嵌入式無線接入系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 引言

現(xiàn)在各行業(yè)對(duì)無線通信的需求愈來愈多，能夠無線接入Internet 網(wǎng)絡(luò)是最重要的需求之一。隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)也正在迅速、廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、服務(wù)業(yè)和消費(fèi)電子業(yè)。XSCALE 微架構(gòu)應(yīng)用處理器，是 Intel公司為新一代無線應(yīng)用產(chǎn)品開發(fā)的嵌入式處理器。CDMA 1X無線通信網(wǎng)絡(luò)，引入了高速分組數(shù)據(jù)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(chǔ),CDMA 1X 能提供153.6 kb/s 的數(shù)據(jù)速率。CDMA （Code Division Multiple I Access）無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)已分別在美國、韓國、中國和中國香港等區(qū)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子公司等世界大公司都進(jìn)行了CDMA 系統(tǒng)的研發(fā)。

嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)多采用模塊化的思想，首先在開發(fā)板上進(jìn)行，然后根據(jù)實(shí)際性能再進(jìn)一步開發(fā)。XSBase是一款基于英特爾XSCALE PXA255處理器的高端嵌入式設(shè)備開發(fā)平臺(tái)，該平臺(tái)支持嵌入式設(shè)備的軟硬件開發(fā)，我們?cè)谠撈脚_(tái)上開發(fā)實(shí)現(xiàn)了以Intel　XSCALE PXA255 高性能嵌入式處理器為核心硬件平臺(tái)，以嵌入式Linux為操作系統(tǒng)，以CDMA 1X無線通信模塊YCIG-CCMG1X800為核心通信單元、支持寬帶無線網(wǎng)絡(luò)CDMA 1X 的嵌入式無線通信接入系統(tǒng)。

2 嵌入式無線通信終端系統(tǒng)總體描述

我們所設(shè)計(jì)的嵌入式無線通信終端系統(tǒng)，是一種移動(dòng)無線通信接入系統(tǒng)，它在整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)中的位置示意如圖1，它能夠無線接入當(dāng)前已經(jīng)遍布全國的CDMA 1X無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)，也可以通過CDMA 1X無線網(wǎng)絡(luò)接入Internet或者PSTN（Public Switched Telephone Network）。該無線通信終端系統(tǒng)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(tǒng)，具有低功耗和便于移動(dòng)攜帶的特點(diǎn)。

圖1 嵌入式無線通信終端系統(tǒng)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 嵌入式無線通信終端系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

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

3.1 嵌入式微處理器

嵌入式系統(tǒng)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(duì)實(shí)時(shí)多任務(wù)有很強(qiáng)的支持能力，能完成多任務(wù)并且有較短的中斷響應(yīng)時(shí)間；嵌入式微處理器功耗很低，尤其是用于便攜式的無線及移動(dòng)的計(jì)算和通信設(shè)備。XSCALE PXA 255 就是一種高性能（主頻400MHz）低功耗的ARM架構(gòu)的嵌入式微處理器，它的主要特性如下：采用7/8級(jí)流水線；支持多媒體處理技術(shù);指令快存（I-Cache32KB）；數(shù)據(jù)快存(D―Cache32KB)，可重構(gòu)為28KB片內(nèi)RAM;指令存儲(chǔ)器管理單元I―MMU;動(dòng)態(tài)電源管理功能。目前，根據(jù)系統(tǒng)工作環(huán)境的要求我們選用了Intel XSCALE PXA 255。

圖2 嵌入式無線通信終端系統(tǒng)終端硬件構(gòu)成

3.2 無線通信模塊

無線通信模塊的是建立無線通信鏈路，接入CDMA 1X無線網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，我們選用的CDMA 1X無線通信模塊是YCIG-CCMG1X800，該通信模塊的結(jié)構(gòu)如圖3。

YCIG-CCMG1X800是CDMA 1X RTT（Radio Transmission Technology）無線通信模塊之一，能夠適用于多種無線終端設(shè)備。支持R-UIM卡，模塊允許應(yīng)用軟件開發(fā),支持開放AT命令集。它與處理器通過標(biāo)準(zhǔn)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線通信模塊。

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

圖3 通信模塊的結(jié)構(gòu)框圖

3.3 存儲(chǔ)器

為了滿足數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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類似的接口訪問Flash存儲(chǔ)器。

3.4 顯示單元

PXA255處理器內(nèi)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(shù)據(jù)傳輸?shù)絃CD控制器的內(nèi)部，然后經(jīng)過處理，輸出數(shù)據(jù)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(duì)定位系統(tǒng)，一般分為四個(gè)基本類型：電阻式觸摸屏、電容式觸摸屏、紅外線式觸摸屏和聲表面式觸摸屏；我們?cè)O(shè)計(jì)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(shè)計(jì)，輸入＋5V輸出3V和穩(wěn)定的5V分別供給通信模塊使用和處理器使用，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)中加入了多級(jí)穩(wěn)壓電路和高精度低功耗CMOS線性調(diào)壓電路，它起到電源管理的作用，電源管理芯片是MIC5219，具有過熱和過流保護(hù)功能，工作額定電流能達(dá)到150mA，適合了我們的系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要。

4 通信模塊硬件接口設(shè)計(jì)

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?cè)O(shè)計(jì)了全功能的UART(通用接收/發(fā)送器)即FFUART，UART具有Modem控制腳，允許通過軟件控制數(shù)據(jù)流，UART可執(zhí)行串行/并行轉(zhuǎn)換，處理器可讀出UART的各種狀態(tài)，F(xiàn)FUART支持Modem控制功能。CDMA 1X無線通信模塊在功能上可映射為無線Modem，這樣PXA 255就能夠很方便實(shí)現(xiàn)對(duì)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(zhuǎn)換芯片SP3238,實(shí)現(xiàn)兩者之間RS-232接口的電平轉(zhuǎn)換，PXA 255與CDMA 1X的接口設(shè)計(jì)框圖如圖4。

圖4 PXA 255與CDMA 1X通信模塊接口

5 軟件流程設(shè)計(jì)

嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)部分主要包括操作系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)程序，應(yīng)用程序。操作系統(tǒng)我們選用Redhat9.0版本進(jìn)行定制裁減，驅(qū)動(dòng)程序主要是串行口驅(qū)動(dòng)，應(yīng)用程序主要是撥號(hào)程序。開發(fā)這些軟件要根據(jù)嵌入式開發(fā)流程來建立開發(fā)環(huán)境。

5.1 軟件開發(fā)環(huán)境建立

基于嵌入式Linux開發(fā)環(huán)境一般由目標(biāo)系統(tǒng)硬件開發(fā)板和裝有Linux桌面版的主機(jī)平臺(tái)PC組成。我們這里用的是Redhat9.0的版本。目標(biāo)系統(tǒng)硬件開發(fā)板用來運(yùn)行嵌入式操作系統(tǒng)Linux、用戶系統(tǒng)應(yīng)用程序等，而主機(jī)平臺(tái)用來嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核編譯，文件系統(tǒng)的制作和系統(tǒng)應(yīng)用程序開發(fā)和調(diào)試等。雙方通過串口、并口或者以太網(wǎng)口等建立連接關(guān)系。

圖5.1 系統(tǒng)工作執(zhí)行流程圖

5.2 系統(tǒng)工作執(zhí)行流程圖

系統(tǒng)工作開始工作時(shí)，執(zhí)行流程如圖5.1所示，首先通過供電單元提供的電源進(jìn)行系統(tǒng)上電，接著啟動(dòng)Bootloader，然后開始加載嵌入式Linux的系統(tǒng)內(nèi)核，接下來進(jìn)行外設(shè)模塊的初始化進(jìn)程，在存儲(chǔ)單元準(zhǔn)備就緒后，初始化次序?yàn)轱@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無線通信模塊，如果外設(shè)未初始化成功，將重新進(jìn)行初始化，成功后準(zhǔn)備接入無線網(wǎng)絡(luò)；開始加載網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（Point-To-Point Protocol、TCP/IP），加載成功后運(yùn)行用戶應(yīng)用程序，系統(tǒng)使用結(jié)束后，關(guān)閉主程序，系統(tǒng)執(zhí)行結(jié)束。

圖5.2 無線接入網(wǎng)絡(luò)流程

該無線通信終端接入Internet后，就能夠進(jìn)行通過互聯(lián)網(wǎng)承載的應(yīng)用。無線接入網(wǎng)絡(luò)的流程如圖5.2所示。系統(tǒng)啟動(dòng)，操作系統(tǒng)載入后，首先初始化CDMA 1X無線模塊，進(jìn)行端口終端設(shè)置和波特率設(shè)置，波特率一般設(shè)置為115200bps；模塊初始化完畢后，進(jìn)入撥號(hào)等待狀態(tài)，因?yàn)樵摕o線通信終端在功能上映射為無線Modem，所以登陸網(wǎng)絡(luò)需要進(jìn)行撥號(hào)連接，接入號(hào)是＃777，用戶名和密碼均為card，啟動(dòng)撥號(hào)程序后，確認(rèn)是否撥號(hào)成功，如果成功撥號(hào)，則調(diào)用Internet服務(wù)程序，如網(wǎng)絡(luò)瀏覽器、用戶應(yīng)用程序等；最后使用Internet結(jié)束后，關(guān)閉無線連接。

5.4 串口驅(qū)動(dòng)分析

Linux操作系統(tǒng)對(duì)串口提供了很好的支持，嵌入式Linux也保留了這些功能。我們?cè)O(shè)計(jì)串口應(yīng)用時(shí)，進(jìn)行的串口操作主要是：設(shè)置串口、打開和關(guān)閉串口以及讀寫串口（收、發(fā)數(shù)據(jù)）；最基本的設(shè)置串口包括波特率設(shè)置，效驗(yàn)位和停止位設(shè)置。在驅(qū)動(dòng)代碼開發(fā)時(shí)，需要定義一些結(jié)構(gòu)體，用它來實(shí)現(xiàn)上層抽象操作和底層具體操作的聯(lián)系，它應(yīng)該包括串口初始化函數(shù)、打開函數(shù)、關(guān)閉函數(shù)、接受函數(shù)、發(fā)送函數(shù)；編寫驅(qū)動(dòng)代碼就是實(shí)現(xiàn)這些函數(shù)。

6 結(jié)束語

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)已應(yīng)用到具體項(xiàng)目之中,在網(wǎng)絡(luò)性能良好的狀況下,能達(dá)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，使得該無線接入系統(tǒng)，能夠接入Internet網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)多種應(yīng)用，如遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸、無線監(jiān)控等。隨著無線通信技術(shù)領(lǐng)域和用戶市場(chǎng)的不斷發(fā)展，無線通信終端接入系統(tǒng)在交通路況監(jiān)控、林業(yè)森林養(yǎng)護(hù)、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸、遠(yuǎn)程圖像傳輸?shù)确矫鎸?huì)有更大的前景。

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