基于ARM的遠(yuǎn)距離便攜式無線傳輸系統(tǒng)

摘要：為了解決傳統(tǒng)數(shù)據(jù)傳榆系統(tǒng)笨重、繁瑣、造價(jià)高、擴(kuò)展性差等缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于ARM的便攜式無線傳輸系統(tǒng)，可靈活地與數(shù)據(jù)采集設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸。該系統(tǒng)可進(jìn)行遠(yuǎn)距離無線傳輸，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)、處理等，還能通過以太網(wǎng)把數(shù)據(jù)傳輸?shù)饺魏文苓B接以太網(wǎng)的地方。在室外空曠環(huán)境下，通信距離可達(dá)800 m，接收到的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率達(dá)到100％。
關(guān)鍵詞：ARM；便攜式設(shè)備；無線傳輸

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(jì)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(shí)，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)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。

    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。
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2 USB及Linux USB驅(qū)動(dòng)
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。USB具有4種傳輸方式：控制傳輸、中斷傳輸、批量傳輸、等時(shí)傳輸。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(gè)方向傳送數(shù)據(jù)。接口是用來綁定到設(shè)備上的，一個(gè)接口只處理一種USB邏輯連接。一個(gè)USB設(shè)備可以有多個(gè)接口，不同的接口可以代表不同的功能。USB驅(qū)動(dòng)程序是綁定到接口上的。此外，一個(gè)USB設(shè)備通常又有多個(gè)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(gè)時(shí)刻只能激活一個(gè)配置，一個(gè)配置通常具有一個(gè)或者更多的接口，如圖3所示。

2．2 基于Linux的USB驅(qū)動(dòng)
    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(dòng)程序。
    在Linux的內(nèi)核源碼中有一個(gè)USB驅(qū)動(dòng)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(dòng)都是在這個(gè)框架的基礎(chǔ)上修改的。這里針對FT245芯片修改這個(gè)USB驅(qū)動(dòng)的框架程序。
    USB驅(qū)動(dòng)程序中有兩個(gè)宏：
   
    這兩個(gè)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(shí)別碼，不同廠商不同型號(hào)的USB芯片的VID和PID是不同的，F(xiàn)T245芯片的VID=0x0403，PID=0x6001。
    file_operation是驅(qū)動(dòng)程序中一個(gè)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。程序如下：

    這里定義的函數(shù)是USB驅(qū)動(dòng)程序的入口點(diǎn)，要打開USB設(shè)備時(shí)，使用系統(tǒng)函數(shù)Open()，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)調(diào)用驅(qū)動(dòng)中的ft245_open()函數(shù)。其他函數(shù)類似，如write()對應(yīng)ft245_write()，rcad()對應(yīng)ft245_rcad()，close()對應(yīng)ft245_release()。
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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(gè)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。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。

    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圆捎玫凸β蔬h(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。

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(jì)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(shí)、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(chǔ)、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。