基于ARM的遠(yuǎn)距離便攜式無線傳輸系統(tǒng)

趙娟,曾強(qiáng),李改利,楊薇

(中北大學(xué)信息探測與處理技術(shù)研究所,太原 030051)

趙娟、曾強(qiáng)、楊薇(碩士研究生),研究方向?yàn)橥ㄐ排c信息系統(tǒng);李改利(碩士研究生),研究方向?yàn)樾盘柵c信息處理。

引 言

隨著測試系統(tǒng)的不斷發(fā)展,對數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)有了更高的要求,傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)大多采用有線方式,數(shù)據(jù)的接收終端使用PC機(jī)。隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展,人們開始用無線來取代有線。但目前的無線領(lǐng)域還存在一些問題,如網(wǎng)絡(luò)頻段受到限制,通信極易受到外界干擾,通信中可能出現(xiàn)丟包或誤碼,天線高度不能太低等。

本設(shè)計實(shí)現(xiàn)了一種基于ARM的便攜式無線傳輸系統(tǒng),相比于筆記本,該系統(tǒng)體積小、重量輕,可便攜,當(dāng)通信受到限制時,可調(diào)整通信距離,從而使無線傳輸系統(tǒng)性能達(dá)到最佳。

1 硬件結(jié)構(gòu)

ARM系統(tǒng)[1]主要由ARM 處理器、SRAM、SDRAM、Flash、LCD以及一些外圍接口組成,主要的外圍接口有USB接口、串口 、GPIO 口、SD 卡接口、SPI接口 、camera接口等。ARM系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示,它們是通過AHB系統(tǒng)總線和APB外圍總線來進(jìn)行通信[2-4]。

測試系統(tǒng)里已經(jīng)集成了無線模塊,只要在ARM系統(tǒng)中加入無線模塊便可實(shí)現(xiàn)ARM終端與測試系統(tǒng)的無線數(shù)據(jù)傳輸。為了數(shù)據(jù)接收終端具有便攜、靈活、抗干擾強(qiáng)以及方便替換無線模塊等優(yōu)點(diǎn),無線模塊與ARM終端采用USB接口來對接。系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 ARM系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

圖2 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

2 USB及Linux USB驅(qū)動

2.1 USB的基本原理

USB是一種快速、雙向的串行接口,它采用總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),其主控制器通過 USB集線器可擴(kuò)展主機(jī)的 sub端口[5-6]。USB具有4種傳輸方式:控制傳輸、中斷傳輸、批量傳輸、等時傳輸[5,7]。其數(shù)據(jù)的通信是雙向的,數(shù)據(jù)從主機(jī)傳向USB設(shè)備稱下行通信,數(shù)據(jù)從USB設(shè)備傳向主機(jī)稱上行通信。控制權(quán)是在host方,不支持設(shè)備間的直接通信。

USB設(shè)備是由接口和端點(diǎn)構(gòu)成的,端點(diǎn)是 USB通信最基本的形式,它只能往一個方向傳送數(shù)據(jù)[7]。接口是用來綁定到設(shè)備上的,一個接口只處理一種USB邏輯連接。一個USB設(shè)備可以有多個接口,不同的接口可以代表不同的功能。USB驅(qū)動程序是綁定到接口上的。此外,一個USB設(shè)備通常又有多個配置的,而且可以在配置之間切換以改變設(shè)備的狀態(tài);但是一個時刻只能激活一個配置,一個配置通常具有一個或者更多的接口,如圖3所示[8]。

圖3 USB系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.2 基于Linux的USB驅(qū)動

由于數(shù)據(jù)記錄的USB接口采用FTDI公司開發(fā)的FT245 USB芯片,能單芯片實(shí)現(xiàn)并行FIFO緩存區(qū)的雙向數(shù)據(jù)傳輸,且支持VCP(虛擬串口)功能。本文以實(shí)際應(yīng)用出發(fā),針對FT245芯片介紹 Linux環(huán)境下的 USB驅(qū)動程序。

在Linux的內(nèi)核源碼中有一個USB驅(qū)動的框架程序,文件名為 usb-skeleton.c,目錄在/drivers/usb下,大多數(shù)的USB驅(qū)動都是在這個框架的基礎(chǔ)上修改的。這里針對FT245芯片修改這個USB驅(qū)動的框架程序。

USB驅(qū)動程序中有兩個宏:

#define FT245_VENDOR_ID 0x0403 //VID

#define FT245_PRODUCT_ID 0x6001//PID

這兩個宏的值是USB芯片制造商所提供的,VID是芯片制造商ID,PID是芯片的識別碼,不同廠商不同型號的USB芯片的VID和PID是不同的,FT245芯片的VID=0x0403,PID=0x6001。

file_operation是驅(qū)動程序中一個很重要的類,它定義了一組常見文件I/O函數(shù),而這些函數(shù)的使用類似于普通文件的I/O操作[8-9]。程序如下:

這里定義的函數(shù)是USB驅(qū)動程序的入口點(diǎn),要打開USB設(shè)備時,使用系統(tǒng)函數(shù)Open(),系統(tǒng)就會自動調(diào)用驅(qū)動中的ft245_open()函數(shù)。其他函數(shù)類似,如write()對應(yīng)ft245_write(),read()對應(yīng)ft245_read(),close()對應(yīng)ft245_release()。

3 基于USB接口的無線模塊

短距離無線傳輸技術(shù)廣泛地應(yīng)用于各個領(lǐng)域,并成為人們工作和生活中不可或缺的一部分,由于它與有線相比有很多優(yōu)點(diǎn):方便使用、低功耗、便于攜帶、無需線纜的束縛等[10-11]。表1是幾種傳輸技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。根據(jù)具體應(yīng)用環(huán)境選用特定的無線傳輸方式。

表1 短距離無線傳輸技術(shù)的對比

由于低功率遠(yuǎn)距離無線通信技術(shù)具有傳輸距離遠(yuǎn)、速度快等優(yōu)點(diǎn),符合遠(yuǎn)距離快速傳輸?shù)男枰?所以采用低功率遠(yuǎn)距離無線模式。該無線模塊采用標(biāo)準(zhǔn)低功率遠(yuǎn)距離射頻芯片nRF24L01,通信接口使用FTDI公司研發(fā)的USB2.0芯片F(xiàn)T245,微控制器是采用精簡指令集的PIC單片機(jī)。無線模塊系統(tǒng)框圖如圖4所示。

圖4 無線模塊系統(tǒng)框圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

壓力測試記錄儀頭部接高精度壓力傳感器,內(nèi)部集成無線模塊,天線使用微帶天線。ARM開發(fā)板使用 Linux作為操作系統(tǒng),使用QT作為開發(fā)軟件,制作數(shù)據(jù)讀取及顯示程序,完成數(shù)據(jù)的無線傳輸及顯示任務(wù)。該系統(tǒng)可取代筆記本完成野外的無線數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。USB接口的無線模塊與天線,在空曠環(huán)境下傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)800 m。

在不同的溫度、濕度、以及不同的空曠環(huán)境下經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn),使用無線傳輸系統(tǒng)讀取的數(shù)據(jù)與PC機(jī)下使用USB數(shù)據(jù)線讀取的數(shù)據(jù)完全相同,所以實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)設(shè)計是正確、可行的。

結(jié) 語

由于嵌入式設(shè)備在測試系統(tǒng)中有著種種優(yōu)點(diǎn),越來越受到人們的青睞。此外,隨著短距離無線傳輸?shù)陌l(fā)展,給便攜式無線傳輸設(shè)備帶來了新的生機(jī)。本文介紹的基于ARM的無線傳輸系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用出發(fā),克服了傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)笨重、費(fèi)時、費(fèi)力的缺點(diǎn),且接收到的數(shù)據(jù)可進(jìn)行波形顯示、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理等。此外,由于ARM系統(tǒng)強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能,可通過以太網(wǎng)把數(shù)據(jù)傳輸?shù)饺魏斡幸蕴W(wǎng)的地方,具有一定的創(chuàng)新性。

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