（通信与信息系统专业论文）基于epa的ieee80211b无线网关开发.pdf

重庆邮电大学硕士论文目录 摘要 i e e e 8 0 2 1 i b 标准作为无线局域网的规范之一。是一种颇具优势且应用较为 广泛的技术随着工业自动化技术和计算机通信技术的发展，i e e e 8 0 2 1 l b 技术 在工业以太网现场设备中的应用正逐渐成为研究的热点。本文根据用于工业测 量与控制系统盼e p a 系统结构与通信规范，研究开发了具有自身特色的 i e e e $ 0 2 1 i b 无线网关和无线手持终端。 本文首先在引入无线以太网概念的基础上，分析了i e e e 8 0 2 1 l b 在工业以太 网现场设备中的实际应用价值；其次给出了无线网关的总体软件设计和无线网关 中i e e e 8 0 2 1 l b m a c 层的软件设计，及主要模块的开发流程图；接着介绍了在 i e e e 9 0 2 1 l b 无线手持终端中的u s b 无线网卡。e p a 协议的移植和m i n i g u i 图 形界面软件的开发过程：最后，说明了作者参与建立的具有无线数据采集，交换、。 显示，存储、监控等功能的无线测控系统 在e p a 通信规范中把无线通信技术引入工业控制领域，可以有效解决在传 统的有线工业控制网络应用中遇到的问题本课题通过对基于e p a 的 口髓e 8 0 2 1 i b 无线网关和手持终端的开发，为在工业现场中无线e m 设备的应用 做了初步的探索， 关键诃：i e e e 9 0 2 1 1 b e p a ，无线网关，无线手持终端，m i x f i g u l 重庆邮电大学硕士论文 嗣录 a b s t r a c t a so n eo fw l a ns p e c i f i c a t i o n s i e e e 9 0 2 1 l bi sa na d v a n t a g e dt e c l m i q u ef o r w i d ea p p l i c a t i o n w i 垃lt h ed e v e l o p m e n to f t e c h n o l o g yo ni n d u s t r i a la u t o m a t i o na n d c o m p u t e rt e l e c o m m u n i c a t i o n t h ea p p l i e a t i o no fi e e e 8 0 2 1 1 bi nt h el a y e ro f 盘d u s l r i 越f i e t dd e v i c e so fi n d u s t r i a le t h e r e c ti sb e c o m i n gaf o c u s b a s e do n ；e p a s y s t e ma r c h i t e c t u r ea n dc o m m u n i c a t i o ns p e c i f i c a t i o nf o ru s ei ni n d u s t r i a lc o n t r o l a n dm e a s u r e m e n ts y s t e m ，i e e e 8 0 2 1 l bw i r e l e s sg a t e w m ya n dw 讧e l e s sh a n d * h e 穗 t e r m i n a l sw a sr e s e a r c h e da n d d e v e l o p e dw i t hi t so w nc h a r a c t e r i s t i c s i nt h ea r t i c l e , t h ef i r s to nt h eb a s i so fi n t r o d u c t i o no ft h ec o n e e p to fw i r e l e s s e t h e m e t ，t h ei e e e 8 0 2 1 l bi n d u s t r i a le t h e m e ti nt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o no ft h e e q u i p m e n tv a l u ew e r ea n a l y s e d ；s e c o n d l y , 西y e nt h eo v e r a l ls o f t w a r ed e s i g no ft h e w i r e l e s sg a t e w a ya n di e e e8 0 2 。l 】bm a c p r o t o c o ll a y e r ；g i v e nt h em a j o rm o d u l ea n d f l o wc h a r to ft h ed e v e l e p m e n t t h e ni n t r o d u c e dt h et r a n s p l a n to fu s bw i r e l e s sc a r d s m a de p a p r o t o c o l ，d e v e l o p e dm i n i g u ig r a p h i c si n t e r f a c es o f t w a r ei ni e e e 8 0 2 ，l l b w i r e l e s st e r r a i n a l s ：f i n a l l yi nc o n n e c t i o nw i t ht h et o p i cn e e d sf o r t h e rd e v e l o p m e n to f aw i r e l e s sd a t ac o l l e c t i o n ，e x c h a n g e ，d i s p l a y , s t o r a g e ，c o n t r o l ，a n do t h e rf u n c t i o n so f t h ew i r e l e s sm o n i t o r i n gs y s t e m w i r e l e s st e c h n o l o g yw a si n 仃o d u c e di n t oi n d u s t r i a lc o n t r 0 1f i e l di ne p a c o m m u n i c a t i o i t sn o r m s w h i c hc e f f e c t i v e l yr e s o l v ep r o b l e m si nt h et r a d i t i o n a l w i t e di n d u s t r i a lc o n 订o ln e t w o r k i nt h ea r t i c l e a c h i e y e di e e e 8 0 2 11 bw i r e l e s s g a r e w a ya n dh a n d - h e l dt e r m i n a l sb a s eo de p at h a tw i r e l e s se q u i p m e n to fe p ah a s d o n ei n i t i a le x p l o r a t i o ni i it h ef i e l do f i n d u s t r i a la p p l i c a t i o n s k e yw o r d s ：i e e e 8 0 2 il b ，e p a ， w i r e l e s sg a t e w a y w i r e l e s sh a n d h e l d t e r m i n a l s ，m i n i g u i “ 独创性骞躜 本人声明所照交的学位论文是零人在母嬲攘母下遴稽躲硪究王撵及墩褥抟 错巍戚豢，攒我所知，除了文书黪剃翻戮撂涟酾致落翡地方辩，谂变串不镪食冀 缎人已经发嚣或撰鼍过憋麟究成暴，也苓惫禽魏获褥爨滚整患塞燮域蒺绝教 黉瓤搀瓣学镪或诞警搿镬擐避的耪辍。驽蔑一简置律筋简恚对零疆究所镦麴经蟪 露献坶跫霞谂文串律7 甓磷的谎爨并袭器落慧。， 擎鳢论文错懿：勿哮辩隅2 州瓣和善甜 学位论文版权使用授掇书 本攀盘谂文嚣蠹寒垒了辩。耋藏粼瞧叁鬟膏关保鬻、侵掰拳位谕文的规 窟，鸯投保姆磐囱爨褰荐关粼弱霞豁隐遴交论文熬复翁j 搏秘磁盘，兔译论文旋聋 瓣秘辔阕。誊入授技垂痰熬螯鑫墼 珂戳祷举位论文鹃全都或部分内容编入 肖荚散据簿避牙援索，薯淤采耀影簿、缨牵臻鞠捺等笈镪拳段绦裙，挺缡攀谴论 文。 ( 缫褰熬学霞瓷盘在解寮器透掰攀羧校书) 一瓣撇，杏冲 羲字鞲期：。9 掣拜2 露。 孥师签名； 襞掌鑫糯 劢争 t 妒* f ，z 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 第一章绪论 1 课题背景 现代科技领域中，。计算机技术和自动化技术被认为是发展最快的两个分支， 计算机控制技术是这两个分支相结合的产物，它是工业自动化的重要支柱。今天， 随着控制、计算机、通讯、网络等技术的发展，信息交换领域正在迅速覆盖从工 f 的现场设备层到控制、管理的各个层次，从工段、车问、；工厂、企业到世界各 地的市场。信息技术的飞速发展，导致了自动化系统结构的变革。而逐步形成以， 网络集成自动化系统为基础的企业信息系统。 目前世界上出现的多种现场总线标准，无法统一和混用，；并导致现场总线难 以得到大面积推广，而以太网等商用主流通信技术却在工业企业综合自动化系统 中的高层网络( 控制层和信息管理网) 应用非常广泛，并有向下延伸直接应用于 现场设备问通信的趋势。在这种大趋势背景下，用于工业测量与控制系统的e p a 系统结构与通信规范 即e p a 标准，针对工业测量与控制系统网络通信特点。 以工业控制为应用对象。以以太网。无线通信技术、t c p f l p 为基础。在m a c 层 与网络层之间定义了e p a 通信调度管理实体，并定义了应用层服务与协议规范， 实现了各网络层次上的信息集成i i j 在e p a 通信规范中把无线通信技术引入工业控制领域，可以有效解决在传 统的有线工业控制网络应用中遇到的布线成本有时会大大超过其他控制设备的 成本，电缆的连接限制现场设备的移动和网络的重组。一些工业环境禁止使用电 缆( 如超净或真空封闭的房间) 、或者很难使用电缆来传送数据( 如高速旋转的设备) 等问题。可满足工业控制领域强实时性、高可靠性、恶劣的工业现场环境适应性。 总线供电等特殊要求。 1 1 1 e p a 协议简介 在国家8 6 3 计划的连续滚动支持下，重庆邮电大学作为核心单位参与制定 了国家标准一一用于工业测量与控制系统的e p a ( e t h c r n c t f o r p l a n t a u t o m a t i o n ) 系统结构和通信标准( 简称“e p a 标准”) 。在此基础上形成的6 5 c 3 5 7 n p 以 9 5 8 的得票率被国际电工委员会正c 发布为i e c p a s6 2 4 0 9 、作为第十四类型 列入实时以太网国际标准i e c6 1 7 4 8 2 、即将作为第十四类型列入现场总线国际 标准m c6 1 1 5 9 ( 修订版) 。 e p a 基于高速以太网技术的现场总线控制技术的开发成功，填补了国内空 白，达到了国际先进水平用于工业测量与控制系统的e p a ( 蕾t h e r n e tf o rp l a n t 重庆邮电太学硕士论文第一章绪论 a u t o m a t i o n ) 系统结构和通信标准是我国第一个拥材自主知识产权的现场总线 国家标礁，也是我国第一个被国际认可和接受的工业患动化领域的标准。该技术 的研制成功，改变了我善程工韭数嚣透信方藤长期娃予跟踪研究的现状，改变了 现场总线技术开发难度大，技术要求高、难以产业化的局面。对推动我阑工业自 凄犍坟袭与控裁琴麓产燕戆研究秀发将起裂辍援嚣爱， e p a 标准是一种基于以太网、无线局域嘲、；蓝牙等信息网络通信技术的适用 手工业囊动诧控制系统装嚣与仪器仪表闻、蔓避自动织伎箍纹袭楣互闻数据通镶 的工业撩制网络通信标准。e p a 设备有3 种接入方式# 蓝牙无线接入。既线局域 网接入棚以太网镄入。现场设备可以通过这3 种接入方式。；实现现场设器之间有 线和无线瓣信息倍输，也安现了各个孵络詹浚豹信患蠢缝集戒帮透明谤翘，帮所 谓的“e ( e t h e r n e t ) 网到底”。由于将工业控制网络和信息瞰络技术有机结合 起来，雳声霹懿遴建蕊太躅经磊溺熬器等逶掰z 具，遗逶其较辍远程诱瓣瑗坛设 备。 1 2i e e e 8 0 2 1 俺无线通讯技术现状及前景 i e e e s 0 2 ，i i g ) 楚1 9 9 7 宰鑫众多的嚣壤疆班及诗黧撬专家审定透造豹无线蜀 域网标准，主要用于难以布线或移幼的环境中计算机的无线接入。m e e 8 0 2 1 1 规定了笼线局域嘲在2 4 g h z 频段落纷操作，途一颡段被全球光线电法蝮实倭定 义为扩频使用频段由于传输速率蕺高只能远到2 m b l 撼，所以童景被用于数据的 存取浆于i e e e 8 0 2 ，1 1 在传输速率翱传输距离上都不能满足人们的需簧。因此。 i e e e 小组又耱缝推出了i e e e 8 0 2 1l b 、i e e f _ j ；0 2 1 l a 翱i e e e 8 0 2 1 l g 三个新标准， i e e e s 0 2 1 l b 曩作于2 4 g h z 频带。物理臌支持5 5 m b p s 和l l m b p s 两个新速 率。i e e e s 0 2 。】l b 懿簧 | 褰壤率霹墓环境予鼗或黉辕鼷蹇嚣变识，在l l m b p s ， 5 5 m b p s 、2 m b p s ，1 m b p s 之间切换，而且在2 m b p s 、i m b p s 速率时与i e e e 8 0 2 1 1 蓑窖。i e e e s 0 2 1 l b 使羼鬟接序列d s s s 技术。所谓煮枣扩频，是将器来1 个位 的讯号，利用1 0 个以上的位来表示使得原来高功率，窄频率的讯号。变成低 功率。窳频率。它还提供数据加密，使用的是商达1 2 $ b i t 的w e p 。1 3 1 1 4 ) i e e e 8 0 2 1 l b 是一种爱活的蒙撂传输系统，使焉笼线射籁氍f 滋零越空收发 数据，减少使用线缆的连接，因此i e e e 8 0 2 1 l b 无线网络系统既可达到构建计算 撬鞋终甍统豹羁熬，又哥渡设备叁巍安撵嚣薅塞移动。习疆e 8 0 2 1 l b 携议除7 以向用户提供高德率的的光线通信，在一些肖干扰和不稳定的环境下，协议物理 层的跳频机制和m a c 层鲍根据信邀状况动态调整传输速率的概茜4 保证了设备蠼 的遥信质量i e e e s 0 2 1 i b 协议的这些特点健它在工鼗控制领域有较好的应用前 景不仅能满足羔业遥控，遥调、爝测功能，而且还能实现对工控现场遁程图像 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 实时监控，即“遥视”功能，可集中管理各工业控制设备的工作状态，满足工业 控制自动化发展的要求 1 2 课题意义 本课题主要是通过l i n u x 嵌入式系统来构建e p a 现场设备通过i e e e 8 0 2 1 i b 无线网关介入e p a 有线控制网络。通过查阅相关文献资料，我们了解到 目前i e e e 8 0 2 1 i b 多应用于商业领域，在工业企业综合自动化系统中也锝到了一 定的应用。开发基于e p a 的i e e e 8 0 2 1 l b 无线设备。可以满足国内市场的需求。 有着广阔的应用前景。本课题设计的e p a 现场设备中采用i e e e s 0 2 ，l l b 无线局 域网通信技术标准，具有以下一些特点： 1 。采用e p a 标准可以实现水平和垂直层面的信息集成，使现场设备之间可 以进行信息互访和互操作t 2 现场设备无需电缆即可与控制网络连接，组网灵活、，方便，同时又增加 了现场设备的灵活性和移动性； 3 便于与原有控制网络的整合。设备无需布线便可安装于现有环境，减少 了系统的维护费用；， 4 对于一些远程控制，采用i e e e 9 0 2 1 1 b 无线技术可扩大控制范围、延长一 控制距离；对于在一些不可预知的环境，尤其是不适于布线的强腐蚀恶劣环境， 可以使用无线通信来完成对现场设备的控制 5 具有很强的环境适应能力。基于e p a 的现场i e e e 9 0 2 1 i b 设备采用电池 供电技术。，可以适用于难以布线的工业现场。 在e p a 网络中引入i e e e 8 0 2 1 l b 无线技术，设计无线工业控制网络通信体 系，既是降低投资成本的需要，也是解决现实问题的迫切要求。 1 3 本课题研究的内容 本文共分为5 章，。各章内容安排如下： 第一章。绪论”简单介绍了课题背景、e p a 标准、i e e e 8 0 2 1 i b 技术以及 i e e e 8 0 2 1 l b 技术在工业以太网中的应用，并说明了本文的研究内容 第：章“i e e e8 0 2 1 l b 无线网关的系统设计4 ，介绍了无线网关系统配置、 系统检测、二层转发等模块，m a c 层软件实现的结构框图，然后分析了p r o t o c o l c o n t r o l a p 、t r a n s m i s s i o n 。r e c e p t i o n 三个模块； 第三章“基于e p a 的i e e e 8 0 2 1 l b 无线手持终端的系统设计”；介绍了在 i e e e 8 0 2 1 i b 无线手持终端中的u s b 无线网卡、e p a 协议的移植和m i n i o u l 图 黛庆邮电大学硕士论文 第一橐绪论 澎雾鬻软释懿羚发# 第四塞4 i e e e s 0 2 1 i b 茏线飕关秘手掩终端戆嶷瘸实铡”，奔绥了e p a 无线 测控系境缀成，说骥了茏线朔关移芋挎终端憨测试痰骞籁铡试续粟；- 第五索“结柬谱对象文进行总结，并说明了率课题的进一步工作计划。 1 ，4 本凝小缩 零章篱先舟缨丁工业以太踺的麟客及箕发曩裁袭，筹着麓x r j l e e e $ 0 2 1 i b 技 术在工业以太搠中的应用需求和威用前景进符了分析。并指出d 臣e e 8 0 2 1 l b 按入 羔韭戳太鲻的重要煮义最精蛸缡了本文的主要研究内容。 毒 燕庆郝龟大学硕士论文第。章i 笸e e 8 0 2 1 l b 无绒网关的系统设计 第二肇 le e e 8 0 2 1 伯无线鼹美的系统设计 道过第一孝中慰i e i e 泌8 0 2 。l i b 瓣分绥，我嬲对纂予燕, e 8 0 2 1 1 b 瓣笼线局域 隅有了定豹认识，下一步鳃工箨就是确定i e e e $ 0 2 1 强羌线翳荚懿没谤方案。 根据些成熟的无线网关方案，以及些嵌入斌系统的开发实例，并搬据项目的 熬体蜜辩，结合市场上各种芯片静佳价比，我钓确定系绕总体设计方寨跌及硬伟 平台。 2 设莹 思想 笼线鹅关辑究与实现携覆绛秘的跫为了实现无线髑域礴m 。实现竞线孀域麓 童要寄两释方滚：一种蓬使爝已有髓簿稻纯的焉线髑域髑设备，苜先研究篡原理 蒜实聪方式，秀把鬟要修改的地方添擞进去：爨一秘方法是竞垒蠹圭绽诗戮硬停 甑隆投，农其孝添船霉蘩簿搂块臻究磐实瑷m a c 鬣镑议。 第一种方法局限性很大，对子b 经商用灼天线局域嘲设备由于知识产权的蹶 涮，穰滩详细了鳃箕内部实现机翻，磁且即使熊够得副实现缨节，由予产熬已缀一 徽成了成品，各个部分已经按照当时的需要避行了组织和安排，寝其上进杼修改 嚣常爨难。， 第二耪方法翳爨有鞘警炎翡灵活梭，出乎凝件舀杼阡发，对予软件硬件都督 以从头拜蟥，按照懿要进撑设计耪究势，薅量褒嚣要孵帮鞋骞行拜缀戒符会当蘩 耀境蜘囊馋# 尉髓绘今蜃懑步黢鹾瓷与秀发攫镤y 擎螽霸经验 综禽上述考虑。我们采用第二种方法设计具有自主知识产权魄无线蹲关设备 的硬徉电路投。静穗入稿应的控制软件，最终褥成整个w i , a n 系统。我们采用 l i n u x 作为嵌入式光线潮荚的操作系统，并用i e e e s 0 2 1 l b 层系统榘成芯片 p o w p c 8 5 2 t 露失系统熬核心疆莲嚣， 2 2 无线网关硬件的聚绕缝成 1 ) 墩入式簸理藉 综套考虑茏线瓣荚设备黪痉爨镶域、凌糕簧求、斑粥浅奉及帮发静难荔程震 等强素，袭翅选耀了m o t o r o l a 公司褴穗戆3 2 挝毒缝能嵌入式鳋疆器m p c 8 5 2 t 无线网关的处理器，该处理器内核可达1 0 0 m i - i z ，扩展总线最大频率是6 6 m i - i z 。 k e c 8 5 2 tq u i c o 研( q u 鑫di n t e g r a t e dc o m m u m c 缸o mc o n t z o e r ) ；黾当今毙较澈 行，。性糖相当优越的单片集成嵌入斌3 2 位娥理器。铝内部集成了微处理器和一 麓庆部电太学硕士论文第二章i e e e 9 0 2 1 l b 无拽掰荚的系统设计 楚控涮镁壤数鬻雕努爨麓撵，霹耀予控铡壤城。m p c $ 5 2 tq u i c c 集残躐夸瑟耀 模块，一个是嵌入式的p o w e r p c 拨，。另一个是嵌入试的豫傣处理模块c p m ( c o m m u n i c a t i o n s p r o c e s s o r m o d u l e ) ，通僚楚壤模块支持? 令肇褥运傣邋遭：强 个s e c ，两个率行管理控制器$ m c ( s m c 。s e r i a lm a n a g e m e n tc h a n n e l s ) 十一个 察鳕井藩凌叠电路s p i ( s e r i a lp e r i p h e r a li n t e r a c e ) ，u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb 嘲藕 一令怒( 瓠眙趣谂g 嘲e d c 知c u i t ) 藏蟊。毫是瘦褥子通信系统的低成本变魂，提 供了熏赢的性份比，芳巍邋馕方露蠢辑燕强；摩予c p m 努攘7 搬入式p o w c r p c 棱的羚懑王柞经务。这莉双娥理器麴拣系缕橡渤耗妥 箍警抟绕鹣髂系续擒翘处疆 器，丰富的外围接口可以用来设计无线阚关和网络交换机， m p c 8 5 2 t 酾数据总线爨度是可醚置的j 学井揍3 2 傲、s 霞鳢1 5 霞数摄竟篪 鹬井设芯靖，岛c p u 相接时，可分割配为3 2 位、1 6 位或8 使模式。戎核心t 叛串，耀靖1 m ) t 6 整数攥鸯度静聪庶s 王，莛4 m 字节容量，两片8 m x l 6 位数 攒宽度静s d i l , m ，共3 2 m 擎节窖霪。m p c 8 5 2t 莛挺俄4 个p o r t ，鄄p 0 嘲r a 、 p o r t 瓢p o r t c p o 嘲国+ 其中链糍终毙一个i o m 弱域爨接甜的s c c 4 。鸯一 个l e d 提供令运蟹指零。终为惩缝事叠嚣s m c l 。鲥p 髅耱疼帮结拣始嚣2 ：r 所示。 、 辫2 1m p c 8 5 2 蠹饕终蜘 2 存储嚣 针对m p c 9 5 2 t 无线网关，主舞考虑了两种存储嚣# f l a s h 存储器和静态数 璧庆邮电大学硕士论文第：章i e e e 8 0 2 1 1 b 笼线孵荚的累缆设计 撼存德器g d m 在选择f l a s h 存然嚣游，蕊蠲两舜饿麓稳定袋镄用方便韵f l a s h 存档器，型号茭：m x 2 9 l v l 6 0 b t c ，遮魔7 0 1 9 0 n s 。，1m x l 6 短数裙激度的f l a s h ， 雾嚣一共为4 m 字节。在逸撵s d r a m 硪选雕蹲片豫陡可纛及逶薅的s d r a m 存储嚣，型号为：h y 5 7 v 6 5 1 6 2 0 b t c - 1 0 s ，8 m x l 6 使数据宽度懿s d r a m ，容 爨一共先t 6 m 字警。 3 戳焱群牧发嚣接蕊 m p c $ s 2 f 的c p m 都势酌s c c ( s e r i a lc o m m u n i c a t i o n sc o n t r o l l e r ) 均萄配嚣 兔鼹太燃控铡器，m p c 8 5 2 t 与猷太弱救发嚣旺粥5 缀藏1 0 m 薮太掰接鞠，落 可以与以太网嫂发嚣l x t 9 7 2 组成1 0 m t 0 0 m 鑫遣疲菇度弼攘弱，痤掇据囊蕊靖 蕊运行盏灏辅接勰要表统筹考虑双太鼹两遵。我钌赓逸爆麴l x t 9 0 5 是款遵锾 口睨e 8 0 2 3 协议的物理层收发器，它能为所霄的标准以太嬲控露l 器和1 0 b a s e - t 电缆绣梅椽准接国。 4 ) m p c 8 5 2 t 茏线两笑臻蠲税 接蜀扳巾f c m c i a 无线嘲卡接殿连接至徽懿理爨m p c 9 5 2 t 鼹系统接蜀萃舞 s 瓤谣黜鹣卡囊动糕廖宛残嚣线翳常秘兹始纯获秃线数据遴倍窃髓；一淡太两供 电模块遁_ j 建p j 4 5 拨躁密缓心授上熬疆建交疆嚣裙逡；裂珏3 2 调试接溺邋过毫串 转按模块连接至一个审嚣警理控裁接口s m c l ，瓤怒逡个串掰秘秘b d m 接毋嚣 p c 宿主机通讯，避杼交叉编译调试笼线网共的接口摸型翔蹦2 2 襞零， 鬻2 2 - 茏缝藏若豹接口横鹫 2 ，3 无线鹚关软黪研疑内容 为了研制i e e e 8 0 2 。l l b 滋线网关系统，必须首先清楚无线朋燕的研究内容， 麓线褥关蓑统研究黥主要内察霹慝避2 3 表零。 重庆邮电大学硕士论文 第二章i e e e s 0 2 ii b 鬻线两关的系统设计 l l c 层实现m a c 层实现 l p h y 塍文现 k 二二二二二二二二二二二 r 一 l + ；：一 臣夔塑l 蹇基 i 研究重点 ：睦夔i ! i 墓爨i 根据8 0 21 1 b2 ：采j 目 1 3 8 0 21 3 t j 。议 p o w e r p c 8 5 2 t 用软件代码 实现 根据8 0 21 1 b - 执议用转件代 码实现 芯片实现 胬2 3 无线弼u 荛研究内容 从蹦2 3 可以看出，研究内容包括硬件实现以及软件实现两部分。硬件部分 惫据m a c 层，茏线褥理瑶 鬟及一熬揍叠亳赣的硬律实现等。( 硬舞魏部分主要 是由硬件组的钟1 日f j n 学研制。j 软件部分实现的内容包括：选撵合适的嵌入式操 停拳统、款终实凌1 e e e s 0 2 i l b m a c 层蛰莰瀚、编写i e e e s 0 2 1 1 b 无线凌理屡聪 件驱动程序、以及l l c 软件的实现等 2 4 无线网关瀚软件模块 完成无线网关的软件设计需要续会以下系统模块；系统配瀑模块，系统鉴测 模块、底层驱动模块、二朦转发模块，命令模块无线网关的软件功能流程如图。 2 4 所示。 ， 图2 a 无线嘲若功能模块流程幽 0 纂裟 篓 鬣庆邮电大学硕士论文第二= 章i e e f 8 0 2 1 l b 无线同关的系统设计 2 4 。 系统配嚣缕浚 系绫懿鐾镕惠主要帮硬黪套美，该模块瓣囊要掺耀怒对蘩统魏基本痿惠，；翔 存储宝间的划分、c p u 的i 作方式。相关的硬件驱动等内容进行管理，同时为 上层的软件提供统一的接口，屏蔽了硬件静相关信息。娜在该模块中有一个用予 系统配鬻的文件集龠，其中托较关键的文件包括下列一艟： 一 ( 1 ) m a k c f i l e in 嘲k e f t l e 文俘垂定义了氇酝誊模块建立工释辩所需静蒸本信 葱，在黔嚣鬓- f 燕立王翟辩，；m a k e f i l e 文棒羲扫攒一次。在箕串定义秘雾数会 被记录在王程墨，一些重要姻参数骞；c p u 类凝、馒用的编译嚣( t o o l s ) 、b s p 的县录名、，系统黥上电起始她址等；， ( 2 硬件配置参数的头文件；系统的大多数硬件信息会在该文件头中设定。擞 簧包籍存储空阐的捌分、总线静簟络模式、调试方式、m m u ( 内存管理单元) 醚 鬻等 o ) s y s a l i b 融该文徉楚辫汇编语蠢编写豁系统穗荚翡模块，毽含努蓉统蓦率 麴端叠读髯蘧数l 总线、瘁蜀k 系统天弱嚣数等； ( 4 ) s y s l i b c = ；该文件生簧是一些鬣绕相关的库函数，提供一拨基本的硬件驱 动程序。如i 8 2 5 0 u a r t 串嗣遁信、1 8 2 5 3 定黠器、1 8 2 5 9 孛凝控粼器、p e t 总缎。 驱动，硬件初始化嘲数等；e ， ( 5 ) r o m l n i l s = 遮蹙用声汇编语霄缡写的镪始纯f 码潦程净，絮是系统复位或 者上电厝，由r o m 弓i 导l i n u x 陕象的入口。 系统懿嬖模块囊要是在系凌褥羚纯薅起痒耀，l i n u x 系绕秘裙始纯滚程窝遴 鬻戆嵌入式系绞翘娥诬遘程类毂：童要对系统避孬善；霉。在我稻静l i n u x 系统孛。 该部分h q 徽p p c b o o t l l 0 1 不同的p p c b o o t 程序笈杂程度可能不一梯，这些襁应熙 鼬震要蔼京，但所霄p p c b c t 程序舞一个共同的特点，就是磐绥毙成黔搽俸系统 的引导。 + 禹诧，所宥黪p p c b o o t 凝序都盛须完戒以下任务： ( 1 ) 宪成对系统骥件豁最小初始他。p p c b o o t 程亭并不需婺对系统硬件初始化 褥攫竞荧。餐努须完痿系绫憝够运行懿最小裙始纯。遮遴鬻是存继接日靛裙凝纯，。 毅隽只骞存髓羧毯勰始缘静t 。c p u 方怒东确稳访瓣襻辖设冬r ( 2 ) 获褥系统程序代码。不同的p p c b o o t 程序获得系统程序代娼的方式可能誉 辑； 。 ( 3 ) 把系统程序代码加裁到系统程序代码遥杼时应该的地方( 翅i 常是内存) ； ( 4 ) 掘羧嚣g 投交缭系统程拶，让c p u 获系统翟黟的入口开始执行。p p c b o o t 黼串至少有一部分代稻楚程r o m 中运行的，但带一定所有的代码都在r o m 重庆邮电丈学硕士论文第二章i e e e s 0 2 1 1 b 光线网关的系统设计 串运移，蠢秀p p c b o o t 糕滓毒戬舆有自我l 导帮翻栽酶动籀。铡如，可班把 p p c i x o t 程序分成两个部分，一部分是在r o m 中避行的代码，另一铘分是在 r a m 母运行豹代玛。系统上电复像基，舞始运行第一鼙势茂褥，这帮分我羁营 先完成c p u 自身的必要初始化和存储接口的初始化。然后搬运第二部分代码到 r a m 串的相应位翌。最詹丧r a m 串运行第= 帮分 宅码。 c p u 一旦开始运行l i n u x ，系统配置模旋的任务就完成了。该模块潦过系统 调用与上层模块接口、 z 4 2 系统检测模块 由于通信设备的工作环境复杂，业务种类繁多而且业务量缀常会很太，所以 尽管软件是经过精心设计的，也难凫考虑德不够周到，如果遇剿一些突发事件。 嚣系统没有稿应筋处理梳制，就有辫镌导致严重的意槊，甚至燕死视。所以在实 际的应用中，监按功能是必不可少的。区别只是功能的完善和众面与否。在我们 嚣发瓣i e e e 8 0 2 1 1 b 无线秘关弱舨本孛。鼗控模块囊实现了一貔薹搴静凌麓；- ( 1 ) 记录从初贻化开始- 设备的些重要操作( 如复位。更改熏要参数) ；软件 运行过纛中遇到的所有锩谡( 赧分整蠹存出错。指赞越舞等) ，将记录偿慧遥过系 统舀志( s y s l o g ) 写剩f l a s h 串。，并定期清除； ( 2 ) 在某些异常情况下。利用硬件看门狗( w a t c h d o g ) 对系统进行复位。 霹潋看鑫，簸整模块实现了一魏必要静凌能，但楚还不够充分，在滚后版本 中，该模块还应该进一步得到完善。， 2 4 3 底层驱动模块 底鼹驱动通常分为蔼部分：逶糟设备驱韵和专嗣设备驱动。通用设备驱动在 l i n u x 内校中已经存在，这星的底层驱动是指对专用设备的驱动，如无线网卡。 瓣瑟蕊嚣，在奉交串我秘将在下一露藿重套绢u s b 光线阕卡骧动在无线手葑终 端中开发和应用过程。， 2 4 4 三层转发模块 = 鬟转发模块遵锾i e e e s 0 2 1 l b 协议，支持最多3 2 个v l a n ( v m u a ll a n ： 虚拟局域网) ，m a c 过滤( 允许禁止某些m a c 地址的用户与网络连接h 端1 2 过 滤( 受诲艨壹菜些端曩夔鼹声谤趣嬲终) 功髭l ”气壤摇i e e e s 0 2 。l i b 捺汉，二层转 发模块需要完成这样一些基本功能： 萤庆邮电大学硕士论文第= 章i e e e s 0 21 l b 光线网关的泵娩设计 ( 1 ) 敷壤帻熬过滤与转发# 擐薅雅缱结象疆i 耘皤d a t a b o s ef 静鸷转笈寝) 翔端搿 壤息毋。牲s t a t e 测颤数嚣嫉懿处囊方戏( r 。融o r d i s c a r d ) ； ( 2 ) 续护数j 酝横过滤与转笈静依据箍息：慰数据颧滋行缝址学习。骥孵更凝 f d b 转发袭( 添加新地址。地址老化等操律k 对以上功貔静警理鹱按，龟括虢下蔻秘； 懿鬟管凝( c 黼蠡静蜥o n m a n a g e m e m ) ；包括备个模块的识剐、参数的配置、 避程管避、端霜躺德先缀设鬻等； 掰蓑错处理f f a u l t 黼啪e 啦瓣转发鹅游霹麓壤现锘该鹣颈耱、麓铡、， 判断期纠茂# 岱灌麓管理搿稍) e n 赫m a n a g e m 口t ) l 辩每个端黜黪发熟数摄赖邈瑟统谤， 使网络管理者可以根据遽数统计数据寒对网络j 行改进或优化。 对于款搏开发来说，嚣效缒竞成数据的娥璎与转袋燕本模块黪关键。数据结 构构设计合理与嚣褥唐接彰响蓟转发效率和以聪的纤级问题。 2 。4 5 命令模块 禽令模块竞娥豹主要耱簸是遁避率a 缭髑户箍骰龠奄荠髓。周予辩纂统参 数、各个模块的鬣麓信息进行读写操作，并使之生效蠲常在网络没备的开发中。 禽令避最基本懿髑户操僚粒测试方式，在这次磺尽戆嚣发过程孛。螽奢穗 菇点 屡阚譬) 与= 覆乏翔采耀d o _ i o c u 0 为接翟，该辫散的灏塑为：d o _ i o c t l ( u n s i g n e d ： 溆髓u n s i g n e i 濂扰媾a 嚷j o 勺畸程藏接口申r 蠢个参数袋次为f d 、锄d 籁p t r o ，； 冀审斑为各个模袋窳义透过渡接弱砖遴的参数燕属予弼一个横袋；然堪势要撬 行的操作读或者写具体的配嚣或扁搜信息；摊为用窳传递信患熬夺揩针；如 i o c t l 接弱逶灌辩撩翱簿捂舒来传递操作酶参数，辗撼餐毖等是俸配警畿錾的不 硒，该指钎指向的结构也不同。 糕 重庆邮电大学硕士论文第二章i e e f 8 0 2 1i b 光线网关的系统设计 2 5 无线网关m c 屡的软件模块设计 在戈线昃域网辨俸系续梅孛，董撂站霹爱线释关燕两令基零戆篷袋罄嚣。峦 于工作站和无线嗣关在无绒局域网湖络结构中所起的作用不同，实现的功能也布* 尽相同无线网关包含一个z 作站所具有的切功能，因此构成无线瞬美约瑶e e 9 0 2 1 1 b m a c 瑶协议栈的蜜现和构成工作站的琨e e 3 0 2 i l b m a c 层协议拽的实现 有比较大的区别。本论文对无线网荧的i e e e $ 0 2 i l b m a o 层协议栈中的一个模 块进器t 嫒话秘突堍。 为了规范编程，我们采用了模块化的软件设计方法。图2 s 是构成兹线网关 躲i e e e $ 0 2 i t b m a c 星势议撬蛸熬豢本模块剿分，瓢安瑷戆功缝上分霹竣分为豁 个模块： 越屡 p h y 屡 囝2 5 无线嗣篾的软件樾蹋 整庚邮电大学硕士论文第二章i e e e s 0 2 1 l b 娥魍关的器统设计 ( i m a d 搬s 娜耱：该模块觚l l c 接收数蒸毽，添鞠m a cl l c a d c r ，产生 m s d u ，然簌送至d i s m b t i o n 。s c 喇c c 模块；扶d i m r i b t i o n 3 c r v i c # 横涣接收m s d u 除去m a c h e a d e r ，然后送至l i c 甓； ， 一 ( 2 ) d i s t r i b u t i o ns e r v i c e t 该模块是笼线网荚姆势蠢系统媒葳( d s m ) z 间的接霜。 为了兔诲位予炙线瓣关串豹l l c 层赛髂既霉叛遥遗秃线媒爱w m , 迮可戮遴过分 带系统嫌葳进行通信。无线两关协议棱中的m a cd a m s e r v i c e 模块需要与 d i m n b u f i o ns c 娜模块嘏夏作用，协舄工徉。这襻，无线尉关发出来的数据蠖 鞠与渡纛线嬲美芙联躲王佟戆发擦鹣数据骥怒被霆簿辩铸处疆的； ( 3 ) m p d ug e n e r o na 歉将甓癸发送熬m a c 服务数据荤霓u ) 辅m a c 管瑗静滋数据革冠0 熟砰d 奶转换为m a c 协议数据单嚣( m p d u ) ，筹且熊聚爨要， 对数据帧进行加密，然殿燃至p r o t o c o lc o n 蜡0 1 a p 横块； t 4 h 俄e ：m 鞠鑫鬈麟* e 武瓢w ；c e # 该模块警疆m a c 的警理精惫鼯c m i b ) , 楚臻 m i b 静诱阔；处璃管理实俸( m l m e ) i 求和虚臀； ( m i m e a 靴包括发起b s s ；产生b e , a e o n 顿、d w e l l 、c f p 定对；，产生羹。 荚联。关联。去关联，认诞、解谈鼗照务；对p r o b e 滋符嫡藏；管理电添狡态； ( 6 ) p r o t o c o lc o n t r o la p 镪括戮浮。p c f 功能；瓣p s p o n 谶抒璃戏；避 r 瘟答鼹务；产生r t s c t s 静綮疆蔷类颧舶萋赞； ( 7 ) t r a n s m i s s i o n ：从p r o t o c o lc o n t r o la p 接收i v i p d u ，产生f c s ，然蔗发遴 撼特溅剽磷m 串# ( 8 r 删i o n t 飙w m 串接收眈特流，氇瓷糙：特流是否有效，进行解密，滤除 霪鬟颟，瓣努段顿迸行重新组含，筑昕媒质靛霜袄物理鞫纛载波使鞭) 。 g 令梗旋之阕必缀避露始要戆落患突蔓才辘宠残协浚棱熬臻糕。镶慧翡交巍 由馕号调度系统 完成。p r o t o c o l c o m r o la p 、t r a n s m i s s i o n 、r e c e p 畦o n 耩块藕铹疆瓣相嘏系，鼓p h y 接收数据向p h y 发送数攒。下蔼具体舟缨这一个 模块的软件实现，编程语言采用标准c 语富。象要为了便于以蜃软停代码的移 攘。罴舞说骥黪燕，送一个模块熬宠全凌畿癸联还纛蘩p h y 疆绺驱动程痔的妻 持。 2 。5 一p r o t o c o l c o n t r oi 舆模袭 + 本模攀 燕m a c 蒺接入整露豹棱心模嫒，该模块完成点协诵璐能a 瞪玲、势 布协谲功能( d c v ) 对p s p o l l 进行晌臌一接收m p d u 崩进行皮昝，实施r t s c t s 机糊，实施斋类帧的冀传簿。漠溪块由两个子模块；t xc c , o 删o nj 我r x ( j o o r d i n a t i o nj 谨缀袋t 辨 1 ) k c o o n i i n a ( i o na p 模疑、 重庆邮电大学硕士论文癸二霉i e e e s 0 2 。li b 甏线辨关毂系统设计 t x c o o r d 如u o n 杰p 予搂袭静主簧臻能燕实撬诵菠控翻策略，利耀绻质把 m p d u 在含逶熬孵辩发送蹬去，芍之资溺王佟静是b a c k o f fp r 蛐c 邋避过程 子模块。浚模块魏软件实现滚程如图2 螽鲠黎。 撩2 , 6 t x c o o | 哇菇域蛔k a p 磺姨嬲载粹滚鞭 软件裳现内容包擂“m p d u 在发送裁期避镑参数的初始他、实藏发送交篓 烂耀、发送臻寒黠黠参数遴符饿复。参数翦襁始像耩参裁缓菱妻餮整对鹫变塞 和定时嚣避行设鹫。发送交葳过程有两种模式：d a t a a c k 和r t s c t s d a t a a c k 模式，其中d a m a c k 模式是殷的数据峻变要模式，r t s c t s d a m a c k 突嚣 摸式是为了攘涯糖辘壤量、撬辩特褡熬哿靠毪褥采爝麓变嚣攒式。较停横块主簧 魁撰r t s c t s 鞍交曩模嫒，d a m a c k 梭交置横装，遥避过税模块等，r t s , , t s 顿交互激程蓬i e e e s 0 2 1 i bm a c 嚣赞对较长m p d u 面设诗静一秘提毫瓣终性能 的攒施。如果发送站点a 的待发送m p d u 长度失手r t st h r e s h o l d ( 农管理傣惠 痒耀8 孛竣羹0 ，粼发送始瘫a 誊先鑫舞静潞点8 发送r t s 犊，鳐煮器崔收到 r t s 顿，簿待一个s i f s 播发送一个c t s 械进杼应答。对其他s t a 宣告螨 质己 徽庆邮电大学硕士论文第：章i e e e s 0 2 】i b 无线陶关的系统设计 被占弼。冀链站患藏孵胃隧攀j 瑁c t s 梭里懿强m 蛀。羽盼躐静馕表调整奉璁n a v 的大小 r t s c