短距无线通信及usB接口系统的设计.docx
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短距无线通信及usB接口系统的设计
北工业大学硕士学位论文第一章绪论
转式、视动鼓和LDE视屏。
旋转式需要专门的机电控制装置，但诱发效果好，
使用较多。
被实验者作在电动转椅或转盘上，以一定的加速度和速度旋转，连
续记录从旋转开始至停转后的眼震电图，来实现对实验动物的晕眩情况研究。
传统对眼震信息的提取主要是通过眼震电图机记录眼震信号，再由人工对
记录的信号进行直观、简单、定量的计算，不但费时，精度低，而且有些信息
手工计算几乎无法得到。
如今，把计算机及信号处理技术应用于眼震信号的分
析处理，眼动仪发生了革命性的变化，国内外也因此出现了各种性能的眼震仪，
如美国ASL公司E咖系列眼动仪，融合了现代摄像技术、红外线定位技术、电
子计算机技术，数据系统纪录的容量大、速度快和精度高，但价格昂贵;国内
也有许多单位研究智能眼震电图测试仪器，如HYZ—1型智能化眼震电图机等。
不过很多在测试中使用的是盘形生物电极，对测试者有一定的刺激，达不到无
损伤实验要求。
眼动记录技术的发展使眼动实验更趋生态化，被实验者几乎可以在完全不
受仪器干扰的自然情况下接受刺激。
过去实验中对眼睛进行麻醉，并在眼睛上
装置附加物的方法己被完全淘汰。
随着科学技术的发展，眼动检测技术的原理
不断更新，技术向多样化发展，人们一方面将原有的眼动记录技术不断改进，
使之更精确、更方便、更快捷;另一方面，不断探索运用新原理的眼动记录方
法，如后来出现的电磁感应法、巩膜—虹膜反射法等新型眼动仪。
1
.
3课题研究内容及意义
课题通过检测耳朵处血流量和眼震电图这两个生理信号的变化来判断实验
者眩晕的发生程度。
以小白鼠为研究对象，选用对实验动物无损伤的图像传感
器和光电传感器，采集其在转盘旋转状态下服用或没服用过需要检查的抗运动
病药后，眼睛图像及耳朵处血流量的变化信息，进而对所采集信号进行对比分
析和处理，来判断抗晕眩药物药效的好坏。
整个检测系统具有无刺伤、快速准
确特点，提取临床所需各种数据，为药效分析和疾病诊断提供了可靠依据。
无损伤抗运动病药物性能检测系统属于生物医学信号检测技术的范围，它
不能是工业检测技术的简单移植，由于检测的对象是人或者动物，它要求被实验
者和系统的连接必须具备安全、可靠、动态的特点。
实时地获取与生命活动相
关的各种信息，并经技术处理后送入主控计算机进行相应处理，建立科学的人
机连接方式是课题中无损伤抗运动病药物性能检测设备首先考虑的问题。
一般现有的生物信号检测仪器系统，是通过传感器将眼震、血流量等生物
体信号转换为电信号，经模/数转换器ADC采样、量化、编码后，成为数字信号，
大学硕士学位论文第一章绪论
然后下位机通过电缆将数据送给CP机分析和处理。
然而，对于旋转刺激模型，
在这样一个旋转动物上，用有线连接的方式来实现采集信息的传递很难满足要
求。
对于旋转实验动物模型，一则将采集数据在下位机上进行存储，实验完后
再送给CP处理，然而这根本就谈不上是实时性，也不能实现对其控制;二则采
用无线通信技术，将采集的数据由测量站通过电磁波无线发送到主控站。
课题
采用了无线技术实现主控机与下位机之间的数据对接，完成眼睛图像和血流量
信号的无线传递，方便快捷地实现了CP对旋转生物体上生物信号的实时采集与
监控，解决了旋转实验中有线连接烦恼，大大地增强了设备的灵活性和实用性。
同时，课题所研究的检测系统在其它领域的信号无线检测中也有着广泛的应用
前景。
整个检测系统原理如图1.1所示。
具体实现过程是:
实验动物体固定于一
封闭的旋转平台上，平台由电机带动旋转。
现场采集动物体上血流量和眼睛图
像两个信号，采用无线数字通信技术和选用适当的CP外设接口，将所采集到的
信号准确无误地传送给终端主控CP进行处理，同时主控CP机能对采集过程和
电机转速的进行无线控制。
整个过程均在室内，通信距离约10m。
数数数数数数数据采集集传传感器器器与处理理理理理理理理理理
无无无无无无无无无线数字通信信信信信信信主主主主主主主主主主主控PCCC
电电机转速速速速速速速速速速
图1.1检测系统原理图
由图1.1可知，检测系统分硬件和软件设计两部分，硬件由传感器、信号
采集及处理电路、无线通信及CP机接口电路、电机调速四部分组成。
软件主要
是眼睛图像处理技术。
.
4本文主要工作
鉴于课题涉及传感器技术、信号检测与处理、无线通信、接口技术、电机
调速及图像处理软件编程，工作量大。
因此本人主要负责了其中无线通信和接
口部分的工作。
本论文的研究目标是为无损伤抗运动病药物性能检测设备选择一种合适的
无线技术来替代电缆，同时选用合适的CP机外设接口，实现主控CP与处于旋
转平台上的下位机之间无线通信:
一方面采集的图像数据通过无线通道上传给
塑驻创垫生一一一一‘一一一
——遗造进竺主控CP，另一方面，CP机控制指令无线发送给下位机，实现对采集过程的控制。
在查阅相关资料的基础上，本文详细研究了各种短距离无线通信方案和计算机外设接口，结合课题设计要求，从原理上采用了蓝牙无线通信技术和UBS接口来实现。
并选出了实现蓝牙射频和主控制器硬件芯片一一NRF2401和CY7C68013，具体完成了主控CP端无线收发及UBS接口系统的软硬件设计。
本文将在后面章节中详细阐述系统的方案选定过程、实现原理以及系统软
硬件的具体设计。
5本章小结
本章首先从抗运动病药物药效检测的必要性出发，引出了总的课题—无损伤抗运动病药物性能检测设备的研究设计，分析了目前抗运动病药物药效检
测方法和仪器的国内外发展情况，介绍了课题研究的主要内容及意义。
最后，本
章阐明了本文研究的目标和所作的主要工作。
大学硕士学位论文第一章绪论
第一章绪论
引言
人机体在运动中受到加速度、视觉和深部感觉的刺激，当机体不能适应这
些刺激时，可发生眩晕、头昏、恶心、呕吐、面色苍白等各种反应，称为运动
病。
随着现代交通的发展，运动病的发生率显著增加，大约9%0的人患有不同程
度的运动病，其中10%~30%患有严重的运动病。
军事飞行人员在训练中晕机病
发生率为4%0。
大约5%0的航天员发生空间运动病，这不仅影响航天员的工作效
率和健康，而且对应急返回构成威胁。
因此，运动病的防治是军事医学和航天
医学中巫待解决的问题〔‘，。
药物抗运动病一直是防治运动病的主要手段，目前人们认为快速而有效治
疗运动病的办法就是使用抗晕眩药物〔2，，国内外出现的抗运动病药物种类数不胜
数，合理筛选副作用小、有效的抗运动病药成了航天医务工作者的首要任务。
药物能增加机体对运动病的抵抗力，但任何药物都不是完全有效的，药效受个
体敏感性和刺激种类、强度及时间长短等因素的影响，推荐应用的抗运动病药
物，均应以其在运动病实验中的效果为依据。
采用合理的实验方法和检测仪器
系统成了药物药效分析的关键。
目前，课题组承担了一种无损伤抗运动病药物性能检测设备的研究设计，
旨在采用旋转刺激法建立一个操作简单、切实可行的实验性眩晕动物模型，通
过该模型设计出一种医学信号采集检测系统，完成对抗眩晕药物药效的研究。
1
.
2国内外晕眩检测方法和仪器的发展现状
眩晕是运动病的一种常见症状，在医学上普遍被认为是前庭核功能障碍的
结果。
前庭功能检查法有很多，基本上都是采用运动实验刺激模型，检测出被
实验动物的诱发性眼震特点来做作为判断标准，因此通过眼震和眼震电图来判
断眩晕产生的程度以及时间的长短已成为眩晕测试装置设计中的一个重要依
据。
同时很多晕眩与内耳微循环有关〔3]，可通过耳蜗血流量来间接反映前庭血流
变化，然而前庭血流研究尚处初起阶段，有关文献极少，因此对通过耳蜗血流
量来进行对晕眩的研究也很少。
临床上较多地使用诱发性眼震，目前国内外诱发眼震主要有三种形式:
旋
大学硕士学位论文第二章系统设计方案研究
第二章系统设计方案研究
随着通信技术的高速发展与应用，人们对医疗检测设备的要求越来越高，
在追求高速率高保真的同时，对设备的可移动性也提出了更高的要求。
传统数
字化检测设备之间的有线连接给人们随时随地与信息网络相连和数据通信带来
了很多不便，发展无线连接技术，已经成为一种必然趋势。
在这方面，寻呼、
移动电话和无绳电话的迅猛发展就是一个很好的例子，广大用户已经深刻地体
会到无线技术所带来的自由、灵活和便捷。
然而，无线技术跨越了话音移动通信的传统应用，在信息社会的今天，数
字化设备之间无线数据传输也已经变得同等重要。
无线通信系统的含义也从单
纯的移动电话话音业务转变为移动计算机网络。
在移动计算机网络中，计算机
或设备等将是便携的无线通信设备，如笔记本、PAD、无线检测设备等，使用时
就像移动电话一样，用户可以在无线网络覆盖的任何地方随时发送和接收各种
数据信息，可以是在室内或室外，可以是静止或运动状态等。
移动计算机网络
可以是局域网，也可以是广域网。
通信功能变得越来越重要的同时，设备通信接口也成为人们讨论的越来越
多的课题，在多微机系统和微机网络中，通信既包括了计算机和计算机，也包
括计算机与外部设备之间的信息交换，各计算机和外设之间的信息交换都必须
通过接口才能完成。
随着CP机的普及和广泛应用，CP机外设接口也随之迅猛发
展，接口技术己成为了一门十分重要和关键的技术。
2
.
1各种短距离无线通信技术与实际应用中存在的问题
无线网络标准根据通信距离的不同可以分为WAN、WLAN和PAN三类，它们
的有机组合，构成了完整的无线互联网络体系。
本文的短距无线通信属于WALN
（无线局域网）技术，工程上可称之为移动计算机局域网，目前移动计算机局
域网己经有了多种解决方案，主要包括IEEE802.11、HomeRF、HierpLAN、IrDA
红外网络以及日益兴起的蓝牙技术等。
其中，工EEE802.11和HomeRF是北美应用
最广泛的技术;HierpLAN近年在欧洲得到广泛的支持，发展异常迅猛;红外技
术由于其价格便宜、体积小巧、应用成熟，很早就已取得广泛应用;蓝牙技术
是1998年5月由爱立信、IMB、英特尔、诺基亚等多家公司联合制定的短距离
无线通信技术标准。
它们在短距离无线通信领域各具优势，相互竞争，以下是
北工业大学硕士学位论文第二章系统设计方案研究
对各种短距离无线通信技术的简略介绍及比较。
1、IEEE802.11标准
工EEESOZ.n是企业无线局域网的标准技术，最早的IEEE802.n协议标准是
主要用于解决办公室局域网和校园网中用户与用户终端之间的无线接入，业务
主要限于数据存取，速率最高只能达到ZMbi/ts。
由于工EEE802.n在速率和传
输距离上都不能满足人们的需要，因此IEEE又相继推出了802.lal和802.lbl
两个新标准。
三者之间技术差别【‘，主要在于MAe（MediumAeeesseontr。
1，媒介
访问控制）子层和物理层。
工EEESO2.11协议只规定了开放式系统互连参考模型
（051/RM）的物理层和MAC层，其MAC层利用载波监听多重访问/冲突避免
（CMSA/AC）协议，而在物理层，IEEESOZ.ll定义了三种不同的物理介质，它们
分别是红外线、跳频扩谱方式（FHSS）以及直接序列扩谱方式（DSSS）。
IEEESO2.11a工作在SGHz频带，避开了拥挤的2.4HGz频段。
物理层传输速
率可达54Mbi/tS，传输层可达25Mbi/tS。
采用正交频分双工（OFMD）的独特扩
频技术，可提供25Mbit/S的无线ATM（异步传送模式）接口、IOMbit/s的以太
网无线帧结构接口和TDD/TMDA的空中接口，支持语音、数据、图像业务，一个
扇区可接入多个用户，每个用户可带多个用户终端。
IEEE8o2.1b1（wi一Fi）使用开放的2.4GHz直接序列扩频，最大数据传输速
率为1M1bPs，无需直线传播，其实际的传输速率在SMbps左右，与普通的
1B0as--eT规格有线局域网处于同一水平（现在最常用的以太LAN使用的是双绞
线，这种传输介质称为10Base一T）。
工EEESO2.1b1使用动态速率转换，当射频情
况变差时，可将数据传输速率降低为5.SMbPs、ZMbPs和IMbPs，且当工作在ZMPbS
和IMbpS速率时可向下兼容IEEE502.11。
IEEE502.1lb的使用范围在室外为300
米，在办公室环境中则最长为100米，适用与以太网类似的连接协议和数据包
确认，来提供可靠的数据传送和网络带宽的有效使用。
IEEE802.lbl运作模式基
本分为两种:
点对点模式和基本模式，点对点模式是指无线网卡和无线网卡之
间的通信方式;基本模式是指无线网络规模扩充或无线和有线网络并存时的通
信方式，这是IEEE802.1b1最常用的方式。
IEEE802.11a在使用频率的选择和数据传输速率上都优于IEEE802.llb，不
过目前还远没有成熟，存在着不少问题，如芯片与设备昂贵，空中接力特性不
好，点对点连接不经济，也不适合小型设备等。
2、HomeRF标准
家庭无线电射频（HomeRF）是HomeRF工作组专门为家庭无线局域网而设计
大学硕士学位论文第二章系统设计方案研究
的开发性工业标准，其目标是要在家庭区域范围内的任何地方，在个人电脑和
家用电子设备之间实现无线数字通信的开放性工业标准。
HomeRF是IEEE802.11与无绳电话技术DECT（DigitalEnhaneedCordlesS
TeleconnllunicationS）的结合，使用这种技术能降低语音数据成本。
它使用开
放的2.4GHz频段，采用跳频扩谱（FHSS）技术，跳频速率为50跳/秒，共有75
个带宽为IMHz的跳频信道。
调制方式为恒定包络的频移键控FSK调制，分为ZFSK
与4FSK两种，采用调频调制可以有效地抑制无线环境下的干扰和衰落。
ZFSK
方式下，最大数据的传输速率为IMbpS;4FSK方式下，速率可达ZMbpS。
新的
HomeRF2.x标准采用WBFH（WideBandFrequeneyHopping，宽带调频）技术
来增加跳频带宽，由原来的MIHz跳频信道增加到3MHz、SMHz，跳频的速率也增
加到75跳/秒，数据峰值达到IOMbPs。
HomeRF把共享无线接入协议（WSAP）作为未来家庭联网的技术指标，基于
该协议的网络是对等网，因此该协议主要针对家庭无线局域网。
其数据通信采
用简化的IEEE802.n协议标准，沿用类似与以太网技术中的冲突检测的载波监
听多址技术。
语音通信采用DETC标准，使用TD以时分多址技术。
宕不过由于HmoeRF技术没有公开，目前在抗干扰等方面相对应其他技术而言
上有欠缺，因此没有广泛的应用前景。
3、红外（lrDA）技术
红外技术可以说是无线连接技术的鼻祖，由红外数据协会（IrAD一一
InfraredDataAsS0ciation）提出并推行的一种无线协议，这种通信方式使用
85Onm的红外光来传输数据和语音。
新制定的超高红外（VF工R）标准传输速率为
的16MpbS，相比传统版本FRI的4MbPs快了4倍，接收角度也由原来的30度扩
展到120度，并且其硬件及相应软件技术都己比较成熟。
该技术的主要优点是无需专门申请特定频率的使用执照。
这一点，在当前
频率资源匾乏，频道使用费增加的背景下是比较重要的。
并且它还具有移动通
信设备所必需的体积小，功率低的优点。
IrAD的数据传输速率比较高，而且由
于采用点到点的连接，数据传输所受到的干扰较少。
就目前而言，无论是技术
成熟度还是普及度，都是其他新兴的无线连接技术所无法相比的，现在全球采
用工rDA技术的设备已经超过了5000万部。
并且仍然每年以5%0速度增长。
但IrAD也有其明显的缺点，首先，它只能实现点对点的连接，无法实现点
对多点的连接，也即它只限于在2台设备之间进行链接;其次，IrAD是一种视
距传输技术，中间不能有阻挡物，同时要求通信设备的位置相对固定，无法用
于移动设备;最后，IrDA设备的核心部件—红外线L印是一种不耐用的器件，
西北工业大学硕士学位论文第二章系统设计方案研究
频繁使用会令其使用寿命大大缩短。
4、蓝牙技术标准
蓝牙（Bluetooht）是一种近距离无线通信技术规范〔71，用来描述和规定各
种信息电子产品（包括通信产品、计算机产品和消费电子产品）相互之间是如
何用短距离无线电系统进行连接的，替代电缆是蓝牙技术最根本的应用特征，
从应用角度来讲，它与日前广泛应用于微波通信中的多址技术十分相似，它很
容易穿过障碍物，实现全方位的语音与数据传输。
主要优点是:
可以随时随地
用无线接口来代替有线电缆连接;具有很强的移植性，可应用于多种通信场合;
功耗低，对人体危害小;蓝牙集成电路应用简单，成本低廉，实现容易，易于
推广等。
蓝牙使用2.G4Hz频段，采用时分双工传输和跳频扩频（FHSS）调制技术来
实现全双工传输，在发射带宽为IMHz时，其有效数据数率为721kbps，有时也
可达到IMbPs。
跳频是蓝牙使用的关键技术，蓝牙以2.45HGz为中心频率，得到
79个MIHz带宽的信道，对应于单时隙分组，蓝牙的跳频速率为1600跳/秒;对
应于多时隙包，跳频速率有所降低，但在建立链路时则提高为3200跳/秒。
工MS
频段是对所有无线电系统都开放的频段，因此使用其中的某个频段都会遇到不
可预测的干扰源，由于使用比较高的跳频速率，蓝牙系统具有较其他通信技术
更强的抗干扰能力。
蓝牙支持点对点和点到多点的连接，蓝牙最基本的网络组成是匹克网。
匹
克网由主设备单元和从设备单元构成。
主设备单元负责提供时钟同步信号和跳
频序列，而从设备单元一般是受控同步的设备单元，并接受主设备单元的控制。
在同一匹克网中，所有设备单元均采用同一跳频序列。
一个匹克网中一般只有
一个主设备单元，而从设备单元目前最多可以有7个。
一个匹克网中的从设备
同时还可作为另一个匹克网的主设备，以此方式进行网络拓展，几个匹克网连
接在一起，称为sactternet（散射网），形成灵活的多重匹克网的拓扑结构，并
靠跳频顺序识别每个匹克网。
从而实现各类设备之间的快速通信。
由于蓝牙技术独立于不同的操作系统和通信协议之外，可以移植到许多应
用领域，因而应用场合很普遍。
蓝牙力求与不同的操作系统和通信协议有良好
的接口，从而保证一定的兼容性。
蓝牙技术适用于任何数据、图像、声音等短
距离通信场合，包括蜂窝电话、DPA、计算机外设、设备仪器等各种设备上数据
无线通信。
5、几种无线技术的比较
北工业大学硕士学位论文第二章系统设计方案研究
实际需求选择一种合适的无线技术。
2
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2pC机常见外设接口比较
所谓接口就是计算机CUP与外设的连接电路，是CUP与外界进行信息交换
的中转站。
如在课题中，无线接收的数据需要通过接口电路从接收设备送入计
算机，控制指令需要通过接口电路发出去。
计算机只有通过接口连接各种各样
的外围设备，才能发挥其在各方面作用。
由于计算机应用的越来越广泛，要求
与计算机接口的外围设备越来越多。
因此CP机的各种外设接口己成为CP机与
外设通信必须研究的问题。
在接口设计中，经常要与各种总线打交道，采用总线结构是计算机系统最
显著的特点之一，根据总线在微机系统中所处的位置不同，可分为片内总线、
系统总线、外总线和局部总线，片内总线位于微处理器芯片内部，是AUL、各种
寄存器和功能单元之间的信息通路:
局部总线泛指微处理器周围的接口;系统
总线用于微机各插件电路板间的相互连接，是构成计算机系统的总线;外总线
又称通信总线，用于微机系统之间、微机与其它仪器或设备之间的连接线。
外
部设备一般可通过系统总线或外总线与CUP连接，下面分系统总线和外总线两
类接口进行比较。
1、系统总线接口
系统总线都做成多个插槽的形式，各插槽相同的引脚通过总线连在一起。
总线接口的引脚定义、传输速率设定、驱动能力限制、信号电平、时序安排以
及信息格式的约定等都有统一的标准。
采用系统总线扩展外部设备时，接口均
需做成插板的形式。
目前常见的系统总线IAS、PCI、AGP等。
SIA即工业标准总线，它在80286至80486时代应用非常广泛，缺点是IAS
传输速率相对较低，占用硬件中断资源，不支持即插即用等。
但由于SIA兼容
性好，至今在奔腾机主板上还保留着SIA总线插槽。
PC工总线是外设部件互连总线，它是一种将系统中外围部件以结构化可控制
方式连接起来的总线标准，是基于奔腾等新一代处理器而发展的总线。
PCI器件
和扩展卡是独立于微处理器的，任何一种CUP都可使用PCI总线〔刃。
PCI由于使
用PCI专用控制器，实现总线仲裁与控制，也使PCI适用范围超出了主板，其
开放的标准便于厂家和科研用户设计专用功能的PCI扩展卡，如图2.1所示。
PCI总线成为CP的高速通用I/O口，是由于PCI具备以下优点:
类似内存突发
存取的PCI突发模式;PCI2.1的64位的66MHz高速模式使传输速率达到
大学硕士学位论文第二章系统设计方案研究
综上所述，各种无线技术都有各自的优点和不足，不同的技术适合于不同
的用户。
工EEE802.11/b/a定位于企业无线网络，主要适用于大型办公室或企业
集团，是一种用来对大文件进行带宽占用以及突发性的信息传输要求，或者用
来保持因特网和专用网不间断连接的无线局域网技术，其实现成本较高。
在家
庭无线应用上，HomeRF无可非议，其专为家庭用户设计，对流媒体提供了真正
意义上的支持，目前HomeRF只能通过CP卡的形式实现，尚无法象蓝牙那样利
用模块或芯片实现，因而成本比蓝牙高。
在近距离10米内，以无线方式替代线
缆的应用场合，蓝牙与IrAD有很大的优势，IrAD技术成熟，数据传输速率比蓝
牙高，但工rAD属视距技术，并且无法满足设备之间相互移动的要求。
蓝牙最初
的提出和今后的发展方向都是以低成本为目的，非常适合应用于低成本近距离
无线传输场合。
四种无线技术的具体对比数据，如表2.1所示【卜6]。
表2，1四种无线技术比较数据
对对比规格格802.1lbbb家用射频频红外外蓝牙牙
（（（（（（（HomeRF）））（IrDA）））（Bluetooth）））
无无线传输媒介介2.4GHz无线电波波2.4GHz无线电波波红外光光2.4GHz无线电波波
传传输速率率DSSS:
1111ZFSK:
1~2221.152，4，1666THSS:
lll
（（（Mbit/s）））FHSS:
1或222222222
数数据/语音支持持数据，语音很弱弱语音和数据据只支持数据据语音和数据据
跳跳频次数数50次/sss50次/sss\\\1600次/sss
传传输距离离25~IO00mmm50mmm20em~1.Zmmm10~100mmm
移移动能力力好好好好差差极佳佳
方方向性性全向（3600，中中全向（3600，中中窄角（（300，中中全向（3600，中中
间间间可有障碍）））间可有障碍）））间不能有障碍）））间可有障碍）））
目目前参考成本本100一200美元元100一200美元元<5美元元20美元元
功功率率100mwww100mwww\\\0~100mwww
传传输方式式点到点，点到多多点到点，点到多多点到点点点到点，点到多多
点点点点点点点点点
链链接设备数数128个个128个个2个个8个个
安安全性性可选择择可选择择靠短距离、小角角验证、编码码
度度度度度传输保证安全全全
主主要用途途企业无线局域网网家庭中的各种
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