（信号与信息处理专业论文）停车导航系统无线通讯方案的选用设计和软硬件开发.pdf

摘要 摘要 作为驾驶辅助系统的主流产品，停车导航系统已经在汽车市场上有了相当的 普及率。并且，从开始完全独立的数据采集，分析，处理和显示系统，到后来 的通过c a n 总线获取汽车信息，共享传感器信号的系统，产品的性能有了很大的 提升。长期以来，对于停车导航系统，在o e m 市场和零售市场上销售的产品都面 临一个问题：安装比较困难。作为一个驾驶辅助系统，经常作为附加配件安装， 安装越简单越好，但是实际情况却不是这样，因为安装和布线十分麻烦，往往要 将汽车的很多零件都拆下，打洞等等用来布线。不但花费了大量的人力。而且对 车身造成一定的损坏。因此，通过引入无线通讯技术，能够使电缆的数目减少， 简化安装，使系统布局更加灵活，同时，也扩展了数据的通讯方式，为将来更方 便的数据共享提供了一个渠道。 博世公司u r f 6 系统是一个停车导航产品的通用平台，用于多款车型。是一 个主流的平台。在u r f 6 系统的基础上，我在显示器和控制器之间用无线通讯方 式替换了有线串口通讯方式。在方案的选取上主要从性能和成本两方面考虑进行 了方案选取，在性能上特别强调了通讯的可靠性。最后通过比较，使用了基于 i e e e8 0 2 1 5 4 的z i g b e e 解决方案，并选用了c h i p c o n 的无线通讯芯片c c 2 4 3 0 。 实际开发中，通讯协议参考了原来有线通讯协议，制定了与原协议兼容的新的无 线通讯协议。对于硬件设计，在控制器端扩展了无线通讯模块，在显示器端则重 新设计并制作了带无线接口的显示器，显示器的用户界面与u r f 6 显示器相同。 软件设计上，使用了c 语言进行了程序的编写，实现了无线通讯的协议和功能， 并设计了显示器控制程序，在c c 2 4 3 0 d k 的平台上进行了调试和除错。 在完成模型制作后，使用示波器万用表等测试了硬件的所有功能。并在硬件 的基础上，测试并调试了软件。在完成软硬件测试后，对于无线通讯在汽车中的 可靠性也进行了简单的测试，结果表明，此无线技术是完全可以在汽车应用中使 用的。通讯也是相对可靠的。而有可能造成的一些更为潜在的问题，比如e 毗性 能，和其他无线技术的兼容性等，则需要通过实验进一步验证， 关键词：停车导航系统，无线通讯，z i g b e e ，c c 2 4 3 0 ，控制器，显示器，无线收 发器 摘要 a b s t r a c t a st h em a i np r o d u c t so fd r i v e ra s s i s t e n ts y s t e m p a r kp n mi sw i d e s p r e a di nt h e a u t o m o b i l em a r k e ta n di n s t a l l e di nm o r et h a n3 0 a u t o m o b i l e s i n s t e a do f i n d e p e n d e n td a t u mg a t h e r i n g , a n a l y s i sa n dd i s p l a yt h r o u g hc a n b u sh a sp a r kp i l o t s h a r e dt h es i g n a l sw i t ho t h e rs v s t e m s t h i si m p r o v e st h ep e f o r m a n c co fp a r kp i l o t s y s t e r n b u ti nt h ea f l e r m a r k e tt h e r ci sap r o b l e m m o n t a g ei sa l w a y sap r o b l e ma n d b r i n g sm a n yt r o u b l e s t r a d i t i o n a l l ym a n yp a r t so fa u t o m o b i l e sw i l lb ed i s a s s e m b l e d a n dt h eb o d yo fc a r sw i l lb ed r i l l e d t h e s ew o r k sc o s t sm u c hm o n e ya n dd a m a g e s t h eb o d i e so fc a r s b e t ：a u s ：w i t ht h ew i r e i c s st e c h n i q u et h ec a b l e sw i l ld i s a p p e a r , i t 啪s i m p l i f yt h em o n t a g e a n db r i n g e n , s o m eo t h e ra d v a n t a g e s f o re x a m p l e w i t ht h e h e l po fw i r e l e s st e c h n i q u ed a t u mw i l lb es h a r e de a s i l y b a s e do fu r f 6s y s t e r no r o d u c t e db yr o b e r tb o s c hg m b 两。ie m p l o y e da w i r e l e s sc o m m u n u c a t i o nb e t w e e nd i s p l a ya n dc o n t r o l b o x m e 踟2 1 5 4 g b c e ) p r o t o c o l li sa d a p t e da n df o rt h ed e v e l o p m e n t2t r a n s c e i v e rc c 2 4 3 0b vc h i p e o ni s u s e d a c t u a l l ya l le x p a n d e dm o d u l ei sm a d ef o rc o n t r o l b o x a n dan e wd i s d l a yw i t h w i r e l e s si n t e r f a c ei sm a d e f o rt h i sw i r e l e s sc o n o u n i c a t i o nan e wp r o t o c o ui s d e s i g n e d m o r e o v e riw t et h ep e o g r a n l n la n dd e s i g nt h ch a r d w a r e a f t e rt h ei n t e r f a c em o d u l ew a sm a d elh a v ed o n eat e s tf o r t h ea p p l i c a t i o ni n 巧 t h er e s u l ts h o w st h a tt h i sw i r e l e s st e c h n i q u ec a nb eu s e di nt h ec a ra n dt h e d a t a c x c b a n g ei sv e r vr e l i a b l e a sf o rt h ep o t e n t i a lp r o b l e m sw h i c ha l eb r o u g h tb y w i r e l e s sa p p l i c a t i o nt h ef u r t h e rt e s t sw i l lb ed o n e k e yw o r d s ：p a r kp i l o t ，w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，z i g b e e ，c c 2 4 3 0 ，c o n t m l b o x ， d i s p l a y ，t r a n c e i v e r 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 霓 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年 月 日年 月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 躲w 咒 山6 年7 月匕日 第一章引言 第1 章引言 1 1 停车导航系统无线通讯的需求和前景 在最近几十年中，汽车电子随着汽车工业的发展扮演了越来越重要的角色。 从最基本的蓄电池，交流发电机起动机，照明设备，仪表设备，到后来快速发展 的各种微电子元件，微控制器，传感器，集成电路。从供电系统，启动系统，发 动机管理系统，燃油喷射系统，到安全系统，报警系统，车内气候控制系统，再 到显示系统，驾驶辅助系统，娱乐系统。电子设备在汽车中的使用，可谓已经渗 透到了每一个模块。 随着电子元件的不断增多，车内布线和安装变得越来越繁琐和复杂。于是便 有了c a n 总线的出现。c a n 总线在很大程度上简化了布线和数据通讯。并且通过 数据共享整合了很多的系统。c a n 总线现已成为了汽车电子模块通讯的重要方 式。但是由于现在车内的电子系统越来越多，对安装的简便性，可换性有越来越 高的要求，而且很多新兴的电子设备的使用寿命要短于汽车寿命，c a n 总线也开 始越来越难以满足使用需求。于是近些年无线通讯的概念也开始在汽车工业中流 行起来。无线通讯在灵活性，安装性和数据共享等方面有着独特的优势，成为驾 驶辅助系统，娱乐系统将来可能的主要通讯方式之一。而车门遥控，电话免提等 的无线通讯的应用成功，也在一定程度上验证了无线通讯在汽车环境中应用的可 行性。 最近几年包括将来的很长一段时间，驾驶辅助系统和娱乐系统将是一个增长 熟点。驾驶辅助系统有停车导航，g p s ，夜视系统，危险自动处理系统，速度自 动调节系统等。娱乐系统主要是影音播放等。停车导航系统作为被动驾驶辅助系 统的成熟产品已经在汽车市场上有了较为普及的应用。在不远的将来将很有可能 成为各个层次车型的标准配置。而对于很多品牌的高档车型，停车导航系统已经 作为标准配置销售。也就是说。在出厂前已经集成在了汽车中，在这种情况下， 由于停车导航系统可以在汽车生产过程中安装在车内对安装简便方面的要求相 对较低，但是无线方案相对于有线方案在灵活性和易用性上还是有一定的优势， 比如无线方案可以很方便的适应驾驶者的习惯，显示器可以置于汽车的任何位 置。而且更换和维修将变得更为方便。而对于中低端车型的更大市场，由于停车 导航系统一般作为选配设备，还有很大一部分的市场是零售市场，也就是汽车在 生产完成后再购买和安装停车导航系统。对于这一部分市场，安装简便性就变得 很重要。现在的情况是，如果要安装该系统，为了布线，甚至要把车门拆卸，在 车前杠上钻孔等，可谓十分的不便。而无线方案就能很好的解决这个问题。显而 易见，无线方案可以减少电线得数目，将极大地简化这一安装过程。除此以外，无 线系统在数据共享和扩展能力方面也有着很大的潜力。设备越多，优势将越明显。 一般停车导航系统由4 1 2 个超声波传感器，一个控制器，1 - 2 个显示器组 成，传感器与控制器相连，控制器再与显示器相连。究竟在哪些元件之间建立无 线连接呢? 是否有必要在每两个元件之间都建立无线连接呢? 从成本上考虑，如果在每个元件之间都建立无线连接，或者在传感器和控制 器之间建立无线连接，将有5 1 5 个元件需要增加无线接口。而在控制器和显示 器之间建立无线接口，则只需要2 3 个无线接口的投入。可见，在控制器到显示 第一章引言 器之间建立无线通讯，要比所有元件之间建立无线通讯，或者传感器和控制器之 间建立无线连接成本要低很多。可以将成本的提升控制在可以接受的范围内。 从性能上考虑，由于控制器一般安装在后备箱内，传感器安装在防撞杆上， 两者的定位都是固定的，使用中不会去改变，同时控制器到传感器的距离相对较 近，布线也较方便，不会影响驾驶舱的美观度，因此无线方案相对于有线方案在 安装性和易用性，灵活性上优势并不大。而显示器安装在驾驶舱内，驾驶者可能 会根据习惯或者由于增加了其他产品而调节显示器的位置。同时因为显示器安装 在驾驶舱内，与控制器距离较远，如果布线需要拆卸车门，在车前杠上钻孔和改 动驾驶前面板，会影响驾驶面板的美观。而如果使用了无线方案，则只需要简单 的将显示器置于驾驶舱内部即可。可见，对于显示器和控制器之间的通讯，无线 方案有着很大的优势。 从可靠性上考虑，由于控制器根据超声波传感器发射和接收到超声波之间的 时间问隔来判断距离，而这个时间间隔是毫秒级的，所以传输时间的稳定性对于 测距的准确性有着很大的影响。无线通讯因为信道收到噪声的影响，稳定性较差， 而有线传输稳定性较好，传输时间也较无线通讯要固定。因此，无线通讯的使用 会使导航系统攫8 距的精确度和性能下降。与此相对，由于汽车和障碍物之间距离 改变相对缓慢，所以控制器给显示器的信号变化也相对缓慢，是秒级的，所以无 线通讯的延时和不稳定对于显示影响不大。而且由于变化缓慢，所以同样的信号 会被多次传输，偶尔的传输错误也很容易就可以被过滤。可见，无线通讯应用于 控制器和显示器之间对于可靠性没有什么影响。 综上所述，显而易见无论在成本上，性能上和可靠性上，在显示器和控制器 之间集成无线方案相对于在控制器和传感器间集成无线方案性价比要高得多。所 以在显示器和控制器之间的无线通讯才是技术上和经济上切实可行的。 总之，对于停车导航系统，无线通讯可以以不大的投入，实现安装上的简便 性，使用上的灵活性，同时在扩展方面有着很大的潜力。只要无线协议兼容，数 据就可以输出到任何兼容的可移动设备上，而且也可以输出到其它设备的显示器 上，降低系统的成本。对于停车导航系统，无线通讯将为一个有吸引力选项可控 客户选择。 1 2 无线通讯在车载应用中可能出现的问题 相对于有线通讯，无线通讯也有其劣势。其劣势主要表现在可靠性上。由于 汽车是个很复杂的环境，有着众多的干扰和噪声，而且汽车在行驶的环境中也可 能会遇到各种外界的辐射和干扰，所以信道质量尤其的差，在这样的信道中无线 通讯可能会满足不了系统要求的误码率和可靠性指标。同时汽车应用对于电磁兼 容性有很高的要求，而无线通讯的信号能量散布于很大范围的空间中，会产生更 多的辐射，所以也有可能导致闯题，影响其他系统的运行。 除此以外，由于以往的运用都是在一个车厢内部的，而停车导航系统的不同 部分的元件位于不同的车厢，驾驶舱和后备箱，而两者之间有很多的金属部件， 会产生各种屏蔽效应，无线信号可能无法通过，或者通过后无法被识别。 晟后，由于无线设备会越来越多，与其他无线设备，特别是和工作于同一频 段的设备的兼容性变得很重要，由于无线通讯都是共享同一频段的信道。可能会 产生潜在的冲突和无法共同工作。 2 第一章引言 1 3 停车导航系统崃f 6 停车导航系统是对汽车停车时前后障碍物进行提示的电子系统，由超声波传 感器( u s s 4 ) ，控制器和显示器组成。由超声波传感器来测量汽车与障碍物之间 的距离，超声波传感器将发出超声波和接收到超声波的时刻传送给控制器，控制 器根据时间间隔算出汽车与障碍物之间的距离，将距离信号传送给显示器，最后 在显示器上显示出来。u r f 6 系统是b o s c h 的通用停车导航系统平台。支持3 1 0 个传感器通道。基础系列是3 4 个车后传感器，可扩展2 个车前角传感器通道和 4 个车前传感器通道。测量范围是3 0 厘米1 5 0 厘米。本无线接口是基于u r f 6 系统开发的。 i 瓜f 6 系统有3 个工作模式组成；校准，工作和检错。校准是系统初始化， 控制器根据传感器和显示器的软硬件版本和传感器的安装位置初始化系统，然后 进入工作模式进行工作。当设备出错或者损坏时可以运行检错模式对设备进行检 错。u r f 系统传感器，控制器和显示器之间都是由电缆相连。传感器和显示器 都是由控制器供电。显示器通过双向半双工异步串口与控制器交换数据。显示器 上有7 个l e d 灯和一个喇叭，通过l e d 灯和喇叭，用户可以知道汽车和障碍物 之间距离的信息。 图1 1u r f 6 显示器( b o s c h 公司资料) 上图为i j r f 6 系统前，后显示器。前显示器安装在汽车驾驶前面板，后显示 器安装在汽车后座的顶上。上面六个l e d 等显示实际距离，最下面的l e d 灯显 示此距离是车前面的障碍物还是车后面的障碍物。通过喇叭呜叫的快慢同样可以 获得距离信息。随着距离的接近，呜叫从缓慢到急促直到最后持续鸣叫。同样， 从喇叭鸣叫的频率上可以区分车前，车后障碍物。车前障碍物为1 0 0 0 h z ，车后 障碍物为1 5 0 0 i i z 。 第一章引言 图1 2 u 剐陌平台结构简图( b o s c h 公司资料) 上图为8 通道u r f 6 系统示意图。整个系统由8 个超声波传感器，一个控制 器和2 个显示器组成。当进入倒车档时，系统启动 1 4 论文内容 比较并选择合适于停车导航和汽车环境的无线技术，确定无线芯片供应商。 基于u r f 6 停车导航系统开发控制器和显示器之间的无线接口。设计无线通讯的 软件和硬件。做出硬件模型并在此模型基础上验证软件。最后测试此系统在实车 上的性能和表现。 4 第二章无线方案选择 第二章无线方案选择 2 1 停车导航系统通讯参数 在选择无线方案之前，先要搞清什么是最好的选择。最好的选择应该是与系 统应用最匹配的，可靠性好，性价比高。同时，要有一定的可扩展性，升级更为 方便。因此，在做出选择之前，首先要明确系统需求。以下列出了停车导航系统 控制器与显示器之间通讯的要求： 传输范围： 实际带宽： 节点数； 功耗： 误码率； 成本： 温度范围： 1 0 m 4 8 k b 个 小( 可以节约电能，并使电池解决方案成为可能) 小( 1 ) 低 - 4 0 。c 一8 5 。c 以上就是停车导航系统的系统需求。其中，传输范围，温度范围，带宽，节 点数都是硬性指标，一定要满足才可选用，而在误码率，功耗和成本方面，在满 足一定的可靠性下，功耗和成本应尽可能的少 2 2 无线方案的比较 选择标准： 在比较各个方案之前，先来看一下有哪些方案可供选择。并且建立一套比较 的标准，用以判断方案的优劣。 前面一节已经阐述了对于停车导航系统，有四个指标是必须达到的，他们就 是： 传输范围 温度范围 带宽 节点数 除了这四个必要条件，有一些其他的性能也同样很重要： 首先，停车导航系统属于被动驾驶辅助系统，属于安全系统的范畴之内。所 以对系统的可靠性有较高的要求。错误的提示会直接造成汽车的损坏。而汽车环 5 第二章无线方案选择 境噪声很大，信道质量很差，会导致过高地误码率甚至是通讯失败，而这一点是 停车导航系统不能出现的问题。因此，误码率( 可靠性) 和抗干扰性需被列入评 判标准。 其次，因为停车导航系统用于汽车，而汽车应用对功耗有较高的要求，过高 的功耗会导致汽车电能供应上的问题。同时，电池解决方案会使显示器变得更独 立和增加显示器的可调性和美观度，低功耗则给电池应用提供了良好的条件和可 能。所以功耗也被列入评判标准中。 再次，实现无线通讯的代码空间也是一个需要考虑的因素，代码空间越大， 需要的存储空间越大，会增加控制器芯片成本。 最后，停车导航系统是驾驶辅助系统，而且产品将不只是针对高档汽车，同 时针对中，低档汽车。所以是一个对成本较为敏感的产品。因此，毫无疑问，芯 片和开发成本也将作为评判的标准之一。 综上所述，评判标准将由传输范围，温度范围，带宽，节点数，功耗，误码 率和抗干扰性，代码空间和成本组成。 可选方案： 现时根据不同应用无线解决方案非常的多。根据频段划分，有工作在几十兆 几百兆和几g 的。因为汽车的通讯环境很差，在低频段内干扰源较多，而且， 在此频段内已有较多的无线设备，因此产生冲突的可能性较大，所以，对于本系 统。尽可能采用较高频段的方案来实现。而在较高的频段，2 4 g 是国际上公共 的免费频段。在2 4 ( 3 上也有很多成熟的解决方案是对本停车导航系统理想的 频率选择。 根据传输距离划分，无线网络又可分为w w a n ，w l a n 和w p a n 。即无线 广域网，无线局域网和无线微微网。其中无线广域网的传输距离一般在几十到几 百公里。无线局域网传输距离在1 0 0 m 到几公里。而无线微微网的传输距离则在 1 0 m 到1 0 0 m 。显而易见，针对本系统应用，无线微微网的解决方案是最匹配的。 而无线解决方案又有专用方案和通用方案之分。专用方案是使用普通的无线 通讯芯片，这些芯片不根据标准协议开发，当使用了这些芯片时，无线通讯只能 在本系统内进行无线通讯。而通用方案则可以在相同协议下的各种设备之间交换 数据。可见，通用方案( 标准方案) 的可扩展性更强，使产品具有更多的升级和 扩展潜力。而从价格上来看，通用方案芯片的价格和一般的无线通讯芯片也相差 无几。因此，对于本系统，我选择了支持通用协议的解决方案。 下图列出了现在较为流行和成熟的无线解决方案，在传输距离和传输带宽上的定 位。 6 第二章无线方案选择 图2 1 无线通讯方案比较 从此图可见。可选方案主要是z i g b e e ，b l u e t o o t h 和w f i 中的8 0 2 1 5 3 c 。3 个方案都是工作于2 4 g h z 。其中z i g b e e 还提供了8 6 8 3 和9 1 5 m h z 的可选频率。 1 3 1 u e t o o t h 也就是蓝牙技术。于1 9 9 8 年发布，基于i e e e8 0 2 1 5 1 。主要用于短距 离中低速率的无线通讯。现已广泛用于手机，p d a 和电脑中。w i f i 于1 9 9 9 年 发布，基于i e e e8 0 2 1 1 ，也是用于短距离通讯，m 但是传输速度比蓝牙要快。 w i f i 主要用于个人电脑和笔记本电脑中。z i g b e e 相对于以上两种技术发布时间 较晚，于2 0 0 3 年发布，基于i e e e 8 0 2 1 5 4 。使用距离是在1 0 m ( 可扩展成1 0 0 m ) 。 主要应用于低速低成本低功耗的应用。主要针对市场为智能建筑，工业控制等。 以下就是对此3 个技术的性能比较： 7 第二章无线方案选择 _ 、 一j “1 | 慝+ 。j 潮每秽雾翠 g ；9 ：i ：捌 ：l l 麟l l e t ：5 0 ：0 5 2 m “；1 ! 1擎军8 1 1 。i2 湎霉国：势：鬻 霄 ? j 发布时间 2 0 0 31 9 9 89 9 9 l e e eb 0 2 15 42 1 5 1 b 0 2 11a b i g 针对市场监视与控制语音，电缆替换数据传输 系统资源 4 3 2 k b2 k b1 m b + 网络节点容量 2 5 573 0 带宽 - 2 4 g h z ：2 5 0k b p s1 m b 3 m b ”m b - 5 4 m b - 嘲3m h z ：2 0 k b l ：培 - 9 1 5 m h z ：4 0k b p s 传输范围 1 0 3 0 米1 m 1 米1 0 0 米 功耗 t x ：3 5 m at x ：4 0 m at x ：4 0 0 + m a 空闲：3u a 空闲：2 0 0u a空闲：2 0 m a 成本低低高 唤醒时间1 5 毫秒几秒2 5 毫秒 工作频率2 4g h z 9 1 5m h z 2 4 g h z 2 4 g h z ，5 g h z b 6 8 m h z 支持网络类型点对点点对点点对点 星形网星形网星形网 混合型 使用授权免费 有使用费免费 可靠性( 三者相对很高( 12 d b + )一般 高( 7 d b + ) 表2 1 无线通讯方案参数比较 8 第二章无线方案选择 下图是三种技术在不同信噪比下的误码率表现： 图2 2 无线通讯方案误码率比较 注：此图下方标出了z i g b e e 在3 种可用频段内的不同表现。我选用了2 4 g h z 频 段的方案。 在此图中，可以发现，z i g b e e 在低信噪比环境下有着很大的优势，其次是 w i - f i 。而b l u e t o o t h 则相对抗干扰能力较差。 9 第二章无线方案选择 综上所述，在此给出一个对三种技术在评判标准下的打分： 愿掣 l 鹚鞠嘲翻 瞄毒：v | 0 i ：蠹毒嚣l 瓣照燧j ( 8 躐朗硒；黢缀霹 i 藏i 城激鹣蒌囊| l i 滋囊囊虢漱 传输范围21 3 两络节点容量 31 2 温度范围可用 可用可用 带宽12 3 功耗32 1 可靠性312 成本321 代码空间32 1 总分1 8 1 11 3 表2 2 无线通讯方案参数比较 注：分数越大，表示性能越好 据此分析。很明显，z i g b e e 在各项指标中占有优势，获得了1 8 分的高分。 由于z i g b c e 在功耗可靠性和成本上有着优势，所以经过比较，z i g l 脱为最适合 本系统的解决方案。 2 3 无线通讯方案z i g b e e ( i e e e8 0 2 1 5 4 ) 简介： z i g b e c 是针对低成本低功耗应用的无线解决方案，它定义了一套标准的协 议下图是建立7 j g b c c 工业协议的公司联盟。 z i g b e ea l l i a n c ep r o m o t e r s 图2 3z i g b e e 联盟发起公司( z i 如网站) 第二章无线方案选择 z i g b c e 是一个基于i e e e 8 0 2 1 5 4 的硬件和软件上的标准协议。i e e e s 0 2 1 5 4 定义了物理层和m a c 层。而z i g b c e 协会则在此基础上补充了网络层和应用层。 下图是z i g b c e 的协议结构： z i g b e es t a c kb l o c kd i a g r a m 图2 4z i g b e e 协议堆( z i g b e e 网站) 1 1 第二章无线方案选择 z i g b e e 的特性： 使用带宽：2 4g h z ，9 1 5m h z , t8 6 8m h z 较强的穿透障碍物的能力 传输带宽：1 0 k b p s t 0 1 1 5 k e r n 覆盖范围：1 0 7 5 m 在使用频率较低的情况下，使用电池解决方案，电池寿命最多可达2 年。 可与其他在相同频段下工作的无线协议相兼容。 i e e f _ 啪2 1 5 4 采用了d s s s 和o p s k 技术，适用性很强。 d s s s 技术： d s s s 是直接序列频率扩展。是一种用于无线传输的频率扩展方法。原理是 将信号用一段已知的码序列进行扩展，获得新的输出信号，这段己知的码序列称 为扩展码。这样原本一位数据就变成了很多位数据，实现了频率较低，功率密度 较高的信号转变为频率较高，功率密度较低的信号。 d s s s 将每个单位信号的能量在一个相对较宽的频谱上分散开，将有用数据 流和更高数据率的扩展码混合。通过扩展，使得带宽变宽，但同时信号功率密度 减小。这样，信号功率就更接近于噪声，对其他信号的影响就小，而且不易被人 截获和察觉。同时接受者必须使用相同的序列来解码，这样安全性就很高。同时 d s s s 方法受噪声干扰小，即使噪声功率大于信号功率的情况下，同样可以正确 的解码，有相当的抗噪性和可靠性。z i g b e e 使用的扩展序列是l l 位的b a r k e r 码。 z i g b e e 使用d s s s ，和蓝牙相同，同样使用了2 4 g h z 频段，但是功耗要比蓝牙小， 发送功率在2 m a 左右。接受功率和蓝牙类似。同时，数据传输率受噪声的影响 较小。d s s s 技术一次数据传输可在5 0 u s 内完成。 作为跳频技术，d s s s 从根本上对噪声不敏感，即使当噪声功率是信号功率3 倍的情况下，仍然能够正确可靠的解码。 通过这个网址h t t p ：w w w z i g b e e o r w e n i n d e x a s n 可以获取关于z i g b e e 更多 的信息。 第二章无线方案选择 2 4 无线通讯芯片的选择- c c 2 4 3 0 = 公司产品型号m a c 版本罔页链接 f r e e s c a l e m c l 3 1 9 2r e v 2 21 0 5 。1 m c l 3 1 9 2 c h i p c o n c c 2 4 2 0 d bo 7 1c c 2 4 x 0 d b e t u b e r“r f u p ”7 1 0 - 0 3 0 1 - 0 0 r e v bn ae m b e r 2 烈e t1 0 c o m p x s s c a f e l lp c bv e r s i o n1 03 2 1 ，2 7 2 0 0 5c o m o x s i n t e n t a t i o n i n t e g r a t i o n g l a r a m a r a4 10 村c o m o x s i n t e r a t i o n u k s e m i c o n d u c t o r m l 7 0 6 5 m 3 2 ( m a c p h y r f ) a i r b e ea i l b c e - z n sn aa i r b e ez n s f r e e s c a l ef 8 wz - s t a c kf o r t h e1 0 6 1 m 1 3 1 丝 m c l 3 1 9 3 c h i p c o n f 8 wz - s t a c kf o r t h e0 7 1 g 銎堑q 旦旦 f ) c c 2 4 2 0 i n s f l t n t ef o rmz i g w ea d v a n c e dn a 地舀逝 i n f o n n a t i o np r o t o c o l i n d u s t r y 瑚参战酽。粥2 敬撂缓嘲觥 “10 7 1 c _ _ c c 丝x 0 d b 一 。9 f i r ) 。l e m b e re t u b e r z n e tn ae m b e r z n e t2 0 m l i c o m m h e l i c o m mi p l i n kh e l i c o m m 堡丛唑 2 4 g h ze 皿ka n dm a cv 1 0 0 m o d u l e s s i l i c o n s i l a b s 2 4g h e l i c o m ms i l a b s l a b o r a t o r i e s z i g b e e 8 0 2 1 5 4m a c v 1 0 0 d e v e l o p m e n tb o a r d n e c n e c e n g i n e e d n g n a婴 e n g i n e e r i n g p i a f f o r mw i t hf r e e s c a l e v 1 0 6 1 d a c 表2 3z i g b e e 认证芯片列表 第二章无线方案选择 以下是c h i p c o n ( t i ) 公司支持z i g b e e 无线通讯芯片的产品目录： c h i p c o n ( t i ) ： 芯片型 频率频率 ( m i n ) ( r e x )售价( 美元)描述 号 ( 删z ) ( 删z ) 2 4g h zi e e e8 0 2 1 5 4 兼容 c c 2 4 2 0 2 4 0 0 2 4 8 3 52 4 0 z i g b e e 认证的无线收发器 2 4g h zi e e e8 0 2 1 5 4 兼容 0 c 2 4 3 02 4 0 0 2 4 8 3 53 6 0 一4 2 z i g b e e 认证的s o c 无线收发器 s y s t e m - o n c h i p ( s o c ) s o l u t i o n c c 2 4 3 12 4 0 02 4 8 3 56 6 5 应用于z i g b e e i e e e8 0 2 1 5 4 无线传感器网络的单片机解决 方案。 表2 4c h i p c o nz i g b c e 芯片列表 在这些器材中我最终选择了q d p o ( 1 r i ) 公司的c c 2 4 3 0 芯片。因为c c 2 4 3 0 芯片具有以下的优势： 真正的z i g i ) e c i e e e8 0 2 1 5 4 低功耗，低成本的s o c 解决方案。由无线收 发器c c 2 4 2 0 和一颗加强型的8 0 5 1 控制器组成。 t i ( 德州仪器) 是一家世界闻名的公司，同时1 1 和b o s c h 已经有了很长的 合作历史，使用1 r i 公司的无线芯片是可靠的，同时可以获得更好的技术支 持。 c c 2 4 3 0 只需要很少的外围电路就能实现无线通讯，这是控制整体成本的重 要因素。 c c 2 4 3 0 有3 个版本，c c 2 4 3 0 一f 3 2 ，f 6 4 ，f 1 2 8 ( 有3 2 k b ，6 4 k b 和1 2 8 k b f l a s h ) 。根据实际代码大小可以选择合适的芯片版本，精确的控制成本。同 时当需要升级或者增加代码时也只需要换用更大闪存容量的芯片具有较好 的扩展性。 c c 2 4 3 0 提供相应的开发工具和开发测试板，有利于开发和测试。 集成于c c 2 4 3 0 中的无线收发器c c 2 4 2 0 有很好的无线传输性能。是z i 咖c 无线芯片中优秀的无线收发器。这样可以使系统有更好的可靠性。 c c 2 4 3 0 是集成有8 0 5 1 的控制器。这样就可以把用于无线通讯的代码和其他 的代码很好的隔离开来，实现模块化。这样，程序更加易于维护，作为一个 无线接口部分的初期开发，可以将无线接口作为一个相对独立的模块。有利 于将来继续的开发和改进。 1 4 第二章无线方案选择 c c 2 4 3 0 d k 是c c 2 4 3 0 的开发板。由3 个部分组成。两块母板( 2 x ) s m a r t r f 0 4 e b ，2 块 c c 2 4 3 0 模型( 2 x ) c c u 3 0 e m 和两根2 4 g f l 9 线。s m a r t r f d 4 e b 评估板。可以作为c c 2 4 3 0 c c l l l 0u n dc c 2 5 1 0 的母板使用。s m a r t r f 0 4 e b 带有各种接口和人机界面，在板上集成有 一块l c d 屏和4 个l e d 灯用于输出信息，u s b 接口芯片和接口电路，r s - 2 3 2 申口，供电 模块，同时还有模拟输入和数字输入模块 第二章无线方案选择 1 6 第二章无线方案选择 c j z 2 4 3 0 e m 是c c 2 4 3 0 评估模型。集成有c c 2 4 3 0 的芯片和用于无线通讯的 推荐外围电路。c c 2 4 3 0 e m 是实现c c 2 4 3 0 无线通讯最佳性能的推荐电路，在设 计中应该保留 当c c 2 4 3 0 e m 插在母板上工作时，可以测试c c 2 4 3 0 的几乎所有功能和无 线通讯的重要参数。通过母板上的测试连接器还可以将无线信号的波形输出，以 做进一步的分析。 c c 2 4 3 0 d k 的母板提供了多种的供电模式，可以通过u s b ，3 3 或1 0 v 直流 和标准9 v 电池供电。同时，u s b 接口还被作为c c 2 4 3 0 母板同p c 机的主要通 讯接口。通过附带的s m a r t r f 0 4 e b 的软件可以访问和修改c c 2 4 3 0 芯片的所有 寄存器，同时通过p c 来收发数据。使用软件f l a s h p r o g r a m c r 可以将程序通过u s b 口写入到c c 2 4 3 0 的f l a s h 中。 2 6 无线接口的结构概况 基于c c 2 4 3 0 无线接口的系统示意罔 图2 8 基于c c 2 4 3 0 无线接口的系统示意图 停车导航系统u r f 6 控制器和显示器之间原来的数据通讯是通过异步半双工 串口进行通讯的。控制器作为主机工作，显示器作为从机工作。在控制器和显示 器之间使用了3 线连接，1 根数据线，1 根电源线和1 根接地线。可见，u r f 6 系统显示器是由控制器来供电的。 现在对于数据传输和电源供给都要进行修改。首先数据传输要由有线串口传 输修改为无线传输，显示器的电源供给也不能再由控制器提供，可以选择电池方 案或者直接从汽车上获取电能的方案。在此模型设计中，采用了外部供电，也就 是直接从汽车上获得供电。 具体修改方案如上图。在控制器和显示器之间分别加入c c 2 4 3 0 的模块。在 控制器这边，扩展一个c c 2 4 3 0 无线通讯接口模块。控制器和此无线接口模块之 1 7 第二章无线方案选择 问使用异步串口通讯。因此原控制器不做任何修改，只是扩展了一个无线接口模 块。所有与无线通讯相关的软硬件都在此无线接口模块中实现。控制器与无线接 口模块之间使用了3 线连接，一根数据线，一根电源线和一根接地线。 在显示器这边，修改较多。u 6 显示器原本使用了n e c 的8 0 5 1 控制器， 这块芯片的特性如下： r o m ：4 k ( f l a s h ) r a m ：2 5 6 b y t e s c l o c k ：1 0 m h z i 0 ：1 7 ( t o t a l ) t i m e r ：4c h a n n e l p o w e r s u p p l y ：2 2 5 5 v 将此芯片与c c 2 4 3 0 中的增强型8 0 5 1m c u 相比，c c 2 4 3 0 中的8 0 5 1m c u 的性 能要远远强于n e c 的m c u 。在实现无线通讯功能的同时，c c 2 4 3 0 中的8 0 5 1 m c u 也同样可以实现原显示器中控制器的功能。所以处于成本和最后显示器体 积的考虑，在显示器端，使用e c 2 4 3 0 来替换了原n e c 的显示器，这样o c 2 4 3 0 就不只是负责无线通讯功能，同时负责l e d 和喇叭的控制与驱动。因为不再使 用原来的控制器，而且c c 2 4 3 0 与原来m c u 有诸多不同( 例如供电电压) ，所 以无法在原来显示器的基础上，进行扩展，本模型重新设计了显示器，新的显示 器与原显示器有相同的显示功能，同时植入了无线通讯模块。因为是原形机，所 以将些原来面向客户可调的模块进行了简化，取消了原来喇叭频率控制的功能 和显示器检错的功能。 第三章软件设计 3 1 通讯协议： 第3 章软件设计 图3 1 通讯协议示意图 因为控制器未做更改，所以新的协议必须与原本的通讯协议相兼容，控制器 可以根据原本的指令来控制显示器。所以在原本通讯协议的基础上，做了些许修 改。同时扩展了底层无线通讯的模块。事实上，我并没有使用z i g b e e 整个协议 堆。只是使用了物理层和m a c 层( 即i e e e8 0 2 1 5 4 ) ，而网络层和应用层沿用 了以前的设计。如果将来需要控制器能够输出z i g b c c 通用信号，则可以修改软 件部分，使用z i g b e e 标准的协议堆。这样，整个通讯协议都将修改为z i g b e e 的 通用协议。 所以整个协议由两部分组成，上层通讯协议和下层的无线通讯协议。上层的 通讯协议即原本的通讯协议的修改版，下层的无线通讯协议是负责将上层的数据 流通过无线的方式在显示器和控制器之间进行交换。上层协议之间以数据帧为单 位进行通讯，两对于下层无线通讯则只是以数据字节为单位进行通讯，即将每一 一 帧数据都分解成数据字节，然后根据协议格式，将数据字节作为有用数据重新组 成数据帧进行传输：具体过程就是控制器将数据帧传给c c 2 4 3 0 无线通讯模块， 1 9 第三章软件设计 无线通讯模块则将此数据帧以字节流的方式传给显示器的无线模块。显示器的无 线模块根据帧的起始位信息将字节流重新组成数据帧，然后根据数据帧的内容控 制显示元件进行动作。从显示器向控制器的数据传输也是类似的过程。 下层无线通讯协议： 我建立了一个以中断驱动的无线通讯协议，即以中断的方式，进行数据接收与发 送。这样控制器可以在收发数据的同时，进行其它的控制。 帧结构： 深灰色的部分是硬件根据i e e e8 0 2 1 5 4 的协议自动加上的。( 帧长，r s s i 和l o i ) 。浅灰色的部分是由软件根据通讯要求设定。白色的部分为有效数据位。 因为使用一个字节来记录帧长，所以总长度