嵌入式無線區域網裝置的設計與實現

1 嵌入式系統簡介

嵌入式系統是指以計算機技術為基礎、以應用為中心、軟體硬體可裁剪,功能、可靠性、功耗、體積、成本有著嚴格要求的專用計算機系統。追求“短、小、輕、薄,省電、快、成本低”的目標。嵌入式系統裝置已廣泛應用於製造工業、過程控制、儀器儀表、軍事裝備、消費類產品等領域。嵌入式系統由軟硬體組成,一般分為五個部分：處理器、儲存器、輸入輸出、作業系統和應用軟體。如圖1所示：

嵌入式系統最初的應用是基於微控制器的,它只是使用8位的晶片執行一些簡單的單程式的程式,沒有多程式的任務排程,還談不上系統。隨著16/32 位嵌入式微處理器的出現,嵌入式系統開始引入嵌入式作業系統,從而使得應用開發人員從小範圍的開發中解放出來,也使嵌入式有了更廣闊的應用空間。比較著名的嵌入式作業系統有ISI的pSOS、WindRiver的VxWorks、QNX的QNX、微軟的WinCE、以及原始碼開放的Linux和uC/os 等。

2無線區域網概述

無線區域網(Wireless Local Area Network ,WLAN)屬於一種短距離無線通訊技術,是現代計算機網路與無線通訊技術相結合的產物。通過無線射頻(RF)或紅外(Infra Red ,IR)技術在空中傳輸資料、語音和視訊訊號等。無線區域網可在一些特殊的應用環境中彌補依靠線纜或光纜構成的有線乙太網的不足,實現網路的延伸。

無線區域網標準的物理層定義了兩種射頻傳輸方式和一種紅外傳輸方式。RF方式使用的頻段有三個:L頻段(902MHz～928MHz)、S頻段(2.4GHz~2.4835GHz)、C頻段(5.725GHz~5.85GHz)。一般使用S頻段,該頻段被叫做ISM(Industry Science Medical)頻段即工業科學醫療頻段,ISM頻段不受美國聯邦通訊委員會(FCC)的限制,屬於工業自由輻射頻段。工作在此頻段的無線區域網有直接序列擴頻(Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS)和跳頻擴頻(Frequency Hopping Spread Sprectrum ,FHSS)兩種擴頻方法。

1997 年6 月, IEEE 通過了無線區域網的標準,即802.11標準。IEEE 802.11無線區域網標準的制定是無線網路技術發展的一個里程碑, 標準主要是對網路的物理層(PHY)和媒質訪問控制層(MAC) 進行了規定,其中對MAC 層的規定是重點。

802.11速率最高只能達到2Mbps ,不能滿足人們的需要, IEEE小組又推出了802.11b標準。IEEE802.11b工作在2.4GHz頻段,採用直接序列擴頻DSSS技術和補償碼鍵控CCK調製方式,可提供11Mb/ s、5.5Mb/s、2Mb/s、1Mb/s多種速率,且在2Mb/s、1Mb/s 速率時與IEEE802.11 相容。802.11b是目前技術最成熟且使用最多的無線區域網標準。本文采用的就是IEEE-802.11b無線網路卡。

目前,人們對無線區域網技術的應用僅侷限在PC機和筆記本,且一般用於熱點(Hot Spot)分佈地區。而嵌入式系統整合無線區域網技術實現無線通訊和資料傳輸將成為今後應用的熱點。例如無線數字機頂盒、計算機、無線閘道器和家用電器等可構成家庭無線區域網,同時經過AP、無線路由器或無線網橋可以連線到Internet;無線儀表進行資料採集和無線傳輸;無線儀器裝置在工作現場佈置自組織網路(Ad Hoc網路)相互進行資訊傳遞、遠端無線監控,減少佈線的麻煩和不便,將極大地提高工業生產效率,方便人們的生活。

3 嵌入式無線區域網模組的硬體設計

本文以三星S3C2410X為嵌入式微處理器,結合無線區域網技術,設計了一款嵌入式無線區域網裝置,實現資料採集和無線傳輸。
系統硬體結構圖

NAND FLASH用於存放啟動程式、作業系統、TCP/IP協議棧、驅動程式和相關應用程式。S3C2410X支援NAND FLASH Boot Loader,系統上電後,S3C2410X通過內建的NAND FLASH CONTROLLER將NAND FLASH中的啟動程式碼載入到其內部叫“Steppingstone”的4KB SRAM buffer執行啟動任務,而不需要經過外部的SDRAM進行系統啟動,從而加快整個系統的啟動過程。等啟動完成後,執行作業系統,這時的程式碼以及後來的應用程式都在外部的SDRAM執行。作業系統啟動完成後,就可以執行設計的應用程式,通過RS232/485介面進行資料採集,再通過802.11b無線網路卡將資料傳輸出去。S3C2410X的所有GPIO都被引出來,以備將來系統功能的擴充套件。

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