基于ARM的远距离便携式无线传输系统

摘要：为了解决传统数据传榆系统笨重、繁琐、造价高、扩展性差等缺点，设计了一种基于ARM的便携式无线传输系统，可灵活地与数据采集设备进行远距离数据传输。该系统可进行远距离无线传输，并对数据进行显示、存储、处理等，还能通过以太网把数据传输到任何能连接以太网的地方。在室外空旷环境下，通信距离可达800 m，接收到的数据准确率达到100％。
关键词：ARM；便携式设备；无线传输

引言
    随着测试系统的不断发展，对数据传输系统有了更高的要求，传统的数据传输系统大多采用有线方式，数据的接收终端使用PC机。随着无线通信技术的发展，人们开始用无线来取代有线。但目前的无线领域还存在一些问题，如网络频段受到限制，通信极易受到外界干扰，通信中可能出现丢包或误码，天线高度不能太低等。
    本设计实现了一种基于ARM的便携式无线传输系统，相比于笔记本，该系统体积小、重量轻，可便携，当通信受到限制时，可调整通信距离，从而使无线传输系统性能达到最佳。

1 硬件结构
    ARM系统主要由ARM处理器、SRAM、SDRAM、Flash、LCD以及一些外围接口组成，主要的外围接口有USB接口、串口、GPIO口、SD卡接口、SPI接口、camera接口等。ARM系统的硬件结构如图1所示，它们是通过AHB系统总线和APB外围总线来进行通信。

    测试系统里已经集成了无线模块，只要在ARM系统中加入无线模块便可实现ARM终端与测试系统的无线数据传输。为了数据接收终端具有便携、灵活、抗干扰强以及方便替换无线模块等优点，无线模块与ARM终端采用USB接口来对接。系统基本结构如图2所示。
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2 USB及Linux USB驱动
2．1 USB的基本原理
    USB是一种快速、双向的串行接口，它采用总线拓扑结构，其主控制器通过USB集线器可扩展主机的sub端口。USB具有4种传输方式：控制传输、中断传输、批量传输、等时传输。其数据的通信是双向的，数据从主机传向USB设备称下行通信，数据从USB设备传向主机称上行通信。控制权是在host方，不支持设备间的直接通信。
    USB设备是由接口和端点构成的，端点是USB通信最基本的形式，它只能往一个方向传送数据。接口是用来绑定到设备上的，一个接口只处理一种USB逻辑连接。一个USB设备可以有多个接口，不同的接口可以代表不同的功能。USB驱动程序是绑定到接口上的。此外，一个USB设备通常又有多个配置的，而且可以在配置之间切换以改变设备的状态；但是一个时刻只能激活一个配置，一个配置通常具有一个或者更多的接口，如图3所示。

2．2 基于Linux的USB驱动
    由于数据记录的USB接口采用FTDI公司开发的FT245 USB芯片，能单芯片实现并行FIFO缓存区的双向数据传输，且支持VCP(虚拟串口)功能。本文以实际应用出发，针对FT245芯片介绍Linux环境下的USB驱动程序。
    在Linux的内核源码中有一个USB驱动的框架程序，文件名为usb-skeleton．c，目录在／drivers／usb下，大多数的USB驱动都是在这个框架的基础上修改的。这里针对FT245芯片修改这个USB驱动的框架程序。
    USB驱动程序中有两个宏：
   
    这两个宏的值是USB芯片制造商所提供的，VID是芯片制造商ID，PID是芯片的识别码，不同厂商不同型号的USB芯片的VID和PID是不同的，FT245芯片的VID=0x0403，PID=0x6001。
    file_operation是驱动程序中一个很重要的类，它定义了一组常见文件I／O函数，而这些函数的使用类似于普通文件的I／O操作。程序如下：

    这里定义的函数是USB驱动程序的入口点，要打开USB设备时，使用系统函数Open()，系统就会自动调用驱动中的ft245_open()函数。其他函数类似，如write()对应ft245_write()，rcad()对应ft245_rcad()，close()对应ft245_release()。
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3 基于USB接口的无线模块
    短距离无线传输技术广泛地应用于各个领域，并成为人们工作和生活中不可或缺的一部分，由于它与有线相比有很多优点：方便使用、低功耗、便于携带、无需线缆的束缚等。表1是几种传输技术的优缺点。根据具体应用环境选用特定的无线传输方式。

    由于低功率远距离无线通信技术具有传输距离远、速度快等优点，符合远距离快速传输的需要，所以采用低功率远距离无线模式。该无线模块采用标准低功率远距离射频芯片nRF24L01，通信接口使用FTDI公司研发的USB2．0芯片FT245，微控制器是采用精简指令集的PIC单片机。无线模块系统框图如图4所示。

4 实验结果与分析
    压力测试记录仪头部接高精度压力传感器，内部集成无线模块，天线使用微带天线。ARM开发板使用Linux作为操作系统，使用QT作为开发软件，制作数据读取及显示程序，完成数据的无线传输及显示任务。该系统可取代笔记本完成野外的无线数据传输任务。USB接口的无线模块与天线，在空旷环境下传输距离最远可达800 m。在不同的温度、湿度、以及不同的空旷环境下经过多次实验，使用无线传输系统读取的数据与PC机下使用USB数据线读取的数据完全相同，所以实验表明该系统设计是正确、可行的。

结语
    由于嵌入式设备在测试系统中有着种种优点，越来越受到人们的青睐。此外，随着短距离无线传输的发展，给便携式无线传输设备带来了新的生机。本文介绍的基于ARM的无线传输系统根据实际应用出发，克服了传统的数据传输系统笨重、费时、费力的缺点，且接收到的数据可进行波形显示、数据存储、数据处理等。此外，由于ARM系统强大的网络功能，可通过以太网把数据传输到任何有以太网的地方，具有一定的创新性。