嵌入式WiFi技術(shù)

目前，IEEE802.11無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)標準在語(yǔ)音通信、無(wú)線(xiàn)辦公等領(lǐng)域廣泛應用，但主要還是局限在PC機、筆記本電腦等通用平臺的無(wú)線(xiàn)通信。無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)在信息家電、工業(yè)控制、移動(dòng)手持設備等嵌入式環(huán)境中的應用需求日益增多。如何在嵌入式系統中整合WLAN寬帶通信，成為嵌入式系統應用中的一個(gè)熱點(diǎn)。

1 IEEE802.11b無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)

IEEE802.11系列包括IEEE802.11、IEEE802.11a、IEEE802.1lb、IEEE802.1lg四個(gè)標準?，F階段IEEE802.11b的產(chǎn)品比較多。本文主要針對IEEE802．1lb標準，介紹嵌入式WiFi的實(shí)現。

IEEE802.11b標準是在IEEE802.11的基礎上發(fā)展起來(lái)的，工作在2.4 GHz頻段，采用CCK調制技術(shù)，最高傳輸率能夠達到11Mbps，具有部署方便、通信可靠、抗干擾能力強、成本低、靈活性好、移動(dòng)性強、高吞吐量等特點(diǎn)。它使得無(wú)線(xiàn)用戶(hù)可以得到以太網(wǎng)級的網(wǎng)絡(luò )性能、速率和可用性，并且可以無(wú)縫地將多種LAN技術(shù)集成起來(lái)，形成一種能夠最大限度地滿(mǎn)足用戶(hù)需求的網(wǎng)絡(luò )。WiFi是Wireless

Fidelity的縮寫(xiě)，專(zhuān)指IEEE802.11b無(wú)線(xiàn)標準。在介紹IEEE802.11b的工作模式之前，首先介紹幾個(gè)基本的概念。

1.1 IEEE802.11b基本概念

STA是指接入無(wú)線(xiàn)媒介的部分，常被稱(chēng)為網(wǎng)絡(luò )適配器或者網(wǎng)絡(luò )接口卡。STA可以是移動(dòng)的，也可以是固定的。每個(gè)STA都支持鑒權(authentication)，取消鑒權(deauthentication)，加密和數據傳輸等。

基本服務(wù)集BSS(Basic Service

Set)是IEEES02.11b

局域網(wǎng)的基本構成單元，基本服務(wù)集中可以包含多個(gè)STA。BSS基本服務(wù)集都有一個(gè)覆蓋范圍。在該覆蓋范圍內基本服務(wù)集的成員STA可以保持相互通信，每個(gè)BSS有一個(gè)基本服務(wù)集識別碼BSSID。

獨立的基本服務(wù)集IBSS(Independent

BSS)是最基本的IEEE802.11b局域網(wǎng)類(lèi)型，一個(gè)最小的IEEE802.11b局域網(wǎng)可以?xún)H僅包含兩個(gè)STA。在這種模式下，STA能夠直接通信。因為這種類(lèi)型的IEEES02.11b局域網(wǎng)通常在需要的時(shí)候才安排，所以這種網(wǎng)絡(luò )工作模式通常被稱(chēng)為ad

hoc(拉丁語(yǔ)，可譯為“自組網(wǎng)”)模式。站點(diǎn)(STA)與基本服務(wù)集(BSS)之間的相互關(guān)系嵌態(tài)的，STA可以自由地開(kāi)機、關(guān)機、進(jìn)入或離開(kāi)BSS覆蓋范圍。

DSS(Distribution System

Service)，用于連接多個(gè)BSS。由于物理層覆蓋范圍的限制決定了所能支持的STA與STA之間的直接通信距離。為了解決這個(gè)問(wèn)題，引入DS(Distribution

System)，它可以把多個(gè)BSS構成一個(gè)擴展的網(wǎng)絡(luò )。

AP是Access

Point簡(jiǎn)稱(chēng)，一般翻譯為“無(wú)線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)節點(diǎn)”或“橋接器”。主要在媒介訪(fǎng)問(wèn)控制層MAC中扮演無(wú)線(xiàn)工作站及有線(xiàn)局域網(wǎng)絡(luò )的橋梁。

ESS(Extended

Service

Set)，DS和多個(gè)BSS允許IEEE802.11構成一個(gè)任意大小和復雜的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。IEEE802.11b把這種網(wǎng)絡(luò )稱(chēng)為擴展服務(wù)集網(wǎng)絡(luò )。同樣，ESS也有一個(gè)標識的名稱(chēng)，即ESSID。

1.2 IEEE802.11b的工作模式

IEEE

802．1lb有兩種工作模式：Ad-hoe和Infra―structure模式。IEEE標準以獨立的基本服務(wù)集(IBSS)來(lái)定義Ad-hoc模式工作的客戶(hù)端集合，以基本服務(wù)集(BSS)定義以Infrastructure模式工作的客戶(hù)端集合。

在A(yíng)d-hoc模式中，客戶(hù)端不能直接和網(wǎng)絡(luò )外其他的客戶(hù)端通信。Ad-hoc模式的設計目的是使在同一個(gè)頻譜覆蓋范圍內的客戶(hù)間能夠互相通信。如果一個(gè)Ad―hoc網(wǎng)絡(luò )模式中的客戶(hù)想要和該網(wǎng)絡(luò )外的客戶(hù)通信，則該網(wǎng)絡(luò )中必須有一個(gè)客戶(hù)做網(wǎng)關(guān)并執行路由功能。

而在Infrastructure模式中，每一個(gè)客戶(hù)將其通信報文發(fā)向AP.AP轉發(fā)所有的通信報文。這些報文可以是發(fā)往以太網(wǎng)的，也可以是發(fā)往無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的。這是一種整合以太網(wǎng)和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )架構的應用模式。無(wú)線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)節點(diǎn)負責頻段管理及漫游等指揮工作。一個(gè)AP最多可連接1024個(gè)站點(diǎn)。

2 嵌入式WiFi的設計

嵌入式WiFi的結構與標準PC／OS平臺上的實(shí)現有所不同。要在普通的微處理器／微控制器上實(shí)現WiFi通信，其硬件結構、軟件層次都必須進(jìn)行裁減。下面以Prism

MAC為例說(shuō)明嵌入式WiFi的軟、硬件設計。

2.1 嵌入式WiFi的硬件設計

嵌入式環(huán)境中WiFi的硬件接口如圖1所示。與標準平臺相比，中間沒(méi)有PCMCIA橋。圖1是嵌入式環(huán)境中的PC2MCIA接口的網(wǎng)卡與總線(xiàn)開(kāi)放MCU的連接。

由于Prism

MAC包括Memory space和I／O memory兩個(gè)空間，所以需要兩個(gè)片選通過(guò)或門(mén)控制讀寫(xiě)空間的選擇。PCMCIA封裝的Prism

MAC有26根地址線(xiàn)，驅動(dòng)Prism

MAC僅僅需要地址線(xiàn)A0～A9，其他地址線(xiàn)全部接地。對于總線(xiàn)不開(kāi)放的處理器，可以使用I/O口線(xiàn)模擬的方式進(jìn)行讀寫(xiě)。

2.2嵌入式WiFi的軟件設計

在WinCE、Linux等操作系統環(huán)境下，可以使用廠(chǎng)家提供的設備驅動(dòng)來(lái)使用WiFi網(wǎng)卡。這種系統一般對硬件資源(如CPU性能、存儲器容量等)有較高的要求。對于許多嵌入式應用，由于硬件資源的限制，很多系統都在簡(jiǎn)單OS(如uC／0S等)或無(wú)0S的環(huán)境下運行，這時(shí)就需要對整個(gè)軟件協(xié)議作適當的裁減。圖2是嵌入式WiFi的軟件結構。

圖2中，TCP／IP協(xié)議的實(shí)現在許多文章中已經(jīng)有較多的講述。這里主要以Prism MAC為例，介紹無(wú)限網(wǎng)絡(luò )驅動(dòng)，即嵌入式WiFi的驅動(dòng)。

Prism MAC提供給用戶(hù)一組接口寄存器，通過(guò)這些寄存器和Prism MAC進(jìn)行通信。這些寄存器位于A(yíng)ttribute

Memory[2]空間中，可以使用AttribLlte Memory地址直接訪(fǎng)問(wèn)。表1列出了PRISM MAC的常用寄存器及其定義。