基于ARM的遠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、造價高、擴展性差等缺點，設計了一種基于ARM的便攜式無線傳輸系統(tǒng)，可靈活地與數(shù)據(jù)采集設備進行遠距離數(shù)據(jù)傳輸。該系統(tǒng)可進行遠距離無線傳輸，并對數(shù)據(jù)進行顯示、存儲、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800 m，接收到的數(shù)據(jù)準確率達到100％。
關鍵詞：ARM；便攜式設備；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。隨著無線通信技術的發(fā)展，人們開始用無線來取代有線。但目前的無線領域還存在一些問題，如網(wǎng)絡頻段受到限制，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。
    本設計實現(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，當通信受到限制時，可調整通信距離，從而使無線傳輸系統(tǒng)性能達到最佳。

1 硬件結構
    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)的硬件結構如圖1所示，它們是通過AHB系統(tǒng)總線和APB外圍總線來進行通信。

    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、抗干擾強以及方便替換無線模塊等優(yōu)點，無線模塊與ARM終端采用USB接口來對接。系統(tǒng)基本結構如圖2所示。
[!--empirenews.page--]
2 USB及Linux USB驅動
2．1 USB的基本原理
    USB是一種快速、雙向的串行接口，它采用總線拓撲結構，其主控制器通過USB集線器可擴展主機的sub端口。USB具有4種傳輸方式：控制傳輸、中斷傳輸、批量傳輸、等時傳輸。其數(shù)據(jù)的通信是雙向的，數(shù)據(jù)從主機傳向USB設備稱下行通信，數(shù)據(jù)從USB設備傳向主機稱上行通信?？刂茩嗍窃趆ost方，不支持設備間的直接通信。
    USB設備是由接口和端點構成的，端點是USB通信最基本的形式，它只能往一個方向傳送數(shù)據(jù)。接口是用來綁定到設備上的，一個接口只處理一種USB邏輯連接。一個USB設備可以有多個接口，不同的接口可以代表不同的功能。USB驅動程序是綁定到接口上的。此外，一個USB設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。

2．2 基于Linux的USB驅動
    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。本文以實際應用出發(fā)，針對FT245芯片介紹Linux環(huán)境下的USB驅動程序。
    在Linux的內核源碼中有一個USB驅動的框架程序，文件名為usb-skeleton．c，目錄在／drivers／usb下，大多數(shù)的USB驅動都是在這個框架的基礎上修改的。這里針對FT245芯片修改這個USB驅動的框架程序。
    USB驅動程序中有兩個宏：
   
    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，F(xiàn)T245芯片的VID=0x0403，PID=0x6001。
    file_operation是驅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。程序如下：

    這里定義的函數(shù)是USB驅動程序的入口點，要打開USB設備時，使用系統(tǒng)函數(shù)Open()，系統(tǒng)就會自動調用驅動中的ft245_open()函數(shù)。其他函數(shù)類似，如write()對應ft245_write()，rcad()對應ft245_rcad()，close()對應ft245_release()。
[!--empirenews.page--]
3 基于USB接口的無線模塊
    短距離無線傳輸技術廣泛地應用于各個領域，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：方便使用、低功耗、便于攜帶、無需線纜的束縛等。表1是幾種傳輸技術的優(yōu)缺點。根據(jù)具體應用環(huán)境選用特定的無線傳輸方式。

    由于低功率遠距離無線通信技術具有傳輸距離遠、速度快等優(yōu)點，符合遠距離快速傳輸?shù)男枰?，所以采用低功率遠距離無線模式。該無線模塊采用標準低功率遠距離射頻芯片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。無線模塊系統(tǒng)框圖如圖4所示。

4 實驗結果與分析
    壓力測試記錄儀頭部接高精度壓力傳感器，內部集成無線模塊，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。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。USB接口的無線模塊與天線，在空曠環(huán)境下傳輸距離最遠可達800 m。在不同的溫度、濕度、以及不同的空曠環(huán)境下經(jīng)過多次實驗，使用無線傳輸系統(tǒng)讀取的數(shù)據(jù)與PC機下使用USB數(shù)據(jù)線讀取的數(shù)據(jù)完全相同，所以實驗表明該系統(tǒng)設計是正確、可行的。

結語
    由于嵌入式設備在測試系統(tǒng)中有著種種優(yōu)點，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備帶來了新的生機。本文介紹的基于ARM的無線傳輸系統(tǒng)根據(jù)實際應用出發(fā)，克服了傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)笨重、費時、費力的缺點，且接收到的數(shù)據(jù)可進行波形顯示、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理等。此外，由于ARM系統(tǒng)強大的網(wǎng)絡功能，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。