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1、基于 ARM 的嵌入式无线 AP 的设计 杨 健 陈永泰 （武汉理工大学信息工程学院，武汉 430070） 摘摘 要：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：关键词：无线 AP，ARM7TDMI，ATMEL AT76C510，IEEE802.11b Design of wireless AP based on ARM Processor YANG Jian CHEN Yong-tai (School of Information Engine
2、ering ,WUT ,Wuhan 430070,China) Abstract：This paper describes the principle of wireless AP and the ARM7TDMI MCU AT76C510,then presents an WLAN AP designed plan based on IEEE802.11b and uClinux. The security and the present mechanism in WLAN are introduced. Keyword：Wireless AP，ARM7TDMI，ATMEL AT76C510
3、，IEEE802.11b 一一、无线接入点的基本原理 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
4、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.帧格式和从 802.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
5、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。 二、二、IEEE802.11b 主要特点主要特点 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
6、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
7、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h t t p :/w w w .e l e c f a n s .c o m 电子发烧友 h t t p :/b b s .e l e c f a n s .c o m 电子技术论坛点扩增时，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。 三、无线三、无线 AP 的设计的设计 采
8、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
9、 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
10、，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，
11、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
12、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。 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 0.1F 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
13、电流环路等方法来减少 EMI。 h t t p :/w w w .e l e c f a n s .c o m 电子发烧友 h t t p :/b b s .e l e c f a n s .c o m 电子技术论坛图一 无线 AP 电路图 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。 有线端口接收 无
14、线端口接收 802.3 帧 802.11 帧 N Y 结束 图二 AP 的功能模块流程图 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开始 初始化 AP管理模块初始化有线端口接收？ 无线端口接收？侦听有线和无线端口桥接 功能模块移动管理 功能模块AP 是否结束？h t t p :/w w w .e l e c f a n s .c o m 电子发烧友 h t t p :/b b s .e l e c f a n s .c o m 电子技术论坛是 Linux 是一个分支，专为无 MMU 的处理器设计，它继承了 Linux 强大
15、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/includ
16、e/asm-armnommu/arch-atmel/hardware.h linux-2.4.x/arch/armnommu/config.in 图二为 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。 四、安全性四、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
