
• 4.6 应用层接口设计
• 第五章 无线通信模块验证与测试
• 5.1 底层软件功能测试及优化
• 5.2 验证与测试的方案
• 5.3 常规参数测试
• 5.4 跳频参数测试
• 5.5 干扰及频道占用对本设计通信的影响测试
• 5.5.1 不跳频时数据包丢失数测试
• 5.5.2 无干扰机时跳频通信测试
• 5.5.3 特定干扰机对跳频通信影响测试
• 5.6 验证与测试结论
• 第六章 结束语
• 6.1 结论
• 6.2 改进和展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间的研究成果