NanoNET модуль с интерфейсом USB

№ 1’2008
PDF версия
В статье рассмотрены особенности подключения модулей стандарта nanoNET (IEEE 802.15.4a) к персональному компьютеру через интерфейс USB, а также описаны результаты испытаний подобных модулей.

Введение

Скорость передачи данных в системах, построенных на основе электрических и оптических кабелей, обычно превышает соответствующие показатели в беспроводных сетях. Поэтому при построении гетерогенной системы коммуникаций именно сегмент радиосвязи является местом с наименьшей пропускной способностью.

В последнее время в связи с бурным развитием технологий беспроводной связи малого радиуса действия и сравнительно небольшой стоимости, таких как Wireless USB, Bluetooth 2.0 EDR, ZigBee, nanoNET и т. д., разработчики встают перед выбором аппаратного интерфейса, который можно было бы использовать для передачи данных из радиоканала в оконечное устройство (DTE). Поскольку во многих случаях этим устройством является компьютер, выбор невелик: либо стандартный набор — COM-порт, параллельный порт и USB, либо подключение радиомодуля непосредственно к внутренним шинам компьютера через специальную плату-адаптер. Первый способ более универсален, второй однозначно дает выигрыш в скорости передачи данных, но более сложен в реализации.

 

Технические способы реализации nanoNET-модулей

Основой любого небольшого коммуникационного устройства является микроконтроллер. Современные чипы на аппаратном уровне поддерживают не только интерфейсы RS-232 и RS-485, но и USB и др. В предыдущих работах по изучению технологии nanoNET [1, 2, 3, 4, 5] авторы в основном тестировали только характеристики радиосвязи, не анализируя пропускную способность всей системы, включающей источник данных и место их хранения.

Простейшая схема экспериментов приведена на рис. 1.

Блок-схема экспериментов по оценке качества радиосвязи стандарта nanoNET

Автономный радиомодуль состоял из трансивера nanoPAN 5361, выпускаемого компанией Nanotron Technologies (www.nanotron.com), и управляющего микроконтроллера ATmega32L серии AVR производства Atmel.

Передача данных осуществлялась между двумя модулями, первичный сбор данных и анализ качества связи производились микроконтроллером (на рис. 1 MCU слева), и лишь затем обработанная информация поступала в компьютер по интерфейсу RS-232. Характеристики асинхронных приемопередатчиков контроллеров USART, встроенных в используемые ATmega32L, и их конфигурация не позволяли в режиме реального времени достигнуть высоких скоростей передачи данных от правого на рис. 1 микроконтроллера MCU до компьютера слева.

В 2007 году компания Nanotron Technologies представила новый радиомодуль, оснащенный интерфейсом USB (рис. 2). В нем для повышения скорости передачи данных между приемопередатчиком nanoNET и персональным компьютером используется микросхема преобразователя интерфейсов FT2232L производства FTDI (www.ftdichip.com). С одной стороны она подключена к шине USB, с другой — напрямую к модулю nanoPAN 5361. Таким образом, она использовалась в режиме моста USB — SPI. Такое решение нельзя назвать оптимальным, так как на прикладную программу, выполняющуюся на персональном компьютере, ложится низкоуровневое управление приемопередающим модулем (инициализация, задание необходимых параметров, запуск приемапередачи и т. д.), что ведет к суммарному снижению максимальной скорости передачи данных.

Блок-схема USB-радиомодуля компании Nanotron Technologies

Авторам во время тестирования этого USB-модуля не удалось продемонстрировать скорость передачи данных более 200 кбит/с даже после глубокой оптимизации процедур программы. Очевидно, что проблема здесь кроется в слишком длительных (для этой задачи) тайм-слотах шины USB и менеджера задач операционной системы Windows XP (работа модуля в среде Unix не тестировалась), а также в необходимости частых смен направлений передачи (ввод/вывод) в режиме эмуляции взаимодействия с модулем nanoPAN по SPI.

Для того чтобы процедуры отправки и приема кадров выполнялись намного быстрее, было предложено возложить контроль этих функций на встроенный микроконтроллер (рис. 3). Таким образом, компьютер оперирует лишь с потоком байтов в обоих направлениях, а микроконтроллер занимается формированием кадров, определением момента приемапередачи данных, сменой режимов радиопередачи и другими низкоуровневыми процедурами.

Блок-схема USB-радиомодуля с дополнительным микроконтроллером

К тому же, выбранная в качестве моста USB — MCU микросхема FT245RL производства FTDI, включенная в режиме параллельного порта (8 линий данных и 5 линий управления), обеспечивает более высокую скорость обмена данными между MCU и внутренними буферами FT245RL. Использование чипов производства FTDI в обоих решениях обусловлено легкостью их применения, поскольку разработчик избавлен от необходимости вникать в тонкости функционирования интерфейса USB. Преобразователи FT2232L и FT245RL содержат аппаратные FIFO-буферы для принимаемых и передаваемых данных. Таким образом, использование данных микросхем в связке со свободно распространяемыми драйверами и библиотекой от FTDI, содержащей высокоуровневые функции, позволяет сделать полностью прозрачный для прикладного ПО высокоскоростной обмен данными с подключаемыми по USB устройствами.

FTDI предлагает для данных микросхем два типа драйверов: D2XX Direct Drivers — драйвер с библиотекой функций, позволяющий достигать скоростей до 8 Мбит/с, и VCP Drivers — драйвер виртуального COM-порта. После его установки USB-устройство определяется системой как скоростной COM-порт. Максимальная скорость в этом случае составляет 2,4 Мбит/с. Данные драйверы под разные типы операционных систем свободно доступны на сайте FTDI; там же можно скачать документацию, примеры программ и специальную утилиту MProg (рис. 4) для конфигурирования преобразователей интерфейсов.

Информационное окно программы MProg

Микросхема FT245RL содержит в себе EEPROM, хранящее сведения о конфигурации (максимальный ток, потребляемый устройством от контроллера USB, тип питания, серийный номер устройства, тип автоматически подгружаемого драйвера и др.), передаваемые в компьютер при подключении устройства.

 

USB-радиомодуль nanoNET, разработанный в Lab127

В соответствии с предложенной блок-схемой, приведенной на рис. 3, было разработано устройство, которое содержит модуль nanoPAN 5361, микроконтроллер ATmega32L, осуществляющий низкоуровневое управление модулем приемопередатчика и выполняющий обработку кадров и обмен информацией с компьютером через преобразователь интерфейсов FT245RL (рис. 5).

Внешний вид разработанного USB-радиомодуля nanoNET

Микроконтроллер тактируется с помощью внешнего кварцевого генератора на 8 МГц. На разъемы выведены сигналы шины SPI, RX и TX универсального приемопередатчика, а также предусмотрена возможность подключения внешнего источника питания (например, во время программирования микроконтроллера). ATmega32L и nanoPAN5631 получают питание +3 В от стабилизатора напряжения ADP3330, который, в свою очередь, подключен к шине USB +5 В. Антенный разъем — SMA female.

 

Программное обеспечение и результаты экспериментов

Разработанный USB-радиомодуль тестировался двумя способами: в режиме сбора данных с одного модуля датчика и в режиме установления двунаправленного канала связи между двумя компьютерами.

В первом случае схема эксперимента соответствовала представленной на рис. 1, за исключением того, что данные в компьютер поступали через интерфейс USB. Slave-модуль в непрерывном режиме осуществлял генерацию тестовых пакетов размером 128 байт. Master-модуль передавал через USB все корректно принятые пакеты в компьютер, где они анализировались прикладной программой. В радиоканале были отключены ретрансмиссия кадров и подтверждение приема (Ack). В таких условиях удалось достичь скорости передачи данных ~620 кбит/с.

Во втором эксперименте для измерения скорости передачи данных с использованием пары USB-модулей была разработана программа для микроконтроллера ATmega32L, которая с одной стороны ожидала поступления данных из компьютера по шине USB, формировала пакеты и отправляла их по шине SPI трансиверу, а в обратном направлении считывала содержимое полученных по радиоэфиру кадров и отправляла их в компьютер. Обнаружение возможности считывания данных, поступающих в прямом и обратном направлениях, происходило путем циклического опроса состояния готовности контроллера FT245RL и регистров статуса nanoPAN по шине SPI.

Встроенное программное обеспечение USB-радиомодулей было практически идентично (код для ATmega32L различался только МАС-адресами, назначаемыми трансиверам).

USB-радиомодули были подключены к разным компьютерам; на каждом из них были установлены драйверы FTDI для работы с микросхемой FT245RL в режиме Virtual Com Port и запущена стандартная программа Windows Hyper Terminal. После запуска терминалов символы, вводимые с клавиатуры на одной стороне, передавались по эфиру и автоматически выводились на другом компьютере.

В процессе тестирования для передачи большого количества данных (zip-архив) использовалась функция программы Hyper Terminal «Отправить файл» и был выбран протокол «Z-модем с восстановлением после сбоя». Корректность передачи информации была подтверждена успешной проверкой целостности архива. Максимальная скорость в этом случае составила более 720 кбит/с (рис. 6). Тестирование происходило в режиме, когда на обоих модулях было включено подтверждение приема (Ack) и повторная передача испорченных пакетов до трех попыток включительно.

Результаты тестирования скорости передачи с использованием USB-радиомодуля

Анализ полученных цифр (~620 и >720 кбит/с) приводит к заключению, что в первом случае встроенный код был недостаточно оптимальным. И действительно, у программиста есть выбор, какой интерфейс (USB или SPI) чаще опрашивать микроконтроллеру. Скорость опроса трансивера nanoPAN на пару порядков более медленная [1], но иногда, когда не ожидаются данные из USB, приходится реализовывать именно такой режим: постоянно опрашивать трансивер, затрачивая на цикл более 100 мкс, и лишь изредка проверять состояние контроллера USB.

Все подпрограммы микроконтроллера были созданы на аппаратно-независимом языке (Си), часть из них может быть переведена на аппаратно-зависимый язык (Ассемблер AVR), что приведет к небольшому увеличению скорости передачи. Применение более быстрого, чем ATmega32L, микроконтроллера, использование аппаратных прерываний для отказа от программного опроса готовности, а также передача данных длинными (более 128 байт) кадрами позволит достигнуть скоростей, близких к битовым в каналах радиопередачи (проблема уже обсуждалась в публикациях [1, 4]).

 

Заключение

Разработанная технология и модули могут быть использованы не только для передачи потоков данных между двумя компьютерами и в сетях датчиков, но и, например, для создания анализатора беспроводного трафика в сети nanoNET, необходимость в котором часто возникает при выявлении проблем с ка чеством связи и конфликтов. Дело в том, что существующие до настоящего времени USB-радиомодули производства компании Nanotron Technologies не позволяли передавать на компьютер, а затем обрабатывать весь сетевой трафик. Ограничением была именно низкая пропускная способность канала между трансивером и компьютером. Разработка встроенного программного обеспечения, использующего режим promiscuous, позволит в ближайшей перспективе создать такой анализатор на базе созданных USB-радиомодулей.


Благодарности

Данное исследование проведено в рамках проекта «Научно-образовательный центр по фундаментальным проблемам приложений физики низкотемпературной плазмы» (RUX0-013-PZ-06), поддерживаемого Министерством образования и науки РФ, Американским фондом гражданских исследований и развития (CRDF) и Правительством Республики Карелия, а также частично финансировалось Техническим Научно-исследовательским Центром Финляндии (VTT) в рамках договорных работ.

Литература
  1. Мощевикин А. П. Исследование скорости передачи данных в беспроводных сетях nanoNET // Беспроводные технологии. 2006. № 3.
  2. Жиганов Е. Д., Красков С. Е., Мощевикин А. П. Исследование условий применимости приемопередатчиков стандарта nanoNET в беспроводных сетях датчиков // Беспроводные технологии. 2007. № 1, 2.
  3. Жиганов Е. Д., Мощевикин А. П. Аппаратная коррекция ошибок (FEC) в сетях стандарта nanoNET (IEEE 802.15.4a) // Беспроводные технологии. 2007. № 3.
  4. Мощевикин А. П., Чухарев А. Л. Передача длинных кадров в сетях стандарта nanoNET (IEEE 802.15.4a) // Беспроводные технологии. 2007. № 3.
  5. Жиганов Е. Д., Мощевикин А. П. Беспроводные сети датчиков на основе технологии nanoNET // Информационные технологии. 2007. № 11.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

سكس عربي مصري مجاني sexauskunft.net سكسحر unblurred hentai nicehentai.com omega hentai chinki sex renklipornoo.net village naked dance hot x porn video hindipornsite.com heather jayne nude huge dick comics streamhentai.net hentai msngs
قصص وصور سكس wiwiuku.com مشاهدة أفلام سكس ラブホテル完全盗撮 浮気ドキュメント 禁断の関係 javshare.info とらぶるだいありー brawling go 132 hentaika.org all the way through futa www.indiansexmms pornhindivideo.com ftv hot live 福岡 風俗 図鑑 javwhores.mobi 日本で一番黒いgカップグラドルの絶倫性欲でハメ撮りsexしまくった日常を記録
x videos american fucktube24.com sex odia video 完全拘束イラマチオ 3 あべみかこ javpussy.net 300maan-316 xnxx miya khalifa indianpornsearch.com www.tamil sex videos どエロイ女のムチムチ肉感!ふにゃふにゃ星人 羽生ありさ freejavstreaming.net 生意気j○妹プリ尻挑発 telugu outdoor sex hindipornmovies.org mehreen kaur pirzada