（机械电子工程专业论文）一种自适应跳频无线数据传输平台的开发与应用.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着无线个人局域网络技术的发展， 其应用领域也在不断的扩大。 无线分布 式传感/ 控制网络便是无线个人局域网络技术在自 动控制领域中的应用之一。实 现无线个人局域网的通讯技术有多种， 目 前使用的有i r d a , b l u e t o o t h , h o m e r f , u w b 和r f 等。根据无线分布式传感/ 控制网络的特点，通过对比分析，本文提出 了一种基于射频技术的组网方案，并且开发出了一种自 适应跳频的无线数据传 输平台。 文章详细介绍了这个无线传输平台各硬件模块的功能及其实现技术。 主要包 括: ( 1 )主控制芯片的选型与功能实现。 介绍利用t i 公司所生产的m s p 4 3 0 系列 1 6 位单片机，来实现对无线射频模块的控制和传感器数据的采集。 ( 2 )射频模块的设计与实现。 通过对比选用了n r f 9 0 3 射频芯片， 实现在i s m 频段的短距离无线传输。 ( 3 )传感器数据采集模块的控制与实现。 利用微处理器a d c 1 2 模数转换器实 现对外接传感器和内置传感器的数据采集。 ( 4 )摄像头监控模块的控制与实现。 通过微处理器的控制实现实时图像数据 采集。 ( 5 )主控制机模块的设计与实现。 在无线通讯中信息数据编码和差错控制也是很重要的一环。文章对基带数据 编码方式做出了比较分析，给出了本系统所采用编码的实现方法。在差错控制 和数据纠错方式上，也提供了奇偶校验和汉明码校验的解决办法，以保证数据 传输的可靠性，提高系统的抗干扰能力。 文章对现有无线局域网 络的组网方式也做了 介绍，并结合具体实例，介绍了 利用所开发的无线通讯模块构建的一个星型拓扑结构的小型无线局域网络。该 网络包括一个主控制机，一个基站和若干个端机。基站和端机之间以点对多点 的方式通讯。文章对这种结构中基站和端机之间的通讯协议与实现，以及它们 以自 适应跳频抵抗干扰的方法给予了详细的介绍。主控制机和基站通过串口实 现数据交换，并通过应用程序完成数据处理和对整个无线通讯网络加以控制。 本无线数据传输平台可以广泛的用于智能监控、无线数据采集、无线标签、 武汉理工大学硕士学位论文 身份识别、安防系统、无线数字语音、数字图像传输等方面，具有很广泛的前 景。 最后，论文在总结全文工作的基础上，对进一步的研究提出了建议和展望。 关键词:射频，跳频，无线通讯， 无线个人局域网，无线分步式传感/ 控制网络 武汉理工大学硕士学位论文 ab s t r a c t wi t h t h e d e v e l o p m e n t o f wi r e l e s s p e r s o n a l a r e a n e t w o r k ( wp a n ) , th e a p p l i c a t i o n a r e a o f i t h a s b e e n b e c o m i n g w i d e a n d w i d e . wir e l e s s d i s t r i b u t e d s e n s o r / c o n t r o l n e t w o r k ( wd s c n ) i s o n e o f t h e a p p l i c a t i o n s o f wp a n i n a u t o m a t i o n a r e a . t h e r e a r e m a n y w a y s t o e s t a b l i s h wp a n s u c h a s i r d a , b l u e t o o t h , h o m e r f , u wb a n d r e b y c o m p a r i s o n a n d a n a ly s i s a n d a c c o r d i n g t o t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f wd s c n , a p r o j e c t b a s e d o n t h e r a d io f r e q u e n c y ( r f ) i s p re s e n t e d , a n d a n a d a p t i v e , f r e q u e n c y - h o p p i n g w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n p l a t f o r m i s d e v e l o p e d . t h e fu n c t i o n o f e a c h m o d u l e i n t h e s y s t e m i s i n t r o d u c e d in d e t a i l s , f o l l o w e d b y i t s i m p l e m e n t a t i o n t e c h n i q u e s . ( 1 ) t h e s e l e c t i o n o f mp u a n d i t s f u n c t i o n i m p l e m e n t a t i o n . t h e m i c r o p r o c e s s o r s e le c t e d i n t h e s y s t e m i s a k i n d o f 1 6 - b it ms p 4 3 0 f l a s h s e r ie s o f t i c o m p a n y . a n d t h e m a in f u n c t i o n o f i t i s t o g e t t h e c o n t r o l o f t h e r f m o d u l e a n d c o l l e c t d a t a fr o m a l l k i n d s o f s e n s o r s . ( 2 ) t h e d e s i g n o f r f m o d u l e a n d i t s r e a l i z a t i o n . b e i n g c o m p a r e d w i t h o t h e r c o m m o n r f c h i p s , n r f 9 0 3 i s c h o s e n t o f u l f i l l s h o rt d i s t a n c e w ir e l e s s c o m m u n i c a t i o n i n i s m b a n d . ( 3 ) t h e c o n t r o l o f d a t a c o l l e c t i o n m o d u l e f o r s e n s o r s a n d i t s a c h i e v e m e n t . a f a s t 1 2 - b i t a n a l o g - t o - d i g i t a l c o n v e rt e r ( a d c 1 2 ) b u i l t i n t h e m p u i s u s e d t o s a m p l e t h e d a t a f r o m t h e e x t e r n a l a n d i n n e r s e n s o r s . ( 4 ) t h e c o n t r o l o f m o n i t o r m o d u l e f o r c a m e r a s e n s o r a n d i t s f u l f i l l m e n t . r e a l - t i m e i m a g e d a t a i s c o l l e c t e d fr o m c a m e r a s e n s o r c o n tr o l l e d b y mp u . ( 5 ) t h e d e s i g n a n d a c c o m p l i s h m e n t o f h o s t c o n t r o l m o d u l e . d a t a e n c o d i n g a n d e r r o r c o n t r o l a r e v e r y i m p o r t a n t i n w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n . c o m p a r a t i v e a n a l y s i s i s m a d e o n t h e d a t a e n c o d i n g a n d t h e r e a l iz a t i o n o f d a t a e n c o d i n g m e t h o d s u s e d i n t h i s s y s t e m i s p r e s e n t e d . a s t o t h e e r r o r c o n t r o l a n d d a t a c o r r e c t i o n , t h e p a r i t y c h e c k a n d h a m m i n g c o d e c h e c k s o l u t i o n s a r e p r o v i d e d a l s o t o g u a r a n t e e t h e r e l i a b i l i t y o f d a t a t r a n s m i s s i o n a n d i m p r o v e t h e a n t i j a m m i n g c a p a b i l i t y o f t h e s y s t e m c o m b i n i n g w i t h c o n c r e t e e x a m p l e , a s m a l l s c a l e s t a r t o p o l o g y wp a n b u i l t w i t h t o 武汉理工大学硕士学位论文 t h e w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n m o d u l e s i s i n t r o d u c e d i n t h i s p a p e r . a h o s t , a b a s e s t a t i o n a n d s o m e t e r m i n a l s i s a p p l i e d i n t h i s wp a n . t h e c o m m u n i c a t i o n m o d e b e t w e e n b a s e s t a t i o n a n d t e r m i n a l s i s p o i n t t o m u lt i - p o i n t ( p m p ) . t h e c o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l b e t w e e n b a s e s t a t i o n a n d t e r m i n a l s a n d i t s i m p l e m e n t a n d t h e a d a p t i v e h o p p i n g - f r e q u e n c y m e t h o d t o a v o i d d i s t u r b a n c e o f t h e m i s i n t r o d u c e d in d e t a i l . d a t a a r e e x c h a n g e d b e t w e e n h o s t a n d t h e b a s e s t a t i o n t h r o u g h s e r i a l p o r t . t h e h o s t d i s p o s e s w i t h d a t a a n d t a k e s c h a r g e o f t h e w h o l e wd s c n b y t h e a p p l i c a t i o n s o ft wa r e . t h i s w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n p l a t f o r m c a n b e w i d e l y u s e d i n i n t e l l i g e n t m o n i t o r i n g , w i r e l e s s d a t a c o l l e c t i o n , w i r e le s s l a b e l , i d e n t i t y a c k n o w l e d g e m e n t , a l a r m a n d s e c u r i t y s y s t e m , w i r e l e s s d i g i t a l v o i c e a n d d i g i t a l i m a g e t r a n s m i s s i o n a n d s o o n , a n d s h o w s p r o m i s e s o f a s p l e n d i d a p p l i c a t i o n f u t u r e . b a s e d o n t h e s u m m ar i e s a n d c o n c l u s i o n s o f a l l r e s e a r c h w o r k s , s o m e s u g g e s t i o n s a n d p r o s p e c t s f o r f u r t h e r r e s e a r c h e s a r e p u t f o r w a r d . k e y wo r d s : r a d i o f r e q u e n c y , h o p p i n g - f r e q u e n c y , wi r e l e s s c o m m u n i c a t i o n , wi r e l e s s p e r s o n a l a r e a ne t wo r k , wi r e l e s s c o n t r i b u t e d s e n s o r / c o n t r o l ne t wo r k i v 武汉理工大学硕士学位论文 第 1 章 绪论 1 . 1 无线网络通讯技术发展现状 近几年来， 无线个人局域网 络 ( w i r e l e s s p e r s o n a l a r e a n e t w o r k ， w p a n ) 和无线局域网( w i r e l e s s l o c a l a r e a n e t w o r k , w l a n )技术己经迅速发展成为 计算机网络中一个至关重要的组成部分，同时也是第四代( 4 g ) 无线通信和控制 中的主流技术之一，并可以为第二代、第三代移动通信的各种空中接口提供无 缝漫游连接( i 。目 前， w p a n 与 w l a n 己 经成为可与3 g 技术竞争但又互补的无线 网 络，为“ 最后一公里” ， “ 最后一百米”的固定无线接入提供解决方案 2 8 1 1 2 4 1 无线个人局域网( w p a n )是一个活动半径较小、 业务类型丰富、面向 特定群 体实现无缝连接的移动通信网， 是一种与广域网、局域网并列但范围较小的无线 网。 w p a n的应用定位在家庭与小型办公室场合， 其主要应用范围包括: 话音通信 网关、数据通信网关、信息电器互联与信息自 动交换等， 其核心思想是: 用无线 电或红外线代替传统的有线电缆， 实现个人信息终端的智能化互联， 组建个人化 的信息网络 s 1 。 无线局域网同有线局域网比最基本的优势在于它的可移动性， 用户将不再 受固定电缆、光缆、双绞线的制约。其次， 无线局域网可作为一种不同于有线网 的网络形式而独立存在， 它可以 在需要时随时建立。再次， 无线局域网可作为两 个有线局域网之间的无线连接形式， 方便的实现有线网 之间的数据交换【 zs 1 w l a n 和w p a n 的一项重要特性就是用户自己 可以 进行安装， 并可以随心所欲 地选择所要安装的场所，而且这些无线网络的构建成本在目前也相当具有市场 吸引力l 1 1 1 3 1 1 . 2无线分布式传感/ 控制网络技术 尽管无线个人局域网技术和产品的开发仍然处于初期阶段，但其应用领域已 经在飞速地扩大。无线分布式传感/ 控制网络 ( w i r e l e s s d i s t r i b u t e d s e n s o r / c o n t r o l n e t w o r k s , w d s c n ) 就 是w p a n 在自 动 控 制 领 域中 的 应 用 之 一。 w d s c n 融合了计算机网络技术， 现代传感器技术， 无线通讯技术，主要应用于一 武汉理工大学硕士学位论文 b l u e t o o t h , h o m e r f , u w b 和r f 等几种。 1 . 3 . 1 i r d a技术. ， ， ， . ， i r d a ( i n f r a r e d d a t a a s s o c i a t i o n ) 是 一 种 短 距 离 红 外 线 通 信 技 术 ， 适 合 于 低 成本、跨平台、点对点高速数据连接.i r d a技术目 前在无线通信技术中市场份 额最大， 已 经安装了 至少5 0 0 0 万个单元。 它采用红外线作为通信媒介， 支持各种 速率的点到点的话音和数据业务，i r d a主要应用在嵌入式的系统和设备中， 进 行设备互联， 可完成不同设备内文件与信息的交换; 作为信息网关， 连接信息终 端和互联网 络。 优点在于数据传输速率高， 适合于传输容量较大的数据文件和多 媒体数据流; 红外线发射角度较小， 有一定的物理传输上的安全性。主要缺点是 传输距离短， 受视距影响; 要求通信设备的位置固定; 点对点的传输， 无法灵活地 组成网络。 1 . 3 . 2 b i u e t o o h 蓝牙( b l u e t o o t h ) 技术由e r i c s s o n , i b m、n o k i a , i n t e l 和t o s i b a等公司 在1 9 9 8 年联合推出。它是一种支持点到点、点到多点的话音、数据业务的短距 离无线通信技术， 实质是要建立通用的无线接口及其控制软件的开发标准，使得 计算机等设备和通信进一步结合，使不同厂家生产的便携式设备在没有电线或 电缆相连的情况下，能在近距离范围内互联。蓝牙设备依靠专用蓝牙芯片能使 设备在短距离范围内发送无线电信号，来寻找另一个蓝牙设备，一旦找到，相 互之间建立通信，交换信息。其作用半径在发射功率为1 毫瓦的时候为1 0 米， 通信协议和堆栈复杂，需要专门设备开发，最便宜的仪器也要5 -8 万美元。 1 . 3 . 3 h o m e r f a h o m e r f( 家用射频) 技术是由 m i c r o s o f t , i n t e l , h p , m o t o r o l a 和c o m p a q 等公司开发的。h o m e r f 把共享无线连接协议( s w a p )作为未来家庭内联网的主要 协议， 使用i e e e 8 0 2 . 1 1 无线以太网作为数据传输标准。h o m e r f 工作组提出了一整 套应用于家庭联网的完整体系， 包括外围设备和家庭主机之间的连接、外围设备 之间的连接、主机和h o m e r f 中央控制的连接等。2 0 0 0 年8 月3 1 日美国联邦通信委 武汉理工大学硕士学位论文 员会( f c c ) 批准h o m e r f 组织成员的要求， 允许h o m e r f 的传输速率在原来的2 m b / s 的基础上提高4 倍， 达到8 m b / s -1 1 m b / s 传送速率;h o m e r f 可以实现最多5 个设备 之间的互联。但f c c 的这一决定， 招致了来自 包括内部成员和蓝牙组织成员的反 对， 主要理由 是频率冲突、功耗较大。同时， h o m e r f 工作组的一些成员提出 将原 来的发射带宽由1 m h z 提高到5 m h z， 这样速率能够提高得更多， 但信息本来在狭窄 的信号通道里跳动， 现在如果将狭窄的通道加宽， 就会造成s w a p 设备之间的互相 干扰。因此， 很多业界人士对这一技术并不表示乐观. 1 . 3 . 4 u w b 技术 ” ， u w b ( u l t r a - w i d e b a n d r a d i o )是一种新技术。其概念类似于雷达， 在很宽的 频段内传送短脉冲， 将信息调制到脉冲的时间和频率上。u w b高性能和低功耗的 优点使得它将成为未来市场上强有力的竞争者之一。 u w b 为无线通信和雷达发展 提供了希望， 它们能够透过墙壁或碎石看见成像， 是重要的突破性技术。 但是还 不成熟，存在一些问题需要解决。 1 . 3 . 5 r f 技术 2j 射频( r a d i o f r e q u e n c y r f ) 技术使用几个特定频率中的一个频率传输数据， 相邻的 w l a n 用不同频率。其产品既可工作在1 8 -1 9 g h z 的 特许频带， 也可以 在低 功率的情况下工作于i s m ( i n d u s t r i a l / s c i e n t i f i c / m e d i c a l ) 频段。在中等衰减 的建筑物中， r f 信号一般可穿透一至三堵墙。 它可用于室外、开放或封闭的室内 办公环境。现在有很多射频芯片可用来完成无线数据传输，开发相对简单，易 于实现。 1 . 4基于无线射频技术的w d s c n 系统构架 从w d s c n 的应用范围及要求上看，短距离通讯，低速数据传输，便携移动， 易开发，低成本等，利用无线射频 ( r f )技术更易于推广实现。本文做了基于 射频技术的w d s c n 的研究，开发出了一种自 适应跳频的无线数据传输平台。 根据实际应用场合， 实现真正意义上的无线便携控制， 并且按照w d s c n 的特 点，一个完整的系统网络可以由一台个人电脑 ( p c )或者手持设备 ( p d a )， 一 武汉理工大学硕士学位论文 个基站 ( b a s e s t a t i o n )和多个端机 ( t e r m i n a l )组成。 基站的任务包括: ( 1 )接收端机传递过来的信息，做相应处理后发送给主控制机p c / p d a . ( 2 )接收主控制机的控制命令，并控制端机和本机做工作状态转换。 ( 3 )自 动监测稳定的通讯信道， 避开杂波干扰， 带领端机到相应频点， 实现自 适应跳频通讯; 端机的任何包括: ( 1 ) 对传感器数据进行采样并加以处理，通过无线网络传递给基站。 ( 2 ) 对外接的执行机构加以 调节和控制; ( 3 ) 监测信道通讯状态，跟踪基站控制信号，与基站保持通讯，并接受基站 控制; 主控制机的任务包括: ( 1 ) 控制整个无线通讯网络; ( 2 ) 接收基站信息，加以处理后做实时显示，并建立数据库保存，对各监控 量进行控制，例如连接在端机上的执行机构; ( 3 ) 将数据上传到w e b 服务器，通过有线网络实现远程访问。 04*1 u064 cdq#%sg fheg*sfmum va683.3vc919wria wqmft #01ft 4#2 fn-*ft*-#-1 cd?anmia mimi 3.3v * 图 像 传 感册圈 像传 感器 a藻om14 cd1 ruftsil10 avi4*98arrisir wasst 09maio v t9w4m* 1 、 - 压 力 传 。 ， 砚 及 朽 含 布 ， 控 别 摘 块 射颇棋块 由 括 幼 洲 幼 协y一 r 飞 1。 一j 占如 仄， 、 主 控 翻 机 p c ， 。 h ， 务 器 i n t e rn e t 远 程 访 问 图1 -2无线数据传输平台w d s c n 系统构架 武汉理工大学硕士学位论文 由无线数据传输平台搭建的分布式传感器/ 控制网络( w d s c n ) 系统框架可以 描述如图1 一2 . 1 . 5作者的主要工作与论文结构 本文的主要工作以及系统设计的关键点在于: ( 1 )微处理器控制模块选型与功能实现。主要用于传感器模块的控制， 可以实现多路高精度的a / d 转换，完成数据采样;通过两路或者两路以上的 u a r t 接口，实现和主控制p c 机以及射频模块通讯; ( 2 )射频模块硬件设计与功能实现。对于无线分布式传感/ 控制网络，需 要满足通讯质量、通讯距离、通讯速度、组网方便、抗干扰、便携、易于布 控和低功耗等要求。 ( 3 )系统硬件驱动程序的编写。 在i a r 公司e m b e d d e d w o r k b e n c h 编译环 境下，编程实现各个模块的驱动。 ( 4 )系统可扩展性设计。通过预留的硬件接口，在不同的应用环境下， 扩展不同的功能。 ( 5 )利用开发的无线数据传输模块构建一个应用网络，实现传感器数据 无线采集。 作者同时也做了大量的系统测试工作。 包括利用软件实现无线数据编码， 差 错控制，制定通讯协议以及编写p c 机的应用测试程序等等。 论文的组织结构按如下方式进行: 绪论部分介绍无线网络通讯技术的发展与 实现技术， 提出 基于射频技术的 w d s c n系统构架，对作者所做的工作和论文结 构给予说明;在第二章详细介绍该自适应跳频无线传输平台的模块化设计方法; 第三章将对无线通讯过程中的数据编码方式，差错控制方式以及通讯协议做具 体说明:第四章结合实例，介绍具体的无线通讯网络的建立与实现;第五章是 总结和展望部分。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章 自适应跳频无线数据传输平台的模块化设计 2 . 1 微处理器选型与整体模块设计 2 . 1 . 1 m s p 4 3 0 系列单片机 m s p 4 3 0 系列单片机是由t i ( t e x a s i n s t r u m e n t s ，美国 德州仪器公司) 开发 的1 6 位微处理器。 其突出 特点是强调低功耗， 非常适用于各种低功率要求的应 用。它有多个系列和型号，分别由 一些基本的功能模块按照不同的应用目 标组 合而成。由于其高的性价比，在智能家庭仪表，医疗设备，保安系统等领域己 经逐渐取得广泛的应用。 m s p 4 3 0 系列在2 0 0 0 年新增加了一个m s p 4 3 0 f l x 子系列。 这一系列具有 f l a s h存储器， 在系统设计，开发调试及实际应用上都表现出比 较明显的特点【 19 1 1 4 3 1 令 超低功耗: 运行在 1 m h z 时钟的条件下时， 工作电流视工作模式不同为0 . 1 - 4 0 0 u a ，工作电压 1 . 8 - 3 . 6 v , 命 强大的处理能力:丰富的寻址方式 ( 源操作数7 种，目的操作数4 种， 但只 有简洁的2 7 条指令) ;片内寄存器数量多，存储器可实现多种运算; 较高 的查表处理方法。 这些特点保证了编制出高效的程序。 令 丰富的片上外围模块: m s p 4 3 0 f l x 中的各个成员集成了较多的片上外围资源。 如m s p 4 3 0 f 1 4 9 包括:1 2 位a / d , 精密 模拟l 匕 较器， 硬件乘 法器， 2 组频率 可达 8 m h z 的时钟模块， 2 个带有大量捕获/ t e 较寄存器的 1 6 位定时器， 看 门狗， 2个可实现一步、同步及多址访问的串 行通讯接口， 数十个可实现 方向设置及中断功能的并行输入、输出口等。 令 方便高效的开发方式: m s p 4 3 0 f i x 具有f a l s h 存储器， 这一特点使它的开发 工具相当简便。利用单片机本身具有的j t a g 接口 或者b o o t r o m ， 可以 在 一台p c 及一个结构小巧的j t a g 控制器的帮助下实现程序的下载，完成程 序调试。 4 1.适应工业级运行环境:m s p 4 3 0 f i x 的运行环境温度范围为一4 0 -+8 5 0c ,所 设计的产品适合运行于工业环境下。 考虑到系统以后性能扩展和程序存贮的要求，在设计的时候选择了 武汉理工大学硕士学位论文 m s p 4 3 0 f 1 4 9 微处理器，它具有 2 k b的r a m和6 0 k b + 2 5 6 字节的f a l s h 。主要由 以下部分组成: 4 基础时钟模块，包括 1 个数控振荡器d c o 和2 个晶体振荡器。 令 看门狗定时器w a t c h d o g t i m e r ，可以用作通用定时器。 4 带有3 个捕捉/ 比较寄存器的1 6 位定时器t i m e r a 3 . 4 带有7 个捕捉/ 比 较寄存器的1 6 位定时器t i m e r 一7 . 4 2 个具有中断功能的8 位并行端口:p 1 和p 2 . 令 4 个8 位并行端口:p 3 , p 4 , p 5 和p 6 。提供了普通1 / 0 功能和特定的系统 功能两种模式。 夺 模 拟比 较器c o m p a r a t o r 一 4 1 2 位a / d 转换器a d c 1 2 。用于数据采集。 今 2 个串行通信接口:u s a r t o 与u s a r t i 。有u a r t 和s p i 两种工作模式。 令 1 个硬件乘法器。提高运算速度。 x i n % 0 i 几 / t c l n rv. r v s . a v . a v . , r s t / 朋i p i p 2 p 3 p 4 p 5 p fi |泪旧甲们招们们肛旧妇一| rn.cxt21nxt20rt ! 士一士二 艺 _ _ 石 _ _ _ _ _.二屯 _ 二 _ _ j 俄抵tdi确 图 2 - 1 m s p 4 3 0 f 1 4 x 系 统 构 架 2 . 1 . 2 微处理器外围模块与整体设计 在本次设计中， 该微处理器需要实现的功能及其外围模块可以分为如下 5 个 武汉理工大学硕士学位论文 i a r 的e m b e d d e d w o r k b e n c h( 简称w o r k b e n c h ) 是一个适应各种不同c p u 的 目标系统开发的集成环境。它提供方便且功能丰富的窗口界面，使开发和调试 的效率大大提高e w o r k b e n c h 支持多种微处理器。 针对用户特定的目 标系统， 用 创建项目 ( p r o j e c t s )的方法来进行开发和管理。它包含的实用工具有: . 具有语法表现能力的文本编辑器; . 编译器; . 汇编器; . 连接器; . 函数库管理器; . 实现操作自动化的m a k e 工具; . 内嵌c 语言级和汇编级的调试器c - s p y . 本系统的就是在w o r k b e n c h 集成环境下完成调试开发的。 ( 2 ) j t a g 仿真器在线编程 j t a g ( j o i n t t e s t a c c e s s g r o u p ) ，是一种边界扫描技术标准，即 i e e e 1 1 4 9 . 1 。是为了在线测试的需要而发展起来的针对芯片及线路板测试的接口技 术。现在多数的高级器件都支持j t a g 协议，如d s p , f p g a 器件等。它利用串行 移位输入及输出的方式对芯片的输入端加载特定的代码序列，并获得输出端给 出的响应序列。标准的j t a g 接口是4 线:t m s , t c k , t d i , t d o ，分别为模式选 择、时钟、数据输入和数据输出线。 m s p 4 3 0的 f l a s h型微处理器的开发，只需要一个 f e t ( f l a s h e m u l a t i o n t o o l )的j t a g 控制器即可实现。通过仿真器连接微处理器的j t a g 接口和p c 机 的打印机接口，实现程序的在线编程，下载， 调试和仿真等功能。使整个系统 的开发过程更加的简单，容易，有效。 2 . 3自适应跳频无线数据传输平台的模块化设计与实现 2 . 3 . 1 2 . 3 . 1 . 无线射频模块设计实现 1无线收发芯片的选型 无线收发芯片的种类和数量繁多， 其选型在射频模块设计中至关重要。 选用 理想的无线收发芯片可以减小开发难度，缩短开发周期，降低成本，更快地将 武汉理工大学硕士学位论文 表2 -1几种主要单片r f 芯片性能比 较 类型 / 厂家 n r f 9 0 3 / n o r d i c t r f 6 9 0 0 / t i c c 9 0 0 / c h i p c o m r f 2 9 1 5 / r f m d 性能 比较 频率 ( m h z ) 4 3 3 / 8 6 8 / 9 1 5 8 6 8 / 9 1 54 3 3 / 8 6 8 / 9 1 5 4 3 3 / 8 6 8 / 9 1 5 覆盖i s m 频段 工作电压2 . 7 - 3 . 3 v 2 . 2 - 3 . 6 v2 . 7 - 3 . 3 v2 . 4 - 5 . o v低功耗 数据可否 直接接单 片机串口 可直接接 单片机 串 口，无需 曼彻斯特 编码。 不能直接接 单 片 机 串 口，数据需 曼彻斯特编 码。 不能直接 接单片机 串口，数 据需曼彻 斯 特 编 码 。 不能直接接 单 片 机 串 口，数据需 曼彻斯特编 码。 n r f 9 0 3 编程实现 方便。 传输速率7 6 . 8 k b p s9 . 6 k b p s9 . 6 k b p sn r f 9 0 3 速率较高 工作温度- 4 0 0 c - + 8 5 0 c - 2 0 0 c + 6 0 0 c - 3 0 0 c - + 8 5 0 c - 4 0 0 c - + 8 5 0 c n r f 9 0 3 范围较宽 发射电流3 o m a / 1 o d b m 5 0 m a9 1 m a2 7 m a / o d b m n r f 9 0 3 功耗小 接收电流2 3 m a3 4 m a 2 3 m a 6 . w+外 部电路 n r f 9 0 3 功耗小 输出功率+ l o d b m + 4 . 5 d b m + 4 d b mo d b m n r f 9 0 3 功率大 调制方式g m s k f s kf s kf s k g m s k 调制方式抗 干扰能力强 天线数目 12 11 n r f 9 0 3 节省天线 封装t q f p 3 2p q f p 4 8s s o p 2 8l q f p 3 2n r f 9 0 3 面积小 多频道能 力 . 最 多 1 6 9 个频道， 可编程控 制 多频道，可 编程控制 多频道， 可编程控 制 无n r f 9 0 3 多频道， 灵活实现跳频通 讯 变容器内部集成需外接昂贵 的变容二级 管 需外接昂 贵的变容 二级管 需外接昂贵 的变容二级 管 n r f 9 0 3 节约成本 外围元件 数目 2 05 0 2 05 0 n r f 9 0 3 外围器件 少，成本低 武汉理工大学硕士学位论文 产品 推向 市场。 选择无线收 发芯片时 应考 虑需 要以 下 几点因 素 y 9 ( 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一半。而采 用串口 传输的芯片， 应用及编程非常简单， 传送的效率很高，编程也方便。 ( 2 )收发芯片所需的外围元件数量。芯片外围元件数量直接决定产品成本， 因此应该选择外围元件少的收发芯片。有些芯片比较便宜，可是外围元件需使 用很多昂贵的元件，如变容管、声表滤波器等;还有芯片的数据收发分别需要 两根天线，也会加大成本。 ( 3 )功耗。 大多数无线收发芯片主要应用在便携式产品上， 因此功耗也非常 重要，应该根据需要选择综合功耗较小的产品。 ( 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 ( p r i n t e d c i r c u i t b o a r d ， 印刷电路板) 面积，降低成本，适合便携式产品的 设计，也有利于开发和生产。 表2 -1 对几种主要单片r f 芯片性能做出了比较。 2 . 3 . 1 . 2三段单片r 无线收发芯片9 0 3 2 . 3 . 1 . 2 . 1 n r f 9 0 3 芯片的特点 n f r 9 0 3 是北欧集成电路公司推出的为4 3 3 / 8 6 8 / 9 1 5 m h z i s m/l p r d ( i n d u s t r i a l s c i e n t i f i c m e d i c a l / l o w p o w e r r a d i o d e v i c e ) 频段设计的真正 单片u h f 印i t r a h i g h f r e q u e n c y ) 多段无线收发芯片。 它采用优化g m s k ( g a u s s i a n m i n i m u m s h i f t k e y i n g ，高斯频移键控) 调制解调技术，抗干扰能力强，采用 d d s ( d i r e c t d i g i t a l s y n t h e s i z e r ) + p l l ( p h a s e l o c k l o o p ) 频率合成技术， 频 率稳定性好， 灵敏度高达一1 0 4 d b m ， 发射功率可以调整， 最大发射功率是+ 1 0 m w , 可在1 5 3 . 6 k h z 的有效带宽下传输最高7 6 . 8 k b p s 的数据。天线接口为差分天线， 便于使用低成本的p c b 天线。n r f 9 0 3 的工作电压范围为2 . 7 -3 . 3 v ，接收待机 状电流消耗为6 0 0 11 a ，低功耗模式电流消耗仅为 i v a ，可满足低功耗设备的要 武汉理工大学硕士学位论文 求。该芯片具有多频道，高灵敏度，高带宽和优良 信号选择性等特点，特别实 用于可靠性要求高的无线链接中 4 5 1 由于n r f 9 0 3 采用了低发射功率和高接收灵敏度的设计，可满足无线管制要 求，使用无需许可证，是目 前低功率无线数据传输的理想选择。可构建用于便 携及手持产品的无线数传通信平台，并可广泛用于遥控、 遥测、小型无线网络、 无线抄表、门禁系统、工业数据采集系统、非接触r f 智能卡、小型无线数据终 端、安防系统、生物信号采集、水文气象监控、机器人控制、无线2 3 2数据通 信、无线数字语音、数字图 像传输等方面 川。 2 . 3 . 1 . 2 . 2 n r f 9 0 3 芯片用户接口与功能 n r f 9 0 3在设计上充分考虑了用户编程和使用的方便，外围元件极少( 少于 2 0个) ， 可以 直接接单片机串口 并可进行发送和接收数据， 而无需对数据进行曼 彻斯特编码。 n r f 9 0 3 留给用户9 个i / 0 接口， 主要功能是芯片配置和工作方式控制， 此外还 有载波检测和时钟信号输出功能。 通过芯片的3 个串行外围设备接口( s p i ) : c s( 芯片选择: 0 ， 正常工作模式: 1 ， 编程模式/ 默认模式) ， c f g _ d a t a ( 1 4 位配置数据， 速率不超过1 m b p s ) ， c f g es c l k ( 配置时钟)来设定射频模块的工作频段、通道、输出功率和时钟频率。 设备工作状态通过 t x f n( 收发模式选择:0 ，收;1 ，发)， p w r 一w n( 掉电 模式)。 s t b y( 待机模式)来设定。 了丫， / / / / . 奋 冲刀 产 5.11.5 .侣 j.n 9琳盆山协口.口，嘴 - 1 0 8一 1 0 6 图2 一3 - 1 0 4 - 1 0 2 - 1 0 0 - 9 8 - 9 6 - 9 4 - 9 2 i n p u t p o w e r le v e l d 8 叫 c s e n s e 输出电 压与输入信号功率的关系曲 线 武汉理工大学硕士学位论文 芯片的c - s e n s e 管脚具有载波信号监测功能， 图 2 - 3 是c _ s e n s e 输出电压与输 入信号功率的关系曲线 , 5 1 当输入载波信号功率接近芯片的接收灵敏度极限( - 1 0 4 d b m ) 以上 l o d b时， c