【文章內(nèi)容簡介】 動態(tài)速率轉(zhuǎn)換，當(dāng)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(dāng)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(wǎng)類似的連接協(xié)議和數(shù)據(jù)包確認(rèn)，來提供可靠的數(shù)據(jù)傳送和網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)卡和無線網(wǎng)卡之間的通信方式 ； 基本模式是指無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)模擴(kuò)充或無線和有線網(wǎng)絡(luò)并存時的通信方式，這是。 ，不過目前還遠(yuǎn)沒有成熟，存在著不少問題，如芯片與設(shè)備昂貴，空中接力特性不好，點對 點連接不經(jīng)濟(jì)，也不適合小型設(shè)備等。 HomeRF 標(biāo)準(zhǔn) 家庭無線電射頻 (HomeRF)是 HomeRF 工作組專門為家庭無線局域網(wǎng)而設(shè)計的開發(fā)性工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，其目標(biāo)是要在家庭區(qū)域范圍內(nèi)的任何地方，在個人電腦和家用電子設(shè)備之間實現(xiàn)無線數(shù)字通信的開放性工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。 HomeRF是 與無繩電話技術(shù) DECT (Digital Enhanced Cordless Telemunications)的結(jié)合，使用這種技術(shù)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(kuò)譜 (FHSS)技術(shù)，跳頻 速率為 50跳 /秒，共有 75個帶寬為1MHz的跳頻信道。調(diào)制方式為恒定包絡(luò)的頻移鍵控 FSK調(diào)制，分為 2FSK與 4FSK兩種，采用調(diào)頻調(diào)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(dá) 2Mbps。新的 HomeRF WBFH (Wide Band Frequency Hopping，寬帶調(diào)頻 )技術(shù)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(dá)到 l0Mbps。 HomeRF把共 享無線接入?yún)f(xié)議 (SWAP)作為未來家庭聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)指標(biāo)，基于該協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)是對等網(wǎng)，因此該協(xié)議主要針對家庭無線局域網(wǎng)。其數(shù)據(jù)通信采用簡化的 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，沿用類似與以太網(wǎng)技術(shù)中的沖突檢測的載波監(jiān)聽多址技術(shù)。語音通信采用 DECT標(biāo)準(zhǔn)，使用 TDMA時分多址技術(shù)。不過由于 HomeRF技術(shù)沒有公開，目前在抗干擾等方面相對應(yīng)其他技術(shù)而言 尚 有欠缺，因此沒有廣泛的應(yīng)用前景。 紅外 (IrDA)技術(shù) 紅外技術(shù)可以說是無線連接技術(shù)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(biāo)準(zhǔn)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(kuò)展到 120度，并且其硬件及相應(yīng)軟件技術(shù)都己比較成熟。 中南大學(xué)學(xué)士 學(xué)位 論文 第 1章 緒論 3 該技術(shù)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(dāng)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(shè)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(shù)成熟度還是普及度，都是其他新興的無線連接技術(shù)所無法相比的，現(xiàn)在全球采用 IrDA 技術(shù)的設(shè)備已經(jīng)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(shè)備之間進(jìn)行鏈接 ； 其次， IrDA是一種視距傳輸技術(shù)，中間不能有阻擋物，同時要求通信設(shè)備的位置相對固定，無法用于移動設(shè)備 ； 最后， IrDA設(shè)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(lán)牙技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) 藍(lán)牙 (Bluetooth) [3,4,5]是一種近距離無線通信技術(shù)規(guī)范，用來描述和規(guī)定各種信息電子產(chǎn)品 (包括通信產(chǎn)品、計算機(jī)產(chǎn)品和消費電子產(chǎn)品 )相互之間是如何用短距離無線電系統(tǒng)進(jìn)行連接的，替代電纜是藍(lán)牙技術(shù)最根本的應(yīng)用特征，從應(yīng)用角度來講，它與日前廣泛應(yīng)用于微波通信中的多址技術(shù)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(qiáng)的移植性，可應(yīng)用于多種通信場合；功耗低，對人體危害小 ； 藍(lán)牙集成電路應(yīng)用簡單，成本低廉，實現(xiàn)容易，易于推廣等。 藍(lán) 牙使用 ，采用時分雙工傳輸和跳頻擴(kuò)頻 (FHSS)調(diào)制技術(shù)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(dá)到 1Mbps。跳頻是藍(lán)牙使用的關(guān)鍵技術(shù)，藍(lán)牙以 ，得到 79個 1MHz帶寬的信道，對應(yīng)于單時隙分組，藍(lán)牙的跳頻速率為 1600 跳 /秒 ； 對應(yīng)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(yù)測的干擾源，由于使用比較高的跳頻速率，藍(lán)牙系統(tǒng)具有較其他 通信技術(shù)更強(qiáng)的抗干擾能力。 藍(lán)牙支持點對點和點到多點的連接，藍(lán)牙最基本的網(wǎng)絡(luò)組成是匹克網(wǎng)。匹克網(wǎng)由主設(shè)備單元和從設(shè)備單元構(gòu)成。主設(shè)備單元負(fù)責(zé)提供時鐘同步信號和跳頻序列，而從設(shè)備單元一般是受控同步的設(shè)備單元，并接受主設(shè)備單元的控制。在同一匹克網(wǎng)中，所有設(shè)備單元均采用同一跳頻序列。一個匹克網(wǎng)中一般只有一個主設(shè)備單元，而從設(shè)備單元目前最多可以有 7 個。一個匹克網(wǎng)中的從設(shè)備同時還可作為另一個匹克網(wǎng)的主設(shè)備，以此方式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)拓展，幾個匹克網(wǎng)連接在一起，稱為 scatter(散射網(wǎng) )，形成靈活的多重匹克網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并靠跳頻順序識別每個匹克網(wǎng)。從而實現(xiàn)各類設(shè)備之間的快速通信。 由于藍(lán)牙技術(shù)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(yīng)用領(lǐng)域，因中南大學(xué)學(xué)士 學(xué)位 論文 第 1章 緒論 4 而應(yīng)用場合很普遍。藍(lán)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(lán)牙技術(shù)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(jī)外設(shè)、設(shè)備儀器等各種設(shè)備上數(shù)據(jù)無線通信。 幾種無線技術(shù)的比較 表 11 四種無線技術(shù)比較數(shù)據(jù) 對比規(guī)格 家用射頻 (HomeRF) 紅外 (IrDA) 藍(lán)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?jǐn)?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(wǎng) 家庭中的各種家電設(shè)備之間的連接 透明可見范圍內(nèi)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(shù)都有各自的優(yōu)點和不足，不同的技術(shù)適合于不同的用戶。，主要適用于大型辦公室或企業(yè)集團(tuán)，是一種用來對大文件進(jìn)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(wǎng)和專用網(wǎng)不間斷連接的無線局域網(wǎng)技術(shù)，其實現(xiàn)成本較高。在家庭無線應(yīng)用上， HomeRF 無可非議，其專為家庭用戶設(shè)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(lán)牙那樣利用模塊或芯片實現(xiàn)，因而成本比藍(lán)牙高。 在近距離 10米內(nèi)，以無線方式替代線纜的應(yīng)用場合，藍(lán)牙與 IrDA 有很大的優(yōu)勢， IrDA 技術(shù)成熟，數(shù)據(jù)傳輸速率比藍(lán)牙高，但 IrDA屬視距技術(shù)，并且無法滿足設(shè)備之間相互移動的要求。藍(lán)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(yīng)用于低成本近距離無線傳輸場合。四中南大學(xué)學(xué)士 學(xué)位 論文 第 1章 緒論 5 種無線技術(shù)的具體對比數(shù)據(jù)，如表 11所示 。 可以看出，各種標(biāo)準(zhǔn)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(jīng)濟(jì)性。因此我們應(yīng)視實際需求選擇一種合適的無線技術(shù)。 本文的主要工作 和論文的安排 隨著技術(shù)的發(fā)展，在進(jìn)行短距離無線通信時，現(xiàn)已有多種技術(shù)方案可供選擇。如藍(lán)牙，802. 11b，但各有特點和應(yīng)用場合。在一些如無線抄表、無線點菜等低成本應(yīng)用場合， HomeRF或 較高的成本和復(fù)雜的開發(fā)過程限制了其應(yīng)用。藍(lán)牙是一個非常復(fù)雜的體系，完整實現(xiàn)藍(lán)牙技術(shù)協(xié)議體系的芯片接口復(fù)雜，并且昂貴。 Nordic的 nRF2401是簡化了藍(lán)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(yīng)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(shù)的特點和應(yīng)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(nèi)），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(jī)與下位機(jī)的雙工通信。 3. 基于前面的需求分析，設(shè)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(gòu)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(shù)的特點后，決定 采用Nordic 公司的 nRF2401 芯片和 ATMEL公司的單片機(jī) 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(xì)介紹了采用的主要芯片的結(jié)構(gòu)和原理，并對硬件系統(tǒng)的各個組成部分分別進(jìn)行了剖析，還詳細(xì)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(jī)和nRF2401的程序設(shè)計。 4. 提出了 PCB制板時，應(yīng)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(jī) AT89C51RB2與計算機(jī)之間的 USB接口設(shè)計，并對 USB100接口時序進(jìn)行了分析，為軟件設(shè)計打下了基礎(chǔ) 。 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(shù)的特點和應(yīng)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(xì)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(shè)計。分別具體講解了各個部分的元件、功能和設(shè)計圖。 第 4章給出了無線短距離通信系統(tǒng)的軟件設(shè)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(xué)學(xué)士 學(xué)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(diào)試過程中的一些方法 。 第 6章給出了系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計。為了充 分利用 nRF2401的高速率，和計算機(jī)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(shè)計。 第 7章對本文工作加以總結(jié)，并提出新的設(shè)想， 為論文的進(jìn)一步研究指明了方向。中南大學(xué)學(xué)士 學(xué)位 論文 第 2章 短距離無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計 7 第 2 章 短距離無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計 系統(tǒng)分析 本次設(shè)計中，我們需要建立一個在一定范圍中使用的小型無線網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)如圖 2l 所示 。 圖 21 典型無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)示意圖 微機(jī)將數(shù)據(jù)傳給單片機(jī)控制系統(tǒng)，然后單片機(jī)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(shè)計中選擇所需要的芯片非常關(guān)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(jīng)驗，需要更多的內(nèi)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?