基于单片机的嵌入式多节点网络通信系统设计研究

中国人民解放军海军七零一工厂 冯婷婷

1.前言

传统的网络通信系统在设计与应用过程中逐渐暴露出来数据传输慢与能源损耗高等问题，因而本文针对这一情况提出了以单片机为基础的嵌入式多节点网络通信系统的设计方法，该系统的主控芯片采用了C8051F020高速8位单片机，通过线性光耦设备来实现对于电路滤波的有效运放与调节，通过有效方式实现电源输出电压的转换，设计双频结构来对传输数据中产生的能源损耗进行控制。

网络环境下，网络通信系统经历了多种设计方法，并且产生了不同的效果，现代化的网络通信系统设计愈发多元，并且推动了网络通信系统在更多领域中的应用，包括军事通信、环境监测、建筑工程、金融货代等领域。在计算机技术与信息技术高速发展的当下，设计更加优化的网络通信系统已经成为必然。

2.嵌入式系统与网络通信系统

2.1 嵌入式系统

嵌入式系统的技术核心为计算机技术，在实际的构建中采用了嵌入式处理装置与相应的硬件设备共同构成，需要采用行之有效的操作系统进行控制，以实现对于装置与设备的有效控制与操作。在这个过程中，嵌入式处理设备作为嵌入式系统的重要核心，可以实现外围功能的有效集中，以保证系统的集成操作。基于现有的设备运行环境与运行需求进行个性化设计，以保障系统运行效率与运行质量。在网络技术高速发展的今天，嵌入式系统的构建与设计需要以网络环境为基础，在网络互联的情况下进行网络接口的安装，以保证嵌入式网络构建与发展的科学性。考虑到嵌入式网络通信系统在体积方面较小，因此数据信息的存储量并不太大，因此在实际的软件开发过程中要保证其数据存储效果，以满足系统的实用性要求。

2.2 网络通信系统设计

就目前来看，出于保障嵌入式网络通信系统数据传输速率的考量，陈文庆在《非线性网络通信系统的稳定性控制与模型仿真》中提出了一种以以太网为基础的网络通信系统设计方法，该设计方法所采用的硬件基础为TMS320C6748，该硬件基础所具备的自适应网络接口可以满足大体量数据的有效处理，并构建与上位机之间的信息通信渠道，因而无需搭配系统以外的硬件平台。同时，该系统设计中采用了固定与可变IP两种形式，因此可以实现对于采样数据的定时上传。该实验与研究所提出的方法具备较高的稳定性与可靠性，但在这个过程中会产生较高的数据传输能源损耗[1]。缪竟鸿、王薇等人在《基于STM32F103的无主机通信系统的设计》中提出的以多种参数混合封装技术为基础的网络通信系统，该系统采用了定时数据采集装置与无线自组网等装置与设备，需要设计其硬件部分，该网络通信系统的设计与搭建较为简单，但在实验中也暴露出了较大的误差。就目前而言，大多数的嵌入式多节点网络通信系统设计还没有办法可以实现对于能源损耗的有效控制，因此还需要加以进一步创新与优化[2]。

3.网络通信系统设计

3.1 系统框架

基于单片机的嵌入式多节点网络通信系统设计，首先需要确定该系统框架。基于其功能性需求，该系统应当包括控制器、数据采集、传输与存储模块、接口电路模块、电源模块等。而数据存储是其中较为重要的组成部分，该模块是出于保障网络通信系统节点数据完整存储的考量，以避免由于网络中断而导致的数据真实性与完整性缺失问题。主控制器需要保障网络通信系统功能模块运作的协调性。如图1所示。

图1 系统功能框架

3.2 主控制器模块

基于单片机的嵌入式多节点网络通信系统的主控制芯片可以采用C8051F020高速8位单片机，搭配以8个外部输入，其中的ADC在最大采样速率中运行，可以保证数据传输的精度。数字I/O包含的8字节宽端口共计64个，可以保障数据通信节点传输的最优化。接口线采用5V电压，通过可控装置保证其片内定时装置与串行总线等数字信号的最优化。

3.3 数据采集模块

数据采集模块可以采用单电源四路运算放大器构建运放电路，对数据采集模拟量倍数进行缩小处理。所采用的单电源思路运算放大器内部所含有的4组运算放大器，该数据采集模块具备共用电源，具备独立的4组运放，采用了5个引脚，通过节点信号出入段进行传输。通过HCNR200高线性模拟光电耦合器来运放电路滤波并且对电路进行有效调节，该高线性模拟光电耦合器采用了3个光电元件，从技术层面上来看，该光电耦合器具备的线性误差最大为±0.05%，传输增益偏差最大为±15%，具备绝缘电阻，该系统的输入回路与输出回路之间分布有0.4pF电容。本次设计所采用的高线性模拟光电耦合器具备较好的稳定性，可以满足带宽模拟信号隔离的需求，单电源四路运算放大器采用的电源为±12V进行供电。

3.4 电源模块

本系统所采用的电源模块旨在保障各功能模块与数据传输的正常运转，而在数据传输过程中所需要的电压为5V，在对不同功能模块进行电源供应时，可以采用低压差线性稳压器来实现电源输出电压的转换。在低压差线性稳压器运行时会产生一定的噪音，因此还需要考量噪声与电流输出的问题，并且对电压幅度加以考量。低压差线性稳压器可以实现对于电源输出电压的转换，当电压输入与电压与输出电压之间的差值较小的情况下，其直流输出电压较为稳定，并且具备较高的噪音与电源的抑制比。低压差线性稳定器具备较为简单的基本结构，包括电压基准源、调整管、启动电路与使能电路等。

4.系统软件设计

基于以上系统框架设计，确定系统框架与功能模块，系统核心采用了C8051F020的情况下，要想充分保障节点能源利用的高效化，进一步延长网络生存周期就成为需要考量的问题。通信节点的设计，可以以能源控制系统为基础，通过不同的通信距离来实现信道模式的转换，当数据节点传送长度为1bit的情况下，则其与数据传输距离为d的网络通信系统之间需要消耗的能源为：

基于以上论述，在进行节点数据转发的过程中，可以首先对其他通信节点的数据进行接收，进而基于该节点转发数据进行方法送，每次进行的数据转发所需要消耗能源为：

簇群内部及不同簇群之间所进行的通信活动是以无数据碰撞MAC协议为基础的，无需对数据碰撞与数据重发过程中所产生的能源损耗加以考量，可以将首个由于能源损耗产生失效节点传输所需时间描述为Tnetwork。在这个过程中，可以对网络进行划分，将之划分为时间驱动与数据采集两种类型。如果该节点并不需要进行数据传输，则该节点通过休眠来减少能源损耗，一旦周围环境发生变化，或者出现节点数据传输到期，则该节点会从休眠当中苏醒，并且对数据传输进行有效监测。

5.实验结果

实验中考量不同网络通信环境下的系统设计与应用状况，分析不同情况下的节点传输控制效果，利用VisualC进行实验平台的搭建。

首先，如果实验环境中存在较多的干扰因素，则可以将网络节点传输的收发距离控制在10米左右，合理控制其数据信息传输的灵敏度，对各种情况下的节点传输过程中所产生的能源损耗所产生的误比特率进行观察。本文所采用的实验方法，在数据传输方面所产生的误比特率较为合理，本文在进行基于单片机的嵌入式多节点网络通信系统设计中所采用的主控制芯片为以C8051F020高速8位单片机，在一定情况下可以减少数据信息传输过程中所产生的误比特率。

其次，如果实验环境较为空旷，并没有过多干扰因素，则可以对网络通信节点的输出距离加以控制，可以将其控制在15米左右，将数据信息传输与接收的灵敏度控制在1s到2s之间，并且对比不同情况下的数据传输能源损耗。经过对比可以得知，本文所采用的系统设计方法，在网络通信节点数据传输方面的能源损耗控制可以通过双频结构来加以实现，进一步保障能源损耗过程中控制模块电路逻辑单元的使用性能，所采用的晶体管具备较低的频域，利用该晶体管进行能源损耗控制模块的设计，可以实现对于网络通信系统信息数据传输过程中能源损耗的有效控制。

以单片机为基础的嵌入式多节点网络通信系统设计过程中，对其设计方法所进行的检测可以通过网络通信节点传输速率作为指标。实际上，本文采用的设计方法对于节点传输过程中能源损耗的覆盖率具备较好的效果，将其通信系统的接口模块划分为直接连接与间接连接两种方式，具备较高的覆盖率，在能源损耗方面的覆盖效果较好，因此具备实用性与有效性[3]。

6.结语

本文所提出的以单片机为基础的嵌入式多节点网络通信系统，其主控制器采用了C8051F020，并且一直为核心进行功能模块的设计，搭建了嵌入式多节点网络通信系统，在系统功能稳定性方面具有较大优势，并且具备较高的能源损耗控制精准性，因此在实际的使用中可以对当前网络通信系统设计模式中存在的不足与缺陷加以弥补。