（计算机应用技术专业论文）24ghz无线usb系统的设计与实现.pdf

摘要 无线通信是未来技术发展的主流方向，而在计算机外设方面， u s b 接口技术逐渐成了p c 外设的标准接口。在短距离无线数据通讯 领域，有着诸女h b l u e t o o t h ，w i f i ，2 4 g h z 等技术标准，2 4 g h z 作为和 b l u e t o o t h 工作在同一频段无线短距离通讯技术，有着更低的成本，更 快的开发周期，和更强的针对性。 本文介绍了目前最新的2 4 g h z 无线通讯技术，将其和u s b 2 0 协 议相结合，有效的解决了计算机众多外设电缆所带来的麻烦，同时在 一个无线适配器上实现了与多个外部设备的同时通讯，并采用了改进 的d s s s ( d i r e c ts e q c u e n c es p r e a ds p e c t r d m ，直接序列展频) ，提高了无 线通讯的抗干扰性。在同类产品中有着明显的竞争优势。 首先介绍了当前存在的短距离无线通讯技术，对各种技术的优缺 点和应用领域进行阐述，同时说明了当前u s b 2 。0 技术发展的现状和 所面临的问题。 然后对本系统中无线通讯的协议进行了详细的分析，从物理层、 链路管理层和应用层三个方面进行了阐述，其中着重介绍了应用层协 议，以及怎么将其应用到实际的开发当中。接着对u s b 2 0 协议的应 用也进行了详细的介绍，从怎样开发一个u s b 设备着手，分析了u s b 描述符、u s b 枚举、u s b 传输三个方面的应用。 最后，也是最重要的一部分，对整个无线通讯u s b 系统的硬件设 计、固件设计和驱动软件设计，提出了设计的流程和实现的原理。其 中对无线协议在实际开发应用中的流程进行了透彻的解释。 关键词无线通信，u s b ，固件 a b s t r a c t w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nl s b e c o m i n g t h em a i n s t r e a mo f c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y a tt h es a m et i m e ，u s bi n t e r f a c et e c h n o l o g y i sa l s ob e c o m i n gt h es t a n d a r di n t e r f a c ep cp e r i p h e r a l t h e r ea r es om a n y t e c h n i c a ls t a n d a r d so ns h o r t r a n g ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , s u c ha sb l u e t o o t h ，w i f i ，a n d2 4 g h z a san e wt e c h n o l o g y , s a m e f r e q u e n c ya sb l u e t o o t h ，2 4 g h zh a si t so w na d v a n t a g e ，l i k el o wc o s t ， s h o r td e v e l o p m e n tp e r i o da n dm o r ep o w e r f u lp e r t i n e n c e t h er e s u l tt h et h e s i sp r o p o s e si n t r o d u c e st h el a t e s t2 4 g h zw i r e l e s s t e c h n o l o g yi n t e g r a t e dw i t hu s b 2 0i n t e r f a c e ，a n dp r o v i d e sas o l u t i o nt o i m p l e m e n to n ea d a p t e rt h a tc a nc o m m u n i c a t em o r et h a no n ed e v i c e s i m u l t a n e o u s l y d e p e n d i n go nt h e u s eo fi m p r o v e dd s s s ( d i r e c t s e q u e n c e ss p r e a ds p e c t r u m ) t e c h n o l o g y , 2 4 g h zw i r e l e s su s b t e c h n o l o g yi m p r o v e sa n t i - j a m m i n ga b i l i t yd e e p l y a m o n gt h es i m i l a r t e c h n o l o g i e s ，i th a sb e t t e rp e r f o r m a n c eo b v i o u s l y f i r s t l y , s e v e r a ls h o r t - r a n g ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e sa r e d e s c r i b e di nt h i sp a p e r v i ac o m p a r i n gw i t ht h e m ，t h ep a p e rp r e s e n t st h e k e ya d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g eo fd i f f e r e n tt e c h n o l o g y , a n dt h ef i e l d s t h e ya r ea p p l y i n gt o m e a n w h i l e ，u s b 2 0t e c h n o l o g yi si n t r o d u c e da s w e l l s e c o n d l y , t h i st h e s i si l l u m i n a t e st h ew i r e l e s sp r o t o c o lt h r o u g h o u ti n p h y s i c a ll a y e r , l i n km a n a g e m e n tl a y e ra n da p p l i c a t i o nl a y e r i m p o r t a n t l y , i tp r o v i d e sa na p p l i c a t i o nl a y e rp r o t o c o la n de x p a n d st h ei m p l e m e n t a t i o n t op r o d u c t i o nd e v e l o p m e n t b a s e do nu s b 2 0 p r o t o c o l ，t h i s t h e s i s p r e s e n t st h ef l o w c h a r to fu s ba p p l i c a t i o ni n c l u d i n gu s bd e s c r i p t o r , u s be n u m e r a t i o na n du s bt r a n s a c t i o n f i n a l l y , t h i ss e c t i o nh a st h em a i nc o n t e n t s i tc o n t a i n sh o wt o d e v e l o ph a r d w a r e ，f i r m w a r ea n dr e l e v a n td r i v e r , a sw e l la st h eb a s i c p r i n c i p l ea n dd e s i g nf l o w e s p e c i a l l y , t h ew h o l er o u t i n et oi m p l e m e n t w i r e l e s sp r o t o c o li sd e s c r i b e di nt h i ss e c t i o n 1 ( e yw o r d sw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，u s b f i r m w a r e i i 原创性声明 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 究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注 和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究 成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用 过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 作者签名：撇日期：丝堕年互月堡日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学 位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的 全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。 同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学 位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：垣垒导师签名啦日期：戤厶旦日 硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 短距离无线通讯技术发展现状 随着因特网、多媒体和无线通信技术的发展，人们与信息网络密不可分，无 线通信在人们的日常生活当中扮演着越来越重要的角色，低功耗、微型化是用户 对当前无线通信产品尤其是便携产品的强烈追求，作为无线通信技术中的一个重 要分支短距离无线通信技术的应用范围越来越广泛，涌现出一批新的技术标 准。 短距离无线通讯系统是指依靠无线技术可在最远达1 0 0 米的有效范围内实 现数据的无线传输的解决方案。与有线通信系统相比较，无线系统具有携带方便、 无需线缆等特点。它将成为家庭和办公室有线网络的替代品。成为计算机外设、 办公室互联的主要技术。不同的无线通信技术采用的通讯频率不同，为了避免干 扰和浪费，频率的分配和使用必须服从国际和各个国家的统一管理。短距离无线 通信使用的是无需授权即可使用的工业科研医学( i n d u s t r i a ls c i e n t i f i c m e d i c a l ，i s m ) 频段来传输信号。 近年来，伴随着各种计算机外部设备的普及和应用，众多电缆给家庭、办公、 娱乐带来了许多麻烦，再加上各种无线短距离通讯的标准互不兼容，使得开发一 个统一的无线u s b 通讯平台成为市场的热点，在这样一种背景下，笔者通过参 与企业项目的研发，设计出了一套无线2 。4 g h z u s b 的通讯平台，有效的将各种 外部设备的通讯集成到一个平台上，给家庭办公、游戏娱乐带来了便利。下面对 几种主要的无线短距离通信技术标准作以下介绍。 1 1 1z i g b e e 技术 z i 曲e e 【i 】是一种新兴的短距离、低速率、低功耗无线网络技术，它是一种介 于无线标记技术和蓝牙技术之间的技术方案，主要用于近距离无线连接。z i g b e e 的基础是i e e e 8 0 2 1 5 4 这是i e e e 无线个人区域n ( p e r s o n a la r e an e t w o r k ，p a n ) 工作组的一项标准，被称作i e e e 8 0 2 15 4 ( z i g b e e ) 技术标准。 i e e e 仅处理低级m a c 层和物理层协议，因此z i g b e e 联盟对其网络层协议 和a p i 进行了标准化。完全协议用于一次可直接连接到一个设备的基本节点的 4 k 字节或者作为h u b 或路由器的协调器的3 2 k 字节。每个协调器可连接多达 2 5 5 个节点，而几个协调器则可形成一个网络，对路由传输的数目则没有限制。 z i g b e e 联盟还开发了安全层，以保证这种便携设备不会意外泄漏其标识，而且这 种利用网络的远距离传输不会被其它节点获得。z i g b e e 技术的主要特点【2 】包括以 硕士学位论文 第一章绪论 下几个部分： 数据传输速率低。只有l o k b y t e s 到2 5 0 k b y t e s ，专注于低传输应用； 功耗低。在低耗电待机模式下，两节普通5 号干电池可使用6 个月到2 年，免去了充电或者频繁更换电池的麻烦。这也是z i g b e e 的支持者所一直引以 为豪的独特优势； 成本低。因为z i g b e e 数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本， 且z i g b e e 协议免收专利费； 时延短。通常时延都在1 5 毫秒至3 0 毫秒之间； 安全。z i g b e e 提供了数据完整性检查，加密算法采用a e s 1 2 8 ，同时可以 灵活确定其安全属性； 网络容量大。每个z i g b e e 网络最多可支持2 5 5 个设备，也就是说，每个 z i g b e e 设备可以与另外2 5 4 台设备相连接； 优良的网络拓扑能力。z i g b e e 具有星、树和丛网络结构的能力。z i g b e e 设备实际上具有无线网路自愈能力； 有效范围小。有效覆盖范围l 帖7 5 米之间，具体依据实际发射功率的大小 和各种不同的应用模式而定，基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境； 工作频段灵活。使用的频段分别为2 4 g h z ( 全球) 、8 6 8 m h z ( 欧洲) 及 9 1 5 m h z ( 美国) ，均为免执照频段。 1 1 2 红外通讯技术 红外技术【3 】可以说是无线连接技术的鼻祖，由红外数据协会 ( i r d a h 1 丘：绷习d a t aa 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p f ( 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己比较成熟。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，在当前频率资源匮乏，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i 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。 但是k 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，i 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，i r d a 设备的核心部件一红外线l e d 是一种不耐用的器件频 2 硕士学位论文第一章绪论 繁使用会令其使用寿命大大缩短。 1 l 3 无线局域网技术 1 9 9 7 年，经过了7 年的工作以后，i e e e 发布了8 0 2 1 1 协议，这也是在无线 局域网领域内的第一个国际上被认可的协议。在1 9 9 9 年9 月，他们又提出了 8 0 2 1 1 b ”h i g hr a t e 协议，用来对8 0 2 1 l 协议【4 】进行补充。又称为无线保真( w i f i ) 。 它采用补码键控( c o m p l e m e n t a r y c o d ek e y i n g ，c c k ) 调制技术，运行在2 4 g h z 的 i s m 频段上，通信距离在1 0 0 米左右，可以支持最高1 1 m b p s 的数据传输速率。 i e e e 8 0 2 1l b t 5 】的优点是价格成本较低，缺点是传输速率较慢。i e e e 8 0 2 1 1 a 标准 使用正交频分复用调制技术，工作在5 g i - i z 的频段上，通信距离在1 0 - 1 0 0 米之 间，它的最高传输速率是5 4 m b p s ，发射功率在1 w 以上。i e e e 8 0 2 1 l a 的优点是 传输速率高且干扰少，缺点的成本价格较高。2 0 0 3 年7 月i e e e 8 0 2 1 1 工作组批 准了新的物理层标准i e e e 8 0 2 1 l g 标准。i e e e 8 0 2 1 l g 标准采用o f d m 调制技术， 工作在2 4 g h z 频段上，通讯距离在1 0 0 米左右，最大数据传输速率提高到2 0 m b p s 以上。i e e e 8 0 2 1 l g 标准与i e e e 8 0 2 1 l b 运行在相同的频段，可以共存在同一接 入点的网络里，保障了向后的兼容性。8 0 2 1 1 n 将成为8 0 2 1 1 无限局域网标准家 庭的下一个成员。它与之前的8 0 2 1 l g b a 标准均能兼容，旨在提高网络传输速 度和稳定性，扩大无线网络的可运行传输距离。这项技术的核心是在于多方式输 入多方式输出技术，此项技术在发射端和接收端均采用多个天线来最大限度的减 少误差，使数据传输速度最大化。 1 1 4 无线射频识别技术 r f i d ( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n , 射频识别) 【6 】是r a d i of r e q u e n c y i d e n t i f i c a t i o n 的缩写，即射频识别，俗称电子标签。r f i d 射频识别是一种非接 触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据。标签 进入磁场后，接收解读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存 储在芯片中的产品信息，或者主动发送某一频率的信号；解读器读取信息并解码 后，送至中央信息系统进行有关数据处理。最基本的r f i d 系统由三部分组成： 天线( a n t e n n a ) 、标签( t a g ) 和解读器( r e a d e r ) 。天线在标签和解读器之间传递射频 信号；每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象；解读器是读 取( 有时还可以写入) 标签信息的设备，分为手持式和固定式。 r f i d 技术具有三个显著的优点： 可以识别单个的非常具体的物体，而不是像条形码那样只能识别一类物 体。 其采用无线电射频，可以透过外部材料读取数据，而条形码必须靠激光 硕士学位论文 第一章绪论 来读取信息。 可以同时对多个物体进行识读，而条形码只能一个一个地读。此外，标 签储存的信息量非常大。 r f i d 技术在物流和供应管理、生产制造和装配、航空行李处理、运动计时、 电子门票、道路自动收费等领域具有广阔的应用前景。 1 1 5 蓝牙技术 蓝牙 7 ( b l u e t o o t h ) 是一种近距离无线通信技术规范，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。 蓝牙技术不仅是一种简单的无线连接，而是一整套关于在特定范围内，不同 便携式设备之间互联并识别的协议。s i g 组织于1 9 9 9 年7 月推出了蓝牙技术规 范1 0 版本。蓝牙技术【8 】的系统结构分三大部分：低层硬件模块、中间协议层和 高层应用。低层硬件部分包括无线跳频、基带和链路管理。无线跳频【9 】层通过 2 4 g h z 无需授权的i s m 频段的微波，实现数据位流的过滤和传输，该层协议主 要定义了蓝牙收发器在此频带正常工作所需要满足的条件。基带负责跳频以及蓝 牙数据和信息帧的传输。链路管理负责连接、建立和拆除链路并进行安全控制。 其中中间协议【i o 】层包括逻辑链路控制和适应协议、服务发现协议、串口仿 真协议和电话通信协议。逻辑链路控制和适应协议具有完成数据拆装、控制服务 质量和复用协议的功能，该层协议是其它各层协议实现的基础。服务发现协议层 为上层应用程序提供一种机制来发现网络中可用的服务及其特性。串口仿真协议 层具有仿真九针r s 0 2 3 2 c 串口【l l 】的功能。电话通信协议层则提供蓝牙设备间话音 和数据的呼叫控制指令。 主机控制接口层【1 2 】( h c i ) 是蓝牙协议中软硬件之间的接口，它提供了一个调 用基带、链路管理、状态和控制寄存器等硬件的统一命令接口。蓝牙设备之间进 行通信时，h c i 以上的协议软件实体在主机上运行，而h c i 以下的功能由蓝牙 设备来完成，二者之间通过一个对两端透明的传输层来进行交互。 通过对比以上短距离通讯技术标准，只有z i g b e e 技术和蓝牙技术在成本、 速率和通讯距离比较适合家庭办公和游戏娱乐外部设备的应用，但是由于z i g b e e 技术和蓝牙技术都需要对标准而且比较复杂的协议栈进行处理，考虑到外部设备 还需要对其他传感器数据和u s b 数据进行处理，综合成本和性能上的考虑，非 4 硕士学位论文 第_ 章绪论 标准协议栈的2 4 g h z 通讯技术有着更大优势。它不仅在性能上丝毫不逊色 z i g b e e 和蓝牙，同时在开发周期、开发成本和抗干扰性上更具特色。因此，笔 者和公司所在的项目组一致采用2 4 g h z 无线通讯技术。 1 2u s b 2 0 技术发展现状 1 9 9 4 年1 1 月1 1 日，u s b 总线规范0 7 版本问世，标志着u s b 的正式诞生， 但这时还不够完善，当然用户也很少，直到1 9 9 6 年1 月1 5 号，u s b l 0 版本发 布后，u s b 技术才相对成熟，在w i n d o w s 9 5 的o s r 2 1 版本公布后，它才首次 在p c 机上使用，而且u s b 接口的外设也很少，但是1 9 9 8 年6 月w i n d o w s 9 8 和 同年9 月u s b l 1 版本发布后，u s b 开始成了一个流行的接口，市场上出现了大 量的u s b 外设，但其传输速率仅限于1 2 m b p s 。2 0 0 0 年4 月2 7 号，u s b 2 0 版 本发布后，其传输速率提高到了4 8 0 m b p s ，这使其能应用于更广泛的场合，一时 间u s b 红遍全球。 u s b 2 o 【1 3 】( 通用串行总线) 是一种计算机外设连接规范，由p c 业的一系列 龙头老大联合制订，包括康柏、惠普、英特尔、l u c e n t 、微软、n e c 和p h i l i p s 。 u s b 2 0 在现行的u s b l 1 规格上增加了高速数据传输模式。在u s b 2 0 中，除了 u s b l 1 中规定的1 5 m b i t s 和1 2 m b i t s 两个模式以外，还增加了4 8 0 m b i t s ( 6 0 m b s ) 这一“高速”模式。由于增加了高速模式【1 4 1 ，将会使u s b 的应用范围 得到进一步扩大。由于总线的整体传输速度提高，即使同时使用多个设备也不会 导致各设备的传输速度减慢。 目前来说，u s b 2 0 的主要竞争对手是i e e e l 3 9 4 和w l a n ，但是和i e e e l 3 9 4 相比，u s b 2 0 不仅在成本【1 5 】上具有优势，而且u s b 2 0 与1 3 9 4 的定位也不同， 从1 3 9 4 钓应用领域看，它主要应用在日系的一些数码摄像产品上，随着基本所 有的主板都加入了对u s b 2 0 的支持，再加上u s b 2 0 的速度( 4 8 0 m b p s ) 也超过 i e e e l 3 9 4 a 的速度( 4 0 0 m b p s ) ，因此很多摄影产品也把u s b 2 0 作为一个标准。 而对于w l a n 1 6 】的无线传输方式，目前来说在稳定性和安全以及速度上暂 时无法与u s b 2 0 相抗衡。 1 3 论文的研究背景和意义 近年来，短距离无线技术得到了迅速的发展和广阔的应用，各种规范和标准 各有自己的优势和不足，因此在不同的领域，不同的技术得到了不同的发挥。在 一段时间内，这些技术还将处于并存阶段。然而2 4 g h z 无线技术凭借其低廉的 5 硕士学位论文第一章绪论 成本和良好的适应性，在计算机外设领域，特别是游戏控制，h i d 设备，等到迅 猛的发展。u s b 2 0 作为计算机的配置接口，已经是成为一种标准，本文在这种 背景情形下，有效的将这两种技术相结合，实现了一个对多个设备的同时通讯， 将计算机外部输入和控制设备统一到一个接口上，不仅去除了电缆所带来的种种 麻烦，而且解决了一般无线设备需要一对一配对通讯的问题。 本文结合了两种通讯协议，并实现了其间数据的转换。在无线传输端，采用 了改进的d s s s 展频方式，比采用g f s k 或者采用一般的展频方式的更加稳定和 抗干扰。其次在适配器端采用了同时对多个信道扫描的方式，实现了一个对多个 设备的同时通讯。在实际的产品应用中取得了良好的效果。目前产品在测试完成 阶段，相信不久将推向市场。 1 4 本文的研究内容与主要工作 本文在分析了u s b 2 0 通讯协议和无线短距离通讯协议的基础上，提出了一 个典型的2 4 g h z 无线u s b 系统设计的方案，并在实际的产品开发，得到了验证 和测试。本文的内容分为五个章节。 第一章首先介绍了短距离无线通讯技术和u s b 2 0 技术发展现状，从当前几 种主流的短距离无线通讯技术标准开始介绍，阐述了它们的工作原理以及技术标 准。然后对u s b 2 0 技术的发展现状、特点和应用作了概述。最后介绍了本文的 研究内容与主要工作。 第二章主要阐述了2 4 g h z 无线通讯技术的协议，从物理层，链路管理层以 及应用层三个层次上着手分析，介绍了数据包详细格式、信道的分配机制、数据 编码等。阐述了无线2 4 g h z 通讯协议详细的通讯过程。 第三章分析了u s b 2 0 技术标准和在实际应用中要注意的几个方面。着重分 析了u s b 设备枚举过程、u s b 控制传输的流程和自定义设备类请求的处理。 第四章提出了系统设计方案，从硬件设计、固件设计、软件设计三方面阐述。 着重分析了适配器端固件设计。本文采用了f r e e s c a l e 的8 位处理器j w 3 2 作为 控制芯片，c y p r e s s 的c y r f 6 9 3 6 作为无线收发芯片。设备端包含多种外设，本 文以鼠标为例来进行阐述。并给出了详细的固件设计流程和u s b 驱动开发流程。 第五章是总结和展望，对全文和笔者在硕士阶段所进行的工作进行了总结， 并指出了本应用技术的不足和对未来工作的展望。 6 硕士学位论文第二章2 4 g h z 无线通信协议 第二章2 4 g h z 无线通信协议 无线2 4 g h z 技术没有标准的通讯协议栈，因此在整个协议的规划和设计对 产品的抗干扰性和稳定性等有着重要的意义。由于其与低层硬件的结构特征结合 紧密，设计了物理层、链路管理层和应用层的三层结构。其中物理层和链路管理 层的很多特性由硬件本身所决定。关键的设计部分应用层通过使用划分信道子集 的方式和跳频方式，有效的防止了来自同类产品间信道的相互干扰和占用。同时 又通过对改进的d s s s 直接序列扩频方式和无d s s s 扩频两种通讯方式的配置实 现设备性能和抗干扰能力之间的平衡。 2 12 4 g h z 无线通信拓扑 如图2 1 所示，无线适配器最多与5 个外部设备进行同时连接，实现数据的 双向通讯，设备0 是一种虚拟的设备，它用来实现任何设备建立连接时，控制信 息的交换。每一个无线适配器都一个唯一的设备地址，通过获取这个设备地址， 外部设备就能建立到无线适配器的连接。 2 2 物理层 图2 1 无线拓扑结构 7 硕士学位论文 第二章2 4 g h z 无线通信协议 由于2 4 g h z 无线通讯协议【i 刀不是一种标准协议，因此协议跟硬件的特性结 合紧密。整个协议的物理层由四部分组成：高斯频移键控( g f s k ) 调制，直接序 列扩频( d s s s ) 基带控制，接收信号强度检测( r s s i ) 以及电源管理。接收信号强度 检测主要检测在通讯过程接收信号的强度，根据用户不同的需要来调整电源发射 或者接收的功率。同时还可以检测通讯信道的干净程度，如果该值过高，说明信 道受到了其他信号的干扰，此时可以采用跳频的方式选择新的通讯信道。 2 2 1g f s k 调制 图2 - 2 物理层结构 g f s k 8 】( 高斯频移键控) 调制是把输入数据经高斯低通滤波器预调制滤波后， 再进行f s k 调制的数字调制方式。它在保持恒定幅度的同时，能够通过改变高斯 低通滤波器的3 d b 带宽对已调信号的频谱进行控制，具有功率谱集中、频谱较窄 等无线通信系统所希望的特性。因此，g f s k 调制解调技术被广泛地应用在移动通 信、航空与航海通信等诸多领域中。 g f s k 调制可以分为直接调制和正交调制两种方式。直接调制是将数字信号 经过高斯低通滤波后，直接对射频载波进行模拟调频。当调频器的调制指数等于 0 5 ，它就是熟知的g m s k ( 高斯最小频移键控) 调制，因此g m s k 调制可以看成是 g f s k 调制的一个特例。 2 2 。2 直接序列扩频( d s s s ) 直接序列扩频( d s s s ，d i r e c ts e q c u e n e es p r e a ds p e c t r d m ) 是直接利用具有高 码率的扩频码系统，采用各种调制方式在发射端扩展信号的频谱，而在接收端， 用相同的扩频码序列去进行解码，把扩展的扩频信号还原成原始的信息。它是一 种数字调制方法，具体说，就是将信源与一定的p n 码( 伪噪声码) 进行模二相 加。一般的直接序列扩频是将一个比特扩展到一个很宽的频带上去。例如说在发 射端将”l ”用1 0 0 1 1 1 0 1 1 0 ，而将一0 佣0 1 1 0 0 0 1 0 0 1 去代替，这个过程就实现了扩 硕士学位论文第二章2 4 g i i z 无线通信协议 频，而在接收机处只要把收到的序列是1 0 0 1 1 1 0 1 1 0 就恢复成”1 ”是0 1 1 0 0 0 1 0 0 1 就恢复成”0 ”，这就是解扩。本文采用了改进的直接序列扩频，不仅具备一般扩 频的优点抗干扰性强、隐蔽性好，同时提高了数据传输的效率。 在没有d s s s 技术的支持下，数据通过g f s k 调制，将信息通过无线电波发 送出去，在信号的调制和传输过程可能受到噪声和外部信号源的干扰，数据可能 发生错误，此时接收设备会将错误的信号解调出来，提交给控制器，从而引起数 据传输错误。尤其在干扰源较多的情况下，数据出错概率大大增加。 采用一般的d s s s 展频技术，就是将传输的每一位比特，用固定位数的高码 率编码去扩展，如下图2 3 所示： 比特“i ” 比特。o 。 用1 0 位的高码牢的 码去扩展一个数据 特”l 。 图2 - 3 一般的d s s s 数据传输方式 虽然采用一般的d s s s 扩频方式，已经大大提高提高的数据的抗干扰能力， 但是它却以牺牲数据的传输速率为代价，因此为了在传输速率和抗干扰能力上选 择一个适当的平衡点，通过对芯片寄存器的配置，采取了改进的d s s s 扩展方式， 它是一次将一个字节扩展到3 2 位6 4 位的高速编码上去，从而将传输速率提升了 接近8 倍，同时也保持了一般d s s s 方式的抗干扰能力，如图2 _ 4 所示。 田丑! 口衄 一比特被传输 口 血巫匾正p 竺璺哑亚廊 部分扩频信号错填多 田t olo l ol - 一田亚皿 、，厂 口 改进的扩频方式 口丑亚巫皿 口互巫吁屯田皿 、，j 图2 _ 4 改进的d s s s 9 硕士学位论文第二章2 4 g h z 无线通信协议 改进后的扩频方式在每次传输的时候将要发送的一个字节8 个比特同时进 行扩频，而在接收端也通过同样的p n 码( 伪噪声码) 去解扩，这样数据的传输 效率大大提高。当然根据不同外设对数据传输的要求，在速率和效率之间可以进 行取舍。物理层提供了4 种传输配置，针对传输实时性要求高的外设比如鼠标、 游戏控制器等，可以采用单g f s k 调制，而不采用扩频，速率可以达到1 m b p s 。 而对键盘、遥控设备，则可以采用3 2 位的d s s s 扩频方式，保证的数据传输的 稳定性和安全性。 2 2 3 电源管理 。 电源管理负责对无线通讯过程电源进行控制，在每一次无线传输结束后，设 备将进入休眠模式，减少电流的消耗。如图2 5 所示，2 4 g h z 无线r f 芯片在没 有数据传输的时候处于待机状态，电流消耗仅有l u a 。当控制芯片准备发送数据 时，r f 芯片开始工作，在完成时钟同步后，数据开始传输，此时电流消耗最大， 一旦数据传输结束，芯片又将进入低功耗模式。电源管理除了对传输和接收的电 流消耗进行控制，还可以对发送和接收功率进行配置，满足不同的应用需求。 电流消耗 盯芯片 骶u 一刎 2 3 链路管理层 链路管理层主要完成对传输模式的选择、数据解包和封包过程以及传输应答 处理等等。 2 3 1 传输模式 针对不同的系统需求，需要不同的传输模式。本协议中，按照芯片的特性， 包含以下几种通讯模式：第一种，g f s k 模式，数据传输速率在1 m b p s ，没有 d s s s ( 直接序列扩频) ，主要应用于象鼠标，游戏控制设备这种对传输速率要求较 高，而对准确程度不高的设备：第二种，8 d r 模式。采用了将一个字节( 8 b i t ) 进 行扩频的方式，数据传输速率在2 5 0 k b p s 。主要应用于键盘，遥控设备对传输准 确率要求高的设备上，抗干扰能力强，数据重传少：第三种，d d r 模式。采用 1 0 硕士学位论文第二章2 4 g h z 无线通信协议 了将2 比特的数据用6 4 片的p n c o d e 进行扩频。具有更高的抗干扰性和稳定性。 传输速率为6 2 5 k b p s 。 2 3 2 数据包结构 ps o p l e n g t hp a y l o a dd a t a c r c l 1 卵羽钧矿奄魂蕊两匿图夏顸载区棱骚一 ( a ) 传输包结构 i 前导序列i 包- - 起始符i = 1 眨骚一 ( b ) a c k 包结构 包头数据 ( o ) 负载区结构 图2 - 6 数据封包格式 如图2 6 所示，数据包包含两种：传输包和a c k 响应包。传输包由前导序 列，s o p ( 包起始符) ，包长度，负载数据( p a y l o a dd a t a ) 以及c r c 校验组成。系统 能够在s o p 到来的时产生中断用以提示m c u 处理到来的数据包。同时在一条 链路的接收端和发送端必需是相同长度的s o p ，否则系统将无法识别包的到来。 根据包长度指示来获取包的数据，负载区主要负责装载将要发送的数据。c r c 校验采用了1 6 位的校验方法如下所示： c h e c k s u m = ( b y t e l 8 ) i b y t e 2 ； c h e c k s u m = ( ( b y t e 3 8 ) l b y t 0 4 ) x o r ( c h e c k s u m ) ； c h e c k s u m = ( ( b y t e 5 8 ) l b y t e 6 ) x o r ( c h e c k s u m ) ； 除此之外，链路层还包括可选的e o p ( 包结束符) 。 2 3 3 自动应答 在设备和无线适配器进行数据发送或者接收时，每次传输后，必须在设备或 者适配器端对这次传输进行a c k 响应，来确保数据正确的到达。无线链路管理 层包含了自动传输应答机制( a u t ot r a n s a c t i o ns c q u c n c e ra t s ) 。当一个数据包被 发送出去后，设备将自动的进入接收状态，等待接收端发来的握手信号，只有接 收到了a c k 信号，一次传输才算成功，如果发送超时，数据包将被重传。 2 4 应用层 整个应用层设计是本系统中的关键部分，为了提高无线2 4 g h z 通讯系统的 稳定性和抗干扰的能力，提出了两种解决方法： 采用跳频的方式。当一个信道受到了干扰，迫使通讯无法进行，应用层部 硕士学位论文 第二章2 4 g h z 无线通信协议 分通过获取r s s i 信号强度检测来获知信道被干扰，立刻采取跳频的方式，选择 一个干净的信道来进行通讯。 采用信道划分的方式，来采取跳频策略。将7 8 个可用的信道，从低频到 高频进行排列，每间隔6 个信道作为一个信道子集，防止跳进下一个同样受到干 扰的信道。具体的信道划分方式可以参考本节中的信道选择机制。 基于上述考虑，在物理层和链路层的基础上，根据系统实际的需求，设计2 了以下的2 4 g h z 的应用层协议。主要包括自定义传输包，通讯信道选择机制、 设备通讯模式。其中传输包用来传输各种模式间相互转换和通讯的数据，数据通 讯模式控制着设备所处着状态，在不同的模式下，协议完成不同的功能。信道选 择机制用来提高无线通讯的抗干扰能力和稳定能力。 2 4 1 设备通讯模式 在设备和无线适配器端2 4 g h z 协议定义了五种通讯状态模式，包括p i n g 模式( 只用在适配器端) ，i d l e 模式( 只在设备端) ，r e c o n n e c t 模式( 只在设备 端) ，b i n d 模式( 设备和适配器端) 以及数据传输模式( 设备和适配器端) 。处于不同 通讯模式，设备和适配器将完成不同功能。通过五种模式间的相互转换，保证了 整个无线通讯的稳定性和健壮性，无线模块间的状态图在系统的设计和实现章节 中有详细的描述。 ( 1 ) p i n g 模式 p i n g 模式只能应用在适配器端，用来查找一个可用的干净的信道，如果其 他链路占用了该信道或者是该信道受到干扰，适配器将跳到下一个可用的信道。 信道的查询过程如下：首先，适配器将确认该信道已经激活并且可以使用，然后 通过在该信道上发送p i n g 包来获取信道是否有干扰或者被使用。当其他链路占 用了该信道时，占用了该信道的设备将会响应一个p i n g 响应包，以此来通知该 适配器信道已经被占用。一旦适配器接收到了设备发送来的p i n g 响应包，它将 使用后面所介绍的信道选择机制来选取下一个信道，再次发送p i n g 包。在设定 的时间内，重复这个查询的过程，直到找到一个干净的信道。与此同时适配器还 会通过物理层的r s s i 检测电路来获取信道的信号强度，以此来判断信道是否受 到其他信号源的干扰。如果测量到的r s s i 过高，说明其他r f 信号源正在使用 该信道。也采用信道选择机制跳到下一个信道。每个适配器在接收到其他适配器 p i n g 包的时候，也回发送p i n g 响应包，用来说明该信道已经被此适配器占用。 ( 2 ) i d l e 模式 i d l e 模式只能用于设备端，用来指示设备当前正处于一种无通讯数据的状 态。它是介于数据通讯状态和休眠状态的一种模式，当设备上电启动的时候，首 先进入该状态，对设备的网络进行配置，一旦设备先前已经和其他的适配器绑定 1 2 硕士学位论文 第二章2 4 g h z 无线通信协议 过，则立即从i d l e 模式跳进r e c o n n e c t 模式。如果设备没有和适配器绑定过， 设备将从i d l e 模式跳进休眠模式，来减少电流的消耗。设备从休眠模式唤醒过 来时，也先进入i d l e 模式。 ( 3 ) r e c o n n e c t 模式 r e c o n n e c t 模式只能用在设备端，用来获取设备和适配器在b i n d 模式通讯 中约定的信道。从而和适配器建立一个通讯链路。在进入r e c o n n e c t 模式之前， 设备使用在b i n d 模式中获得的适配器的设备d ，通过信道选择机制，获取一 个通讯信道子集，然后在该子集中的一个信道上发送c o n n e c tr e q u e s t 包，该请 求包中包含将要建立连接的适配器的设备i d ，在适配器接收到该包时，比较其 中的设备i d 和本身的设备d ，如果匹配，则发送一个c o n n e c tr e s p o n s e 包，说 明找到了适配器，如果不匹配，也发送一个c o n n e c tr e s p o n s e 包说明没有找到， 设备将继续发送r e c o n n e c tr e q u e s t 包来查找。在查找了所有该子集中所有的信 道后仍没找到与之配对的适配器，则设备将进入i d l e 模式，以此来减少电流消 耗。 ( 4 ) b i n d 模式 b i n d 模式适用于设备和适配器两端。在设备端用来获得将与之配对的适配 器的设备d ，当进入b i n d 模式时，设备