基于IEEE802.15.4的无线USB系统设计——MAC层功能设计与实现

摘要

在如今的网络时代，随着有线网络的大量应用，以高效快捷，组网灵活为优势的无线网络技术也在高速发展。在这种环境下，大量无线终端也随之诞生，这些以传感器和远程控制为代表的无线应用不需要较高的传输带宽，而需要较低的传输延时和极低的功率消耗，使用户能拥有较长的电池寿命和较多的器件阵列。最近几年流行的蓝牙技术[1]不是一种符合传感器和低端面向控制等简单应用的专用标准，它需要高性能的处理器和额外的ROM或FLASH来处理组网带来的大量额外开销，同时伴随着较高的功耗，但鼠标、键盘、游戏手柄和耳机等设备并不需要复杂的网络，相反，这些设备需要的是简单、快捷、廉价的点到点或点到多点通信[2]。基于802.15.4的低速无线USB技术(Wireless USB LS)结合了USB技术即插即用的优点，恰好适用于对电脑外设地组网，廉价高效，是无线人机接口系统的理想解决方案。应用该技术对电脑外设进行无线组网，能大大减少个人电脑周围的电缆，净化桌面环境。 本文将首先说明无线USB的相关背景、特点及本课题的研究内容。随后的第二章和第三章会分析无线USB的体系结构以及它与USB技术的结合。本课题系统采用的协议体系和该体系中自定义的介质访问控制(MAC)协议将会在第四章中介绍。第五章是本文的重点，这章将详细叙述整个系统的实现方案，它包括了主、从端MAC层的工作流程和状态机，以及系统功能的伪代码实现。随后的第六章将给出系统的开发测试平台和测试的结果。系统的测试主要依赖于示波器和硬件仿真，以及测试USB数据流的软件Bushound,它们将验证系统的实际功能是否达到了设计标准。接受测试的功能包括了设备的入网和退网，主从端有保证时隙通信，USB数据处理和人机接口设备的实际使用。 在全面地了解了系统性能要求的基础上，本文自顶向下地设计了整个系统的协议体系和介质访问控制(MAC)层的功能，并对系统进行了合理的模块划分。随后设计了主、从端MAC层的工作流程，状态转移机制。在这种前提下，给出了包括入网，数据处理，主从端同步等一系列功能的具体实现方案和伪代码。最后下载到自主开发的硬件平台上进行实物验证。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图目录及表目录和缩略词表

独创性声明及关于论文使用授权的说明

第一章绪论

1.1无线USB的发展现状

1.2无线USB的设计目标和技术特点

1.3无线USB的传输速度

1.4本课题的研究内容

第二章无线USB体系结构概述

2.1无线网络协议与无线USB

2.1.1 Bluetooth(蓝牙)

2.1.2 IEEE802.11.x

2.1.3 IEEE802.15.4和低速无线USB

2.1.4超宽带(UWB)和验证无线USB(Certified Wireless USB)

2.2 IEEE802.15.4协议栈

2.2.1物理层(PHY)

2.2.2介质访问控制亚层(MAC Sublayer)

2.2.3特定服务汇聚子层(SSCS)

2.2.4超帧(Superframe)

2.3低速无线USB系统网络拓扑结构

2.4小结

第三章无线传输协议与USB技术的结合

3.1 USB系统的端点(Endpoint)、接口(Interface)和配置(Configuration)

3.2 USB的传输类型

3.3 USB的标准请求

3.4 USB设备描述符

3.5无线USB系统实现方案概述

3.6小结

第四章低速无线USB系统的协议体系和帧结构设计

4.1低速无线USB系统的协议体系

4.1.1 PHY层

4.1.2 MAC层

4.1.3 APP层

4.2低速无线USB系统MAC层帧结构设计

4.2.1超帧

4.2.2信标帧(Beacon Frame)

4.2.3设备帧(Device Frame)

4.2.4命令帧(Command Frame)

4.3小结

第五章低速无线USB系统MAC层功能的实现

5.1系统协议的通信模型

5.2 MAC层工作流程设计

5.3 MAC层的状态转移图

5.3.1主端MAC层的状态转移图

5.3.2从端MAC层的状态转移图

5.4 MAC层功能的实现

5.4.1建立信标(Beacon)

5.4.2入网与退网

5.4.3处理和维持有保证时隙(GTS)数据传输机制

5.4.4从端与主端的同步

5.5 MAC层与其它各层的接口

5.5.1主端MAC层与PHY层的接口

5.5.2主端MAC层与APP层(USB固件驱动)的接口

5.5.3从端MAC层与PHY层的接口

5.5.4从端MAC层与APP层(HID数据采集模块)的接口

5.6小结

第六章低速无线USB系统MAC协议功能验证与测试

6.1低速无线USB系统的开发测试平台

6.1.1低速无线USB系统的核心器件

6.1.2低速无线USB系统的结构框图

6.1.3低速无线USB系统的软件开发和测试工具

6.2低速无线USB系统MAC层功能验证与测试

6.2.1测试的对象和目的

6.2.2测试方法

6.2.3测试结果

6.2.4测试结论

6.3小结

第七章总结与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间的研究成果

附录Ⅰ低速无线USB实物照片