（电路与系统专业论文）无线射频数据采集系统的研究与设计[电路与系统专业优秀论文].pdf

中文摘要 摘要：随着科学技术的发展，人们对居住环境越来越高的要求导致了智能家 居概念的产生。智能家居中，对当前环境状况的监测分析是首要的，本文所设计 的无线数据采集系统即是针对智能家居中布线不便时对室内生活环境指标数据进 行采集分析的解决方案。 论文研究的主要内容如下： ( 1 ) 分析了当前数据采集系统的相关技术现状以及主要的短距离无线通信技 术，并对几种短距离无线通信技术作了比较。将无线通信技术引入数据采集领域， 针对实际应用需求设计了系统总体方案，完成了数据采集节点和终端的结构设计。 ( 2 ) 以低功耗为选择元器件的原则，结合实际情况选取了合适的传感器以及 m c u ，通过对两大无线i c 设计公司n o r d i c 和c h i p c o n 的几款芯片做比较，确 定了以p t r 8 0 0 0 为核心的无线收发方案。文中给出了相应的传感器设计要点，重 点介绍了温度和湿度传感器采集节点的测量设计方案，并通过软件控制元器件工 作模式等方式实现了系统的低功耗设计。 ( 3 ) 完成了无线数据采集节点的硬件电路设计工作。主要包括传感器接口电 路设计及数据采集与处理相关程序设计、无线射频模块的接口设计以及单片机与 p c 通信的接口设计。最终实现了低功耗、数据传输可靠的无线数据传输系统，本 系统可以很好的完成对当前室内生活环境指标的采集分析任务。 本文研究设计的智能家居无线数据采集系统也可以通过对传感器节点的改 进，进一步拓展至其它诸如工业控制、仪器仪表等领域对象的状态监测。 关键词：智能家居；数据采集；无线通信；传感器 分类号：t n 9 1 9 7 2 a bs t r a c t a b s t r a c t ：w i t ht h es c i e n t i f i ca n dt e c h n o l o g i c a ld e v e l o p m e n t ，p e o p l ed e m a n dm o r e a n dm o r ec o m f o r t a b l el i v i n ge n v i r o n m e n t i tl e dt ot h ef o r m a t i o no ft h es m a r th o m e c o n c e p t i nt h es m a r th o m es y s t e m ，m o n i t o r i n ga n da n a l y s i sf o rt h ec u r r e n ts t a t eo ft h e e n v i r o n m e n ti st h ep r i m a r y i no r d e rt os o l v et h ei n c o n v e n i e n c ei nt h ei n d o o rw i r i n g p r o b l e m ，t h ep a p e rd e s i g no f t h i sw i r e l e s sd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ，t ot h ec o l l e c t i o na n d a n a l y s i so f i n d o o rl i v i n ge n v i r o n m e n t i n d i c a t o r s t h em a i nc o n t e n t so ft h et h e s i sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ea r t i c l ei n t r o d u c e dt h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mt e c h n o l o g ys t a t u so nt h e c u r r e n ta n dt h em a i ns h o r t - r a n g ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g y t h ep a p e r s y s t e mt a k e st h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yi n t ot h ef i e l do fd a t aa c q u i s i t i o n i td e m a n d sf o rp r a c t i c a la p p l i c a t i o n so ft h es y s t e md e s i g no ft h eo v e r a l lp l a n ，a n d c o m p l e t e dt h ed a t ac o l l e c t i o nt e r m i n a ln o d e sa n dt h es t r u c t u r a ld e s i g n ( 2 ) a sl o wp o w e rc o n s u m p t i o na n dm o d u l a rc o m p o n e n t sf o rt h es e l e c t i o no ft h e p r i n c i p l e , t h ea p p r o p r i a t es e n s o r sa n dm c u w i t ht h ea c t u a ls i t u a t i o nw a ss e l e c t e d t h e p t r 8 0 0 0w a sc h o o s ew h o s eg o r ew i r e l e s st r a n s c e i v e rp r o g r a m m e ri sf r o mt h et w o m a j o rw i r e l e s si cd e s i g nc o m p a n i e sn o r d i ca n dc h i p c o n ss e v e r a lc h i p s t h ep a p e r m e n t i o n st h ec o r r e s p o n d i n gs e n s o rd e s i g ne l e m e n t s t h em e a s u l e m e n tp r o g r a m m e r so f t e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t ys e n s o rn o d e sw e r ei n t r o d u c e d ( 3 ) t h ea c q u i s i t i o no fw i r e l e s sd a t an o d e sh a r d w a r ec i r c u i td e s i g na n dr e l a t e d d e v e l o p m e n ta n dd e b u g g i n gw a sc o m p l e t e d t h ed e s i g ni n c l u d e ds e n s o ri n t e r f a c e c i r c u i td e s i g na n dd a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n g - r e l a t e dp r o g r a m m i n g , r a d i of r e q u e n c y m o d u l e sa n dt h ei n t e r f a c ed e s i g no ft h em c ua n dp cc o m m u n i c a t i o n si n t e r f a c ed e s i g n e v e n t u a l l yi t a c h i e v e dal o w - p o w e r , d a t at r a n s m i s s i o na n dr e l i a b l ew i r e l e s sd a t a t r a n s m i s s i o ns y s t e m t h i ss y s t e mc a r lc o m p l e t eav e r yg o o di n d o o rl i v i n ge n v i r o n m e n t o ft h ec u r r e n ti n d i c a t o r so ft h ec o l l e c t i o nt a s k s a l t h o u g ht h ed e s i g no fw i r e l e s sd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mf o rt h ei n t e l l i g e n th o m ei n t h i sp a p e r t h es y s t e mc a l lb ei m p r o v e dw i mt h es e n s o rn o d e st of u r t h e re x p a n dt oo t h e r s u c ha si n d u s t r i a lc o n t r o l ，i n s t r u m e n t a t i o n ，a n do t h e rf i e l d so fs t a t e sm o n i t o r i n g k e y w o r d s ：s m a r th o m e ；d a t aa c q u i s i t i o n ；w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ；s e n s o r ； c i 。a s s n 0 ：t n 9 】9 7 2 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：耋南裔i 镭 导师签名： 、1 、o ，7 刁翩 签字日期：加口辟舌月t1 日签字日期：彤9 年月 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：锄碌堙签字日期：? 矿p ? 年d , 9 i 日 致谢 本论文的工作是在我的导师刘颖教授的悉心指导下完成的，刘颖教授严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来刘颖 老师对我的关心和指导。 刘颖教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予 了我很大的关心和帮助，在此向刘颖老师表示衷心的谢意。 刘颖教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心 的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，张雪冬、孟英、程丽娜和李静等同学对我论 文的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 1 1 课题的目的和意义 1 引言 随着计算机技术、通信技术、网络技术、控制技术和信息技术的迅猛发展与 提高，人们对所居住的环境提出了更高的要求，在这种形势下发展出了“智能家 居这一概念。 目前，智能家居通常被定义为利用通信、网络和综合布线技术，通过家庭信 息管理平台将与家居生活有关的各种子系统有机地结合的一个系统【1 1 。智能家居首 先要实现对所有家电设备和家居环境的监视，满足家居网络与外界进行通信的要 求，实现家庭的远程监控和信息的交换。智能家居的最终目的就是满足人们对安 全、舒适和方便的现代生活理念的追求。 智能家居中，对当前环境状况的监测分析是首要的，本文所设计的无线数据 采集系统即是针对智能家居中对室内生活环境指标如温度和湿度等进行采集分析 的解决方案。 数据采集技术是信息科学的重要组成部分，已广泛应用于各个领域。在数据 传输方式上，目前数据采集系统基本上是通过有线方式进行连接，有线方式的数 据传输速度快，可靠性高且运行稳定，能满足大多数情况的需要，但是其应用受 现场环境和应用对象的限制。近年来，随着射频技术、微电子技术及集成电路技 术的进步，无线通信技术取得了飞速的发展，无线通信的实现成本越来越低，传 输速度越来越快，可靠性越来越高，并且逐渐达到可以和有线网络相媲美的水平。 短距离无线通信技术是近年来的研究热点，将无线技术引入数据采集领域，可以 解决某些无法或不便布线的环境下的数据采集问题，以及解决有线网络带来的布 线麻烦、不易维护等缺点。本文所研究的数据采集系统是应用于智能家居领域的， 但也可以进一步拓展至其它诸如工业控制、仪器仪表等领域对象的状态监测。 随着计算机技术的发展和计算机技术在信号处理中的广泛应用，现代的测量 系统在数字信号处理方面的能力也大大加强了，形成了数字化测量技术。数字化 测量就是借助于各种类型的传感器检测外部世界的各种信号，并转换成电信号， 然后进行信号调理和a d 转换，使之转换成为能够在数字系统中迸一步处理的数 字信号。具体来说，就是将温度、湿度、气体密度等物理信号转化为数字量并传 递到计算机中。作为信息源头的传感器对计量测试技术的发展有着重要作用。目 前，传感器正不断朝着多功能性和智能性方向发展。 本课题将传感器技术和新兴的无线通信技术相结合，力图通过数据传输的无 线化来达到智能家居中布线不便时对室内生活环境指标数据的采集。 1 2 研究的背景和现状 1 2 1 传感器技术 传感器是直接作用于被测量，能按照一定规律将其转换成同种或别种量值输 出的器件，通常由三部分组成：敏感元件、转换元件、信号调理电路。它获取的信 息可以是各种物理量、化学量和生物量，而转换后的信息也有各种形式，通常是 将非电量或电量转换成易于处理和传输的电量。传感器技术是信息时代的重要组 成部分，而新型传感器技术又代表现代科学技术的发展方向。要推进国民经济、 国防建设与社会的信息化，必须抓住信息源这一环节。 信息时代促使传感器技术有了长足的进步，其应用领域越来越宽广，同时对 其要求也越来越高，对其需求也越来越迫切。因此，及时了解并掌握传感器技术 的新发展和新技术，特别是传感器与高性能信号调理电路结合使用的新技术，对 于更有效地应用电子技术来促进科研、生产的发展和社会的信息化是非常必要的。 随着微电子、计算机和网络技术的发展，传感器技术正向着微型化、智能化、 网络化、集成化的方向发展。 所谓微型集成化就是指将敏感元件与信号测量及处理电路都集成在同一芯片 上，使检测与信号处理一体化【2 】，从而使得整个传感器体积小型化。微型传感器已 经对大量不同应用领域，如航空、远距离探测、医疗及下业自动化等领域的信号 探测系统产生了深远影响：目前开发并进入实用阶段的微型传感器已可以用来测量 各种物理量、化学量和生物量。 智能化传感器是指那些装有微处理器的，不但能够执行信息处理和信息存储， 而且还能够进行逻辑思考和结论判断的传感器系统【2 】。目前智能化传感器技术正处 于蓬勃发展时期，其中基于模糊理论的新型智能传感器和神经网络技术在智能化 传感器系统的研究和发展中的重要作用也日益受到了相关研究人员的极大重视。 传感器网络是当前国际上备受关注的、由多学科高度交叉的新兴前沿研究热 点领域。传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信 技术、分布式信息处理技术等，能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监 测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，通过嵌入式系统对信息进行处理， 并通过随机自组织无线通信网络以多跳中继方式将所感知信息传送到用户终端。 2 1 2 2 嵌入式技术 嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础，软件硬件可剪裁，能满足 应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算系统。一般来 说，嵌入式系统的架构可以分为四个部分：处理器、存储器、输入输出和软件。 与通用计算机系统相比，嵌入式系统具有以下特点【3 1 ： 1 ) 嵌入式系统通常是面向特定应用的。嵌入式c p u 与通用型的最大不同之处 就是嵌入式c p u 大多工作在为特定用户群设计的系统中，它通常都具有低功耗、 体积小、集成度高等特点。 2 ) 嵌入式系统是将计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应 用相结合后的产物，是一门综合技术学科。 3 ) 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品 同步进行的，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，就具有较长的生命周期。 4 ) 为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储 器芯片或单片机本身中，而不是存储于磁盘等载体中。 2 0 世纪9 0 年代，嵌入式技术开始全面发展，目前己成为通信和消费类产品的 共同发展方向。嵌入式系统技术应用范围非常广阔，在工业控制、交通管理、信 息家电、智能家居、电子商务、环境检测及机器人等领域都有广泛的应用。随着 市场对嵌入式应用技术和产品的需求不断增长，以及半导体技术和系统设计方法 的不断进步，嵌入式系统呈现出以下发展趋判卅： 1 ) 精简系统内核、算法。嵌入式产品的软、硬件结合非常紧密，为了降低功 耗和成本，需要根据实际应用需求对系统内核进行合理的剪裁，只保留和系统功 能紧密相关的软硬件，同时还需要改进和优化算法，提高代码质量。 2 ) 功能多样化、结构复杂化。实际应用要求在嵌入式芯片上集成更多的功能， 如集成u s b ，c a n b u s 等串行通信模块，加强对多媒体、图形等的处理能力，采 用实时多任务操作系统以满足性能和实时性方面越来越高的要求。 1 3 数据采集的基本理论 1 3 1 数据采集技术概述 数据采集是指将各种模拟量进行采集、转换成数字量，再进行存储、处理、 显示或打印的过程。相应的系统称为数据采集系统。 模拟输入信号经过模拟多路开关，程控放大器，进入模拟数字转换器转换为 3 计算机可以接受的数字信号，计算机对数字信号进行存储和处理，并对对结果进 行显示，打印。 为了能充分利用户转换器的分辨率，即转换器输出的数字位数，应把模拟输 入信号放大到与转换器满量程电压相应的电平值。一般通用多路数据采集系统各 通道的模拟信号电压可能有较大差异，因此最好是对各通道采用适当的放大倍数 进行放大，即放大器的放大倍数可以实时控制改变。程控放大器能够实现这个要 求，就在于它的放大倍数随时可以由一组数码控制【5 】，这样，在多路开关改变其通 道序号时，控制放大器也由相应的一组数码控制改变放大倍数，即为每个模拟通 道提供最适合的放大倍数。 1 3 2 低通抽样定理 低通抽样定理：一个频带限制在厶以下的连续时间信号x ( o ，可由相距不大于 五= 1 2 厶的均匀时间间隔上的取样序列唯一地确定。 乃称为抽样间隔，与之相应频率石= 1 2 t , 称为抽样频率。抽样定理指出了能 够不失真地恢复原信号t ) 的最大抽样间隔或最低抽样频率，即 五1 ( 2 f , , ) 或石1 2 f h( 1 一1 ) 能够不失真地恢复原信号的最低抽样频率五= 2 厶称为奈奎斯特频率，与之相 应的最大抽样间隔五= l 2 f h 称为奈奎斯特间隔。 设带限信号为x ( t ) ，其频谱为x ( e o ) 。抽样脉冲序列为一周期信号冲击串磊( f ) ， 频谱为磊( 缈) 。抽样后得到的抽样信号为y s ( t ) ，频谱为y , ( c o ) 。 抽样的数学描述为 y a t ) = x ( ) 奉磊( f ) 由频率卷积性质可得 乓( 国) = 1 2 万 x ( 彩) 幸磊( 仞) 】 而露( f ) 的频谱为 所以有 磊( 缈) = 2 n - i t s 占一慨) 乓( 训= l l a x ( c o ) 宰占( 缈一刀略) 】 = 1 嚣x ( 面一，蛾) ( 1 - 2 ) y s ( t ) 的频谱乓( 缈) 是对x ( t ) 的频谱颤- 国- o o ) 以终为周期的周期延拓。在略2 的前提下，输出样值信号的频谱乓( a o 就不会发生混叠现象，理论上就可以通过一 个截止频率为的理想滤波器从乓( 彩) 中滤除x ( e o ) ，从而恢复原信号x ( 0 。如果， c o s 2 w ，则乓( 国) 就发生混叠现象，以致无法从乓( 缈) 中无失真的恢复原信号x ( o 。 4 为 从频域上看，抽样后信号经过传递函数为h ( c o ) 的理想低通滤波器后，其频谱 置( c o ) = h ( c o ) 1 五x ( c o - n c p s ) 瓦x ( 国) ( 1 - 3 ) 显然，根据采样定理应当满足略2 的条件。 从时域上看，重建信号可以表达为 如攀胍2 去奉等薹m 撇讽) = i t s x ( n t s ) g ( t - n t s ) ( 1 - 4 ) 其中 g ( f ) ：s i n c o n t( 1 5 ) h l ( 1 - 5 ) 式称为内插函数或核函数，( 1 4 ) 式称为内插公式。在每个采样点m t s 上， g ( t - m t s ) = l 而g ( t - n t s ) = 0 ，( m ) ，所以其能保证各采样点上信号不变，对于在不 为n t 的这些时刻，即为各采样函数延伸叠加而成 6 1 。 1 3 3 抗混叠滤波器 抗混叠滤波器的目的是将进a d c 采样的模拟信号变为带限信号，这样才能保 证采样后信号频谱不发生混叠。抗混叠滤波器的过渡带和阻带特性决定了残留的 带外信号的能量。理想的采样对抗混叠滤波器提出了严格的、通常是不现实的要 求。此时，之前的抗混叠滤波器应该对所有需要的频率( 肚) 全部通过，对大于 频率之上的信号具有无穷大的衰减，这样就不会产生频谱混叠。但是，实际的滤 波器无法实现这样的特性，实际的滤波器的衰减是从截止频率到阻带逐渐增加的， 而且阻带衰减也无法达到无穷大。因此，对于一个给定截止频率的实际滤波器， 以两倍截止频率采样将产生部分频谱混叠。从通带到阻带的过渡带越陡，采样信 号由频谱混叠引起的失真就越小【6 】。通常，需要用比较复杂的滤波器得到较陡的过 渡带和较高的阻带衰减，这样的模拟滤波器实现比较困难。另外，随着过渡带陡 度的增加，相位响应变得更加非线性，这又引起了采样信号的失真，因为信号通 带内相位的失真引起信号不同频率分量产生不同的延时，造成信号的失真。 为了缓解n y q u i s t 采样对抗混叠滤波器的要求，可以适当提高采样率，即使用 过采样的方法。 1 3 4 过采样 5 采样率大于n y q u i s t 采样率称为过采样，过采样的一个好处是采样信号频谱的 重复周期增大了，降低了对抗混叠滤波器的要求【刀。因此在设计抗混叠滤波器时， 可以放宽对滤波器陡度的要求，这样的滤波器的实现比较简单，同时可以有效地 降低由于频谱混叠造成的信号失真。当然，付出的代价是，同样的输入信号条件 下，需要更高的采样率，这就对提出了更高的要求。 1 3 5 带通抽样定理 带通采样允许采用远低于低通采样的采样率对带通信号进行采样，这意味着 可以使用较低采样率的a d c ，进而得到更高的特性、更低的功耗和更低的成本。 同时，带通采样可以用来将一个射频段或中频段的带通信号向下搬移为在较低中 频的带通信号或基带信号。一般通信系统中需要处理的信号都是带通信号，虽然 这些信号载波频率是非常高的，但是需要处理的信号相对于载波来说频带是比较 窄的，利用带通采样的方法，可以大大降低采样率，同时还可以完成频谱搬移的 过程。 1 3 6 数据采集系统 常用的数据采集系统有两种，一种是以单片微处理器为核心的数据采集系统， 它的构成主要由传感器、放大器、采样保持器、模拟多路开关、a d 转换器、微 处理器及其它一些外围器件构成。第二种是基于通用微型计算机的数据采集系统。 这类系统一般由计算机与数据采集卡组成，目前数据采集卡一般基于标准总线( 如 工控标准总线s t d 、传输位总线b i t - b u s 、c a n 总线、p c 总线等总线系统) 并带 有高速d s p ，通过计算机插槽与计算机相连，形成内插式工作方式【胡。数据采集系 统的基本功能主要有： 1 、数据采集 计算机按照预先选定的采样周期，对输入到系统的模拟信号进行采样，有时 还要对数字信号、开关信号进行采样。数字信号和开关信号不受采样周期的限制， 当这类信号到来时，由相应的程序负责处理。 2 、模拟信号处理 模拟信号有两种类型：一种是由各种传感器获得的低电平信号；另一种是由仪 器、变送器输出的0 - 1 0 m a ( 或4 2 0 m a ) 电流信号或0 - - 5 v ( 或0 - 1 0 v ) 的电压信 号。这些模拟信号经过采样和a d 转换输入计算机后，常常要进行数据正确判断、 标度变换、线性化处理等。 6 模拟信号对干扰信号很敏感，容易使传送中的信号的幅值和相位发生畸变。 因此，有时还要对模拟信号作零漂修正、数字滤波等处理。 3 、数字信号处理 数字信号处理，是把数字或符号表示的序列，通过计算机或专用处理设备， 用数字的方式处理这些序列，以到达更符合人们要求的信号形式。例如，对信号 的滤波，提取和增强信号的有用分量，削弱无用分量：或是估计信号的某些特征参 数。数字信号处理包括对信号进行滤波、变换、增强、压缩、估计、识别等内容。 4 、开关信号处理 开关信号主要来自各种开关器件，如按钮开关、行程开关和继电器触点等。 开关信号的处理主要是监测开关器件的状态变化。 5 、二次数据计算 把直接由传感器采集到的数据称为一次数据，把通过对一次数据进行某种数 学运算而获得的数据称为二次数据。二次数据计算主要有平均、累计、变化率、 差值、最大值和最小值等。 6 、数据存储 数据存储就是按照一定的时间或要求，将某些重要的数据存储在外部存储器 上。 7 、打印输出 打印输出就是按照一定的时间间隔或人为控制，定期将各种数据以表格或图 形的形式打印出来。 8 、人机联系 人机联系是指操作人员通过键盘或鼠标等与数据采集系统对话，完成对系统 的运行方式、采样周期等参数进行设置，还可以通过它选择系统功能、选择输出 需要的画面等。 目前，国外的数据采集系统的研制已经相当成熟，其采集精度高、采样速度 快、功能全，多是基于通用微型计算机的系统，但价格昂贵。国内的数据采集系 统虽然价格较低，但精度和速度与国外相比都有一定差距。 1 4 论文的主要内容和结构 论文全文共分为5 章，各章的内容安排如下： 第一章是引言，主要阐述了课题研究的目的和意义，并介绍了相关技术的研 究背景和现状。 第二章主要介绍了本课题的核心技术短距离无线通信技术的发展和趋 7 势，对几种常用的短距离无线通信技术进行了比较。 第三章首先确定了系统设计原则，介绍了系统的总体设计方案，并根据设计 要求选取了系统的主要元器件。 第四章就各个模块的器件选取以及具体硬件接口电路从设计思路入手作了详 细说明。 第五章介绍了系统的开发环境并着重说明了各模块的软件编程思路和流程 图。 最后对论文的研究设计工作进行了总结。 2 1 无线通信技术理论 2 无线通信技术 在过去的几年中，无线通信领域取得了很大的进展，这其中包括数字电路和 射频电路制作上工艺的进步、低功耗电路、高能电池以及微电子技术的采用。以 上诸多方面的发展使移动通信设备更加灵巧、经济、可靠。同样，数字通信技术 和数字调制技术的发展也发挥了很大的作用，它们使无线通信网络向更加经济、 更加容易操作的方向发展。 现代无线通信的主要技术与传统的有线通信有着很多共同点，通信系统的基 本结构是一样的。从信源产生的信号，经过发送器的处理：编码和调制，经由传输 信道，被接收器接收，经过接收机的反处理即解调和解码，最终到达信宿。与有 线通信不同的是无线通信的传输介质是电磁波。电磁波在无线信道( 大气) 中传播， 无线信道比有线信道要复杂得多，所以出现了一些新的技术以适应无线信道的信 号传输。 无线信道中，电磁波的传播有好几种方式：直射、反射、折射、绕射和散射 电磁波在传播的过程中能量还会被雨点、树叶等小的障碍物吸收，形成电波的损 耗。无线电波的传播与环境有着密切的联系。综合上述几点，无线电波传播的特 性可以用路径损耗、阴影衰落和多径衰落表示。 传播路径损耗是指电磁波直线传播的损耗，包括自由空间中传播与距离二次 方成反比的损耗，漫射和吸收等导致的损耗等。阴影衰落是无线通信信道环境中 的地形起伏、建筑物及其他障碍物对电磁波传播路径的阻挡而形成的电磁场阴影 效应。多径衰落是由于受环境的影响，在电磁波的传播路径上产生了反射、绕射 和散射，这样电磁波传输到接收设备时，信号不是单一路径来的，而是许多路径 来的多个信号的叠加。因为电磁波通过各个路径的距离不同，所以各个路径电磁 波到达接收设备的时间不同，相位也不同。不同相位的多个信号在接收端叠加， 有时是同叠加而加强，有时是反叠加而减弱。这样接收信号的幅度将急剧变化， 这就产生了多径衰落。 由于无线信道的衰落特性，在无线通信中出现了一些新的技术来减少这些衰 落对接收信号的影响，这就是抗衰落技术。现在常用的抗衰落技术有分集接收、 信道编码、信道均衡和扩频技术。分集接收的基本思想就是把接收到的多个独立 的信号加以处理，合理地利用这些信号来改善接收信号的质量。它通常用来减少 在平坦性衰落信道上接收信号的衰落深度和衰落的持续时间。分集接收充分利用 9 接收信号的能量，这样就无需增加发射信号的功率就可以提高接收信号功率。 信道编码的目的是尽量减少信道噪声或干扰的影响，是用来改善链路性能的 技术。它的基本思想是通过在发送信息中加入可控制的冗余比特，使信息序列和 添加的冗余码元之间存在相关性在接收端，信道译码器根据这种相关性对接收到 的序列进行检查，从中发现错误或进行纠正【8 】o i s m ( i n d u s t r i a ls c i e n t i f i cm e d i c a l ) 频段主要是开放给工业，科学、医学，三个 主要机构使用，该频段是依据美国联邦通讯委员会( f c c ) 所定义出来，属于自由频 段( f r e el i c e n s e ) 并没有所谓使用授权的限制。i s m 的频段有4 3 3 m h z 、8 6 8 m h z 、 9 1 5 m h z 、2 4 g 频段等，发射功率不能超过1 w 。 i s m 频段在各国的规定并不统一，如在美国有三个频段9 0 2 9 2 8 m h z ， 2 4 0 0 2 4 8 3 5 mh z 和5 7 2 5 5 8 5 0m h z ，而在欧洲9 0 0 m h z 的频段则有部份用于g s m 通信，我国的i s m 频段是4 3 3 8 6 8 9 1 5 m ，同时目前i s m 频段的扩频s s 系统接入 还包括2 4 gh z 和5 8 g h z 两个频段。2 4 g h z 为各国共同的i s m 频段，因此无线 局域网，蓝牙，z i g b e e 等无线网络，均可工作在2 4 g h z 频段上。 2 1 1 传播与通信距离 通信距离可以表示为传播和天线的一个函数，它与传播损耗和衰落成反比， 与天线增益成正比，要满足系统的通信距离的要求，就要同时考虑到电磁波的衰 减、天线的发射功率和增益，这样才能客观的设计出满足通信距离要求的系统。 上面提到电磁波在传播的过程中经历的几种衰减方式有：路径损耗、阴影衰 落和多径衰落。电磁波的损耗与系统的通信距离成反比，它是通信距离的直接的 负面影响，所以无线通信系统中必须研究应用系统环境中电磁波传播过程中的损 耗和衰落。 1 ) 路径损耗 路径损耗是直线传播过程中的损耗，无线电波在自由空间传播时不存在能里 损耗，而是因为波的扩展而产生的，这种损耗又称为自由空间损耗( f r e es p a c e l o s s ) 。电磁波从一个点波源向四面八方同等程度地辐射，来自波源的所有能量都 将通过以波源为球心的球体表面，随着球面到球心的距离增加，波源的能量将扩 散在很大的球面上，由于自由空间不吸收任何能量，所以损耗与距离( 即半径) 的二 次方成反比，可以表示为发射的功率p 。与天线接受的功率p r 之比。一个理想的天 线，自由空间损耗是 曼：丝型：( 4 x f d ) 2 例i 允2c 2 、7 1 0 用分贝的形式可以表示为 l = 2 0 1 9 f + 2 0 l g d + 3 2 4 5( 2 - 2 ) 其中，p 。是传输天线的信号功率，p ，是接收天线的信号功率，2 是载波波长， d 是天线之间的传播距离，c 是光速。根据这个公式，可以得出p ，与p 。的关系 e = c 2 p ( 4 x f d ) 2 ( 2 - 3 ) 2 ) 阴影衰落 阴影衰落通常又被称为慢衰落，称之为阴影衰落因为接收信号受到建筑物、 墙壁和其他物体的阻碍而使得接收信号强度围绕着平均值波动；称之为慢衰落是 因为信号强度随着距离的变化相对于多径产生的衰落而言要慢得多。 由于阴影衰落的影响，因此为了获得足够的信号覆盖范围，需要在考虑路径 损耗的同时，给接收信号强度增加一些衰落储备，就是增加一些额外的信号功率 以使给信号覆盖范围边缘地带提供所需的信号强度。路径损耗和阴影衰落对于接 收信号的影响属于大尺度衰落。在无线通信中还存在着小尺度衰落，它表现为接 收信号幅度快速的波动，它产生的主要原因有两种，第一种是多普勒效应，它是 由于无线收发两端的相对运动而产生的，第二种是多径衰落，它是由于沿不同路 径到达的信号的相加而产生的。 3 ) 多径衰落 多径衰落会导致信号幅度波动是因为不同相位的到达信号相加造成的。导致 相位不同的原因是信号沿着不同的路径传输了不同的距离。因为到达信号的相位 变化很快，接收信号的振幅因此快速波动，它的模型是一种特殊分布的随机变量。 多径衰落的最常见分布是r a y l e i g h 分布，它的概率密度函数为 rr 2 八，) 2 紊e x p ( 一寺) ，r o ( 2 - 4 ) 这里假设了所有信号衰落值都近似相等，但到达后的相位不同。r 是信号幅度 的随机变量。 小尺度衰落会产生非常高的误比特率。为了克服小尺度衰落效应，不能简单地 增加发射功率，因为它要求的发射功率增加量很大。为了减轻小尺度衰落效应， 可以使用各种各样的技术，例如带频谱交错的差错控制码、分集技术和定向天线 垒窿【8 】 1 do 2 1 2 调制方式 在使用无线传输的过程中，信道实际上是一个带通通道，这样只能在这段带 通信道中使用模拟传输。而终端产生的数据都是数字信号，所以就要将数字信号 调制成满足信道要求的模拟信号。常用的数字信号的调制方式有幅移键控( a s k ) 频移键控( f s k ) 和相移键控( p s k ) 等方式。 1 ) a s k 幅移键控( a m p l i t u d es h i f tk e y i n g ，a s k ) ：这种方式中，载波信号的强度随着 所表示的二进制1 或0 不断变化。只有振幅发生变化，而频率和相位保持不变。 常见的幅移键控的一个特例称为开关键控( o n o f fk e y i n g ，o o k ) 这这种调制 方式中，一种比特值是用无电压表示的，其优点是可以减少传输信息所需要的能 量。 2 ) f s k 频移键控( f r e q u e n c ys h i f tk e y i n g ，f s k ) ：这种方式中，载波信号的频率随着所 表示的二进制1 或0 不断变化只有频率发生变化，而振幅和相位保持不变。本文 中使用的无线收发模块p t r 8 0 0 0 所支持的就是这种调制方式。 频移键控最常见的形式是二进制频移键控( b f s k ) ，它使用载波频率附近的两 个不同频率来表示两个二进制值。 3 ) p s k 相移键控( p h a s es h i f tk e y i n g ，p s k ) ：这种方式中，载波信号的相位随着所表 示的二进制1 或0 不断变化。只有相位发生变化，而频率和振幅保持不变。最简 单的相移键控方案是二相相移键控。 2 1 3 编码 1 ) 信源编码 数字数据在数字信道上传输时必须进行编码，二进制的数据在传输的过程中， 对应于电平变换，可以采用不同的编码方式，为了提高实现抗噪声和定时能力， 可以选用一些特定的编码方式。在数据传输中常用的几种编码方式有：单极性码、 极性码、双极性码、不归零码、归零码、曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码。 曼彻斯特编码( m a n c h e s t e rc o d e ) ：曼彻斯特编码是一种双相码，它使用电平的 转换表示0 和1 ，负电平到正电平的转换表示0 ，正电平到负电平的转换表示l 。 在这里，电平转换既可以表示数据又可以作为定时信号使用。曼彻斯特编码通常 用在以太网中。 差分曼彻斯特编码：这种编码与曼彻斯特编码不同的是，这种编码的码元中 间的电平转换边只作为定时信号，而不表示数据。数据的表示在于每一位开始处 是否有电平转换：有电平转换表示0 ，无电平转换表示l 。 曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码都是双相码，双相码的每一个码元都要调 1 2 制为两个不同的电平，所以调制速率是码元速率的两倍。这样就对信道的带宽提 出了更高的要求，所以实现起来更困难也更昂贵。但由于其良好的抗噪声特性和 自定时能力，所以在局域网中被广泛使用。 2 ) 信道编码 在中央控制器与终端通信的过程中，会有很多的因素干扰正常的通信，数据 传输时会产生误码。其中最主要的两个因素是信道的噪声和多个终端之间引起的 数据之间的干扰。解决此问题可以有两种方法，加大信号的输出功率提高信噪比 或者对待传输的数据信道编码，进行差错控制。因为发射功率是受到一定的标准 限制的，如果超出了标准会造成电磁污染，所以第一种方法具有局限性。因此， 需采取保证数据传输完整和防碰撞的信道编码和访问控制技术来解决此问题。 信道编码的目的是使不带规律性或者规律性不强的原始信号变为带规律性或 者加强了规律性的数字信号。这样信道译码的时候就可以根据这些规律来判断是 否在传输中发生了错误，或者进一步的纠正错误使用信道编码技术可以对信道中 可能或者已经发生的错误进行控制，从而提高系统的抗噪声能力。 信道编码中进行差错控制的基本方法有两类，一类是“反馈纠错 ，另一类是 “前向纠错。在这两类的基础上又派生出来一种新的方式“混合纠错 。 在反馈纠错方式中通常使用的检错码有奇偶校验法、冗余校验法( c r c ) ，在前 向纠错中通常使用汉明码( h a m m i n gc o d e ) 。 奇偶校验，内存中最小的单位是比特，不带奇偶校验的内存每个字节只有8 位，如果其某一位存储了错误的值，就会导致其存储的相应数据发生变化，进而 导致应用程序发生错误。而奇偶校验就是在每一字节( 8 位) 之外又增加了一位作为 错误检测位。在某字节中存储数据之后，在其8 个位上存储的数据是固定的，因 为位只能有两种状态1 或o ，当c p u 读取存储的数据时，它会再次把前8 位中存储 的数据相加，计算结果是否与校验位相一致从而一定程度上能检测出内存错误， 奇偶校验只能检测出错误而无法对其进行修正，同时虽然双位同时发生错误的概 率相当低，但奇偶校验却无法检测出双位错误。 循环冗余校验( c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k ，c r c ) 是一种最常用也是最有效的差 错校验编码，其描述如下：给定一个k 位的数据块，发送器会生成一个( n - k ) 位的 位序列，称为校验序歹0 ( f c s ) ，这个序列要使最后得到的n 位的数据块可以被一些 预定的数整除。于是接收器用同样的数值对接收到的数据进行除法运算，如果正 好被整除，就是没有差错【s 】。 在数据存储和数据通信领域，c r c 无处不在，m r r 、a r j 、l h a 等压缩工具 软件采用的是c r c 3 2 ，磁盘驱动器的读写采用了c r c l 6 ，通用的图像存储格式g 珉 t i f f 等也都用c r c 作为检错手段。 c r c 的本质是模2 除法的余数，采用的除数不同，c r c 的类型也就不一样， 通常，c r c 的除数用生成多项式来表示。最常用的c r c 码的生成多项式有 c r c l 6 ，c r c 3 2 。 求c r c 码所采用模2 加减运算法则，既是不带进位和借位的按位加减，这种 加减运算实际上就是逻辑上的异或运算，加法和减法等价，乘法和除法运算与普 通代数式的乘除法运算是一样，符合同样的规律。 接收方将接收到的二进制序列数( 包括信息码和c r c 码) 除以多项式，如果余 数为o ，则说明传物中无错误发生，否则说明传输有误，用软件计算c r c 码时，接 收方可以将接收到的信息码求c r c 码，比较结果和接收到的c r c 码是否相同。 汉明码( h a m m i n gc o d e ) 是一种块纠正码，它被设计用来纠正一位差错。它是 一种多重奇偶检错系统。它将信息用逻辑形式编码，以便能够检错和纠错。 2 1 4 多路访问 在分布式环境的数据采集中，使用多终端会产生数据碰撞和隐藏终端的问题。 在现代通信系统中有很多解决数据碰撞和隐藏终端问题的方法，例如采用多址接 入，包括f d m a 、t d m a 、c d m a ，还有典型的多路访问协议a l o h a 协议、 c s m a c a 等。此外，有些协议之间是有交集的，例如轮询可以是在t d m a 之上 的对每个终端按照时间的顺序，依次查询。在权衡到终端的功耗、信号的单向传 输和系统复杂度的设计，通常选择合适的多址方式和多路访问协议或者是他们的 集合 使用多路方式旨在使多个终端共享的传输媒体，同时分享有限的无线电频谱 资源，即将可用的资