通信专业综合实验

1班级：通信姓名：学号：指导教师：成绩：实验专业实验报告电子与信息工程学院通信工程系21.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，以计算机技术为基础，软件可编程，硬件可剪裁、重构的专用计算机系统。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，达到对控制对象地响应或人机交互的功能。目前，嵌入式系统的发展方向主要是解决接口多样性、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基本特征。所以，最大限度的满足对象数据采集、控制、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。为适应技术发展需求，嵌入系统在不断追求结构紧凑、坚固可靠、技术密集、高度分散的同时，尤以不断创新为嵌入式系统的发展核心。使嵌入系统凸现了高技术门槛，主要表现在软硬件设计的紧密相关性上，特别是构建RTOS系统需透彻了解RTOS的工作机制和系统资源配制，掌握底层软件、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、引脚配置变得非常重要和必不可少。所以，用户可配置的SCO(在片系统)已成为现阶段嵌入式系统的核心发展技术。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发展成一个MUC数量可缩放的集合体。在嵌入式应用系统中，虽然高端产品不断涌现，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间、完备的集成开发环境、良好的性价比等优势仍然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。回顾嵌入式系统的发展历程，已经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。可以预期，软硬双可编程的嵌入式系统时代必会带来更加便捷的开发环境和技术支持。31.2.嵌入系统的设计原则嵌入系统设计具有很强的针对性，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、产品的升级与维护问题、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控制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习惯、开发环境和控制功能要求选取。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。在各实施阶段，对项目进度、关键技术的风险因素必须进行审查评估，评价软一硬件的功能设计与分配，以及实现的技术性能、工作量和时间进度。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，及时发现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阶段。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；总线控制功能、中断方式和仲裁机制；RAM和FLASHROM容量；软件加密保护。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。41.3.嵌入系统的软件特点嵌入式系统是可利用资源有限、专用性很强、实时性要求也很高的应用控制系统。故在软件设计方法和实现手段上，嵌入系统软件同PC机软件存在很大差异，主要表现在；⑴实时性的控制方法；PC软件提升速率方法，极大依赖处理器性能提升，还体现在缓存方案、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特定的异构特征；嵌入式控制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，以及不同控制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控制目标，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、故障恢复、高可靠性等方面的约束条件，实现特定应用环境下的控制功能、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。还应根据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、可移植性和易维护性。纵观嵌入式软件设计方法的发展历程，走过了从结构化设计、面向对象设计、基于构件的设计阶段，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围内，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发展的通信方式，蜜蜂通过跳ZigZag形状的舞蹈来通知发现的新食物源的位置、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5方向发展。例如：广域网范围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，局域网范围内的标准从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技术则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：工作模式情况下，ZigBee技术传输速率低，传输数据量很小，因此信号的收发时间很短，其次在非工作模式时，ZigBee节点处于休眠模式。设备搜索时延一般为30ms，休眠激活时延为15ms，活动设备信道接入时延为15ms。由于工作时间较短、收发信息功耗较低且采用了休眠模式，使得ZigBee节点非常省电，ZigBee节点的电池工作时间可以长达6个月到2年左右。同时，由于电池时间取决于很多因素，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。对于典型应用，碱性电池可以使用数年，对于某些工作时间和总时间（工作时间+休眠时间）之比小于1%的情况，电池的寿命甚至可以超过10年。⑵数据传输可靠：ZigBee的媒体接入控制层（MAC层）采用talk-when-ready的碰撞避免机制。在这种完全确认的数据传输机制下，当有数据传送需求时则立刻传送，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，若没有得到确认信息的回复就表示发生了碰撞，将再传一次，采用这种方法可以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，避免了发送数据时的竞争和冲突。同时ZigBee针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和休眠状态激活的时延都非常短。⑶网络容量大：ZigBee低速率、低功耗和短距离传输的特点使它非常适宜支持简单器件。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个基本参数。而对简化功能器件，在最小配置时只要求它支持38个基本参数。一个全功能器件可以与简化功能器件和其他全功能器件通话，可以按3种方式工作，分别为：个域网协调器、协调器或器件。而简化功能器件只能与全功能器件通话，仅用于非常简单的应用。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，其余则是从属（Slave）设备。若是通过网络协调器（NetworkCoordinator），整个网络最多可以支持超过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技术与现有的控制网络标准无缝集成。通过网络协调器（Coordinator）自动建立网络，采用载波侦听/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。6⑸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，对于某种应用，如果安全并不重要或者上层已经提供足够的安全保护，器件就可以选择这种方式来转移数据。对于第二级安全级别，器件可以使用接入控制清单（ACL）来防止非法器件获取数据，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用属于高级加密标准（AES）的对称密码。AES可以用来保护数据净荷和防止攻击者冒充合法器件。⑹实现成本低：模块的初始成本估计在6美元左右，很快就能降到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控制设备描述已于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间里陆续发布。在标准规范的制订方面，主要是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，此标准主要是加强802.15.4标准，包括：解决标准有争议的地方、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，它确定了可以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可以对话，于是便有了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）。采用ZigBee技术的产品可以在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。传输范围依赖于输出功率和信道环境，介于10m到100m之间，一般是30m左右。由于ZigBee使用的是开放频段，已有多种无线通讯技术使用。因此为避免被干扰，各个频段均采用直接序列扩频技术。同时，PHY的直接序列扩频7技术允许设备无需闭环同步。在这3个不同频段，都采用相位调制技术，2.4GHz采用较高阶的QPSK调制技术以达到250kbit/s的速率，并降低工作时间