大學(xué)嵌入式教材_嵌入式WiFi技術(shù)研究與通信設(shè)計

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嵌入式WiFi技術(shù)是當(dāng)前無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的一個熱點(diǎn)。本文介紹IEEE802.11b的基本技術(shù)，給出一種在 嵌入式環(huán)境中的WiFi通信設(shè)計方案;通過一個移動監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的具體實現(xiàn)，說明方案的有效性。 關(guān)鍵詞 IEEE802.11b嵌入式WiFi TCP/IP 移動監(jiān)護(hù) 目前，IEEE802.11無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)在語音通信、無線辦公等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，但主要還是局限在PC機(jī)、筆記本電腦等通用平臺的無線通信。無線局域網(wǎng)在信息家電、工業(yè)控制、移動手持設(shè)備等嵌入式環(huán)境中的應(yīng)用需求日益增多。如何在嵌入式系統(tǒng)中整合WLAN寬帶通信，成為嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用中的一個熱點(diǎn)。 1 IEEE802.11b無線局域網(wǎng) IEEE802.11系列包括IEEE802.11、IEEE802.11a、IEEE802.1lb、IEEE802.1lg四個標(biāo)準(zhǔn)�，F(xiàn)階段 IEEE802.11b的產(chǎn)品比較多。本文主要針對IEEE802.1lb標(biāo)準(zhǔn)，介紹嵌入式WiFi的實現(xiàn)。 IEEE802.11b標(biāo)準(zhǔn)是在IEEE802.11的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，工作在2.4 GHz頻段，采用CCK調(diào)制技術(shù)，最高傳輸率能夠達(dá)到11 Mbps，具有部署方便、通信可靠、抗干擾能力強(qiáng)、成本低、靈活性好、移動性強(qiáng)、高吞吐量等特點(diǎn)。它使得無線用戶可以得到以太網(wǎng)級的網(wǎng)絡(luò)性能、速率和可用性，并且可以無縫地將多種LAN技術(shù)集成起來，形成一種能夠最大限度地滿足用戶需求的網(wǎng)絡(luò)。WiFi是Wireless Fidelity的縮寫，專指IEEE802.11b無線標(biāo)準(zhǔn)。在介紹IEEE802.11b的工作模式之前，首先介紹幾個基本的概念。 1.1 IEEE802.11b基本概念 STA是指接入無線媒介的部分，常被稱為網(wǎng)絡(luò)適配器或者網(wǎng)絡(luò)接口卡。STA可以是移動的，也可以是固定的。每個STA都支持鑒權(quán) （authentication），取消鑒權(quán)（deauthentication），加密和數(shù)據(jù)傳輸?shù)取?基本服務(wù)集BSS（Basic Service Set）是IEEES02.11b 局域網(wǎng)的基本構(gòu)成單元，基本服務(wù)集中可以包含多個STA。BSS基本服務(wù)集都有一個覆蓋范圍。在該覆蓋范圍內(nèi)基本服務(wù)集的成員STA可以保持相互通信，每個BSS有一個基本服務(wù)集識別碼BSSID。 獨(dú)立的基本服務(wù)集IBSS（Independent BSS）是最基本的IEEE802.11b局域網(wǎng)類型，一個最小的IEEE802.11b局域網(wǎng)可以僅僅包含兩個STA。在這種模式下，STA能夠直接通信。因為這種類型的IEEES02.11b局域網(wǎng)通常在需要的時候才安排，所以這種網(wǎng)絡(luò)工作模式通常被稱為ad hoc（拉丁語，可譯為“自組網(wǎng)”）模式。站點(diǎn)（STA）與基本服務(wù)集（BSS）之間的相互關(guān)系是動態(tài)的，STA可以自由地開機(jī)、關(guān)機(jī)、進(jìn)入或離開BSS 覆蓋范圍。 DSS（Distribution System Service），用于連接多個BSS。由于物理層覆蓋范圍的限制決定了所能支持的STA與STA之間的直接通信距離。為了解決這個問題，引入 DS（Distribution System），它可以把多個BSS構(gòu)成一個擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)。 AP是Access Point簡稱，一般翻譯為“無線訪問節(jié)點(diǎn)”或“橋接器”。主要在媒介訪問控制層MAC中扮演無線工作站及有線局域網(wǎng)絡(luò)的橋梁。 ESS（Extended Service Set），DS和多個BSS允許IEEE802.11構(gòu)成一個任意大小和復(fù)雜的無線網(wǎng)絡(luò)。IEEE802.11b把這種網(wǎng)絡(luò)稱為擴(kuò)展服務(wù)集網(wǎng)絡(luò)。同樣，ESS也有一個標(biāo)識的名稱，即ESSID。 1.2 IEEE802.11b的工作模式 IEEE 802.1lb有兩種工作模式：Ad-hoe和Infra—structure模式。IEEE標(biāo)準(zhǔn)以獨(dú)立的基本服務(wù)集（IBSS）來定義Ad-hoc模式工作的客戶端集合，以基本服務(wù)集（BSS）定義以Infrastructure模式工作的客戶端集合。 在Ad-hoc模式中，客戶端不能直接和網(wǎng)絡(luò)外其他的客戶端通信。Ad-hoc模式的設(shè)計目的是使在同一個頻譜覆蓋范圍內(nèi)的客戶間能夠互相通信。如果一個 Ad—hoc網(wǎng)絡(luò)模式中的客戶想要和該網(wǎng)絡(luò)外的客戶通信，則該網(wǎng)絡(luò)中必須有一個客戶做網(wǎng)關(guān)并執(zhí)行路由功能。 而在Infrastructure模式中，每一個客戶將其通信報文發(fā)向AP.AP轉(zhuǎn)發(fā)所有的通信報文。這些報文可以是發(fā)往以太網(wǎng)的，也可以是發(fā)往無線網(wǎng)絡(luò)的。這是一種整合以太網(wǎng)和無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的應(yīng)用模式。無線訪問節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)頻段管理及漫游等指揮工作。一個AP最多可連接1024個站點(diǎn)。 2 嵌入式WiFi的設(shè)計 嵌入式WiFi的結(jié)構(gòu)與標(biāo)準(zhǔn)PC/OS平臺上的實現(xiàn)有所不同。要在普通的微處理器/微控制器上實現(xiàn)WiFi通信，其硬件結(jié)構(gòu)、軟件層次都必須進(jìn)行裁減。下面以Prism MAC為例說明嵌入式WiFi的軟、硬件設(shè)計。 2.1 嵌入式WiFi的硬件設(shè)計 嵌入式環(huán)境中WiFi的硬件接口如圖1所示。與標(biāo)準(zhǔn)平臺相比，中間沒有PCMCIA橋。圖1是嵌入式環(huán)境中的PC2MCIA接口的網(wǎng)卡與總線開放MCU的連接。

  

由于Prism MAC包括Memory space和I/O memory兩個空間，所以需要兩個片選通過或門控制讀寫空間的選擇。PCMCIA封裝的Prism MAC有26根地址線，驅(qū)動Prism MAC僅僅需要地址線A0～A9，其他地址線全部接地。對于總線不開放的處理器，可以使用I/O口線模擬的方式進(jìn)行讀寫。 2.2嵌入式WiFi的軟件設(shè)計 在WinCE、Linux等操作系統(tǒng)環(huán)境下，可以使用廠家提供的設(shè)備驅(qū)動來使用WiFi網(wǎng)卡。這種系統(tǒng)一般對硬件資源（如CPU性能、存儲器容量等）有較高的要求。對于許多嵌入式應(yīng)用，由于硬件資源的限制，很多系統(tǒng)都在簡單OS（如uC/0S等）或無0S的環(huán)境下運(yùn)行，這時就需要對整個軟件協(xié)議作適當(dāng)?shù)牟脺p。圖2是嵌入式WiFi的軟件結(jié)構(gòu)。 圖2中，TCP/IP協(xié)議的實現(xiàn)在許多文章中已經(jīng)有較多的講述。這里主要以Prism MAC為例，介紹無限網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動，即嵌入式WiFi的驅(qū)動。 Prism MAC提供給用戶一組接口寄存器，通過這些寄存器和Prism MAC進(jìn)行通信。這些寄存器位于Attribute Memory[2]空間中，可以使用AttribLlte Memory地址直接訪問。表1列出了PRISM MAC的常用寄存器及其定義。

  

為了讀寫這些寄存器，定義了兩個函數(shù)：unsigned int getReg（unsigned int reg）和void selReg（unsigned int reg， usnigned int val）。Prism MAC驅(qū)動就是向命令寄存器發(fā)命令來操作MAC。常用的命令有分配buffer、查詢網(wǎng)卡狀態(tài)、初始化網(wǎng)卡、讀數(shù)據(jù)、寫數(shù)據(jù)等。

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Prism MAC驅(qū)動程序需要為上層提供MAC的讀寫函數(shù)和一些控制函數(shù)，實現(xiàn)的函數(shù)原型如下： void init_mac（void） void reset_mac（void） WORD wc_write（WORD*buff，WORD len） WORDwc_read（WORD*buff，WORDmaxlen） B00L get_wlan（void） reset_mac（void）用于在系統(tǒng)啟動或者系統(tǒng)需要復(fù)位時，復(fù)位Prism MAC，同時對驅(qū)動使用的變量進(jìn)行初始化。inh_mac（void）函數(shù)完成初始化網(wǎng)絡(luò)控制器和固件，同時向網(wǎng)卡控制器申請使用的buffer，保存需要用到的RID。wc_write（W0RD*burf，W0RD len）函數(shù)把buff中的len個字節(jié)寫入到MAC的發(fā)送緩沖區(qū)，然后寫發(fā)送命令到網(wǎng)卡的命令寄存器發(fā)送數(shù)據(jù)，函數(shù)返回實際發(fā)送的數(shù)據(jù)長度。 wc_read（WORD*buff，WoRD maxlen）函數(shù)接收輸入數(shù)據(jù)。返回實際收到的數(shù)據(jù)長度，對上層協(xié)議來講，調(diào)用wc_read以后，可以對buff中的數(shù)據(jù)做協(xié)議分析。對于 TCP/IP來講，實際上取出的可能是IP、ARP等類型的報文。get_wlan（void）通過訪問EvStat寄存器判斷是否有數(shù)據(jù)被接收，返回判斷結(jié)果。若有，則把PrismMAC數(shù)據(jù)幀收入到共享數(shù)據(jù)區(qū)中。本函數(shù)只是把PrismMAC的數(shù)據(jù)幀首部讀出，相當(dāng)于是以太網(wǎng)幀的首部。讀出的數(shù)據(jù)格式為

  

上層協(xié)議調(diào)用get_wlan以后，如果返回值是TRUE，就可以訪問目的地址、源地址、幀類型等變量，以判斷是否處理收到的數(shù)據(jù)。如果是需要接收的數(shù)據(jù)，可以調(diào)用wc—read讀取數(shù)據(jù)。 3 嵌入式WiFi在醫(yī)療監(jiān)護(hù)中的應(yīng)用 嵌入式WiFi在許多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。這里介紹一個嵌入式WiFi的具體實現(xiàn)——移動監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。該監(jiān)護(hù)系統(tǒng)用于醫(yī)院病人監(jiān)護(hù)，采用嵌入式WiFi技術(shù)，可在移動環(huán)境下，對被測對象進(jìn)行數(shù)字分組、實時監(jiān)測。 3.1 硬件結(jié)構(gòu) 移動監(jiān)護(hù)系統(tǒng)由服務(wù)器和多個移動監(jiān)護(hù)器組成。服務(wù)器端包括1臺PC或者筆記本電腦、1個無線AP和1個報警器，硬件結(jié)構(gòu)和連接方式都比較簡單，在此不再說明。 移動監(jiān)護(hù)器的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

  

圖3中，移動監(jiān)護(hù)器的硬件結(jié)構(gòu)包括電源模塊、壓力傳感器模塊、加速度傳感器模塊和無線網(wǎng)卡模塊。 移動監(jiān)護(hù)器使用Ti的超低功耗微控制器MSP430F148作為CPU。加速度傳感器模塊使用AD公司的加速度傳感器ADXL202，用于運(yùn)動加速度測試，或重力加速度的測量，分析傾斜度，即用于病人跌倒測試。壓力傳感器使用Motorola醫(yī)療專用的MPX2300DT，具有良好的低電壓工作特性和線性輸出，用于脈搏測量。 電源使用3.6 V電池供電，經(jīng)過簡單電壓變換即可滿足移動監(jiān)護(hù)器電源要求。無線網(wǎng)卡采用基于IntersilPrism2芯片集的PCMCIA網(wǎng)卡。它是一款 IEEE802.11b兼容網(wǎng)絡(luò)適配器。 3.2 軟件結(jié)構(gòu) ad-hoc模式下，移動監(jiān)護(hù)器和服務(wù)器間的距離很短。為了增大監(jiān)護(hù)范圍，移動監(jiān)護(hù)系統(tǒng)工作在Infrastructure模式，服務(wù)器端的AP和移動監(jiān)護(hù)器都相當(dāng)于一個STA，移動監(jiān)護(hù)器與服務(wù)器可以在不同的BSS中。移動監(jiān)護(hù)器、AP所在的BSS共同構(gòu)成一個ESS，使用DSS通信。 服務(wù)器端軟件模塊主要用于從網(wǎng)絡(luò)接收到的數(shù)據(jù)中分離出斜度、移動監(jiān)護(hù)器配置信息、脈搏信息，并根據(jù)信息報警，對移動監(jiān)護(hù)器進(jìn)行控制。 移動監(jiān)護(hù)器的軟件模塊如圖4所示。移動監(jiān)護(hù)器主要完成加速度（斜度）數(shù)據(jù)的采集、脈搏信號的采集、數(shù)據(jù)的收發(fā)、傳感器的啟�？刂啤Ｆ滠浖�可劃分為兩個層次：應(yīng)用層和驅(qū)動層。陰影部分為硬件驅(qū)動層，驅(qū)動層以上為應(yīng)用層。

  

移動監(jiān)護(hù)系統(tǒng)由于采用嵌入式WiFi技術(shù)，支持?jǐn)?shù)字分組，可以根據(jù)需要對被測對象分組檢測，同時進(jìn)行實時數(shù)據(jù)傳輸;保證了監(jiān)護(hù)的可靠性與準(zhǔn)確性，在實際使用中有很好的效果。