（机械电子工程专业论文）短距无线通信及usb接口系统的研究设计.pdf

西北工业人学硕士学位论文摘要 摘要 无损伤抗运动病药物性能检测设备是航天医学中一种必不可少的医疗仪 器，对抗运动病药物药效分析有着十分重要的意义。针对传统医疗检测设备可 移动性差，数据传输电缆不便于人们随时随地进行实验研究的缺陷，本文对比 研究了各种短距离无线通信技术和计算机外设接口，提出了 采用蓝牙无线通信 技术和u s b接口来取代主控机与下位机之间有线电缆的方案。蓝牙和 u s b 接口 技术是9 0 年代新兴的两个热门技术， 其目的一个是替代设备间的电缆， 一个是 支持即插即用。 系统把蓝牙无线的自 动连接和有线的即插即用u s b 接口 相结合， 很好地解决了旋转动物模型上的数据对接问题。 本文从蓝牙无线通信和 u s b接口两方面阐述了系统实现原理，选用蓝牙射 频和主控制器硬件芯片n r f 2 4 0 1 和c y 7 c 6 8 0 1 3 ，完成了主控 p c 端无线通信 及u s b 接口系统的软硬件设计。系统主要由数据无线传输、基带控制和u s b 通 信三部分组成。 本文分别论述了 系统射频电路、 基带控制电路、 r a m 扩展、电 源 电 路的具体设计， 对系统的抗干扰措施进行了 研究， 绘制了p c b 。 固件采用模块 化编程，分为9个程序文件来实现系统功能。最后对系统进行了初步调试。实 践表明，系统具有成本低、体积小、辐射小和固件容易升级等优点。 本文研究内容是航空科学基金课题 ( 0 4 1 1 5 3 0 3 6 ) 和横向课题 ( n 3 e k 1 0 1 7 ) 资助项 目。 关键词:无线通信，蓝牙，u s b ，接口，n r f 2 4 0 1 , c y 7 c 6 8 0 1 3 西北工业大学硕士学位论文 ab s t r a c t ab s t r a c t t h e d e v i c e f o r u n d a m a g e d e t e c t i n g t h e e ff e c t s o f a n t i - m o t i o n s i c k n e s s d r u g i s a n e c e s s a r y m e d i c a l in s t ru m e n t i n s p a c e f l i g h t , w h i c h i s v e r y i m p o r t a n t t o a n a l y z e t h e i n fl u e n c e o f a n t i - m o t i o n s i c k n e s s d rug . h o w e v e r t h e d a t a c o m m u n i c a t i o n w i r e l e a d s t h e b a d r e m o v a b i l it y , a n d n o t c o n v e n i e n t f o r e x p e r i m e n t a l s t u d y . c o m p a r e d t h e m a i n f o u r k i n d s o f s h o r t d i s t a n c e w i r e l e s s c o m m u n i c a t io n t e c h n o l o g y a n d e x t e r n a l d e v i c e i n t e r f a c e o f p c , t h e p a p e r b r o u g h t f o r w a r d t h e s c h e m e o f r e p l a c i n g t h e w i r e w i t h b l u e t o o t h a n d u s b t e c h n o l o g y b e t w e e n t h e c o n t r o l p c a n d a c q u i s i t i o n m i c r o c o m p u t e r , w h ic h c o m m e n d a b l y s o l v e d t h e p r o b l e m o f d a t a c o m m u n i c a t i o n i n t h e r e v o l v i n g b i o l o g y m o d e l . t h e t h e s i s i n t r o d u c e d r e a l i z a t i o n p r i n c i p l e o f w ir e l e s s c o m m u n i c a t i o n a n d u s b i n t e r f a c e s y s t e m b a s e d o n t h e b l u e t o o t h a n d u s b t e c h n o l o g y t h e o r y , c o m p l e t e d t h e d e s i g n o f h a r d w a r e a n d s o f tw a r e o f s y s t e m w i t h t h e r f t r a n s c e i v e r c h ip n r f 2 4 0 1 a n d m i c r o - c o n t r o l l e r c y 7 c 6 8 0 1 3 , w h i c h i s c o m p o s e d o f d a t a w i r e l e s s t r a n s m i s s i o n , b a s e b a n d c o n t r o l l i n g a n d u s b c o m m u n i c a t io n , e x p o u n d e d i n d e t a i l t h e d e s i g n o f r f m o d e l , b a s e b a n d c i r c u i t p o w e r s u p p l y a n d r a m e x t e n s i o n e t c , o f f i r m w a r e b y 9 p r o g r a m f i l e s w i t h m o d u l a r i z a t i o n , d o w n l o a d e d t h e e x e c u t i v e f i l e i n t o t h e h a r d w a r e t h r o u g h e z - u s b p a n n e l , a n d d e b u g g e d t h e s y s t e m . i t i s i n d i c a t e d b y p r a c t i c e t h a t t h e s y s t e m is c h a r a c t e r i s t i c o f l o w c o s t , s m a ll s h a p e , t h i n n e r r a d i a t i o n a n d e a s y t o u p g r a d e . t h e r e s e a r c h p a p e r i s s p o n s o r e d b y t h e a v i a t io n s c i e n c e f o u n d a t i o n o f c h i n a ( 0 4 1 1 5 3 0 3 6 ) a n d h o r i z o n t a l s u b j e c t ( n 3 e k 1 0 1 7 ) k e y w o r d s : w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n , b l u e t o o t h , u s b , i n t e r f a c e , n r f 2 4 0 1 ， cy 7 c 6 8 0 1 3 西北工业大学硕士学位论文第一章 绪论 第一章 绪论 1 . 1引言 人机体在运动中受到加速度、视觉和深部感觉的刺激，当机体不能适应这 些刺激时，可发生眩晕、头昏、恶心、呕吐、面色苍白等各种反应，称为运动 病。 随着现代交通的发展， 运动病的发生率显著增加， 大约9 0 % 的人患有不同程 度的运动病，其中1 0 % -3 0 % 患有严重的运动病。军事飞行人员在训练中晕机病 发生率为4 0 % 。 大约5 0 % 的航天员发生空间运动病， 这不仅影响航天员的工作效 率和健康，而且对应急返回构成威胁。因此，运动病的防治是军事医学和航天 医学中巫待解决的问 题w 药物抗运动病一直是防治运动病的主要手段，目前人们认为快速而有效治 疗运动病的办法就是使用抗晕眩药物2 ， 国内 外出 现的抗运动病药物种类数不胜 数 j合理 筛选副 作 用小、 有效的 抗 运 动病 药 成了 航天医 务 工 作者的 首 要任务。 药物能增加机体对运动病的抵抗力， 但任何药物都不是完全有效的，药效受个 体敏感性和刺激种类、强度及时间长短等因素的影响，推荐应用的抗运动病药 物，均应以其在运动病实验中的效果为依据。采用合理的实验方法和检测仪器 系统成了药物药效分析的关键。 目前，课题组承担了一种无损伤抗运动病药物性能检测设备的研究设计， 旨在采用旋转刺激法建立一个操作简单、切实可行的实验性眩晕动物模型，通 过该模型设计出一种医学信号采集检测系统，完成对抗眩晕药物药效的研究。 1 . 2国内 外晕眩检测方法和仪器的发展现状 眩晕是运动病的一种常见症状，在医学上普遍被认为是前庭核功能障碍的 结果。前庭功能检查法有很多， 基本上都是采用运动实验刺激模型，检测出被 实验动物的诱发性眼震特点来做作为判断标准，因此通过眼震和眼震电图来判 断眩晕产生的程度以及时间的长短己成为眩晕测试装置设计中的一个重要依 据。 同时很多晕眩 与内 耳微循环有关:l ， 可 通过耳蜗血 流量 来间 接反映前 庭 血流 变化，然而前庭血流研究尚处初起阶段，有关文献极少，因 此对通过耳蜗血流 量来进行对晕眩的研究也很少。 临床上较多地使用诱发性眼震，目前国内外诱发眼震主要有三种形式:旋 西北工业大学硕士学位论文第一章 绪论 第一章 绪论 1 . 1引言 人机体在运动中受到加速度、视觉和深部感觉的刺激，当机体不能适应这 些刺激时，可发生眩晕、头昏、恶心、呕吐、面色苍白等各种反应，称为运动 病。 随着现代交通的发展， 运动病的发生率显著增加， 大约9 0 % 的人患有不同程 度的运动病，其中1 0 % -3 0 % 患有严重的运动病。军事飞行人员在训练中晕机病 发生率为4 0 % 。 大约5 0 % 的航天员发生空间运动病， 这不仅影响航天员的工作效 率和健康，而且对应急返回构成威胁。因此，运动病的防治是军事医学和航天 医学中巫待解决的问 题w 药物抗运动病一直是防治运动病的主要手段，目前人们认为快速而有效治 疗运动病的办法就是使用抗晕眩药物2 ， 国内 外出 现的抗运动病药物种类数不胜 数 j合理 筛选副 作 用小、 有效的 抗 运 动病 药 成了 航天医 务 工 作者的 首 要任务。 药物能增加机体对运动病的抵抗力， 但任何药物都不是完全有效的，药效受个 体敏感性和刺激种类、强度及时间长短等因素的影响，推荐应用的抗运动病药 物，均应以其在运动病实验中的效果为依据。采用合理的实验方法和检测仪器 系统成了药物药效分析的关键。 目前，课题组承担了一种无损伤抗运动病药物性能检测设备的研究设计， 旨在采用旋转刺激法建立一个操作简单、切实可行的实验性眩晕动物模型，通 过该模型设计出一种医学信号采集检测系统，完成对抗眩晕药物药效的研究。 1 . 2国内 外晕眩检测方法和仪器的发展现状 眩晕是运动病的一种常见症状，在医学上普遍被认为是前庭核功能障碍的 结果。前庭功能检查法有很多， 基本上都是采用运动实验刺激模型，检测出被 实验动物的诱发性眼震特点来做作为判断标准，因此通过眼震和眼震电图来判 断眩晕产生的程度以及时间的长短己成为眩晕测试装置设计中的一个重要依 据。 同时很多晕眩 与内 耳微循环有关:l ， 可 通过耳蜗血 流量 来间 接反映前 庭 血流 变化，然而前庭血流研究尚处初起阶段，有关文献极少，因 此对通过耳蜗血流 量来进行对晕眩的研究也很少。 临床上较多地使用诱发性眼震，目前国内外诱发眼震主要有三种形式:旋 西北工业大学硕士学位论文第一章 绪论 转式、视动鼓和 l e d 视屏。 旋转式需要专门的机电 控制装置， 但诱发效果好， 使用较多。被实验者作在电动转椅或转盘上，以一定的加速度和速度旋转，连 续记录从旋转开始至停转后的眼震电图，来实现对实验动物的晕眩情况研究。 传统对眼震信息的提取主要是通过眼震电图机记录眼震信号，再由人工对 记录的信号进行直观、简单、定量的计算，不但费时，精度低，而且有些信息 手工计算几乎无法得到。如今，把计算机及信号处理技术应用于眼震信号的分 析处理， 眼动仪发生了 革命性的变化， 国内外也因此出现了各种性能的眼震仪， 如美国a s l 公司e v m 系列眼动仪，融合了现代摄像技术、红外线定位技术、电 子计算机技术，数据系统纪录的容量大、速度快和精度高， 但价格昂贵;国内 也有许多单位研究智能眼震电图测试仪器， 如h z y -1 型智能化眼震电图机等。 不过很多在测试中使用的是盘形生物电极，对测试者有一定的刺激，达不到无 损伤实验要求。 眼动记录技术的发展使眼动实验更趋生态化，被实验者几乎可以 在完全不 受仪器干扰的自 然情况下接受刺激。过去实验中对眼睛进行麻醉，并在眼睛上 装置附加物的方法已 被完全淘汰。随着科学技术的发展，眼动检测技术的原理 不断更新，技术向多样化发展，人们一方面将原有的眼动记录技术不断改进， 使之更精确、更方便、更快捷;另一方面，不断探索运用新原理的眼动记录方 法，如后来出现的电磁感应法、巩膜虹膜反射法等新型眼动仪。 1 . 3课题研究内容及意义 课题通过检测耳朵处血流量和眼震电图这两个生理信号的变化来判断实验 者眩晕的发生程度.以 小白鼠 为研究对象， 选用对实验动物无损伤的图 像传感 器和光电传感器，采集其在转盘旋转状态下服用或没服用过需要检查的抗运动 病药后，眼睛图像及耳朵处血流量的变化信息，进而对所采集信号进行对比分 析和处理，来判断抗晕眩药物药效的好坏。整个检测系统具有无刺伤、快速准 确特点，提取临床所需各种数据，为药效分析和疾病诊断提供了可靠依据。 无损伤抗运动病药物性能检测系统属于生物医学信号检测技术的范围，它 不能是工业检测技术的简单移植， 由于检测的 对象是人或者动物， 它要求被实验 者和系统的连接必须具备安全、可靠、动态的特点。实时地获取与生命活动相 关的各种信息，并经技术处理后送入主控计算机进行相应处理，建立科学的人 机连接方式是课题中无损伤抗运动病药物性能检测设备首先考虑的问 题。 一般现有的生物信号检测仪器系统，是通过传感器将眼震、 血流量等生物 体信号转换为电 信号， 经模/ 数转换器a d c 采样、 量化、 编码后， 成为数字信号， 西北工业大学硕士学位论文第一章 绪论 转式、视动鼓和 l e d 视屏。 旋转式需要专门的机电 控制装置， 但诱发效果好， 使用较多。被实验者作在电动转椅或转盘上，以一定的加速度和速度旋转，连 续记录从旋转开始至停转后的眼震电图，来实现对实验动物的晕眩情况研究。 传统对眼震信息的提取主要是通过眼震电图机记录眼震信号，再由人工对 记录的信号进行直观、简单、定量的计算，不但费时，精度低，而且有些信息 手工计算几乎无法得到。如今，把计算机及信号处理技术应用于眼震信号的分 析处理， 眼动仪发生了 革命性的变化， 国内外也因此出现了各种性能的眼震仪， 如美国a s l 公司e v m 系列眼动仪，融合了现代摄像技术、红外线定位技术、电 子计算机技术，数据系统纪录的容量大、速度快和精度高， 但价格昂贵;国内 也有许多单位研究智能眼震电图测试仪器， 如h z y -1 型智能化眼震电图机等。 不过很多在测试中使用的是盘形生物电极，对测试者有一定的刺激，达不到无 损伤实验要求。 眼动记录技术的发展使眼动实验更趋生态化，被实验者几乎可以 在完全不 受仪器干扰的自 然情况下接受刺激。过去实验中对眼睛进行麻醉，并在眼睛上 装置附加物的方法已 被完全淘汰。随着科学技术的发展，眼动检测技术的原理 不断更新，技术向多样化发展，人们一方面将原有的眼动记录技术不断改进， 使之更精确、更方便、更快捷;另一方面，不断探索运用新原理的眼动记录方 法，如后来出现的电磁感应法、巩膜虹膜反射法等新型眼动仪。 1 . 3课题研究内容及意义 课题通过检测耳朵处血流量和眼震电图这两个生理信号的变化来判断实验 者眩晕的发生程度.以 小白鼠 为研究对象， 选用对实验动物无损伤的图 像传感 器和光电传感器，采集其在转盘旋转状态下服用或没服用过需要检查的抗运动 病药后，眼睛图像及耳朵处血流量的变化信息，进而对所采集信号进行对比分 析和处理，来判断抗晕眩药物药效的好坏。整个检测系统具有无刺伤、快速准 确特点，提取临床所需各种数据，为药效分析和疾病诊断提供了可靠依据。 无损伤抗运动病药物性能检测系统属于生物医学信号检测技术的范围，它 不能是工业检测技术的简单移植， 由于检测的 对象是人或者动物， 它要求被实验 者和系统的连接必须具备安全、可靠、动态的特点。实时地获取与生命活动相 关的各种信息，并经技术处理后送入主控计算机进行相应处理，建立科学的人 机连接方式是课题中无损伤抗运动病药物性能检测设备首先考虑的问 题。 一般现有的生物信号检测仪器系统，是通过传感器将眼震、 血流量等生物 体信号转换为电 信号， 经模/ 数转换器a d c 采样、 量化、 编码后， 成为数字信号， 西北工业大学硕士学位论文 第一章 绪论 然后下位机通过电缆将数据送给p c 机分析和处理。然而，对于旋转刺激模型， 在这样一个旋转动物上，用有线连接的方式来实现采集信息的传递很难满足要 求。 对于旋转实验动物模型，一则将采集数据在下位机上进行存储，实验完后 再送给p c 处理， 然而这根本就谈不上是实时性， 也不能实现对其控制: 二则采 用无线通信技术， 将采集的数据由 测量站通过电磁波无线发送到主控站。课题 采用了无线技术实现主控机与下位机之间的数据对接，完成眼睛图像和血流量 信号的无线传递， 方便快捷地实现了p c 对旋转生物体上生物信号的实时采集与 监控， 解决了旋转实验中有线连接烦恼， 大大地增强了设备的灵活性和实用性。 同时，课题所研究的检测系统在其它领域的信号无线检测中也有着广泛的应用 前景。 整个检测系统原理如图 1 . 1 所示。具体实现过程是:实验动物体固定于一 封闭的旋转平台上，平台由电机带动旋转。现场采集动物体上血流量和眼睛图 像两个信号， 采用无线数字通信技术和选用适当的p c 外设接口， 将所采集到的 信号准确无误地传送给终端主控 p c 进行处理，同时主控 p c机能对采集过程和 协电机转速的进行无线控制。整个过程均在室内，通信距离约i o m o 图1 . 1检测系统原理图 由图 1 . 1 可知， 检测系统分硬件和软件设计两部分，硬件由传感器、 信号 采集及处理电路、 无线通信及p c 机接口电路、 电 机调速四 部分组成。 软件主要 是眼睛图像处理技术。 1 . 4本文主要工作 鉴于课题涉及传感器技术、信号检测与处理、无线通信、接口 技术、电 机 调速及图像处理软件编程，工作量大。因此本人主要负责了其中无线通信和接 口部分的工作。 本论文的研究目 标是为无损伤抗运动病药物性能检测设备选择一种合适的 无线技术来替代电缆，同时选用合适的p c 机外设接口，实现主控p c 与处于旋 转平台上的下位机之间无线通信:一方面采集的图像数据通过无线通道上传给 西北工业大学硕士学位论文 第一章 绪论 然后下位机通过电缆将数据送给p c 机分析和处理。然而，对于旋转刺激模型， 在这样一个旋转动物上，用有线连接的方式来实现采集信息的传递很难满足要 求。 对于旋转实验动物模型，一则将采集数据在下位机上进行存储，实验完后 再送给p c 处理， 然而这根本就谈不上是实时性， 也不能实现对其控制: 二则采 用无线通信技术， 将采集的数据由 测量站通过电磁波无线发送到主控站。课题 采用了无线技术实现主控机与下位机之间的数据对接，完成眼睛图像和血流量 信号的无线传递， 方便快捷地实现了p c 对旋转生物体上生物信号的实时采集与 监控， 解决了旋转实验中有线连接烦恼， 大大地增强了设备的灵活性和实用性。 同时，课题所研究的检测系统在其它领域的信号无线检测中也有着广泛的应用 前景。 整个检测系统原理如图 1 . 1 所示。具体实现过程是:实验动物体固定于一 封闭的旋转平台上，平台由电机带动旋转。现场采集动物体上血流量和眼睛图 像两个信号， 采用无线数字通信技术和选用适当的p c 外设接口， 将所采集到的 信号准确无误地传送给终端主控 p c 进行处理，同时主控 p c机能对采集过程和 协电机转速的进行无线控制。整个过程均在室内，通信距离约i o m o 图1 . 1检测系统原理图 由图 1 . 1 可知， 检测系统分硬件和软件设计两部分，硬件由传感器、 信号 采集及处理电路、 无线通信及p c 机接口电路、 电 机调速四 部分组成。 软件主要 是眼睛图像处理技术。 1 . 4本文主要工作 鉴于课题涉及传感器技术、信号检测与处理、无线通信、接口 技术、电 机 调速及图像处理软件编程，工作量大。因此本人主要负责了其中无线通信和接 口部分的工作。 本论文的研究目 标是为无损伤抗运动病药物性能检测设备选择一种合适的 无线技术来替代电缆，同时选用合适的p c 机外设接口，实现主控p c 与处于旋 转平台上的下位机之间无线通信:一方面采集的图像数据通过无线通道上传给 西北工业大学硕士学位论文 第一章 绪论 主控p c ， 另一方面， p c 机控制指令无线发送给下位机， 实现对采集过程的控制。 在查阅相关资料的基础上，本文详细研究了各种短距离无线通信方案和计 算机外设接口，结合课题设计要求，从原理上采用了蓝牙无线通信技术和 u s b 接口来实现。并选出了实现蓝牙射频和主控制器硬件芯片一一n r f 2 4 0 1和 c y 7 c 6 8 0 1 3 ， 具体完成了 主控p c 端无线收发及u s b 接口 系统的软硬件设计。 本文将在后面章节中详细阐述系统的方案选定过程、实现原理以及系统软 硬件的具体设计。 1 . 5本章小结 本章首先从抗运动病药物药效检测的必要性出 发，引出了总的课题 无 损伤抗运动病药物性能检测设备的研究设计，分析了目 前抗运动病药物药效检 测方法和仪器的国内外发展情况， 介绍了课题研究的主要内容及意义。 最后， 本 章阐明了本文研究的目 标和所作的主要工作。 西北工业大学硕士学位论文 第一章 绪论 主控p c ， 另一方面， p c 机控制指令无线发送给下位机， 实现对采集过程的控制。 在查阅相关资料的基础上，本文详细研究了各种短距离无线通信方案和计 算机外设接口，结合课题设计要求，从原理上采用了蓝牙无线通信技术和 u s b 接口来实现。并选出了实现蓝牙射频和主控制器硬件芯片一一n r f 2 4 0 1和 c y 7 c 6 8 0 1 3 ， 具体完成了 主控p c 端无线收发及u s b 接口 系统的软硬件设计。 本文将在后面章节中详细阐述系统的方案选定过程、实现原理以及系统软 硬件的具体设计。 1 . 5本章小结 本章首先从抗运动病药物药效检测的必要性出 发，引出了总的课题 无 损伤抗运动病药物性能检测设备的研究设计，分析了目 前抗运动病药物药效检 测方法和仪器的国内外发展情况， 介绍了课题研究的主要内容及意义。 最后， 本 章阐明了本文研究的目 标和所作的主要工作。 西北工业大学硕士学位论文第二章 系统设计方案研究 第二章 系统设计方案研究 随着通信技术的高速发展与应用，人们对医疗检测设备的要求越来越高， 在追求高速率高保真的同时，对设备的可移动性也提出了更高的要求。传统数 字化检测设备之间的有线连接给人们随时随地与信息网络相连和数据通信带来 了很多不便，发展无线连接技术，己 经成为一种必然趋势。 在这方面，寻呼、 移动电话和无绳电话的迅猛发展就是一个很好的例子，广大用户已经深刻地体 会到无线技术所带来的自由、灵活和便捷。 然而，无线技术跨越了 话音移动通信的传统应用，在信息社会的今天，数 字化设备之间无线数据传输也已经变得同等重要。无线通信系统的含义也从单 纯的移动电话话音业务转变为移动计算机网络。在移动计算机网络中，计算机 或设备等将是便携的无线通信设备， 如笔记 本、 p d a 、 无线检测设备等， 使用时 就像移动电话一样， 用户可以 在无线网络覆盖的任何地方随时发送和接收各种 数据信息，可以是在室内或室外，可以是静止或运动状态等。移动计算机网络 可以是局域网，也可以是广域网。 通信功能变得越来越重要的同时，设备通信接口也成为人们讨论的越来越 多的课题，在多微机系统和微机网络中，通信既包括了计算机和计算机，也包 括计算机与外部设备之间的信息交换，各计算机和外设之间的信息交换都必须 通过接口 刁 能完成。 随着p c 机的普及和广泛应用， p c 机外设接口 也随之迅猛发 展，接口技术已成为了一门十分重要和关键的技术。 2 . 1 各种短距离无线通信技术与实际应用中存在的问题 无线网络标准根据通信距离的不同 可以 分为w a n、 ra n 和 p a n 三类， 它们 的有机组合，构成了 完整的 无线互联网 络体系。本文的短距无线通信属于w l a n ( 无线局域网) 技术， 工程上可称之为移动计算机局域网，目 前移动计算机局 域网已 经有了多种解决方案，主要包括i e e e 8 0 2 . 1 1 , h o m e r f , h i e r p l a n , i r d a 红外网 络以 及日 益兴起的蓝牙技术等。 其中， 工 e e e 8 0 2 . 1 1 和h o m e r f 是北美应用 最广泛的技术; h i e r p l a n 近年在欧洲得到广泛的支持，发展异常迅猛:红外技 术由于其价格便宜、体积小巧、应用成熟，很早就已取得广泛应用:蓝牙技术 是1 9 9 8 年5 月由爱立信、工 b m 、 英特尔、 诺基亚等多 家公司联合制定的短距离 无线通信技术标准。它们在短距离无线通信领域各具优势， 相互竞争，以下是 西北工业大学硕士学位论文第二章 系统设计方案研究 第二章 系统设计方案研究 随着通信技术的高速发展与应用，人们对医疗检测设备的要求越来越高， 在追求高速率高保真的同时，对设备的可移动性也提出了更高的要求。传统数 字化检测设备之间的有线连接给人们随时随地与信息网络相连和数据通信带来 了很多不便，发展无线连接技术，己 经成为一种必然趋势。 在这方面，寻呼、 移动电话和无绳电话的迅猛发展就是一个很好的例子，广大用户已经深刻地体 会到无线技术所带来的自由、灵活和便捷。 然而，无线技术跨越了 话音移动通信的传统应用，在信息社会的今天，数 字化设备之间无线数据传输也已经变得同等重要。无线通信系统的含义也从单 纯的移动电话话音业务转变为移动计算机网络。在移动计算机网络中，计算机 或设备等将是便携的无线通信设备， 如笔记 本、 p d a 、 无线检测设备等， 使用时 就像移动电话一样， 用户可以 在无线网络覆盖的任何地方随时发送和接收各种 数据信息，可以是在室内或室外，可以是静止或运动状态等。移动计算机网络 可以是局域网，也可以是广域网。 通信功能变得越来越重要的同时，设备通信接口也成为人们讨论的越来越 多的课题，在多微机系统和微机网络中，通信既包括了计算机和计算机，也包 括计算机与外部设备之间的信息交换，各计算机和外设之间的信息交换都必须 通过接口 刁 能完成。 随着p c 机的普及和广泛应用， p c 机外设接口 也随之迅猛发 展，接口技术已成为了一门十分重要和关键的技术。 2 . 1 各种短距离无线通信技术与实际应用中存在的问题 无线网络标准根据通信距离的不同 可以 分为w a n、 ra n 和 p a n 三类， 它们 的有机组合，构成了 完整的 无线互联网 络体系。本文的短距无线通信属于w l a n ( 无线局域网) 技术， 工程上可称之为移动计算机局域网，目 前移动计算机局 域网已 经有了多种解决方案，主要包括i e e e 8 0 2 . 1 1 , h o m e r f , h i e r p l a n , i r d a 红外网 络以 及日 益兴起的蓝牙技术等。 其中， 工 e e e 8 0 2 . 1 1 和h o m e r f 是北美应用 最广泛的技术; h i e r p l a n 近年在欧洲得到广泛的支持，发展异常迅猛:红外技 术由于其价格便宜、体积小巧、应用成熟，很早就已取得广泛应用:蓝牙技术 是1 9 9 8 年5 月由爱立信、工 b m 、 英特尔、 诺基亚等多 家公司联合制定的短距离 无线通信技术标准。它们在短距离无线通信领域各具优势， 相互竞争，以下是 西北工业大学硕士学位论文 对各种短距离无线通信技术的简略介绍及比较。 第二章 系统设计方案研究 1 、i e e e 8 0 2 . 1 1 标准 i e e e 8 0 2 . 1 1 是企业无线局域网的标准技术， 最早的工 e e e 8 0 1 1 1 协议标准是 主要用于解决办公室局域网和校园网中用户与用户终端之间的无线接入，业务 主要限于数据存取，速率最高只能达到2 m b i t / s 。由于i e e e 8 0 2 . 1 1 在速率和传 输距离上都不能满足人们的需要，因此i e e e 又相继推出了8 0 2 . i l a 和8 0 2 . l l b 两 个 新 标 准。 三 者 之间 技术 差 别6， 主 要 在于m a c ( m e d i u m a c c e s s c o n t r o l , 媒介 访问控制) 子层和物理层。i e e e 8 0 2 . 1 1协议只规定了开放式系统互连参考模型 ( o s i / r m )的 物理层和 m a c层， 其 m a c层利用载波监听多重访问/ 冲突避免 ( c s m a / c a ) 协议， 而在物理层， 工 e e e 8 0 2 . 1 1 定义了 三种不同的物理介质， 它们 分别是红外线、跳频扩谱方式 ( f h s s )以 及直接序列扩谱方式 ( d s s s ) a 工 e e e 8 0 2 . l l a 工作在5 g h z 频带， 避开了 拥挤的2 . 4 g h z 频段。 物理层传输速 率可达5 4 m b i t / s ， 传输层可达2 5 m b i t / s 。 采用正交频分双工 ( o f d m )的独特扩 频技术， 可提供2 5 m b i t / s 的无线a t m( 异步传送模式)接口、i o m b i t / s 的以太 网无线帧结构接口和t d d / t d m a 的空中接口， 支持语音、 数据、图像业务， 一个 扇区可接入多个用户，每个用户可带多个用户终端。 i e e e 8 0 2 . l l b ( w i - f i ) 使用开 放的2 . 4 g h z 直接序列扩频， 最大数据传输速 率为 i i m b p s ，无需直线传播，其实际的传输速率在 5 m b p s左右，与普通的 i o b a s e - t 规格有线局域网处于同一水平 ( 现在最常用的以 太l a n 使用的是双绞 线， 这种传输介质称为i o b a s e - t ) . i e e e 8 0 2 . l l b 使用动态速率转换，当射频情 况变差时， 可将数据传输速率降 低为5 . 5 m b p s , 2 m b p s 和1 m b p s ， 且当工作在2 m b p s 和i m b p s 速率时可向下兼容i e e e 5 0 2 . 1 1 a i e e e 5 0 2 . 1 1 6 的使用范围在室外为3 0 0 米，在办公室环境中则最长为 1 0 0 米，适用与以太网类似的连接协议和数据包 确认， 来提供可靠的 数据传送和网 络带宽的有效使用。 i e e e 8 0 2 . l 1 b 运作模式基 本分为两种:点对点模式和基本模式，点对点模式是指无线网卡和无线网卡之 间的通信方式;基本模式是指无线网络规模扩充或无线和有线网络并存时的通 信方式， 这是i e e e 8 0 2 . l 1 b 最常用的方式。 i e e e 8 0 2 . l i a 在使用频率的选择和数据传输速率上都优于i e e e 8 0 2 . 1 1 6 ， 不 过目 前还远没有成熟，存在着不少问题，如芯片与设备昂贵，空中接力特性不 好，点对点连接不经济，也不适合小型设备等。 2 , h o m e r f 标准 家庭无线电 射频 ( h o m e r f ) 是h o m e r f 工作组专门为家庭无线局域网而设计 西北工业大学硕士学位论文第二章 系统设计方案研究 的开发性工业标准， 其目 标是要在家庭区 域范围内的任何地方，在个人电 脑和 家用电子设备之间实现无线数字通信的开放性工业标准。 h o m e r f 是i e e e 8 0 2 . 1 1 与无绳电话技术d e c t ( d i g i t a l e n h a n c e d c o r d l e s s t e l e c o m m u n i c a t i o n s )的结合，使用这种技术能降低语音数据成本。它使用开 放的2 . 4 g h z 频段， 采用跳频扩谱 ( f h s s ) 技术， 跳频速率为5 0 跳/ 秒， 共有7 5 个带宽为1 m h z 的跳频信道。 调制方式为恒定包络的频移键控f s k 调制， 分为2 f s k 与 4 f s k两种，采用调频调制可以有效地抑制无线环境下的干扰和衰落。2 f s k 方式下，最大数据的传输速率为 1 m b p s ; 4 f s k方式下，速率可达 2 m b p s 。新的 h o m e r f 2 . x标准采用w b f h ( w i d e b a n d f r e q u e n c y h o p p i n g ，宽带调频) 技术 来增加跳频带宽， 由 原来的1 m h z 跳频信道增加到3 m h z , 5 m h z . 跳频的速率也增 加到7 5 跳/ 秒，数据峰值达到i o m b p s a h o m e r f 把共享无线接入协议 ( s w a p ) 作为未来家庭联网的技术指标，基于 该协议的网络是对等网，因此该协议主要针对家庭无线局域网。其数据通信采 用简化的i e e e 8 0 2 . 1 1 协议标准， 沿用类似与以 太网 技术中的冲突检测的载波监 听多址技术。语音通信采用d e c t 标准，使用t d m a 时分多址技术。 不过由于h o m e r f 技术没有公开，目 前在抗干扰等方面相对应其他技术而言 上有欠缺，因此没有广泛的应用前景。 3 、红外 ( i r d a )技术 红外技术可以说是无线连接技术的鼻祖，由红外数据协会 ( i r d a 一一 i n f r a r e d d a t a a s s o c i a t i o n )提出并推行的一种无线协议，这种通信方式使用 8 5 0 n m 的红外光来传输数据和语音。 新制定的超高红外( v f i r ) 标准传输速率为 的1 6 m p b s ， 相比 传统版本f i r 的4 m b p s 快了4 倍， 接收角度也由 原来的3 0 度扩 展到1 2 0 度，并且其硬件及相应软件技术都已比较成熟。 该技术的主要优点是无需专门申 请特定频率的使用执照。这一点，在当前 频率资源匾乏，频道使用费增加的背景下是比较重要的。并且它还具有移动通 信设备所必需的体积小，功率低的优点。i r d a 的数据传输速率比 较高，而且由 于采用点到点的 连接， 数据传输所受到的干扰较少。 就目 前而言， 无论是技术 成熟度还是普及度，都是其他新兴的无线连接技术所无法相比的，现在全球采 用工 r d a 技术的设备已 经超过了5 0 0 0 万部。并且仍然每年以5 0 % 速度增长。 但工 r d a 也有其明显的缺点， 首先， 它只能实现点对点的连接， 无法实现点 对多点的连接，也即它只限于在2 台设备之间进行链接;其次，工 r d a 是一种视 距传输技术，中间不能 有阻 挡物，同时要求通信设备的位置相对固定， 无法用 于移动设备: 最后， 工 r d a 设备的核心部件红外线l e d 是一种不耐用的器件， 西北工业大学硕士学位论文第二章 系统设计方案研究 频繁使用会令其使用寿命大大缩短。 4 、蓝牙技术标准 蓝牙 ( b l u e t o o t h ) 是一 种近距离无 线通信技术规范( 7 ， 用 来描述和规定 各 种信息电子产品 包括通信产品、计算机产品和消费电子产品) 相互之间是如 何用短距离无线电系统进行连接的， 替代电 缆是蓝牙技术最根本的应用特征， 从应用角度来讲，它与日前广泛应用于微波通信中的多址技术十分相似，它很 容易穿过障碍物，实现全方位的语音与数据传输。主要优点是:可以随时随地 用无线接口来代替有线电缆连接; 具有很强的移植性， 可应用于多种通信场合; 功耗低，对人体危害小;蓝牙集成电路应用简单，成本低廉，实现容易，易于 推广等。 蓝牙使用2 . 4 g h z 频段， 采用时分双工传输和跳频扩频 ( f h s s ) 调制技术来 实现全双工传输， 在发射带宽为1 m h z 时， 其有效数据数率为7 2 1 k b p s ，有时也 可达到1 m b p s 。 跳频是蓝牙使用的关键技术， 蓝牙以2 . 4 5 g h z 为中心频率， 得到 7 9 个1 m h z 带宽的信道， 对应于单时隙分组， 蓝牙的跳频速率为1 6 0 0 跳/ 秒; 对 应于多时隙包， 跳频速率有所降低， 但在建立链路时则提高为3 2 0 0 跳/ 秒。 工 s m 频段是对所有无线电系统都开放的频段，因此使用其中的某个频段都会遇到不 可预测的干扰源，由 于使用比较高的跳频速率，蓝牙系统具有较其他通信技术 更强的抗干扰能力。 蓝牙支持点对点和点到多点的连接，蓝牙最基本的网络组成是匹克网。匹 克网由 主设备单元和从设备单元构成。主设备单元负责提供时钟同步信号和跳 频序列， 而从设备单元一般是受控同步的设备单元， 并接受主设备单元的控制。 在同一匹克网中，所有设备单元均采用同一跳频序列。一个匹克网中一般只有 一个主设备单元，而从设备单元目 前最多可以 有 7个。一个匹克网中的从设备 同时还可作为另一个匹克网的主设备，以此方式进行网络拓展，几个匹克网连 接在一 起， 称为s c a t t e r n e t ( 散射网) ， 形成灵活的多 重匹克网的拓扑结构， 并 靠跳频顺序识别每个匹克网。从而实现各类设备之间的快速通信。 由于蓝牙技术独立于不同的操作系统和通信协议之外，可以移植到许多应 用领域，因而应用场合很普遍。蓝牙力求与不同的操作系统和通信协议有良 好 的接口， 从而保证一定的兼容性。 蓝牙技术适用于任何数据、图像、 声音等短 距离通信场合， 包括蜂窝电 话、 p d a 、计算机外设、设备仪器等各种设备上数据 无线通信。 5 、几种无线技术的比较 西北工业大学硕士学位论文第二章 系统设计方案研究 综上所述，各种无线技术都有各自的优点和不足，不同的技术适合于不同 的用户。i e e e 8 0 2 . 1 1 / b / a 定位于企业无线网络，主要适用于大型办公室或企业 集团，是一种用来对大文件进行带宽占 用以及突发性的信息传输要求，或者用 来保持因特网和专用网不间断连接的无线局域网技术，其实现成本较高。在家 庭无线应用上，h o m e r f 无可非议，其专为家庭用户设计，对流媒体提供了 真正 意义上的支持，目前h o m e r f 只能通过 p c卡的形式实现，尚无法象蓝牙那样利 用模块或芯片实现， 因而成本比蓝牙高。 在近距离1 0 米内，以无线方式替代线 缆的应用场合， 蓝牙与i r d a 有很大的优势， i r d a 技术成熟， 数据传输速率比蓝 牙高， 但i r d a 属视距技术， 并且无法满足设备之间相互移动的要求。 蓝牙最初 的提出和今后的发展方向都是以 低成本为目 的，非常适合应用于低成本近距离 无线传输场合。四种无线技术的具体对比数据，如表2 . 1 所示， 一 引 。 表2 . 1四种无线技术比 较数据 对比规格8 0 2 . i 1 6 家用射频 ( h o m e r f ) 红外 ( i r d a ) 蓝牙 ( 8 l u e t o o t h ) 无线传输媒介 2 . 4 g h z 无线电 波 2 . 4 g h z 无线电波红外光 2 . 4 g h z 无线电波 传 输 速率 ( m b i t / s ) d s s s : 1 1 f h s s : 1 或 2 2 f s k : 1 -2 1 . 1 5 2 , 4 , 1 6 t h s s : 1 数据/ 语音支持数据，语音很弱 语音和数据只支持数据 语音和数据 跳频次数5 0 次/ s 5 0次/ s 1 6 0 0次/ s 传输距离2 5 - 1 0 0 0 m5 0 m 2 0 c m - 1 . 2 m 1 0 - 1 0 0 m 移动能力好好 差 极佳 方向性 全向 ( 3 6 0 0，中 间可有障碍) 全向 ( 3 6 0 0， 中 间可有障碍) 窄角 ( 3 0 0， 中 间不能有障碍) 全向 ( 3