短距无线通信及usB接口系统的设计.docx

北工业大学硕士学位论文第一章绪论转式、视动鼓和LDE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ASL公司E咖系列眼动仪，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HYZ1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己被完全淘汰。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ADC采样、量化、编码后，成为数字信号，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CP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CP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CP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CP外设接口，将所采集到的信号准确无误地传送给终端主控CP进行处理，同时主控CP机能对采集过程和电机转速的进行无线控制。整个过程均在室内，通信距离约10m。数数数数数数数据采集集传传感器器器与处理理理理理理理理理理无无无无无无无无无线数字通信信信信信信信主主主主主主主主主主主控PCCC电电机转速速速速速速速速速速图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CP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。.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CP机外设接口，实现主控CP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塑驻创垫生一一一一一一一遗造进竺主控CP，另一方面，CP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UBS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NRF2401和CY7C68013，具体完成了主控CP端无线收发及UBS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。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。大学硕士学位论文第一章绪论第一章绪论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10%30%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，。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，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已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3，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，已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、PAD、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才能完成。随着CP机的普及和广泛应用，CP机外设接口也随之迅猛发展，接口技术己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WAN、WLAN和PAN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WALN(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己经有了多种解决方案，主要包括IEEE802.11、HomeRF、HierpLAN、IrDA红外网络以及日益兴起的蓝牙技术等。其中，工EEE802.11和HomeRF是北美应用最广泛的技术;HierpLAN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1998年5月由爱立信、IMB、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，以下是北工业大学硕士学位论文第二章系统设计方案研究对各种短距离无线通信技术的简略介绍及比较。1、IEEE802.11标准工EEESOZ.n是企业无线局域网的标准技术，最早的IEEE802.n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ZMbi/ts。由于工EEE802.n在速率和传输距离上都不能满足人们的需要，因此IEEE又相继推出了802.lal和802.lbl两个新标准。三者之间技术差别【，主要在于MAe(MediumAeeesseontr。1，媒介访问控制)子层和物理层。工EEESO2.11协议只规定了开放式系统互连参考模型(051/RM)的物理层和MAC层，其MAC层利用载波监听多重访问/冲突避免(CMSA/AC)协议，而在物理层，IEEESOZ.ll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(FHSS)以及直接序列扩谱方式(DSSS)。IEEESO2.11a工作在SGHz频带，避开了拥挤的2.4HGz频段。物理层传输速率可达54Mbi/tS，传输层可达25Mbi/tS。采用正交频分双工(OFMD)的独特扩频技术，可提供25Mbit/S的无线ATM(异步传送模式)接口、IOMbit/s的以太网无线帧结构接口和TDD/TMDA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。IEEE8o2.1b1(wi一Fi)使用开放的2.4GHz直接序列扩频，最大数据传输速率为1M1bPs，无需直线传播，其实际的传输速率在SMbps左右，与普通的1B0as-eT规格有线局域网处于同一水平(现在最常用的以太LAN使用的是双绞线，这种传输介质称为10Base一T)。工EEESO2.1b1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.SMbPs、ZMbPs和IMbPs，且当工作在ZMPbS和IMbpS速率时可向下兼容IEEE502.11。IEEE502.1lb的使用范围在室外为300米，在办公室环境中则最长为100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。IEEE802.lbl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IEEE802.1b1最常用的方式。IEEE802.11a在使用频率的选择和数据传输速率上都优于IEEE802.llb，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、HomeRF标准家庭无线电射频(HomeRF)是HomeRF工作组专门为家庭无线局域网而设计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。HomeRF是IEEE802.11与无绳电话技术DECT(DigitalEnhaneedCordlesSTeleconnllunicationS)的结合，使用这种技术能降低语音数据成本。它使用开放的2.4GHz频段，采用跳频扩谱(FHSS)技术，跳频速率为50跳/秒，共有75个带宽为IMHz的跳频信道。调制方式为恒定包络的频移键控FSK调制，分为ZFSK与4FSK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。ZFSK方式下，最大数据的传输速率为IMbpS;4FSK方式下，速率可达ZMbpS。新的HomeRF2.x标准采用WBFH(WideBandFrequeneyHopping，宽带调频)技术来增加跳频带宽，由原来的MIHz跳频信道增加到3MHz、SMHz，跳频的速率也增加到75跳/秒，数据峰值达到IOMbPs。HomeRF把共享无线接入协议(WSAP)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IEEE802.n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DETC标准，使用TD以时分多址技术。宕不过由于HmoeRF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(lrDA)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(IrAD一一InfraredDataAsS0ciation)提出并推行的一种无线协议，这种通信方式使用85Onm的红外光来传输数据和语音。新制定的超高红外(VF工R)标准传输速率为的16MpbS，相比传统版本FRI的4MbPs快了4倍，接收角度也由原来的30度扩展到120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。IrAD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rDA技术的设备已经超过了5000万部。并且仍然每年以5%0速度增长。但IrAD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，IrAD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，IrDA设备的核心部件红外线L印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(Bluetooht)是一种近距离无线通信技术规范71，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.G4Hz频段，采用时分双工传输和跳频扩频(FHSS)调制技术来实现全双工传输，在发射带宽为IMHz时，其有效数据数率为721kbps，有时也可达到IMbPs。跳频是蓝牙使用的关键技术，蓝牙以2.45HGz为中心频率，得到79个MIHz带宽的信道，对应于单时隙分组，蓝牙的跳频速率为1600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3200跳/秒。工MS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sactternet(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、DPA、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北工业大学硕士学位论文第二章系统设计方案研究实际需求选择一种合适的无线技术。2.2pC机常见外设接口比较所谓接口就是计算机CUP与外设的连接电路，是CUP与外界进行信息交换的中转站。如在课题中，无线接收的数据需要通过接口电路从接收设备送入计算机，控制指令需要通过接口电路发出去。计算机只有通过接口连接各种各样的外围设备，才能发挥其在各方面作用。由于计算机应用的越来越广泛，要求与计算机接口的外围设备越来越多。因此CP机的各种外设接口己成为CP机与外设通信必须研究的问题。在接口设计中，经常要与各种总线打交道，采用总线结构是计算机系统最显著的特点之一，根据总线在微机系统中所处的位置不同，可分为片内总线、系统总线、外总线和局部总线，片内总线位于微处理器芯片内部，是AUL、各种寄存器和功能单元之间的信息通路:局部总线泛指微处理器周围的接口;系统总线用于微机各插件电路板间的相互连接，是构成计算机系统的总线;外总线又称通信总线，用于微机系统之间、微机与其它仪器或设备之间的连接线。外部设备一般可通过系统总线或外总线与CUP连接，下面分系统总线和外总线两类接口进行比较。1、系统总线接口系统总线都做成多个插槽的形式，各插槽相同的引脚通过总线连在一起。总线接口的引脚定义、传输速率设定、驱动能力限制、信号电平、时序安排以及信息格式的约定等都有统一的标准。采用系统总线扩展外部设备时，接口均需做成插板的形式。目前常见的系统总线IAS、PCI、AGP等。SIA即工业标准总线，它在80286至80486时代应用非常广泛，缺点是IAS传输速率相对较低，占用硬件中断资源，不支持即插即用等。但由于SIA兼容性好，至今在奔腾机主板上还保留着SIA总线插槽。PC工总线是外设部件互连总线，它是一种将系统中外围部件以结构化可控制方式连接起来的总线标准，是基于奔腾等新一代处理器而发展的总线。PCI器件和扩展卡是独立于微处理器的，任何一种CUP都可使用PCI总线刃。PCI由于使用PCI专用控制器，实现总线仲裁与控制，也使PCI适用范围超出了主板，其开放的标准便于厂家和科研用户设计专用功能的PCI扩展卡，如图2.1所示。PCI总线成为CP的高速通用I/O口，是由于PCI具备以下优点:类似内存突发存取的PCI突发模式;PCI2.1的64位的66MHz高速模式使传输速率达到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。工EEE802.11/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，HomeRF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HomeRF只能通过CP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10米内，以无线方式替代线缆的应用场合，蓝牙与IrAD有很大的优势，IrAD技术成熟，数据传输速率比蓝牙高，但工rAD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【卜6。表2，1四种无线技术比较数据对对比规格格802.1lbbb家用射频频红外外蓝牙牙(HomeRF)(IrDA)(Bluetooth)无无线传输媒介介2.4GHz无线电波波2.4GHz无线电波波红外光光2.4GHz无线电波波传传输速率率DSSS:1111ZFSK:12221.152，4，1666THSS:lll(Mbit/s)FHSS:1或222222222数数据/语音支持持数据，语音很弱弱语音和数据据只支持数据据语音和数据据跳跳频次数数50次/sss50次/sss1600次/sss传传输距离离25IO00mmm50mmm20em1.Zmmm10100mmm移移动能力力好好好好差差极佳佳方方向性性全向(3600，中中全向(3600，中中窄角(300，中中全向(3600，中中间间间可有障碍)间可有障碍)间不能有障碍)间可有障碍)目目前参考成本本100一200美元元100一200美元元5美元元20美元元功功率率100mwww100mwww0100mwww传传输方式式点到点，点到多多点到点，点到多多点到点点点到点，点到多多点点点点点点点点点链链接设备数数128个个128个个2个个8个个安安全性性可选择择可选择择靠短距离、小角角验证、编码码度度度度度传输保证安全全全主主要用途途企业无线局域网网家庭中的各种家家透明可见范围内内适用于任何以无无电电电电设备之间的连连的数据传输，近近线传输方式替代代接接接接接距离遥控控有线连接的场合合以目前来看，在一段时间内，这些技术还将处于并存阶段。通过比较分析可以看出，各种标准都是根据不同的使用场合，不同的用户需求而制定的。有的是为了增加带宽和传输距离，有的则是考虑移动性和经济性。因此我们应视学硕士学位论文第二章系统设计方案研究528MbPs，良好的兼容性，可设置同步传输模式或异步模式，可支持4个以上PCI扩展插槽。但相对其它外设接口，扩展PCI接口成本较高，开发周期长等。AGP是PCI高速总线的一种特殊形式，AGP总线也是32位带宽，工作频率为66MHz，实际上是基于PCI2.1规范。AGP方案在CUP和显卡间建立二者专用的非扩展通道，显存用于帧缓存，显卡动图2.1主板上PCI总线插槽态借用内存来处理图形计算，优点是:专用的非扩展通道容易实现，视频性能得到加速，并且释放了PC工总线。现在流行的计算机主板，都是PCI、AGP、IAS并存，不过，ISA插槽的数量已经越来越少了。2、外总线接口外总线用来实现微机系统与其它系统或设备通信。一般来讲，外部系统或设备相距微机系统要远些，它们之间的通信可用并行方式或串行方式来实现，但数据传输速率可能会低些，不像系统总线那样都是并行的高速总线。外总线使用标准的接口插头，其结构和通信规约都是标准的。对于不同的应用场合，应该采取不同的外总线，常用的外总线有LPT、RS一232C、USB、IEEE1394等。LPT为计算机并行接口，一般用来连接打印机和扫描仪，采用25脚的DB一25接头与之连接。在实际应用中，当CUP与外设之间同时需要传送2位以上的信息时，就要采用并行接口，并行接口传输速度快，信息率高，但所用电缆多，传输距离短。RS一232C接口是也即COM口，一般计算机都配有2个，分别是COMI和COMZ，目前广泛地应用于计算机与终端或外设之间的低速串行连接，它适合于数据传输速率在020KbpS范围内的通信，RS一232接口技术成熟，实现简单，成本低，因此在低速设备中，设备制造厂商和用户都首先选择RS一232C来作为接口。为了实现在更远的距离和更高的速率上直接连接，EAI在RS一232C基础上，制定了更高性能的接口标准如:RS一422和RS一485接口标准。虽然其传输速度(RS一485为IOMbpS:RS一422为一OMbpS)和距离均优于RS一232C，但目前pC外设上使用较少，主要用于传输距离较远的工业集散分布系统中。USB是一种应用在计算机领域的新型接口技术，其最大的好处在于能支持多达127个外设，并且可以独立供电，普通的串、并口外设都要额外的供电电源，业大学硕士学位论文第二章系统设计方案研究2.3系统设计方案确定2.3.1设计要求分析根据无损伤抗运动病药物性能检测设备的功能和应用范围，本文设计的短距无线通信及接口系统要满足如下几点:(1)传输数据主要是眼睛图像信号，CCD出来的眼图像素为256x256，课题要求每秒钟至少传输10个眼图，按照8位量化等级来计算，每幅图像数据量为512Kbit，因此图像数据量大，在无线发射前进行1/101/50比例压缩，因此要求无线传输速率和接口速率不得小于slZKbps，同时接口速率要高于无线速率。(2)由于是与旋转体上的采集下位机实现无线通信，主控CP机与下位机的相对位置不固定，设备的灵活性强，通信双方的位置应不受限制，主控CP机要能在实验室的任何位置均能与采集仪通信，无线通信距离要求达到10米。(3)室内实验干扰因素多，如移动电话、各种电子设备等电磁干扰，加之短距离无线技术大部分均采用2.4GHzIMS频段，要保数据的正确传输。因此要求设备抗干扰能力强。(4)主机端收发模块要能方便地实现与CP机接口，增加设备的便利性。(5)本文为无损伤抗运动病药物性能检测设备提供一个点到点的无线数据通道，来完成双方数据交换，系统要容易实现，开发周期短，体积小等。无损伤抗运动病药物性能检测设备是生物医学检测设备，被实验者为动物和人，要求无线通信时辐射小，以免危害被实验者和污染环境。2.3.2设计方案确定通过对各种无线技术进行的比较，不难看出，蓝牙技术作为一种短距离便捷的无线通信工具，支持数据的传输，数据传输速率可达IMbps，成本适中，并且采用公开技术标准，实现方便，体积小，可以选用常用微控制器和射频模块来实现，功耗低，电磁辐射弱，对实验者无影响，采用THSS调制方式，调频速度高，抗干扰性强，传输距离可达10m，在10范围内的任何地方，双方均可完成通信。因此，本文选用蓝牙技术作为课题无线连接方式的解决方案。同时，在对计算机各种外设接口进行比较之后，UBS接口是一种应用在计算机领域的新型接口，具有快速、双向、同步、廉价，并支持热插拔功能等很多优点。USB传输速率有低速1.SMbps、全速12Mbps、高速480MbpS三种，同时支北工业大学硕士学位论文第二章系统设计方案研究而USB接口可以从计算机主板上获得500mA的电流，并且支持热拔插，真正做到即插即用。一个UBS接口可同时支持高速和低速UBS外设的访问，UBS接口采用4芯电缆连接，其中2条是正负电源，另2条是数据传输线，高速外设的传输速率是480砒ps，低速外设为12Mbps和1.SMbps，当USB外设从USB接口接入时，计算机系统就能根据外设的D一线和+D线所处的状态确定其属于高速还是低速外设。新出台的USBZ，0标准支持最高速率480MPbs，是目前常用USBI.1标准的40倍。USB大大简化了CP机和外设的连接过程，使CP机接口的扩展变得更加容易。使外围设备的连接具有单一化、即插即用、热插拔等特点。目前usB大有取代Pc现有各种外围接口的趋势0。IEEE1394接口有串行和并行两种，只是EIEE1394串口在计算机中用的较多。工EEE1394接口传输速率最高可达400MbPs，是目前传输速率最大的外总线接口，适宜连接高速的设备，如数字相机、视盘机等。设备间采用采用树形和菊花链连接，可同时支持63个外设工作。IEEE1394接口一般通过6芯或4芯电缆连接，它类似UBS，高速灵活、支持即插即用、热插拔和设备供电，但1394实现成本较UBS高，并且目前应用还较少，主要用于视频和图像传输。3、各总线接口比较表2.2为计算机常用外设接口的比较田。表2.2常用计算机接口的性能对比(典型值)接接口类型型数据格式式传输速率率最大设备数数电缆长度度是否支持持(b/s)(个)(m)热插拔拔UUUSBBB串行行1.SM/12M/480MMM126663.555是是RRRS23222串行行20KKK222153000否否RRRS48555串行行10MMM3222120000否否IIIEEE一139444串行行400M/3.ZGGG63334.555是是并并行端口口并行行8MMM2/8883999否否IIISAAA并行行128MMMlllll否否EEEISAAA并行行266MMM11111否否PPPCIII并行行1056M/ZllZMMMlllll否否AAAGPPP并行行)2112MMMlllll否否传统外设与PC机的通信主要是通过CP机主板所提供的各种接口来实现的，如ISA、PCI、串行接口、并行接口等。这些接口技术成熟，使用广泛，但老式的接口也存在着很多缺陷，如非共享、体积大、规格不一以及采用传统的1/0模式等。USB是一种新兴的快速、双向、同步、廉价，并支持热插拔功能的串行接口，克服了老式接口的上述缺陷，为外设的连接提供了一个很好的解决方案。北工业大学硕士学位论文第二章系统设计方案研究持热插拔的特点实现了各种外设与CP机的方便连接，克服了老式接口必须关机安装设备的缺陷，同时也不用像安装网卡、声卡那样必须掀开主机盖那样麻烦，USB为外设的连接提供了一个很好的解决方案。因此，本文选用UBS接口将数据送给主控CP。2.4本章小结本章从论文要完成的无线方案和接口选择两部分内容出发，首先分析了无线通信技术在设备电缆取代上的重要性和接口技术的必要性。接着对比讨论了四种主要的短距离无线通信技术标准及其优缺点、各种CP机外设接口及优缺点。最后分析了实现无损伤抗运动病药物性能检测对本系统提出的要求，根据要求确定本文方案:采用蓝牙技术完成无线通道建立，替代数据传输电缆，接口选用USB接口。大学硕士学位论文第三章系统实现原理分析第三章系统实现原理分析蓝牙和USB接口技术是90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，均旨在极大提高设备的便利性，方便人们的生活。系统把蓝牙无线的自动连接和有线的“即插即用”USB接口相结合，组成了一套方便的无线数据传输终端，很好地满足了课题的要求。系统软硬件的具体实现将涉及蓝牙和UBS接口技术的全部内容。蓝牙和UBS接口技术虽然方便实用，但内容非常复杂，开发人员首先要对其基本原理、通信协议和操作模式有较深的理解，才能成功开发出带UBS接口的蓝牙无线通信设备和产品。所以结合系统具体实现需要，本章下面单独讨论一下蓝牙通信和USB通信的原理和基本协议，并阐述蓝牙收发系统的实现构架。3.1蓝牙通信原理就整体而言，蓝牙技术是一套完整的通信协议体系，从最底层的无线电波信号、中间层的信号处理方式、到最高层各种应用程序采用的通信协议，都有详尽的定义，要了解蓝牙技术，必须先从蓝牙技术通信协议体系着手。一、蓝牙技术协议体系在文献【4中给出的蓝牙技术完整协议体系，如图3.1所示。最底层是偏重VCard/vCalOBEX!。厂丽了刁厂石落刃辰万三酬不而UDP!TCP/IPRFCOMM语音LZCAP主控制器接口基带层无线电波发射层图3.1蓝牙协议体系大学硕士学位论文第三章系统实现原理分析面向链接的同步传输(SynehronouSConneetion一oriented，SCO)链路属于电路交换的同步传输类型，电路交换是当主设备与从设备间的连接一旦建立后，不管有无数据发送，系统都会预留固定间隔的时隙给主设备与从设备，其他从设备就不能利用此连接上的时隙来发送数据。CSO链路比较适合语音传输，每一个SCO链路支持64KbPs语音通话，一旦SCO链路建立，主设备和从设备可直接发送SCO包，主设备无需事先询问从设备，CSO链路属于点对点的对称连接，即SCO链路建立在一个主设备与从设备之间。无连接的异步传输(AsynehronouSConneetion一Less，ACL)链路属于包交换的异步传输类型。包交换是将高层的数据切割成一段段的包(Packet)。当物理信道上的时隙没有任何SCO链路时，ACL链路可占用任意时隙来传输数据。一旦系统需要传输CSO链路时，ACL链路则自动空出时隙提供CSO链路使用。ACL链路只在CSO链路不使用的时隙上传输。ACL链路适合传输突发性(Bursty)的数据，主设备可同时与多个从设备建立ACL链路，属于点对多点的非对称连接。主设备与从设备将物理信道内的时隙进行最充分的利用后，能够同时建立许多ACL和SCO链路，主设备与各从设备之间最多只有一条ACL链路，但是可以有多条SCO链路。(4)蓝牙数据包结构。包(Packe)t是蓝牙系统在物理通道上的传输单位，不同种类的包在占用的时隙个数、包长度、包上的位数值都有相当大的差异。蓝牙包从整体上分为访问码(AC。essCode)、包头(Header)、有效载荷(Payl。ad)三部分。包的具体格式视具体应用不同而相互区别。(5)差错控制。蓝牙技术定义了三种纠错方案:1/3比例前向纠错(FEC)码、2/3比例前向纠错码和数据的自动请求重发(ARQ)方案。1/3FEC方案是将每个数据位在包内重复3次，2/3FEC差错控制方法是将10个数据位经过多项式的运算后，产生出15个位，因此，虽然FEC可以避免数据包受噪声干扰，但另一方面多加入了差错控制位，使数据传输量相对降低。ARQ是针对包内的有效载荷进行保护的差错控制方法，发送端发出一个包，接受端收到包后将检查包的包头中HEC及有效载荷的CRC是否发生错误，如无误则接收端返回一个ACK(ARQN二)l，如发生错误则返回NAK(ARQN二0)要求发送端重发。这个过程可一直操作下去直到接收端收到正确包或者出现超时为止。(6)连接过程。蓝牙设备均有连接、中间和等待三个工作状态，其中中间状态包括查询、查询扫描、查询回应、呼叫、呼叫扫描、呼叫回应和主设备回应7种。当蓝牙设备与其他蓝牙设备连接时，就必须经过中间状态的功能来寻找周围的设备组件，中间状态内的7种状态主要分为查询与呼叫两大类。呼叫与查询状态的最大差异，在于当主设备不知道周围是否有任何的从设大学硕士学位论文第三章系统实现原理分析牙模块，同样能完成蓝牙设备的即插即用。3.3蓝牙无线收发系统的具体实现蓝牙模块的硬件设计方式是将所有的芯片与电阻、电容等组件制造在一片电路板上，成为一片独立的蓝牙模块。在模块内最重要的组件是基带控制器与RF发射组件，如图3.3所示。蓝牙模块接收来自主控机的控制指令，经过基带控制器的处理后控制RF发射组件发出无线电波。222.4GHz蓝牙发发发蓝牙基带控制制射射组件件件器器主机蓝牙设备图3.3蓝牙系统构成一般来说，模块内的硬件结构分为链路管理器、链路控制器与RF模块3部分，负责处理MLP层、基带层与RF层的协议。链路管理器内包含处理器(CPU)、内存等组件。链路管理器与基带层芯片合称链路控制器。RF模块内含RF射频发射组件。蓝牙模块与主机UBS接口相连接，UBS接口上层的通信协议由主机负责考考考考考考考考考考考考考考考蓝蓝蓝蓝蓝牙主机机机机机机机机主机驱动及应用程序序序序蓝牙Hcl驱动程序HC传铆驱动程序11111(USB)cl驱动程序序序序序序序序序序主主主主主主主主主主主主主主主主机机机HHHHHHHCI传输驱动程序序序序(USB)传传传输总线线线主机传输固件圈圈圈圈机传输固件件件件基带部分身频主主主主机控牙模块块块块块块块块块制制制制器器器器MCUUUUU基基基基带部分分分分基带部分分分射射射射频频频频频频频频频频RRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRF模块块块图3.4蓝牙系统软硬件结构各部分组件北工业大学硕士学位论文第三章系统实现原理分析备时，必须以查询状态来得到周围所有从设备的DB一DRD与内部时序，然后进入呼叫的状态与该从设备互相连接。若是主设备已经知道要连接的从设备地址，可直接进入呼叫的状态与该从设备进行连接。主设备与从设备建立连接的过程，如图3.2所示。其中，步骤13:主设备进入查询状态，周围从设备将查询扫描状态打开，随时接受来自主设备发出的查询信号;步骤45:从设备收到主设备的查询信号后，进入查询回应状态，返回FHS包告知主设备有关自己的地址等数据;步骤6一7:主设备从FHS包得到从设备的有关数据后，接着进入呼叫状态与特定的从设备建立连接。步骤810:这时从设主设备从设备进行请求(DI包)查询扫描(孙一FHS包进行呼叫(ID包)查询回应1惬)呼口。扫描询一一叫查一一呼主设备回应鲤(lDI包呼叫回应FHS包连接主设备与从设备建立连接的过程备已经处于呼叫扫描状态，当从设备收到呼叫信号后进入呼叫回应状态，返回ID包作为响应。步骤1013:主设备收到此功包后也进入主设备回应状态，在发送一个FHS包，将主设备的时序、地址等信息发给从设备。从设备收到FHS包上的信息后返回一个DI包作为响应，这样主设备与从设备的连接就建立完成。3.2蓝牙模块的主机控制接口(HC)I各式各样蓝牙产品的制造方式是将小体积的蓝牙模块内嵌进设备内。因此为了实现信息设备能与蓝牙模块相连接，蓝牙技术标准定义了主机控制接口HC工。HC工功能可分为3个部分，如图3.4所示，第一部分的传输固件位于蓝牙模块内，控制蓝牙模块的硬件主机控制器:第二部分为主机驱动程序，位于主机内;第三部分为实际的传输总线，可以是USB或是RS232接口。系统选用的是USB方案，因此这里只讨论传输总线为UBS。主控PC机经过UBS接口与蓝牙模块相连接。主控机上的UBS驱动程序发出控制指令，经UBS物理接口传递到蓝牙模块上，蓝牙模块内的固件负责将信号传递到LMP层，由LMP层再来控制基带和射频层的操作。定义了HCI后，即使现有设备没有内嵌蓝牙模块，只要在主机上安装驱动程序，然后以UBS连接蓝北工业大学硕士学位论文第三章系统实现原理分析于物理层的电波发射层(Rdaio)协议，更高层分别为基带层协议、LMP协议、LZCAP协议，在MLP协议上与LZCAP协议之间还有一个主机控制接口(HCI)，其余高层协议包括RFCOMM与SDP等。越接近底层的协议，由越多的应用程序所共享，高层则视应用程序的不同而有所差异。蓝牙技术的特点体现在层技术，整个蓝牙协议体系结构可分为底层硬件模块、中间协议层和高端应用层三大部分。蓝牙底层模块是蓝牙技术的核心，是任何蓝牙设备都必须包括的部分，它由链路管理层(ML)、基带(BB)和射频(RF)构成。由于LM的功能大部分在基带部分实现，下面只分析最底层的电波发射层和基带层协议的功能与特色。二、电波发射层协议电波发射层协议主要定义了蓝牙设备工作在2.G4HzIMS通用频段;发射功率分3个等级，分别是loomw、2.smw、mlw，当发射功率为10m0w时，传输距离可以扩大到IOOm的范围;蓝牙技术采用高斯移频键控(GFSK)调制方式，以频率的正偏移代表l，负偏移代表。，参数TB为0.5，调制指数为0.28一0.35”。三、基带层协议基带层收到来自上层LMP的信号后，经过