（测试计量技术及仪器专业论文）便携式坐标测量机无线传输技术研究.pdf

中文摘要 目前市场上的便携式坐标测量机主要有关节臂式、工业近景摄像式和手持探 头式。天津大学研究开发的便携式坐标测量机有关节臂式坐标测量机和光笔式坐 标测量机( 手持探头式的一种) 。这两种便携式坐标测量机中数据的传输都是采 用有线传输方式。有线传输具有其固有缺陷：线缆长度有限、系统移动不灵活、 系统组建麻烦等。为了充分发挥便携式坐标测量机测量速度快、移动灵活、携带 方便的优点，将有线传输升级为无线传输是良好的选择。 无线单片机具有简单易用、价格便宜、通信速率较高等优点，在射频通信领 域获得了广泛的应用。采用该技术构建无线传输控制系统可以缩短开发周期、降 低系统成本，而且系统使用起来简单方便、功能强大，具有广泛的适用性。本系 统选用北欧n o r d i c 公司的新型射频芯片n r f 2 4 e 1 作为中心单元构建无线传输 控制系统。该芯片采用先进的集成制造技术，将射频收发功能和单片机集成在单 一芯片上，只需要极少的外围器件就可以搭建一个无线收发模块，大大缩短了开 发周期和开发成本。 论文工作包括以下几个方面： 1 、充分了解坐标测量机的发展方向，针对便携式坐标测量机的特点，将无 线传输技术应用到便携坐标测量机中。对比分析当前众多的无线通信技术标准。 根据项目需求，采用无线单片机技术构建无线传输控制系统。 2 、根据系统要求，搜索、对比、分析各种射频芯片，选择北欧n o r d i c 公 司的无线单片机n r f 2 4 e 1 。给出了光笔式坐标测量机无线传输系统应用框图。以 芯片n r f 2 4 e i 为控制中心设计了系统的硬件电路。 3 、设计了系统的软件架构，编写了程序代码。针对项目应用需求，设计了 系统实验，通过实验，验证了系统硬件和软件能够实现要求的功能。 4 、给出了无线传输技术在光笔式坐标测量机中的应用示意图和在关节臂式 坐标测量机中的应用结构框图。 关键词：便携式坐标测量机光笔无线传输n r f 2 4 e 1u s b 接口 a bs t r a c t a tp r e s e n t ，p o r t a b l ec m m si nt h em a r k e ta r em a i n l ya r t i c u l a t e d a r mc m m s ， i n d u s t r i a l - c a m e r ac m m sa n d h a n d - p r o b ec m m s a r t i c u l a t e d - a r mc m m sa n d l i g h t p e nc m m s ( o n eo ft h eh a n d p r o b ec m m s ) a r eb e i n gr e s e a r c h e di nt i a n ji n u n i v e r s i t y i nt h et w oc m m s ，c o m m u n i c a t i o ni sb yw i r e u s i n gw i r ec o m m u n i c a t i o n h a ss o m ed i s a d v a n t a g e s ，s u c ha st h el e n g t ho ft h ew i r ei sr e s t r i c t e d ，t h es y s t e mi s d i f f i c u l tt om o v ea n db u i l d i no r d e rt om o s t l yu t i l i z i n gt h ea d v a n t a g e so fp o r t a b l e c m m s i ti sb e s tt ou s ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n w i r e l e s sm c ui n c l u d e sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha se a s yt ob ed e s i g n e d ，l o wc o s t ， h i g hc o m m u n i c a t i o nr a t e ，s ow i r e l e s sm c uh a sb e e nb r o a d l yu s e di nw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n i nt h i sp a p e r ，o n es i n g l ei c ，n r f 2 4 e i ，i sc h o s e na st h ec o n t r o lc e n t e r n r f 2 4 e 1i sas o c ，w h i c hi n t e g r a t e se n h a n c e d8 0 51a n dr fo n es m a l lc h i p b yu s i n g t h i si c ，w ec a nu s el e a s tc o m p o n e n t st om a k eu par fm o d u l e ，g r e a t l yr e d u c i n gt h e c o s ta n dt i m et od e v e l o pt h ei c t h ef o l l o w i n gw o r kh a sb e e nd o n e ： 1 a c c o r d i n ga n a l y s i s ，i ti sn e c e s s a r yt oi n t e g r a t ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ni n p o r t a b l ec m m s c o m p a r i n ga n da n a l y z i n gp o p u l a rw i r e l e s st e c h n i q u e s ，w i r e l e s s m c ui sc h o s e ni nt h es y s t e m 2 al o to fr fi ca r ec o m p a r e da n da n a l y z e d i nt h ee n d ，n r f 2 4 e1i ss e l e c t e d d e s i g nt h ef r a m e w o r ko ft h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mi nl i g h t p e nc m m s d e s i g nt h ec i r c u i ta n dp c b 3 s o f t w a r ec o n s t r u c t i o ni sp r e s e n t e d ，p r o g r a m m et h es o f t w a r ec o d e d e s i g na n d c a r r yo u tt h es y s t e me x p e r i m e n t ，t h er e s u l to ft h ee x p e r i m e n tt e s t i f yt h ew h o l es y s t e m c a nw o r ks u c c e s s f u ll y 4 p r e s e n tt h es k e t c hm a po ft h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mi nl i g h t p e n c m m s ，a n dt h ef r a m e w o r ko ft h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mi na r t i c u l a t e d - a r m c m m s k e yw o r d s ：p o r t a b l ec m m s ，l i g h tp e n ，w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，n r f 2 4 e 1 ， us bi n t e r f a c e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得吞童盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：球凯歌签字日期： 驯矛年2 月2 7 曰 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：朵凯歌 导师虢多 签字日期：山孓年2 月2 7 日签字日期： 嘲年1 月增日 第一章绪论 第一章绪论 现代科学技术和先进制造业的发展对测量技术提出了新的要求：大范围、便 携式现场测量、数字化无导轨在线测量、动态实时跟踪测量等。在生产和科学研 究的实践中，有很多场合需要安装简单、易于操作、大量程的便携三维坐标测量 装置，精度可以稍微低一两个数量级，达到0 0 l m m 甚至0 1 m m i j 可。因此，便 携式三维坐标测量系统应运而生并蓬勃发展1 1j 。 当前，便携式坐标测量机中的数据和控制信号传输普遍采用有线方式。在便 携式设备使用有线方式传输数据，使系统携带和使用不方便，不利于提高测量效 率，不利于大量程的测量。近年来，随着无线通信的迅速发展，各种各样的无线 网络己经进入了我们的日常生活。与有线通信系统相比，无线通信主要有成本低、 移动方便、布线简单等优点，可以为移动用户提供各种服务。在便携式坐标测量 机中使用无线传输技术，适应了应用的需要和技术发展的潮流。 1 1 课题背景 1 1 1 坐标测量机 三坐标测量机，又称测量机，是一种高效率的精密测量仪器。它广泛地用于 机械制造、电子、汽车和航空航天等工业中。它可以进行零件和部件的尺寸、形 状及相互位置的检测，例如箱体、导轨、涡轮和叶片、缸体、凸轮、齿轮、形体 等空间型面的测量。此外，还可用于划线、定中心孔、光刻集成线路等，并可对 连续曲面进行扫描及制备数控机床的加工程序等。由于它的通用件强、测量范围 大、精度高、效率高、性能好、能与柔性制造系统相连接，已成为一类大型精密 仪器，故有“测量中心”之称【2 】o 随着科学技术的发展及生产水平的不断提高，三坐标测量机一统天下的局面 被逐渐打破，工业生产领域对其测量尺度的要求正由常规尺寸向两个极端发展一 小尺寸方向和大尺寸方向。特别是近年来，随着我国国民经济的快速发展，除了 在芯片制造、电子制造、机械零件加工等行业中对微米测量、纳米测量等小尺寸 测量的迫切需要，在很多诸如航空、航天、汽车、造船、核工业、水利水电、武 器装备等行业中同样对几米甚至几百米的大尺寸测量提出了期望和明确要求【引， 针对几米至几百米范围内物体的空间位置、尺寸、形状、运动轨迹等测量【4 】的大 第一章绪论 尺寸测量概念也应运而生。 随着工业自动化程度的提高，精密三维坐标测量技术已经是现代工业中不可 或缺的测量手段，并且在测量的方式、范围、精度等各个方面被提出了更高的要 求，为满足这些测量要求，涌现出多种精密三维坐标测量仪器。目前常规尺寸测 量精度已经达到了一定的极限，发展空间已经不大，精密坐标测量技术的发展方 向逐渐明晰为三条主线：大尺寸测量、小尺寸测量和便携式的中高精度坐标测量。 基于科技与生产的需求，研究开发能满足现场测量要求的便携式三维坐标测 量系统已成为测量领域的一大热点，并受到了各个国家的高度重视，近一两年取 得了突破性的进展，有成型产品推出并成功应用于测量和装配现场。目前市场上 推出的便携式坐标测量机p c m m ( p o r t a b l ec o o r d i n a t e sm e a s u r i n gm a c h i n e ) 主要有 关节臂式、工业近景摄像式和手持探头式【l 】o 1 1 2 光笔式三坐标测量机 本课题组于2 0 0 0 年开始研究一种手持探头式( 光笔式) 摄像机视觉便携三 维坐标测量机( 图1 1 ) ，至目前为止已经掌握了该项技术的核心内容，具有了初 步的成果，已经进入试用和改进阶段。该三维测量系统结构简单，由一支光笔( 光 靶标) 、一台或两台高分辨率c c d 摄像机、一台装有测量数据处理等软件程序的 计算机、以及其它一些附件【5 】。计算机内还装有视频采集卡，负责视频图像的采 集。附件包括图像数据传输线、测头触发控制线。 被测体 图1 1 光笔式三坐标测量机系统结构图 本测量系统使用简单，测量系统组建快速灵活。把摄像机架设在待测物体的 旁边，用光笔触测物体上感兴趣的点，使用光笔端控制摄像机即可完成数据的采 2 第一章绪论 集，计算机可以对图像实时处理，计算出控制点的三维坐标，并实时显示、存储 坐标值，计算机还可以对数据进行更深一步的数据处理，以得出需要的物体几何 量信息。因为摄像机摄取的是光笔上l e d 的像而不是触测点处的像，所以图像 的质量好，易于处理和提高精度，而且图像质量不受被涣9 物体的几何形状、表面 曲率和材质的影响。因为只要相机能看到光笔上的l e d 灯便可以测量，所咀有 些难测的位置或盲点。可以通过改变光笔笔杆的长度和形状，亦可进行测量。这 样就避开了以往的光学测量法无法解决的问题。 1 1 3 关节臂式三坐标测量机 关节臂式坐标测量系统由多个关节构成，安装有测量探头的测量臂为测量 端，可由人牵引在物体表面滑动扫描。机械臂的关节上装有角度传感器，可以实 时测量关节的转动角度，根据臂长和各关节的转动角度计算出测量点的三维坐 标。整个系统各个部分组成如图1 2 所示 6 1 。 糖 图1 2 关节臂式坐标测量机系统结构图 图中1 是测量机的基座，它可以方便地安装在被测对象的现场。基座1 还可 以做成磁性座，能吸附在被测工件或机器上。测量机有一系列的臂4 ，它们可毗 绕相邻关节灵活转动其关节结合处装有编码器，如图中3 所示，用以测量两个 臂的相对转角。为转动灵活某些关节还配有平衡部分6 。臂4 上贴有测温元件， 可以对臂的温度误差进行补偿。与基座1 相连的臂成为第一节，在最后一节臂的 末端装有触发测头5 ，用手抓住与它邻近的臂，可以方便地探测被测工件内外表 面上的各个点”j 。 这种关节臂式坐标测量机的主要优点有l ： 1 、量程大、体积小、重量轻，对于传统的正交式三坐标测量机，必须选择 第一章绪论 足够大的测量平台，保证测量机的运动轴和标尺足够长才能测量较大的工件。一 台测量范围超过1 m 的测量机重量以吨计。而关节臂式坐标测量机可以将臂折叠 起来，放入专用皮箱中，其测量范围却一点也不逊色。例如测量3 m 范围内的点， 必要的条件仅需各臂的长度总和超过3 m 。如果关节臂与关节臂之间不形成运动 障碍，在理论上测量机可探及半径为3 m 的球内的任意点。一台最大探测距离为 3 7 m 的关节臂式坐标测量机，其主要部件的重量仅有l o k g 左右，可以装在小箱 子中随意携带。 2 、可以方便的在现场进行测量，甚至装在被测工件或机器上。这是由其便 携性和定位方便的特点决定的。这也是关节臂式坐标测量机与传统正交三坐标测 量机相比的最大优势。 3 、运动灵活、活动部分质量小，可以探测工件或机器上用光学方法不易探 及的点。 4 、价格便宜，一台关节臂式坐标测量机的价格仅为同等测量范围的正交式 三坐标测量机的约五分之一。例如：一台测量范围为3 m 的正交三坐标测量机的 价格约为2 0 0 多万元，而同样测量范围的关节臂式坐标测量机大约仅需四十万 元。 5 、由于其柔性的特点和采用人手操作，与正交式三坐标测量机相比，测量 速度快，且无需考虑路径优化等问题。因此，关节臂式坐标测量机使用更加灵活、 快捷。 以上两种便携式坐标测量机是天津大学正在进行研究开发的项目。从光笔式 三坐标测量机系统结构图中可以看出，摄像机与计算机的数据和控制信号的传输 采用的是有线传输方式。从关节臂式坐标测量系统结构图中可以看出，测量机构 ( 关节臂) 与数据处理机构( 计算机) 的数据传输也是采用有线传输方式。有线 传输有其固有的缺陷：携带移动不方便、布线麻烦、长度有限等。因此，本项目 开发便携式坐标测量机中的无线传输技术，以充分发挥便携式测量的优势。 在实验开发阶段，主要应用在光笔式三坐标测量机之上。针对应用环境，要 求无线传输系统需要达到以下指标： 1 、传输控制信号稳定可靠，能够实现双向通讯。 在光笔试坐标测量机中，控制信号包括触发信号和模式切换信号。由于发射 端需要接收反馈信息，所以需要双向通信。 2 、数据传输速率为1m b p s ，并且传输稳定可靠。 在坐标测量集中，有大量的坐标数据需要传输，因此需要有足够的数据传输 速率保证能够快速传输，并且数据在传输过程中必须有很小的误码率。 3 、要求系统能够处理模拟信号。 4 第一章绪论 模拟信号是我们经常遇到的信号，在光笔式坐标测量机中，有时需要知道光 笔端的供电电压，这时就需要将模拟电压进行a d 转换，变为数字信息值，由 无线单片机采集后进行无线传输。 1 2 短距离无线通信技术 长距离的无线通信已为大家熟知，例如蜂窝无线网络、卫星通信等。在无线 移动通信技术日趋成熟的今天，现有的g s m 、c d m a 等技术正红红火火地发展， 第三代移动通信系统( 3 g ) 也已经出现并投入了商用。这些技术能实现长距离的通 信，但是人们开始注意到，在同一间屋内或在相距咫尺的地方，同样也需要无线 通信。随着社会的进步和科技的发展，我们身边的电脑和各种电子设备日益增多。 在方圆1 0 米到1 0 0 米的范围内，如果要把这些电脑和电器设备互连起来，那么 将需要大量各种各样的线缆和接口，这样我们将生活在一片纵横交错的线缆之 中。因此出现了一种新的用户需求：人们希望通过一个小型的、短距离的无线网 络来实现低价位、低功耗、可替代线缆的无线数据和语音链路，为移动和商业用 户提供各种服务。 在用户需求推动下短距离无线通信技术发展很快。通信距离不超过l o o 米的 短距离无线通信己成为无线射频领域中发展最快的一片天地，它正掀起一场革 命，将取代家庭和办公室中的有线网络，成为家居智能化和办公室互联的首选技 术。伴随着短距离无线通信技术的发展，出现了各种各样的短距离无线通信标准。 正是在技术标准化的推动下，大大加快了技术转化为应用的速度，同时降低了生 产成本，方便了用户的使用。下面简单介绍一些短距离无线通信技术标准。 1 2 1 红外数据通讯( i r d a ) 红外线是波长在7 5 0 n m 至1m m 之间的电磁波，它的频率高于微波而低于可见 光，是一种人的眼睛看不到的光线。红外通讯一般采用红外波段内的近红外线， 波长在0 7 5 9 i n 至2 5 9 m 之间。红外数据协会( i r d a ) 成立后，为了保证不同厂商 的红外产品能够获得最佳的通讯效果，红外通讯协议将红外数据通讯所采用的光 波波长的范围限定在8 5 0 n m 至9 0 0 n m 之内1 9 j 。目前无线电波和微波已被广泛地应 用在长距离的无线通讯之中，但由于红外线的波长较短，对障碍物的衍射能力差， 所以更适合用在需要短距离无线通讯的场合，进行点对点的直线数据传输。 红外通讯有着成本低廉、连接方便、简单易用和结构紧凑的特点，因此在小 型的移动设备中获得了广泛的应用。这些设备包括笔记本电脑、掌上电脑、机顶 盒、游戏机、移动电话、计算器、寻呼机、仪器仪表、m p 3 播放机、数码相机 第一章绪论 以及打印机之类的计算机外围设备等等。 i r d a 的不足在于它是一种视距传输，两个相互通信的设备之间必须对准，中 间不能被其他物体阻隔，因而该技术只能用于两台( 非多台) 设备之间的连接。 而蓝牙就没有此限制，且不受墙壁的阻隔。 1 2 2 蓝牙( b l u e t o o t h ) 技术 蓝牙技术在2 0 世纪9 0 年代晚期发端于爱立信公司，目前该技术处于蓝牙专 业组( s l g ) 的领导之下，该机构由爱立信、诺基亚、i b m 、东芝、i n t e l 、3 c o m 、 摩托罗拉、朗讯和微软等大公司所组成。今天的蓝牙专业组已经拥有了超过1 4 0 0 个成员，是增长最快的专业组织之一。这是继第一、二代移动通信之后，全球 范围内、业内大公司首次合作开发家庭类环境下的无线通信标准【】。 蓝牙是一种短距无线通信的技术规范，它最初的目标是取代现有的掌上电 脑、移动电话等各种数字设备上的有线电缆连接。在制定蓝牙规范之初，就建立 了全球统一的目标，向全球公开发布，工作频段为全球统一开放的2 4 g h z 工业、 科学和医学( i n d u s t r i a l ，s c i e n t i f i ca n dm e d i c a l ，i s m ) 频段。从目前的应用来看， 由于蓝牙体积小、功率低，其应用已不局限于计算机外设，几乎可以被集成到任 何数字设备之中，特别是那些对数据传输速率要求不高的移动设备和便携设备。 蓝牙技术的特点可归纳为如下几点： 1 、全球范围适用。蓝牙工作在2 4 g h z 的i s m 频段，全球大多数国家i s m 频段的范围是2 4 2 4 8 3 5 g h z ，使用该频段无需向各国的无线电资源管理部门申 请许可证。 2 、同时可传输语音和数据。蓝牙采用电路交换和分组交换技术，支持异步 数据信道、三路语音信道以及异步数据与同步语音同时传输的信道。每个语音信 道数据速率为6 4 k b i t s ，语音信号编码采用脉冲编码调制( p c m ) 或连续可变斜 率增量调制( c v s d ) 方法。当采用非对称信道传输数据时，速率最高为7 2 1 k b i 6 s ， 反向为5 7 6 k b i 6 s ；当采用对称信道传输数据时，速率最高为3 4 2 6 k b i t s 。蓝牙有 两种链路类型：异步无连接( a s y n c h r o n o u sc o n n e c t i o n l e s s ，a c l ) 链路和同步 面向连接( s y n c h r o n o u sc o n n e c t i o n o r i e n t e d ，s c o ) 链路。 3 、可以建立临时性的对等连接。根据蓝牙设备在网络中的角色，可分为主 设备( m a s t e r ) 与从设备( s l a v e ) 。主设备是组网连接主动发起连接请求的蓝牙 设备，几个蓝牙设备连接成一个微微网( p i c o n e t ) ，其中只有一个主设备，其余 的均为从设备。微微网是蓝牙最基本的一种网络形式，最简单的微微网是一个主 设备和一个从设备组成的点对点的通信连接。通过时分复用技术，一个蓝牙设备 便可以同时与几个不同的微微网保持同步，具体来说，就是该设备按照一定的时 第一章绪论 间顺序参与不同的微微网，即某一时刻参与某一微微网，而下一时刻参与另一个 微微网。 4 、具有很好的抗干扰能力。工作在i s m 频段的无线电设备有很多种，如家 用微波炉、无线局域网( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ，w l a n ) 和h o m e r f 等产 品，为了很好地抵抗来自这些设备的干扰，蓝牙采用了跳频( f r e q u e n c yh o p p i n g ) 方式来扩展频谱( s p r e a ds p e c t r u m ) ，将2 4 0 2 , 2 4 8 g h z 频段分成7 9 个频点， 相邻频点间隔l m h z 。蓝牙设备在某个频点发送数据之后，再跳到另一个频点发 送，而频点的排列顺序则是伪随机的，每秒钟频率改变1 6 0 0 次，每个频率持续 6 2 5 i - t s 。 5 、蓝牙模块体积很小，便于集成。由于个人移动设备的体积较小，嵌入其 内部的蓝牙模块体积就应该更小，如爱立信公司的蓝牙模块r o k l o l 0 0 8 的外形 尺寸仅为3 2 8 m m x16 8 m m x 2 9 5 m m 。 6 、低功耗。蓝牙设备在通信连接( c o n n e c t i o n ) 状态下，有四种工作模式 激活( a c t i v e ) 模式、呼吸( s n i f f ) 模式、保持( h o l d ) 模式和休眠( p a r k ) 模 式。a c t i v e 模式是正常的工作状态，另外三种模式是为了节能所规定的低功耗 模式。 7 、开放的接口标准。s i g 为了推广蓝牙技术的使用，将蓝牙的技术标准全部 公开，全世界范围内的任何单位和个人都可以进行蓝牙产品的开发，只要最终通 过s i g 的蓝牙产品兼容性测试，就可以推向市场。 8 、成本低。随着市场需求的扩大，各个供应商纷纷推出自己的蓝牙芯片和 模块，蓝牙产品价格飞速下降。 但是蓝牙技术存在植入成本高、通信对象少、通信速率较低( 一般为1 m b p s ) 和技术不够成熟的问题，它的发展与普及尚需经过市场的磨炼，其自身的技术也 有待于不断完善和提高。 1 2 3w i f i w i f i 是无线保真( w i r e l e s sf i d e l i t y ) 的缩写【l ，w i f i 技术包括己经批准的 i e e e 8 0 2 1 1 a 、b 和g 规范以及等待批准的8 0 2 1 1 n 规范。w i f i 是第一项得到广泛 部署的高速无线技术，w i f i 有着“无线版本以太网”的美称。由于目前的以太网 标准( i e e e8 0 2 3 标准) 几乎已经成为局域网的代名词，世界上至少有8 0 以上 的局域网采用以太网技术。而w l a n 同样为i e e e 带e j 订的标准，所以其几乎可以 视为以太网标准在无线领域的延伸。这使w l a n 在应用上具备无痕过度和顺利安 装的特点。 w l a n 的安装及设置相当简单当需要在某个区域建立网络连接时，只需 第一章绪论 要在一定范围内设立相应的接入点就可以了，规划、布线、测试等传统工序可以 被忽略。而且当用户需要增加、拆卸和迁移时的操作也非常简单。如果布置一个 局域网，在h u b 、线缆的布置等方面会花费大量时间，而在引入w i f i 后，整 个接入工序不到1 0 分钟。 8 0 2 1 1 b 的带宽可以达到1 1 m b i t s ，而8 0 2 1 1 a 及8 0 2 1 1 9 更可达5 4 m b i t s ， 如此高的带宽几乎赶上了线缆的连接，大大超过同类型的无线网络技术。同时除 了网络以外，w l a n 的应用将被拓展到更为广泛的领域，除了集成在笔记本电 脑、p d a 、手机等设备中外，还将被集成进诸如打印机、d v d 机、游戏机、m p 3 等产品中，其功能也将进一步增强。 虽然w i f i 拥有很多优点，但是它存在的安全隐患却是一个致命的缺点。 w i f i 采用的是射频( r f ) 技术，通过空气发送和接收数据。由于无线网络使用无 线电波传输数据信号，所以非常容易受到来自外界的攻击，无线电波能穿透墙壁 和隔板，黑客可以比较轻易地在电波的覆盖范围内盗取数据甚至进入未受保护的 公司内部局域网。 1 2 4 超宽带( u l t r aw i d e b a n d ) u w b 的核心是冲击无线电技术，即用持续时间非常短( 亚纳秒级) 的脉冲波 形来代替传输系统的持续波形。从经傅立叶变换之后的特性来看，信号所占的带 宽远远大于信息本身的带宽【1 2 l 。 超宽带是一种载波频带极宽的无线技术，目前i e e e8 0 2 15 正在制订相应的 物理层标准。u w b 技术最初是基于极短的脉冲发射，即冲激无线电方案，没有 使用常用的正弦载波，因此波形的频带极宽，甚至可以达到数千兆赫兹。这些冲 激无线电( i r ) 的基本专利大部分被几家小公司所占有。后来由于许多大的通信 和i t 厂商的加入，物理层标准逐渐分化为两大阵营，即多频带正交频分复用 ( m u l t i b a n do f d m ) 和直序列码分多址( d s c d m a ) ，这两大阵营的代表厂商 前者有德州仪器、英特尔，后者是飞思卡尔( 摩托罗拉原半导体部f - j ) 。原来的 冲激无线电方案逐渐被主流所抛弃。u w b 针对高速应用的传输速率极高，可以 高达几百兆，甚至上千兆，尽管有如此高的速率，u w b 设计功耗却极低。 超宽带无线通信具有以下优点 1 3 , 1 4 j ： 1 、隐蔽性强。这是超宽带无线通信较之常规无线通讯最突出的特点。 2 、高处理增益。处理增益定义为信号的射频带宽与信息带宽之比。 3 、多径分辨能力强。大量实验表明，对常规无线电信号多径衰落深达( 1 0 - 3 0 ) d b 的环境，对超宽带无线通信信号的衰落最多不到5 d b 。 4 、高传输速率。目前的延时系统表明，在近距离( 3 4 ) m 的传输速率可达 第一章绪论 4 8 0 m b p s 。 5 、空间容量大。蓝牙的空间容量( b ( s 1 1 1 2 ) ) 为3 k b ( s m2 ) ，超宽带无线 通信的空间容量为1 0 0 0 k b ( s m2 ) 。 6 、穿透力强。实验系统表明，超宽带无线通信具有很强的穿透树叶和障碍 物的能力，有希望填补超短波信号在丛林中不能有效传播的空白。 7 、便于多功能一体化。纳秒级的窄脉冲具有很高的测距精度，采用超宽带 无线通信，很容易将测距、定位与通信合一，而常规无线电难以做到这一点。 超宽带的技术标准主要在i e e e8 0 2 1 5 工作组进行。i e e e8 0 2 1 5 定位于无线 个域网( w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k s ，w p a n ) 的m a c p h y 标准制订。其 中8 0 2 15 3 是高速无线个域网研究组，已经完成的i e e e8 0 2 1 5 3 规范最高只提 供5 5 m b p s 传输速率，相比同时期的i e e e8 0 2 1l g 的5 4 m b p s 并无多大优势，事 实上己被市场所淘汰。8 0 2 1 5 4 是低速无线个域网研究组，其规范也已经发布， 并成为z i g b e e 技术的物理层标准，在下面将会详细介绍。 目前i e e e8 0 2 15 的主要活动集中在8 0 2 15 3 a 和8 0 2 1 5 4 a 两个“替代”物理 层工作组，即对高速和低速的无线个域网物理层方案的增强替代。我们经常说的 超宽带u w b 技术就是在8 0 2 1 5 3 a 工作组制订的面向高速数据传输的标准，而 前面所说的u w b 技术两大阵营就是在8 0 2 1 5 3 a 讨论的两种技术标准，这两种 技术争论从2 0 0 3 年开始，一直到现在经过数轮的淘汰选举，任何一方都没有获 得超过7 5 的支持，形成了目前的僵局。除了i e e e8 0 2 1 5 以外，两大阵营还分 别组织了各自的联盟：多频带正交频分复用联盟( m b o a ) 和超宽带论坛( u w b f o r u m ) ，并且分别已经有相应的芯片产品问世。 在频谱规则方面，只有美国的f c c 明确颁布了u w b 频谱规则。2 0 0 2 年f c c 颁布了民用u w b 设备的频谱范围是3 1 g h z 到1 0 6 g h z ，发射功率不超过 一4 1 3 d b m m h z ，相当于带宽为1 m h z 的辐射体在3 m 距离处产生的场强不得超过 5 0 0 u v m ，功率谱密度小于7 5 n w m h z 【15 | 。其它组织包括i t u rt g l 8 、欧洲 e t s i 、日本m i c 、韩国e t r i 和中国国家无线电管理局都在进行超宽带技术的频 谱规则研究。可以认为，随着超宽带技术标准化的进展，频谱规则也会进一步得 到研究发展。 1 2 5z i g b e e z i g b e e - - 种新兴的短距离、低功耗、低数据速率、低成本、低复杂度的无线 网络技术。采取t i e e e8 0 2 1 5 4 强有力的无线物理层所规定的全部优点：省电、 简单、成本低；z i g b e e 在i e e e8 0 2 15 4 基础上增a n t 逻辑网络、网络安全和应用 层。z i g b e e 名字来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式，蜜蜂通过跳 9 第一章绪论 z i g z a g 形状的舞蹈来通知发现的新食物源的位置、距离和方向等信息，以此作为 新一代无线通信技术的名称。z i g b e e 过去又称为“h o m e r fl i t e ”、“r f e a s y l i n k ” 或者“f i r e f l y ”无线技术，目前统一称为z i 曲e e 技术1 1 6 】。 紫峰( z i g b e e ) 的设计目标是要比蓝牙有更低的成本和更低的功耗 1 7 】。它和 蓝牙一样工作在i s m 频段。每个紫峰网络可容纳2 5 5 个设备，最大覆盖范围3 0 m ， 最大数据速率是2 5 0 k b i t s 。虽然紫峰的数据速率比蓝牙低，但是它的发射功率大 大低于蓝牙，同时覆盖范围更大。紫峰希望能做到几个月甚至几年不用充电。紫 峰的应用目标包括传感器网络、存货标签等【1 引。 z i g b e e 盟预测的主要应用领域包括工业控制、消费性电子设备、汽车自动化、 家庭和楼宇自动化、医用设备控制等。 z i g b e e 要特点如下： 1 、数据传输速率低：10k b i t s 2 5 0k b i t s ，专注于低速传输应用。 2 、功耗低：在低功耗待机模式下，两节普通5 号电池可使用6 2 4 个月。 3 、成本低：z i g b e e 据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本。 4 、网络容量大：网络最多可容纳6 5 ，0 0 0 个设备。 5 、时延短：典型搜索设备时延为3 0 m s ，休眠激活时延为1 5 m s ，活动设备信 道接入时延为15 m s 。 6 、网络的自组织、自愈能力强，通信可靠。 7 、数据安全：z i g b e e 提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用a e s 1 2 8 加 密算法( 美国新加密算法，是目前最好的文本加密算法之一) ，各个应用可灵活 确定其安全属性。 8 、工作频段灵活：使用频段为2 4 g h z 、8 6 8 m h z ( 欧洲) 和9 1 5 m h z ( 美国) ， 均为免执照( 免费) 的频段。具体见表1 1 。 表l - 1z i g b e e 技术频带和速率 物体频段( m h z )频带( m h z ) 信道数调制方式 速率( k b p s ) 8 6 88 6 8 8 6 8 61b p s k2 0 9 l59 0 2 9 2 81ob p s k4 0 2 4 5 02 4 0 0 - 2 4 8 3 51 6 o - q p s k 2 5 0 1 2 6 无线单片机技术 以上介绍了五种短距离无线通信技术标准。从分析中可以看出，各种技术标 1 0 第一章绪论 准各有优缺点，如红外技术仅适合视距传输应用；蓝牙技术成本较高，技术较复 杂；w i f i 主要应用于无线局域网，不适合便携式小型设备的应用；超宽带技术 不够成熟；z i g b e e 最高通信速率仅有2 5 0 k b p s ，应用到便携式坐标测量机中速度 裕量不够，等等。这些技术应用在便携式坐标测量机中，都不是很合适。因此， 本系统采用另外一种射频技术：无线单片机技术。系统采用具有射频收发功能的 无线单片机n r f 2 4 e i 构建无线数据传输控制系统。该芯片与蓝牙和z i g b e e 一样 工作在2 4 g h z 频段，具有多址通信控制能力，通信速率可达1 m b p s ，适合个人 开发搭建简单的数据通信控制系统，能够满足便携式坐标测量机的应用需求。 采用无线单片机技术构建无线数据传输控制系统具有以下优点： 1 、价格低。无线单片机作为一个片上系统，与通用单片机相比价格稍贵， 基本上是通用单片机的两倍。但是与蓝牙模块相比却要低得多。 2 、功耗低。无线单片机普遍采用c m o s 工艺，具有较低的工作电压和工作 电流，满足低功耗设计，适合便携式设备的应用。 3 、所需外围元件少。芯片集成了射频收发功能和通用单片机，采用领先集 成制造技术，将所需外围元件减少到最少，减小了开发设计复杂度，最小化p c b 面积。 4 、集成了单片机，能够构建简单的传输控制系统。 5 、透明的数据传输协议。无线单片机射频功能的使用就像操作单片机的寄 存器和端口一样简单方便。用户只需要按照操作流程送地址和数据字节，即可以 实现模块之间的相互通讯。 6 、具有简单数据校验功能。芯片集成了硬件c r c 校验功能，在一定程度上 保证数据的可靠传输。 1 3 论文的主要工作 本论文研究便携坐标测量机中无线传输技术的应用。论文所做工作如下： l 、充分了解坐标测量机的发展方向，针对便携式坐标测量机的特点，将无 线传输技术应用到便携坐标测量机中。对比分析当前众多的无线通信技术标准。 根据项目需求，采用无线单片机技术构建无线传输控制系统。 2 、根据系统要求，搜索、对比、分析各种射频芯片，选择北欧n o r d i c 公 司的无线单片机n r f 2 4 e 1 。给出了光笔式坐标测量机无线传输系统应用框图。以 芯片n r f 2 4 e 1 为控制中心设计了系统的硬件电路。 3 、设计了系统的软件架构，编写了程序代码。针对项目应用需求，设计了 系统实验，通过实验，验证了系统硬件和软件能够实现要求的功能。 第一章绪论 4 、给出了无线传输技术在光笔式坐标测量机中的应用示意图和在关节臂式 坐标测量机中的应用结构框图。 1 2 第二章系统硬件设计 第二章系统硬件设计 论文研究便携式坐标测量机中的无线传输技术的应用，使用无线传输方式代 替便携坐标测量机的有线传输方式。本章首先讨论了硬件总体结构，然后讨论了 射频芯片的选型，随后给出了系统的硬件实现。 2 1 无线数据传输控制系统 当前，在采用有线传输方式的双相机光笔三坐标测量系统( 图2 1 ) 中，光 笔端与计算机端的触发控制信号和模式切换信号的传输采用图像处理技术，并不 是采用射频技术。采用图像处理技术进行数据传输具有使用灵活、用户自定义的 特点，但是这种方式要求开发者具有较强的软件编程能力和采用高效的图像处理 算法，对计算机的处理速度有比较高的要求；使用起来比较复杂，只能传输简单 的信号，可靠性不高，在测量前需要进行相应的软件设置。采用无线传输是较好 的解决方案。系统中摄像机与计算机之间的触发控制信号和测量数据的传输采用 有线方式( u s b 线) 传输的。这种线缆传输距离有限，测量前需要布线，携带 移动不方便。采用无线传输可以有效地避免以上限制。 图2 1 有线数据传输控制系统的系统框图 采用无线传输方式的双相机光笔三坐标测量系统( 图2 2 ) 中，在需要传输 控制信号和数据信号的端点处，分别安装射频通信模块，即可以将有线传输改为 无线传输。多个射频通信模块可以组成一个小型网络，任意两模块之间可以互相 通信。系统中，在光笔端和计算机端分别安装一块射频通信模块，光笔端的射频 模块可以采用电池供电。计算机端的射频模块通过u s b 口取电。这样光笔端就 第二章系统硬件设计 可以无线发射触发控制信号和模式切换信号，计算机端的射频模块无线接收这些 信号，通过u s b 口送给计算机，计算机执行后反馈给光笔端一个命令执行是否 成功的反馈信号。另外在两个摄像机上分别安装一块射频模块，计算机无线发射 触发控制信号，摄像机无线接收触发控制信号，摄像机在命令执行后给计算机一 个反馈信号，当计算机要求传输数据时，发送传数命令，射频模块既可以将测量 数据无线上传到计算机。 一一物杰煎一一 发控制信号和测量数据 图2 2 无线数据传输控制系统的系统框图 通过以上对比不难看出，将有线数据传输方式升级为无线数据传输方式之 后，用户可以通过编程使系统功能更加强大，系统摆脱了线缆长度的限制，使用 更加简单灵活，携带更加方便。 2 2 芯片选型 随着集成电路的发展，无线收发芯片的可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强， 通讯协议简单透明，技术成熟。使用该种方案的电路设计简单。 无线收发芯片的种类和数量比较多，在设计中选择合适芯片可以提高产品开 发周期、节约成本。在选择时，考虑到本系统的要求，应主要参考以下几点【l9 ： 1 、收发芯片的数据传输是否需要进行曼彻斯特编码。采用曼彻斯特编码的 芯片，在编程上会需要较高的技巧和经验，需要更多的内存和程序容量，并且曼 彻斯特编码大大降低数据传输的效率，一般仅能达到标称速率的l 3 ，而采用串 口传输的芯片，应用编程非常简单，传送的效率很高，标称速率就是实际速率， 编程方便。 2 、收发芯片所需的外围元件数量。芯片外围元器件的数量直接关系到系统 1 4 第二章系统硬件设计 的复杂程度和成本，因此应该选择外围元件少的芯片。 3 、功耗。大多数无线收发芯片是应用在便携式产品上的，因此功耗也非常 重要，应该根据需要选择综合功耗较小的芯片。 4 、发射功率。在同等条件下，为了保证有效和可靠的通信，应该选用发射 功率较高的产品。 5 、收发芯片的封装和管脚数。较少的管脚以及较小的封装，有利于减少p c b 面积降低成本，适合便携式产品的设计，也有利于开发和生