基于ARM的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的硬件及軟件設(shè)計目前，物流運輸主要包括：基于有線的物流運輸、基于無線的物流運輸。計算機無線局域網(wǎng)具有無需布線、安裝時間短、后期維護方便等特點，所以彌補有線網(wǎng)絡(luò)缺陷最迅速和最有效的方法是采用計算機無線通信網(wǎng)絡(luò)。隨著人們對無線業(yè)務需求的迅猛增長，無線通信技術(shù)得到了突飛猛進的發(fā)展。近年來，無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)取得了豐碩的成果，其理論日益完善，而阻礙無線通信技術(shù)發(fā)展的主要障礙是信道衰落、干擾、頻率選擇性失真等。本文在查閱了大量的國內(nèi)外的相關(guān)科技文獻資料的基礎(chǔ)上，對無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)在應急通信領(lǐng)域的應用進行了研究。在一些突發(fā)事件的現(xiàn)場需要及時把信息反饋到處理中心，但是手機信號可能被掐斷，這時就需要一個無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)用來應急通信。為了有效的解決此問題，本系統(tǒng)的設(shè)計包含兩路模數(shù)轉(zhuǎn)換接口、一個RS485接口和一個以太網(wǎng)口用來實現(xiàn)信息的采集，LM3S6569和CC1101芯片用來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線物流運輸，采用調(diào)頻技術(shù)有效地抗擊干擾，確保了傳輸數(shù)據(jù)的價值。另外，本文運用Eagle軟件設(shè)計了系統(tǒng)電路圖，并生成了PCB板，為本系統(tǒng)功能的實現(xiàn)提供了理論基礎(chǔ)。關(guān)鍵字：無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，LM3S6965,CC1101,Eagle 11.1無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù) 11.2研究背景及意義 21.3本文工作和章節(jié)安排 3 42.1跳頻技術(shù) 42.2CC1101芯片的概述 6 72.3.1ARMCortex-M3內(nèi)核簡介 72.3.2LM3S6965的功能模塊圖 8第三章硬件平臺總體設(shè)計 3.1.1微處理器內(nèi)核 3.1.2片內(nèi)外圍電路 3.2射頻芯片的選擇 3.3硬件電路抗干擾措施 3.3.1電路設(shè)計中的抗干擾措施 第四章原理圖和PCB制作 4.1EAGLE的功能 4.2系統(tǒng)PCB板的生成 第五章結(jié)論 1類型，通信系統(tǒng)可分為有線和無線兩大類別。根據(jù)信道上傳輸?shù)男盘栴愋?介質(zhì)可以理解為窄信道),系統(tǒng)可以分為數(shù)字通信和模擬通信。與模擬通信相比，數(shù)統(tǒng)可以描述如下。數(shù)據(jù)通信=數(shù)據(jù)處理+數(shù)據(jù)傳輸無線數(shù)據(jù)通信是利用無線電低、網(wǎng)絡(luò)靈活、終端移動等特點。附圖說明圖1展示無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的框圖無線信道調(diào)制解調(diào)接入噪聲——發(fā)送定時同步一接收定時同步——信源編碼信道譯碼信宿信源—2在過去的十年中，無線通信技術(shù)隨著無線服務需求的快速增長而呈指數(shù)級發(fā)展。無線通信技術(shù)發(fā)展的主要障礙是信道衰落、選頻失真和干擾。這些不利影響可以通過增加使用的頻段和服務區(qū)內(nèi)的基站數(shù)量來減少，但這些方法是系統(tǒng)性的。通信技術(shù)歷經(jīng)了兩次重大轉(zhuǎn)變，從有線到無線，從模擬到數(shù)字。短短幾十年間，無線通信經(jīng)歷了從第一代到第三代的重大轉(zhuǎn)變。目前，物流運輸主要包括：基于有線的物流運輸、基于無線的物流運輸。隨著傳輸網(wǎng)絡(luò)范圍的不斷擴大，現(xiàn)場環(huán)境越來越多樣化，傳輸?shù)哪繕诵问皆絹碓蕉鄻踊?，對?qū)動程序和用戶桌面的要求越來越高，結(jié)構(gòu)越來越多復雜的。傳輸系統(tǒng)正變得越來越分散。當今的物流運輸系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)復雜、分布距離遠、需要將不同平臺整合成網(wǎng)絡(luò)，難以通過電纜解決。隨著計算機硬件成本的降低和功能越來越強大，物流運輸系統(tǒng)開始使用計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。計算機無線局域網(wǎng)具有無需布線、安裝時間短、后期維護方便等特點。因此，克服有線網(wǎng)絡(luò)缺點的最快、最有效的方法就是使用無線計算機通信通訊網(wǎng)絡(luò)。遠距離數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)在1980年代初開始使用。隨著計算、通信和無線技術(shù)的逐漸融合，基于傳統(tǒng)有線通信的無線數(shù)據(jù)傳輸正在迅速發(fā)展。安全性高，廣泛用于緊急情況。通訊、遙控玩具、環(huán)境監(jiān)測、電氣自動化等領(lǐng)域。該單片機重量輕、體積小、抗干擾能力強、價格低廉、性能可靠、易于開發(fā)。在了解了單片機之后，廣大工程技術(shù)人員也可以獨立開發(fā)出自己需要的單片機系統(tǒng)。因此，單片機廣泛應用于工業(yè)自動控制、智能設(shè)備自動識別、家電等領(lǐng)域11]。它基于無線通信的便利性和速度以及微控制器的成本效益。在一些專業(yè)應用中，微控制器與主機之間的通信使用無線而不是有線數(shù)據(jù)通信。因此，使用無線收發(fā)模塊結(jié)合單片機可以設(shè)計出更實用的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，進而在此基礎(chǔ)之上組建無線通信網(wǎng)絡(luò)。目前，各行業(yè)對數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)囊笤絹碓礁?，采用無線的方式來進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨笠簿碗S之日益迫切。3本文對無線傳輸數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展及現(xiàn)狀進行了介紹，對跳頻技術(shù)，eagle軟件進行了介紹及應用，針對ARMLM3S6965對CC1101芯片的硬件連接和軟件控制方式進行了研究和介紹，并通過eagle軟件仿真，更好的認識了無線數(shù)據(jù)傳輸實現(xiàn)過程中各模塊之間的相互作用。論文的內(nèi)容安排如下：第一章介紹了研究的背景意義，對無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)在國內(nèi)外的發(fā)展狀況進行了概括分析，進而確定了本文的主要研究內(nèi)容。第二章介紹無線數(shù)據(jù)傳輸過程中涉及的相關(guān)知識。介紹了跳頻技術(shù)的原理，CC1101芯片與ARM的特點，這是本系統(tǒng)實現(xiàn)的理論基礎(chǔ)。第三章介紹了LM3S6965和CC1101芯片在系統(tǒng)設(shè)計中的具體運用及硬件第四章介紹了eagle軟件的功能，并運用eagle軟件進行仿真。4第二章系統(tǒng)理論基礎(chǔ)本白皮書將系統(tǒng)分為硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。硬件部分主要完成主控模塊設(shè)計、無線通信模塊設(shè)計、模塊間接口電路設(shè)計等相關(guān)電路設(shè)計任務。軟件部分主要完成硬件平臺的啟動、操作系統(tǒng)的傳輸、通信模塊的驅(qū)動、無線通信協(xié)議的實現(xiàn)等。接下來對本設(shè)計中涉及的理論基礎(chǔ)進行闡述。首先對本系統(tǒng)采用的跳頻技術(shù)進行介紹。跳頻擴頻(FHSS)為了同步，兩端同時在特定窄帶載波上接收和發(fā)送信號。FHSS產(chǎn)生的跳頻信號對于非特定接收機來說是這樣的：只要與之配對，它就是脈沖噪聲。FHSS開發(fā)的信號可以經(jīng)過專門設(shè)計，以避免噪聲或非重復的一對多通道。這些跳頻信號必須滿足FCC對使用75以上的跳頻信號并跳頻到下一個最大頻率的要求。頻率間隔(停留時間)為400ms。562.2CC1101芯片的概述12345A表1外接引腳介紹：引腳編號引腳名引腳類型12數(shù)字輸出連續(xù)配置接□,數(shù)據(jù)輸出當CSn為高時為可選的一般輸出腳3數(shù)字輸出●FIFO狀態(tài)信號4功率(數(shù)字)數(shù)字I/O和數(shù)字中心電壓調(diào)節(jié)器的1.8V-3.6V數(shù)字功率供給輸出75功率(數(shù)字)對退耦的1.6V-2.0V數(shù)字功率供給輸出6一般用途的數(shù)字輸出腳：●FIFO狀態(tài)信號78晶振引腳1或外部時鐘輸入9功率(模擬)1.8V-3.6V模擬電源連接晶振引腳功率(模擬)1.8V-3.6V模擬電源連接接收模式下到LNA的正RF輸入信號發(fā)射模式下到LNA的正RF輸出信號功率(模擬)接收模式下到LNA的負RF輸入信號功率(模擬)發(fā)射模式下到LNA的負RF輸出信號地(模擬)功率(數(shù)字)地(數(shù)字)2.3ARM處理器ARMCortex-M3處理器提供了一個高性能、高性價比的平臺，其內(nèi)核滿足最小內(nèi)存實現(xiàn)、簡化引腳數(shù)和低功耗的要求。同時，它還提供了出色的計算能力和對系統(tǒng)中斷的出色響應能力。其主要特性6]:8●Thumb-2指令集，在通常與8位和16位設(shè)備相關(guān)的存儲容量中，特別是在微控制級應用的幾千字節(jié)存儲量中，提供ARM內(nèi)核所期望的的高性能。TM-M3內(nèi)核的微控制器，具有高性能32位計算能力。它具有非常豐富的外圍模塊、強9系統(tǒng)系統(tǒng)計時定時器看門狗定時器電池供電的休眠模擬?第三章硬件平臺總體設(shè)計3.1微處理器的選擇處理器是各個節(jié)點的計算核心。設(shè)計很重要，因為所有的設(shè)備控制、任務調(diào)度、功能協(xié)調(diào)、通信協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)集成和數(shù)據(jù)輸出都必須在這個模塊的支持下完成。在為嵌入式系統(tǒng)選擇處理器時，應考慮以下幾個方面：處理器性能、支持的開發(fā)工具、支持的操作系統(tǒng)、以往的開發(fā)經(jīng)驗、處理器成本、功耗、代碼兼容性、算法復雜度。首先，我們主要從以下幾個方面進行分析：1)微處理器速度。這以時鐘或機器周期表示，通?；趯嶋H應用要求。系統(tǒng)功能比較復雜，需要運行嵌入式操作系統(tǒng)，擴展性強，對處理器速度有一定要2)微處理器的位數(shù)。當今常用的8位、16位和32位微處理器。8位微控制器主要針對低成本應用而設(shè)計，片上資源少，可擴展性低，性能低，只能完成一些基本任務，發(fā)展迅速，無法滿足節(jié)點主控模塊的需求.16位微控制器通常用于需要更長字長或單獨的存儲器和I/O設(shè)備的更高級應用。32位產(chǎn)品是當今應用的主流，可以提供很高的性價比。各嵌入式處理器廠商將此視為重點，是8位系統(tǒng)平滑升級的首選。3)指令系統(tǒng)。強大的指揮系統(tǒng)意味著豐富的指令(更基礎(chǔ)的指令)和強大的指揮能力。這使得程序設(shè)計更加方便，減少了系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)所需的時間，并提高了整體系統(tǒng)性能。4)內(nèi)置調(diào)試工具。作為初步調(diào)查系統(tǒng)，可以使用處理器內(nèi)置的調(diào)試工具，顯著縮短調(diào)試周期，降低調(diào)試難度。5)電源類型和功耗。這是便攜式系統(tǒng)平臺的必備功能。從以上五個要求入手，從常用的32位微處理器(ARM、POWERPC、MIPS)中選擇一個ARM(AdvancedRISCMachines)處理器作為系統(tǒng)微處理器。最后，從系統(tǒng)升級的角度，我們采用了ARMCortex-M3內(nèi)核的ARM系列微處理器作為系統(tǒng)的核心處理器，實現(xiàn)了從簡單到復雜的轉(zhuǎn)變和實用性。3.1.2片內(nèi)外圍電路各個制造商都在添加由外圍電路組成的片上系統(tǒng)SOC。幾乎所有的ARM芯片都為不同的應用學科擴展了相關(guān)的功能模型。因為ARM只是系統(tǒng)核心，所以市面上的各種ARM芯片，最終都會有不同的block,集成到芯片里面，產(chǎn)生器、眾多I/O接口、片內(nèi)集成眾多外圍控制器等特點?；贏RMCortex-M3內(nèi)核在2.3.1節(jié)。這也是選擇該處理器的一個重要原因，因為它可以使用Eagle進行芯片性能也有自己的特點。因此，無線收發(fā)芯片的選擇在設(shè)計中非常重要。通由于我們設(shè)計的最終用途是哨兵攜帶的移動終端，因此功耗非常重要，我們需要選擇功耗更低的產(chǎn)品。在同等條件下，需要選擇發(fā)射功率大的產(chǎn)品，才能保證有效可靠的通信。但是，發(fā)射功率也應該適合實際需要。對于系統(tǒng)所需的短距離無線數(shù)據(jù)傳輸，傳輸(4)收發(fā)器芯片封裝和更少的引腳和更小的封裝將有助于減少PCB面積。降低適合設(shè)計和開發(fā)便攜式產(chǎn)品的成本。綜合以上因素，我們選擇CC1101芯片進行設(shè)計。但可以滿足系統(tǒng)要求。另外，價格低廉，收發(fā)靈活，接口電路設(shè)計簡單，功耗和發(fā)射功率比較合理。應用廣泛，參考文獻多，案例成熟。這節(jié)省了開發(fā)和建設(shè)時間。具體特征和特征分析見2.3節(jié)。3.3硬件電路抗干擾措施3.3.1電路設(shè)計中的抗干擾措施無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的可靠性非常重要，而可靠性的一個重要指標就是系統(tǒng)的抗干擾性能，尤其是高頻模塊的抗干擾能力直接關(guān)系到系統(tǒng)的正常運行.本系統(tǒng)主控模塊采用ARM處理器為核心處理器，抗干擾能力強，但配置外圍電路時必須全方位考慮干擾。分析表明，系統(tǒng)干擾主要影響以下幾個方面包括：PCB設(shè)計中的電源干擾、外圍功能模塊(RF模塊)干擾、電磁干擾。因此，硬件設(shè)計和實現(xiàn)必須仔細考慮這些可能的干擾，并通過手段盡量減少這些干擾的影響，包括濾波技術(shù)、去耦技術(shù)、屏蔽技術(shù)、隔離技術(shù)、接地技術(shù)等。本系統(tǒng)將主控模塊和高頻模塊分開設(shè)計，高頻模塊通過插入連接器與主控模塊外部相連，避免了數(shù)字電路對高頻的干擾頻率模塊，可以有效地防止這種情況發(fā)生。3.3.1PCB布線中的抗干擾措施(1)遵循布線規(guī)則，規(guī)范走線。印制電路板布線時，遵循屏蔽規(guī)則(高頻信號線被地線屏蔽)、阻抗匹配規(guī)則(走線寬度不會大幅度增加或減少)、開環(huán)布線規(guī)則(不能形成布線規(guī)則，如(兩點之間)和串擾分析控制規(guī)則(信號線之間無鉸鏈耦合)。布置電源線時，將電源線和地線的方向與數(shù)據(jù)信息的傳輸方向?qū)R，寬度(使用40mil走線)以降低環(huán)路阻抗。避免模擬信號線的垂直走線。路是分開布線的。所有組件地線、VDD連接線和VDD組件。系統(tǒng)時鐘電路應盡可能靠近CPU,信號線不應在其下方或附近運行。保持線與其他控制線之間的間距恒定，以防止數(shù)字控制線在VCO電感和連接徑。nRF401模塊使用PCB天線，天線下方?jīng)]有接地層。為了減少分布參數(shù)的影響，在PCB的頂層和底層上沉積銅，用更多的過孔將它們緊密連接，然后將木木坪圖8天線的具體電路圖。木木zQ12341.本系統(tǒng)中CC1101芯片功能的實現(xiàn)是由ARM控制的，而CC1101芯片的配置是通過SPI口進行的。SPI口包括SI、SO、由圖可看出：●CC1101芯片的SCLK口與ARM的SSI口相連接，因此，LM3S6965通過同步串行接口對CC1101芯片時鐘輸入，實現(xiàn)連續(xù)配置?！馛C1101芯片的SO□與ARM的SSI□相連接，因此，LM3S6965通過同步串行接口對CC1101芯片數(shù)據(jù)輸出，實現(xiàn)連續(xù)配置?！馛C1101芯片的SI口與ARM的SSI口相連接，因此，LM3S6965通過同步串行接口對CC1101芯片數(shù)據(jù)輸入，實現(xiàn)連續(xù)配置。同步串行接口對CC1101芯片數(shù)據(jù)輸入，實現(xiàn)芯片選擇?！駡D6后連接天線，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。2.本系統(tǒng)包括兩個模數(shù)轉(zhuǎn)換接口，LM3S6965內(nèi)部含有模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，轉(zhuǎn)換器本身為選定的模擬輸入產(chǎn)生一個10位的輸出值。一些模擬端口可用于最小化輸入失真。還有一個RS485接口，一個以太網(wǎng)口。由圖可看出：●LM3S6965通過I2C接口與RS485□相連接，I2C總線支持能夠發(fā)送和接收(讀和寫)數(shù)據(jù)的器件。●LM3S6965通過RX、TX接口與以太網(wǎng)口相連接。第四章原理圖和PCB制作EDA軟件，使用該軟件可以方便的畫出電路原理圖、設(shè)計新的元件、生成PCB圖、生成制造數(shù)據(jù)等。它支持多種語言，可以在Windows系統(tǒng)、Linux系PCB編輯器帶有元件庫編輯器、CAM(計算機輔助制造)程序、以及文本編輯器，讓您能夠進行PCB(印刷電路板)的設(shè)計工作。通過元件庫編輯器您可以設(shè)計封裝(Footprint),符號和元件(針對原理圖)。CAM處理程序是一種不帶有PCB編輯器的原理圖編輯器適用于繪制電氣連接圖(接線圖、觸點編輯器能夠自動保持同步(正反向標注)。在專業(yè)版中原理圖最多可以包含999個頁面(標準版為99個)。頁面預覽會顯示在原理圖編輯器窗口的左邊。4.2系統(tǒng)PCB板的生成利用Eagle軟件自動布線的功能生成PCB板，但是，它一般不會產(chǎn)生想要的結(jié)果，也不是100%通過，很麻煩，而且通常需要花費大量時間來完成剩下的工鋪設(shè)其余信號。走線的數(shù)量取決于電路的復雜性和定義的一般規(guī)則的數(shù)量。執(zhí)行100%路由。但是，如果自動布線工具沒有布線所有信號，必須手動布第五章結(jié)論本文在分析了無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)在各領(lǐng)域的應用的基礎(chǔ)上，研究設(shè)計基于ARM的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)原型，完成軟硬件平臺及底層軟件的搭建，為實現(xiàn)技術(shù)應用奠定基礎(chǔ)。主要工作包括：(1)整個系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計。設(shè)計了一種可擴展、模塊化、分層的應急通信無線傳輸系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)模型。(2)基于ARM微處理器的無線數(shù)傳系統(tǒng)硬件平臺設(shè)計，完整的電源、時鐘，串行通信外圍電路設(shè)計，基于LM3S6965的系統(tǒng)主控模塊開發(fā)及調(diào)試接口，基(3)完成系統(tǒng)電路PCB板的生成。講解多任務編程和驅(qū)動設(shè)計方法，實現(xiàn)串口通信和射頻模塊驅(qū)動軟件設(shè)計。包括基于ARM的主控模塊和基于CC1101的射頻模塊的電路設(shè)計，嵌入式操作系統(tǒng)平臺的搭建，基于串口通信的串口驅(qū)動和射頻模塊驅(qū)動，以及軟件的綜合驗證和硬件。軟件系統(tǒng)是系統(tǒng)的設(shè)計，是一個需要解決的重要問題。由于整個系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)工作量大、時間緊迫，系統(tǒng)存在很多不足之處需要改進：(1)在軟件設(shè)計方面，本文只需完成底層軟件的一部分設(shè)計，進一步整合和完善各個軟件模塊，確認系統(tǒng)