通信专业综合实验.docx
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通信专业综合实验
通信专业综合实验
班级:
通信
姓名:
学号:
指导教师:
成绩:
电子与信息工程学院
通信工程系
1.嵌入式系统
1.1.嵌入式系统的应用
嵌入式系统是以应用为中心,以运算机技术为基础,软件可编程,硬件可剪裁、重构的专用运算机系统。
该系统通常嵌入在对象环境中,并通过其在对象环境下运行的特定程序,完成对外界物理参数地采集、处理,达到对操纵对象地响应或人机交互的功能。
目前,嵌入式系统的进展方向要紧是解决接口多样性、适应性、灵活性和集成开发环境等的特定应用问题。
嵌入式系统应用的底层性与对象系统的紧耦合性是其显着的差不多特点。
因此,最大限度的满足对象数据采集、操纵、开发环境、功耗,以及适应能力、可靠性等品质因数是选择嵌入式系统的标准。
为适应技术进展需求,嵌入系统在不断追求结构紧凑、牢固可靠、技术密集、高度分散的同时,尤以不断创新为嵌入式系统的进展核心。
使嵌入系统凸现了高技术门槛,要紧表现在软硬件设计的紧密相关性上,专门是构建RTOS系统需透彻了解RTOS的工作机制和系统资源配制,把握底层软件、系统软件和应用软件的设计、调试方法。
随着对嵌入式系统的智能化愈加关注,现场可编程、调试、引脚配置变得专门重要和必不可少。
因此,用户可配置的SCO(在片系统)已成为现时期嵌入式系统的核心进展技术。
通过现场可编程阵列把接口应用设计和系统开发留给系统设计者,提供灵活、多样的片上电路设计平台,使电路板设计变成在片的芯片配置,将嵌入系统地设计带入了软硬件的双编程时期,进一步缩短了产品开发周期。
而下一代的在片系统还将进展成一个MUC数量可缩放的集合体。
在嵌入式应用系统中,尽管高端产品不断涌现,但由于应用对象、环境的不同特点,嵌入系统的8位机产品仍因应用对象的有限响应时刻、完备的集成开发环境、良好的性价比等优势仍旧占据着低端应用系统的主流地位。
Cygnel公司的C8051F系列产品就充分印证了这点。
回忆嵌入式系统的进展历程,差不多历了由模拟向数字的演进过程,现又逐步演变为数模并存情形。
由最初软件编程主宰的微处理器(嵌入式微处理器、数字信号处理器、单片机),到硬编程主宰的专用集成电路时代,再到今天的现场可编配置时代。
嵌入式系统的核心技术正沿着〝许氏循环〞的浪潮不断前行。
而配套的软件设计平台也随着科技进步在不断得到完善。
能够预期,软硬双可编程的嵌入式系统时代必会带来更加便利的开发环境和技术支持。
1.2.嵌入系统的设计原那么
嵌入系统设计具有专门强的针对性,软硬件协同设计是系统设计的关键。
需解决好软硬件的同步与集成设计问题,要结合具体应用进行综合考虑,保证设计工作的一致性与正确性。
在针对具体应用系统的功能目标分析基础上,分解整个系统的各项功能指标和技术要求,结合系统的实时响应要求、接口功能定义与标准、嵌入芯片的处理能力、编程语言、开发环境、产品的升级与爱护问题、开发投入能力、产品综合成本等多方面因素进行权衡考虑。
⑴在明确系统性能需求的基础上,细化以下考虑因素;
①系统功能实现手段的软硬件分配。
②器(部)件选择和系统构建。
包括微处理器芯片、外围接口电路、各种驱动电路形式、器部件类型、前后向通道处理方式、人机界面和手段等。
③操纵算法设计以及软件系统的架构形式。
④语言选择。
依据设计者熟练程度和适应、开发环境和操纵功能要求选取。
⑤抗干扰问题的解决与设计。
包括软件的和硬件的、常规的和特定的。
⑥实现工艺和方式。
包括印制板设计、走线安装、装配工艺、新材料或新技术的应用等。
在各实施时期,对项目进度、关键技术的风险因素必须进行审查评估,评判软一硬件的功能设计与分配,以及实现的技术性能、工作量和时刻进度。
明确电路之间的接口参数、软一硬件功能衔接,以及项目中存在的问题和缺陷,及时发觉关键部位或矛盾突出点的瓶颈问题,将隐患排除在早期设计时期。
⑵嵌入系统中微处理器选择应考虑的因素;
①MCU的算术、逻辑处理能力;运算速度和时钟频率;总线操纵功能、中断方式和仲裁机制;RAM和FLASHROM容量;软件加密爱护。
②外围接口功能的可重构配置能力;数据通讯模式;前后向通道类型;端口电压的适应能力等;
③开发工具的在线调试或仿真能力;FLASH代码读写环境;编程语言的支持程度;代码的可移植性等。
④电源电压;功耗等。
1.3.嵌入系统的软件特点
嵌入式系统是可利用资源有限、专用性专门强、实时性要求也专门高的应用操纵系统。
故在软件设计方法和实现手段上,嵌入系统软件同PC机软件存在专门大差异,要紧表现在;
⑴实时性的操纵方法;PC软件提升速率方法,极大依靠处理器性能提升,还表达在缓存方案、动态分配等技术手段上。
但在嵌入式系统中应用这些技术就存在硬件资源不足、工作频率低的现实问题,会降低系统的可靠性。
⑵特定的异构特点;嵌入式操纵软件设计既要考虑特定的硬件固有部分,也要考虑来自系统之外的各种通讯、传感器的专用信号处理接口,以及不同操纵目标的实时期望和执行机构的异步并发事件处理能力。
因此不同的硬件系统或操纵目标,将会产生不同的系统构建方案。
⑶系统的性能目标;编写嵌入式软件必须着重考虑与硬件系统相匹配的功耗、不间断运行、故障复原、高可靠性等方面的约束条件,实现特定应用环境下的操纵功能、实时性响应的目标要求。
因此,嵌入系统要在借鉴通用软件技术,遵循软件工程理论,规范软件开发过程的同时。
还应依照嵌入式系统特点研究开发技术和算法结构,提高开发效率,确保系统软件的质量和可靠性,以及软件的复用性、可移植性和易爱护性。
纵观嵌入式软件设计方法的进展历程,走过了从结构化设计、面向对象设计、基于构件的设计时期,经历了单任务到多任务的系统转变。
2.ZigBee应用
2.1简介
ZigBee技术是一种应用于短距离范畴内,低传输数据速率下的各种电子设备之间的无线通信技术。
ZigBee名字来源于蜂群使用的赖以生存和进展的通信方式,蜜蜂通过跳ZigZag形状的舞蹈来通知发觉的新食物源的位置、距离和方向等信息,以此作为新一代无线通讯技术的名称。
ZigBee过去又称为〝HomeRFLite〞、〝RF-EasyLink〞或〝FireFly〞无线电技术,目前统一称为ZigBee技术。
2.2.ZigBee技术的特点
自从马可尼发明无线电以来,无线通信技术一直向着不断提高数据速率和传输距离的方向进展。
例如:
广域网范畴内的第三代移动通信网络〔3G〕目的在于提供多媒体无线服务,局域网范畴内的标准从IEEE802.11的1Mbit/s到IEEE802.11g的54Mbit/s的数据速率。
而当前得到广泛研究的ZigBee技术那么致力于提供一种廉价的固定、便携或者移动设备使用的极低复杂度、成本和功耗的低速率无线通信技术。
这种无线通信技术具有如下特点;
⑴功耗低:
工作模式情形下,ZigBee技术传输速率低,传输数据量专门小,因此信号的收发时刻专门短,其次在非工作模式时,ZigBee节点处于休眠模式。
设备搜索时延一样为30ms,休眠激活时延为15ms,活动设备信道接入时延为15ms。
由于工作时刻较短、收发信息功耗较低且采纳了休眠模式,使得ZigBee节点专门省电,ZigBee节点的电池工作时刻能够长达6个月到2年左右。
同时,由于电池时刻取决于专门多因素,例如:
电池种类、容量和应用场合,ZigBee技术在协议上对电池使用也作了优化。
关于典型应用,碱性电池能够使用数年,关于某些工作时刻和总时刻〔工作时刻+休眠时刻〕之比小于1%的情形,电池的寿命甚至能够超过10年。
⑵数据传输可靠:
ZigBee的媒体接入操纵层〔MAC层〕采纳talk-when-ready的碰撞幸免机制。
在这种完全确认的数据传输机制下,当有数据传送需求时那么赶忙传送,发送的每个数据包都必须等待接收方的确认信息,并进行确认信息回复,假设没有得到确认信息的回复就表示发生了碰撞,将再传一次,采纳这种方法能够提高系统信息传输的可靠性。
同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙,幸免了发送数据时的竞争和冲突。
同时ZigBee针对时延敏锐的应用做了优化,通信时延和休眠状态激活的时延都专门短。
⑶网络容量大:
ZigBee低速率、低功耗和短距离传输的特点使它专门适宜支持简单器件。
ZigBee定义了两种器件:
全功能器件〔FFD〕和简化功能器件〔RFD〕。
对全功能器件,要求它支持所有的49个差不多参数。
而对简化功能器件,在最小配置时只要求它支持38个差不多参数。
一个全功能器件能够与简化功能器件和其他全功能器件通话,能够按3种方式工作,分别为:
个域网和谐器、和谐器或器件。
而简化功能器件只能与全功能器件通话,仅用于专门简单的应用。
一个ZigBee的网络最多包括有255个ZigBee网路节点,其中一个是主控〔Master〕设备,其余那么是从属〔Slave〕设备。
假设是通过网络和谐器〔NetworkCoordinator〕,整个网络最多能够支持超过64000个ZigBee网路节点,再加上各个NetworkCoordinator可互相连接,整个ZigBee网络节点的数目将十分可观。
⑷兼容性:
ZigBee技术与现有的操纵网络标准无缝集成。
通过网络和谐器〔Coordinator〕自动建立网络,采纳载波侦听/冲突检测〔CSMA-CA〕方式进行信道接入。
为了可靠传递,还提供全握手协议。
⑸安全性:
Zigbee提供了数据完整性检查和鉴权功能,在数据传输中提供了三级安全性。
第一级实际是无安全方式,关于某种应用,假如安全并不重要或者上层差不多提供足够的安全爱护,器件就能够选择这种方式来转移数据。
关于第二级安全级别,器件能够使用接入操纵清单〔ACL〕来防止非法器件猎取数据,在这一级不采取加密措施。
第三级安全级别在数据转移中采纳属于高级加密标准〔AES〕的对称密码。
AES能够用来爱护数据净荷和防止攻击者冒充合法器件。
⑹实现成本低:
模块的初始成本估量在6美元左右,专门快就能降到1.5-2.5美元,且Zigbee协议免专利费用。
目前低速低功率的UWB芯片组的价格至少为20美元。
而ZigBee的价格目标仅为几美分。
2.3.ZigBee协议框架
Zigbee是一组基于IEEE批准通过的802.15.4无线标准研制开发的组网、安全和应用软件方面的技术标准。
与其他无线标准如802.11或802.16不同,Zigbee和802.15.4以250Kbps的最大传输速率承载有限的数据流量。
ZigBeeV1.0版本的网络标准连同灯光操纵设备描述已于2004年底推出,其它应用领域及相关设备的描述也会在随后的时刻里连续公布。
在标准规范的制订方面,要紧是IEEE802.15.4小组与ZigBeeAlliance两个组织,两者分别制订硬件与软件标准,两者的角色分工就如同IEEE802.11小组与Wi-Fi之关系。
在IEEE802.15.4方面,2000年12月IEEE成立了802.15.4小组,负责制订MAC与PHY〔物理层〕规范,在2003年5月通过802.15.4标准,802.15.4任务小组目前在着手制订802.15.4b标准,此标准要紧是加强802.15.4标准,包括:
解决标准有争议的地点、降低复杂度、提高适应性并考虑新频段的分配等。
ZigBee建立在802.15.4标准之上,它确定了能够在不同制造商之间共享的应用纲要。
802.15.4仅仅定义了实体层和介质访问层,并不足以保证不同的设备之间能够对话,因此便有了ZigBee联盟。
ZigBee兼容的产品工作在IEEE802.15.4的PHY上,其频段是免费开放的,分别为2.4GHz〔全球〕、915MHz〔美国〕和868MHz〔欧洲〕。
采纳ZigBee技术的产品能够在2.4GHz上提供250kbit/s〔16个信道〕、在915MHz提供40kbit/s〔10个信道〕和在868MHz上提供20kbit/s〔1个信道〕的传输速率。
传输范畴依靠于输出功率和信道环境
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