工业遥控系统RF通信协议

工业遥控系统RF通信协议

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范围

本协议约定工业遥控系统RF通信协议，本协议适用于工业遥控系统的射频数据通信。

2 规范性引用文件

无。 3 术语与定义

本标准术语定义引用:无。

4 网络物理描述

本标准物理层描述引用:无。

5 符号缩写的含义 表 1 符号缩写

符号 2-FSK AFC BER CRC ESR FIFO GFSK LBT LO MCU PA PD PQT RF RX SNR TBD VCO XOSC 含义 2进制频率转换按键 自动频率补偿 位误差率 循环冗余检查 等价串联阻抗 先进先出堆栈 高斯整形频率转换键控 发送之前侦测 局部振荡器 微控制器单元 功率放大器 功率降低 前导质量门限 电磁波频率 接收，接收模式 信噪比 待定义 电压控制振荡器 石英晶体振荡器 符号 ADC AGC CCA EIRP FEC FSK IF LNA LQI MSK PCB PQI RCOSC RSSI SAW SPI TX WOR XTAL 含义 模数转换器 自动增益控制 清理信道评估 等价等方性的辐射功率 前向误差校正 频移键控 中间频率 低噪声放大器 链接质量指示器 最小化转换按键 印制电路板 前导质量指示器 RC振荡器 接收信号长度指示器 接口水波 连续外围接口 发送，发送模式 电磁波激活，低功率拉电路 石英晶体 第 1 页 共 10 页

6 物理层

由于通信接口芯片采用TI公司的数字调制解调电路CC1100，调制方式为2-FSK，数据速率为38400 bps。物理层的帧格式依据CC1100的技术特点而设计。

6.1 CC1100物理层基本帧结构

图 1 基本帧结构

设计采用固定长度的报文，长度为21字节。并由CC1100硬件实现用户数据的循环码校验（CRC16）、交织编码（INTERLEAVING）、前向纠错（FEC）、数据白化（WHITENING），并在白化数据发送前插入前导码（我们编程为4字节），同步码结构（我们编程为4字节）。

软件通过编程CC1100控制寄存器，实现功能配置。

表 2 CC1100调制码参数配置

项目 内容 前导码 长度（字节） 4 数据 同步码 4 白化数据(CC1100生成) M 7 链路层

7.1 通信匹配地址

本系统采用点对点通信方式，只有通信地址匹配的报文才得到处理，通信地址不匹配的报文被丢弃，以确保系统的稳健可靠。对于港口起重等需要双遥控器情况，通过功能码扩展主、从遥控器。系统采用16位二进制匹配地址码，理论上支持65535套遥控系统。

7.2 通信连接

通信状态维护采用连接方式，除了信道管理相关的数据包外，其他遥控命令数据包的发送前均应检查无线信道连接状态，只有在连接正常的情况下，才启动数据包发送。

数据包发送时间分析：4+4+（21+2）*2=54字节，54*8/38.400=11.25ms。 再考虑通信的收发转换、频率校准、接收机的数据处理周期等开销，一问一答的开销约25ms。考虑到系统容余等因素，通信周期可设计为30ms。

7.2.1 信道连接的建立

遥控器开机后处在接收状态，进行信道统计。信道统计的方法为按信道表依次轮询，读取信道的RSSI值，统计出每个信道上的最大RSSI、最小RSSI，计算出每个信道的RSSI平均值。每个信道的统计时间为T3（信道统计时间）。为确保该信道不被同类设备占用，T3必须大于心跳包发送周期T2。从统计的信道中选取最好的信道进行连接。信道选取过程为：

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1， 最大RSSI与平均RSSI差值不超过10dBm，且平均RSSI小于-70dBm的信道作为可用信道；

统计出可用信道的平均RSSI值作为噪声参考值； 2， 在可用信道中选取平均RSSI值最小的信道进行连接； 3， 若没有可用信道，则选取所有信道中平均RSSI值最小的信道进行连接，所有信道的平均RSSI

值作为噪声参考值。

信道选取完成后，固定在此信道，转换成发送模式，开始发送连接请求，等待T4（等待应答超时），若收到应答数据包，建立连接，开始发送命令。若超时没有收到数据包，则重新发送连接请求。数据包发送采用CSMA/CA机制。若等待信道clear时间超过T7（CCA等待超时），不使用CSMA/CA机制，强行发送。最长发送周期T9= T7+T1+ T4。

接收机开机后处于接收状态，按信道表进行周期性查询。接收机信道查询时间T5>3个最长发送周期T9。也就是，接收机轮询到遥控器所在的频率后，最多有3次接收连接请求的机会。若接收到地址码匹配的数据包，建立连接，发送连接应答数据包。连接过程如图2。

若遥控器在一个信道上等待的时间T10（信道等待时间）超过1个接收机轮询周期T6，更换信道，在新的信道上等待接收机。

各段时间表如表二。 表 3 各段时间表 1个数据包发送时间T1 心跳包周期T2 信道统计时间T3 等待应答超时T4 接收机信道查询时间T5 接收机轮询周期T6 CCA等待超时T7 接收机超时等待时间T8 最长发送周期T9 信道等待时间T10

11.25 ms 200 ms 210 ms 20 ms 230 ms 230 ms *总信道数16=3680 40 530 ms 71.25 ms 3700 ms 图 2 连接请求命令与应答

7.2.2 信道连接的维护

考虑到无线信道的特点，要求遥控器、接收机分别设置连接状态寄存器及连接超时寄存器，并按如下状态转移模式进行连接维护。

连接成功后，遥控器开始发送命令数据包，若命令发出后经过等待应答超时T4没收到应答，则重发命令。重发命令模式与重发连接运行模式类似。若一个命令数据包重复发送3次后仍没收到应答包，则认为连接丢失，更换信道，在新的信道等待接收机。接收机若超时没收到遥控器的命令数据包，则认为连接丢失，继续按信道表查询。超时等待时间T8>4*最长发送周期T9。信道维护流程图如图4。

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遥控器端连接成功接收机端连接成功超时计时器复位超时计时器复位等待遥控超时发心跳包连接丢失应答失败(重发3次)遥控命令超时等待命令成功其他命令应答用户遥控应答成功连接丢失超时计数器复位

图 3 连接后的信道维护

7.2.3 跳频

若遥控器在一个信道上的等待时间超过T10未收到应答，或者连接上后重发次数已满还未收到应答，此时需要进行跳频。

跳频的过程为： 1，

再次统计当前信道的RSSI，若RSSI满足可用信道条件，且平均RSSI小于RSSI参考值，则继续停留在该信道发送连接报文，等待接收机

2，

如果当前信道不满足可用信道条件，则依次跳到下一个信道进行统计。直到找到一个满足条件的信道。

3，

若没有满足条件的信道，则使用所有信道中平均RSSI值最小的信道进行通信

7.3 数据发送模式

数据的发送采用CSMA/CS机制和应答机制。 1， CSMA/CS机制

考虑到在系统附近范围内可能存在多个同类系统，并且与这些系统存在使用相同信道的可能，有必要采用CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）机制来防止冲突发生和解决冲突问题。

在802.11(主要应用于无线局域网)和802.15.4（主要应用于Zigbee）中，都采取了CSMA/CA机制。这种机制在一些点到点的无线通信中也比较常见。其过程是：

(1)数据发送就绪时，先检查信道是否被占用。

(2)如果信道被占用，则等到介质空闲后，再随机退避一段时间，重复(1)过程。 (3)发送数据。

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