基于80211b标准的无线移动终端研制(硕士论文)_图文

南京航空航天大学 硕士学位论文 基于802.11b标准的无线移动终端研制 姓名:叶正鑫 申请学位级别:硕士 专业:通信与信息系统 指导教师:徐大专 20071201

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无线局域网采用无线介质来代替传统的有线电缆进行信息传输,具有成本 低廉、易组网、移动性强、数据吞吐量大、通信可靠等优点。作为无线局域网 网络协议 IEEE802.11 系列之一的 IEEE802.11b,以其运行于 2.4GHz ISM 公共频 段以及高达 11Mbps 的数据传输速率,现已成为 WLAN 的主流技术之一。本文 结合嵌入式技术和 WLAN 技术,为无线监控、移动视频、移动 Ad-hoc 网络等 场合提供一种解决方案。 本系统采用了 ARM 控制系统+WLAN 集成芯片的解决方案,来实现无线移 动终端。其中,WLAN 集成芯片采用 Philips 公司的 WLAN SiP 芯片 BGW200, BGW200 作为无线子系统的核心芯片,主要负责完成物理层和数据链路层的数 据处理,其中包括 802.11b 无线射频信号的收发、放大、滤波、混频和基带处理 等, 提供同 ARM 控制系统通信的数据接口, 支持自举加载和主机加载两种方式; ARM 控制系统采用的处理器为基于 ARM920T 的 ARM9 芯片 S3C2410,采用嵌 入式 Linux 作为操作系统, 主要负责实现无线移动终端的数据处理、 IEEE802.11b 与 IEEE802.3 协议数据之间的转换、 并提供各种人机交互接口和无线子系统之间 的通信接口。WLAN 子系统和 ARM 控制系统之间通过 SPI 接口进行数据通信, S3C2410 能够提供最大 SPI 时钟频率为 25MHz, 满足 802.11b 数据传输速率要求。 本文的主要工作包括以下几个部分:根据系统应用需求,提出了无线移动 终端的总体设计方案;完成了嵌入式处理器子系统的设计;完成了 WLAN 子系 统的设计;解决了本课题中 2.4GHz 频段电磁兼容性问题;完成系统应用软件系 统的设计;完成了系统原理图、PCB 版图的设计,软硬件系统的安装、调试和 测试。结果表明,本系统工作稳定可靠、系统总体设计方案是先进的、可行的、 合理的,满足了设计要求,达到了设计目的。 关键词:无线局域网,嵌入式系统,嵌入式 Linux,无线通信,IEEE802.11b

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基于 802.11b 标准的无线移动终端研制 

Abstract
WLAN uses the wireless medium to replace the traditional cable for information transfer.WLAN has such adrantages as low cost, simple network building, strong mobility, large data throughput, communication reliability and so on.As a member of the IEEE802.11 protocol series, IEEE802.11b uses the 2.4GHz ISM common frequency band and its highest data transfer rate is 11 Mbps, it has become one of the mainstream WLAN technology.Based on the embedded system and WLAN technology,the paper gives a solution for wireless monitor,mobile video ,mobile Ad-hoc network and so on. The system uses the ARM control system and WLAN integrated chip to implement the wireless mobile terminal. The system uses BGW200 as the WLAN integrated chip.BGW200 mainly charges for the wireless subsystem’ data processing s of PHY and DLL, including 802.11b wireless signal’ transceiver, amplification, s filtering, frequency mixer and baseband signal processing.WLAN subsystem supports bootstapping loading method and host loading method.The system uses the ARM9 chip S3C2410 as the CPU of ARM control subsystem, which based on ARM920T. The embedded Linux is used as the operation system.The ARM subsystem mainly charged for the data processing, the transformation between IEEE802.11b and IEEE802.3 protocol, and so on.It also supplies suffient HCI and the communication interface to other subsystem.The wireless platform transfers data through SPI interface between WLAN subsystem and ARM subsystem. The primary endeavor of this thesis includes several parts as following.It presents conceptual design solution of the wireless mobile terminal.It accomplishes the design of the embedded processor subsystem and the WLAN subsystem.It resolves the system’ EMC problem of the 2.4GHz ISM signal.It accomplishes application s software design. System’ schematic, PCB, the installation, debugging and test of the s hardware and software system are accomplished. The final testing result shows that the conceptual design of this system is successful on the whole. Keywords: WLAN, Embedded system, Embedded Linux, Wireless Communication, IEEE802.11b
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承诺书
本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师指导下,独立 进行研究工作所取得的成果。尽我所知,除文中已经注明引用的内容 外,本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本 论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体, 均已在文中以明 确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件, 允 许论文被查阅和借阅,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,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 (保密的学位论文在解密后适用本承诺书)

作者签名: 日 期:

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图、表清单
图 2.1 无线局域网在 IEEE 网络协议体系中的位置.................................................7 图 2.2 802.11 B 在 OSI 模型中涉及的层次示意图 ......................................................8 图 2.3 直接序列扩频传输技术(DSSS)构成元素之间的关系..............................9 图 2.4 无线局域网物理层结构 .................................................................................10 图 2.5 PORTAL 与 WLAN 拓扑结构 ...........................................................................11 图 2.6 IBSS 工作模式 .................................................................................................12 图 2.7 基础结构(BSS)工作模式 ..........................................................................13 图 2.8 ESS 无线局域网的拓扑结构 ..........................................................................13 图 2.9 几种无线通信技术在传输距离、带宽、载频和应用场合的关系 .............16 图 3.1 无线移动终端硬件总体框架 ..........................................................................21 图 3.2 嵌入式子系统实现框图 .................................................................................22 图 3.3 S3C2410 的内部逻辑结构框图 ......................................................................23 图 3.4 S3C2410 的内部逻辑结构框图 ......................................................................23 图 3.5 复位后 S3C2410 的存储器映射表 ................................................................25 图 3.6 SDRAM 实际电路连接图 ...............................................................................27 图 3.7 NOR FLASH 部分电路连接示意图 ...................................................................29 图 3.8 NAND FLASH 部分实际电路连接示意图 ......................................................29 图 3.9 CS8900A 内部逻辑框图..................................................................................30 图 3.10 S3C2410 和 CS8900A 之间的读写控制逻辑关系.......................................31 图 3.11 CS8900A 部分实际电路原理图....................................................................32 图 3.12 嵌入式子系统电压方案 ...............................................................................33 图 3.13 嵌入式子系统复位电路原理图 ...................................................................34 图 3.14 嵌入式子系统 JTAG 接口设计 ....................................................................35 图 3.15 串口实际电路连接示意图 ...........................................................................36 图 3.16 USB 接口连接示意图....................................................................................37 图 3.17 S3C2410 SPI 接口连接示意图......................................................................38 图 3.18 本系统 SPI 正常工作时采用的时序关系....................................................40 图 3.19 无线子系统结构框图 .................................................................................41 图 3.20 BGW200 内部逻辑框图 ................................................................................41 图 3.21 BGW200 从 F LASH 加载模式连接示意图...................................................43 图 3.22 BGW200 主机加载连接示意图 ....................................................................44 图 3.23 无线子系统电源方案 ...................................................................................45 图 3.24 WLAN 专用滤波器的参数曲线 ...................................................................47 图 3.25 天线空间分集示意图 ...................................................................................48 图 3.26 系统 PCB 设计布局示意图..........................................................................49 图 3.27 系统 PCB 层的规划......................................................................................50 图 3.28 电容在高频下的等效电路 ...........................................................................51 图 3.29 电容的放置 ...................................................................................................52
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图 3.30 表层布线等效为微带线 ...............................................................................53 图 3.31 内层布线等效为带状线................................................................................53 图 3.32 端接前后信号波形对比 ...............................................................................54 图 3.33 系统的 PCB 实际板图..................................................................................55 图 4.1 系统软件层总体设计框架 .............................................................................56 图 4.2 系统存储器分区情况 .....................................................................................58 图 4.3 本系统开发中的交叉编译环境 .....................................................................60 图 4.4 本系统中 LINUX 操作系统的移植工作 .........................................................62 图 4.5 LINUX 设备驱动程序的模块化编程思想和体系结构 ...................................64 图 4.6 系统中设备驱动程序的开发流程图 .............................................................65 图 5.1 无线移动终端实物照片 .................................................................................66 图 5.2 BGW200 串口参数设置 ..................................................................................68 图 5.3 BGW200 固件加载信息 ..................................................................................68 图 5.4 802.11 B 发射信号频谱示意图.........................................................................69 图 5.5 无线移动终端实际射频信号频谱 .................................................................70 图 5.6 无线信号射频信号载波抑制 .........................................................................70 图 5.7 信号功率谱测试结果 .....................................................................................71 图 5.8 无线移动终端对等组网测试 .........................................................................72 图 5.9 AD- HOC 无线网络状态.....................................................................................72 图 5.10 CHARIOT 软件测试无线通信速率.................................................................73 表 3.1 多种嵌入式处理器比较 .................................................................................18 表 3.1(续) 多种嵌入式处理器比较...........................................................................19 表 3.2 S3C2410 时钟源选择 ......................................................................................24 表 3.3 FCLK、HCLK 和 PCLK 之间的比例关系 ....................................................24 表 3.4 S3C2410 BANK0 的数据宽度选择..................................................................25 表 3.5 S3C2410 SPI 接口信号线定义........................................................................38 表 3.6 S3C2410 SPI 4 种工作时序.............................................................................40 表 3.7 BGW200 部分性能指标 ..................................................................................42 表 3.8 BGW200 的 4 种加载方式 ..............................................................................42 表 3.9 天线参数列表 .................................................................................................47 表 5.1 无线移动终端频率测试结果 .........................................................................69 表 5.2 系统功耗比较 .................................................................................................71

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注释表
AMBA: AP: ARM: BSA: DLL:
DMA:

Advanced Microcontroller Bus Architecture,高级微控制器总线结构 Access Point,接入点 Advanced RISC Machine,高级精简运算指令集机器 Basic Service Area,基本服务区 Data Link Layer,数据链路层
Direct Memory Access,直接存储器存取

DSSS: EMI: ESA: ISA: LAN: LLC: MAC: MAN: MTD: NFS: PHY: PDA: RF: RISC: SI: SiP: SPI: STA: UART: USB: WAN: WLAN:
Yaffs:

Direct Sequence Spread Spectrum, 直接序列扩频 Electromagnetic interference,电磁干扰 Extended Service Area,扩展业务区 Industry Standard Architecture,工业标准总线 Local Area Network,局域网 Logical Link Control,逻辑链路控制层 Media Access Control,介质访问控制层 Meltropolitan Area Network,城域网 Memory Technology Device,内存技术设备 Network File System,网络文件系统 Physics Layer,物理层 Personal Digital Assistant,个人数字助理 Radio Frequency,射频 Instruction Set Computing,精简运算指令集 Signal Integrity,信号完整性 System in Package,片内系统 Serial Peripheral Interface,串行外设接口 Station,站 Universal Asynchronous Receiver Transmitter,通用异步收发器 Universal Serial Bus,通用串行总线 Wide Area Network,广域网 Wireless Local Area Network,无线局域网
Yet Another Flash File System,另一种基于 Flash 存储器的文件系统

HiperLAN:High Performance Radio LAN,高效能无线电局域网

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第一章 绪论
1.1 论文主要背景
随着半导体技术的发展,尤其是集成电路的集成度越来越高,越来越多的设 备开始具备“智能” ,而嵌入式系统就是各种设备里“智能”的实现[1]。嵌入式 系统已经融入我们工作和生活的各个领域。嵌入式系统除了在传统的工业控制 领域、电信设施等领域继续发挥着巨大的作用,还在家用电器、医疗保健设备、 数码相机、多媒体设备、手机、PDA 等各个领域扮演越来越重要的角色。 嵌入式系统是以面向特定应用为目标,以计算机技术为基础,并且软件、硬 件可裁减,适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等有严格要求 的专用计算机系统[2]。嵌入式系统的定义中就包含了它最本质的三个特点:嵌入 性、专用性和计算机体系。与通用计算机不同,嵌入式系统工业是不可垄断的 高度分散的工业,各芯片厂商之间激烈的竞争和市场的需求加速了嵌入式处理 器核心芯片产品线的新旧更迭,同时也构成了推动嵌入式工业发展的强大动力。 嵌入式系统分为硬件和软件两部分。硬件系统包括嵌入式处理器、存储单元、 内存单元、显示屏和人机交互等外围设备。软件部分包括嵌入式操作系统、用 户程序等。目前嵌入式的发展方向为:1.提供强大的网络功能;2.小型化、低成 本、低功耗;3.人性化的人机界面;4.完善的开发平台[3]。 按照嵌入式系统的发展方向,随着计算机网络技术的发展和普及,嵌入式系 统在网络领域的应用也日益广泛和加深。计算机网络就是计算机之间通过连接 介质互联起来,按照网络协议进行数据通信,实现资源共享的一种组织形式。 按照网络覆盖的地域不同,可将网络分为以下 3 类: 1) 局域网(Local Area Network, LAN):将小区域内的各种通信设备互联在一起 的通信网络。LAN 牺牲了长距离的连接能力,来提供了计算机之间的最高 连接速度。它的特点是:1.高数据速率,通常在 10~2000Mbps;2.短距离, 通常在 1km 以内;3.低误码率。 2) 广域网(Wide Area Network, WAN):能提供长距离的通信,覆盖范围大,可以 跨国家和地区互联计算机。通常广域网运行的速率比局域网的低,而且在连 接之间有更大的时延。 3) 城域网(Meltropolitan Area Network, MAN):是在一个城市范围内所建立的计
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算机通信网。MAN 的传输媒介主要采用光缆,传输速率在 l00 兆比特/秒以 上。与 LAN 在技术上有许多相似之处,所有联网设备均通过专用连接装置 与媒介相联连,只是媒质访问控制在实现方法上不同。 根据网络的传输媒质,又可以将网络分为以下 3 类: 1) 有线网:采用同轴电缆和双绞线来连接的计算机网络。其特点是价格便宜, 安装方便,但传输率和抗干扰能力一般,传输距离较短。 2) 光纤网:采用光导纤维作为传输介质。光传输距离长,传输速率高,可达数 千兆,抗干扰能力强,不易受到电子监听设备的监听,但其缺点为价格较高。 3) 无线网:采用无线电波或光波作为传输介质。其优点是灵活、移动性好、无 线网路铺设成本低。缺点是:可靠性相比有线网较差,无线传输速率有限。 无线系统带宽和容量受限,另外不同厂家产品之间的兼容性和共存性方面存 在一定问题。 随着技术和市场需求的驱动,无线局域网(Wireless Local Area Network, WLAN)技术得到了很快的发展。WLAN 采用无线介质来代替传统的有线电缆 进行信息传输,以其成本低廉、易组网、移动性强、数据吞吐量大、通信可靠 等优点,获得了众多设备厂商的青睐,成为了市场关注的热点技术之一,基于 WLAN 的产品也日益丰富和成熟。 在某些特殊场合,如隧道、地铁、野外作业等场合,有线网存在不易铺设或 者成本过高的问题,而WLAN自身具有的特点正好可以弥补有线网的缺陷。本 课题就是在这样的背景下,结合嵌入式系统和WLAN技术,研制了一款基于 IEEE802.11b的无线移动终端,用于地铁系统的无线监控和无线数据传输。

1.2 论文主要内容
本课题的主要内容就是研究怎样设计基于 IEEE802.11b 的无线移动终端,以 达到以下目的:1.无线移动终端之间的稳定可靠的无线数据传输,无线传输速率 达到一定要求;2.无线移动终端与 PC 机之间的通过以太网进行数据传输;3.无 线移动终端具有一定的人机交互功能;4.考虑无线移动终端的可移动性,要求移 动终端拥有较低的功耗。 本课题中嵌入式平台采用 Samsung 公司的一款基于 ARM920T 的 32bit RISC 处理器,S3C2410。WLAN 模块采用 Philips 公司的基于 IEEE802.11b 的 WLAN 专用芯片 BGW200。 嵌入式系统与 WLAN 模块之间通过 SPI 接口实现无缝连接。

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S3C2410 提供 2 个通道的 SPI 接口, 接口最大时钟速率可达到 PCLK/2 PCLK SPI ( 为 ARM 内部 APB 总线时钟速率) ,若 PCLK 取 100MHz,则 SPI 接口的最大时 钟速率达 50MHz。BGW200 提供一个通道的 SPI 接口,其最大时钟速率可达到 66MHz。两者之间的连接速率完全可以满足 IEEE802.11b 最大速率 11Mbps 的要 求。同时,S3C2410 提供 4 个 DMA 通道,其中 2 个通道可作为 SPI 传输的专用 通道,故可有效保证了无线移动终端数据传输的稳定性和可靠性。 课题的具体研究工作主要包括以下内容: 1) 预研准备: 根据课题的各项指标需求,收集和分析与课题相关的技术和技术文档,了解 嵌入式技术和无线局域网当前发展状况, 了解市场上各种 IEEE802.11b 相关无线 产品,调研各种嵌入式系统上无线网络应用方案。结合实验室已有的技术储备, 确定本课题的技术路线和实现方案。 2) 硬件平台设计与实现: 比较各种实现方案,确定本课题采用的系统方案。采用 ARM+WLAN 专用 芯片的方案,确定 ARM9 芯片和 WLAN 专用芯片的型号。完成系统的原理图设 计,PCB 设计和硬件调试。对 WLAN 子系统的射频信号进行测试,保证系统的 物理层性能。 3) 软件设计与实现: 根据本课题方案的具体要求,修改 Linux 引导程序,裁减 Linux 内核和文件 系统,参与移植 BGW200 驱动程序。 4) 性能优化和组网测试: 系统软硬件联调,通过不同加载方式测试系统PHY层性能。通过不同的组网 方式测试系统无线通信性能。最后给出测试数据。

1.3 论文组织结构
本文的重点在于无线通信系统的硬件平台设计和实现,软件系统的移植和实 现,系统的组网测试。根据课题所涉及的主要研究工作,本论文的内容主要包 括以下几个章节: 第一章:绪论; 第二章:无线局域网相关介绍,以及其它无线通信技术的介绍; 第三章:系统方案的选择和确定,阐述了系统工作的工作原理和流程,并对

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S3C2410 和 WLAN 专用芯片 BGW200 作简要的介绍; 第四章:无线移动终端的硬件系统的设计和实现,包括各功能模块电路的原理 图设计,各子系统之间的连接和系统的接口设计。对硬件系统研制过程中的关 键技术问题作了简要介绍。 第五章:介绍了系统的软件平台和开发环境,并简要介绍了 Linux 驱动模型。介 绍了 Linux 系统的移植和无线驱动程序的实现。 第六章:介绍了无线通信系统研制过程采用的电磁兼容技术。 第七章:调试无线通信系统的 PHY 层性能,利用多个无线移动终端组网测试无 线通信系统的无线数据通信性能,并同现有相关无线产品比较,最后给出相关 测试结果。

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第二章 无线局域网
本章主要介绍无线局域网的基本概念,网络组成结构和基本工作原理。介绍 了 IEEE802.11b 协议和其它 WLAN 通信协议。

2.1 无线局域网概述
无线局域网是一种无线传输网络,就是在局域网内以无线媒体或介质进行通 信的无线网络。从广义上讲,凡是通过无线介质在一个区域范围内连接信息设 备共同构成的网络,都可称为无线局域网。从狭义上讲,无线局域网一般指遵 循 IEEE802.11 系列协议的无线局域网络技术。无线局域网的传输媒质包括射频 无线电波和光波两类[4]。无线局域网是无线通信技术和网络技术相结合的产物, 用于实现通信的移动化、个性化和宽带化。 无线局域网使用的无线电波频段由各国的无线电管理部门规定。在中国,可 用于 WLAN 的 ISM 频段为 2.4000~4.4835GHz 和 5.7250~5.8550GHz。WLAN 能 在几十米到几公里范围内支持较高数据速率的无线网络,可以采用微蜂窝 (Microcell)结构,微微蜂窝(Picocell)结构,也可以采用非蜂窝(如 Ad Hoc) 结构。 无 线 局 域 网 有 以 下 几 种 网 络 协 议 标 准 , 包 括 IEEE802.11 系 列 、 蓝 牙 (Bluetooth) 、家庭无线电网络 (HomeRF)、红外线数据标准( Infrared Data Association,IrDA) 、WPAN(Wireless Personal Area Networks,无线个域网)和 高效能无线电局域网(High Performance Radio LAN,HiperLAN)[5]。本课题基 于 IEEE802.11b 协议开发完成。 WLAN 采用电磁波代替传统的电缆进行信息传输,可以作为有线网络的延 伸、补充或代替,相比而言,WLAN 具有以下几点优点[4][6]: 1) 灵活性。在有线网络中,网络设备的安放位置受网络位置的限制,而无线局 域网在无线信号覆盖区域内的任何一个位置都可以灵活的接入网络。 对于有 线网络来说,办公地点或网络拓扑的改变通常意味着重新建网。重新布线是 一个昂贵、费时、浪费和琐碎的过程,无线局域网可以避免或减少以上情况 的发生。 2) 移动性。WLAN 的通信范围不受环境条件的限制,扩展了网络传输的地理
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范围。WLAN 系统能够为用户提供实时的网络功能,连接到 WLAN 的用户 可以移动且能同时与网络保持连接。 3) 经济性。无线局域网可以免去或最大程度地减少网络布线的工作量,一般只 要安装一个或多个接入点设备,就可建立覆盖整个区域的局域网络。同时, WLAN 的故障定位容易,有线网络一旦出现物理故障,尤其是由于线路连 接不良而造成的网络中断,往往很难查明,而且检修线路需要付出很大的代 价。无线网络则很容易定位故障,只需更换故障设备即可恢复网络连接。 4) 易于进行网络规划和调整,并易于扩展。无线局域网有多种配置方式,可以 很快从只有几个用户的小型局域网扩展到上千用户的大型网络,并且能够提 供节点间"漫游"等有线网络无法实现的特性。在已有网络中,在适当的位置 添加接入点或扩展点就可以满足组网的需要。 WLAN 相对于有线网,具有以下几点局限性[4]: 1) 可靠性差。有线局域网的信道误码率可达 10-9 ,保证了通信系统的可靠性和 稳定性。而无线局域网采用无线信道进行通信,无线信道是不可靠信道,存 在各种干扰和噪声,而且信道衰落严重,从而导致整个网络性能的下降和不 稳定。此外,由于无线传输的特殊性,还存在“隐藏终端”“暴露终端”和 , “插入终端”等现象,影响系统可靠性。 2) 带宽窄和系统容量小。由于频率资源有限,无线局域网的信道带宽远小于有 线网的带宽,即使可以复用,无线局域网的系统容量通常要比有线网的容量 小。所以,无线局域网的一个重要发展方向就是提高系统的传输带宽和系统 容量。 3) 安全性差。 本质上无线电波不要求建立物理的连接通道, 无线信号是发散的。 从理论上讲,很容易监听到无线电波广播范围内的任何信号,造成通信信息 泄漏。 4) 存在兼容性和共存性问题。兼容性包括无线网协议和有线网协议的兼容,网 络操作系统和网络软件的兼容,多种无线局域网标准的兼容,不同无线局域 网产品之间的兼容。共存性包括多个方面:同一频段下的不同标准的无线网 的共存;不同频段的多模共存。

2.2 802.11 系列协议
为推动 WLAN 的实用化,以 IEEE(电气和电子工程师协会)为代表的多个

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研究机构针对不同的应用场合,制定了一系列协议标准,其中的典型标准就是 IEEE802.11 系列标准。 作为全球公认的局域网权威, IEEE 802 工作组建立的标准在局域网领域内得 到 了 广 泛 应 用 。 这 些 协 议 包 括 802.3 以 太 网 协 议 、 802.5 令 牌 环 协 议 和 802.3z100BASE-T 快速以太网协议等。 IEEE 于 1997 年发布了无线局域网领域第 一个在国际上被认可的协议— — 802.11 协议。1999 年 9 月,IEEE 提出 802.11b 协议,用于对 802.11 协议进行补充,之后又推出了 802.11a、802.11g 等一系列 协议,从而进一步完善了无线局域网规范。无线局域网在 IEEE 网路协议中的位 置如图 2.1 所示[7]。
IEEE802.1体系结构、管理、LAN互连及高层接口

IEEE802.2逻辑链路控制 数据链 路层 802.3CD MA/CD 以太网 802.4 令牌 总线 网 802.5 令牌 环网 802.11 无线 局域 网 802.15 无线 个域 网 802.16 无线 城 域网
…………

物理层

图 2.1 无线局域网在 IEEE 网络协议体系中的位置

本课题的无线移动终端就是基于 IEEE802.11b 开发完成。IEEE802.11b 也被 称为 Wi-Fi 技术,采用补码键控(CCK)调制方式,使用 2.4GHz 频带,其对无 线局域网通信的最大贡献是可以支持两种速率: 5.5Mbit/s 和 11Mbit/s。为了支持 强噪声环境以及扩展的覆盖范围,IEEE802.11b 无线局域网使用动态速率自适 应,允许数据速率自动调整到无线通信的变化特性。多速率机制的介质访问控 制可确保当工作站之间距离过长或干扰太大、信噪比低于某个门限值时,传输 速率能够从 11Mbit/s 自动降到 5.5Mbit/s,或根据直序扩频技术(Direct Sequence Spread Spectrum,DSSS)调整到 2Mbit/s 和 1Mbit/s。在不违反 FCC(Federal Communication Commision,美国联邦通信委员会)规定的前提下,采用跳频技 术无法支持更高的速率,因此需要选择 DSSS 作为该标准的惟一物理层技术。 IEEE802.11b 网络覆盖范围在室外为 300m,室外为 100m。 IEEE802.11b 只规定了 OSI 模型的物理层和 MAC 层,如图 2.2 所示。

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………… 网络层 逻辑链路控制 (LLC) 子层 媒体访问控制(MAC)子层 802.11b 物理层(PHY)
图 2.2 802.11b 在 OSI 模型中涉及的层次示意图

数据链路层 (DLL)

在图 2.2 中,物理层(PHY,Physics Layer)定义了网络设备之间的实际连 接的电气特性。物理层向上直接与传输介质相连接,相邻并且服务于数据链路 层。它在数据链路实体之间提供必要的物理连接,按顺序传输数据位,并进行 差错检查。在发现错误时,向数据链路层报告。对于 WLAN,该层包括实用频 率、调制技术、频率扩展技术等[7][8]。 数据链路层(DLL,Data Link Layer)涉及到各设备之间的网络是如何复用 的。通用的标准协议将该层分为 2 个分离的子层: 1) 介质访问控制层(MAC,Media Access Control) ,该层设置的准则只有在网 络每个设备传输信息时才涉及到。 2) 逻辑链路控制层(LLC,Logical Link Control) ,该层提供设备之间初始(逻 辑链路)的连接。 数据链路层的基本功能是在网络层之间提供透明的数据传输。数据链路层基 于物理层的服务,通过数据链路协议,把由位组成的帧从一个设备送到相邻设 备,为网络层提供透明的正确有效的传输线路。实际的数据通路经过各层之间 的接口,由网络层传向数据链路层,再由物理层发送。接受过程则以相反顺序 进行。数据链路层为网络层提供的服务主要有以下几种:数据链路的建立和拆 除,帧传输,差错控制,流量控制和数据链路管理等。 在 IEEE802.11 协议标准中,为支持多种数据传输速率,一般采用直接序列 扩频传输技术( Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS) IEEE802.11 标准规定, 。 速率为 1Mbps 时采用的调制方式是差分二进制相移键控(DBPSK) ,速率为 2Mbps 时采用的调制方式是差分正交相移键控(DQPSK) 。IEEE802.11b 规定, 对于速率为 5.5Mbps 和 11Mbps 时,若采用补码键控(CCK)的编码方式,则分 别采用的调制方式为二进制相移键控(BPSK)和正交相移键控(QPSK) ,如图

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2.3 所示。
直序扩频技术 (DSSS)

循序协议

IEEE 802 .11 (强制)

IEEE 802.11b (强制)

IEEE 802 .11b (可选)

传输速率 伪随机数 编码类型 调制方式

1Mbps Barker Code DBPSK

2Mbps Barker Code DQPSK

5.5Mbps

11Mbps
PBCC (可选)

5.5Mbps

11Mbps
PBCC (可选)

CCK

CCK

DQPSK

DQPSK

BPSK

QPSK

图 2.3 直接序列扩频传输技术(DSSS)构成元素之间的关系

DSSS 系统使用信道来定义。采用 DSSS 的 WLAN 的工作频率范围为 2.4~2.4835GHz,每一个信道是一个邻近的 22MHz 带宽的频段,各中心频率间隔 为 5MHz。在同一个物理空间里使用具有交叉信道的 DSSS 系统可能导致系统之 间的干扰,所以至少相隔 5 个信道,信道才可以协调定位。我国 2.4GHz 频段内 共可分配 13 个信道,中心频率为 2.412GHz~2.472GHz,理论上最大可实现 3 个 没有重叠的信道,分别是 1、6、11 信道。 IEEE802.11 的 MAC 层为用户提供可靠的数据传输,实现共享介质访问的公 平控制,主要功能包括分布式协调功能(DCF)和点协调功能(PCF) 。DCF 为 WLAN 中最基本的访问方法, 使用带冲突避免的载波侦听多址访问 (CSMA/CA) 和随机退避时间在兼容的物理层之间实现介质的自动共享。而 PCF 作为一种可 选的访问方法,采用虚拟载波侦听机制,通过轮询的机制在 WLAN 上允许自由 冲突帧传输。

2.3 WLAN 组成结构
无线局域网的物理组成结构如图 2.4 所示,由站(Station,STA) 、无线介质 (Wireless Medium,WM) ,基站(Base Station,BS)或接入点(Access Point, AP)和分布式系统(Distribution System,DS)等几部分组成。

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分 布 式 系 统

基站或接入点 (BS/AP) 站 (STA)
图 2.4 无线局域网物理层结构

1.

站(STA)

站(点)也称主机(Host)或终端(Terminal) ,是 WLAN 的最基本组成单 元。站在无线局域网中通常作为客户端(Client),是具有无线网络接口的计算机 设备。它包括: (1)终端用户设备,即站与用户的交互设备,可以使台式计算 机、便携式计算机,掌上电脑,也可以是其它智能终端设备,如 PDA 等; (2) 无线网络接口,负责处理从终端用户设备到无线介质间的数字通信。无线网络 接口与终端用户设备之间通过计算机总线 (如 PCI、 PCMCIA 等) 或接口 (RS232、 USB 等)相连,并由相应的软件驱动程序提供客户应用设备或网络操作系统与 无线网络接口之间的联系。常用的驱动程序标准由 NDIS(网络驱动程序接口标 准)和 ODI(开放数据链路接口)等; (3)网络软件,指运行于无线网络设备 上的网络操作系统(NOS) 、网络通信协议等。 WLAN 中的 STA 之间可以相互通信,也可以通过 AP 或 BS 进行通信。在 WLAN 中,STA 之间的通信距离由于天线的辐射能力和应用环境的不同而受到 限制。WLAN 所能覆盖的区域范围称为服务区域(Service Area,SA) ,WLAN 中移动站的无线收发信机及地理环境所确定的通信覆盖区域称为基本服务区 (Basic Service Area,BSA) ,也常称为小区(Cell) ,是构成 WLAN 的最小组成 单元。一个 BSA 内彼此之间相互联系、相互通信的一组主机组成了一个基本业 务组(Basic Service Set,BSS) 。 2. 无线介质(WM) 无线介质是无线局域网中 STA 和 STA 之间,STA 和 AP 之间通信的传输介 质。WLAN 中的无线介质由 WLAN 物理层标准定义,本文中指空气,它是无线 电波的良好介质。
10

……

无线介质 (WM)

站 (STA)

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3.

无线接入点(AP) 无线接入点类似于蜂窝结构中的基站,是无线局域网的重要组成部分。无线

接入点是一个特殊的站,通常处于 BSA 的中心,其基本功能有: (1)作为接入 点,完成其它非 AP 的站对分布式系统的接入访问和同一 BSS 中的不同站间的 通信联结; (2)作为无线网络和分布式系统的桥接点完成无线局域网与分布式 系统的桥接功能; (3)作为 BSS 的控制中心完成对其它非 AP 的站的控制和管 理。无线接入点也是具有无线网络接口的网络设备,包括:与分布式系统的接 口,无线网络接口和相关软件以及桥接软件、接入控制软件、管理软件等 AP 软 件和网络软件。 4. 分布式系统(DS) 一个 BSA 所能覆盖的区域受到环境和主机收发信机特性的限制,可通过将 多个 BSA 通过分布式系统连接起来,形成一个扩展业务区(Extended Service Area, ESA) 同一个 ESA 的所有主机组成一个扩展业务组 , (Extended Service Set, ESS) 。可见,DS 是用来连接不同 BSA 的通信信道,可以使有线信道,也可以 是频段多边的无线信道。分布式系统通过入口(Portal)与骨干网(通常情况下 是有线局域网)相连,其中 Portal 是一个逻辑的接入点,既可以是一个单一的设 备 (如网桥、 路由器或网关等) 也可以和 AP 共存于一个设备中, , Portal 与 WLAN 的连接如图 2.5 所示。
BSS 1
STA1 AP1 AP2

BSS 2
STA2

DS

ESS

ST

802.x LAN

Porter

AP3

BSS3

STA 3

图 2.5 Portal 与 WLAN 拓扑结构

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2.4 WLAN 网络拓扑结构
WLAN 若按物理拓扑分类,可分成单区网(Single Cell Network,SCN)和 多区网(Multiple Cell Networks, MCN);若按逻辑分类,可分成对等式、基础结 构式和线型、星型、环型等;若控制方式分类,可分成无中心分布式和有中心 集中控制式。 BSS 是 WLAN 的基本构造模块,有两种基本拓扑结构或组网方式,分别是 分布对等式拓扑和基础结构集中式拓扑。单个 BSS 称为单区网,多个 BSS 通过 DS 互联成多区网。 WLAN 网络拓扑结构有以下几种: 1. 分布对等式拓扑 分布对等式网络是一种独立的 BSS (Independent BSS,IBSS) 至少有两个站, , 使一种典型的、以自发方式构成的单区网,如图 2.6 所示。IBSS 中任意 STA 之 间可直接通信而无需 AP 转接,IBSS 网络不需要预先计划,可随时需要随时构 建,故该工作模式被称为特别网络或自组织网络(Ad Hoc Network) 。

IBSS
STA1

STA2

STA3

图 2.6 IBSS 工作模式

IBSS 的特点是结构简单,组网迅速,使用方便,抗毁性强,多用于临时组 网和军事通信中。但采用这种拓扑结构的网络,各站点竞争公用信道,信道竞 争成为了限制网络性能的瓶颈,故采用分布对等式拓扑结构适合较小规模和范 围的 WLAN 系统。 2. 基础结构集中式拓扑 在 WLAN 中,基础结构包括分布式系统信道(DCM) 、AP 和端口实体。其 中 AP 是 BSS 中的中心控制站,网中的 STA 在该 AP 的控制下与其它 STA 进行 通信。其拓扑结构如图 2.7 所示。

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有线局域网
AP

STA1 STA3

STA2

图 2.7 基础结构(BSS)工作模式

在一个基础结构 BSS 中, 如果一个 STA 想和同一个 BSS 内的另一个 STA 通 信,必须经过源 STA 到 AP 和 AP 到宿 STA 的两跳过程并由 AP 进行转接。该方 式虽需较多的传输容量,并增加了传输延时,但比直接通信有以下优势: (1) 基础结构 BSS 的覆盖范围由 AP 确定;2) STA 之间无需保持邻居关系, ( 各 WLAN 路由的复杂性和物理层的实现复杂度减弱; (3)AP 作为中心站,控制所有站点 对网络的访问,易于对 BSS 内所有站点进行同步、移动和节能管理,可控性好; (4)可通过增加 AP 的数量来扩展覆盖区域和增加系统容量。 3. ESS 网络拓扑 ESA 由多个 BSA 通过 DS 联结而成,网络覆盖范围达数公里。一个完整的 ESS 无线局域网的拓扑结构如图 2.8 所示。在 ESA 中,AP 除了完成其基本功能 外,还可以确定一个 BSA 的位置。

有线局域网
AP1 AP2 STA4 STA5 AP3

BSA1

BSA3

STA1 20~100米

STA2 STA3

BSA2 ESA

STA6

STA8 STA7

几千米

图 2.8 ESS 无线局域网的拓扑结构

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ESS 是一种由多个 BSS 组成的多区网,其中每个 BSS 都被分配了一个标识 号 BSSID。 若一个网络由多个 ESS 组成, 则每个 ESS 也被分配一个标识号ESSID, 所有的 ESSID 组成一个 NID(Network ID) ,用以标识这几个 ESS 组成的网络。 在图 2.8 中, STA 从一个 BSA 移动到另一个 BSA, 称之越区切换 (Handoff) , 这是一种链路层的移动;当 STA 从一个 ESA 移动到另一个 ESA,则称为漫游 (Roaming) ,这是一种网络层或 IP 层的移动。 4. 中继或桥接型网络拓扑 两个或多个网络(LAN 或 WLAN)或网段可以通过无线中继器、无线网桥 或无线路由器等无线网络互联起来。采用中继或桥接型网络拓扑也是一种拓展 WLAN 覆盖范围的有效方法。

2.5 其它无线局域网通信协议标准
除了 IEEE802.11 系列,WLAN 还存在其它集中通信协议,如 Bluetooth(蓝 牙) 、HomeRF(家庭无线电网络)、IrDA(Infrared Data Association,红外线数据 标准协会)和 HiperLAN(High Performance Radio LAN,高效能无线电局域网) 等,下文对这些通信协议作简要介绍。 1. Bluetooth 技术 蓝牙技术是一种支持点对点,点对多点语音和数据业务的短距离无线通信技 术[9]。蓝牙系统工作在 2.4GHz 频段,采用以多级蝶形运算为核心的映射方案, 调频频率为 1600 跳/秒或 3200 跳/秒(网同步时用) ;典型的通信距离为 10m, 通过功率放大可到 100m。支持数据(异步)和语音(同步)通信,传输速率最 大为 1Mbps。适用于在较小范围内通过无线连接的方式实现固定设备及移动设 备之间的互联,可以在各种数字设备之间实现灵活、安全、低成本、小功耗的 语音和数据通信。 2. IrDA 技术
IrDA 是一种利用红外线进行点对点通信的技术,其相应的软件和硬件技术

都已比较成熟。它的主要优点是:体积小、功率低,适合设备移动的需要;传 输速率高,可达 16Mbps,接收角度也由传统的 30 度扩展到 120 度;成本低; 应用普遍,目前有 95%的手提电脑上安装了 IrDA 接口。IrDA 也有其缺陷:点 对点传输时中间不能有阻挡物;传输距离太短;通信只限于两个设备间,不能 链接更多的设备;没有提供链路级的安全性能。

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3.

HomeRF HomeRF 是专门为家庭用户设计的一种 WLAN 技术标准。HomeRF 利用跳

频扩频方式,既可以通过时分复用支持语音通信,又能通过载波监听多重访问/ 冲突避免 (CSMA/CA) 协议提供数据通信服务。 同时, HomeRF 提供了与 TCP/IP 良好的集成, 支持广播、 多播和 48 位 IP 地址。 目前, HomeRF 标准工作在 2.4GHz 的频段上,跳频带宽为 1MHz,最大传输速率为 2Mbps,传输范围超过 100 米。 美国联邦通信委员会(FCC)最近采取措施,允许下一代 HomeRF 无线通信网 络传送的最高速度提升到 10Mbps,这个速度是目前此种网络速度的 5 倍,这将 使 HomeRF 的带宽与 IEEE802.11b 标准所能达到的 11Mbps 的带宽相差无几, 并 且将使 HomeRF 更加适合在无线网络上传输音乐和视频信息。 4. HiperLAN2 标准 2002 年 2 月,ETI 的宽带无线接入网络(Broadband Radio Access Networks, BRAN)小组公布了 HiperLAN2 标准。HiperLAN2 具有与 IEEE802.11a 几乎完 全相同的 PHY 层和无线 ATM 的 MAC 层。HiperLAN2 在 5GHz 的频段上运行, 采用 OFDM 调制方式,物理层最高速率可达 54Mbps,是一种高性能的局域网标 准。HiperLAN2 标准定义了动态频率选择、无线小区切换、链路适配、多波束 天线和功率控制等多种信令和测量方法,用来支持无线网络的功能。基于 HyperRF 标准的网络有其特定的应用,可以用于企业局域网的最后一部分网段, 支持用户在子网之间的 IP 移动性。在热点地区,为商业人士提供远端高速接入 因特网的服务,以及作为 W-CDMA 系统的补充,用于 3G 的接入技术,使用户 可以在两种网络之间移动或进行业务的自动切换,而不影响通信。 图 2.9 体现了 IEEE802.11b 和以上几种无线通信技术在传输距离、带宽、载 波频率以及应用场合等方面的对比关系,如图 2.9[13]。

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图 2.9 几种无线通信技术在传输距离、带宽、载频和应用场合的关系

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第三章 硬件平台的设计与实现
本章主要介绍 IEEE802.11b 无线移动终端的硬件平台设计,具体包括系统总 体方案设计,系统工作原理,系统功能和性能指标,各子系统硬件电路实现和 工作原理。

3.1 系统总体方案设计
本课题的硬件系统实现采用模块化设计思想,即采用控制系统加上子功能模 块的方式来实现硬件系统。以下将根据功能需求和性能指标,对射频系统和控 制系统方案设计做简要介绍,并阐述系统整体框架和工作原理。 3.1.1 功能需求和性能指标 本课题的 802.11b 无线通信的功能是应用在地铁环境 (地下隧道或地面高架) 下的无线监控和无线数据传输。在地铁环境中,由多个无线移动终端作为 AP 和 STA 构成 WLAN。每隔一段距离(300m 左右)设置一个 AP,列车上设置若干 个 STA,STA 在高速行进中不断检测能接受到各个 AP 的信号强度,即进行漫游 切换时主动进行调频切换,接通最强信号的 AP 进行通信。同时 AP 可以与多个 STA 通信,根据 IP 地址定位、选择要监控或者配置的站点,可以增加新接入的 STA 进行配置并获得所有 STA 的工作状态和统计特性。 由于地铁系统中信道情况复杂,多径衰落影响比较大,接收信号 ISI 和 ICI 比较严重,STA 运动速度比较快,不仅会产生多普勒频移而且需要实时的在不 同 BSS 之间切换,要求无线通信系统中接收端必须拥有快速准确的同步和采用 高效的信道估计方法。 无线移动终端基于 IEEE802.11b 协议, 拥有 4 种通信速率, 通信速率可以由用户要求或信道状况选择。 根据以上情况,本课题的无线通信系统具有以下性能需求: 1) 系统支持若干种数据通信速率。发送端根据信道的状况自适应调整通信速率 或用户配置;接受端需能够自动识别工作模式。 2) 系统采用 IEEE802.11b 协议标准,ISM 2.4GHz 射频电路的性能直接影响无 线系统性能。故需要选择稳定的,各项指标符合 WLAN 具体要求的射频方 案。

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3) 由于地铁上的 STA 处于高速运动中,AP 不断与有线网进行数据交互,对整 个系统实时性要求高,并在无线移动终端上实现协议转换和数据处理,要求 控制系统有足够的数据处理能力,稳定、可靠和高效; 4) 无线移动终端不管作为 AP 或 STA 都需要友好的人机交互接口, 需提供足够 的与 PC 机通信的接口,如 UART,USB、10BASE-T 他等接口; 5) 移动终端采用 5V 稳压源供电,最大输出电流为 3A,另外需要设置足够的状 态指示灯,如系统供电、系统工作状态、网络状况、无线收发状态; 6) 移动终端工作在地铁环境中,需要很强的环境适应性。如 移动终端能够在温 度为 0~40℃,湿度为 5%~95%范围内正常、可靠的运行。 3.1.2 处理器方案选择 控制系统负责无线移动终端的数据处理和传输,协议转换和人机接口。目前 最流行的两种处理器方案为 DSP 方案和嵌入式微型处理器(Micro Processor Unit, MPU)方案。DSP 部专门对数字信号处理进行过优化,具 有独立的乘法器, 采用多级流水线结构,可编程,实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程 序,远远超过嵌入式微处理器,一般用于对实时性、计算强度要求较高的场合, 如用于射频、音频和视频的处理,但 DSP 的外设接口和集成的功能模块一般不 多。微处理器尤其是 32 位 MPU,具有较强的计算能力,而且其内部集成的功能 模块和外设接口要比 DSP 要丰富,而且内部集成 MMU,支持 Linux,WinCE 等嵌入式操作系统,便于上层软件的开发。本课题的设计中存在大量的外设接 口和功能模块,所以选择嵌入式微处理器方案作为控制系统方案。 目前市场上流行的 32 位嵌入式微处理器主要有:Samsung 公司的 S3C2410、 S3C2440 系列,Inter 公司的 PXA255、PXA270 系列(现为 Marvell 公司产品) , Atmel公司的 AT91RM9200 系列等。 下表将选择 S3C2410, PXA255, AT91RM9200 作为代表,对系统设计时的重要参数作出了比较,如表 3.1。
表 3.1 多种嵌入式处理器比较 性能指标 最大主频 DMA Memory 控制器 S3C2410 203MHz 4 个通道 8 个分区的外部存储空 间,每个分区 128MB,其 中 2 分区用于 SDRAM PXA255 400MHz 16 个通道 支持访问 4 个分区的 SDRAM 和 6 分区的静态 存储器,每分区 64MB AT91RM9200 180MHz 20 个通道 8 个分区的外部总线 接口访问空间,每分 区 256MB。

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南京航空航天大学硕士学位论文  表 3.1(续) 多种嵌入式处理器比较 性能指标 S3C2410 MMU, PWM, NandFlash PXA255 MMU,PWM,AC97 控 AT91RM9200 MMU, PWM, NandFlash 控制器, 以太网 MAC 控 制器,LCD 控制器等。

集成功能模块

控制器, LCD 控制器等。 制器,LCD 控制器等。 2 路 SPI,3 路 UART, 外部接口

蓝牙接口, IrDA, UART, 3 路 SPI,4 路 UART,3 路 SSC,USB 主(从) 设备接口。 60MHz

USB 主(从)设备接口, SSP,USB 从设备接口 I C,I S 等。
2 2

等。 1.84MHz BGA256 (脚间距 1mm)

SPI 最大时钟 速率 封装 25MHz BGA272(脚间距 0.8mm)

PQFP208

表 3.1 中 MMU 表示存储器管理单元,PWM 表示电源管理控制器。由于无 线子系统通过 SPI 接口同控制系统通信,所以 SPI 通信速率是个重要的指标, PXA255 的 SPI 时钟速率较低,不满足要求。 S3C2410 和 AT91RM9200 都满足处 理器选择要求,但从本实验室技术成熟度和技术储备方面考虑,选择 Samsung 公司的 S3C2410 作为控制系统处理器。 S3C2410X 是基于 ARM920T 内核的 32 位微处理器,运算主频可以达到 203MHz,并且拥有丰富的系统与应用外设及标准的接口,从而为低功耗、低成 本、高性能的计算机宽范围应用提供一个单片解决方案[14]。S3C2410x 内部采用 哈佛结构, 有两个独立的 16KB数据 Cache 和 16KB指令 Cache, 支持 16/32bitRISC 结构的增强型指令集,并且支持 MMU,可以进行虚拟存储器管理,支持 Linux 和 WinCE 等操作系统,保证了无线移动终端的稳定快速的运行;S3C2410X 内 部集成了 Memory 控制器, 实现了处理器和外围 SDRAM 和 ROM 的无缝电路连 接,并且 S3C2410X 内部集成了 NandFlash 控制器,为无线系统提供了大容量外 部存储设备;S3C2410X 内部集成电源管理器( PWM) ,支持 4 种电源管理模式: NORMAL mode、SLOW mode、IDLE mode 和 Power-OFF mode,可以根据系统 的工作状态调整电源模式, 使系统功耗最小; S3C2410x 的最大寻址空间为 1GB, 每个 bank128MB,拥有 16 个外部中断,并且拥有 4 个通道的 DMA,使得片内 或片外存储器传输数据时不需经过处理器,减小了处理器的开销;S3C2410x 内 部的时钟控制逻辑中含有 2 个 PLL,一个 PLL 可以产生系统所需的三种时钟信 号: FCLK (用于 CPU, 最大可达 203MHz) HCLK 、 (用于 AHB 总线外设) PCLK 、
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(用于 APB 总线外设) ,另一个 PLL 专用于 USB 模块(48MHz) ,这样的结构 为无线通信各自功能模块提供了稳定的时钟源;S3C2410x 提供了极其丰富的接 口,如内部集成了 LCD 控制器、3 通道 UART、USB、2 通道 SPI 接口等,便于 控制系统的在电调试,同外设之间的数据通信、人机交互以及系统的功能扩展。 3.1.3 射频系统方案选择 射频系统在无线通信系统中实现的是无线信号的接收和发送,信号的混频、 滤波,信号的基带处理、信号的放大等。传统的射频方案为多芯片方案,即射 频系统由多个功能不同的芯片组成,包括 MAC 协议芯片、基带芯片、混频芯片, 功 率 放 大器芯片、收发切换开关、带通滤波器等芯片,如 Philips 公 司 的 SA2441+SA2405+SA2443 方案, RFMD 公司的 RF3002+RF2985+RF5189 方案等。 但传统方案存在一些缺陷。如变频之后的射频信号的传输和放大问题;基带芯 片与变频芯片接口电流电压的调整;MAC 协议的开发和 MAC 芯片接口的设计 等。所以传统射频方案的设计存在很多难点,如需要专业的射频仿真软件、专 门的射频设备,精细的 PCB 布线、高精度温控焊接、高实时性协议设计、复杂 的接口操作等,并且存在开发周期长、设计和调试复杂的问题[14]。为了解决这 些问题,出现了单芯片 WLAN 方案。 单芯片方案即将射频部分(包括基带处理、混频、功率放大)和 MAC 部分 都集成到一个芯片中,并提供一定容量的存储空间和数据接口。这种射频方案 情况下,用户开发的重点只存在于接口开发和上层驱动开发上,大大节省了开 发时间,降低了开发了难度并节约了开发成本。目前这种解决方案有:Philips 公司的 BGW200/BGW300 方案,SIS 公司的 sis163、cc2400 方案,Ralink 公司 的 RT2800U 系列、RT5201 系列,Atheros 公司的 AR500x 系列等。但是其中大 部分芯片都是基于 PCI、PCI express、mini PCI 等接口,从开发时间、难度和成 本上考虑采用 BGW200 方案。 BGW200 是 Philips 公司推出的基于 IEEE802.11b/g 的无线解决方案的 SiP (System in Package) ,该方案专门针对嵌入式和移动设备而设计[16],有助于提 高系统的稳定性和信号质量。BGW200 内部集成了 SA2443 基带/MAC 处理器, SA2405 射频收发器以及其它外围射频电路。基带处理器内部集成了一个 ARM7 控制器,提供 2 路 SPI 接口,分别定义为 SPI1 和 SPI2。SPI1 最大时钟频率为 8.25MHz,主要功能访问外部 EEPROM 和串行 Flash,实现 BGW200 的固件自 举加载;SPI2 为高速 SPI,该接口带有 DMA 控制,和 S3C2410 的 SPI 接口可以

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实现无缝连接,最大时钟频率达 66MHz,远大于 IEEE802.11b 的理论最大速率 11Mbps,能够完成子系统之间的数据传输工作,并且通过 SPI2 可以实现对 BGW200 的主机加载。 3.1.4 系统整体框架和工作原理 本无线移动终端由 S3C2410+BGW200 为核心搭建而成,从功能上无线移动 终端可以分成三个子系统: (1)ARM 嵌入式子系统,主要包括 ARM9 芯片以及 周边存储电路、接口转换电路和供电、时钟、复位电路组成,该部分负责 802.11 和 802.3 协议之间的转换和数据匹配问题,并且提供人机交互接口,接受上位 PC 机的监控(通过串口) ,实现与上位 PC 机之间有效的数据通信(通过网口) ; (2)WLAN 子系统,主要包括 BGW200 及其周边存储 Flash,时钟电路,供电 电路等,负责无线信号的接收/发送,功率放大/滤波,混频,基带处理等功能, 并且与 ARM 子系统通过 SPI 接口进行快速有效的数据通信; (3)天线子系统, 包括 BGW200 的射频信号输出端到天线端沿线的电路, 主要负责 2.4GHz 无线信 号的滤波、传输、阻抗匹配,最终通过天线发送/接收。系统的整体结构框架如 图 3.1 所示。
PC机
接收/发射天线

PC机 RJ45
启动信号

CS9000A

UART1

UART2

BPF 接收/发射天线 BPF

BGW200

SPI2

ARM (S3C2410A)

SPI1
电源模块 复位电路
EEPROM (AT25256)

SPI1
SPI Flash (AT25F1024)

Flash (64MB)

SDRAM ( 64MB)

无线子系统

ARM控制子系统

图 3.1 无线移动终端硬件总体框架

在正常工作模式下(BGW200 设置在主机加载模式) ,系统上电后,ARM 子 系统自动加载 Linux 操作系统和应用程序,然后利用启动信号启动 WLAN 模块 并通过 SPI 接口加载固件程序后, 整个系统进入空闲状态等待接收有线端或无线 端的数据或配置命令。根据系统工作的不同状态,可以总结出无线移动终端的

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三个工作过程: 1)  系统参数配置过程,用户通过网络管理软件设置系统工作参数(工作频率、 网络标识和 IP 地址等) ,ARM 子系统收到参数后通过 WLAN 驱动对 WLAN 模块 的工作状态进行调整。  2)  发送数据过程,以太网下传数据经过网口芯片进入 ARM 子系统进行数据协议 的转换,流量控制,认证后到达 WLAN 子系统,经过加扰、编码、交织、调 制和组帧后由射频天线放大、发射出去。  3)  接收数据过程,从天线接收到的射频信号,首先经过功放、混频、滤波、混 频、A/D 变换,然后进行自适应解调,解调后的有用数据传到 ARM 控制系统, 进行数据协议的转换,流量控制和认证,最后通过以太网接口上传 PC 机。  

3.2 嵌入式子系统
ARM 嵌入式子系统是整个系统的控制核心,同时与 WLAN 子系统和上位 PC 机的物理层、MAC 层、网络层进行数据交换,其主要功能有: 1) 自举加载 Linux 操作系统; 2) 启动 WLAN 子系统,主机加载 BGW200 固件程序; 3) 控制 WLAN 子系统的工作状态和参数配置; 4) 通过 UART、RJ45 等接口同上位机进行数据通信; 5) 通过 SPI 接口同 WLAN 子系统进行数据通信; 6) 实现 IEEE802.11 和 IEEE802.3 之间协议转换和数据速率匹配。
SDRAM (K4S561632C) SDRAM (K4S561632 C)

ARM嵌入 式子系统
UART、USB 接口

无 线 子 系 统

ARM (S3C2410X)

Ethernet (CS8900)
10Base-T 以太网

PC机

Nor FLASH (SST39VF160)

Nand FLASH (K9F1208U0A)

电源模块 复位电路

图 3.2 嵌入式子系统实现框图

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3.2.1 处理器 本通信电台的处理器选择 S3C2410,该芯片在 2.1.3 节中已作了简单介绍, 本节将对该芯片做简要的补充。 S3C2410 的内部逻辑结构框图以及总线结构如图 3.3,3.4 所示。

图 3.3 S3C2410 的内部逻辑结构框图

图 3.4 S3C2410 的内部逻辑结构框图

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如 图 3.4 所 示 , S3C2410 内部采用高级微控制器总线结构( Advanced Microcontroller Bus Architecture, AMBA) AMBA 包含了两组总线 AHB , (AMBA 高性能总线)和 APB(AMBA 外设总线) 。AHB 总线上挂载速率较高的模块, 如 NandFlash 控制器、中断控制器、USB 主机控制器,存储器控制器等,APB 上挂载一些外设模块,如 I2 S、I2C、UART、USB(从模式) 、SPI 等接口模块和 其它外设模块。 S3C2410x 内部时钟源由外部晶体(XTIpll)或外部时钟(EXTCLK)产生, 具体选择由 OM[3:2]决定,如表 3.2,在本系统中,正常工作模式下,OM[3: 2]选择“00” ,即选择外部晶体作为 S3C2410x 的内部时钟源。S3C2410x 内部的 时钟控制逻辑中含有 2 个 PLL,一个 PLL 可以产生系统所需的三种时钟信号: FCLK(用于 ARM920T,最大可达 203MHz) 、HCLK(用于 AHB 总线) 、PCLK (用于 APB 总线外设) 另一个 PLL 专用于 USB 模块(48MHz) FCLK、 , 。 HCLK 和 PCLK 存在 4 种比例关系,分频比率在寄存器 HDIVN 和 PDIVN 中决定,如 表 3.3。本系统正常工作情况下,三种时钟信号之间分频比为 1:2:4,即 ARM 内核 工作在 200MHz,AHB 总线上时钟速率为 100MHz,如 SDRAM 工作频率为 100MHz 等,APB 总线上的时钟速率为 50MHz。
表 3.2 S3C2410 时钟源选择 Mode OM[3:2] 00 01 10 11 MPLL State On On On On UPLL State On On On On Main Clock Source Crystal Crystal EXTCLK EXTCLK USB Clock Source Crystal EXTCLK Crystal EXTCLK

表 3.3 FCLK、HCLK 和 PCLK 之间的比例关系 HDIVN 0 0 1 1 PDIVN 0 1 0 1 FCLK FCLK FCLK FCLK FCLK HCLK FCLK FCLK FCLK/2 FCLK/2 PCLK FCLK FCLK/2 FCLK/2 FCLK/4 Divide Ratio 1:1:1(default) 1:1:2 1:2:2 1:2:4(recommended)

S3C2410x 拥有 1GByte 的寻址空间,寻址空间分为 8 个 Bank,每个 Bank 为 128MBtye, 支持 Lilltle/Big Endian 读写 (由软件决定) 所有 Bank 支持 8/16/32bit , 操作(Bank0 除外,Bank0 只支持 16/32bit 操作) ,S3C2410 的寻址空间映射如

24

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图 3.5 所示。

图 3.5 复位后 S3C2410 的存储器映射表

如图 3.5 所示,地址空间中共有 6 个 Bank 可用来对应 ROM,SRAM 等,而 剩下的两个 Bank 对应 ROM,SRAM,SDRAM 等。其中最为特殊的是 Bank0, Bank0 作为启动ROM Bank, 其数据总线宽度为 16bit 或 32bit, 在复位时由 OM[1:0] 的逻辑电平决定,如表 3.4。正常工作模式下,本系统选择 OM[1:0]=“00” , 即系统从 NandFlash 实现初始化程序加载。
表 3.4 S3C2410 Bank0 的数据宽度选择 OM1(Operating Mode1) OM0(Operating Mode0) Booting ROM Data width 0 0 1 1 0 1 0 1 Nand Flash Mode 16-bit 32-bit Test Mode

S3C2410x 采用多种电源管理方式,有利于在系统稳定工作的前提下降低整 个系统的功耗。S3C2410x 电源管理模块有以下 4 种模式: 1) Normal Mode:内部时钟模块同时供给 CPU 和外设。系统使用外设越多,功
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耗越大; 2) Slow Mode:亦称 Non PLL Mode,使用外部时钟供给 FCLK 而不使用内部 PLL,功耗取决于外部时钟的频率; 3) Idle Mode: 内部时钟模块不供给 FCLK 但供给 HCLK 和 PCLK。 在该模式下, 任何中断(如 EINT[0:23],RTC 中断等)皆可从该模式下唤醒内核模块; 4) Power-off Mode:将内部电源断开(除了唤醒逻辑) ,可由中断 EINT[0:15] 或 RTC alarm 信号从该模式下唤醒。 3.2.2 SDRAM 内存单元 与 Flash 存储器相比,同步动态随机访问存储器(Synchronous Dynamic Random Access Memory,SDRAM)不具有掉电保持数据的特性,但其存取速度 远大于 Flash 存储器,其具有读写的属性,故 SDRAM 在系统中主要用于程序的 运行空间, 数据及堆栈区。 正常情况下, 系统启动时, CPU 首先从复位地址 0x0000 处读取启动代码,在完成系统的初始化后,程序代码一般调入 SDRAM 中运行, 以提高系统的运行速度。同时,系统及用户堆栈、运行数据也都放在 SDRAM 中
[17]

。SDRAM 具有单位空间存储容量大和价格便宜的特点,适合嵌入式系统中的

应用。由图 3.6 所示,系统中 SDRAM 寻址空间对应于 S3C2410 的两个 Bank, Bank6 和 Bank7(选通信号分别对应于 nGCS6 和 nGCS7),本系统中 SDRAM 寻 址空间对应 Bank6,采用 Bank 选通信号 nGCS6。 本 系 统 的 SDRAM 选 择 Samsung 公 司 的 K4S561632 , 其 存 储 结 构 为 4M*16Bit*4Banks,4 个 Bank 的选择由信号线 BA[1:0]决定。采用 3.3V 供电, 兼容 LVTTL 电平标准。支持自刷新,自刷新周期为 64ms。最大工作温度范围 为-55℃~150℃,正常工作电流为 100mA(Burst Mode)[18]。该芯片最大时钟频 率为 133MHz。支持数据输入输出屏蔽。其行地址为 A0~A12,列地址为 A0~A8。 本系统采用两片 K4S561632 并联成 32bit 数据宽度的 SDRAM,由于在处理 器的存储空间里,字节是表示存储容量的唯一单位,对于 32 位的 SDRAM,它 的每一个存储单元包含 4Byte,所以 SDRAM 和 CPU 在地址线的接口上存在对 应关系,即 SDRAM 的 A12~A0 要依次对应于 CPU 的 A14~A2。BA 地址线即是 SDRAM 内部 Bank 的地址线, 代表了 SDRAM 内存的最高位, 本系统中 SDRAM 总的容量为 64MByte,所以需要 A25~A0 (64MByte=226 Byte)引脚寻址,故 BA1~BA0 地址线应该接到 A25 和 A14 上。本系统 SDRAM 部分实际电路连接 原理图如图 3.6 所示。

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K4S561632E-TC75 X2
VCC
… … …

VCC

S3C2410

…… …… ……… …

系统地址总线

A[12 :0 ]
13

A[14:2]
系统数据总线

BA 0 BA 1 CKE CLK

ADDR 24 ADDR 25 SCKE SCLK [1:0] nGCS 6 nWE nSCAS nSRAS

D[31:0]

32

CS# VSS
… … …

WE# CAS# RAS#

VSS

图 3.6 SDRAM 实际电路连接图

SDRAM 的初始化过程可分为以下几个步骤:1.当系统空闲至少 1ms 后,给 出 NOP 命令;2.NOP 命令后,等待 200us;3.执行一条 Precharge All 命令;4.执 行 8 次 Auto Refresh 命令;5.设置模式寄存器 MR(Mode Register) ;6.设置完 MR,并等待 3 个时钟周期后,SDRAM 便可以开始正常的读写操作。 3.2.3 FLASH 存储单元 系统所有的程序和数据都要存储在存储器中, 系统选择 Linux 作为操作系统, 需要较大容量的非易失存储器作为文件存储的媒质。此外,Flash 的可编程特性 也大大方便了产品的开发和性能升级。 Intel 公司 1988 年开发的 NorFlash 技术和 Toshiba 公司在 1989 年推出的 NandFlash 技术, 现在已成为 Flash 市场上的主流。 这两种 Flash 技术各有优缺点,存在某种互补关系,并行发展[20]。 NorFlash 的传输效率很高,在 1~4MByte 的小容量时有明显的成本优势,但 是很低的写入和擦除速度大大影响了它的性能。NAND 结构能提供极高的单元 密度,可达到高存储密度,并且写入和擦除的速度也很快,但对于 NandFlash 的 管 理 较 复 杂 而 起 需 要 特 殊 的 接 口 要 求 。 下 面 将 从 几 个 方 面 对 NorFlash 和 NandFlash 进行比较。 1) 性能比较:Flash 在写入前一般要进行擦除操作,擦写 NorFlash 器件时以 64~128KB 的块为单位, 执行一个块的写入/擦写操作的典型时间大概为 0.7s, 而擦写 NandFlash 器件是以 8~32KB 的块进行的,执行相同的操作通常不会 超过 4ms。 一般情况下, NorFlash 的读速度比 NandFlash 稍快一些, NandFlash

……… …

D[15:0]

…… ……

VCC

LDQM UDQM

DQM[ 3: 0]

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的写入速度、擦出速度却比 NorFlash 快很多; 2) 接口差别:NorFlash 的接口时序与 SDRAM 类似,只要有足够的地址总线寻 址,就可以对 NorFlash 很容易的存取其内部字节;NandFlash 使用数据和地 址复用的 I/O 脚, 通过多次寻址存取数据, 一般情况下, 其读写操作采用 512 (或者 2K)字节的页,类似于硬盘管理的操作; 3) 容量和成本:NorFlash 的容量为 1~32MB,主要应用到代码存储介质中;而 NandFlash 的容量通常在 8~128B,更适合于数据存储。目前 NandFlash 技术 发展迅速,大容量的 NandFlash 可达几个 G Byte 的容量,如 Samsung 的最 新 NandFlash 可达到 8GByte[21]; 4) 可靠性和耐用性:NandFlash 中每个块的最大擦写次数是一百万次以上,而 NorFlash 的擦写次数是十万次数量级;NandFlash 的位反转现象比 NorFlash 要严重,为了保证数据的可靠性,必须采用错误探测/错误更正(EDC/ECC) 算法;NandFlash 器件中的坏块是随机分布的,必须配合建立相应的文件系 统来管理文件系统,用软件的方式扫描坏块,然后写入文件;而起相比于 NorFlash,NandFlash 的时序更加复杂,NandFlash 器件上始终必须进行虚拟 映射,挑出坏块。 综合以上各种因素考虑,本系统采用了 NandFlash 和 NorFlash 这两种 Flash。 其中,NandFlash 作为主要非易失存储介质,用于存储系统的启动代码、Linux 内核映象,Linux 文件系统和用户文件等;而 NorFlash 作为备份 Flash,用于存 储系统启动引导代码 Bootloader,作为正常工作模式下系统崩溃后,用于系统 Linux 内核和文件系统的恢复。 本 系 统 中 NorFlash 采 用 SST ( Silicon Storage Technology ) 公 司 的 SST39VF160,工作电平范围为 2.7~3.6V,与 CMOS 电平兼容,最大擦写次数为 10 万次,采用 TSSOP48 封装,具有小体积、低功耗等特点。该芯片内部每个块 的大小为 2K Word,读取操作时间为 90ns,块擦写时间为 18ms,字写入时间为 14us,整个芯片重写时间为 15 秒左右。在 S3C2410 引脚 OM[1:0]=“01”时, 系统复位后从 NorFla sh 的 0x00000000 地址读取并加载系统 Bootloader 代码。由 于 S3C2410 内部有 Memory Controller,所以与 S3C2410 与 SST39VF160 是无缝 连接,其具体连接如图 3.7 所示。

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SST 39VF160
VCC

…… ……

VDD 系统地址总线 ADDR[22:1]
22

S3 C2410
nGCS0 nOE nCE

A[21:0]

系统数据总线 DATA[15:0]
16

DQ[15:0]

RST #

nRESET

VSS

Nor Flash

图 3.7 Nor Flash 部分电路连接示意图

本系统 NandFlash 采用 Samsung 公司的 K9F1208U0A,其存储容量为 64MBx8Bit ,供电电压为 2.7V~3.6V,地址总线和数据总线通过 IO 脚复用,按 页写入和读取,每页大小为(512+16)Byte,单页读取时间最小为 50ns,快速 写入周期为 200us,块擦除时间为 2ms。该芯片最大擦写次数为 10 万次,采用 48 脚 TSOP 封装,具有体积小,集成度高,功耗小等特点。 在 S3C2410 引脚 OM[1:0]=“00”时,系统从 NandFlash 加载。如图 3.7 所 示, NandFlash的加载过程有以下几个步骤:1) ( 系统完成复位;2) ( 若从 NandFlash 自动加载模式处于使能(即 OM[1:0]=“00”,NandFlash 中第一个 4Kbyte 的 ) 内容不经过 SDRAM,直接复制到 S3C2410 的 4KB 内部指令缓冲中; (3)缓冲 中的内容被映射到寻址空间 Bank0 中; (4)S3C2410 从该缓冲区中执行启动代 码。
K9F1208U0A
VCC VDD WP# I/O[7:0]
8

…… ……

S3C2410

DATA[7:0]

ALE VSS CLE

ALE CLE

Nand Flash
图 3.8 NAND Flash 部分实际电路连接示意图

NandFlash 的前 4KB 中不存在“位”错误,故在自动加载模式下,NandFlash
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…… ……

R/nB CE# RE# WE#

RnB

nFRE nFCE nFWE

…… ……

…… ……

WE# OE# CE#

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不需要 ECC 检测。本系统中 NandFlash 的 64MB 存储空间分成 5 个区,分别用 于存储系统引导程序(vivi) 、vivi 启动和配置参数、Linux 内核映象、Linux 根 文件系统和用户应用程序。S3C2410 芯片内部集成了 NandFlash 控制器,提供专 用的 NandFlash 接口,故 S3C2410 与 K9F1208U0A 之间也是无缝连接,实际电 路连接图如图 3.8 所示。 3.2.4 以太网接口部分 以太网具有快速、灵活、稳定的特点,通过以太网的数据传输是不同设备之 间通信的非常有效的手段之一,目前以太网接口已成为大多数数字终端和设备 的必备接口。 本课题中无线移动终端与有线网中 PC 机的数据交换采用以太网接 口,而 S3C2410 内部并没有集成以太网控制模块,故没有提供以太网接口,本 系统采用以太网控制器集成电路来实现以太网接口,该类产品很丰富,如 Cirrus Logic 公司的 CS8900 系列,Davicom 半导体公司的 DM9000 系列。 本系统中采用的以太网控制器为 Cirrus Logic 公司的 CS8900A,该芯片是基 于工业标准总线(Industry Standard Architecture,ISA)接口的 IEEE802.3 以太网 控制器。 供电电压为 3V,工作温度范围为工业级( -40℃~85℃) 采用 TQFP-100 , 封装。该芯片工作于全双工模式,内部集成了 802.3MAC 引擎,RAM,10Base-T 发送/接受滤波器, ISA 总线驱动器, 外部 EEPROM 接口和 AUI Attachment Unit ( Interface)接口,其内部逻辑结构如图 3.9 所示[23]。

图 3.9 CS8900A 内部逻辑框图

如上图所示,该芯片提供带有模拟滤波器的 10Base-T 接口(能提供自动极

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性检测和纠错)和 AUI 接口(为了兼容 10Base2,10Base5,10Base-F 等接口) 。 该芯片具有可编程发送和接收特性。可编程发送特性包括冲突时自动重发功能 和自动生成间隙和 CRC。 可编程接受特性包括以下几点: 1) ( 片上存储器和 DMA 之间的自动切换; (2)对帧预处理进行预先中断处理; (3)自动摈弃错误的数 据包; (4)采用数据流传输避免网络过载。该芯片还提供边界检测和回环测试, 提供 LED 驱动器,用于显示以太网的连接状态和活动状态。本系统中 CS8900A 的时钟源由外部 20MHz 晶体提供。CS8900A 通过 ISA 总线与 S3C2410 连接, 在 ISA 总线接口中,I/O 空间和内存空间是独立寻址的,但 CS8900A 采用特殊 的 PacketPage 架构,屏蔽了这种差异,提供了统一的接口,因此在程序设计上 就可以使用统一的内存空间,来完成对 CS8900A 的操作。S3C2410 对 CS8900A 的读写存在两种方式,I/O 访问模式和 Memory 访问模式,CS8900A 的寻址空间 被映射到 Bank3(对应于 Bank 选通信号 nGCS3) ,在两种访问模式下,S3C2410 与 CS8900A 之间的读写控制信号具有一定的时序关系,通过高位地址线 ADDR24 经过组合逻辑的译码来区分 I/O 空间和内存空间的读写, 使两种模式下 对 CS8900A 的访问基地址相差 0x1000000 的偏移量,如图 3.10 所示。在本系统 中,CS8900A 的 I/O 寻址空间为 0x18000000,内存寻址空间为 0x19000000。
nOE nIOR ADDR24 nWE nIOW

IO 访问模式

nWE ADDR24 nMEMR

Memory 访问模式
nGCS3 nMEMW nOE

图 3.10 S3C2410 和 CS8900A 之间的读写控制逻辑关系

CS8900A 部分实际电路原理图如图 3.11 所示,以太网收发信号为两对差分 信号,LANTX+ 和 LANTX-,LANRX+ 和 LANRX-,这两对信号经过 T1_1T 变 压器转变后连到 RJ45 网口座上,构成以太网电路部分的物理层。本课题中,无 线移动终端通过交叉双绞线与 PC 机进行数据通信。

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图 3.11 CS8900A 部分实际电路原理图

3.2.5 电源部分和复位电路 电源系统在系统设计中非常重要,一个合理、高效、稳定的电源系统能够使 系统的故障率大大减小并且运行更加稳定。设计电源时要考虑以下几点主要因 素:电源系统输出的电压、电流、功率等因素;电源系统输入的电压;电源系 统的输出纹波;电磁干扰因素;电源系统的体积和功耗限制;电源系统的成本 因素。综上各因素,嵌入式控制子系统需要两种电压,1.8V(供给 ARM 内核电 压和 VDDalive)和 3.3V(供给 ARM 接口等和嵌入式子系统其它部分的电路) 。 嵌入式子系统电源方案如图 3.12 所示,其中 VDDalive 为 S3C2410 内部复位模 块和端口状态寄存器的供电电压,所以不管在正常工作模式下或睡眠模式下都 需要提供该电压,故本系统单独设计一路 1.8V 电压供给 VDDalive。PWREN 为 内核电源开关控制信号, Slow Mode 和 Poweroff Mode 情况下,内核电压需要 在 切断,可由该信号控制,此外,该信号还可以用来指示 ARM 内核是否处在正常 工作状态。

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MAX1793 5V稳压 Vin 电源输入 Vout MIC5207 Vin EN Vout 3.3V电 供给S3C2410存储器接口 ,IO 压输出 接口等 ,RTC和其它外围芯片 1.8V电 供给VDDalive 压输出

MIC5207 Vin PWREN EN Vout 1.8V电 供给VDDi,VDDiarm, 压输出 VDD MPLL,VDD UPLL

图 3.12 嵌入式子系统电压方案

结合考虑嵌入式子系统在正常工作时的电流和功耗,分别采用 MIC5207 和 MAX1793 来产生 1.8V 和 3.3V。这两款芯片的具体技术参数如下: 1) MIC5207:MICREL 公司的一款低噪声 LDO 整流器,输入电压为 2.5V~16V, 最大输出电流 180mA,输出只带有超低噪声,低静态电流,该芯片自带电源 反接保护,且带有电压输出使能功能,采用 SOT23-5 封装。本系统中采用的 芯片为 1.8V 固定电压输出; 2) MAX1793:MAXIM 公司的一款低压降线形整流器,输入电压范围为 2.5V~ 5.5V,最大输出电流为 1A,满载时压降为 210mA,输出电压精度高达±1%, 输出噪声低,自带过热保护,TSSOP 封装。MAX1793 有若干种固定电压输出 芯片和可调电压输出,本系统中采用的芯片为 3.3V 固定电压输出。 复位信号可以使初始状态可预测,防止出现禁用状态。当系统上电后,状态 是不可知的,复位逻辑系统的功能就是负责将控制器初始化为某一个确定的状 态。产生复位信号有两种方式,一种是传统的 RC 电路方式,一种是集成电路芯 片方式。RC 复位电路的基本功能是系统上电时提供复位信号直至系统电源稳定 后撤销复位信号。其工作原理是利用 RC 电路的充放电的延时特性,根据 R、C 的值来确定复位信号持续时间;辅助以消抖电路(如反相器等) ,使复位信号更 加稳定。 复位集成电路芯片相比 RC 电路更加复杂,但更稳定,而且价格一般不高, 所以复位集成电路方式是较理想的选择。本系统采用 AD(Analog Device)公司 的 ADM6825。该芯片带有手动复位输入的复位芯片,有 9 种复位门限电压的芯 片可以选择,在本系统中采用 3.3V 供电,采用 2.19V 复位门限电压,复位时间 最小持续 140ms, 功耗极低, 采用 SOT23-5 封装。 根据 S3C2410 芯片手册, S3C2410 的复位信号在处理器电源稳定后的持续时间要大于 4 个 FCLK,ADM6825 产生的

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复位信号满足要求。本系统实际复位电路原理图如图 3.13 所示。其中,ADM6825 可以产生正负两种复位信号,分别定义为 nRESET 和 RESET。 在本系统中, nRESET 作为 S3C2410, NorFlash 芯片, JTAG 和 LCD 控制器等功能模块的复位信号, RESET 作为以太网控制器 CS8900A 等电路的复位信号。 
VCC VCC

ADM6825
VCC RESET

100 K

RESET
用作S3C2410 、Nor Flash、 LCD等的复位信号

10 K

GND MR RESET#
100 K

nRESET
用作CS8900 A的复位信号

图 3.13 嵌入式子系统复位电路原理图

3.2.6 数字接口设计 ARM 嵌入式系统功能接口十分丰富,接口设计在系统中也占有很重要的作 用。本小节针对系统设计比较重要的 JTAG、UART、USB 和 SPI 接口作简要的 介绍。 JTAG(Joint Test Action Group,联合测试行动小组)是一种国际标准测试协 议,主要用于芯片内部测试及对系统进行仿真、调试。JTAG 技术是一种嵌入式 调试技术,它在芯片内部封装了专门的测试电路 TAP(Test Access Port,测试访 问口) 它通过专用的 JTAG 测试工具对内部节点进行测试。 , S3C2410 支持 JTAG 协议,通过 JTAG 接口,可对芯片内部的所有部件进行访问,还可用于实现 ISP (In-System Programmable,在线编程调试) 。JTAG 接口主要的引脚及其功能为: (1)TMS:JTAG 测试模式选择信号,作为 TAP 的输入信号,内部连接上拉电 阻,在 TCK 的上升沿 TMS 的状态确定 TAP 控制器即将进入的工作状态; (2) TCK: JTAG 的测试时钟,输入信号,为 TAP 控制器和寄存器提供测试参考; (3) TDI: JTAG 测试数据输入信号,内部连接上拉电阻,在 TCK 的上升沿时刻, TDI 引脚状态被采样,结果送到 JTAG 寄存器组; (4)TDO:JTAG 测试数据输出信 号,在 TCK 的下降沿改变状态,并且只在数据通过器件移动过程中有效; (5) nTRST:JTAG 测试接口复位信号,输入信号,低电平有效,为 TAP 控制器提供 异步初始化信号,当 JTAG 未用时,必须接低电平或接到 nRESET(S3C2410 的
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复位信号) 常用 JTAG 开发工具有: 。 USB multi-ICE,并口 multi-ICE,简易 JTAG 工具。价格由高到低,速度由快到慢。本系统只是在往 Flash 中写入 bootloader 时才使用到 JTAG 接口,即用并口来模拟 JTAG 协议(PC 机上需要安装相应得 并口区东程序) ,由于 JTAG 是串行协议,所以并口的多次操作才能完成一条命 令,故速度较慢。本系统中 JTAG 接口设计和连线关系如图 3.14 所示,本系统 采用简易 JTAG 接口(实际上就是 74LS244 的转接电路) ,JTAG 小板通过 20 针 标准 JTAG 接口连接到电路板上,途中 DB、AB、CB 分别指数据总线、地址总 线和控制总线,通过相关的软件(如 SJF2410 等)可对 Flash 进行在线编程,本 课题中由于使用 JTAG 简易小板,烧写速度较慢,故只是用 JTAG 来烧写嵌入式 系统启动引导代码(如 vivi, U-boot 等) 。
PC机 S3C2410 指令寄存器
………………

74LS 244 边界扫描寄存器
…… ……
TCK TDI TMS TDO A A A A Y Y Y Y TCK TDI TMS TDO DB AB

Flash

2 3 4 11

测试访问端口 (TAP)

CB

25Pin 并口

JTAG简易小板

嵌入式子系统

图 3.14 嵌入式子系统 JTAG 接口设计

S3C2410

提 供

3

个 通 道 的

UART ( Universal

Asynchronous

Receiver/Transmitter) 这 3 个通道使独立的, , 每一个通道都可以进行中断操作或 DMA 操作。每一个 UART 通道包含 2 个 16 字节 FIFO 用来接收和发送数据。这 3 个通道 UART 与红外接口(IrDA1.0)兼容,UART 通道 0 和通道 1 带有流控。 在本系统中,UART 接口是重要的人机交互接口,起到以下几点作用: (1)通过 串口终端软件工具向系统的内存中写入数据; (2)PC 机通过串口与移动终端相 连,通过 PC 机上的终端软件来调试或监控嵌入式系统。本课题中通过 UART 通 道 0 与 PC 机相连,通过 DB9 标准接口相连,信号线有 4 根,分别是 TXD0、 RXD0、CTS0 和 RTS0,其实际电路连接图如图 3.15 所示。如图中所示,使用 MAXIM 公司的 MAX3232 实现 RS232 电平转换,该芯片采用 3.3V 供电,提供 四路信号电平转换,两路驱动,另两路作为接收,最大传输速率可达 250Kbps。 图中连接方式为非自动流控方式,其接受操作流程如下: (1)选择接受模式 (中
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断模式或 DMA 模式)(2)检测寄存器 UFSTATn 中接受 FIFO 计数器的值,若 ; 值小于 15,则需手动激活 nRTS(置 UMCONn[0]为 1) ,若该值大于 15,则需手 动关闭 nRTS 信号(置 UMCONn[0]为 0) 。发送操作流程如下: (1)选择发送模 式(中断模式或 DMA 模式)(2)检测寄存器 UMSTATn[0],若该值为 1(即 ; nCTS 处于激活状态) ,即可以向 FIFO 寄存器中写入数据。
终端设备 DB9接口 1 6 2 7 3 8 4 9 5 MAX3232
3.3V VCC
……

S3C2410
GND
……

T1OUT R1IN R2IN T2OUT

RS232

T1I N R1OUT R2OUT T2I N

TXD0 nCTS0 RXD0 nRTS0

…… ……

图 3.15 串口实际电路连接示意图

S3C2410 内部波特率发生器可以有两个时钟源,系统时钟(PCLK)和外部 时钟(UCLK) 。波特率由时钟源的 16 分频及一个 UART 波特率分频系数寄存器 UBRDIVn, 其中 UBRDIVn= (int) (PCLK/ (bps*16) -1。 ) 若使用系统时钟 (PCLK) 作为时钟源,则时 UART 的最大传输比特率可达 115200bps,若使用外部时钟 UCLK,比特率可达更高。 USB 数据传输比 UART 数据传输更加稳定快速,USB 使用 4 线电缆(两根 数据线,另两线用于电源和地) ,USB 全速传输速率与标准的串行端口相比大约 快 100 多倍,与标准的并行端口相比,也快接近 10 倍。S3C2410 芯片内部集成 了一个 USB 主机控制器和一个 USB 设备控制器,都是基于 USB1.1 规范的。不 同的 Linux 版本对 USB 的支持程度不同,Linux2.4.18 以下的版本一般只支持 USB1.1 规范。USB1.1 规范支持低速(1.5Mbps)和全速(12Mbps)两种不同速 率的数据传输和 4 种不同类型的数据传输方式:控制传输(Control Transfer) 、 中 断 传 输 ( Interrupt Transfer ) 批 传 输 ( Bulk Transfer) 和 同 步 传 输 方 式 、 (Isochronous Transfer)[25]。在符合 USB 规范的基础上,不同厂商开发的 USB 主机控制器有着不同的结构特性。S3C2410 的 USB 主机控制器符合 OHCI1.0 规 范[24]。S3C2410 的 USB 设备控制器为全速控制器,包含 5 个带有 FIFO 的端点。 其实际电路连接方式如图 3.16 所示。

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S3C2410 USB 接口 VBUS
…… ……

PDN0 PDP 0

22 D22 D+ GND
1.5K 270K

USB 从设备接口

(Input ) GPIO17 S 3C2410
5V

USB接口 VBUS

…… ……

DN0 DP0

22 22

DD+ GND
15 K 15K

USB 主机接口

图 3.16 USB 接口连接示意图

其中,USB 接口 4 根信号的定义分别为:VBUS 为电源,D-为负差分信号, D+为正差分信号,GND 为地 。S3C2410 的 USB 主机接口信号线为 DP[1:0] 和 DN[1:0],USB 从设备接口信号线为 PDP0 和 PDN0(分别与 DP1 和 DN1 复用) 。当无线移动终端与 PC 机通信时,系统作为 USB 从设备,作为“自供电” 设备, USB 接口不使用 PC 机上的 USB 电源, 同时使用 GPIO17 作为 USB 中断。 系统可以连接 USB 键盘等设备,此时系统作为 USB 主机,此时需要对 USB 设 备提供电源。无论作为从设备或主机都需要在差分信号的走线上连接小电阻来 提高阻抗匹配性能。 本课题中,系统使用同步串行接口同无线子系统进行数据通信,S3C2410 采 用 Motorola 公司推出的 SPI(Serial Peripheral Interface,串行外设接口)协议作 为同步串口协议。SPI 是一种高速的、全双工、同步的通信总线,SPI 总线是一 种三线同步协议,节约了芯片的管脚,同时为 PCB 的布局上节省空间,提供方 便,其硬件功能很强,与 SPI 有关的软件相对简单,使 CPU 有更多的时间处理 其他事务。S3C2410 内部集成 2 路 SPI 接口,这 2 个接口既可以作为主设备也可 以作为从设备,每个通道拥有两个移位寄存器,分别用于接受和发送。每个 SPI 接口有 4 根信号线,如表 3.5 所示。在 SPI 时钟信号的作用下,SPI 接口可以同 时收发数据,也可以只发送或接受数据。系统通过 SPI 通道 0 与 BGW200 相连, 其中 S3C2410 的 SPI 接口配置成主模式,SPI 数据线和时钟线为无缝连接,另外 BGW200 作为 SPI 从设备,需要 S3C2410 提供一根信号线作为其 SPI 从模式选
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基于 802.11b 标准的无线移动终端研制 

通信号线。
表 3.5 S3C2410 SPI 接口信号线定义 信号线 SPIMISO[1:0] IO 属性 IO 功能描述 当 SPI 配置成主模式时,SPIMISO 作为数据输入信号线; 当 SPI 配置成从模式时,SPIMISO 作为数据输出信号线; SPIMOSI[1:0] IO 当 SPI 配置成主模式时,SPIMOSI 作为数据输出信号线; 当 SPI 配置成从模式时,SPIMOSI 作为数据输入信号线; SPICLK[1:0] IO SPI 时钟信号线。当 SPI 配置成主模式时,SPICLK 作为 时钟输出信号线;当 SPI 配置成从模式时,SPICLK 作为 时钟输入信号线; nSS[1:0] I 当 SPI 配置成从模式时,作为 SPI 设备选通信号。

在本系统中,BGW200 的 SPI 选通信号可由硬件决定或软件实现(通过通用 脚 GPG2) 。SPI 接口实际电路连接示意图如图 3.17 所示。同时, BGW200 的 SPI 接口提供一根 SPI 中断信号线,连接至 S3C2410 的外部中断信号线 EINT9 上。 当 BGW200 处于主机加载方式时,连接器 Connector 所有的开关处于闭合状态。 BGW200 作为从设备时,其选通信号可通过开关 Jumper 拉低至信号地上,或由 S3C2410 通用引脚 GPG2 上。
BGW200
vcc

S3C2410
Jumper

10K

SPI _SCK SPI _MISO SPI _MOSI

SPICLK 0 SPIMISO 0 SPIMOSI 0 EINT9

SPI _EXT_INT

Connector
图 3.17 S3C2410 SPI 接口连接示意图

S3C2410 有三种 SPI 数据查询方式:查询方式、中断方式和 DMA 方式。SPI 模块查询方式的基本操作流程如下: 1) 设置波特率预分频寄存器 SPPREn,波特率=PCLK/2/(比例因子+1) ,比例 因子的取值范围为 0~255,故 S3C2410 最大 SPI 传输速率为 25Mbps; 2) 设置寄存器 SPCONn 配置 SPI 模块,包括 SPI 数据传输模式选择,SPI 主/ 从模式选择,SPI 时钟使能,时钟相位和极性选择,仅接受模式控制(设置 TAGD 位,决定是否只需要接受数据,该位为 1 时为普通模式,该位为 0 时

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…… ………

SPI _SS_N

GPG2

…… ………

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为仅接受模式)等; 3) 向寄存器 SPTDATn 中写 10 次 0xFF,初始化 SPI 设备; 4) 将通用脚 GPG2(BGW200 的 SPI 选通信号)置低,选通激活 SPI 设备; 5) 发送数据:检查传送准备状态标识(REDY) ,若为 1,则向数据寄存器 SPTDATn 中写入数据; 6) 接受数据: 若为普通模式 (SPCON 中的 TAGD 为 0)向 SPTDATn 写入 0xFF, , 然后确认 REDY 是否已设置,若设置则从读缓冲区中读取数据;若为仅接受 模式(SPCON 中的 TAGD 为 1) ,直接确认 REDY 是否已设置,若设置则从 读缓冲区中读取数据; 7) 设置 SPI 从设备选通信号 GPG2,使 SPI 传输结束。 当 SPI 处于 DMA 模式下,其数据发送流程如下: 1) 设置预分频寄存器 SPPREn; 2) 设置控制寄存器 SPCONn,将 SPI 配置成 DMA 模式; 3) SPI 请求 DMA 服务; 4) DMA 发送 1 字节数据给 SPI; 5) SPI 接口向 SPI 从设备发送数据; 6) 返回到(3) ,直到 DMA 的计数器为 0; 7) 通过设置寄存器 SPCONn 的 SMOD,将 SPI 配置成查询方式或中断方式。 当 SPI 处于 DMA 模式下,其数据接受操作流程如下: 1) 设置预分频寄存器 SPPREn; 2) 设置控制寄存器 SPCONn,将 SPI 配置成 DMA 模式和仅接受模式; 3) SPI 接口从接受到来自 SPI 从设备的一个字节的数据; 4) SPI 请求 DMA 服务; 5) DMA 从 SPI 读取数据; 6) SPI 自动启动一次无用数据(0xFF)的发送; 7) 返回到(4) ,直到 DMA 的计数器为 0; 8) 设置控制寄存器 SPCON,改设为其它模式,如查询、中断模式,并向 TAGD 位清 0,将仅接受模式改成普通模式; 9) 若寄存器 SPSTAn 中的 REDY 标志位为 1, 则需要读取最后一个字节的数据。 另外,DMA 第 1 次接收的是数据的无效的。 SPI 传输数据时有 4 种工作时序,通过 SPI 控制寄存器 SPCONn 的状态位 CPOL 和 CPHA 的 4 种组合来选通。这 4 种工作时序的关系如表 3.6 所示。
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基于 802.11b 标准的无线移动终端研制  表 3.6 S3C2410 SPI 4 种工作时序 格式 A CPHA=0 CPOL=0 B CPHA=1 CPOL=1 A CPHA=0 CPOL=1 B CPHA=1 第一个 SCK 下降沿 前 第一个 SCK 下降沿 SCK 上升沿 SCK 下降沿 CPOL 和 CPHA CPOL=0 第一位数据输出 第一个 SCK 上升沿 前 第一个 SCK 上升沿 其它位数据输出 SCK 下降沿 数据采样 SCK 上升沿

SCK 上升沿

SCK 下降沿

SCK 下降沿

SCK 上升沿

本系统的 SPI 在正常工作时,采用 CPOL=0,CPHA=0,格式 A 的工作时序, 具体时序如图 3.18 所示。

图 3.18 本系统 SPI 正常工作时采用的时序关系

3.3 无线子系统
WLAN 子系统完成物理层和数据链路层的数据处理,主要功能包括: 1) 基带信号处理和信道无线接入; 2) 射频信号收发、放大、滤波、混频等; 3) 与 ARM 嵌入式子系统通过 SPI 接口进行数据传输。 在本文 3.1 节中已知,本系统 WLAN 在系统采用基于 IEEE802.11b/g 的无线 集成专用芯片的解决方案,WLAN 子系统由 WLAN 专用芯片(BGW200) 、片 外存储器(EEPROM)组成,实现框图如图 3.19 所示。

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天 线 接 口

天 线 切 换

SA2441 (PA )

SA2405 (RF Transeiver)

SA2443A (Baseband/ MAC )

SPI2

BGW200
SPI1 SPI1

A R M 子 系 统

EEPROM (AT25256)

FLASH (AT25F1024)

晶体、复位电 路、电源

图 3.19

无线子系统结构框图

3.3.1 BGW200 及其周边电路 WLAN 子系统的核心器件为 WLAN Sip(System- in-package ) 芯片 BGW200。 BGW200 内部集成了一个 ARM7TDMI 控制器(带有 SRAM 和 ROM) ,它包括 ARM7 控制器,SA2405 射频收发器、SA2443 基带处理器、电源管理模块以及 一些外围射频电路,内部框图如图 3.20 所示。BGW200 采用 HLLGA68 封装, 工作温度范围为-30℃~+85℃。ARM7TDMI 控制器的内核电压为 1.8V,最大时 钟频率达 66MHz,内部集成 1 个 256Kbits 的 ROM 和 5 个 256Kbits 的 SRAM。 BGW200 内部还提供 SPI 主/从接口(SPI1) ,带有 DMA 控制器的 SPI 高速接口 (SPI2) ,SD 接口,13 个通用 IO 和 UART 等[26]。 BGW200 内部逻辑框图如下图所示。

图 3.20 BGW200 内部逻辑框图

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BGW200 有以下性能参数,如表 3.7 所示:
表 3.7 BGW200 部分性能指标 性能参数 电压范围 参数值或描述 基带数字部分为 1.65V~1.95V; 射频收发、功放、基带模拟、基带外设部分为 2.7~3.0V。 睡眠模式下为 200 ?W ; 功耗 接受模式为 480mW; 发送模式下为 750mW(输出功率为 17dBm) 。 接受机灵敏度 接收机最大输入功 率 发射机最大输出功 率 最大传输速率 工作频率 11Mbps 工作频率为 2412MHz~2462MHz,以 5MHz 为间隔共有 11 个中 心频率 兼容性 与 Philips 的 IEEE802.11g 无线方案兼容; 与 Philips 的蓝牙模块接口兼容。 +17dBm(提供 15dB 的增益调节范围) -83dBm(11Mbps 传输速率下) 。 0dBm

3.3.2 BGW200 加载方式 BGW200 提供 4 种加载方式,分别是 SPI Flash 加载、SPI 主机加载、SDIO EEPROM 加载和 SDIO 主机加载。加载模式由 BGW200 信号线 LOADSCR0 和 LOADSCR1 选择,如表 3.8 所示,其中,本系统在研制过程中,SD 接口并未使 用,故 BGW200 只能拥有两种 SPI 加载方式,分别对应于 SPI1 和 SPI2 接口(在 BGW200 的引脚上 SPI1 和 SPI2 是管脚复用的) 。
表 3.8 BGW200 的 4 种加载方式

LOADSCR1 0 0 1 1

LOADSCR0 0 1 0 1

MODE SPI-HOST SPI-FLASH SDIO-HOST SDIO-EEPROM

SPI-FLASH 加载模式为无线子系统调试物理层性能时使用的加载方式, 即通
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过 SPI1 来实现 BGW200 的固件自举加载,SPI1 支持主/从模式,最大时钟频率 为 8.25MHz(系统时钟的 1/8) ,无论主或从模式,都支持 SPI 工作模式 0 和 3, 能够自动检测写冲突、读溢出、模式错误和从模式退出等问题,能够快速稳定 的访问外部 EEPROM 和串行 Flash。BGW200 固件程序实现对 BGW200 的初始 化和相关工作参数配置,主要包括动态参数和静态参数两部分。动态参数包括 设备的 MAC 地址,接收/发送模式,工作频段、发射功率和天线增益等;而静 态参数在具体应用时只能修改一次,如频率温度查找表,电压偏移查找表等。 在无线子系统中,采用 Atmel 公司的高速 SPI 串行 Flash AT25F1024A 作为存放 固件程序的非易失存储器,通过 Flash 烧写器(如 Xelteck 公司的 Superpro 烧写 器)将固件程序烧写到 Flash 中。 AT25F1024A 的存储容量为 1Mbit,分为 4 个扇区(每个扇区 32KByte) ,支 持 SPI 工作模式 0 和 3,带有写保护位,供电范围为 2.7V~3.6V,采用 8 脚 SOP 封装[27]T25F1024A 的数据接口为 SPI 接口,能够同 BGW200 实现无缝连接。 BGW200 从 Flash 加载的连接示意图如图 3.21 所示,此时 LOADSCR1 置 0, LOADSCR0 置 1,SPI_N_SS 信号线通过电阻拉高。FLASH 的选通信号#CS 由 BGW200 的通用引脚 GPIO10 来控制,信号为低电平时有效。FLASH 的#WP 和 #HOLD 拉高。图中的 VPB 相当于 ATM7 控制器的 AMBA 总线体系中的高级外 设总线 APB。

BGW200
…… GPIO10

SPI 1模块
SPI1 interrupt

vcc

Flash
VCC #WP #HOLD SCK #CS

vcc
10K

vcc
Jumper 10K

SPI 中断控制 SPI 状态控制 SPI时钟产 生和检测

VPB
…… ………

SPI _SS _N SPI _SCK

GND

SI SO

SPI _MOSI SPI _MISO

移位寄存器

图 3.21 BGW200 从 Flash 加载模式连接示意图

正常工作情况下,BGW200 的加载方式为主机加载,即 SPI-HOST 模式,此 时 BGW200 作为从设备,S3C2410 通过 SPI2 总线向 BGW200 写入固件程序,

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BGW200 初始化成功后,便可以与嵌入式子系统进行正常的数据通信。 利用 BGW200 的 SPI2 进行数据传输有以下特点:带有 DMA 控制,最大时钟频率为 66MHz,采用 SPI 工作模式 3,半双工操作,数据包长度最小为 8bit,8 个邮箱 (Mailbox)和 8 个暂存寄存器(Scratch Register) ,需要外部信号来为 SPI 主机 控制器提供中断信号,可以复位基带处理器 SA2443。其中,邮箱本质上就是数 据寄存器,8 个邮箱分成 4 个主机邮箱(Host Mailbox)和本地邮箱(Local Mailbox) ,主机(S3C2410)通过 SPI2 总线向本地邮箱写入数据,BGW200 内 部集成的微控制器 SA2443 从本地邮箱读取数据, 当主机向本地邮箱写入数据时 将产生本地中断以通知微控制器读取数据; 微控制器 SA2443 向主机邮箱中写入 数据,主机(S3C2410)从主机邮箱中读取数据,微控制器向主机邮箱写入数据 时会向主机(S3C2410)发送中断信号 SPI_EXT_INT 以通知主机准备读取数据。 8 个暂存寄存器也分成 4 个主机暂存寄存器和 4 个本地暂存寄存器,基本作用与 邮箱一样,唯一的不同是当暂存寄存器在数据写入时并没有中断信号的产生。 BGW200 采用 SPI 工作模式 3 工作,SPI_MOSI 上的数据在 SPI_CLK 的上升沿 采样,SPI_MISO 可选择在 SPI_CLK 的上升沿或下降沿输出(在 BGW200 加载 的固件程序中确定, 本系统工作时采用在 SPI 时钟信号的下降沿输出) S3C2410 。 与微控制器 SA2443 内部存储器之间的 DMA 传输都由 S3C2410 发动, 每次 DMA 传输的数据大小为 0~65535 字节。BGW200 通过主机加载时,SPI2 接口与主机 S3C2410 的通信连接如图 3.22 所示。
BGW200
SPI 时钟 系统时钟
SPI SW interrupt SPI DMA interrupt SPI reset

SPI中断控制器

S3C2410
DMA控制器
AHB SPI _SCK SPI_MISO SPI_MOSI SPI _EXT _INT SPI_SS_N

SPI2接口

SPICLK0 SPIMISO 0 SPIMOSI 0 EINT9

SPI状态寄存器 本地邮箱0~3 本地暂存寄存 器0~3 主机邮箱0~3

VPB

SPI Host

SPI Slave Device

主机暂存寄存器 0~3

图 3.22 BGW200 主机加载连接示意图
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…… ………

…… ………

…… ………

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图 3.22 中 SPI_SS_N 直接接地,确保 BGW200 处于 SPI 从模式,SPI2 的时 钟信号由 SPI 主机 S3C2410 提供,SPI 外部中断由 S3C2410 的 EINT9 提供,两 根数据线直接对连。 3.3.3 电源和时钟部分 无线子系统中需要两种电源电压,3.0V 和 1.8V,其中 1.8V 作为 BGW200 内部 ARM7 控制器的核心电压, 3.0V 供给 BGW200 内部其他模块和无线子系统 其他功能电路,如 Flash 和逻辑门电路等。无线子系统的电源模块受嵌入式子系 统控制,当需要应用无线子系统时,则使能电源,否则关闭电源,达到减小系 统功耗的目的。BGW 内部微控制器的电流在睡眠模式下为 80 微安,在接受模 式下为 90mA 左右,在发送模式下为 16mA 左右,由于控制器核心电压的性能 要求较高,故采用最大输出电流为 250mA 的 LDO 来实现;数字 IO、模拟、射 频和 VCO 部分电路采用 3.0V 供电,在睡眠模式下为 25 微安,接受模式下为 110mA 左右,发送模式下为 100mA 左右;功率放大器和驱动电路在睡眠模式和 接受模式下工作电流为 10 微安,在发送模式下为 200mA 左右。故 3.0V 电源的 工作电流在接受模式下最大为 120mA 左右,在发送模式下为 310mA 左右,故 采用最大输出电流为 400mA 的电压整流器即可以满足条件。无线子系统的输入 电压采用 5V,1.8V 和 3.0V 电源电压分别由 TI(Texas Instruments)公司的 TPS73218 和 TPS73630 实现。无线子系统的电源方案如图 3.23 所示。 TPS73218
IN OUT GND

1.8V

供给ARM7 控制器

5V 输入
GPIO from S3C2410

TPS73630
IN EN OUT GND

EN

3V

供给射频收发、 功放、基带模拟、 基带外设部分

图 3.23 无线子系统电源方案

下文对两款芯片做简要介绍: 1) TPS73630:TI 公司 LDO,3.0V 固定电压输出,最大输出电流 400mA,输入 电压范围为 1.7V~5.5V,满载时压降为 75mV,带有电流倒灌保护 2) TPS73218:TI 公司 LDO,1.8V 固定电压输出,最大输出电流 250mA,输入 电压范围为 1.7V~5.5V,满载时压降为 40mV,带有电流倒灌保护

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BGW200 内部集成的基带处理器 SA2443 需要正常工作下的参考时钟和睡眠 模式下的时钟。BGW200 拥有 3 种时钟源,内部集成的 1MHz 的晶体和需外部 输入的 44MHz 和 32KHz 时钟。基带处理器的睡眠时钟由内部 1MHz 晶体或由 外部 32KHz 时钟提供,正常工作所需的 44MHz 由外部输入。其中,44MHz 晶 体的精度范围为 43.9889MHz~4。40011MHz,需要使用高精度的外部晶体提供, 以确保 BGW200 内部基带部分稳定可靠的工作。 3.3.4 天线部分设计 天线部分设计指 BGW200 的 2 根射频信号线输出到电路板天线接口这段电 路的设计,包括带通滤波器和天线的选择。在 WLAN 中,射频信号的多径干扰 比较严重,为滤除带外噪声,在信号的收发时需要通过 2.4GHz 带通滤波器。本 系统采用带通滤波器 LFB2H2G45SG7A158,该滤波器为 WLAN 专用滤波器, 中心频率为 2450MHz,带宽范围为 2400MHz~2500MHz,在 20℃时的最大插入 损耗为 1.2dB,带宽内的最大电压驻波比为 2,当输入信号频率为 1800MHz 时 信号衰减为 30dB 以上,当输入信号频率为 1850MHz~1910MHz 时信号衰减为 35dB 以上,当输入信号频率为 4800~5000MHz 时信号衰减为 25dB 以上,特性 阻抗为 50 欧姆,工作温度范围为-40℃~85℃。该芯片的特性参数曲线如图 3.24 所示,在 WLAN 通信频段 2412MHz~2462MHz,经过带通滤波器的信号衰减非常 小,相应的回波损耗在带宽内也比较大。带通滤波器的特性阻抗为 50 欧姆,对 于高频率电路而严,阻抗匹配非常重要,整个射频走线上的阻抗都要满足 50 欧 姆阻抗匹配,因为只有电路满足阻抗匹配时,天线才能得到最大输出功率,否 则将引起严重的回波损耗,严重影响无线系统信号物理层性能。BGW200 两根 射频信号线的输出电阻为 50 欧姆,射频信号线在 PCB 上的走线也符合 50 欧姆 阻抗匹配(在 3.4 节内作详细介绍) ,带通滤波器的输入端电路由一些电容、电 感等器件组成,它们的组合也要满足 50 欧姆阻抗匹配,各种元器件的值可以由 施密特圆图来决定或由专门的阻抗分析软件来取值。 

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图 3.24 WLAN 专用滤波器的参数曲线

在无线局域网系统中信号传输距离是一个重要指标,当不考虑建筑物的遮 挡,2.45G 无线信号损耗可以简单表示为 SignalLoss(dB) = 40 + 20*log (d) (d 为传输距离) (3.1) 802.11b/g 信号的理论覆盖范围是:室内 100 米、室外 300 米。实际中由于 干扰和遮挡物的存在,这个数值要小的多。为了使信号有更远的传输距离,需 要借助天线来增强收发性能。 本系统中采用无源天线,对于无源天线,其增益为方向增益,是与各向同性 天线传输的距离相比较而得出的值(度量单位为 dBi) 。本课题中采用全向无源 天线,增益为 3dB,其具体参数指标如表 3.9 所示
表 3.9 天线参数列表 指标 频率范围 增益 电压驻波比 极化方式 长度 3dBi ≤2 垂直 11cm 参数值 指标 2400MHz~2483MHz 带宽 输入阻抗 接口型号 重量 83MHz 50 欧姆 SMA 阴型 100g 参数值

若无线移动终端需要更长的通信范围,有下列几种方法: (1)修改 BGW200 固件程序,修改 BGW200 的发射功率(最大输出功率为 17dBm)(2)使用定 ; 向天线或增益更大的全向天线; (3)使用天线分集技术。

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为了进一步增强无线移动终端的无线信号接受/发送性能,本系统在设计时 采用了天线空间分集技术,即无线子系统拥有 2 路无线信号通道,皆采用无源 天线,构成空间分集,两天线之间距离为 1/4 波长(2.4GHz 无线信号波长) ,在 两路信号同时接受或发送时物理层信号性能将提高 3dB。在正常工作时,两天线 的收发工作模式有 4 种,在 BGW200 的固件程序中可修改。无线移动终端的天 线空间分集如图 3.25 所示。

图 3.25 天线空间分集示意图

3.3 系统设计中的电磁兼容技术
印制电路板(Printed Circuit Board,PCB)提供电路元件和器件之间的电气 连接,是系统功能的具体实现载体,其性能直接影响系统方案能否实现。电磁 兼容(Electromagnetic Compatibility,EMC)成为 PCB 设计中的关键问题。对电 子系统的电磁兼容性造成影响的主要原因是电磁干扰( EMI)。构成电磁干扰必 须具备以下三个要素:电磁干扰源、对干扰源敏感的受扰器和传输途径。其中, 干扰源和受扰器是相对存在的,即一种情况下其可能是干扰者,而在另一种情 况下就可能是受扰者。若这三者有一个不存在,也就不存在电磁兼容性问题[28]。 解决电子系统的电磁兼容性问题,一方面需要提高系统本身的抗干扰性能, 另一方面则要对系统的干扰进行抑制,所以控制电子系统干扰源的电磁辐射, 切断或抑制电磁干扰的耦合途径,提高受扰器的抗干扰能力就成为了电子系统 电磁兼容性研究的主要内容。 本系统在 PCB 设计时考虑了大量的电磁兼容技术,如系统的布局、分层和 信号完整性等方面,确保系统能够稳定可靠的工作。

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3.3.1 系统的布局和镜像层设计 在系统 PCB 设计中,布局是一个重要的环节。布局结果的好坏直接影响布 线的难易程度和布线的效果,故合理的布局是设计成功的第一步。系统中射频 电路、数字电路和电源电路的元器件特性,工作频率和布线特点有所不同,它 们所产生的干扰和抑制干扰的方法也不相同,所以各功能模块的电路需要采取 一定的隔离措施。 整个系统的 PCB 设计以 ARM 控制器 S3C2410 和 WLAN 专用 芯片 BGW200 为核心,其它功能模块围绕这两个核心设计,方便布线和调试。 天线接口部分由于其工作在 2.4GHz,PCB 信号线具有天线辐射效应,该部分电 路放在 PCB 的一端,使用大量的过孔与其它部分电路隔离。控制器提供多种数 字接口安排在一侧,电源模块在另一侧,如图 3.26 所示。由于内存单元的读写 时钟较高,故 SDRAM 与 ARM 尽量的接近,避免了信号传输延时给系统性能带 来的影响。

数字接口部分
UART RJ45 UART USB Host USB Device

天线接口部分

WLAN SiP
(BGW200)

ARM 控制器
( S3C2410)

存储单元
SDRAM Flash

电源模块
图 3.26 系统 PCB 设计布局示意图

根据 5/5 规则,在时钟频率超过 5MHz,或上升时间小于 5ns 时,需要使用 多层 PCB 板设计。使用多层板的目的就是为信号提供完整的镜像面,以提供低 阻抗的射频(RF)电流返回路径[29],同时也可以为 PCB 提供更多的有效布线面 积。镜像平面是 PCB 内部相邻与信号层的铜质层(或其它导体) ,可以使电源平 面、地平面或者自由空间。RF 电流会以电容或电感的形式与任何传输线耦合, 只要此传输线的阻抗比先前定义的通路的阻抗小,为符合 EMC 标准,必须避免 让自由空间成为返回通路[30]。镜像平面还可以降低噪声电压。 本系统的 ARM 控制器采用 BGA 封装,最大时钟频率为 203MHz,SDRAM 的工作频率为 133MHz,信号线布线复杂而且时钟频率高,故系统 PCB 设计采
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用 6 层板设计,其中 4 层用于数字信号布线,1 层用作地层,1 层用作电源层, 系统 PCB 分层如图 3.27 所示。其中,地层分割成了三部分,ARM 嵌入式数字 部分,WLAN 部分,数字接口部分,各部分的地通过磁珠等方式连接,便于各 功能模块之间的隔离。2.4GHz 射频信号只在顶层信号层布线,并用大量过孔, 地线保护等方式来降低对周边电路的影响。系统提供统一的电源层,通过分割, 形成 3 部分电源层, 嵌入式子系统所需的 3.3V 和 1.8V, 无线子系统所需的 3.0V。 作以上的目的是: (1)为信号层和镜像层之间提供最大化的耦合电容和互感, 实际信号线和与之最近的镜像层之间紧密耦合可以使 RF 电流几乎 100%地返回 源,可以最大限度的减小共模 RF 电流,达到减小 EMI 的目的; (2)使 PCB 上 的任何一个元器件的接地都能以最短的距离到达地平面,并减小了地阻抗,从 而可以有效避免由于大量信号电平同时切换引起的“ 地弹” 效应, 保证地平面的低 电位,另一方面也为系统提供了低阻抗的电流回路。
顶层 信号层(数字信号、射频信号) 地层 信号层(数字信号) 信号层(数字信号) 电源层(3.3V、3.0V、1.8V) 底层 信号层(数字信号)
图 3.27 系统 PCB 层的规划

3.3.2 系统的去耦设计 旁路和去耦可以防止能量从一个电路传到另一个电路,从而提高系统配电网 络的质量。 去耦是指去除在器件切换时从高频器件进入到配电网络中的 RF 能量, 同时还可以为系统或器件提供局部化的直流电压源,使其可以直接在去耦电容 上吸收或释放电流,从而减少浪涌电流。旁路是指从元件或信号线路中转移出 不需要的共模 RF 能量, 主要是通过交流耦合消除进入电路敏感部分的无意能量, 另外还可以提供基带滤波功能(带宽受电容谐振频率限制)[31]。 本系统在电源部分设计中采用了大量滤波、去耦电容并尽量减小供电线路特 性阻抗(主要是走宽线和提供电源层),以抑制电源线中存在的干扰。同时在 系 统 的 电 源 引 入 端 使 用 大 容 量 的 钽 电 容 ( 10— 47uF) 做 低 频 滤 波 , 且 并 联
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0.01— 0.1uF的贴片陶瓷电容做高频滤波。在每个芯片的电源引脚处都至少并接 了一个0.01uF或0.1uF的贴片电容,并在每个器件电源脚附近都有一个10uF的钽 电容。但与此同时,大量电容的使用会增加整个PCB的板级电容,从而迟滞信号 的变化,降低信号的传播速度。 在高频下,电容已经不是集总参数器件,在设计时需要考虑其等效串联电感 L和等效串联电阻R,其等效电路如图3.28所示。

图 3.28 电容在高频下的等效电路

此时电容的阻抗为:
Z= R 2 + ( 2πfL ? 1 ) 2πfC

(3.2)

其中,C为电容容量, f为信 号频率。从公式(5.1)可以得出,在自谐振频率

f 0 = 1 2π LC 处,该等效电路具有最小的阻抗,其值为等效串联电阻值R,表
现为纯电阻。在此频率下,电容的去耦效果最好。当频率超过其谐振频率后, 电容就表现为电感特性,将失去其去耦、旁路作用。 在去耦电容的选择上,一般按照以上的公式去选取电容值。但是由于等效串 联电感的精确测量比较困难,同时实际应用中PCB上还存在着各种寄生电感,所 以,本系统按照以下的原则选择去耦电容:对于低频去耦,选用较大的电容, 如容量为10uF或47uF的钽电容,这些电容的寄生电感较小,谐振频率较低;对 于高频去耦,选用谐振频率较高,容量较小的封装为0603的0.1uF陶瓷贴片电容。 由于单个去耦电容的工作频带太窄,因此设计时还采用了一个小的去耦电容并 联一个大的去耦电容的方法来提供更宽的工作频带。两电容的并联降低了引线 的电感,拓宽了低阻抗频带。 去耦电容在印制电路板中的位置也很重要。实验表明,如果电容放置位置不 恰当可使线阻抗过大,影响供电,所以必须减少线电感。同时,为了保证去耦 电容能够在器件高速切换时能有效地滤除高频噪声,要求其有足够宽的谐振频 率。 而要提高谐振频率, 又必须减少电感。 去耦电容在芯片中的放置位置如图3.29 所示。

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l

芯片 C
d

图 3.29 电容的放置

去耦电容和芯片之间的电感可由以下的公式求出:

L=l

?0 d ln π r

(3.3)

其中, l 为电容与芯片之间的线长, d 为电源线和接地线之间的距离, r 为 线宽。 由公式(5.2)可知, 要减少去耦电容和芯片之间的电感 L, 则必须减少 l 和 d , 即减少去耦电容和芯片之间所形成的环路面积,也就是要求去耦电容尽可能的 靠近芯片器件,同时,增大线宽 r。本系统在设计中特别注意了去耦电容的放置。 3.3.3 系统中的信号完整性和阻抗匹配设计 由于 ARM芯片采用 BGA封装, BGA焊盘间距只有 15mil 左右, S3C2410 而 故 部分的走线宽度为 5mil,同时系统的信号频率较高,特别是 SDRAM 的读写总 线和控制信号的频率在 100MHz 左右,所以在系统设计必须考虑信号走线之间 的串扰,传输线效应以及互连延迟引起的时序错乱等信号完整性问题[32]。 对于高频信号,传输时延应该是电路设计时考虑的最基本的问题之一。传输 时延 t pd 与信号线的长度 l p ,信号传输速度 v p ,的关系如下:
t pd = lp vp = εr × lp c

(3.4)

在大多数系统中,信号传输线长度是影响时钟脉冲相位差(Clock Skew)的 最直接因素。所以在电路设计时尤其SDRAM部分电路布线时,所有的地址线和 控制信号线的长度最好相当,所有的数据线长度最好相当。 阻抗不匹配可以由驱动源、传输线和负载的阻抗不同引起,也可由传输线的 不连续(如过孔,短截线)引起,另外由于返回路径上局部电感、电容的变化,返 回路径不连续也会导致阻抗不连续。在本系统中,天线部分走线频率为2.4GHz, 信号走线上的阻抗匹配直接影响信号的质量。

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w
t

εr

h

图 3.30 表层布线等效为微带线

射频信号线直接在PCB板顶层走线,该信号线在表层的走线,可以等效为微 带线来计算其阻抗,如图3.30所示: 其阻抗为:
Z0 = 87 ε r + 1 .41 ln 5 .98 h (? ) 0 .8 w + t

(3.5)

传输延迟为: t pd = 85 0.457ε r + 0.67 ( ps inch ) (3.6)

由于WLAN的2.4GHZ信号采用50欧姆阻抗匹配,信号线的阻抗与走线线宽、 半层之间厚度、顶层铜箔厚度、板材的介电常数等有关,本系统中铜箔厚度为 1oz 约1.5mil) 各层之间间距依次为0.22mm, ( , 0.4mm, 0.15mm, 0.4mm, 0.22mm, 电路板材料采用FR4,介电常数在4.2~4.4之间,实际测得该阻抗为50.11欧姆(与 理想公式求得的数值略有差别),在 WLAN阻抗匹配误差范围10%范围内,满足 系统需求。 对于内层的PCB布线,如图3.31所示,可以等效为带状线而计算其阻抗:

w
t

h

图 3.31 内层布线等效为带状线

其阻抗为: Z0 = 传输延迟为: t pd = 85 ε r ( ps inch ) (3.8)
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60 1.9h ln (? ) ε r 0.8 w + t

(3.7)

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同时, 信号完整性还受到振铃和串扰的影响。 串扰是两条信号线之间的耦合, 主要是互感和互容引起的线上噪声。容性耦合引发耦合电流,而感性耦合引发 耦合电压。PCB板层的参数、信号线间距、驱动端和接收端的电气特性及线端接 方式对串扰都有一定的影响。在本系统中主要是通过给信号提供完整的低阻抗 地平面、尽量拉大高速信号线之间的距离、对高速信号线采用3W准则和在高速 时钟信号周围以地线保护的方法来减小信号线之间的串扰。 根据公式(3.5)和(3.7)计算可得,表层的走线阻抗为 80 欧姆左右(取介 电常数为 4.3) ,内层为 50 欧姆左右。由于 TTL 电路的输出电阻一般在 30 欧姆 左右,所以为保持阻抗的一致性,系统在设计时,除了尽量减少了跨层走线以 外,还使用终端匹配技术(主要是源串联终端匹配技术) ,以减少高速信号的反 射和振铃效应,对重要的信号线或高频时钟线还做了地线保护,以防止信号线 间的串扰。ARM 的 SDRAM 时钟信号输出端采用 22 欧小电阻串联匹配并采用 地线保护后,SDRAM 的写信号在使用终端匹配前后的波形对比如图 3.32 所示。 需要指出的是,调试时所使用的模拟示波器的频率较低,波形显示有失真,但 仍可清楚看到端接后的信号波形要优于端接前[33]。

(a)端接前 图 3.32 端接前后信号波形对比

(b)端接后

本系统在PCB设计初期特别注意了芯片的布局,布局结构紧凑合理,所以最 长的布线被成功地限制在了3英寸以内,对于时钟频率较高的SDRAM部分电路, 由于紧邻ARM,所以信号线长度更短,系统PCB实际尺寸图如图3.33所示。系统 PCB上信号波长范围大约为400英寸和100英寸之间。 信号的走线长度远低于其对 应波长的二十分之一,基本可以忽略传输延迟给系统性能造成的影响。为了减 小本系统的PCB向空间辐射的电磁能量,在PCB板物理尺寸方面次啊用20H原 则,即信号层的物理尺寸都比地平面层的物理尺寸小20H,其中H是两层印制板

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之间的间距。当尺寸小至10H时,辐射强度开始下降,当尺寸小至20H时,辐射 强度下降70%。

图 3.33 系统的 PCB 实际板图

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第四章 软件平台设计和驱动实现
本系统在方案设计时采用软件系统采用嵌入式操作系统。本章将介绍软件操 作系统平台 Linux,Linux 交叉编译环境的建立, Linux 内核的移植以及 BGW200 在 Linux 环境下驱动的设计和实现。

4.1 软件总体设计和开发平台
4.1.1 系统软件层总体设计框架 无线通信平台应用软件层

无线通信平台系统软件层(Linux)内核版本号:2.4.18 Linux系统调用
(open,read,write,Ioctl等设备操作指令以及system()等内核系统调用)

嵌入式Linux操作系统内核
(负责软件系统的进程调度,内存管理,虚 拟文件系统,网络接口,进程间通信等)

Linux文件系统
(负责应用程序固化、 文件存储等)

无线通信平台各种硬件设备驱动程序
(完成对底层硬件相关设备的初始化、控制和操作等)

IEEE802.11b无线通信硬件平台 无线子系统
BGW200
SPI

ARM嵌入式子系统
S3C2410 以太网控制器 NandFlash 外设接口

图 4.1 系统软件层总体设计框架

系统软件层是整个无线移动终端框架的核心,主要由三大部分组成:嵌入 式 Linux 操作系统、Linux 设备驱动程序和嵌入式文件系统,如图 4.1 所示。嵌 入式 Linux 操作系统主要完成诸如任务调度、资源管理、硬件操作等系统功能; 设备驱动程序则将系统硬件层的设备对象进行了抽象化处理,为应用软件层提
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供了高效完善的设备接口函数和系统调用;而嵌入式文件系统则用来存放无线 移动终端的应用软件以及一些需要动态加载的驱动程序和固件程序。 4.1.2 Linux 简介 Linux 系统包含了两种不同的含义。 它既是一种开放源代码的类 Unix 操作系 统内核,又是一种包含了内核、系统工具、完整的开发环境的类 Unix 操作系统
[34][35]

。相比其他操作系统,Linux 具有其独特的优势:

1) 低成本、高稳定:免费而稳定的 Linux 无疑为系统的开发节约了大笔开支, 这也正是其发展快速的主要原因之一; 2) 跨平台、可移植性强:在 Linux 代码中,针对各个平台都有相应的汇编代码 部分,其余部分都是平台无关的高级语言编写,因此 Linux 具有极强的可移 植性; 3) 精简而高效的内核:精简的微内核非常适合运行在系统资源相当匮乏的嵌入 式系统环境中; 4) 模块化管理:非常方便开发人员进行删减和修改,如在 Linux 操作系统上开 发设备驱动程序; 5) 强大的网络性能:网络和通信功能与内核紧密地连接使得其在此方面都要优 于其他操作系统; 6) 丰富的外围设备驱动程序支持:Linux 遵循 GNU 的 GPL 许可证,是自由软 件家族中的一员,因此,通过借鉴各种免费公开的源代码可使设备驱动程序 的开发速度大为提高; 7) 多应用软件开发工具的支持:为在 Linux 操作系统上进行开发提供了强有力 的技术支持。 上述 Linux 的这些特点使得其天生就是一个适合嵌入式开发和网络应用的操 作系统,同时嵌入式 Linux 协会(ELC)在 2002 年底发布了 ELC 产品规范版本 1.0(即 ELCPS) ,这种规范化的管理更加促进了嵌入式 Linux 的应用范围。正是 由于 Linux 所具备的这些优势,使得本方案最终选择了它作为系统中的操作系 统。 4.1.3 嵌入式文件系统简介 文件系统是操作系统用于明确磁盘或分区上的文件的方法和数据结构上, 即在磁盘上组织文件的方法。文件系统的存在,使得数据可以被有效而透明的

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存取访问。Linux 文件系统遵守文件系统科学分类标准(Filesystem Hierarchy Standard, FHS) 该标准定义了许多文件和目录的名字和位置的标准, , 使得 Linux 文件系统实现了标准化,FHS 规定了两级目录,第一级是根目录下的主要目录, 根据目录名称可以得知其中应该放置什么样的文件,如 /etc 下应该放置各种配置 文件,/bin 和/sbin 目录下应该放置相应的可执行文件等,第二级目录则主要针 对/usr 和/var 做出了更深层次的定义。 本系统的控制系统采用嵌入式系统,需要有用于存放嵌入式操作系统和应 用程序的存储器,同时由于在无线移动终端的实际运行和调试中,可能需要临 时存放一些数据文件或调试程序,所以在 ARM 系统的硬件设计中加入了 NandFlash 存储器 K9F1208,该款 NAND Flash 存储器大小为 64M。根据系统的 需求,该存储器的存储空间被分为了五大部分,分别是:引导程序部分 (Bootloader) 、引导程序参数部分、操作系统部分、只读型根文件系统部分和读 写型文件系统部分,如图 4.2 所示。这一分区信息主要在引导程序中设置,并将 在 Linux 操作系统内核启动时被引导进 Linux 内核的参数表中。
无线通信平台 Flash分区 分区 1 分区 2 分区 3 分区 4 分区5 引导程序 BootLoader BootLoader 参数 Linux内核映像 NAND Flash (K9F1208A) 0x00000000 Size = 128KB 0x0001FFFF 0x00020000 Size = 64 KB 0x0002FFFF 0x00030000 0x001FFFFF 只读型根文件系统 读写型文件系统 0x00200000 0x01FFFFFF 0x02000000 Size = 32MB 0x03FFFFFF
图 4.2 系统存储器分区情况

Size =1MB+382KB

Size = 30MB

为了方便在Flash存储器上进行文件存取操作,本系统在嵌入式Linux操作系 统中加入了支持Flash闪存技术的文件系统模块:选用了只读型Flash文件系统 CRAMFS和用在未初始化的NAND Flash上的读写型文件系统Yaffs。其中只读型 Flash文件系统CRAMFS用于根文件系统分区,主要用来存放无线移动终端的应 用程序、为应用程序提供支持的函数库以及操作系统指令集等可被固化的程序 文件;而读写型文件系统Yaffs则用于存放无线移动终端的无线驱动模块,无线
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模块的加载固件和系统需临时存取的数据文件和程序。 4.1.4 Linux 引导程序 BootLoader 简介 在 PC 的体系结构中,当系统上电时,最先执行的程序是主板上的 BIOS, BIOS 程序负责对底层硬件进行初始化, 并给后续程序提供访问硬件的接口函数。 当 BIOS 完成后,会将硬盘 MBR 中的启动代码拷贝到内存中并执行。而在嵌入 式系统中,主要使用 Flash 作为系统的存储介质,而很少使用磁盘,故整个系统 得加载启动任务完成由引导程序( BootLoader)来完成。引导程序的作用是将内 核映像从存储器上读到内存中,然后跳转到内存的入口点去运行,即开始启动 操作系统。在嵌入式 Linux 系统中,BootLoader 的存储地址通常从 Flash 的 0x00000000 处开始,主要包含两个功能:装载和启动。在实际 Linux 操作系统 中,它完成的任务有: 1) 初始化处理器及外设的硬件资源配置。嵌入式处理器在上电复位以后,外部 I/O 引脚都处于输入状态,处理器上的片内和片外设备资源都需要配置。 2) 建立内存空间的映射图,为最终调用 Linux 操作系统内核做好准备。 3) 装载操作系统映像到内存中,通常 BootLoader 程序可提供以下几种装载方 式,主要有:从串口、网口或 USB 等接口装载系统;从非易失性存储器(主 要是 Flash)中装载系统。 4) 对 Flash 编程,BootLoader 可将下载的操作系统或其他程序等数据直接烧写 到 Flash 中,以后可以直接从 Flash 转载程序,而不需要重新下载程序。 5) 运行操作系统,设置相关的寄存器和资源,跳转到操作系统所在的空间,进 行系统的引导。 6) 传递系统启动参数。 BootLoader 需要将命令行法国能在系统内核指定的内存 空间,在 Linux 内核启动时,可以给内核传递命令行等参数来控制系统的启 动模式。 7) 命令行解析和输入/输出控制,本系统通过串口输入命令,控制 BootLoader 的各种功能。 本系统在实际开发时,使用vivi作为BootLoader,vivi是由mizi公司设计为 ARM处理器系列设计的一款BootLoader,只支持使用串口和主机通信[36] 。 它有 如下作用:把Linux内核从flash复制到SRAM,然后启动Linux操作系统;初始化 硬件;下载程序并写入Flash(先通过串口先把内核下载到SDRAM中,然后写入 到Flash中);检测目标板(vivi中含有一些简单的代码用以测试目标板硬件的好

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坏)。

4.2 软件设计和实现
本系统采用 Linux 作为操作系统,故软件设计和实现都需要在 Linux 开发环 境下进行,嵌入式硬件上的特殊性,一般不能安装发行版的 Linux 系统,首先涉 及到 Linux 交叉编译环境的建立, 然后针对特殊的 ARM 处理器和实际功能需求, 需要在交叉编译环境下对 Linux 内核和 Linux 文件系统的裁减和移植, 最后软件 设计的主要任务集中在 BGW200 驱动的设计和实现上。 4.2.1 Linux 交叉编译环境的建立 由于无线移动终端的开发属于嵌入式系统开发的范畴,因此在实际开发过 程中有宿主机和目标机的角色之分:宿主机是执行编译、链接、定址过程的计 算机,而目标机是指运行嵌入式软件的硬件平台。本系统开发中的宿主机和目 标机开发环境如图 4.3 所示[37]: 目标代码的运行平台
(Linux操作系统,驱动 程序和应用程序) 交叉调试 (USB、 UART、JTAG、 网口等)

目标代码的编译平台

目标机系统(无线通信平台)
CPU  :S3C2410     内存 :64MB SDRAM 操作系统 :嵌入式Linux (内核版本 :Linux2.4.18)

宿主机系统(普通PC机)

       CPU   :Pentium4 1.7GHz 内存 :512MB DDR SDRAM 下载内核映像 操作系统 :Fedora Core 4 交叉编译 :cross-2.95.3 挂载NFS文件系统 (用于内核和设备驱动的编译 )

图 4.3 本系统开发中的交叉编译环境

在“宿主机+目标机”的调试开发环境下,调试器是运行在宿主机的操作系 统上,如超级终端;而被调试程序则运行在目标机平台上。这种在主机环境下 开发,在目标机上运行的开发模式即为交叉开发。目标机和宿主机之间的连接 是通过串口线、USB 线、网口以及 JTAG 相连,在本系统中,除了启动引导代 码由 JTAG 写入目标机,其它情况下宿主机与目标机的通信都是通过串口的(引 导程序 vivi 只支持串口) 。本系统在开发中编译内核及其组件时(如设备驱动程 序)采用 cross-2.95.3 交叉编译器。

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4.2.2 Linux 操作系统的移植 嵌入式 Linux 操作系统的移植按以下几个步骤进行: 1) 建立引导程序 Bootloader: 这个引导程序的主要职责是在 ARM 子系统上电后,负责初始化基本硬件, 启动 Linux 操作系统。此外它还具备下载 Linux 内核镜像和根文件系统到指定 NAND Flash 分区中的功能。由于本系统中使用了由 mizi 公司设计为 S3C2410 设计的引导程序 vivi, Flash 分区等参数都保存在 Flash 的参数分区,Linux 操作系 统启动参数也在该分区中修改。 2) 建立内核编译对象和环境: 由于 Linux 操作系统源代码是公开的, Samsung 公司的主页上可以免费下 从 载到支持 S3C2410X 处理器的版本号为 2.4.18 的 Linux 内核, 并将其存放在宿主 机系统的目录/usr/src/Linux-2.18。然后修改内核的编译参数,主要包括目标平台 参数 ARCH 和交叉编译参数 CROSS_COMPILE[38]。 3) 配置和编译 Linux 内核: 此步工作具体分为三个部分,分别是内核的配置操作、内核编译时的依赖 关系确立以及内核镜像文件的编译,实际操作过程可参见附录一所示。其中, 在内核的配置操作中,本系统选取了符合方案设计需求的一些配置选项,如: S3C2410X 处理器支持、内核调试功能、USB 总线驱动、NAND FLASH 支持、 Yaffs 文件系统支持等。这里也显著体现了 Linux 操作系统可裁减可配置的模块 化设计思想。当内核镜像文件的编译执行完毕后,可用于下载到本系统 NAND Flash 存储器内核分区的 Linux 镜像文件 zImage 就已生成,整个大小为仅为 785KB,由此可见 Linux 作为嵌入式操作系统得天独厚的优势。在实际工作中, 引导程序将在基本硬件的初始化后把位于 NAND Flash 中的这部分内核镜像解 压缩到系统的内存中运行。 4) 下载内核镜像: 移植嵌入式 Linux 操作系统的最后任务就是通过引导程序将其下载到目标 硬件平台中,存放在 NAND Flash 中的内核分区里。 综合以上步骤,本系统中 Linux 操作系统的移植过程如图 4.4 所示

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通过JTAG烧写引导程序 viv 到Flash中,并配置启动参数 将Linux2.4.18内核源代码存放在 /usr/src 目录下

建立引导程序BootLoader

建立内核编译对象和环境

设置交叉编译工具 cross2.95.3 修改Linux2.4.18内核源代码根目录 的Makefile文件 使用make menuconfig命令配置所需 的Linux内核

配置和编译Linux内核

使用make dep命令创建内核与配 置选项之间的依赖关系 使用make zImage命令 生成内核镜像文件

移植内核镜像

将内核镜像通过引导程序下载到 NAND Flash的内核分区中

图 4.4 本系统中 Linux 操作系统的移植工作

4.2.3 Linux 交叉编译环境的建立 根据前面所述,本方案选择了“cramfs+Yaffs”的双文件系统模式,其中只 读型文件系统 cramfs 作为根文件系统,用于存放图形用户界面应用程序、 Qt/Embedded 的运行环境支持库和部分操作系统指令集;而读写型的 Yaffs 文件 系统分区则用来存放应用程序的探伤波形文件和保存的参数配置文件。本系统 中文件系统的固化操作是通过以下三个步骤来完成的: (1)配置 Linux 内核对文件系统的支持 Linux 内核中有关 NAND Flash 分区的映射信息存放在 Nandflash 驱动程序 smc_s3c2410.c 的 mtd_partion 数据结构中。本系统的分区情况如图 4.2 所示,可 以根据相同实际应用作相应调整。 (2)制作 cramfs 根文件系统 本系统将 cramfs 文件系统作为了根文件系统,因此需配置相关系统参数和 选项。 主要配置由两部分组成: 第一、 在内核编译选项中选取 “automatically mount at boot” ;第二、修改引导程序中的根文件系统启动参数 cmdline。在配置完相关 系统参数和选项后,下面就是定制符合本系统要求的根文件系统。这一部分涉 及到了上层应用程序的固化,即 BusyBox 工具移植以及应用软件层的移植等。
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(3)建立 Yaffs 文件系统 在本系统设计时将 NAND Flash 的最后一个分区作为了可写分区, 用于存储 用户数据和程序,或在相同调试时存放一些调试驱动。本系统中要使用 Yaffs 文 件系统必须在内核启动时将 NAND Flash 中的最后一个分区以 Yaffs 文件系统格 式挂载到 Linux 系统中,具体处理过程由于篇幅有限,不再赘述。 4.2.4 Linux 操作系统的移植 在无线通信系统中使用嵌入式 Linux 操作系统, 还必须为无线通信系统的各 种硬件设备设计开发驱动程序。 通过设备驱动程序可以将 Linux 操作系统与无线 移动终端的实际工作设备联系起来,使得操作系统能够识别这些设备,并为上 层应用软件提供系统调用服务。 Linux 设备驱动程序是系统内核设计的重要部分,驱动程序与用户普通应用 程序运行在用户态模式不同,其是在一个高优先级的内核态环境下工作的。通 过在软件系统与硬件设备之间建立标准的硬件抽象层(HAL)接口,它使得上层软 件对硬件的任何操作都响应了一个定义良好的内部编程接口。设备驱动程序完 成的功能主要有:设备的初始化和释放;与设备的数据或命令传递;检测、处 理设备出现的错误[39][40]。 Linux 系统根据不同的设备将驱动程序分为三种典型类型:字符设备、 块设备 和网络接口。无线移动终端的设备驱动程序开发都是属于字符型驱动程序,需 要开发的各种设备驱动程序包括以太网控制器,NandFlash、BGW200 的驱动等, 由于本系统采用的内核映像经过裁减专门针对本系统,内部已静态编译了以太 网控制器 CS8900、USB、UART、NandFlash K9F1208A 等设备和接口的驱动程 序,故大大缩短了开发时间,本系统驱动设计上的主要工作集中在无线子系统 的驱动上(包括 BGW200 的读写控制、无线子系统的电源控制等) 。 Linux 针对内核的管理方式为模块化管理,Linux 的驱动程序开发也是基于 模块化的编程思想。在实际开发过程中,Linux 设备驱动程序可以以动态加载的 方式加入到系统内核中,也可以静态编译到内核里。由于前一种方式不必频繁 启动机器就能完成相应开发测试工作,因此这种方式在程序的开发和调试阶段 应用广泛,具体过程如图 4.5 所示;而后一种方法可以使得驱动程序在系统启动 时随内核一同启动。基于这种模块编程思想,本系统在设备驱动程序开发时先 用动态加载的方式对设备驱动程序进行测试和开发,成功后再将其静态编译入 到内核中。

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用户空间
insmod命令

内核空间
注册驱动 及初始化

驱动挂载
测试程序 用户程序

module_init() 系 统 调 用

驱动程序 内核模块

驱动卸载

rmmod 命令

module_exit()

注销驱动 释放资源

图 4.5 Linux 设备驱动程序的模块化编程思想和体系结构

本系统设备驱动程序开发详细流程图如图 4.6 所示,本系统中主要涉及 BGW200 驱动模块的实现。BGW200 通过主机加载时,先通过 SPI 接口记载 BGW200 固件程序,BGW 内部进行参数设置,然后通过 SPI 接口同控制器 S3C2410 进行数据传输。为了提高无线通信系统的通信速率, BGW200 驱动的 任务集中在 S3C2410 对 BGW200 的 SPI 读写控制和 S3C2410 的 DMA 传输上。 BGW200 规定了四种基本的 SPI 操作,所有高级操作都有这四种基本操作组成, 这四种操作分别为:写寄存器操作(Write Register Command) ,读寄存器操作 (Read Register Command) ,主机到设备 DMA 操作(H2SDMA) ,设备到主机 DMA 操作。BGW200 和 S3C2410 的 SPI 的读写时序已在前文中作了详细介绍, 在 BGW200 的驱动程序中,控制 S3C2410 首先控制一个 GPIO 来使能无线子系 统的电源模块,然后通过 SPI 向 BGW200 寄存器中发送 BGW200 固件程序, BGW200 从主机加载固件程序成功后,然后执行固件程序,进行 BGW200 初始 化参数配置(如 MAC 地址、工作频率、发射功率、收发指示选择)等,此时 BGW200 的串口有相关调试信息输出。BGW200 参数设置完后,整个系统同其 它 802.11b 无线通信终端便可以进行正常的数据收发,数据包格式为控制器+IP 包,数据传输时可使用查询方式和 DMA 中断方式。在 DMA 中断方式下,发送 数据时通过主机到设备 DMA 操作发送到 BGW200,接受时,数据包到达后会在 BGW200 的 SPI 中断信号产生电平变化来边沿触发控制器 S3C2410 的中断,中 断服务程序中使用设备到主机 DMA 接受数据。

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第一步: 查阅设备芯片手册 以及分析硬件设计图

确定外部端口 的地址映射 确定驱动程序 需完成的任务 确定驱动程序 的工作模式 内核注册

ioremap()函数地址映射

填充file_operations数据结构

第二步: 明确驱动程序需完成 的任务和工作方式

SA_INTERRUPTS (快速中断)? 信号驱动异步IO机制 ? …

通过register_chrdev()函数注册

第三步: 设备驱动程序初始化

硬件初始化

寄存器 、I/O端口状态初始化 以及中断注册

文件系统注册

通过devfs_register()函数注册

第四步: 实现设备驱动程序的 文件操作函数

实现第二步 file_operations结构中 的函数 (如 read、write、ioctl等)

性能指标 第五步: 测试设备驱动程序 的功能和性能指标 功能测试 第六步: 将调试好的设备驱动 程序静态链接入内核

模块化加载驱动程序 ; 主要调试手段: 1) printk内核调试语句; 2) 应用程序测试用例

修改内核相应目录下的 makefile和 config.in文件并重新编译内核

图 4.6 系统中设备驱动程序的开发流程图

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第五章 系统调试与测试结果
在测试本系统时,采用从部分到整体,先硬件后软件的测试方法,即先对嵌 入式控制子系统和无线子系统进行独立的硬件功能测试、 然后通过BGW200使用 主机加载调试整个系统的功能、最后进行无线移动终端的组网测试。 本系统得实物照片如图所示:

图 5.1 无线移动终端实物照片

5.1 系统各部分硬件功能调试
整个无线移动终端分成 ARM 控制系统和无线子系统两个子系统独立调试, 调试两者之间连接的所有的数据线和控制线全部断开。 5.1.1 ARM 控制子系统调试 ARM 控制的目的是使整个系统能够在 Linux 操作系统环境下正常工作,调 试过程如下: 1) 系统上电后,通过示波器观察各电源芯片的输出,确认输出电压和电压纹波 是否满足要求。为了系统能够稳定的工作,本系统设计时使用了低压差线性稳 压器,故在转化效率方面较差外,其它各项指标都符合要求。ARM 控制子系统 所需的两种电压(3.3V、1.8V)纹波都在 100mV 以内,符合 S3C2410 要求。
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2) 本系统采用 12MHz 晶体作为 S3C2410 的时钟源,在确认晶体起振和复位电 路正确的前提下, 通过 JTAG 口向 Flash 从 0x00000000 地址开始) ( 中烧写 Linux 启动引导程序,如下 NandFlash 烧入引导程序 vivi,下载完成后,将 S3C2410 设 置成从 NandFlash 加载方式,系统加载 vivi 后,会有相关的指示灯显示系统的工 作状态, 如显示正常, 则表明 CPU 工作正常。 此时通过串口终端软件可向 SDRAM (起始地址 0x30080000)中写入 Linux 内核映像和文件系统,然后再从 SDRAM 中向 Flash 的不同分区中写入 Linux 内核映像和文件系统。 文件系统烧写成功后, 系统复位,系统从 NandFlash 启动加载,串口终端软件上出现相关调试信息和命 令行。 3) 在系统的 Linux 操作系统正常运行后,开始调试各种数字接口,包括以太网 控制器、USB Host 和 USB Device 等。其中,当无线移动终端和 PC 机之间通过 交叉双绞线连接时,若网络控制器工作状态正常,会伴随相应的状态指示灯(如 网络连接状态指示,收发指示等) ,然后只需将无线移动终端的 IP 地址设成与 PC 机同一网段下的不同 IP,再从 PC 机通过 Ping 命令向无线移动终端发送若干 个数据包, 若没有数据包丢失则确认系统以太网部分功能正常。 调试 USB Device 接口时,系统的 USB 从设备接口连接到 PC 机的 USB 接口上,当通过调试软件 使用 USB 接口,系统会提示新硬件,添加 USB 驱动程序后,若可以通过 USB 接口正常传输数据,则说明该接口可正常使用。 5.1.2 无线子系统调试 调试无线子系统时,无线子系统同 ARM 控制之间的连接全部断开,此时, BGW200 的固件加载模式为从 SPI Flash 加载,BGW200 作为 SPI 主设备,无线 子系统的电源模块不受 S3C2410 的 GPIO 控制而直接使能。 首先确保无线子系统的电源电压(3.0V 和 1.8V)及其纹波满足系统要求, BGW200 的时钟源为 44MHz 晶体, BGW200 专门提供了时钟信号测试脚以方便 测试,并且测试系统的复位电路( BGW200 的复位信号需要满足一段时延) ,当 以上测试完成后,用一根串口线连接无线移动终端和 PC 机,串口设置为:波特 率为 38400、偶校验、停止位 1 位、无流控,串口超级终端软件参数配置如图 5.2 所示。

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图 5.2 BGW200 串口参数设置

系统上电后将从 Flash 加载,PC 上的串口终端软件将有相关调试信息输出, 如图 5.3 所示,接下来的工作全部集中在无线子系统的 802.11b 物理层性能上, IEEE802.11b 协议对发射信号的功率、频谱和载波抑制等都有相关的规定,需要 在硬件系统上对各项指标进行测试。

图 5.3 BGW200 固件加载信息

将无线移动终端的 SMA 天线接口通过屏蔽 RF 连接线连接到频谱分析仪上 (Agilent E4404B) ,首先测试 802.11b 的 11 个信道频率,各信道实际工作频率 如表 5.1 所示, 实际值都在理论值的范围内, 故所有信道的工作频率都满足要求。

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南京航空航天大学硕士学位论文  表 5.1 无线移动终端频率测试结果 频道 1 2 3 4 5 6 7 理论值 2412±1 MHz 2417±1 MHz 2422±1 MHz 2427±1 MHz 2432±1 MHz 2437±1 MHz 2442±1 MHz 实测值 2.41250GHz 2.41775GHz 2.42180GHz 2.42688GHz 2.43206GHz 2.43725GHz 2.44160GHz 频道 8 9 10 11 12 13 14 理论值 2447±1 MHz 2452±1 MHz 2457±1 MHz 2462±1 MHz 2467±1 MHz 2472±1 MHz 2484±1 MHz 实测值 2.44680GHz 2.45188GHz 2.45675GHz 2.46125GHz 2.46788GHz 2.47219GHz 2.48344GHz

对于 IEEE802.11b 协议中我国规定信号的最大发射功率为 20dBm, 本系统的 信号发射功率可由用户控制,调整范围为 15dBm,步长为 1dBm。IEEE802.11b 对射频信号的频谱作了相关规定: 在 f c ? 22MHz < f < f c ? 11MHz 和 f c + 11MHz < f < f c + 22MHz 处 低 于

?30dB ,在 f < f c ? 22MHz 和 f c + 22MHz < f 处低于-50dB,其中 f c 表示某个信
道的中心频率。如图 5.4 所示,发射信号频谱必须满足这两个条件。 
0dBr Sinal spectrum Transmit spectrum mask -30 dBr

-50 dBr

fc-22M f c-11M

fc

fc +11M fc +22M

f/Hz

 

图 5.4 802.11b 发射信号频谱示意图

设置 WLAN 子系统工作模式 M4,选择工作频段为 6 频道(中心频率为 2.437Hz) ,选择连续发送模式,数据速率为 11M,长循环前缀,数据源为 0、1 随即序列,发射功率为满功率(15dBm) ,实际射频信号频谱如图 5.5 所示。信 号频谱中,当频率距中心频率 11M 时,信号衰减为 34.4dB,当频率距中心频率 22M 时大于 50dB,故信号频谱满足 802.11b 协议要求。

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图 5.5 无线移动终端实际射频信号频谱

IEEE802.11 协议规定在发射机发射 0、1 序列,数据不加扰,DQPSK 调制方 式条件下,发射信号在中心频率出的射频载波抑制不低于峰值功率的 15dB。 用频谱仪可测得无线射频信号的载波抑制频谱,如图 5.6 所示,中心频率处 的射频载波抑制为 26.68dB(该处载波抑制比定义为载波功率与边带功率的比 值) ,载波抑制大于 15dB,所以射频信号载波抑制满足 802.11b 协议要求。

图 5.6 无线信号射频信号载波抑制

由于 Agilent E4404B 内部含有 WLAN 软件模块,实际信号频谱可以同 IEEE802.11b 标准比较,直接决定射频信号的性能是否能够通过测试,如图 5.7 所示。
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图 5.7 信号功率谱测试结果

图 5.6 中信号功率谱曲线上方的框线为 IEEE802.11b 的协议要求,即信号功 率谱曲线要满足图 5.3 中的要求,即射频信号满足 IEEE802.11b 协议要求。并由 图 5.6 可知,信号在 22MHz 带宽内的功率为 12.4dBm。 5.1.3 系统功耗测试 本系统在不同的工作模式下具有不同的功耗。 本文在三种不同的工作状态下 测试硬件系统的功耗,分别记录各种工作状态下系统总功率消耗情况,如表 5.2 所示,该功耗为无线子系统和 ARM 控制子系统等各子系统功耗之和。
表 5.2 系统功耗比较 工作状态 工作模式 发射功率 数据速率 循环前缀长度 数据源 供电电压 工作电流 系统总功耗 空闲状况 工作状态 1 工作状态 2

连续发送测试数据模式(Tx test continuous mode) 0 / / / 5V 150mA 750mW 12dB 5.5Mbps Long Random 5V 400mA 2000mW 16dB 5.5Mbps Long Random 5V 450mA 2250mW

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5.2 无线移动终端组网测试
为了测试无线移动终端的无线通信速率,本文采用对等网络( ad-hoc)测试, 测试系统中使用 2 块无线移动终端,分别作为 802.11 网络中的 AP 和 STA,两 者之间距离为 5m 左右。按图 5.8 所示,分别设置 PC1、PC2 的网络参数。
172.18.131.90 AP 172.18.132.90 172.18.131.91 STA 172.18.130.90

RS232

RS232

172.18.132.91 PC1

172.18.130.91 PC2

图 5.8 无线移动终端对等组网测试

利用 iwconfig 命令为 AP 建立网络标识为 abc 的无线网络,其中,建立无线 网络时共有 11 个信道可供使用,本网络使用通道 6,工作模式选择 Ad-hoc 工作 模式,无线网络状况如图 5.9 所示。

图 5.9 Ad-hoc 无线网络状态

STA 加入到网络标识为“abc”的无线网络后,在 PC1 和 PC2 的串口终端软 件上配置好 AP 和 STA 的网络参数,并且开启 IP 转发功能。

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分别给 AP 和 STA 配置路由后,利用 ping 命令循环发送数据包,发送缓冲 区长度为 4400, 用网络测试专用软件 Chariot 来 5 分析 STA 与 AP 无线数据通信 情况,无线链路通信平均速率为 2.2~2.4Mbps,测试 10 分钟左右后结果如图 5.10 所示。由于测试环境选择的是室内,射频信号受到以多径干扰为主的多种因素 影响,测试时移动终端的性能受到一定程度的影响。

图 5.10 Chariot 软件测试无线通信速率

5.3 测试结果和结论
通过 5.1 节的测试确定了无线移动终端物理层性能,尤其是无线子系统的物 理射频信号完全符合 IEEE802.11b 协议标准的要求。5.2 节通过无线移动终端的 组网测试验证了其通信速率。通过以上的测试表明,本课题采用 ARM 控制系统 +WLAN 专用芯片的解决方案已成功实现,无线移动终端工作稳定可靠,在系统 功耗,覆盖范围和通信速率各方面都满足了系统的一般的需求。其中,通过硬 件系统和驱动程序的优化和修改,无线移动终端的性能可以得到进一步的提高, 应用前景较广。

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第六章 结束语
本课题中研制的基于 IEEE802.11b 的无线移动终端作为一种无线接入设备, 是构建无线局域网的关键设备,无线移动终端的好坏直接影响 WLAN 的数据传 输质量,因此开发一个性能优良的无线移动终端具有重要的意义。随着无线技 术的发展,采用集成 WLAN 方案是无线接入设备开发的趋势,WLAN 同嵌入式 技术的结合使得其具有更多的功能和更广泛的应用场合。 本课题在深入研究 WLAN 的结构和 IEEE802.11 系列标准,比较了多种无线 通信方案的情况下,提出无线移动终端的总体设计方案,其中无线射频系统采 用集成芯片方案,控制系统采用嵌入式 ARM 方案。在实际开发过程中,解决了 硬件接口设计,系统电磁兼容,高速 PCB 设计等问题,最后完成无线移动终端 硬件系统。 本无线移动终端采用 Linux 作为操作系统, Linux 文件系统和 Linux 对 内核映象作了裁减,并在 Linux 操作系统下实现了无线子系统的驱动。经过实际 的物理层性能测试和无线通信速率测试,证明了本系统的总体设计方案是先进 的、可行的、合理的,满足了设计要求,达到了设计目的。 目前 IEEE802.11 系列无线技术仍在不断发展,在具体应用时需要更快的传 输速率,所以本无线移动终端在以下几点有待改进和发展: 1) 修改硬件电路或优化无线设备驱动程序,进一步提高 IEEE802.11b 无线移动 终端的数据传输速率;在系统实际应用中,还需要相关的路由算法和上层管 理软件的工作; 2) 本系统在设计时就考虑了可升级性,由于采用 ARM 系统+无线子系统方案, 所以升级无线专用芯片就可以实现整个 移动终端的升级(如升级到 IEEE802.11g 协议标准) ,升级所需的额外修改电路和驱动的工作非常少。 3) 无线移动终端的控制系统可升级。可通过更新 S3C2410 至最新的 ARM9 芯 片,如 S3C2440,S3C24A0 等,提高其数据处理能力和丰富其外设功能。 4) 可以增加无线移动终端的外设模块, LCD 显示屏, 如 AC97 控制芯片, Camera 模块,GPS 模块等,可以实现更多的功能,使得无线移动终端可以在无线监 控、无线视频等更多场合得到应用。

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参考文献
[1] 张仑,32 位嵌入式系统硬件设计与调试,北京,机械工业出版社,2005 年 5 月 [2] 肖文鹏,走进嵌入式 Linux 的世界,中国计算机报,2005 年 2 月 [3] 孙秋野,孙凯,冯健,ARM 嵌入式系统开发典型模型,北京,人民邮电出版社,2007 年1月 [4] 刘乃安,无线局域网(WLAN)—原理、技术和应用,西安,西安电子科技大学出版 社,2004 年 4 月 [5] 螺丝起子研究室,共享 Wi-Fi 无线网络实务,北京,中国水利水电出版社,2005 年 3 月 [6] 程胜,杜鹃,丁炜,无线局域网及其发展趋势,电信网技术,2003 年 06 期 [7] 钱进,无线局域网技术与应用,北京,电子工业出版社,2004 年 10 月 [8] Jim Geier, Wireless LANs: Implementing Interperable Networks, Macmillan Technical Publising, 1999. [9] The Bluetooth Special Interest Group (SIG), Bluetooth SIG Adopts Version 1.2 of Wireless Technology Specification,2003.11.5. [10] Infrared Data Association, IrDA Serial Infrared Data Link Standard Specification, Version 1.0, 1997.7. [11] 金天荣,HomeRF 技术发展趋势分析,科技资讯,2005 年第 25 期 [12] ESTI. High Performance Radio Local Area Network (HiperLAN), draft standard ETS 300652, 1996.3. [13] Jennifer Bary and Charles F.Stuman. Bluetooth 1.1: Connect without Cables (the second edition), Prentice-Hall, 2001 [14] Samsung Electronics, S3C2410X 32-bit RISC Microprocessor User ’ Manual, Revision 1.1, s 2003 [15] 戚明杰,基于 WLAN 的 AdHoc 网络平台研制及功率控制技术研究,硕士论文,西安, 西安电子科技大学,2007 年 1 月 [16] 叶正鑫, 基于 802.11b 无线移动终端的研制, 南京航空航天大学第九届研究生学术会议, 2007 年 [17] 周立功,ARM 嵌入式系统软件开发实例,北京,北京航空航天大学出版社,2006 年 6 月
75

基于 802.11b 标准的无线移动终端研制  [18] Samsung Electronics, 256Mb E-die SDRAM Specification Revision 1.5, 2004.4. [19] Texas Instruments , Bus-Interface Devices With Output-Damping Resistors Or

Reduced-Drive Outputs,1997.8. [20] 刘淼,嵌入式系统接口设计与 Linux 驱动程序开发,北京,北京航空航天大学,2006 年5月 [21] Samsung Electronics,2Gx8Bit/4Gx8Bit/8Gx8Bit NAND Flash Memory Revision 1.0, 2007.3. [22] Samsung Electronics,64Mx8Bit,32Mx16Bit NAND Flash Memory Revision 1.0,2004.7. [23] Cirrus Logic , CS8900A Product Data Sheet, 2001.4. [24]孙天泽,袁文菊,张海峰,嵌入式设计及 Linux 驱动开发指南:基于 ARM9 处理器,北 京,电子工业出版社,2005 年 2 月 [25] 张弘,USB 接口设计,西安,西安电子科技大学出版社,2002 年 12 月 [26]Philips Semiconductors,BGW200EG/01 IEEE802.11b System-in-Package Product Data, 2005.4. [27]Atmel Corporation,1Mbit High Speed SPI Serial Flash Memory,2005.8. [28] 杨克俊,电磁兼容原理和设计技术,北京,北京邮电大学出版社,2004 年 [29] 顾海洲,马双武,PCB 电磁兼容技术设计实践,北京,清华大学出版社,2004 年 [30] 江思敏,PCB 和电磁兼容设计,北京,机械工业出版社,2006 年 3 月 [31] Mark I.Montrose 著,刘元安,李书芳等译,电磁兼容原理和印刷电路板理论、设计和 布线,北京,人民邮电出版社,2002 年 [32] David A. Weston, Electromagnetic Compatibly: Principles and Applications, Second Edition, Revised and Expanded, New York, Marcel Dekker Inc., 2001. [33] 吕卫华,OFDM 中频和基带信号处理系统设计,南京,硕士论文,南京航空航天大学, 2007 年 3 月 [34] 李善平,刘文峰,王焕龙,Linux 与嵌入式系统,北京,清华大学出版社,2003 年 3 月 [35] 周荣,一种新型便携式超声波探伤仪系统的研制,南京,硕士论文,南京航空航天大 学,2007 年 3 月 [36] 陈艳,引导加载程序 vivi 的分析和移植研究,电子设计应用,2006 年第 11 期 [37] 张纪坤,张小全,嵌入式 Linux 系统开发技术详解——基于 ARM,北京,人民邮电出 版社,2006 年 8 月 [38] 毛德操,胡希明,Linux 内核源码分析,杭州,浙江大学出版社,2006 年 6 月

76

南京航空航天大学硕士学位论文  [39] Jonthan Corbet  Alessandro Bubini & Greg Kroah-Hartamn,LINUX Device Drivers(3rd Edition),东南大学出版社,2005 年 6 月 [40] Yaghmour 著,O’ Reilly Taiwan 公司译,韩存兵,龚波改编,构建嵌入式 Linux 系统, 北京,中国电力出版社,2004 年 12 月

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致谢
值此论文完成之际,谨向所有关心、支持和帮助过我的老师、同学和亲人表示衷心感 谢。 首先,深深地感谢我的导师徐大专教授。本文正是在徐老师的悉心指导、热情关怀下 完成的。两年多来,徐老师渊博的知识、正直的品格、严谨的治学态度以及兢兢业业的工 作作风给我留下了深刻的印象。从本课题的研究开始到论文的完成,徐老师一直给予了我 最大的鼓励和帮助,在遇到困难时,及时为我指明了方向。在此,我由衷地向他致以最诚 挚的敬意和谢意。 另外,我要感谢实验室其他各位老师和同学的关心和帮助,特别是朱秋明、吕卫华等 师兄的无私相助,使我在学习和工作中有了长足的进步;感谢项目组的施清白、邵汉钦等 师弟,是他们为课题做了大量重要的工作,他们认真负责的态度推动了整个课题的完成、 完善。 感谢兰君、蔡杰、王磊、郭晶、茅碧喻,他们是我在研究生期间的学习和工作中不可 缺少的伙伴。感谢教研室所有的师兄、师姐、师弟、师妹们,是他们共同创造了一个和谐、 融洽的学习氛围和工作环境。 感谢我的室友陈役涛、肖长伟、杨宇晓,和他们一起生活的三年时光给我留下了深刻 印象和许多美好的回忆。 特别要感谢我的父母和家人,我的一切都离不开他们,他们的悉心培养和全力支持, 是我面对生活、面对挑战的动力源泉,谨以此文表达对他们的深深谢意,希望他们永远健 康、快乐。 最后,感谢其他一些不曾提及但真真切切帮助过我、关心过我的其他同学和朋友。

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攻读硕士学位期间发表的主要论文
叶正鑫,《基于 802.11b 无线电台的研制》 南京航空航天大学第九届研究生学术论文会议, , 2007 年 11 月

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基于802.11b标准的无线移动终端研制
作者: 学位授予单位: 叶正鑫 南京航空航天大学

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该文研究了3G及后3G时代无线数据通信的背景、现状和发展趋势.论述了第三代移动通信(3G)、无线局域网(WLAN)、无线个人域网(WPAN)、蓝牙(BLUETOOTH)和第四代移动通信 (4G)的概念与特点,讨论了其中的一些热点问题,说明了多媒体内容、互连网和无线移动终端是无线数据通信发展的驱动力.

7.学位论文 潘素梅 无线网络安全开发平台的研究与设计 2007
随着无线网络技术应用的日益广泛,无线网络的安全问题成为无线网络应用的热门问题。本文所介绍了无线网络技术的安全机制,包括无线局域网、移动网络技术的安全机制 ,总结得出网络安全主要体现在用户认证和数据加密两个方面。用户认证保证敏感数据只能由授权用户进行访问,而数据加密则保证发出的数据只能被所期望的用户所接收和理解。 在无线网络中,数据传输是利用微波在空气中进行辐射传播,黑客可以在无线AP(Access Point)所覆盖的任何位置,侦听、拦截、破坏用户的数据通讯,因此无线的安全保密问题就 显得尤为突出。 PKI(Public Key Infrastructure)是在密码学的基础上,通过使用公开密钥技术和数字证书确保系统信息安全并验证数字证书持有者身份的一种安全基础设施。它在公钥加密的 基础上实现了证书的产生、管理、归档、发放以及证书作废等功能,为应用系统实体提供了身份认证、数据保密性、数据完整性和不可否认性等。但是,由于PKI是有线环境下的安 全平台,它使用的密码算法如:RSA,Diffe-Hellman算法计算速度慢、耗费内存空间,X.509 证书占用空间大,这些特征都限制了它在无线移动终端中的使用,不能解决无线环境下 的安全问题。2000 年,WAP(Wireless Application Potocol)论坛公布了 WPKI(WAP Public Key Infrastructure)规范,作为一个开放的标准,解决无线环境下的安全保密问题。 技术机制的多样化使得安全产品开发商在此基础上开发的各种安全产品不仅存在着劳动重复,而且接口不统一,互操作困难等问题,但是所有的安全产品的技术基础都是加密和 认证的结合,所以在此基础上,作者提出了WPKI安全开发平台的设计,并进一步扩展到无线网络安全开发平台的设计。本文分为四大部分。第一部分总结了无线网络技术的安全机制 ,总结了无线网络安全技术的特点加密和认证的结合,重点阐述了 PKI、WPKI 的工作原理,说明无线网络安全开发平台设计的可行性和必要性。第二部分重点研究了WPKI开发平台

的设计,并详尽叙述了平台中关键模块——加解密支持模块和无线 CA(Certificate Authentication,认证中心) 的设计和实现,在此基础上进一步提出了无线网络安全开发平台的 设计,并给出了关键模块的基本设计。第三部分说明了无线网络安全开发平台的应用,重点说明了在电子商务系统中的应用和未来无线网络技术发展中的应用展望。最后对本文作了 一个简要的总结,并说明了课题存在的不足和以后需要进一步完善的要点。

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