《基于ARM的无线数据传输系统的硬件及软件设计》8900字（论文）

Abstract信息工程系Ⅲ基于ARM的无线数据传输系统的硬件及软件设计摘要目前，物流运输主要包括：基于有线的物流运输、基于无线的物流运输。计算机无线局域网具有无需布线、安装时间短、后期维护方便等特点，所以弥补有线网络缺陷最迅速和最有效的方法是采用计算机无线通信网络。随着人们对无线业务需求的迅猛增长，无线通信技术得到了突飞猛进的发展。近年来，无线数据传输技术取得了丰硕的成果，其理论日益完善，而阻碍无线通信技术发展的主要障碍是信道衰落、干扰、频率选择性失真等。本文在查阅了大量的国内外的相关科技文献资料的基础上，对无线数据传输技术在应急通信领域的应用进行了研究。在一些突发事件的现场需要及时把信息反馈到处理中心，但是手机信号可能被掐断，这时就需要一个无线数据传输系统用来应急通信。为了有效的解决此问题，本系统的设计包含两路模数转换接口、一个RS485接口和一个以太网口用来实现信息的采集，LM3S6569和CC1101芯片用来实现数据的无线物流运输，采用调频技术有效地抗击干扰，确保了传输数据的价值。另外，本文运用Eagle软件设计了系统电路图，并生成了PCB板，为本系统功能的实现提供了理论基础。关键字：无线数据传输技术，LM3S6965，CC1101，Eagle目录第一章绪论 信息工程系第一章绪论1.1无线数据传输技术通信技术有很多的分支，其中无线通信是其中重要的分支。根据传输介质的类型，通信系统可分为有线和无线两大类别。根据信道上传输的信号类型（介质可以理解为窄信道），系统可以分为数字通信和模拟通信。与模拟通信相比，数字通信具有抗干扰能力强、计算机集成和接口简单、易于使用数字信号处理技术等优点。数字通信几乎总是取代模拟通信。随着网络和通信技术的飞速发展，无线数据通信以其组网灵活、布线灵活、不受地理环境限制等优点成为首选，广泛应用于遥控、遥测等诸多领域。数据通信是发射机本身传输数字信号的一种通信方式，在大多数情况下，数据通信采用数字通信的传输方式。因此，数据通信系统可以描述如下。数据通信=数据处理+数据传输无线数据通信是利用无线电波作为数据传输的媒介。一种通信系统，它将来自计算机或其他设备的数据信息调制到用于传输和接收的载波频率上，并使用各种通信协议将无线站连接到网络。它是计算机网络技术和无线通信技术的结合，与有线数据通信相比，具有成本更低、网络灵活、终端移动等特点。附图说明图1展示无线数据通信系统的框图[2]。图1无线数据通信系统框图1.2研究背景及意义在过去的十年中，无线通信技术随着无线服务需求的快速增长而呈指数级发展。无线通信技术发展的主要障碍是信道衰落、选频失真和干扰。这些不利影响可以通过增加使用的频段和服务区内的基站数量来减少，但这些方法是系统性的。通信技术历经了两次重大转变，从有线到无线，从模拟到数字。短短几十年间，无线通信经历了从第一代到第三代的重大转变。目前，物流运输主要包括：基于有线的物流运输、基于无线的物流运输。随着传输网络范围的不断扩大，现场环境越来越多样化，传输的目标形式越来越多样化，对驱动程序和用户桌面的要求越来越高，结构越来越多复杂的。传输系统正变得越来越分散。当今的物流运输系统由于结构复杂、分布距离远、需要将不同平台整合成网络，难以通过电缆解决。随着计算机硬件成本的降低和功能越来越强大，物流运输系统开始使用计算机网络系统。计算机无线局域网具有无需布线、安装时间短、后期维护方便等特点。因此，克服有线网络缺点的最快、最有效的方法就是使用无线计算机通信通讯网络。远距离数据传输网络在1980年代初开始使用。随着计算、通信和无线技术的逐渐融合，基于传统有线通信的无线数据传输正在迅速发展。安全性高，广泛用于紧急情况。通讯、遥控玩具、环境监测、电气自动化等领域。该单片机重量轻、体积小、抗干扰能力强、价格低廉、性能可靠、易于开发。在了解了单片机之后，广大工程技术人员也可以独立开发出自己需要的单片机系统。因此，单片机广泛应用于工业自动控制、智能设备自动识别、家电等领域[11]。它基于无线通信的便利性和速度以及微控制器的成本效益。在一些专业应用中，微控制器与主机之间的通信使用无线而不是有线数据通信。因此，使用无线收发模块结合单片机可以设计出更实用的无线数据采集系统，进而在此基础之上组建无线通信网络。目前，各行业对数据无线传输的要求越来越高，采用无线的方式来进行数据传输的需求也就随之日益迫切。1.3本文工作和章节安排本文对无线传输数据技术的发展及现状进行了介绍，对跳频技术，eagle软件进行了介绍及应用，针对ARMLM3S6965对CC1101芯片的硬件连接和软件控制方式进行了研究和介绍，并通过eagle软件仿真，更好的认识了无线数据传输实现过程中各模块之间的相互作用。论文的内容安排如下：第一章介绍了研究的背景意义，对无线数据传输技术在国内外的发展状况进行了概括分析，进而确定了本文的主要研究内容。第二章介绍无线数据传输过程中涉及的相关知识。介绍了跳频技术的原理，CC1101芯片与ARM的特点，这是本系统实现的理论基础。第三章介绍了LM3S6965和CC1101芯片在系统设计中的具体运用及硬件接口设计。第四章介绍了eagle软件的功能，并运用eagle软件进行仿真。

第二章系统理论基础本白皮书将系统分为硬件设计和软件设计。硬件部分主要完成主控模块设计、无线通信模块设计、模块间接口电路设计等相关电路设计任务。软件部分主要完成硬件平台的启动、操作系统的传输、通信模块的驱动、无线通信协议的实现等。接下来对本设计中涉及的理论基础进行阐述。首先对本系统采用的跳频技术进行介绍。2.1跳频技术跳频扩频(FHSS)为了同步，两端同时在特定窄带载波上接收和发送信号。FHSS产生的跳频信号对于非特定接收机来说是这样的：只要与之配对，它就是脉冲噪声。FHSS开发的信号可以经过专门设计，以避免噪声或非重复的一对多通道。这些跳频信号必须满足FCC对使用75以上的跳频信号并跳频到下一个最大频率的要求。频率间隔（停留时间）为400ms。输入信号输入信号调制器滤波器天线混频器载波频率合成器跳频指令发生器（a）发生器输入网络混频器滤波器解调器输出信号载波频率合成器跳频指令发生器天线（b）接收图2跳频通信原理2.2CC1101芯片的概述 图3CC1101芯片引脚顶视图表1外接引脚介绍：引脚编号引脚名引脚类型描述1SCLK数字输入连续配置接口，时钟输入2SO(GD01)数字输出连续配置接口，数据输出当CSn为高时为可选的一般输出脚3GDO2数字输出一般用途的数字输出脚：测试信号FIFO状态信号时钟输出，从XOSC向下分割连续输入TX数据4DVDD功率（数字）数字I/O和数字中心电压调节器的1.8V-3.6V数字功率供给输出5DCOUPL功率（数字）对退耦的1.6V-2.0V数字功率供给输出注意：这个引脚只对CC2500使用。不能用来对其他设备提供供给电压6GDO0(ATEST)数字I/O一般用途的数字输出脚：测试信号FIFO状态信号时钟输出，从XOSC向下分割连续输入TX数据也用作原型/产品测试的模拟测试I/O7CSn数字输入连续配置接口，片选8XOSC_Q1模拟I/O晶振引脚1或外部时钟输入9AVDD功率（模拟）1.8V-3.6V模拟电源连接10XOSC_Q2模拟I/O晶振引脚11AVDD功率（模拟）1.8V-3.6V模拟电源连接12RF_PRFI/O接收模式下到LNA的正RF输入信号13RF_NRFI/O发射模式下到LNA的正RF输出信号14AVDD功率（模拟）接收模式下到LNA的负RF输入信号15AVDD功率（模拟）发射模式下到LNA的负RF输出信号16GND地(模拟)模拟地17RBIAS模拟I/O用于电流基准的外部偏置电阻18DGUARD功率（数字）用于数字噪声隔离的电源连接19GND地（数字）数字噪声隔离地20SI数字输入连续配置界面，数据录入2.3ARM处理器2.3.1ARMCortex-M3内核简介ARMCortex-M3处理器提供了一个高性能、高性价比的平台，其内核满足最小内存实现、简化引脚数和低功耗的要求。同时，它还提供了出色的计算能力和对系统中断的出色响应能力。其主要特性[6]：紧凑的内核Thumb-2指令集，在通常与8位和16位设备相关的存储容量中，特别是在微控制级应用的几千字节存储量中，提供ARM内核所期望的的高性能。优越的中断处理能力，通过执行寄存器操作来实现，这些寄存器操作在处理硬件中断时使用。存储器保护单元为复杂的应用提供特权操作模式。从ARM7处理器系列中移植过来，以获得更好地性能和电源效率。LM3S6965的功能模块图本系统使用的LM3S6965微控制器是LuminaryMicro推出的一款基于ARM®Cortex™-M3内核的微控制器，具有高性能32位计算能力。它具有非常丰富的外围模块、强大的处理和控制功能、更小的封装、极低的功耗。LM3S6965功能模块方块图如图所示：图4LM3S6965功能模块示意图

第三章硬件平台总体设计3.1微处理器的选择3.1.1微处理器内核处理器是各个节点的计算核心。设计很重要，因为所有的设备控制、任务调度、功能协调、通信协议转换、数据集成和数据输出都必须在这个模块的支持下完成。在为嵌入式系统选择处理器时，应考虑以下几个方面：处理器性能、支持的开发工具、支持的操作系统、以往的开发经验、处理器成本、功耗、代码兼容性、算法复杂度。首先，我们主要从以下几个方面进行分析：1)微处理器速度。这以时钟或机器周期表示，通常基于实际应用要求。系统功能比较复杂，需要运行嵌入式操作系统，扩展性强，对处理器速度有一定要求。2)微处理器的位数。当今常用的8位、16位和32位微处理器。8位微控制器主要针对低成本应用而设计，片上资源少，可扩展性低，性能低，只能完成一些基本任务，发展迅速，无法满足节点主控模块的需求.16位微控制器通常用于需要更长字长或单独的存储器和I/O设备的更高级应用。32位产品是当今应用的主流，可以提供很高的性价比。各嵌入式处理器厂商将此视为重点，是8位系统平滑升级的首选。3)指令系统。强大的指挥系统意味着丰富的指令（更基础的指令）和强大的指挥能力。这使得程序设计更加方便，减少了系统处理数据所需的时间，并提高了整体系统性能。4)内置调试工具。作为初步调查系统，可以使用处理器内置的调试工具，显着缩短调试周期，降低调试难度。5)电源类型和功耗。这是便携式系统平台的必备功能。从以上五个要求入手，从常用的32位微处理器（ARM、POWERPC、MIPS）中选择一个ARM（AdvancedRISCMachines）处理器作为系统微处理器。最后，从系统升级的角度，我们采用了ARMCortex-M3内核的ARM系列微处理器作为系统的核心处理器，实现了从简单到复杂的转变和实用性。3.1.2片内外围电路各个制造商都在添加由外围电路组成的片上系统SOC。几乎所有的ARM芯片都为不同的应用学科扩展了相关的功能模型。因为ARM只是系统核心，所以市面上的各种ARM芯片，最终都会有不同的block，集成到芯片里面，产生USB接口、IIS接口、LCD控制器、RTC、ADC、DAC等片上外围电路。因为DSP协处理器可以设计如下。根据系统的需要，尽可能使用片上外围电路执行所需的功能。这不仅简化了系统设计，而且提高了系统的可靠性。外设接口功能的选择主要取决于系统要求和每个IC制造商对产品范围的不同定位。我们的设计专注于异步串行接口(UART)、同步串行接口(SPI)、片上模数转换器、定时器、i2c接口等。基于以上因素，我们选择的系统微处理器具有高工作频率、大容量片上存储器、众多I/O接口、片内集成众多外围控制器等特点。基于ARMCortex-M3内核的ARM处理器应用广泛，在满足上述条件的众多处理器中，选择了LuminaryMicro的LM3S6965作为系统主控平台的核心处理器。分析具体的功能和特点。在2.3.1节。这也是选择该处理器的一个重要原因，因为它可以使用Eagle进行电路仿真和在软件环境中进行仿真开发。3.2射频芯片的选择随着无线通信技术的发展，无线收发芯片的集成度和性能有了很大的提高，芯片性能也有自己的特点。因此，无线收发芯片的选择在设计中非常重要。通过正确的选择您可以减少开发难度、缩短开发周期、降低成本并更快地将您的产品推向市场。选择无线收发芯片时，需要考虑功耗、发射功率、接收灵敏度、传输速度、从待机模式到工作模式的唤醒时间、收发芯片所需的外围元件数量、芯片成本等这样的系统设计的主要重点是：(1)外围元件数量由于芯片上外设的数量直接决定了产品的成本，所以应该选择外设数量少的收发芯片。此外，外围元件越少，系统设计就越简单，开发调试也就越容易。(2)芯片功耗由于我们设计的最终用途是哨兵携带的移动终端，因此功耗非常重要，我们需要选择功耗更低的产品。(3)发射功率在同等条件下，需要选择发射功率大的产品，才能保证有效可靠的通信。但是，发射功率也应该适合实际需要。对于系统所需的短距离无线数据传输，传输功率越高越好。(4)收发器芯片封装和更少的引脚和更小的封装将有助于减少PCB面积。降低适合设计和开发便携式产品的成本。综合以上因素，我们选择CC1101芯片进行设计。它没有其他芯片强大，但可以满足系统要求。另外，价格低廉，收发灵活，接口电路设计简单，功耗和发射功率比较合理。应用广泛，参考文献多，案例成熟。这节省了开发和建设时间。具体特征和特征分析见2.3节。3.3硬件电路抗干扰措施3.3.1电路设计中的抗干扰措施无线数据传输系统的可靠性非常重要，而可靠性的一个重要指标就是系统的抗干扰性能，尤其是高频模块的抗干扰能力直接关系到系统的正常运行.本系统主控模块采用ARM处理器为核心处理器，抗干扰能力强，但配置外围电路时必须全方位考虑干扰。分析表明，系统干扰主要影响以下几个方面包括：PCB设计中的电源干扰、外围功能模块（RF模块）干扰、电磁干扰。因此，硬件设计和实现必须仔细考虑这些可能的干扰，并通过手段尽量减少这些干扰的影响，包括滤波技术、去耦技术、屏蔽技术、隔离技术、接地技术等。本系统将主控模块和高频模块分开设计，高频模块通过插入连接器与主控模块外部相连，避免了数字电路对高频的干扰频率模块，可以有效地防止这种情况发生。3.3.1PCB布线中的抗干扰措施(1)遵循布线规则，规范走线。印制电路板布线时，遵循屏蔽规则（高频信号线被地线屏蔽）、阻抗匹配规则（走线宽度不会大幅度增加或减少）、开环布线规则（不能形成布线规则，如（两点之间）和串扰分析控制规则（信号线之间无铰链耦合）。布置电源线时，将电源线和地线的方向与数据信息的传输方向对齐，加强降噪功能，尽量减少电源线的有效边缘区域，形成高压，大电流传输线、低电平、小电流-信号线应尽量保留，避免平行敷设。此外，增加电源和接地走线的宽度（使用40mil走线）以降低环路阻抗。避免模拟信号线的垂直走线。(2)数模分离，细致布局。为了防止数字和模拟电路相互影响，数字和模拟电路是分开布线的。所有组件地线、VDD连接线和VDD去耦电容应尽可能靠近组件。系统时钟电路应尽可能靠近CPU，信号线不应在其下方或附近运行。保持线与其他控制线之间的间距恒定，以防止数字控制线在VCO电感和连接nRF401模块的PLL环路滤波器组件的VCO电感引脚之间运行，天线匹配装置应位于电路板的下侧。(3)合理过孔和铺铜。选择适当的通孔尺寸。较小的过孔可减少寄生电容并节省布线空间。要降低阻抗，需要增加电源或接地过孔的尺寸。电源和接地引脚应靠近在一起。孔、通孔之间的短引线和引脚可降低感应效应。尽量减少信号走线中的过孔数量，并在信号过孔附近放置一些接地过孔，为信号提供较短的返回路径。nRF401模块使用PCB天线，天线下方没有接地层。为了减少分布参数的影响，在PCB的顶层和底层上沉积铜，用更多的过孔将它们紧密连接，然后将VSS管脚连接到铜表面[12]。3.4系统各模块电路图设计图6LM3S6965各个模块与外围电路连接的硬件设计图图7RS485口及两路模数转换的具体接口图。图8天线的具体电路图。图9CC1101芯片工作在433MHz频段的电路设计图。图10RS485接口的具体电路图。1.本系统中CC1101芯片功能的实现是由ARM控制的，而CC1101芯片的配置是通过SPI口进行的。SPI口包括SI、SO、SCLK、CSn口。由图可看出：CC1101芯片的SCLK口与ARM的SSI口相连接，因此，LM3S6965通过同步串行接口对CC1101芯片时钟输入，实现连续配置。CC1101芯片的SO口与ARM的SSI口相连接，因此，LM3S6965通过同步串行接口对CC1101芯片数据输出，实现连续配置。CC1101芯片的SI口与ARM的SSI口相连接，因此，LM3S6965通过同步串行接口对CC1101芯片数据输入，实现连续配置。CC1101芯片的CSn口与ARM的SSI口相连接，因此，LM3S6965ARM通过同步串行接口对CC1101芯片数据输入，实现芯片选择。图6后连接天线，实现数据的传输。2.本系统包括两个模数转换接口，LM3S6965内部含有模数转换功能，转换器本身为选定的模拟输入产生一个10位的输出值。一些模拟端口可用于最小化输入失真。还有一个RS485接口，一个以太网口。由图可看出：LM3S6965通过I2C接口与RS485口相连接，I2C总线支持能够发送和接收（读和写）数据的器件。LM3S6965通过RX、TX接口与以太网口相连接。

第四章原理图和PCB制作EAGLE是Cadsoft公司开发的一款实用的、用于电路原理图和PCB设计的EDA软件，使用该软件可以方便的画出电路原理图、设计新的元件、生成PCB图、生成制造数据等。它支持多种语言，可以在Windows系统、Linux系统、和苹果公司的MacOSX系统下进行安装[8]。4.1EAGLE的功能EAGLE提供了多个版本。您可以在最低版本的PCB编辑器中通过升级来添加Autorouter（自动布线功能）和/或SchematicEditor（原理图编辑器）。单独的原理图编辑器可用于绘制线路框图。这时您并不需要PCB编辑器。其用户界面与该软件的其他功能界面相同。PCB编辑器PCB编辑器带有元件库编辑器、CAM（计算机辅助制造）程序、以及文本编辑器，让您能够进行PCB（印刷电路板）的设计工作。通过元件库编辑器您可以设计封装（Footprint），符号和元件（针对原理图）。CAM处理程序是一种能够为PCB的生产提供数据输出的程序（例如Gerber或者drill文件）。在使用UserLanguageprograms（用户语言程序）和Scriptfiles（脚本文件）时也支持这些功能。原理图编辑器不带有PCB编辑器的原理图编辑器适用于绘制电气连接图（接线图、触点电流图等）。该原理图编辑器与PCB编辑器相同，都带有完整的元件库编辑器，用于为原理图和PCB设计绘制符号和封装图形，并且还带有CAM处理程序以及文本编辑器。您还可以使用用户语言程序和脚本文件。如果您要设计电子系统，那么您应该同时使用原理图编辑器和PCB编辑器。这样您就可以随时轻松的生成相应的电路板。当EAGLE切到PCB编辑器，由鼠线（rubberbands）连接的封装图形就会出现在一块空电路板旁边。自此您就可以像往常一样通过PCB编辑器设计电路板了。EAGLE的原理图编辑器和PCB编辑器能够自动保持同步（正反向标注）。在专业版中原理图最多可以包含999个页面（标准版为99个）。页面预览会显示在原理图编辑器窗口的左边。自动编辑器可以实现单一网络、网络组或者整个网络的自动布线功能。该软件能够对具有不同线宽和最小线间距的不同网络进行处理。自动布线器也被作为跟随布线器的基本引擎。这是手动布线命令ROUTE的一种高级操作模式。该模式能够自动计算和显示被选信号的连线。4.2系统PCB板的生成利用Eagle软件自动布线的功能生成PCB板，但是，它一般不会产生想要的结果，也不是100%通过，很麻烦，而且通常需要花费大量时间来完成剩下的工作，所以手动布线在现在和将来都是印刷电路板设计的一个重要过程。无论关键信号的数量如何，这些信号的路由都可以结合自动路由工具手动完成。在信号走线长度方面，约束较少的信号走线非常长，这使得它们更容易处理，并且可以允许手动编辑以减少信号走线长度和过孔数。布线完成后，检查这些信号路径。检查后，固定电线并使用相同的程序开始铺设其余信号。走线的数量取决于电路的复杂性和定义的一般规则的数量。一旦每种信号类型准备就绪，网络其余部分的路由限制就会放宽。但是，这会导致需要人工干预的大量信号路由。如今的自动路由工具非常强大，通常执行100%路由。但是，如果自动布线工具没有布线所有信号，必须手动布线剩余的信号。在以前的设计中，我们经常关注电路板的外观，但现在情况不再如此。自动设计的电路板可能看起来不如手动设计的电路板，但它们满足指定的电子特性要求并保证完整的设计性能。

第五章结论本文在分析了无线数据传输技术在各领域的应用的基础上，研究设计基于ARM的无线数据传输系统原型，完成软硬件平台及底层软件的搭建，为实现技术应用奠定基础。主要工作包括：(1)整个系统架构的设计。设计了一种可扩展、模块化、分层的应急通信无线传输系统的软硬件结构模型。(2)基于ARM微处理器的无线数传系统硬件平台设计，完整的电源、时钟，串行通信外围电路设计，基于LM3S6965的系统主控模块开发及调试接口，基于..CC1101RF模块，电路设计。(3)完成系统电路PCB板的生成。讲解多任务编程和驱动设计方法，实现串口通信和射频模块驱动软件设计。包括基于ARM的主控模块和基于CC1101的射频模块的电路设计，嵌入式操作系统平台的搭建，基于串