基于单片机的嵌入式多节点网络通信系统设计

杨娜

摘 要： 为解决传统网络通信系统存在数据传输速度慢、传输能耗高及稳定性差的问题，提出一种基于单片机的嵌入式多节点网络通信系统设计。将C8051F020高速8位单片机作为嵌入式多节点网络通信系统的主控芯片，采用HCNR200线性光耦对运放电路滤波以及调节，根据低压差线性稳压器对电源输出电压进行转换，将主控芯片与系统各组成模块进行连接，通过双频结构实现对节点数据传输能耗的控制。在系统的软件部分设计中设定一个阈值，当簇群中的通信距离与簇群间的通信距离小于该阈值时，通信信道为休眠状态；当簇群中的通信距离与簇群间的通信距离大于该阈值时，则信道立即执行任务，由此完成网络通信系统的设计。实验结果证明，所提方法提升了系统的稳定性，降低了网络通信节点的传输能耗，且提高了数据的传输速度。

关键词： 传输能耗； 嵌入式； 多节点； 稳压器； 阈值； 网络通信系统

中图分类号： TN919?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）11?0013?04

Design of embedded multi?node network communication

system based on single chip microcomputer

YANG Na

（School of Information and Electronic Engineering， Shangqiu Institute of Technology， Shangqiu 476000， China）

Abstract： The traditional network communication system has the problems of low data transmission speed， high transmission energy consumption and poor stability. Therefore， a design of embedded multi?node network communication system based on single chip microcomputer is presented. The high?speed 8?bit microcontroller C8051F020 is taken as the main control chip of the embedded multi?node network communication system. The linear optocoupler HCNR200 is used to filter and regulate the operational amplifier circuit. The low dropout linear regulator is used to convert the output voltage of power supply. The main control chip is connected with each module of the system to control the transmission energy consumption of node data by means of dual?band structure. A threshold is set in the software of the system. If the communication distance in the cluster or the communication distance among the clusters is less than the threshold， the communication channel maintains a sleep state； otherwise the channel executes the task immediately， by which the design of network communication system can be accomplished. The experimental results show that the proposed method can enhance the stability of the system， reduce the transmission energy consumption of the network communication node， and improve the speed of data transmission.

Keywords： transmission energy consumption； embedded system； multi?node； voltage regulator； threshold； network communication system

0 引 言

在网络通信发展的历程中，出现了短波通信系统、微波通信系统以及移动通信等。不同的网络通信系统存在不同的利弊，这使得现代的网络通信具有多样化[1?3]。该多样化使其在军事领域、环境监测领域、建筑安全检测领域和医疗卫生领域中有着广泛的应用[4?6]。计算机技术的发展速度越来越快，使其也渗透到了社会和科技发展以及生活的方方面面，而其中的嵌入式多节点网络通信系统成为当前亟待解决的问题[7]。

为了达到总线数据的传输速率，文献[8]提出基于以太网的网络通信系统设计方法。该系统以TMS320C6748作为硬件的基础，TMS320C6748中有一个10/100 Mb自适应网络接口，不仅能够实现对大量数据的处理，而且还能够直接和上位机进行通信，并不需额外硬件平台，这个系统具有固定和可变的IP地址，能够定时上传采样数据。实验表明该方法具有稳定性和可靠性，但是数据传输的能耗较高。文献[9]提出一种基于多种参数混合封装技术的网络通信系统设计。此系统利用STC89C52定时计数采集器、无线自组网、上位机三部分组成，并结合实际应用对该系统的硬件部分进行设计。实验结果表明，该方法较为简单，但在运行中存在误差较大的问题。

当前大部分嵌入式多节点网络通信系统设计方法，均无法实现能耗的高效控制，这促使网络通信系统设计要进一步创新。

1 网络通信系统设计

1.1 网络通信系统整体框架

根据网络通信系统主要功能的需求，该系统主要由主控制器、数据传输模块、接口电路模块、数据采集模块、数据存储模块、电源模块等部分组成，如图1所示。其中，比较重要的部分中的数据存储是为了对网络通信节点数据更加完整地进行保存，以弥补因无网络传输带来数据丢失的现象。主控制器主要负责网络通信系统中各个功能模块的协调工作。

1.2 嵌入式多节点网络通信系统主控制器模块

嵌入式多节点网络通信系统根据C8051F020高速8位单片机作为主控制芯片。图2中的模拟外设中有1个片内12位SAR ADC0，还有8个外部输入，其中ADC工作于100 kS/s最大采样速率中，能够提供高精度的数据传输。图2中的数字I/O中，一共有64个通用的8个字节宽的端口I/O，能够将通信节点数据的传输达到最优状态。其中所有的接口线都是5 V电压，片内的定时器以及串行总线等数字信号均可利用设置将控制状态达到最佳。

1.3 网络通信系统数据采集模块

在网络通信节点数据采集模块中，利用LM324构建的运放电路实现数据采集模拟量缩小倍数处理。LM324作为四运放集成电路，其内部包括4组显示相似的运算放大器，其中，除了电源共用，4组运放均是独立的，其有5个引脚，有“+”、“-”两个节点数据信号输入端。嵌入式多节点网络通信系统数据采集模块中采用HCNR200线性光耦对运放电路滤波以及调节，HCNR200光电耦合器由3个光电元件构成，其主要的技术指标是：具有正负0.05%的最大线性误差，HCNR200中含有最大15%的传输增益偏差；具有比较宽的带宽，由DC至1 MHz以上；绝缘电阻达到了1 013 Ω，输入与输出的回路间分布的电容是0.4 pF。HCNR200能够广泛应用于需具有良好稳定性以及带宽模拟信号的隔离场合，且从图3中可以明显看出，对LM324供电的方式采取了±12 V的电源。

1.4 網络通信系统电源模块

网络通信系统电源模块负责为系统的各个模块进行供电，以保障节点数据传输能耗控制的正常运行，如图4所示。系统中数据传输的工作电压是5 V，由此在给各个模块进行供电时，需要利用低压差线性稳压器（LDO）对电源输出电压进行转换。然而LDO工作时会生成噪声，所以在选取LDO时需要考虑噪声输出和电流输出以及电压幅度等问题。LDO是一种低功耗低压差线性稳压器，其在输入输出电压差比较小时，直流输出的电压还会维持在一个稳定值，且有极高自有噪声与较高电源抑制比，LDO基本结构十分简单，其中包含电压的基准源、调整管等，还包括气动电路、使能电路以及保护电路等结构。

2 网络通信系统软件设计

根据上述对网络通信系统的硬件设计，得到系统的框架和各个组成模块，在以C8051F020作为系统核心的基础上，如何高效地利用节点能量并最大程度地延长网络生存周期成为本节需要解决的问题。

通信节点能够根据能量控制技术，通过通信距离的大小于两种信道模式切换，则节点传送的长度是[l] bit的数据与之距离为[d]的网络通信系统所耗能量为：

[ETxl，d=lEelec+lεfsd2， d

式中：[lEelec]代表数据传输进行数据编码、滤波等过程消耗的能量；[lεfsd2]和[lεmpd4]代表数据发送端和接收端间的距离与可以接受的误比特率。根据式（1）选取对应发送方式发射功率放大器的能量消耗。在这里假设通信的距离都小于阈值[dcrossover]。针对大于阈值的情况，其分析方法类似。通信节点收到一个[l] bit的数据消耗的能量为：

[ERxl=lEelec] （2）

综上，节点转发数据的过程分为两个步骤：先接收来自其他通信节点的数据；其次将其发送出去。则转发1个[l] bit数据的能耗为：

[Erelayl，d=lEelec+lεfsd2] （3）

簇群内与簇群之间的通信都根据无碰撞MAC协议完成，不考虑由于碰撞与重发产生的能量消耗，将网络生命周期[Tnetwork]描述成出现第一个由于电能耗尽，导致的失效节点传输需要的时间。另外，网络能够划分为时间驱动型与数据采集型。节点没有传输任务时处于休眠的状态，用来节省能量，如果周围的环境有变化或者是节点数据传输的周期一到，就会马上被唤醒，并执行监测传输的任务。

3 实验结果与分析

在实验过程中，由于网络通信的环境不确定，应用于各种情况下都有可能，在不同环境下节点传输控制的效果也不相同。本文在以下情况下进行实验，并将实验平台搭建在Visual C上。

1） 当周围的物体比较多时，把网络节点传输的收发距离设置为10 m，接收灵敏度设置为2～3 s，观察不同方法在进行节点传输能耗控制时的误比特率，实验结果如图5所示。

根据图5可知，本文方法数据传输的误比特率方面与其他文献方法相比具有明显的优势，本文方法设计的网络通信系统根据C8051F020高速8位单片机作为主控制芯片设计完成，降低了数据传输的误比特率。

2） 选择一块空旷的场地，将网络通信节点输出的距离设置为15 m，数据接收的灵敏度为1～2 s，将不同讨论方法传输能耗控制情况进行对比，结果如图6所示。

由图6可知，本文方法网络通信节点传输能耗控制模块采用双频结构实现对节点数据传输能耗的控制，并且为了提高能耗控制模块电路逻辑单元性能，利用较低频域的晶体管设计能耗控制模块，较好地控制了网络通信系统的传输能耗。

3） 网络通信节点传输速率是检验嵌入式多节点网络通信系统设计方法的重要指标。不同方法的数据传输速率如图7所示。

通过图7可知，本文方法节点传输能耗控制覆盖率明显比其他文献所提方法的节点传输能耗控制覆盖率高。本文方法所设计的网络通信系統的接口模块分为直接连接方式和间接连接方式，覆盖率较高，同时也提高了能耗控制的覆盖率，证明了本文方法具有可靠性。

4 结 语

本文以C8051F020为核心，根据各辅助模块组建嵌入式多节点网络通信系统，具有稳定性好、功耗控制精度高等优点。可有效解决当前网络通信系统设计方法中存在的弊端，对该领域发展具有重要意义。

参考文献

[1] ZOU J， YU H， MIAO W， et al. Packet?based preamble design for random access in massive IoT communication systems [J]. IEEE access， 2017， 5（99）： 11759?11767.

[2] 边倩.安全智能无线网络通信系统设计与实现[J].中国新通信，2016，18（23）：46.

BIAN Qian. Design and implementation of secure intelligent wireless network communication system [J]. China new telecommunications， 2016， 18（23）： 46.

[3] 吴小涛.基于VLAN技术的网络通信系统设计[J].无线互联科技，2016，27（8）：1?2.

WU Xiaotao. Design of a network communication system based on VLAN [J]. Wireless interconnect technology， 2016， 27（8）： 1?2.

[4] 徐桢迪，蒋志豪，薛舜文.实时网络通信系统的分析和设计[J].通讯世界，2015，57（6）：3.

XU Zhendi， JIANG Zhihao， XUE Shunwen. Analysis and design of real time network communication system [J]. Telecom world， 2015， 57（6）： 3.

[5] ZHOU Y H， DUAN J G. Design and simulation of a wireless sensor network greenhouse?monitoring system based on 3G network communication [J]. International journal of online engineering， 2016， 12（5）： 48?65.

[6] ZHU L， YU F R， TANG T， et al. An integrated train?ground communication system using wireless network virtualization： security and quality of service provisioning [J]. IEEE transactions on vehicular technology， 2016， 65（12）： 9607?9616.

[7] 王菲.无线传感网络低空干扰下的通信优化模型仿真[J].计算机仿真，2015，32（1）：331?334.

WANG Fei. Simulation of communication optimization model of wireless sensor network under low altitude interference [J]. Computer simulation， 2015， 32（1）： 331?334.

[8] 陈文庆.非线性网络通信系统的稳定性控制模型仿真[J].科技通报，2015，31（12）：77?79.

CHEN Wenqing. Stability control model simulation of nonlinear network communication system [J]. Bulletin of science and technology， 2015， 31（12）： 77?79.

[9] 缪竟鸿，王薇，武志刚，等.基于STM32F103的无主机通信系统的设计[J].科学技术与工程，2017，17（4）：223?229.

MIAO Jinghong， WANG Wei， WU Zhigang， et al. Design of non?central?switch calling system based on STM32F103 [J]. Science technology and engineering， 2017， 17（4）： 223?229.