嵌入式無(wú)線(xiàn)接入系統設計

1 引言

現在各行業(yè)對無(wú)線(xiàn)通信的需求愈來(lái)愈多，能夠無(wú)線(xiàn)接入Internet 網(wǎng)絡(luò )是最重要的需求之一。隨著(zhù)信息技術(shù)的飛速發(fā)展，嵌入式系統也正在迅速、廣泛地應用于工業(yè)、服務(wù)業(yè)和消費電子業(yè)。XSCALE 微架構應用處理器，是 Intel公司為新一代無(wú)線(xiàn)應用產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的嵌入式處理器。CDMA 1X無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )，引入了高速分組數據業(yè)務(wù)和IP 技術(shù), 為支持各種多媒體分組業(yè)務(wù)打下了基礎,CDMA 1X 能提供153.6 kb/s 的數據速率。CDMA （Code Division Multiple I Access）無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )系統已分別在美國、韓國、中國和中國香港等區域投入使用，取得了良好的網(wǎng)絡(luò )性能，美國高通、諾基亞公司、韓國三星公司、三洋電子公司和西門(mén)子公司等世界大公司都進(jìn)行了CDMA 系統的研發(fā)。

嵌入式系統的開(kāi)發(fā)多采用模塊化的思想，首先在開(kāi)發(fā)板上進(jìn)行，然后根據實(shí)際性能再進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。XSBase是一款基于英特爾XSCALE PXA255處理器的高端嵌入式設備開(kāi)發(fā)平臺，該平臺支持嵌入式設備的軟硬件開(kāi)發(fā)，我們在該平臺上開(kāi)發(fā)實(shí)現了以Intel　XSCALE PXA255 高性能嵌入式處理器為核心硬件平臺，以嵌入式Linux為操作系統，以CDMA 1X無(wú)線(xiàn)通信模塊YCIG-CCMG1X800為核心通信單元、支持寬帶無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )CDMA 1X 的嵌入式無(wú)線(xiàn)通信接入系統。

2 嵌入式無(wú)線(xiàn)通信終端系統總體描述

我們所設計的嵌入式無(wú)線(xiàn)通信終端系統，是一種移動(dòng)無(wú)線(xiàn)通信接入系統，它在整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò )中的位置示意如圖1，它能夠無(wú)線(xiàn)接入當前已經(jīng)遍布全國的CDMA 1X無(wú)線(xiàn)蜂窩網(wǎng)絡(luò )，也可以通過(guò)CDMA 1X無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )接入Internet或者PSTN（Public Switched Telephone Network）。該無(wú)線(xiàn)通信終端系統帶有高性能的嵌入式處理器，支持液晶屏顯示和嵌入式Linux操作系統，具有低功耗和便于移動(dòng)攜帶的特點(diǎn)。

圖1 嵌入式無(wú)線(xiàn)通信終端系統在通信網(wǎng)絡(luò )中的位置

（注：MSC（Mobile Switching　Center）移動(dòng)交換中心；BTS（Base Station）基站；IWF (Inter-Working Function) 互通功能。）

3 嵌入式無(wú)線(xiàn)通信終端系統的結構組成

嵌入式系統一般包括硬件和軟件兩部分，該嵌入式無(wú)線(xiàn)通信終端系統的硬件是由Intel XSCALE PXA 255 ARM架構嵌入式處理器（400MHz主頻）、CDMA 1X無(wú)線(xiàn)通信模塊YCIG-CCMG1X800、SDRAM（64Mbyte）、FLASH（32Mbyte）、6.4英寸TFT LCD液晶屏（真彩，分辨率640x480）、觸摸屏（四線(xiàn)電阻式）、電源模塊以及擴展接口（GPIO）組成，通信終端系統硬件構成如圖2所示。

3.1 嵌入式微處理器

嵌入式系統的核心是嵌入式微處理器，嵌入式微處理器一般就具備以下特點(diǎn)：對實(shí)時(shí)多任務(wù)有很強的支持能力，能完成多任務(wù)并且有較短的中斷響應時(shí)間；嵌入式微處理器功耗很低，尤其是用于便攜式的無(wú)線(xiàn)及移動(dòng)的計算和通信設備。XSCALE PXA 255 就是一種高性能（主頻400MHz）低功耗的ARM架構的嵌入式微處理器，它的主要特性如下：采用7/8級流水線(xiàn)；支持多媒體處理技術(shù);指令快存（I-Cache32KB）；數據快存(D―Cache32KB)，可重構為28KB片內RAM;指令存儲器管理單元I―MMU;動(dòng)態(tài)電源管理功能。目前，根據系統工作環(huán)境的要求我們選用了Intel XSCALE PXA 255。

圖2 嵌入式無(wú)線(xiàn)通信終端系統終端硬件構成

3.2 無(wú)線(xiàn)通信模塊

無(wú)線(xiàn)通信模塊的是建立無(wú)線(xiàn)通信鏈路，接入CDMA 1X無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的基礎，我們選用的CDMA 1X無(wú)線(xiàn)通信模塊是YCIG-CCMG1X800，該通信模塊的結構如圖3。

YCIG-CCMG1X800是CDMA 1X RTT（Radio Transmission Technology）無(wú)線(xiàn)通信模塊之一，能夠適用于多種無(wú)線(xiàn)終端設備。支持R-UIM卡，模塊允許應用軟件開(kāi)發(fā),支持開(kāi)放AT命令集。它與處理器通過(guò)標準RS-232接口相連接。該模塊能直接讀取UIM卡信息，帶有MODEM狀態(tài)指示燈，基于以上特性該模塊我們選用作為無(wú)線(xiàn)通信模塊。

（Clock Synthesizer：時(shí)鐘合成器；Duplex Filter：雙向濾波器；R-UIM Card: UIM 卡）

圖3 通信模塊的結構框圖

3.3 存儲器

為了滿(mǎn)足數據存儲的需要，我們采用了64M的SDRAM和32M的FLASH，PXA 255處理器可以與16位或32位異步SRAM接口。我們可以用與SRAM類(lèi)似的接口訪(fǎng)問(wèn)Flash存儲器。

3.4 顯示單元

PXA255處理器內部集成有LCD控制器，它提供了從處理器到Active（TFT）顯示屏的接口，LCD控制器的作用是將Frame Buffer里的數據傳輸到LCD控制器的內部，然后經(jīng)過(guò)處理，輸出數據到LCD的輸入引腳上。觸摸屏帶有觸摸屏控制芯片，觸摸屏控制芯片與PXA 255相連接。觸摸屏是一種透明的絕對定位系統，一般分為四個(gè)基本類(lèi)型：電阻式觸摸屏、電容式觸摸屏、紅外線(xiàn)式觸摸屏和聲表面式觸摸屏；我們設計使用的是電阻式觸摸屏。

3.4 電源單元

電源單元采用模塊化設計，輸入＋5V輸出3V和穩定的5V分別供給通信模塊使用和處理器使用，在系統設計實(shí)現中加入了多級穩壓電路和高精度低功耗CMOS線(xiàn)性調壓電路，它起到電源管理的作用，電源管理芯片是MIC5219，具有過(guò)熱和過(guò)流保護功能，工作額定電流能達到150mA，適合了我們的系統設計需要。

4 通信模塊硬件接口設計

串行通信是目前十分實(shí)用的通信方式之一，在通信模塊與處理器的硬件接口上，我們設計了全功能的UART(通用接收/發(fā)送器)即FFUART，UART具有Modem控制腳，允許通過(guò)軟件控制數據流，UART可執行串行/并行轉換，處理器可讀出UART的各種狀態(tài)，FFUART支持Modem控制功能。CDMA 1X無(wú)線(xiàn)通信模塊在功能上可映射為無(wú)線(xiàn)Modem，這樣PXA 255就能夠很方便實(shí)現對通信模塊的控制。CDMA 1X 通信模塊也具有全功能的UART，在它們之間使用串口轉換芯片SP3238,實(shí)現兩者之間RS-232接口的電平轉換，PXA 255與CDMA 1X的接口設計框圖如圖4。

圖4 PXA 255與CDMA 1X通信模塊接口

5 軟件流程設計

嵌入式系統軟件設計部分主要包括操作系統，驅動(dòng)程序，應用程序。操作系統我們選用Redhat9.0版本進(jìn)行定制裁減，驅動(dòng)程序主要是串行口驅動(dòng)，應用程序主要是撥號程序。開(kāi)發(fā)這些軟件要根據嵌入式開(kāi)發(fā)流程來(lái)建立開(kāi)發(fā)環(huán)境。

5.1 軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境建立

基于嵌入式Linux開(kāi)發(fā)環(huán)境一般由目標系統硬件開(kāi)發(fā)板和裝有Linux桌面版的主機平臺PC組成。我們這里用的是Redhat9.0的版本。目標系統硬件開(kāi)發(fā)板用來(lái)運行嵌入式操作系統Linux、用戶(hù)系統應用程序等，而主機平臺用來(lái)嵌入式操作系統內核編譯，文件系統的制作和系統應用程序開(kāi)發(fā)和調試等。雙方通過(guò)串口、并口或者以太網(wǎng)口等建立連接關(guān)系。

圖5.1 系統工作執行流程圖

5.2 系統工作執行流程圖

系統工作開(kāi)始工作時(shí)，執行流程如圖5.1所示，首先通過(guò)供電單元提供的電源進(jìn)行系統上電，接著(zhù)啟動(dòng)Bootloader，然后開(kāi)始加載嵌入式Linux的系統內核，接下來(lái)進(jìn)行外設模塊的初始化進(jìn)程，在存儲單元準備就緒后，初始化次序為顯示單元（觸摸屏/TFT/LCD 液晶顯示屏）、GPIO（通用輸入輸出接口）和CDMA 1X無(wú)線(xiàn)通信模塊，如果外設未初始化成功，將重新進(jìn)行初始化，成功后準備接入無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )；開(kāi)始加載網(wǎng)絡(luò )協(xié)議（Point-To-Point Protocol、TCP/IP），加載成功后運行用戶(hù)應用程序，系統使用結束后，關(guān)閉主程序，系統執行結束。

圖5.2 無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)絡(luò )流程

該無(wú)線(xiàn)通信終端接入Internet后，就能夠進(jìn)行通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)承載的應用。無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)絡(luò )的流程如圖5.2所示。系統啟動(dòng)，操作系統載入后，首先初始化CDMA 1X無(wú)線(xiàn)模塊，進(jìn)行端口終端設置和波特率設置，波特率一般設置為115200bps；模塊初始化完畢后，進(jìn)入撥號等待狀態(tài)，因為該無(wú)線(xiàn)通信終端在功能上映射為無(wú)線(xiàn)Modem，所以登陸網(wǎng)絡(luò )需要進(jìn)行撥號連接，接入號是＃777，用戶(hù)名和密碼均為card，啟動(dòng)撥號程序后，確認是否撥號成功，如果成功撥號，則調用Internet服務(wù)程序，如網(wǎng)絡(luò )瀏覽器、用戶(hù)應用程序等；最后使用Internet結束后，關(guān)閉無(wú)線(xiàn)連接。

5.4 串口驅動(dòng)分析

Linux操作系統對串口提供了很好的支持，嵌入式Linux也保留了這些功能。我們設計串口應用時(shí)，進(jìn)行的串口操作主要是：設置串口、打開(kāi)和關(guān)閉串口以及讀寫(xiě)串口（收、發(fā)數據）；最基本的設置串口包括波特率設置，效驗位和停止位設置。在驅動(dòng)代碼開(kāi)發(fā)時(shí)，需要定義一些結構體，用它來(lái)實(shí)現上層抽象操作和底層具體操作的聯(lián)系，它應該包括串口初始化函數、打開(kāi)函數、關(guān)閉函數、接受函數、發(fā)送函數；編寫(xiě)驅動(dòng)代碼就是實(shí)現這些函數。

6 結束語(yǔ)

該系統設計已應用到具體項目之中,在網(wǎng)絡(luò )性能良好的狀況下,能達到115200bps的網(wǎng)絡(luò )連接速率.由于采用了高性能低功耗嵌入式處理器XSCALE和CDMA 1X模塊，使得該無(wú)線(xiàn)接入系統，能夠接入Internet網(wǎng)絡(luò )，從而實(shí)現多種應用，如遠程數據傳輸、無(wú)線(xiàn)監控等。隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)領(lǐng)域和用戶(hù)市場(chǎng)的不斷發(fā)展，無(wú)線(xiàn)通信終端接入系統在交通路況監控、林業(yè)森林養護、工業(yè)現場(chǎng)數據傳輸、遠程圖像傳輸等方面將會(huì )有更大的前景。

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