基于ARM的遠(yuǎn)距離便攜式無(wú)線傳輸系統(tǒng)
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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(wú)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(wú)線傳輸,并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)、處理等,還能通過(guò)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(wú)線傳輸
引言
隨著測(cè)試系統(tǒng)的不斷發(fā)展,對(duì)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(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展,人們開始用無(wú)線來(lái)取代有線。但目前的無(wú)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(wú)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(wú)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(guò)AHB系統(tǒng)總線和APB外圍總線來(lái)進(jìn)行通信。
測(cè)試系統(tǒng)里已經(jīng)集成了無(wú)線模塊,只要在ARM系統(tǒng)中加入無(wú)線模塊便可實(shí)現(xiàn)ARM終端與測(cè)試系統(tǒng)的無(wú)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(wú)線模塊等優(yōu)點(diǎn),無(wú)線模塊與ARM終端采用USB接口來(lái)對(duì)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(guò)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??刂茩?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(lái)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?cè)O(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(duì)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(duì)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(duì)應(yīng)ft245_write(),rcad()對(duì)應(yīng)ft245_rcad(),close()對(duì)應(yīng)ft245_release()。
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3 基于USB接口的無(wú)線模塊
短距離無(wú)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(wú)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(wú)線傳輸方式。
由于低功率遠(yuǎn)距離無(wú)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(wú)線模式。該無(wú)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(jiǎn)指令集的PIC單片機(jī)。無(wú)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(cè)試記錄儀頭部接高精度壓力傳感器,內(nèi)部集成無(wú)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(wú)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(wú)線數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。USB接口的無(wú)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(guò)多次實(shí)驗(yàn),使用無(wú)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(yǔ)
由于嵌入式設(shè)備在測(cè)試系統(tǒng)中有著種種優(yōu)點(diǎn),越來(lái)越受到人們的青睞。此外,隨著短距離無(wú)線傳輸?shù)陌l(fā)展,給便攜式無(wú)線傳輸設(shè)備帶來(lái)了新的生機(jī)。本文介紹的基于ARM的無(wú)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(guò)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。