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射頻數據機擺脫連線煩惱

( 01 May 2005 )
作者Jon Titus 高級技術編輯

常常會碰到消除設備之間有線的RS-232或RS-485串列連接的需求。如果可以從供應商那裏得到射頻數據機，那些對射頻電路設計沒有多少經驗的工程人員就可以很方便地建立起無線連接。這些射頻設備可以接收串列資料並將其發送到接收裝置，再由後者將射頻信號轉變為串列信號。

無線 RS-232 和 RS-485 通訊方式可以在許多產品中派上用場，例如用於對會議大廳、戶外燈光顯示和體育比賽用計分牌中的音頻/視頻設備進行控制。此外，還可以用無線數據機傳回牧群的 GPS 位置資訊，或者將汽車跑道試車結果報告給主機。在生產線應用中，可以將射頻數據機安放在移動設備上，消除對常常因磨損和折斷而失效的軟性電纜的需求。

圖1 Cirronet 公司的數據機（左上角）可以在生產設備和遠端電腦之間建立起無線連接。這種數據機解除了生產設備受約束的連接，而生產設備還仍然可以“看到”一個序列埠。

利用無線通信取代有線的RS-232和RS-485連接的能力也許會為更多地穿行通信應用開拓發展之路（圖1）。在大多數情況下，射頻數據機在 902 MHz ~ 928 MHz ( 900 MHz 頻段) 以及 2400 MHz ~ 2483 MHz ( 2.4GHz 頻段) 的頻率上工作。這兩個頻段供工業、科學研究以及醫療領域 (ISM) 使用，不需要許可證。因此，只要符合聯邦通信委員會（FCC）的功率輸出限制規定，開發人員和終端用戶就可以在沒有申請許可的情況下進行使用這種射頻設備。射頻數據機的工作範圍從幾百英尺到幾十英里。（美國以外的用戶應向供應商諮詢本國在射頻頻率和功率方面的有關管制規定。）

迴圈跳頻
工程人員可以放心地在應用系統中使用Cirronet公司（位於佐治亞州諾克羅斯市；公司網址www.cirronet.com）提供的 HopNet 系列數據機，而不必擔心來自周圍弧焊機、照明系統、電機控制器或其他設備的電磁干擾（EMI）和射頻干擾（RFI）。HopNet 系列數據機採用了跳頻擴頻（FHSS）技術，每個數據機（或無線電裝置）的工作資料速率範圍為170 kbps ~ 1.23 Mbps（圖2）。該公司的銷售與市場副總裁Tim Cutler表示：“在美國網球公開賽上，Cirronet公司的無線電設備被用於對攝像機的全景和變焦操作進行控制。”

圖2 2.4 GHz的HopNet-210D 射頻數據機提供一個 DIN 導軌裝配台和一個整合的 6 dB 接線天線。這個設備可以在空中以 460.8 Kbps 的資料速率傳輸 RS-232 信號。感謝 Cirronet 公司提供。

Cutter表示：“我們可以提供 RS-232 和 RS-485 兩種輸入方式，同時還支援 Modbus、DNP3（分散式網路協定 Distributed Network Protocol）和 Allen-Bradley 的 DF1 等協議。行業用戶在使用我們的無線電設備時，不需要對其資料進行任何新的處理。這種無線電設備能夠以點對點或點對多點的方式工作。用戶可以為單獨的數據機編址，不過資料本身常常也含有位址。在這種情況下，無線電設備能夠以廣播方式進行工作，只有被定址的設備才會對資料進行接收。”

每當需要在空中進行資訊傳播時，就會帶來安全方面的問題。儘管可以採用跳頻技術，但是卻增加了檢測傳輸信號的難度，因此HopNet無線電設備使用了專有的協定。Cutler指出：“我們的無線電設備能夠在星形配置下工作。其他人即使購買了 Cirronet 的無線電設備並試圖“竊聽”，他們也無法竊聽遠端站。如果他們試圖連接基地台，應用系統將拒絕接納入侵者。此外，基地台知道星形配置中的無線電設備數量，所以如果出現額外的站點，應用系統就會發現問題。”

Cirronet 公司的2.4 GHz無線電設備為用戶提供的輸出功率調節範圍為10 mW ~ 250 mW。900 MHz頻段的無線電設備的最大輸出功率為 0.5 W 。Cutler 建議用戶向供應商諮詢各個頻段上允許的輸出功率電平。聯邦通信委員會 ( FCC ) 同時還對天線可疑提供的增益做了規定。在歐洲，工程人員在2.4GHz 波段面臨的功率限制為 100 mW（包括各種天線的增益在內）。工程人員可以使用 10 mW 的輸出功率，並通過 10-dB 的定向天線來得到 100 mW 的功率。

Cutler 強調工程人員必須懂得進行取捨：資料速率越高，傳播的距離就越近。這就是一條物理法則。在許多情況下，更高的速率並不意味著更好的解決方案。Cutler說：“應該選擇和應用的資料數率匹配的無線電設備。如果一味追求超出實際需要的更高速率，可能會使系統複雜化。”

插入式模組
Aerocomm 公司 ( 位於堪薩斯州雷納克薩 ; 公司網址 www.aerocomm.com ) 既提供封裝好的射頻數據機，也提供可供工程人員插入新設計中的模組。兩種產品都能夠接收 RS-232和RS-485信號，可以用來建立基於跳頻擴頻技術的無線網路。Aerocomm公司的 ConnexLink 系列無線電產品可以在 900 MHz ( 傳輸速率為 40 kbps ) 和 2.4 GHz (傳輸速率為 100 kbps ) 兩個頻段上工作。

Aerocomm公司的銷售副總裁John Echart說：“工程人員可以先購買一套針對 900MHz 或 2.4 GHz通信的Starter Pack評估工具包，前者的價格為225美元，後者的價格為299美元。”每個Starter Pack工具包都含有兩個封裝好的收發器以及一些工程人員啟動工作所需的輔助元件。利用基於 Windows 的配置軟體，開發人員可以在幾分鐘內設置好一個系統。在通過串列輸入對無線電設備進行設置之後，就可以脫離開 PC 並與應用硬體連接起來。2.4 GHz的ConnexLink無線電設備具有一個 8 位元組的系統識別字 ( system ID )，而900 MHz 信號的產品則使用 1 位元組識別字參數值進行工作，並且具有針對發送資料的資料加密（DES）功能。

圖 3達到使用要求的獨立射頻數據機，帶有一根天線，一個9針序列埠口連接器和一根電源輸入連接器。這些設備可以很容易地用在終端用戶及OEM應用產品中。感謝Aerocomm公司。

Eckart說：“除了要考慮資料速率和安全性之外，工程人員還必須選擇適合於其應用的天線。他們可以和供應商進行合作，在傳輸距離和輸出功率之間進行平衡。”Eckart還提醒工程人員應該評估一下究竟是使用一條長射頻電纜連到天線，還是把無線電設備放在天線附近並使用串列資料電纜將其連接至基地台電腦。Eckart說：“有一些人把天線放在距離無線電設備20到30英尺以外的地方。不過他們忘記了射頻電纜中的信號損耗。我們可以幫助他們確定最佳配置。”

當然，某些時候開發人員必須將天線與其無線電設備分開。Eckart 舉例說，車隊管理公司每天要從車輛上下載資訊。可以從辦公室中的無線電設備引一條射頻電纜到停車場附近上空的天線上。因為通信只需要覆蓋幾百英尺的範圍，所以系統可以容忍射頻電纜上的信號損耗，而無線電設備則可以放在清潔而乾燥的環境中。

可以對話嗎？
MaxStream公司(位於猶他州林登市; 公司網址www.maxstream.net )的射頻數據機中採用的技術可以提供對等通訊方式(peer-to-peer communications)，而不是其他射頻設備的主從方式(master-slave arrangement)。此外，雖然 MaxStream 公司在其設備中增加了許多聯網功能，仍然可以把它們作為資料登錄/資料輸出數據機使用。

按照MaxStream公司技術服務與支援部門的高級主管Jan Finlinson的解釋，無線電設備定址可以發生在三個層次上。首先，工程人員可以在 7 個獨立的“通道”中進行選擇。其次，MaxStream 公司可以在某公司購買的無線電設備中編入一個唯一的16 位元供應商標識參數值。系統中的無線電設備可以將發射的供應商標識與其自身的標識匹配，以便增強安全性。如果供應商標識不匹配，接收方就會拒絕接收到的資料包。最後，每個無線電設備中還含有一個 16 位元的標識參數值，可以由用戶通過程式設置。（Maxstream 公司的 1W 9XTend OEM 射頻模組還具有 256 位 AES 加密功能，以進一步提高安全性。）

由於在任意射頻通訊鏈路上都可能會出現某種形式的干擾，無線電設備上具有錯誤檢測功能，用戶可以根據需要啟用或關閉。如果無線電設備接收到的資料正確無誤，就將發回一個確認應答。如果接收到一個不正確的資料，就不發確認應答，這樣發送方就會重發。用戶可以預先設定重發的次數，在此之後才報告系統錯誤（圖4）。

圖4 MaxStream公司免費的配置軟體使開發人員可以存取和修改射頻數據機的任意內部設置參數。利用X-CTU 程式，開發人員還可以在射頻數據機之間進行連接試驗。

Finlinson說：“工程人員在挑選射頻數據機之前，應該先詢問供應商一些關於通信協議的問題。哪些節點可以發起通信？是否總是由基地台發起通信？系統採用的是輪詢 ( polling ) 方式，還是遠端無線電設備檢測到某個事件就可以開始發送？”

工程人員還需要考慮所需發送的資料量，資料發送所需的間隔，以及是否需要進行即時更新。Finlinson說：“所有無線數據機都會在通信路徑上引入一定的時延（或稱等待時間）。因此，設計人員必須確保這種時延不會帶來任何問題。”

採取標準途徑
工程人員也可以採用藍芽和WiFi等標準的通信技術和協定(圖5)。例如，Digi International 公司 ( 位於明尼蘇達州明尼通卡;公司網址 www.digi.com ) 的 Wavespeed/S 藍芽適配器相互之間可以在 100 米 ( 型號-1 ) 或者 10 米 ( 型號-2 ) 的距離內進行通信。如果不打算使用藍芽技術，還可以考慮 WiFi 技術。不過，根據 Digi 公司工程副總裁 Joel Young 的說法，儘管802.11標準允許特別的對等WiFi連接方式，但在，由於針對這種設置類型的協議並不“純淨”，WiFi設備不能總是很好地工作。當在接入點（Access Point）基礎結構下使用時，WiFi的工作狀況最佳。

5 如果需要在嵌入式應用中使用尺寸更小的射頻數據機，工程人員可以使用類似於Digi International 公司提供的這款 Connect Wi-Me 模組的元件。這種射頻元件採用 IEEE 802.11b 協定，並提供TCP/IP 協定棧。

當然，在許多工業和商業設施中，已經運行著含有 WiFi 通信功能的網路，因此工程人員應該考慮怎樣利用它們。“人們常常希望比擴展設備之間的 RS-232 或 RS-485連接更進一步。他們的確想將各種設備與公司伺服器上運行的應用軟體連接起來。”通過已有的無線網路，可以很容易地將 RS-232 或 RS-485 信號傳送給伺服器上的應用程式。

當然，在急於採用某種新設備或新技術前，工程人員應該考慮一下所有可用的選擇。Young說：“我曾經參觀過一個公司，他們已經有了一個用於連接筆記本電腦的WiFi 網路，卻仍然決定使用大量的乙太網線來連接其他的通信設備。他們為什麼要這樣做呢？”這家公司失去了利用現有網路的機會，還造成了時間和金錢上的損失。

Digi公司的Young提醒道：“應該盡可能使用現有網路。每個公司都會雇用一些人來對網路進行管理，以確保它能夠正常工作。這樣，如果有人切斷了電纜或者出現掉電情況，可以馬上求助於網路管理人員。”

Young說：“在任何無線設計方案中，工程人員都必須加入安全方面的考慮。當工程人員在網路上部署嵌入式設備時，安全性頂多是最後才會考慮的問題。工程人員必須引入認證和加密機制，這一點無論怎樣強調都不為過。”
Young評論道：“即使我們使用標準的射頻協議，任何對無線電傳播進行竊聽的人也無法輕鬆獲取其中的資料。” Digi 公司提供包含安全套接層 (SSL) 或傳輸安全層 (TSL) 協議的安全工具。此外，該公司還在其 WiFi 產品中加入了無線保護訪問 (WPA) 功能。

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