嵌入式無(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)探究

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摘要：本文基本嵌入式技術(shù)構(gòu)建了無(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)終端，大致實(shí)現(xiàn)了框架式設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)嵌入式無(wú)線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，初步形成了一個(gè)對(duì)硬件資源要求低、運(yùn)行效率高的基于嵌入式技術(shù)的無(wú)線通用系統(tǒng)框架。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；無(wú)線通信；通信系統(tǒng)

隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及與迅猛發(fā)展，越來(lái)越多的要求嵌入式終端設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)，以實(shí)現(xiàn)信息共享和遠(yuǎn)程控制。當(dāng)今，嵌入式設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化已進(jìn)入了以Internet為標(biāo)志的時(shí)代，成為研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)。嵌入式系統(tǒng)是以各種微控制器軟件為技術(shù)核心，具有高度技術(shù)特異性的新型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。它已廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化、各種電子應(yīng)用和高級(jí)電子產(chǎn)品以及移動(dòng)通信終端。與目前傳統(tǒng)的通用移動(dòng)計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)相比，嵌入式操作系統(tǒng)硬件專用性更突出，硬件配置要求低，功能相對(duì)簡(jiǎn)單，而且其實(shí)際數(shù)據(jù)處理效率也相對(duì)較高。

1嵌入式移動(dòng)通信系統(tǒng)的硬件要求

1.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，構(gòu)建基于嵌入式的移動(dòng)終端無(wú)線通信控制系統(tǒng)時(shí)，每個(gè)GPRS的移動(dòng)終端與卡的微控制器之間的模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換連接往往需要同時(shí)由MAX232模塊驅(qū)動(dòng)，主要原因是只有一個(gè)GPRS移動(dòng)終端直接由兩個(gè)基于卡的移動(dòng)模塊sima驅(qū)動(dòng)，而移動(dòng)模塊直接獲取的模擬信號(hào)只是一張卡的模擬信號(hào)，不能直接被卡的微控制器用于數(shù)據(jù)處理。由此它被設(shè)計(jì)成使用MAX232模塊直接將卡的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬數(shù)字信號(hào)，然后可以與基于微處理器的模擬I/O接口通信。此外，微控制器往往需要通過(guò)操作系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)控制單元等一系列外圍控制硬件和一套軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，即圖文顯示輸入操作系統(tǒng)、音頻輸入操作系統(tǒng)、鍵盤輸入操作系統(tǒng)等。

1.2GPRS通信模塊的選擇

作為嵌入式無(wú)線通信系統(tǒng)的核心，GPRS兩大模塊不僅可以為系統(tǒng)微控制器和芯片組從個(gè)人電腦到移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的接入提供底層的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸輸鏈路，也是本文嵌入式系統(tǒng)與移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)無(wú)線數(shù)據(jù)交換的重要橋梁[1]。為了充分保證網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)和視頻通信的高效率和新數(shù)據(jù)穩(wěn)定性，本文使用的主要模塊是由Cellon公司提供的cms91-90/1800通信支持模塊。該通信模塊同時(shí)提供gsm/cprs雙通道頻段之間的數(shù)據(jù)通信支持。同時(shí)，這個(gè)通信模塊是一個(gè)10級(jí)的通信模塊，所以它能提供比2級(jí)通信模塊或者4級(jí)通信模塊更高效的視頻數(shù)據(jù)傳輸和處理能力。此外，該控制模塊還具有系統(tǒng)功耗相對(duì)較低、體積非常小、接口簡(jiǎn)單、與第三方虛擬硬件網(wǎng)絡(luò)兼容性好的特點(diǎn)。

1.3微控制器芯片選擇

作為嵌入式無(wú)線移動(dòng)通信控制系統(tǒng)的核心控制硬件，微控制器處理芯片從小低端升級(jí)到中高端的方式有很多?？紤]到系統(tǒng)制造成本和系統(tǒng)功耗的問(wèn)題，本文主要選擇MicrochIP公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的PIC18F452芯片。作為一款8位無(wú)線低端微控制器芯片，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單。指令體系非常精細(xì)。雖然只有兩條運(yùn)行管線，但最高運(yùn)行數(shù)據(jù)頻率可直接達(dá)到10mpis，完全可以滿足通信系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)、高速運(yùn)行的需求。該核心芯片還包含一個(gè)硬件結(jié)構(gòu)，可以同時(shí)提供32kb應(yīng)用終端存儲(chǔ)和256b的EEP-ROM。除此之外，它還有88的硬件級(jí)倍增器，終端存儲(chǔ)資源也非常豐富。更重要的是，PIC18F452芯片組中還有許多其他外圍硬件模塊可以與其硬件相匹配，這使得該處理系統(tǒng)核心硬件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單。

2嵌入式無(wú)線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1軟件設(shè)計(jì)

合理的系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，其主要目的是保證嵌入式通信系統(tǒng)在現(xiàn)代無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其應(yīng)用中具有良好的系統(tǒng)穩(wěn)定性，從而充分發(fā)揮其基本功能和技術(shù)優(yōu)勢(shì)，從而滿足實(shí)際應(yīng)用需求。在實(shí)際設(shè)計(jì)和應(yīng)用過(guò)程中，設(shè)計(jì)操作人員要及時(shí)對(duì)睡眠系統(tǒng)進(jìn)行完善的設(shè)計(jì)分析和綜合設(shè)計(jì)，使睡眠系統(tǒng)每次自動(dòng)睡眠時(shí)盡可能降低系統(tǒng)的能耗，最終達(dá)到有效節(jié)能的設(shè)計(jì)目的[2]。同時(shí)，設(shè)計(jì)工程師可能還需要綜合考慮安全因素，如通信網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性、通信信號(hào)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)兼容性等。在無(wú)線通信系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的實(shí)際應(yīng)用中，嵌入式通信系統(tǒng)包括良好的射頻傳感耦合功能和gps耦合功能。在不斷研發(fā)和創(chuàng)新軟件設(shè)計(jì)應(yīng)用的過(guò)程中，優(yōu)化了傳統(tǒng)無(wú)線通信應(yīng)用系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)功能結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其軟件設(shè)計(jì)更符合當(dāng)前實(shí)際應(yīng)用需求。目前，企業(yè)軟件設(shè)計(jì)的主體應(yīng)主要包括以下兩個(gè)方面。2.1.1基于軟件的工作流優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)合當(dāng)前應(yīng)用端口的設(shè)計(jì)和系統(tǒng)初始化的實(shí)際應(yīng)用需求，對(duì)當(dāng)前的frram、flash等端口進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)，確保系統(tǒng)管理平臺(tái)的自動(dòng)化具有良好的軟件操作系統(tǒng)性能，能夠保證其在實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行管理過(guò)程中高效、流暢地傳輸系統(tǒng)信息和數(shù)據(jù)，從根本上避免了系統(tǒng)信息大量丟失的尷尬局面。2.1.2基于軟件的應(yīng)用指令集和執(zhí)行器的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)的內(nèi)容主要是為aarm7設(shè)計(jì)系統(tǒng)指令軟件。在實(shí)際的系統(tǒng)軟件運(yùn)行設(shè)計(jì)過(guò)程中，系統(tǒng)人員可以根據(jù)軟件設(shè)計(jì)的各種指令要求，有效地進(jìn)行各種操作[3]。

2.2操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

操作系統(tǒng)在嵌入式無(wú)線通信系統(tǒng)中一直扮演著系統(tǒng)管理員的角色。其主要目的是管理操作系統(tǒng)所有運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)資源，進(jìn)而為系統(tǒng)創(chuàng)造良好的穩(wěn)定性和運(yùn)行環(huán)境，環(huán)境在通信操作系統(tǒng)的正常運(yùn)行中，以當(dāng)前的通信模塊軟件作為輸出介質(zhì)，發(fā)揮其輸出本身的基本功能，保證無(wú)線通信操作系統(tǒng)的整體穩(wěn)定正常運(yùn)行。在實(shí)際操作過(guò)程中，操作系統(tǒng)不僅能為您創(chuàng)造良好的多任務(wù)、多用戶的系統(tǒng)運(yùn)行管理環(huán)境和工作條件，還能達(dá)到最終用戶友好的應(yīng)用目的。以Linux等操作系統(tǒng)應(yīng)用為例，在系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，可以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)分時(shí)操作，充分發(fā)揮和突出嵌入式系統(tǒng)創(chuàng)新的應(yīng)用特性，如良好的系統(tǒng)擴(kuò)展應(yīng)用功能、開(kāi)放的操作系統(tǒng)應(yīng)用源代碼等。此外，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況，可以對(duì)操作系統(tǒng)應(yīng)用程序進(jìn)行合理設(shè)計(jì)和改進(jìn)，加強(qiáng)創(chuàng)新功能的綜合集成，滿足未來(lái)人們對(duì)移動(dòng)通信信息服務(wù)更豐富的應(yīng)用需求。目前，Linux無(wú)線操作系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用廣泛的主要原因是操作系統(tǒng)具備良好的網(wǎng)絡(luò)支持和管理功能，如協(xié)議管理支持、文件管理支持、設(shè)備管理支持等。使當(dāng)前無(wú)線通信信息技術(shù)的應(yīng)用服務(wù)覆蓋范圍得以合理擴(kuò)展，以滿足信息時(shí)代快速發(fā)展的應(yīng)用需求。當(dāng)前，在嵌入式操作系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中，要充分保證其具有完善的面向用戶的應(yīng)用，充分利用用戶應(yīng)用的固有功能，設(shè)計(jì)合理的操作系統(tǒng)架構(gòu)，從而不斷提升專為嵌入式操作系統(tǒng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的整體應(yīng)用性能。

3嵌入式無(wú)線通信系統(tǒng)的協(xié)議框架設(shè)計(jì)

3.1框架設(shè)計(jì)思想

目前傳統(tǒng)的嵌入式操作系統(tǒng)本身對(duì)軟件、硬件和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議資源的實(shí)時(shí)集成性能要求不高，本文選擇的操作系統(tǒng)軟硬件是基于降低系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)成本的一些原因考慮的，性能不是很強(qiáng)。因此，在設(shè)計(jì)快速實(shí)現(xiàn)大規(guī)模通用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)，面對(duì)一些系統(tǒng)性能密切相關(guān)的大規(guī)模通用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議應(yīng)用集群，如t/tcp/IP，往往需要在削減系統(tǒng)性能控制的同時(shí)，簡(jiǎn)化成本控制，從而有效滿足整個(gè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)成本優(yōu)化需求。構(gòu)建一個(gè)好的嵌入式系統(tǒng)、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線通信系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系、基礎(chǔ)通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議框架、設(shè)計(jì)框架、基礎(chǔ)協(xié)議設(shè)計(jì)框架，主要內(nèi)容如下：（1）不僅要求用戶在硬件資源有限、移動(dòng)操作系統(tǒng)占用較高的情況下，完全滿足基礎(chǔ)操作系統(tǒng)軟件性能測(cè)試條件的要求，而且用戶可以方便、直接地進(jìn)行系統(tǒng)性能測(cè)試，無(wú)需其他移動(dòng)操作管理系統(tǒng)上軟件資源的支持；（2）基本視圖代碼的可移植性和通用性比較高；（3）需要能夠直接支持各種類型uml狀態(tài)機(jī)的基礎(chǔ)系統(tǒng)視圖代碼技術(shù)；（4）用戶需要能夠根據(jù)狀態(tài)機(jī)的各種類型的uml基本系統(tǒng)視圖代碼格式，方便直接地編寫基本視圖代碼的編程邏輯結(jié)構(gòu)[4]。

3.2嵌入式網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧設(shè)計(jì)

根據(jù)上述模型框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思想，并參考下面的tcp/IP設(shè)計(jì)模型，進(jìn)行了人式-free系統(tǒng)中模擬嵌入式tcp/IP模型協(xié)議棧結(jié)構(gòu)的框架設(shè)計(jì)。協(xié)議棧的內(nèi)部模塊接口層和中間接口并不是完全直接用全局函數(shù)標(biāo)志封裝的，而是直接用全局函數(shù)和變量消息組成緩沖區(qū)，然后添加全局函數(shù)標(biāo)志和變量來(lái)設(shè)計(jì)的。之所以選擇這種設(shè)計(jì)方法，是為了有效克服傳統(tǒng)嵌入式人式-free操作系統(tǒng)內(nèi)存資源有限的技術(shù)缺陷。編寫每個(gè)內(nèi)存模塊的所有代碼的基本技術(shù)要求是使用簡(jiǎn)化的內(nèi)存，同時(shí)每個(gè)內(nèi)存模塊都要合理固化后存儲(chǔ)。所有模塊至少需要占用5m的內(nèi)存空間[5]。同時(shí)，由于本文系統(tǒng)協(xié)議棧的整體設(shè)計(jì)完全是通過(guò)將其設(shè)計(jì)與系統(tǒng)框架棧的設(shè)計(jì)和運(yùn)行思路以及各種模塊化軟件設(shè)計(jì)和運(yùn)行模式相結(jié)合來(lái)完成的，其可擴(kuò)展性得到了充分的保證，并且可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求隨時(shí)隨地對(duì)相關(guān)功能進(jìn)行優(yōu)化和擴(kuò)展，使用方便性強(qiáng)?；诂F(xiàn)代軟件開(kāi)發(fā)工程設(shè)計(jì)思想的軟件框架設(shè)計(jì)模式清晰、準(zhǔn)確地反映了嵌入人式移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的軟件開(kāi)發(fā)中狀態(tài)機(jī)基本狀態(tài)之間的嵌套和層次關(guān)系。將原來(lái)嵌套在人式移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中的oouml狀態(tài)流程圖自動(dòng)可視化為人式網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的軟件實(shí)現(xiàn)過(guò)程代碼，規(guī)范了軟件開(kāi)發(fā)工作流程，提高了軟件開(kāi)發(fā)工作效率。

4嵌入式系統(tǒng)中無(wú)線數(shù)據(jù)通信的主要技術(shù)

研究中采用的關(guān)鍵技術(shù)主要包括GPRS終端的硬件電路設(shè)計(jì)、基于GPRS的通信協(xié)議設(shè)計(jì)和基于Linux操作系統(tǒng)的終端應(yīng)用程序設(shè)計(jì)。GPRS終端的硬件電路設(shè)計(jì)包括微處理器、閃存和串行通信模塊的選擇以及它們之間的連接。需要考慮存儲(chǔ)在程序存儲(chǔ)器中的信息，微處理器采用的指令集，以及通信模塊的各種技術(shù)指標(biāo)，如傳輸速率等。通信協(xié)議的基本設(shè)計(jì)和應(yīng)用是本文的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。GPRS通信技術(shù)的建設(shè)是現(xiàn)代移動(dòng)通信協(xié)議技術(shù)與IP技術(shù)相結(jié)合的必然產(chǎn)物。在移動(dòng)傳輸和通信過(guò)程中，數(shù)據(jù)需要遵循tcp/IP通信協(xié)議。中心終端和服務(wù)器客戶端有固定的IP協(xié)議地址，而被監(jiān)控終端的IP地址是浮動(dòng)的[6]。因此，通信協(xié)議的設(shè)計(jì)是基于GPRS移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。中心數(shù)據(jù)服務(wù)器端數(shù)據(jù)應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)可以使用visualc等可視化軟件編程語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)，提供簡(jiǎn)單的可視化操作界面，使用戶可以直觀、方便、快捷地從遠(yuǎn)程中心數(shù)據(jù)終端了解實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪\(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)與viGPRS數(shù)據(jù)終端的實(shí)時(shí)通信。具體硬件處理功能為：主要研究arm7系列終端微處理器核心芯片的硬件指令，以完成一個(gè)bootloader系列功能；主要建立跨系統(tǒng)編譯軟件開(kāi)發(fā)工作環(huán)境，在基于arm7內(nèi)核的硬件平臺(tái)上移植Linux系列操作系統(tǒng)，并對(duì)其硬件配置進(jìn)行交叉編譯。

5結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，我國(guó)在發(fā)展嵌入式無(wú)線通信系統(tǒng)的過(guò)程上還有很長(zhǎng)的道路要走，在對(duì)嵌入式無(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員要充分結(jié)合當(dāng)前實(shí)際技術(shù)要求，提出更加完善的總體設(shè)計(jì)技術(shù)目標(biāo)，靈活組合和突出通信系統(tǒng)應(yīng)具備的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，持續(xù)積極開(kāi)展技術(shù)創(chuàng)新和推廣應(yīng)用，通過(guò)有效的理論實(shí)踐，全面穩(wěn)步提升我國(guó)無(wú)線通信信息技術(shù)的設(shè)計(jì)質(zhì)量和應(yīng)用水平，突出現(xiàn)代嵌入式通信系統(tǒng)對(duì)我國(guó)無(wú)線通信信息技術(shù)發(fā)展的重要引領(lǐng)作用和積極意義，促進(jìn)通信產(chǎn)業(yè)穩(wěn)定健康發(fā)展[7]。

作者:牟云飛 單位:泰山科技學(xué)院