【文章內容簡介】 動態(tài)速率轉換，當射頻情況變差時，可將數(shù)據(jù)傳輸速率降低為 ，2Mbps 和 1Mbps，且當工作在 2Mbps 和 1Mbps 速率時可向下兼容 。 的使用范圍 在室外為 300 米，在辦公室環(huán)境中則最長為 100 米，適用與以太網類似的連接協(xié)議和數(shù)據(jù)包確認，來提供可靠的數(shù)據(jù)傳送和網絡帶寬的有效使用。 基本分為兩種 ： 點對點模式和基本模式，點對點模式是指無線網卡和無線網卡之間的通信方式 ； 基本模式是指無線網絡規(guī)模擴充或無線和有線網絡并存時的通信方式，這是。 ，不過目前還遠沒有成熟，存在著不少問題，如芯片與設備昂貴，空中接力特性不好，點對 點連接不經濟，也不適合小型設備等。 HomeRF 標準 家庭無線電射頻 (HomeRF)是 HomeRF 工作組專門為家庭無線局域網而設計的開發(fā)性工業(yè)標準，其目標是要在家庭區(qū)域范圍內的任何地方，在個人電腦和家用電子設備之間實現(xiàn)無線數(shù)字通信的開放性工業(yè)標準。 HomeRF是 與無繩電話技術 DECT (Digital Enhanced Cordless Telemunications)的結合，使用這種技術能降低語音數(shù)據(jù)成本。它使用開放的 2. 4GHz頻段，采用跳頻擴譜 (FHSS)技術，跳頻 速率為 50跳 /秒，共有 75個帶寬為1MHz的跳頻信道。調制方式為恒定包絡的頻移鍵控 FSK調制，分為 2FSK與 4FSK兩種，采用調頻調制可以有效地抑制無線環(huán)境下的干擾和衰落。 2FSK方式下，最大數(shù)據(jù)的傳輸速率為 1Mbps； 4FSK方式下，速率可達 2Mbps。新的 HomeRF WBFH (Wide Band Frequency Hopping，寬帶調頻 )技術來增加跳頻帶寬，由原來的 1MHz 跳頻信道增加到3MHz， 5MHz，跳頻的速率也增加到 75跳 /秒，數(shù)據(jù)峰值達到 l0Mbps。 HomeRF把共 享無線接入?yún)f(xié)議 (SWAP)作為未來家庭聯(lián)網的技術指標，基于該協(xié)議的網絡是對等網，因此該協(xié)議主要針對家庭無線局域網。其數(shù)據(jù)通信采用簡化的 協(xié)議標準，沿用類似與以太網技術中的沖突檢測的載波監(jiān)聽多址技術。語音通信采用 DECT標準，使用 TDMA時分多址技術。不過由于 HomeRF技術沒有公開，目前在抗干擾等方面相對應其他技術而言 尚 有欠缺，因此沒有廣泛的應用前景。 紅外 (IrDA)技術 紅外技術可以說是無線連接技術的鼻祖，由紅外數(shù)據(jù)協(xié)會 (IrDA—Infrared Data Association)提出并推行的一種無線協(xié)議，這種通信方式使用 850nm的紅外光來傳輸數(shù)據(jù)和語音。新制定的超高紅外 (VFIR)標準傳輸速率為 16Mpbs，相比傳統(tǒng)版本 FIR 的 4Mbps 快了 4倍，接收角度也由原來的 30度擴展到 120度，并且其硬件及相應軟件技術都己比較成熟。 中南大學學士 學位 論文 第 1章 緒論 3 該技術的主要優(yōu)點是無需專門申請?zhí)囟l率的使用執(zhí)照。這一點，在當前頻率資源匾乏，頻道使用費增加的背景下是比較重要的。并且它還具有移動通信設備所必需的體積小，功率低的優(yōu)點。 IrDA的數(shù)據(jù)傳輸速率比較高，而且由于采用點到點的連接，數(shù)據(jù)傳輸所受到的干擾較少。就 目前而言，無論是技術成熟度還是普及度，都是其他新興的無線連接技術所無法相比的，現(xiàn)在全球采用 IrDA 技術的設備已經超過了 5000 萬部。并且仍然每年以50%速度增長。 但 IrDA也有其明顯的缺點，首先，它只能實現(xiàn)點對點的連接，無法實現(xiàn)點對多點的連接，也即它只限于在 2臺設備之間進行鏈接 ； 其次， IrDA是一種視距傳輸技術，中間不能有阻擋物，同時要求通信設備的位置相對固定，無法用于移動設備 ； 最后， IrDA設備的核心部件 —紅外線 LED是一種不耐用的器件，頻繁使用會令其使用壽命大大縮短。 藍牙技術標準 藍牙 (Bluetooth) [3,4,5]是一種近距離無線通信技術規(guī)范，用來描述和規(guī)定各種信息電子產品 (包括通信產品、計算機產品和消費電子產品 )相互之間是如何用短距離無線電系統(tǒng)進行連接的，替代電纜是藍牙技術最根本的應用特征，從應用角度來講，它與日前廣泛應用于微波通信中的多址技術十分相似，它很容易穿過障礙物，實現(xiàn)全方位的語音與數(shù)據(jù)傳輸。主要優(yōu)點是 ： 可以隨時隨地用無線接口來代替有線電纜連接 ； 具有很強的移植性，可應用于多種通信場合；功耗低，對人體危害小 ； 藍牙集成電路應用簡單，成本低廉，實現(xiàn)容易，易于推廣等。 藍 牙使用 ，采用時分雙工傳輸和跳頻擴頻 (FHSS)調制技術來實現(xiàn)全雙工傳輸，在發(fā)射帶寬為 1MHz 時，其有效數(shù)據(jù)數(shù)率為 721kbps，有時也可達到 1Mbps。跳頻是藍牙使用的關鍵技術，藍牙以 ，得到 79個 1MHz帶寬的信道，對應于單時隙分組，藍牙的跳頻速率為 1600 跳 /秒 ； 對應于多時隙包，跳頻速率有所降低，但在建立鏈路時則提高為 3200 跳 /秒。 ISM 頻段是對所有無線電系統(tǒng)都開放的頻段，因此使用其中的某個頻段都會遇到不可預測的干擾源，由于使用比較高的跳頻速率，藍牙系統(tǒng)具有較其他 通信技術更強的抗干擾能力。 藍牙支持點對點和點到多點的連接，藍牙最基本的網絡組成是匹克網。匹克網由主設備單元和從設備單元構成。主設備單元負責提供時鐘同步信號和跳頻序列，而從設備單元一般是受控同步的設備單元，并接受主設備單元的控制。在同一匹克網中，所有設備單元均采用同一跳頻序列。一個匹克網中一般只有一個主設備單元，而從設備單元目前最多可以有 7 個。一個匹克網中的從設備同時還可作為另一個匹克網的主設備，以此方式進行網絡拓展，幾個匹克網連接在一起，稱為 scatter(散射網 )，形成靈活的多重匹克網的拓撲結構，并靠跳頻順序識別每個匹克網。從而實現(xiàn)各類設備之間的快速通信。 由于藍牙技術獨立于不同的操作系統(tǒng)和通信協(xié)議之外，可以移植到許多應用領域，因中南大學學士 學位 論文 第 1章 緒論 4 而應用場合很普遍。藍牙力求與不同的操作系統(tǒng)和通信協(xié)議有良好的接口，從而保證一定的兼容性。藍牙技術適用于任何數(shù)據(jù)、圖像、聲音等短距離通信場合，包括蜂窩電話、 PDA、計算機外設、設備儀器等各種設備上數(shù)據(jù)無線通信。 幾種無線技術的比較 表 11 四種無線技術比較數(shù)據(jù) 對比規(guī)格 家用射頻 (HomeRF) 紅外 (IrDA) 藍牙 (Bluetooth) 無線傳輸媒介 電波 電波 紅外光 傳輸數(shù)率(Mbit/s) DSSS： 11 FHSS： 1或 2 2FSK： 1～ 2 ， 4， 16 THSS： 1 數(shù)據(jù) /語音支持 數(shù)據(jù)，語音很弱 語音和數(shù)據(jù) 只支持數(shù)據(jù) 語音和數(shù)據(jù) 傳輸距離 25~100m 50m 20cm~ 10~100m 移動能力 好 好 差 極佳 方向性 全向 (360。 ，中間可有障礙 ) 全向 (360。 ，中間可有障礙 ) 窄角 (30。 ，中間可有障礙 ) 全向 (360。 ，中間可有障礙 ) 目前參考成本 100~200美元 100~200美元 5 美元 20美元 功率 100mW 100mW \ 0～ 100mW 傳輸方式 點到點，點到 多點 點到點，點到 多點 點到點 點到點，點到多點 組要用途 企業(yè)無線局 域網 家庭中的各種家電設備之間的連接 透明可見范圍內的數(shù)據(jù)傳輸，近距離遙控 適用于任何以無線傳輸方式替代有線連接的場合 綜上所述，各種無線技術都有各自的優(yōu)點和不足，不同的技術適合于不同的用戶。，主要適用于大型辦公室或企業(yè)集團，是一種用來對大文件進行帶寬占用以及突發(fā)性的信息傳輸要求，或者用來保持因特網和專用網不間斷連接的無線局域網技術，其實現(xiàn)成本較高。在家庭無線應用上， HomeRF 無可非議，其專為家庭用戶設計，對流媒體提供了真正意義上的支持，目前 HomeRF 只能通過 PC 卡的形式實現(xiàn)，尚無法 像 藍牙那樣利用模塊或芯片實現(xiàn)，因而成本比藍牙高。 在近距離 10米內，以無線方式替代線纜的應用場合，藍牙與 IrDA 有很大的優(yōu)勢， IrDA 技術成熟，數(shù)據(jù)傳輸速率比藍牙高，但 IrDA屬視距技術，并且無法滿足設備之間相互移動的要求。藍牙最初的提出和今后的發(fā)展方向都是以低成本為目的，非常適合應用于低成本近距離無線傳輸場合。四中南大學學士 學位 論文 第 1章 緒論 5 種無線技術的具體對比數(shù)據(jù)，如表 11所示 。 可以看出，各種標準都是根據(jù)不同的使用場合，不同的用戶需求而制定的。有的是為了增加帶寬和傳輸距離，有的則是考慮移動性和經濟性。因此我們應視實際需求選擇一種合適的無線技術。 本文的主要工作 和論文的安排 隨著技術的發(fā)展，在進行短距離無線通信時，現(xiàn)已有多種技術方案可供選擇。如藍牙，802. 11b，但各有特點和應用場合。在一些如無線抄表、無線點菜等低成本應用場合， HomeRF或 較高的成本和復雜的開發(fā)過程限制了其應用。藍牙是一個非常復雜的體系，完整實現(xiàn)藍牙技術協(xié)議體系的芯片接口復雜，并且昂貴。 Nordic的 nRF2401是簡化了藍牙協(xié)議的無線收發(fā)芯片，在實現(xiàn)短距離無線通信上成本低廉，開發(fā)周期短。由于其較低的價格、簡單的開發(fā)，在低成本應用場合顯示了獨特的優(yōu)勢。 本文的具體工作如下 ： 1. 本文首先介紹了現(xiàn)有的一些短距離無線數(shù)據(jù)通信技術的特點和應用。 2. 分析了短距離無線通信系統(tǒng)的要求，即通信距離在 25米左右（室內），具有無線抄表的功能和數(shù)據(jù)通信的功能，實現(xiàn)上位機與下位機的雙工通信。 3. 基于前面的需求分析，設計了一個點對點的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)的構成框圖并分析了其工作原理。在比較了現(xiàn)有的幾種短距離無線數(shù)據(jù)通信技術的特點后，決定 采用Nordic 公司的 nRF2401 芯片和 ATMEL公司的單片機 AT89C51RB2。 nRF2401 及一些外圍元件組成其無線收發(fā)模塊 ， AT89C51RB2 為其控制模塊。文中詳細介紹了采用的主要芯片的結構和原理，并對硬件系統(tǒng)的各個組成部分分別進行了剖析，還詳細描述了 nRF2401的配置， 收 /發(fā) 原理，及 AT89C51RB2 和 nRF2401 之間的 SPI 接口。簡要地闡述了單片機和nRF2401的程序設計。 4. 提出了 PCB制板時，應該注意的問題，給出了解決問題的措施。 5. 為改善本系統(tǒng)的性能，提高無線傳輸?shù)乃俾?，給出了單片機 AT89C51RB2與計算機之間的 USB接口設計，并對 USB100接口時序進行了分析，為軟件設計打下了基礎 。 本文的安排 ： 第 1章介紹了現(xiàn)有的一些短距離無線數(shù)據(jù)通信技術的特點和應用。 第 2章分析了短距離無線通信系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)需求，選擇了無線收發(fā)一體芯片 nRF2401和 AT89C51RB2，詳細分析了這些芯片的功能。 第 3 章給出了無線短距離通信系統(tǒng)的硬件設計。分別具體講解了各個部分的元件、功能和設計圖。 第 4章給出了無線短距離通信系統(tǒng)的軟件設計。 第 5章 介紹 將數(shù)字電路和模擬電路分別制作兩塊 PCB板上。本章分析了在制板時容易中南大學學士 學位 論文 第 1章 緒論 6 碰到的問題，討論了解決方案 并給出了調試過程中的一些方法 。 第 6章給出了系統(tǒng)的改進設計。為了充 分利用 nRF2401的高速率，和計算機的連接可以采用 USB 接口，這個方案可以采用 USB100 芯片。本章給出了使用 AT89C51RB2 和USB100芯片的系統(tǒng)設計。 第 7章對本文工作加以總結，并提出新的設想， 為論文的進一步研究指明了方向。中南大學學士 學位 論文 第 2章 短距離無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設計 7 第 2 章 短距離無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設計 系統(tǒng)分析 本次設計中，我們需要建立一個在一定范圍中使用的小型無線網絡通信系統(tǒng)，要求通信距離在 25米左右，具有無線抄表的功能和數(shù)據(jù)通信的功能。 一個典型的無線網絡通信系統(tǒng)如圖 2l 所示 。 圖 21 典型無線網絡通信系統(tǒng)示意圖 微機將數(shù)據(jù)傳給單片機控制系統(tǒng)，然后單片機把數(shù)據(jù)傳給射頻部分發(fā)射出去，同時還要能夠接受數(shù)據(jù)。 系統(tǒng)硬件選擇 射頻收發(fā)芯片 nRF2401 由于無線收發(fā)芯片的種類很多，如表 2l 。如何在設計中選擇所需要的芯片非常關鍵。正確的選擇可以使開發(fā)工作少走彎路，以下幾點是在選擇芯片時注意的問題。 1) 收發(fā)芯片數(shù)據(jù)傳輸?shù)木幋a方式 采用曼徹斯特編碼的芯片，在編程上會需要較高的技巧和經驗，需要更多的內存和程序容量，并且曼徹斯特編 碼大大降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?