1.1 功能需求

功能需求明确了设计的硬件系统所具备的功能，明确了功能就可以针对要完成的功能选择不同厂家的芯片来实现所需功能。硬件系统常见的功能需求有：供电方式及防护、输入与输出信号类别及处理、无线通信功能等。

1.1.1 供电方式及防护

需要确定硬件系统的供电是采用内置电源板直接从市电供电还是采用外置直流稳压电源供电。采用内置电源板供电，一般需要单独设计开关电源板，针对不同的应用行业开关电源的设计规格不同，需要根据不同的行业标准进行设计。采用外置直流稳压电源供电，能够简化硬件系统电源部分的设计，但需要一个外置的电源。

有些工控类设备或医疗设备需要采用PoE（Power Over Ethernet）供电。PoE指的是在现有的以太网Cat.5布线基础架构不做任何改动的情况下，在为一些基于IP的终端（如IP电话机、无线局域网接入点AP、网络摄像等）传输数据信号的同时，还能为此类设备提供直流供电的技术。PoE技术能在确保现有结构化布线安全的同时保证现有网络的正常运作，最大限度地降低成本。IEEE 802.3af（输出电压为44～57V，输出功率为15.4W）成为首个PoE供电标准，它规定了以太网供电标准，是现在PoE应用的主流实现标准。IEEE802.3at（输出电压为50～57V，输出功率为25.5W）应大功率终端的需求而诞生，在兼容802.3af的基础上，提供更大的供电需求，以满足新的需求。

有些工控类设备或医疗设备要求一部分功能电路的失效不会影响到整个硬件系统的稳定运转，因此对于此类需求的硬件系统需要设计彼此隔离的供电和输入/输出电路模块。对各部分电路的供电可以选用不同规格的电源隔离 IC，对各部分电路的数据输入/输出可以采用数据通信隔离IC。

1.1.2 输入与输出信号类别

硬件与软件的交互完成对信号的处理，硬件的健壮是系统稳定运行的基础，软件赋予产品智能。在硬件系统的需求分析中，需要根据硬件系统所要处理的输入信号及输出信号来选定硬件设计的主方案及外围器件。例如，某医疗系统的中心控制器要求输入信号为外围12种医疗设备采集的数据，中心控制器对输入的信号进行处理后，把输出信号统一以Socket包的形式通过RJ45 以太网口发送到中心服务器，外围医疗设备的接口有USB接口形式TTL电平的UART口、USB接口和RS232串口。输入与输出信号类别的确定侧重于软件分析各接口协议的实现及各部分的有机组合，需要解释各输入/输出数据的类型，并逐项说明其媒体、格式、数据范围、精度和编码方式等。对于硬件系统的设计，需要根据设备输入与输出信号的接口类型和系统处理数据的能力来选定设计方案，并通过与软件系统设计方案的反复迭代来选定硬件的设计平台。

1.1.3 无线通信功能

在进行硬件系统设计时，需要确定该系统的应用领域，确定该系统是否需要具备无线通信功能。在工控类和消费类电子领域，按照通信协议，目前的无线通信方式有：3G无线通信（移动最新推出4G LTE通信技术）、GPRS、WiFi、ZigBee、Bluetooth、IrDA、NFC、UWB、CSS和RFID。在进行产品设计方案选型时，需要根据硬件系统无线通信的方式进行设计选型。

1．3G无线通信

3G无线通信的方式有中国移动的 TD-SCDMA、中国联通的 WCDMA 和中国电信的CDMA2000。采用运营商提供的网络进行无线通信，通信速率快、信号质量高，能够保证通信的质量，节省组网的开支，但是需要提供额外的使用费用。目前在工控类、消费类电子领域采用3G无线通信方式的产品主要有3G手机、3G车载硬盘录像机、3G车载摄像机、行业应用3G平板电脑等。该类产品和技术方案提供商有华为海思科技、中兴、浙江大华、海康卫视、山东卡尔电气等。

2．GPRS

GPRS是通用分组无线服务技术（General Packet Radio Service）的简称，它是GSM移动电话用户可用的一种移动数据业务。GPRS可以说是GSM的延续。GPRS和以往连续在信道传输的方式不同，是以封包（Packet）方式来传输的，因此使用者所负担的费用以其传输资料的单位计算，并非使用其整个信道，理论上较为便宜。GPRS的传输速率可提升至56～114Kbps。

在产品开发中，一般都采用成熟的GPRS模块，GPRS模块的通信接口一般都采用RS232 COM口，在硬件系统设计中为GPRS模块预留一个RS232串口就可以了，GPRS通信软件的开发依据串口通信方式进行。

3．WiFi

WiFi（Wireless Fidelity）即IEEE802.11x，是一种可以将个人电脑、手持设备（如PDA、手机）等终端以无线方式互相连接的技术。WiFi提供无线局域网的接入，是目前WLAN的主要技术标准。随着智能手机和平板电脑的普及，WiFi的应用越来越广，WLAN具备的便携性解决了用户最后100m的通信需求。WiFi制定了协议的物理层（PHY）和媒体接入控制层（MAC），并以TCP/IP作为网络层。

1999年，IEEE 802.11a标准制定完成，该标准规定无线局域网工作频段在5.15～5.825GHz，数据传输速率达到54Mbps/72Mbps（Turbo）。同年9月，IEEE 802.11b被正式批准，该标准规定无线局域网工作频段在2.4～2.4835GHz，数据传输速率达到11Mbps。该标准是对IEEE 802.11的一个补充，采用点对点模式和基本模式两种运作模式，在数据传输速率方面可以根据实际情况在11Mbps、5.5Mbps、2Mbps和1Mbps的不同速率间自动切换，并且在2Mbps和1Mbps速率时与802.11兼容。802.11b使用直接序列（Direct Sequence）DSSS作为协议。802.11b和工作在5GHz频率上的802.11a标准不兼容。由于价格低廉，802.11b产品已经被广泛地投入市场，并在许多实际的工作场所运行。

2003年推出IEEE802.11g，IEEE的802.11g标准是对流行的802.11b（即WiFi标准）的提速（速度从802.11b的11Mbps提高到54Mbps）。802.11g接入点支持802.11b和802.11g客户设备。

2009年9月11日，802.11n无线标准获得IEEE标准委员会的正式批准。在传输速率方面，802.11n可以将WLAN的传输速率由目前802.11a及802.11g提供的54Mbps，提高到300Mbps甚至600Mbps，得益于将MIMO（多入多出）与OFDM（正交频分复用）技术相结合而应用的MIMO OFDM技术，提高了无线传输质量，也使传输速率得到极大提升。在覆盖范围方面，802.11n采用智能天线技术，通过多组独立天线组成的天线阵列，可以动态调整波束，保证让WLAN用户接收到稳定的信号，并减少其他信号的干扰，因此其覆盖范围可以扩大到数平方千米，使WLAN的移动性大为提高。在兼容性方面，802.11n采用了一种软件无线电技术，它是一个完全可编程的硬件平台，使得不同系统的基站和终端都可以通过这一平台的不同软件实现互通和兼容，这使得WLAN的兼容性得到极大改善。这意味着WLAN将不但能实现802.11n向前后兼容，而且可以实现WLAN与无线广域网的结合，如3G。

目前最新的802.11ac是在802.11a标准之上建立起来的，包括将使用802.11a的5GHz频段。802.11ac每个通道的工作频宽将由802.11n的40MHz，提升到80MHz甚至160MHz，再加上大约10%的实际频率调制效率提升，最终理论传输速度将由802.11n最高的600Mbps跃升至1Gbps。当然，实际传输率可能在300～400Mbps之间，接近目前802.11n实际传输率的3倍（目前802.11n无线路由器的实际传输率为75～150Mbps），完全可以在一条信道上同时传输多路压缩视频流。

目前WiFi产品和方案提供商主要有Broadcom、Atheros、D-Link、Airgo、Bermai、杰尔系统、思科、Intel等。Broadcom是全球第一个使用802.11ac技术的芯片厂商，目前使用5G芯片的品牌有苹果的iPhone4、iPhone4s、iPhone5和iPhone5S，三星的GALAXY S4，HTC one，小米手机2S、小米手机3和小米TV，腾达11ac千兆无线路由器W1800R等。

4．ZigBee

ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的无线网络协议，具备低功耗、低成本、低速率、近距离、短时延、高容量、高安全和免执照频段的特点。ZigBee协议从下到上分别为物理层（PHY）、媒体访问控制层（MAC）、传输层（TL）、网络层（NWK）、应用层（APL）等。其中，物理层和媒体访问控制层遵循IEEE 802.15.4标准的规定。

ZigBee的应用领域主要包括工业控制、家庭和楼宇网络、商业、公共场所、农业控制及医疗等。

目前比较有竞争力的ZigBee解决方案主要有Freescale MC1319X平台、TI cc2530平台、Ember EM250ZigBee系统晶片及EM260网络处理器和Jennic的JN5121芯片。对于ZigBee技术，可以向国内ZigBee技术解决方案提供商参考学习：无线龙、RF-Star、MXCHIP和斯凯科技等。

5．Bluetooth

Bluetooth是一种支持设备短距离通信（一般在10m内）的无线电技术，由爱立信公司在1994年进行研发，能在包括移动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑和相关外设等众多设备之间进行无线信息交换，工作在全球通用的2.4GHz ISM（即工业、科学、医学）频段。其数据速率为1Mbps，采用时分双工传输方案实现全双工传输。Bluetooth无线通信技术在手机、便携式计算机、汽车、立体声耳机和MP3播放器等多种设备上得到了广泛应用。

目前提供Bluetooth解决方案的厂商有Broadcom、CSR（Cambridge Silicon Radio）、Infineon、TI、Silicon Ware、NXP、Ericsson、Mitel、Philsar等。Broadcom提供的第三方驱动比较多；CSR于2014年10月15日被美国Qualcomm公司收购，其蓝牙解决方案将会占据更大的市场份额。

6．IrDA

IrDA是红外数据组织（Infrared Data Association）的简称，目前广泛采用的IrDA红外连接技术就是由该组织提出的，IrDA已经制定出物理介质和协议层规格，以及两个支持IrDA标准的设备可以相互监测对方并交换数据。初始的IrDA1.0标准制定了一个串行、半双工的同步系统，传输速率为2.4Kbps到115.2Kbps，传输范围为1m，传输半角度为15°到30°。最近IrDA扩展了其物理层规格使数据传输率提升到4Mbps。PXA27x就使用了这种扩展了的物理层规格。IrDA数据协议由物理层、链路接入层和链路管理层三个基本层协议组成。另外，为满足各层上的应用需要，IrDA栈支持IrLAP、IrLMP、IrIAS、IrIAP、IrLPT、IrCOMM、IrOBEX和IrLAN等。

目前，IrDA通信机制在TV、3D眼镜和IrDA接口的键盘、鼠标等设备的控制或通信方面得到了广泛的应用。

IrDA编解码IC及收发器供应商有TI、Atmel、NXP、VISHAY、Sharp Microelectronics、Everlight Electronics、台湾HL、Holtek Semiconductor等。

7．NFC

NFC（Near Field Communication）近距离无线通信技术是由Philips和Sony共同开发的一种工作在13.56MHz频段的非接触式识别和互连技术，可以在移动设备、消费类电子产品、PC 和智能控件工具间进行近距离无线通信。NFC通信技术由RFID及互连互通技术整合演变而来，在单一芯片上结合感应式读卡器、感应式卡片和点对点的功能，能在短距离内与兼容设备进行识别和数据交换。NFC的传输距离大约为10cm，传输速度目前为106Kbps、212Kbps或424Kbps。目前NFC的成员有Sony、Philips、LG、NXP、NEC、Samsung、Atoam、Intel、华为、中兴、上海同耀、台湾正隆、OPPO、魅族等。

目前内置NFC功能的设备以手机为主，也有不少平板电脑和蓝牙音频设备内置了NFC功能。例如，Nokia的Lumia系列，HTC的 One X、One M7、Butterfly，Samsung的Galaxy系列，SONY的Xperia系列，Blackberry的Z10、Q10，Google的Nexus7，ASUS的Fonepad2，小米3、vivo的Xplay等。

NFC芯片解决方案提供商有NXP、ST、Broadcom、Infineon、Qualcomm、Renesas等。

8．UWB

UWB（Ultra Wide Band）是一种无载波通信技术，利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。通过在较宽的频谱上传送极低频率的信号，UWB能在10m左右的范围内实现每秒数百兆比特至数吉比特的数据传输速率。UWB技术具有抗干扰性强、传输速率高、系统容量大和发送功率小的特点。

UWB标准化的工作还没有完成，一些技术问题仍需要不断完善，但它可能成为新一代WLAN和WPAN的技术基础，从而实现超高速宽带无线接入。

9．CSS

CSS（Chirp Spread Spectrum）即线性调频扩频技术。这种技术以前主要用于脉冲压缩雷达，能够很好地解决冲击雷达系统测距长度和测距精度不能同时优化的矛盾，因此国内外的研究一直局限在雷达领域。近年来，随着IEEE将CSS技术列为802.15.4a技术标准的底层实现方式之一，该项技术在通信领域的应用才逐渐受到关注。

CSS无线通信技术在实现物联网系统的定位开发中，因其定位精度高、工作稳定可靠等优点在仓储、楼宇、安防、老人防护、监狱、煤矿和工业厂矿的定位中得到了广泛应用。

CSS定位基于TOA、TDOA时间机制，采用SDS-TWR的测量方法，获取双向传输的时间，进而获取节点距离。CSS基于SDS-TWR算法的距离测量原理 [1] 如图1-1所示。

CSS基于时间测量机制，在测量精度为3～4ns的情况下，无线电检测精度将达到1～1.2m。在实际使用中，由于前端多路径到达波检测和时间偏差等原因影响，误差可以控制在1～3m；在测量距离上，0dBm时可以达到100m最大传输距离，且只要信号到达，就可以利用信号测距。

CSS芯片解决方案主要是德国的Nanotron NLSG0501A系列，基于该芯片的定位系统在矿井人员定位中得到了广泛应用。

10．RFID

RFID（Radio Frequency Identification）射频识别技术又称无线射频识别，是一种通信技术，可通过无线电信号识别特定目标并读写相关数据，而无须识别系统与特定目标之间建立某种物理连接。常用的通信频段有低频（125～134.2kHz）、高频（13.56MHz）、超高频（433MHz、915MHz）和微波频段等。

运用RFID技术的产品可分为三大类：无源RFID产品、有源RFID产品及半有源RFID产品。无源RFID产品的主要工作频率有低频125kHz、超高频433MHz和915MHz，属于近距离接触式识别类，如二代身份证、公交卡、餐卡和银行卡等。有源RFID产品具有远距离自动识别的特性，在远距离自动识别领域，如智能交通、智能停车场等领域有重大应用，有源RFID的主要工作频率有超高频433MHz、微波2.45GHz和5.8GHz。半有源RFID产品结合了有源RFID和无源RFID产品的优势，在低频125kHz频率的触发下，让微波2.45GHz发挥优势，在近距离利用低频进行精确定位，在远距离利用微波频段进行识别和数据上传。

RFID的工作原理是射频标签进入磁场后，接收射频读卡器发出的射频信号，依赖感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的信息（Passive Tag，无源或被动标签）或由射频标签主动发送某一频率的信号（Active Tag，有源标签或主动标签），解读器读取信息并解码后，送到读卡器中进行相关的数据处理。

由于WiFi、ZigBee、CSS等在室内定位精度的局限性，基于RFID及WiFi、ZigBee、CSS等的混合定位技术在养老院、医院等室内定位精度要求高的场所得到了广泛应用。

采用WiFi-RFID的养老院无线局域网实时定位系统网络拓扑结构如图1-2所示。老人的人员信息存储在定位标签中，AP 负责读取电子标签中的人员信息，并通过已有的WiFi网络，将数据传送到控制中心进行处理。

采用ZigBee-RFID的矿井作业人员无线局域网实时定位系统网络拓扑结构如图1-3所示。矿井作业人员的信息存储在头盔中的RFID定位标签中，网关负责读取RFID定位标签中的人员信息，并通过ZigBee网络传输到控制中心，进行数据的进一步处理。在本案例中，ZigBee网络负责传输RFID采集的定位信息、矿井作业人员佩戴的腕表采集的人体生命体征数据及环境数据，有效利用了ZigBee网络数据通信的低功耗及RFID的精确定位机制。