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基于ARM的嵌入式无线AP的设计 |
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作者：武汉理工大学 杨健 陈永泰 |
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摘要：本文首先介绍了无线AP的基本原理，然后重点描述基于AT76C510的无线AP的硬件设计及嵌入式系统uClinux。最后对IEEE802.11b的安全性进行分析。
关键词：无线AP；ARM7TDMI；ATMEL AT76C510；IEEE802.11b
1 无线接入点的基本原理
WLAN包括无线网卡和接入点（Access Point）。无线网卡安装在移动终端上，用来访问AP。无线网卡带有发送器、接收器、天线和提供与无线终端接口的硬件。AP是一个桥接的无线基站，放置于固定位置并可连接到有线局域网。AP带有发送器、接收器、天线和桥接器，带有与IEEE802.3以太网的接口，可以让无线终端同有线局域网通信。
无线局域网利用电磁波在空气中发送和接收数据，而无需线缆介质。无线局域网的数据传输速率现在已经能达到11Mbit/s，传输距离可远至20km以上。
宽带无线IP接入是指在基于无线计算网络的基础上，为在子网间漫游的移动终端提供无缝的、高速的、透明的接入服务。实现这个目标，不但需要上层漫游软件的支持，更需要无线接入网中接入服务的建设。而无线局域网作为实现这一目标的主要系统之一，倍受人们关注。无线接入点AP(Access Point)是实现无线局域网移动功能的关键部分。
在无线局域网中，AP所实现的功能包括：对小区内移动终端的管理，例如登录、认证；完成IEEE802.11中入口的功能，实现从802.11到802.Ｘ帧格式和从802.Ｘ到802.11帧格式的转换；完成数据帧从无线网络到有线网络的桥接过程，实现地址过滤以及地址的学习功能；完成移动终端在不同BSS间越区切换的管理以及移动终端与Internet的兼容，使移动终端在越区切换后仍可以保持连接，做到“操作透明性”和“性能透明性”；实现简单网管功能；完成WEP算法。
2 IEEE802.11b主要特点
IEEE802.11b协议规定WLAN工作在2.4GHz的ISM频段，广泛用于工业和民用产品。
(1)物理层：直接序列扩频技术(DSSS)，补偿码键控(CCK)调制；
(2)MAC层：载波监听多路访问/冲突避免(CSMA/CA)协议；
(3)安全性：内置式鉴定，基于RC4的流加密算法；
(4)频段：2.4GHz(工业、科学和医疗ISM波段) ；
(5)速率：最大数据传输速率11Mb/s ，射频差时降为 5.5Mb/s ，2Mb/s ；
(6)业务：3 个非重叠信道，传输数据、图像；
(7)范围：室内100m，室外300m左右。
802.11b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。只要PC插上无线网卡即可与另一具有无线网卡的PC连接，对于小型的无线网络来说，是一种方便的连接方式，最多可连接256台PC。而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802.11b最常用的方式。此时，插上无线网卡的PC需要由接入点与另一台PC连接。接入点负责频段管理及漫游等指挥工作，一个接入点最多可连接1024台PC（无线网卡）。当无线网络节点扩增时，网络存取速度会随着范围扩大和节点的增加而变慢，此时添加接入点可以有效控制和管理频宽与频段。无线网络需要与有线网络互连，或无线网络节点需要连接和存取有线网的资源和服务器时，接入点可以作为无线网和有线网之间的桥梁。
3 无线AP的设计
采用ATMEL公司的AT76C510的单芯片IEEE802.11b基带控制器，芯片内部集成两个ARM7TDMI微处理器，一个微处理器提供以太网和无线网的桥接功能； 另一个微处理器和内部的128位FIFO用于无线MAC层。运用微处理器，芯片可以精确的控制外围器件，管理存储器和数据流并和 USB扩展接口通讯。
芯片特性如下：
·集成支持11MbpsIEEE 802.11b和MAC协议标准
·芯片支持最新的安全保密协议802.1x、TKIP等
·支持64/128位WEP加密协议
·PAI支持DSSS和FHSS
·实时加密、解密功能
·标准MII接口支持10/100Mbps以太网
·支持1M、2M、5.5M和11Mbps的自动传输速率选择
·采用PQFP 封装，128只引脚，内核电压3.3V
在RFMD第一代的解決方案里，除了PA之外还必须再使用3个芯片，第二代的单芯片方案已将这3个芯片做了高度的整合，RF2958为整合的单芯片射频收发器，再加上适当的PA就能组成一个完整的无线网络的802.11b的射频模块。RF2472为2.4G低噪声放大器， RF5117是26dB增益，输出饱和功率30dBm，效率25%的后级功率放大器， 855898 374MHz SAW 滤波器。从接收路径进来，GS信号先设定第一级VGA的增益，再经由芯片内部两个相差180度的本地振荡通过混频器降到374MHz的中频，接着由SAW filter滤波，进入第二级VGA再降频到基频信号送到基频处理器。在发射路径部分，也是同样的架构频率一直升到2.4GHz的载波。在灵敏度方面，当数据传输速率为11Mbps時，可以达到-85dBm以下，且AGC的动态范围高达70dB以上。在发射方面EVM小于7%且发射功率可调制到20dBm以上。
Realtek公司的RTL8201是一款快速以太网物理层收发器。它与MAC层有标准的MII(媒介独立接口)接口，支持10/100Mbps操作，支持半双工/全双工操作，支持IEEE802.3/802.3u协议，支持节电模式，支持重发模式。
FLASH为AT29C020，具有2M位的存储空间，分成1024个分区，每一分区有256个字节。从AT29C020中读取数据与E2PROM的操作相似，再编程能力是以每一分区为单位的，256字节的数据装入AT29C020的同时完成编程。在一个再编程周期里，存储单元的寻址和256字节数据通过内部锁存可释放地址和数据总线，这样可为其他操作提供地址和数据总线。编程周期开始，AT29C020会自动擦除分区的内容，然后对锁存的数据在定时器的作用下进行编程。编程周期的结束是通过查询I/O7的有效时实现的，一旦编程周期结束，就可开始一个新的读或编程操作。IC61LV5128为4M高速异步512Kx8bit 3.3V SRAM。电路原理图见图一。
图2 AP的功能模块流程图
印刷电路板（PCB）采用4层板，设计过程中，应遵循高频电路的设计和布线基本原则。在器件的电源和地之间加上0.1μF的电容，滤除高频噪声的影响。对电源使用电源层或加宽电源线的方式降低噪声，提高系统的稳定性。布线采用45°角或弧线走线，尽可能少用过孔，减少串绕。对RF电路加上金属屏蔽，防止干扰。同类型信号线应成组、平行分布。通过屏蔽、滤波、消除电流环路等方法来减少EMI。
软件平台由以下部分组成：系统引导程序、嵌入式操作系统内核、文件系统。系统引导程序称为bootloader，代码量虽少，但是作用非常大，相当于PC上的BIOS，负责将操作系统内核固化到Flash中和系统初始化工作，然后将系统控制权交给操作系统。嵌入式操作系统内核是嵌入式系统加电运行后的管理平台，负责实时性任务和多任务的管理。
ARM7TDMI是一款没有MMU的处理器，因此采用uCLinux作为本系统的操作系统内核。uCLinux是Linux是一个分支，专为无MMU的处理器设计，它继承了Linux强大的网络功能和多任务管理功能，并对内存管理和进程管理进行了改写，满足无MMU处理器的开发要求。uCLinux提供TCP/IP、UDP等协议栈和网络驱动器驱动。文件系统是嵌入式系统软件平台占用存储量最大的一部分，也是与用户开发最相关的一部分。它存储了系统配置文件、系统程序、用户应用程序和必需的驱动程序。通过JTAG口，将内核和文件系统的映像文件烧写到指定的Flash位置上；移植uClinux 到硬件上，需要修改和硬件、启动相关的文件：
linux-2.4.x/arch/armnommu/boot/compressed/head.s
linux-2.4.x/include/asm-armnommu/arch-atmel/hardware.h
linux-2.4.x/arch/armnommu/config.in
图2为AP的功能模块流程图。将设备驱动添加到uClinux内核中。uClinux通过设备文件来提供应用程序和设备驱动的接口，应用程序通过调用标准的文件操作函数来打开、关闭、读取和控制设备。
4 安全性
IEEE802.11标准主要应用三项安全技术来保障WLAN的数据传输安全：
一是SSID（Service Set Identifier）技术，它可以将一个WLAN分为几个需要不同身份验证的子网络，每一个子网络都需要独立的身份验证，只有通过身份验证的用户才可以进入相应的子网络，防止未被授权的用户进入本网络；
二是MAC（Media Access Control）技术，它可在WLAN的每一个接入点设置一个许可接入的用户的MAC地址清单，对于MAC地址不在清单中的用户，接入点将拒绝其接入请求；
三是WPA用瞬时密钥整体协议(TKIP)的增强型加密协议，增加对数据的加密，用新的加密算法以及用户认证，满足WLAN的安全需求。目前，这些技术已发展成熟。
参考文献：
[1]IEEE802.11无线局域网标准的网络性能比较与分析 韩旭东 今日电子 2004.2
[2]基于ARM 的嵌入式图像采集处理系统及其无线传输 姚聪 电子技术 2003.11
[3]无线局域网WLAN的网络安全分析 翟继强 电力信息化 2004.1
[4]ATMEL AT76C510 Datasheet
[5]一种基于MPC860的无线局域网接入点以太网接口研究 李伟征 东南大学学报 2004.3
[6]基于ARM-uClinux的开发简介 胡方强 电子器件 2003.12
[7]uClinux的设备驱动程序开发 陆宝辂 单片机与嵌入式系统应用2003.6
作者简介：
杨健（1978～）男 武汉理工大学 通信与信息系统 研究生 研究方向：网络通信；陈永泰（1953～）男 武汉理工大学 信息学院 研究生导师 副教授
联系电话：027-87299437
（430070 武汉理工大学信息工程学院287信箱）杨 健 陈永泰
(School of Information Engineering ，WUT ，Wuhan 430070，China) Yang，Jian Chen，Yongtai(end)
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(5/4/2005) |
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