（系统分析与集成专业论文）基于nrf401的短距离无线局域网的研究及其应用设计.pdf

弗于n r f 4 0 1 的j i l l 距离无线局域网的研究及其应用l 嫂汁 摘要 本文介绍了基于无线通信芯片n r f 4 0 1 ( 采用蓝牙核心技术设汁) 的短距离无 线局域网的研究设计。并把这样的一个网络应用到饭店无线点菜系统研究设计 l l ；i 。 本文论述了无线通信的工作原理、d d s 、p l l 技术的工作原理，以及无线通 信芯片n r f 4 0 1 和无线通信模块p t r 2 0 0 0 的工作原理。本文中的无线局域网实例 ( 饭店无线点菜系统) 由无线终端及服务器组成，其无线终端部分山2 0 5 1 单片机、 键盘输入部分、l c d 显示部分、扩展r a m 、无线通信模块p t r 2 0 0 0 以及一些 外围器件组成。 由于整个系统由多个无线终端和一个服务器组成，为完成整个无线通信系 统的一对多通信，文中设计了一个无线通信协议，该协议由物理层、链路层与 应用层组成。 无线数据传输的数据校验采用了c r c 校验来完成数据校验。 服务器端的硬件部分由p c 机和无线通信模块p t r 2 0 0 0 及外嘲器件组成， 软件部分采用v c 6 0 实现，由串1 2 1 通信模块、通信解析模块以及前台管理模块 及打印模块组成；软件实现部分由于采用了多线程技术，使得系统的各模块可 以同步运行。系统具有动态的生成数据库与数据表的功能。在串1 3 通信模块的 实现中，通过构造一个串1 3 通信类，列串v j 进行操作时，只需凋用串口通信类 提供的接1 3 函数，就可完成串口读写。解析模块完成业务数据的分拣处理。前 台管理部分负责整个系统的管理。 文中所介绍的饭店无线点菜系统，提出了饭店服务的新f 1 7 j n 务方式，改革 了传统的餐饮服务方式。文中所设计的通信咖议适合了系统的要求。 关键词：p t r 2 0 0 0c r c d d sp l l多线程协议 苎士! 些! ! ! 塑! 型! 塑茎垡旦苎堕塑型塑丝! ! 生旦堂型： a b s t r a c t t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h er e s e a r c ha n dd e s i g no f s h o r td i s t a n c ew l a nb a s e do n n r f 4 0 1w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nc h i pw h i c hu s eb l u e t o o t h k e r n e lt e c h n o l o g y a tt h e s a m et i m ew ea p p l yt h i sw i r e l e s sn e t w o r kt ot h er e s e a r c ha n dd e s i g no fw i r e l e s s o r d e rs y s t e mo f r e s t a u r a n t t h i sp a p e re x p l a i n st h ep r i n c i p l eo fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，d d s ，p l l ， w i r e l e s sc h i pn r f 4 0 1a n dw i r e l e s sm o d u l ep t r 2 0 0 0 t h ei n s t a n c e ( w i r e l e s so r d e r s y s t a l n o fr e s t a u r a n t ) o f w l a n ( w i r e l e s sl o c a l a r e an e t w o r k ) i nt i f f s p a p e r c o n s i s t so fs o m ew i r e l e s st e r m i n a l sa n das e r v e r w i r e l e s st e r m i a lc o n s i s t so f2 0 5 1 s i n g l e c h i p ，k e y b o a r d ，l c d ，e x t e n d e dr a m a n d p e r i p h e r a la p p a r a t u s b e c a u s et h es y s t e mi n c l u d e ss o m ew i r e l e s st e r m i n a l sa n das e r v e r ，i no r d e rt o i m p l e m e n to n et om a n yc o m m u n i c a t i o no ft h ew h o l ew i r e l e s ss y s t e m w ed e s i g n w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 t h ep r o t o c o lc o n s i s t so f p h y s i c sl a y e r ，l i n kl a y e r a n d a p p l i c a t i o nl a y e r c r cc h e c k o u ti su s e dt o c a r r y o u tc h e c k o u to fd a t a d u r i n g w i r e l e s s t r a n s p o r t a t i o n h a r d w a r eo ft h es e r v e rc o n s i s t so fp c ，p t r 2 0 0 0a n dp e r i p h e r a l a p p a r a t u s s o f t w a r eo ft h es e r v e rw a sd e v e l o p e db yv c 6 0 t h es o f t w a r eo ft h es e r v e r c o n s i s t s o f t h e m o d u l e o fs e r i a lc o m m u n i c a t i o n , t h e m o d u l e o f r e s o l u t i o n ，t h e m o d u l e o fm a n a g e m e n ta n dt h em o d u l eo f p r i n t w eu s em u l t i t h r e a d i n gw h i c hc a l le n s u r e s y n c h r o n o u sr u n n i n go fa l l m o d u l e st o d e v e l o pt h es o f t w a r eo ft h es e r v e r t h e s o f t w a r eo ft h es e r v e rh a v et h ef u n c t i o no f c r e a t i n g d a t a b a s ea n dt a b l e d y n a m i c a l l y w ec o n s t r u c tas e r i a lc o m m u n i c a t i o nc l s s st or e a da n dw r i t et h ep o r to f s e r i a ic o m m u n i c a t i o n w h e nw eh a n d l et h e p o r to f s e r i a lc o m m u n i c a t i o n w ec a l l i n t e r f a c ef u n c t i o n so ft h es e r i a lc o m m u n i c a t i o nc l s s s t h em o d u l eo fr e s o l u t i o n c a r r yo u tr e s o l u t i o no fo p e r a t i o nd a t a t h em o d u l eo fm a n a g e m e n ti si nc h a r g eo f m a n a g e m e n t o fw h o l e s y s t e m w i r e l e s so r d e r s y s t e mo f r e s t a u r a n td e s i g n e di nt h e p a p e ri san e w m o d eo f i i 基j ：n r f 4 0 1 熬惩距离无线麓域瓣瓣_ l | 究爰j 赢，霹设计 s e r v i c eo f r e s t a u r a u t i ti si r m o v a t i o no f s e r v i c eo f r e s t a u m n t h ec o l l l n l t l l l i c a t i o n p r o t o c o ld e s i g n e di nt i l ep a p e r f u l f i l ln e e do f s y s t e m k e yw o r d s ：p t r 2 0 0 0 c r cd d sp l l m u l t i t h r e a d i n g p r o t o c o l l i 论文独创性声明 本人声明所虽交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的硬究域暴。尽凌灰箱，除了文中特澍黼赣稼注秘致谢耱建方羚，论文中不毫 含其他人已经发液或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京信息工程大学或 其它教鸯穰秘静学位或涟书舔霞臻过翡褥精。与我一弱工作翡嗣志瓣本垂j 究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：盎丞垒日期：l 。y 年岁月t 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文俸考完全了艇豢窳信息工程大学有关缀躲、谴列学位埝文爨娥 定，有权保留并向国家有关部门溅机构送交论文的复印中i ：和电予文档，允许论 文波查阕黜整耀e 本人的电予文校熬内容器缓疆论文翁羯容穗致。狳在绦密 期的保密沦文外，本人授权南京信息工程大学可以将学位论文的全部或部分内 褰壤入鸯荚数据露送霉梭索，胃黻采霜影印、缩津或扫稳等复鞠手菠绦存、汇 编学位论文，也可以公邪( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。 签名： 邀丞塾导师签名：狴， 日期：印k 年，月己f 日 茎：! ! ! 型! ! 塑堑墅塑垄垡墨苎塑塑墼! i 丛! 巡鲤堡盐 一 繁一章绪论 ， 霉l 言 近十年来，计算机技术敬得了突飞猛进的发展，不沧是硬件还魑软件，其变 化之快都令人目眩。计算机融幽专家的工具变成了平、l 百姓的钟爱之物。然而， 在这l o 年中计算机领域发展最快的技术，不仪在于单台计算机本身技术的发展， 更在于连结多台计算机网络技术的发展。网络技术是指采墩+ 定的通信议，将 分布在不同地点上的多个独立计算机系统，通过互联通道( 即通信线路) 暇接在 一起，从而实现数据和服务共攀的计算机技术。网络技术，是现代一。算机技术每 通信技术楣结合的产物。目e 应用静网络系统有i n t e r n e t ，以及大大小小的企、瞧 隧& 等。每个鼹络都是由不疑懿溪索( i t 黪与硬俘) 联缝琏瓣系统。一个谤黪辍霹 络逶鬻瘗三令缝袋帮分缝戏：1 ) 可以共享瓣潮终资源一一透终骚务2 ) 鬟拱溺络 籍输麴通道3 ) 绦涯通信鞠蕊潮一协议。这三部分，又常稼为蹒络三癸索“。 像信息技术的许多幸亍业一样，无线行业也难在迅速地发展。其前谶舟勺驰动 力来自于协议与标准，它们擒供了越来越大的带宽，并把声音、数抛和视频会 议聚到了一个网络里。无线通俗技术分为固定无线技术与移动无线技术，固定 无线技术的基本定义是指在发射嚣和接收器位于固定位簧( 例如家庭溅者办公 室) 的环境下所使用的一切无线技术。对移动无线技术的最好描述就魁拟它称 为基本的蜂窝电话服务，它的发殿经历了l g 、2 g 、2 5 g 和3 g 几个阶段。斑距 离无线网络技术是市场应用的一个热点，疆藏主婪有基于8 0 2 11 体系缭掏瓣 w l a n 露基予8 0 2 。1 5 冬系缝橇夔w p a n 援零等。 转菠着无线两络技术懿发矮，无线网络羧术对各令行盈的发溅i f 发箨麓n 盏重要静律溺。在服务行盐 | 王怒翔疵。特筠在发达毽家，无线嘲络褥劐檄为广泛 的应用。由于服务行业的产值在困民生产总值。 1 所占有的比重越来越高，因此 各国都十分重视服务行业的发展。丽网络技术刺于提高劳动生产率，促姒一个 行业的产业升级，提高竞争力只有十分重要的意义。山于一个例络就是一个雾 要素组成的系统，这些网络系统大的商i n t e r n e t ，小的如蓝牙| 而| | 络等。在组建 网络叫需要综合考虑这方碰的因索，我 j 可以f j 系统科学和系统工程的方来耐 究网络系统。 基 ：r l r f 4 01 熬怒掰离无线舄壤瓣翡磷究及莛赢翅蹬跨 系统科学是以系统及其机理为对象，掰f 究系统的必型、性质枷运动规律 科学 2 1 。系统工程是系统辩学c p 纛接或闽接地改选氆莽豁维缓管理援术，系统 工稷是- - f q 绒筹全局综合盼调研究系统的科学技术，魁系统玎发、设计、实施 秘运用瓣工稳按术1 3 j 。 系统工程是在系统慰想指导下，重视备种过程的综合、集成和系统化、模 式化研究，强调观测、分析、理i 仑、模拟和预测等各种郦f 究方法的有机联系和 结合。我翻在设计一个阏络时酃可鞋啜枝系统乖隼学的悉怒束完成网络髂缵建。 1 2 我国餐饮业的发展现状 鬻美食为天，作为衣食住行鼢一部分，设食在入获社会具有十分重爰的施 位。在原始社会，人类在饮食方嘲仅仅限于果腹，仅仪是生存的需要，随翁社 会熬发震，生产力粒提糍佼怒生产方式发生道大魏变化，社会产鹣疆夔誊富， 人类对饮食有了更多的选择。人类从工业时代进入到信息时代之后，饮食已经 从生存需要发展成为具肖多哥中内涵黝经济文化现象，加上民族文化背最，饮食 往往成为涎羧鞍文优静释象镀。 餐饮业随着人类社会的发展，从第、第一产业中分化出来。成为热三产 整黝垂要缀残罄分，在灏涎经滚中发挥蓑委溪靛 睾毽；蔽鹫蕊彀後静i 挽变怒氏， 成为真正意义上的产业进只是到现代。改革开放后的二十年，我国的餐饮业获 得了巨大的发展，发展势头十分迅猛，拱l 格各异。各种经营方式和组织结构的 餐厅企韭璧梦棋布，销镪额年年激增，市场一卜分广阔，同时，函外的一些餐饮 巨头也陆续谶入国门，经过儿年的经营，目i j 已占有定分额的市场，随着中 国热入w t o ，越来越多瓣鞫终餐浚企韭送入魏唾j 崮，溺凌羚餐饮行篷互稳渗透， 交叉融合的态势日益明嶷，目前我国的餐饮业j i 进入到新的发展时期，竟争h 益激烈。 与餐铰鼗的繁荣发髓裙沈，爵前我国国内的餐後企业与发达国家的餐饮企 业相比，存在辫一定的麓距。 1 ) 经营方式落嚣，i 鑫：多餐钦 亍建仍缳辩着簧统鹣经营囊念岛羟营穰式。 2 ) 生产方式和管理服务水平低，科技含量不高，我国的餐饮行业仍然以简 单约体力劳动，基于简单王具的手王作坊式服务方式，管理承乎低f ， 2 董羔! 篓! ! ! 墼篓篓塞耋篓星鎏璧塑望! 窒丝! ! 蹩塑塞堡一一 服务效率很低，无法和发达圜家帕简效的服务方式相比a 在激爨豹竞- - - - 9 ：p ，辫瘛静一黧众馥较攀豹意识到，逐嚣囊鞠了话绞豹餐饮 行她的一些缺点，开始在自己静企业中施行赫的经营方式，借助新技术来改造 健绫瀚餐钦嚣照，g l a t 簿套t 肇瑷憝餐饮嚣、监发生瀚第一次交摹，运_ = l i ：t 4 舞戳 管溅技术，建立基予计箨机和局域网技术的餐饮管理系统，掇离了餐饮啦幂薯技 含爨，提高了鲐动生产率，：肖约了成本，取得了定鑫勺经营优势h j 。 信息傀技术髂逐猛簸髓对餐後l t 掇出了新的撬阪。嗣睦瞽鼹供了新静静t 遴， 熬个社会生活节奏的加快，也必然使得餐饮业跟上发展的步伐，经营管理方式 的落螽锻然是餐饮业存在勰翊题，必须条蠲新技术寒改革传统的竣经营方式， 减轻体力劳动，提高服务质量。 我国的铰饮业管理系统经历了三个发展除段： 1 ) 缝较终整熬餐绞篱壤系统，实缓匕蹩一个m i s 系统，蹩援在擞爨上运露 翰一黉幽库存管理、资愈管理、入辫管理秘业务管瑷等软件模块组合而成的缝 软鹱：型貔餐拨管理系绞，浚系绞旋建徽瓠点蒗酌功籀，著辘存爨馥务数摆，凌 予楚单机服务，服务黥力耔限，有缝业务数据是事后漾入，缺少了实时性。l _ | = l 予熬个系统缺乏网络支撑，艇提商的煅务效率4 ；是缎离。 2 ) 有线终湍式静餐饮管理系统，这类臻统出主枫以及与生g l , , f l ：l 连溺触摸瓣 终端组成，由有线终端向客户提供点菜及就餐位置分配等业务服务，主机软件 提供有关数撼与绩惑餐毽功筏以致g 曼务数援绞谤穗搬袭功能，鼹廷理、监务馈恩 并生成一些单据输出，由于多台终端可以同f l i 为客户提供服务，客户的漪求及 结槊都通过网络传输，阏此提离了服务的速度。但是这类系统，自它。个础商的 敞鹣，嚣| l 霆蠡羧终溃与圭辊涎蘧鸯线麴连搂矗式，健褥系统酶扩疑篷力露戳，溅 时，整个网络系统组好之后，若需臻改变终端的位鬣，则十分费漤。 3 ) 采羯燹线终灞式餐铰蓉溪瓣务系统，这是整个餐绞謦瑾系绫鼹一次大鹣 变鼙，出于聚用无线的方式传输数据，因此系统具有很大的灵活性，在餐饮管 理中，；l 入元线技术，簿低了系统的搜塌、安装 - i l “璇等方两灼难度。终端魏 位嚣不再受到有线线缆的限制，终端的移动范围只需在无线通信的覆盖范嚼漆 即w ，大大撮商了终端工作的灵活性。同l 绀的无线终端，一种是基于红外线技 术酾无线终糍，另一秘燕鏊予射频技术豹笼线终竣。 臻鼍+ n r f 4 0 1 鹳瓤鞭裹无线局域辨鹩矮究爱其撤避墩诗 1 3 短距糍无线通信技术简贪 疆前肖代表性的短距离无线网络肖：蓝牙两、i r d a 、i e e e 8 0 2 i i b ( w l a n ) 、 i t o m e r f 。 蓝牙技术是由移动通信公司与计算机公司联合开发魍传输距离约为l o 求乐 右静短舔离无线逶绩标准。羯来在笔记本谤算穰、移动瞧话、以及其它鳃无线 设备之间建囊起一种小型、经济、短躐离的无线铖路。蓝爿：协议能实现移动电 话、掌上电脑、笔记本计搏机、相关外设、家庭t t u b 等众多设瓠之问进行信息 交换。 蓝牙技术是一套短鼹离无线通信的开放标准，1 9 9 4 年由瑞热的爱立信公弼 着手构想以无线电波来懑接计算机与像p d a 这样的周边附褐设锖之削的便：幽：的 无线信号连接髂，t 9 9 8 年，爱立蔼、落鏊亚、i n t e t 、东芝蟊i b m 公莺共嗣发表 声明将组成一个蓝牙专业蛆( s i g ) 。 蓝牙技术具有如下的特点，第一，可同u 寸发送语音与数据，赂纠：技术定义 了电路交换与包交换的数糖抟输类型，能够同嬲支持语音与数掇信息转输。 第二，馁箱全瞧界逶嗣静颓段，使用该颧段翡产t 谲秃缄事先申请也无须交纳颧 率使用费。为了避免与此频段上的其它通信系统互棚j i ：扰，蓝牙技术采朋频率 跳跃技术来消除干扰和降低电波衰减。第三，低功辍与低成本模块，蓝牙技 术在定义辩朝爨轻、潼、小为嚣标，希蘧麓够聿孥蕊瑟：技术整会在荦芯，；连，达 到单芯片低成本、低功率、体积小的目标。单芯片与许多的电子元件组成蓝牙 模块后以u s b 或是r s 2 3 2 接口与现有的设备互相连接，或是内馓在各种信息设 餐内。夔牙蒜靖豹发瓣功攀能够投摆侵髑模式垂动瀵繁，正鬻王馋露鞠发射功 率为l m w 时，其发射范围可达1 0 m 。根据计算，省电模式i ：l j e 常工作模式约节 省7 0 的发射功率。也因为蓝牙模块消耗功率低，所以在设计蠊习：没备时，不 太需要考虑散热麴闯题。第透，可以应臻子各静电子设蚤，摄掇夔矛技拳竣心 绒范的定义，篮牙技术凡乎可敬应鲻掰各种移动设备上，耍雎移动电话、无绳f 睦 话、笔记本电脑以及各式各样的无线数据采集设备。最后，支持多个蓝牙技术 设备的互相逢揍，蓝牙技术是一种点对多点鞠通信协议，在定义土，个蓝牙 4 基于n r f 4 0 1 的短距离无线髑城鞠静研究及其斑嬲醺汁 设备最多可以同时谯接另外7 个监牙设备，周围最多i u 有2 5 5 个等待的蘸牙没 冬( 楚曩：s t a n d b y 获态) ，弱矮蕊牙技拳可穆蠲逑鹣设备连接筵束，髟成一个小 型的无线通信系统。 i r d a 技术，简单的讲是一种利用红外线技术进行点对点通信的技术。i r d a 技术比玻成熟，设餐体积小，功耗低、赝使用的频港资源不薅中谚，镶鲑她解 决了当褥频潜资源激乏的问题；溉豁红外线l e d 及接收器等组件远比一般r f 组件便宜。同时由于i n t e m e t 的迅猛发展和图形文件的增多，i r d a 的高遍率传 输优势程拦描仪和数鹕糖桃等图形处理设备中燹可发挥氏处。 i e e e 8 0 2 。l i ( w i 。a n ) 援术莛i e e e 最秘涮定鹣一个无线髑域潮标疆，主要弼 于解决办公室局域网和校园网中用户终端的无线按入。8 0 2 1 1 支持两种传输速 率，即凝于b p s k 的1 m b s 和q p s k 的2 m b s ，强前的i e e e 8 0 2 1 l b 枷；凇支持 戆最大遴率达至# 1 1 m b s 。i e e e 8 0 2 1 t 麓定了蹬静物理层传霉鑫杰式：壹接痔鬃扩 频( d s s s ) 、跳频( f h s s ) 、红外方式( i r d a ) 和正交频分( o f d m ) 调制方式。闷1 j 的 i e e e 8 0 2 1 l b 方式采用了直接序列扩频( d s s s ) ，它所支持的揽网室外为3 0 0 米， 办公环境中为l o o 。 h o m e r f 主要为家庭网络设计，旨在降低语音数据成本。为了实现对数掘 包的离散传输，h o m e r f 采用了i e e e 8 0 2 1 l 标准中的c s m a c a 模式，宅与 c s m a c d 类似，以竞争的方式来获取对信道盼控制权。提供了对流业务憋真j e 意义上静支持，出予对流韭务娥定了高级剩瀚优先权势采鲻了带有谯先权熏发 机制，这样确保了实时性流业努的带宽和低干扰、低误码。h o m e r j ? 2 1 2 作在 2 4 g h z 频段，它采用数字调频扩频技术，速率为5 0 跳s ，共确7 5 个带宽为i m h z 豹雾频绩暹。调裁方式为毽定惫络鹣f s k 调翻。在2 f s k 方式一f ，最大数掇梅 输率为l m b s ，4 f s k 方式下，速率可达2 m b s 。最新的h o m e r f 2 x 中，其数据 峰值可达1 0 m b s t 引。 p t r 2 0 0 0 是一耱获予撬强，频率稳定莛磐憝无线逶售模块，数蕹黄浚搴最 商可达2 0 k b s ，它的数据传输速率可以满足本系统的要求，本系统每次的数据 传输都可以控制在i k b s 以内，这样可以更好的提高系统的j 蝴应速度。又由于 浚模块熬有较强的抗予扰性和较高的数据传簸警，并且徐格甄，因此本文中赝 建立酾一对多酌无线通信系统采鞠了这个通信摸块。 皋于n r i ：4 0 1 的j 5 i i 距离无线局域网的研究发其应用设计 1 4 本文的主要研究工作 目前出现的无线餐饮点菜系统大多是基于红外线技术和基于无线局域网技 术的( w l a n ) 。红外线技术的优点是信道干扰少，无需向无线电管理委员会申请 频段。缺点是红外线是直线传输，在餐厅这样的环境中易受阻挡，所以信息接 收装置必须安装在不易受阻挡的地方，使得这类系统的布线比较复杂，这样的 系统价格昂贵，对餐厅来说是一笔很大的投资。 相比而言，射频技术具有很大的优势，由于无线利频具有穿透能力，数据 传输不易受阻挡，布线简单，而且射频技术的收发距离比红外线的要远。 目前在无线点菜系统中主要采用的无线射频技术有无线局域网技术，整个 系统使用无线网卡通过无线局域网传输数据，掌上电脑使j l j 无线网卡以及无线 接入点( a p ) 通过无线网络与服务器相连，发送和接收数据。目前整个系统的成 本相对较高，光一个无线终端p d a ( 安装有w i n d o w sc e ) ，其价格差不多要6 千 多元，再加上其它的无线设备，投资相对较高。 本文的主要工作是讨论了基于p t r 2 0 0 0 无线通信模块的餐饮无线点菜系统 的研究与实现，重点是基于p t r 2 0 0 0 的无线点菜系统的兀线通信协议的研究、 无线点菜终端的研究与实现、无线数据传输中的数据校验、服务器端的硬件实 现以及服务器端的管理软件研究实现。 本无线点菜系统的终端部分是一个以单片机为核心的嵌入式系统，单片机 采用了a t m e l 公司的8 9 c 2 0 5 1 ，整个系统的通信1 办议采用了撒掘奉系统特囊自 主开发的通信协议，系统的的服务器部分主要由p t r 2 0 0 0 和i ，c 机以及相应的 外围电路组成。 篷手n r f 4 0 i 柏舞疆延离茏蛾局域硝嚣研究及菇斑周设计 第二章无线通信技术基本原理 2 1 光线通信基本原理 通信的主要任务就是传送信息。所谓信息，就是要传送的文字、阁象、数 掰等，逶常它们都怒蚨电信号懿形式出现。葭出发信发餐、收信没釜、绥遵等 各部分组成。在无线通信中，信道就是电磁波传播的途径，发送端撬户渡过发 信设备将消息变为趱合于信道传送的信号，收信设备则把收到的信号还腻成信 息。并传送到接收端用户。其原理图如图2 1 所示 天线 ( a ) 发射机框图 ( 劭 图2 1 凭线信号收发的典型框鲥 发射机中，振荡器的作用慰产生最初的简频信号，他的频率等于绒低于所 需的工作频率后，猩后一种情况下，倍频器输出的信号频率为振荡器频率的整 数倍，商频功率放大器懿主要助熊是将振荡器戏售频器输出的小信号放大歪l 足 够汝功率电乎，精瓠难动葫率嚣大的高频输浅功率放大器，输出功放酌一个功 基于n r f 4 0 1 的氮i 距离无线局域网的研究及儿应用设计 能是直接产生大功率的高频信号，并发送到发射天线卜去，另一个功能足对高 频信号进行振幅调制，使高频信号的振幅随传送信号的大小而变化。接收机输 入端的高频放大器的功能是对天线上收到的所需信号进行初步的选择和放大， “选择”就是只选取频率为正的所需信号，抑制其它频率的无用信号，这通常 是靠放大器中的调谐电路实现。混频器将来自本地振荡器，频率为五的信号与 所需信号相混( 频率n ) o 【_ i 或相减) ，得到频率，j i 龙一居的中频信号，中频放大器 是中心频率固定的频带( 带通) 放大器，它可以进一步滤除无，日信号，检波器 的功能是将得到的调幅信号还原成原信号( 称为解凋) 【6 j 。 2 2 频率调制 频率调制也叫频移键控法( f s k ) ，是利用数字基带信号控制载波信号的频率 即以不同频率的高频振荡来表示不同的数字基带信息。f s k 在无线短波通信中应 , q jj 。泛，它除了具有设备简单、调制与解调方便外，更重要的是它具有抗多径 时延性能。 2 3 锁相环( p l l ) 的工作原理 同步是数字通信中的一个重要的实际问题，通信系统如果出现同步误差或 失去同步，就会使通信系统性能降低或通信失效，所以同步是数字通信的前提。 数字通信的同步是指收发两端的载波、码元速率及各种定时标志都应步调一致 地工作。不仅要求同频，而且对相位也有严格的要求。通信系统的同步包括载 波同步，位( 码元) 同步，字节同步等。同步的系统总离不， ：锁相环的应用。 2 3 1 锁相环的基本原理 锁相环路主要由鉴相器、环路滤波器和压控振荡器三部分组成。如图2 2 所示。 茎! ：! ! ! 塑! ! 堕堑堡塞耋些旦苎塑塑婴! i 墨苎壁型堡哇 u 强2 2 镬穗巧爨静缀壤 鉴栩器是相位比较器件，它能检出两输入桕位之削的相位汉熬。低通滤波 器用来消除误差信号中的高频分量及噪声，改蒋控制电压的频谱。压控振荡器 受控予滤波器的输出电压，即振荡频率和相位受滤波器的输出电压控制。 被控参量是掇毯。懿秘骶援糖整误差信号实璇无援差熬频率缀鲸，可j g 鹜 2 。3 掰示豹旋转自量澄强。 设旋转向量u 和u 分别表示鉴相器输入参考信号u i ( t ) 和压控振荡器输出 信号u 。( t ) ，他们的瞬时角遮度和瞬时角位移分别为。i ( t ) 、c 。，( l ) 、出( f ) 、小 。( t ) 。显然致有当两个旋转矢量以相同翰角速度( 列u ，、。，疑转列。宅稍之阐 熬秘袋藏习l 缳骜恒定毽，蕊稿器稳蘧毽定豹籀位差交接或对瘦弱纛滚电运， 去控制v c o 的振荡角频率u 。，使其稳定的振溺在与输入参考信号相同的角频率 u i 上。这种情况称之为锁定。反之，两者角频率不相等，相位差不恒定。则成 为失锁。若某种因素使( j ) ，偏离了u 。比如说”， 掰确立醵签褡器、嗣：鼹滤波器和v c o 豹数学 模型，根据图2 1 ，可建立锁相环路的相位模型，如图2 4 所示，下面给i j = i 一个 统的方程式 审e ( t ) 一曲l ( t ) 一审2 ( t ) = 巾l ( t ) 堡照竖f 旦理! 鲤! p 基予n r f 4 0 1 麴翅雒骞无线弱域瓣嬲辫究投菸成羯设鞋 x7 匕_ 7 7 一 黼2 4 锁相玮路酶相位摸搿 对上式两边微分，哪襻劐 p 枣e ( t ) = p 审l ( t ) 一k o k , j l ( j ) s i n 碴e ( t ) t 2 - - 6 b 式( 2 - - 6 ) 坡髂为基本环路方程。 在式( 2 - 6 ) 中，p 或御稻p 毋z 势剐表示瓣时榴位误差如御和输入信号 相锭差毋f 矗，随时闫的变化攀，膊以分别穆为瓣蹦频差与系统的鄹旁频麓，固 畜频麓蹩输入信号斡固商频率与v c o 中心颥率的麓德。k 。k a l l ( p ) s i n 毋。f 称为 控制频麓。 旗本巧路方程靛基本懑义在予飙数学的怒发籀逑了锁稳还鼹瀚糖键调节熬 动惫避程，说明了在环路闭合以后，任何时刻的瞬时额差都等予隧有频菠减去 控铡频莲。潋环黪锁定嬲+ ，瞬时频差为零，控潮频照与固有频蓑姻嚣，穗位误 爰妒。允，为常数，丽庐。壤示。称为稳态稠位洪麓。 当低通滤波器( l p f ) 是窄带滤波器时锁捆环的结构可设计成起追踪窄带滤 波嚣姻俘翔，扶效果上羲，蕊羧缀荡器媳输趣信号楚蠲期位号，其频率等于输 入信号魏平均频率，一照v c 0 锝副该频率成分，输入信弓在频率上些询：变化， 压按援荡器嬲频率都会g 廷黥它；当低通滤波器豹潞鬣较宽时，v c o 翊鞭踩艇个信 号的瞬辩频率。锁稽环能g 琵踪输入信号，都称锁相环被“锁往”t 。n n 参t , g j 这一特性为数字调制技术提供了日b 常好的输i 出频率稳定特性6 1 。 2 。4 遣接数字会袋( d d 8 ) 2 。4 i 频率禽成技术简介 频率合成楚指由一个或多个频率稳定度和精碡胰 醚高的参考信号源通过频 率城的线性运算，产生具有同样稳定度的和精确度的大量离散频率的过程。实 现频率合减弱 违精k q 獗率合成嚣。 苎：! ：= ! ! 坐! ! 竺! 堡! 堕垄垡旦苎塑塑型壅丝! ! 些旦塑! ： 频率合成器的主要指标有： ( 1 ) 输出频率范围，输出频率范围是指频率合成器输山最低频率和最高频率 之的变化范围。 ( 2 ) 频率稳定度，频率稳定度指在规定的时间问隔内，频率合成器输出频率 偏离标定值的数值。 ( 3 ) 频率间隔，指两个输出频率的最小间隔，也称为频率分辨率。 ( 4 ) 频率转换时恻，指输出频率由一个频率转换到另一个频率的时间。 ( 3 ) 频谱纯度，以杂散分量和相位噪声衡量，杂散分量又称寄生信号分为谐 波分量和非谐波分量。 ( 6 ) 调制性能，指频率合成器的输出是否具有调幅( a m ) 、调频( i m ) 和调柏( p m ) 等功能。 频率合成器的实现方法有三种：直接模拟频率合成，间接频率合成平u 直接 数字频率合成。 2 4 2 直接数字合成技术原理 直接数字合成( d d s - - d i g i t a ld i r e c tf r e q u e n c ys y n t h e s i s ) 技术是一种 新的频率合成方法，d d s 是一种全数字化的频率合成器，山棚位累j j | l 器、波形 r o m 、d a 转换器、低通滤波器组成。输山信号的频率取决于频率控制字，频率 分辨率取决于累加器位数，相位分辨率取决于r o m 的地址线位数【”。 d d s 有如下的特点：( 1 ) 频率分辨率高，i l r 达2 “1 个频点( n 为相位累加器 的位数) ；( 2 ) 频率切换速度快，可达u s 量极；( 3 ) 频率切换时，相位连续；( 4 ) 输出相位噪声低；( 5 ) 可以产生任意波形：( 6 ) 全数宁化实现，便于集成，体 秘小。 2 4 2 1 直接数字合成器的数学综合 设有一频率为，的余弦信号s ( t ) ： s ( t ) = c o s ( 2 万f t ) ( 2 1 ) 现以采样频率f 。对信号进行采样得到离散序列为： 1 3 旗 二n r f 4 0 | 的托距离无线同域到的埘究艇j # 艘用蹬h ( 2 2 ， 葵中，t 产i 再为采样翅翅a 武( z + 2 掰黠应翁辐证序戮为 毋( n ) = 2 石n t c i i = = o ，l ，2 ，3 ( 2 。3 ) 该舔位净强懿显蓍褥穗虢蹩线4 蘸，臻稽邻棒馕之黼酶程位臻爨鼹嚣数， 魁仅与信号频率，有关，即柏位增量为 西( n ) = 2 硝f t c e ( 2 4 ) 因为鞭奉歹与参考添颓攀，e 之润满足戮f 关系， 0 ：墨她25 ) 岔m 。 其中k ，麓为两个燕熬数，骈隧褶缎增爨可写为 萨( n ) - 姿k 2 + 6 ) 斟 国、 二式可知，若将2 筇榭使均匀鬟化为m 等分，熨唾频率为f = k f 。m 瓣 余弦信号以频率，c 采样靥，其量化序列的相位增嫩是一个不变值k 。 凝铤竣上琢理，如暴我 j 耀谴i 交鬃k 枣鼋造一个鐾讫痔爨 垂( n ) = n kn = 0 ，1 ，2 ，3 ( 2 ? ) 然焉究成妒( n ) 到另一序列s n ) 豹嚣臾射，即出n ) 构造序列 s ( n ) - c 等如) ) ：c 。s 为等，毽魏，强爱n 遐够 夫，d d s 可以褥到缀缨麓频率闻黼。骚改变d d $ 的输出频率，只蛩政变k 秘h 扎 d d s 的最大输出频率出n y q u i s t 采样定理决定，为盘。 z 理想正弦幅度量化序列经过d i a 转换器，输山中除主频，。外，还存在 ， c ，两边厶处的非谐波分鬣，经过低通滤波器就得到所需的输出频 率。 理怒躲d d s 的原理圈妇豳2 ? 赝示， 幽2 7 理想的d d s l i ：l 理幽 6 耩于n r f 4 0 1 的短趴离无线局域网的酬究及e 成用设计 2 5d d s + p l l 8 1 d d s 具有极高的频率分辨率，且频率转换速度快，1 4 j 位噪声低，但其输出杂 散性能差，输出频带窄，p l l 则有杂散性能优良，输出频带宽等优点，但其频率 分辨率低，且频率转换速度慢。p l l 具有的一个重要特点就是能跟踪输入信号的 频率。d d s p l l 组合式频率合成器是一种扩展d d s 频率的有效方法，兼顾了d d s 和p l l 的优点。d d s + p l l 组合式频率合成器的结构蜘1 图2 8 所示，下面将要介绍 的p t r 2 0 0 0 中的无线通信芯片n r f 4 0 1 就采用了这一技术，由于采用了d 1 ) s 技术， 使得通信模块具有极高的频率分辨率，及频率转换速度快的优点，出于又采用 了p l i 。技术，使得通信模块具有极好的稳频特性。 图2 8d d s + p l l 组合式频率合成器的结构 璀rn r f 4 0 tn 勺短距离无线局域删的研究投j 0 心扦j 设b l 。 第三章无线网终装统应溺实爨与无线终蒺设诗 3 。 餐饮监无线点菜系统的结构疑主要功能 3 。 。 系统的总体结构 餐後照走线轰菜系统囊一缀炎线终溃( 受爨照务数豢翡录入蟊笈送辍及款 服务器接收数据) 、饭店信息中心服务器、前螽暇务器、及打印桃( 负责霸印点 菜数粥及其它业务数据) 组成。系统结构女i 1 i i t3 1 所示： 3 + t 。2 系统豹珐麓 翥线终端 翻3 1 系统缩桶 无线终端：负责点菜、捩菜及就餐位鬣的占用与遂用等等。 前台服务器：提供友好的前台维护5 i 五台、点菜、就餐位胃分配等业务处理 和系统管理。 饭店服务中心服务器：负淡备份存储饭店的各项业务数据，日口台服务器t i j 撼 蛙于n r f 4 0 1 短距离无线局域嬲的搿 究及其斑蹦皱汁 的各种数搠滓和表也在其中有备份 打e | j 椒；负责打印浆攀数据及其它的：j t e i j 业务。 3 2 无线终端的软硬件设计 3 。2 1n r f 4 0 1 3 2 n r f 4 0 1 筒禽 + n r f 4 0 e 朗是n o r d i c 公葡最新报出的挚片无线收发一体芯片，采用蓝玎：核 心投术设计，在一个2 0 脚的芯片上包捂了高频发射、高频接收、p i 。l 合成、f s k 溺裁、f s k 瓣调、多频遥秘羧，楚器i 簇裁菠簸褰魏无线鼗传产龋。 n r f 4 0 1 采用抗干撬靛麓力强的f s k 调制方式，采用d d s p l l 技术筏：落片：佟 频率稳定i ；j _ r 靠，外围元翻：缎少，功耗极低，适于手掩投馁携式产品的设汁，并h 园子采翊了诋功耗菠计，鼹接牧灵敏浚戆没诗，；藜足无线蛰翱熬爱激，冤绥健 翻许可证，嚣诧在霞蓊的低功耗无线佟输设备的逡嬲时具霄缀火的优势。霹广 泛嗣于遥控、遥测、小溅无线网络、无线抄表、门禁系统、小区传呼、工业数 攒采集系统、无线栝签、巍俭鼋 鄹、 # 羧触黔餐熊卡、小型无线激撼终潺、安 垒阮火系统、无线遥控系统、生物信号采集、水文气象监控、桃器入控制、无 线2 3 2 数搦通信、无线4 8 5 4 2 2 数据通信、无线数字语音、数字图魏传输等。 n r f 4 0 1 ：抟片主要有如下的功能： 1 。王终频率为委舔逶鲻豹传羧簇毅4 3 3 m l l z ： 2 f s k 调制，直接数据输入输出，抗干扰能力强，特别适合王业控制场合； 3 。采用d d s + p l l 频率合成技术，颡率稳定性缀好； 4 。戈敏瘦毫，这至l 一1 0 5 d b m ； 5 频镛小，正常王佟蹴饺为1 5 k h z ； 6 。功耗小，发射时电流为8 m a ，接收时2 5 0 u a ，待桃状态时仪y , j s u a ； 7 ，最大发袈功率这+ l o d b m ； 8 低工作电压( 2 。7 1 t ) ，可满足低功耗设铸的疆求： 9 疑有多个频道，可方便的切换工作频率，特别满足需要多倍邀二i j 作的特 殊场台； 艰于n r f 4 0 l 的矩距离无线局域网的研究及j 戍用改汁 10 工作速率最高可达2 0 k b i t s ： 1 1 仅外接一个品振和几个阻容、电感元件，基本无需调试； 1 2 山于采用了低发射功率、高接收灵敏度的设计，使用兀需申请许可证 开阔地的使用距离最远可达1 0 0 0 米【9 】。 n r f 4 0 1 ； 洲引脚如图3 2 所示： x c l v d d v s s f i l t l v c o l v c 0 2 v s s v d d d i n d o u t 酬3 2n r f 4 0 l 引脚圈 x c 2 t x e n p w ru p v s s a n t l a n t 2 v s s v d d c s r fp w r 3 2 1 2 n r f 4 0 1 芯片的功能结构和参数 n r f 4 0 1 , f ! ；。为2 0 引脚s s o i c 贴片封装，其内部结构如图3 - 3 所示，主要电气 参数指标见表3 1 ，主要引脚功能如表3 2 所示。 苎羔! ! 懋! ! 塑堕堕苎垄堡璺苎! ! ! 堕缎塑丝! ! 坐望壁生一 表3 1 电器性能参数表 黼3 3n r f 4 0 l 内部孙毒蹦 f 毽旗性能参数条 i ： 萤邋l 信遂2 84 3 3 ，9 2 m i l z 4 3 4 3 3 m l l z 调制方式 i ：s k t 作电压2 7 v 5 2 5 v 接收电流 2 5 0 p h 发瓣电蠹 8 h 最3 强吐j o m 输l 乱功枣 特帮电流 8 d a 最大发射功率 l o d b m4 0 0 q 3 v 接收灵敏度 一1 0 5 d b m 4 0 ( ) q b r = 2 0 k b s 最大传输速率2 0 k b s n r f 4 0 1 鸯发射鞫接毂疆秘工圣 ! 获悫，在发瓣模式中，数字信号邋过计舞褫 的串口斌单片机的串口经d i n 引脚输入，经锁项环( p l l ) ，压控搋渤器( v c o ) 完成频率合成后，输出信号邋入功率放大器( p a ) 放火后，从天线端输“ 。其中 外接滤波渊路为压控振荡器提供反馈电压，刖予稳频。 2 l 基于n r f 4 0 i 鼬瓶距离无线局域嘲酬究艘，虎埔设计 表3 。2n r f 4 0 1 ；l 脚秘链 引脚名称b l 脚功能 i 脚职称0 l 脚功能 x c i晶振输入 r fp w