畢業設計-基于pic單片機的wifi控制系統-資料下載頁

【導讀】隨著移動技術的不斷發展，整個世界在走向移動化。現階段，通信技術正面臨一場。深刻的變革，傳統的有線網絡已不能滿足日益增長的通信需要。到關注，人們需要一種不受約束的通信技術，能夠隨時隨地的獲取信息。迫切，WIFI無線通信技術也得到了迅速發展。Point)和無線網卡組成的無線網絡。AP一般稱為網絡橋接器或接入點,它是當作傳統的。AP去分享有線局域網絡甚至廣域網絡的資源。在開放性區域通訊距離可達305m，在封閉性區域通訊距離76～122m，方。便與現有的有線以太網整合，組網的成本更低。術的又一大優勢。便宜的WIFI無線網卡一般都定位于PC機，接口一般為PCI接口或是USB接口。制方案顯然成本會很高。在這種情況下，需尋找一種可替代的方案，要求是對性能要求。WIFI控制系統主要由兩部分構成，主控部分和無線通信部分。送采集和處理后的數據。單片機作為核心控制MCU。此次設計采用了雷凌公司的RT73無線模塊。RT73模塊需要在上電后進行初始化配置，配置通過USB控制傳輸來進行。

　　

【正文】 om 進行 eeprom 中的默認配置的讀取， 其中就包括了射頻芯片信息的讀取，每個信道發射功率的配置， MAC 地址等信息。 rt2501_switch_channel 進行初步的信道選擇 ，不進行此步驟也可以，這僅僅用來測試。 ieee80211_init 協議棧的初始化。 b) 幀數據的發送 根據 幀的類型的不同，可以分為控制幀，管理幀，和數據幀，其中管理幀和數據幀是必須使用到的，所以驅動程序必須實現對管理幀和數據幀的處理。而控制幀主要用來對數據的分片和 RTS， CTS 進行處理這部分對于簡單的通信來講是不需要的，所以并沒有實現控制幀的處理。 數據 幀發送的一般流程： 上 層 封 裝 好 的 數 據一 般 為 以 太 網 幀r t 2 5 0 1 _ s e n d執 行 對 數 據 幀 的 封 裝是 否 已 連接 到 A P開 始加 密 模 式 ？（ 未 實 現 ）N O N E 。W E P 6 4 。W E P 1 2 8 。W P A 。8 0 2 . 1 1 地 址 ；L L C 層 ；填 充r t 2 5 0 1 _ m a k e _ t x _ d es c r i p t o r發 送 描 述 符 填 充結 束r t 2 5 0 1 _ t x執 行 B U L K O U T 傳 輸結 束( 回 調 函 數 可 選 ） 圖 程 上層封裝好的數據包一般是以太網數據包， 因為上層一般是一個 TCP/IP 協議棧，故這里需要對以太網數據包進行轉換， 首先需去掉以太網幀頭，只保留 IP 包數據，然后根據此時連接的模式和網絡配置進行對 幀頭的封裝， 幀頭比較重要的 本 科 畢 業 設 計 第 23 頁 共 47 頁 有兩個域，一是加密模式，因為加密模式的不同會影響許多域的設置，這里只實現了簡單的無加密模式的封裝方式，二是地址域的裝填， addr1 裝填關聯到的路由的 MAC地址，addr2 裝填 RT73 無線網卡的 MAC 地址 (源地址 )， addr3 裝填以太幀中的目的地址。 除裝填 協議幀頭外，還需裝填基帶處理芯片的發送描述符，對于精簡的驅動程序而言，如果選擇無加密模式，需要設置的發送描述域較少，而且一些域比較固定。 將所有數據裝填好后，就可以調用 USB 發送函數發送數據了，真正的發送過程在中斷中啟動，并在中斷中確認結束，這里可以選用兩種方案進行 USB 發送過程， 一種是等待 USB發送過程的結束，一種是發送完畢后通知主程序。 第一種方案效率比較低，第二種方案的軟件編寫較復雜，所以后面具體實現時采用了 RTOS 的方法。 c) 幀數據的接收 和數據幀的發送相比， 數據幀的接收 比較復雜，因為數據幀的發送本質上是異步的，當有數據幀需要發送時，隨即調用發送函數將數據幀發送出去，而數據幀的接收本質是一個中斷的過程，而 USB 總線的特點是主機輪詢，所以當有數據幀放入基帶芯片的緩沖區中時， 基帶芯片不能主動通知 PIC32，而需要 PIC32 主動試探，當沒有數據時，基帶芯片返回 NAK 握手包，直到有數據才返回數據， 這樣 PIC32 的輪詢頻率就是一個關鍵的變量，輪詢的時間間隔不能過小，過小會導致 CPU 負荷較重，也不能間隔過大，過大會使數據通信延遲 變大 ， 綜合考慮將 BULKIN，傳輸設置為 1ms 進行一次， 也就是每次 sof包后立即進行一次 BULKIN 傳輸。當有數據時隨即進行讀入，當收到 NAK 握手包時， 等待下一次 sof 包后 進行 BULKIN 傳輸。 具體的接收流程如圖 ： 等 待R T 7 3 初 始 化 ？8 0 2 . 1 1 協 議 棧 初 始 化 ？連 接 A P ？啟 動 一 次 B U L K I N 傳 輸否是返 回 數 據 幀8 0 2 . 1 1 協 議 棧 處 理拷 貝 上 層 數 據完 成返 回 N A K 包沒 有 數 據發 送 I N 令 牌等 待 s o f 包得 到 數 據沒 有 數 據T C P / I P 上 層 處 理 圖 本 科 畢 業 設 計 第 24 頁 共 47 頁 當經過 協議棧處理后，如果是管理幀，則我們直接進行管理幀的封裝然后發送出去進行響應，當是網絡數據包時，需要將數據包暫存起來然后經由 TCP/IP 層協議處理 。 d) 協議棧處理 協議棧處理部分是整個驅動程序協議棧處理的核 心，因為這里沒有實現linux中類似的 MLME和 CMD核心線程， 所以一些類似的管理幀都由接收時的協議棧處理 。圖 是接收幀的 整體處理 流程 P r o t o c o l S t a c k _ 8 0 2 1 1處 理 接 收 幀 主 函 數判 斷 數 據 校 驗i e e e 8 0 2 1 1 _ i n p u t實 際 的 幀 處 理 函 數O K數 據 幀 處 理 管 理 幀 處 理 控 制 幀 處 理 圖 處理程序根據不同的幀的類型轉到了不同的處理函數中 ，見圖 i e e e 8 0 2 1 1 _ i n p u t _ m g t管 理 幀 數 據 進 入具 體 幀 類 型 的 判 定P r o b e r e s p o n s e幀B e a c o n 幀A s s o c i a t e r e s p o n s e 幀獲 取 A P 的 基 本 信息 ， 加 密 模 式 ， 支持 的 速 率 ， B S S I D ，S S I D 等處 于 S C A N 狀 態 ？S C A N 回 調 函 數是切 換 為 R U N 狀 態 圖 管理幀處理 進入 ieee80211_input_mgt 處理后，首先根據 subtype 域判定收到的幀狀態，根據 本 科 畢 業 設 計 第 25 頁 共 47 頁 不同的幀狀態執行不同的處理。 probe response 幀和 beacon 幀 的處理代碼相同，因為這兩種幀都是由 AP 發送出的用來宣告網絡存在的管理幀，這兩種幀包含的信息基本相同，通常情況下，無線 AP會隔一段時間發送一個 beacon 幀，而 probe response 幀是 在 probe request 幀發出后，無線 AP 的回應幀，包括了無線網絡的參數， BSSID， SSID，加密的方式，支持的速率等信息。 當收到 beacon 幀或 probe response 幀后，如果無線 網卡處于 SCAN 狀態下，會將處理后的 beacon 幀結果傳入 scan_callback 回調函數中，在這個回調函數中，單片機會發送 association 幀，最終會和無線 AP 建立鏈路層的連接。 數據幀處理流程 ，見 i e e e 8 0 2 1 1 _ i n p u t _ d a t a數 據 幀 輸 入判 斷 地 址 域 的 地 址 是否 匹 配 ？i e e e 8 0 2 1 1 _ n e w _ r s s i _ s a m p l e根 據 收 到 的 數 據 計 算 新 的r s s i 采 樣 值判 斷 D A T A 類 型 ？N O _ D A T A 類 型P i n g f r o m A PR e p l a y i n g !結 束 處 理正 常 的 通 信 數 據去 除 l l c 層 數 據直 接 在 本 地 緩 沖 裝 填為 以 太 幀 圖 數據幀處理 數據幀一般有兩種類型，一種類型為 NO_DATA 數據，此種數據只是無線 AP 為了求證工作站是否還存在于網絡中，每當工作站有一段時間沒有進行通信后， 無線 AP 就會發送 NO_DATA 數據包；另外一種數據幀就是正常的網絡數據包，這種數據包只需將幀頭簡單處理即可將 數據幀變為以太網數據幀。 這 里并沒有進行數據的拷貝，主要是效率的考慮，直接利用 USBIN 傳輸的接收緩沖區，所以在以太網幀封裝好后立即進行 TCP/IP 層的處理。 本 科 畢 業 設 計 第 26 頁 共 47 頁 LWIP 和 FreeRTOS 的移植 WIFI 控制系統僅僅有網卡驅動是不夠的，還需實現上層 TCP/IP 協議 ， TCP/IP 協議選用的是 LWIP，輕量型的 TCP/IP 協議，實現了 TCP/IP 大部分的功能， 此外，系統的軟件結構決定了 WIFI 控制系統的數據實時性和吞吐率 ，一般而言，單片機程序的結構為前后臺型。前后臺程序，中斷處理程序為前臺程序， main 函數中的循環為后臺程序，當有數據中斷主循環時，系統會跳至中斷程序中對中斷數據進行處理，中斷程序會設置全局變量通知主循環中的函數對數據進行處理，所以從數據中斷產生到對數據進行處理之間有一個延遲，這個延遲決定于主循環的時間，如果主循環循環一次時間較長，或者有類似延時的阻塞代碼，此時響應時間會大大增加 。和前后臺程序相對應的一種程序結構是基于實時操作系統 (RTOS)的結構，這個時候最底層 運行的是 RTOS， 每當有數據中斷發生時，數據處理任務一般處于一個較高的優先級中，所以會搶占正在運行的低優先級的任務的 CPU時間，此時中斷中的數據就會得到立即 響應。 采用 RTOS 的缺點是 RTOS 本身就占用了一定的資源，所以 RTOS 一般用在資源相對豐富的嵌入式系統中。 本節 將 LWIP協議棧和實時操作系統 FreeRTOS放在一起主要是考慮這兩個組件聯系密切， LWIP 是輕量級的 IP 協議棧，并且具有靈活的配置選項，方便裁剪和配置。 根據系統的需要和系統資源的限制，對 LWIP 進行了裁剪和配置。移植 LWIP 最重要的是實現鏈路層的設備接口 ，故 分別添加了 iwif 無線 WiFi 的接口定義和底層數據包的收發代碼，此外還需實現操作系統模擬層的代碼，這部分 FreeRTOS 支持的比較完 善。 LWIP 協議棧的移植 LWIP 的作者已經為移植提供了框架和接口，移植需要改動以下的文件： a) 這個文件中實現了操作系統模擬層， LWIP 可以被配置為在 RTOS 中運行，它內部會有一個核心 TCP/IP 線程，這個 TCP/IP 線程在沒有數據包收到時處于阻塞狀態，一旦有數據包收到，此時網卡接口層會向 TCP/IP 線程發送數據包的指針， TCP/IP 線程接收到數據包指針開始處理收到的數據幀。 基本上 FreeRTOS 提供的系統服務能夠滿足 LWIP 的需要。 b) 網絡接口層 ， LWIP 作者已實現了程序框架，只要進行修改即可。 網絡接口層最終需要實現三個底層操作，分別是設備初始化，數據包接收和數據包發送，分別對應的實現 本 科 畢 業 設 計 第 27 頁 共 47 頁 函數為 low_level_init, low_level_input 和 low_level_output， low_level_init 初始化中主要完成 MAC地址的讀取， low_level_input 中主要是 將從 USB 中獲取的 幀進行處理，在此函數中會調用 協議棧處理函數，如果收到數據包會申請內存空間，經過此函數處理后的數據包會從 數據包變為 標準的以太網數據包 ；low_level_output 中的處理正好相反，是把上層的以太網的數據幀的頭部轉化成無線WIFI 的數據幀的格式，然后通過網卡發送出去。 c) 此文件中實現了 LWIP 協議棧的入口程序，包括網卡的裝載以及協議棧的初始化 ，LWIP 支持多網卡，這里 RT73 無線網卡會裝載到 LWIP 的網卡鏈表中。 LWIP 協議棧的配置 LWIP 的基本配置信息在文件 中，以下是基本配置信息 ： define TCPIP_THREAD_STACKSIZE 400 TCP/IP 核心線程棧大小 define IP_REASSEMBLY 0 不 需要 IP片重組 define IP_FRAG 0 不需要分片 define LWIP_UDP 1 支持 UDP define LWIP_TCP 1 支持 TCP define LWIP_ARP 1 支持 ARP define LWIP_SOCKET 1 BSD socket 支持 define MEM_LIBC_MALLOC 1 使用庫函數申請內存 define MEMP_MEM_MALLOC 1 不采用內存池 define MEM_ALIGNMENT 4 PIC32 CPU 采用 4字節對齊 define NO_SYS 0 啟用操作系統支持 協議 棧配置的要求是在滿足應用層的需求的前提下使資源的使用量最小， 為了測試RT73 網卡驅動程序， 這里配置 支持 TCP 和 UDP 協議。 另外一部分就是數據包收發所占用的緩存空間，這部分空間雖然對于網絡應用算是小的了 ，但是對于 RAM 只有 32K 的 PIC單片機來說是非常有限的，所以在配置的時