嵌入式無線接入系統(tǒng)設計

1 引言

現(xiàn)在各行業(yè)對無線通信的需求愈來愈多，能夠無線接入Internet 網(wǎng)絡是最重要的需求之一。隨著信息技術的飛速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)也正在迅速、廣泛地應用于工業(yè)、服務業(yè)和消費電子業(yè)。XSCALE 微架構應用處理器，是 Intel公司為新一代無線應用產(chǎn)品開發(fā)的嵌入式處理器。CDMA 1X無線通信網(wǎng)絡，引入了高速分組數(shù)據(jù)業(yè)務和IP 技術, 為支持各種多媒體分組業(yè)務打下了基礎,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)板上進行，然后根據(jù)實際性能再進一步開發(fā)。XSBase是一款基于英特爾XSCALE PXA255處理器的高端嵌入式設備開發(fā)平臺，該平臺支持嵌入式設備的軟硬件開發(fā)，我們在該平臺上開發(fā)實現(xiàn)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(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

我們所設計的嵌入式無線通信終端系統(tǒng)，是一種移動無線通信接入系統(tǒng)，它在整個通信網(wǎng)絡中的位置示意如圖1，它能夠無線接入當前已經(jīng)遍布全國的CDMA 1X無線蜂窩網(wǎng)絡，也可以通過CDMA 1X無線網(wǎng)絡接入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攜帶的特點。

圖1 嵌入式無線通信終端系統(tǒng)在通信網(wǎng)絡中的位置

（注：MSC（Mobile Switching　Center）移動交換中心；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)的結構組成

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）、電源模塊以及擴展接口（GPIO）組成，通信終端系統(tǒng)硬件構成如圖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：對實時多任務有很強的支持能力，能完成多任務并且有較短的中斷響應時間；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；支持多媒體處理技術;指令快存（I-Cache32KB）；數(shù)據(jù)快存(D―Cache32KB)，可重構為28KB片內(nèi)RAM;指令存儲器管理單元I―MMU;動態(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)絡的基礎，我們選用的CDMA 1X無線通信模塊是YCIG-CCMG1X800，該通信模塊的結構如圖3。

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

（Clock Synthesizer：時鐘合成器；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

為了滿足數(shù)據(jù)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類似的接口訪問Flash存儲器。

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定位系統(tǒng)，一般分為四個基本類型：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(wěn)定的5V分別供給通信模塊使用和處理器使用，在系統(tǒng)設計實現(xiàn)中加入了多級穩(wěn)壓電路和高精度低功耗CMOS線性調壓電路，它起到電源管理的作用，電源管理芯片是MIC5219，具有過熱和過流保護功能，工作額定電流能達到150mA，適合了我們的系統(tǒng)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，允許通過軟件控制數(shù)據(jù)流，UART可執(zhí)行串行/并行轉換，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就能夠很方便實現(xiàn)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,實現(xiàn)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(tǒng)軟件設計部分主要包括操作系統(tǒng)，驅動程序，應用程序。操作系統(tǒng)我們選用Redhat9.0版本進行定制裁減，驅動程序主要是串行口驅動，應用程序主要是撥號程序。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)境一般由目標系統(tǒng)硬件開發(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(tǒng)硬件開發(fā)板用來運行嵌入式操作系統(tǒng)Linux、用戶系統(tǒng)應用程序等，而主機平臺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)應用程序開發(fā)和調試等。雙方通過串口、并口或者以太網(wǎng)口等建立連接關系。

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，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行系統(tǒng)上電，接著啟動Bootloader，然后開始加載嵌入式Linux的系統(tǒng)內(nèi)核，接下來進行外設模塊的初始化進程，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無線通信模塊，如果外設未初始化成功，將重新進行初始化，成功后準備接入無線網(wǎng)絡；開始加載網(wǎng)絡協(xié)議（Point-To-Point Protocol、TCP/IP），加載成功后運行用戶應用程序，系統(tǒng)使用結束后，關閉主程序，系統(tǒng)執(zhí)行結束。

圖5.2 無線接入網(wǎng)絡流程

該無線通信終端接入Internet后，就能夠進行通過互聯(lián)網(wǎng)承載的應用。無線接入網(wǎng)絡的流程如圖5.2所示。系統(tǒng)啟動，操作系統(tǒng)載入后，首先初始化CDMA 1X無線模塊，進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，進入撥號等待狀態(tài)，因為該無線通信終端在功能上映射為無線Modem，所以登陸網(wǎng)絡需要進行撥號連接，接入號是＃777，用戶名和密碼均為card，啟動撥號程序后，確認是否撥號成功，如果成功撥號，則調用Internet服務程序，如網(wǎng)絡瀏覽器、用戶應用程序等；最后使用Internet結束后，關閉無線連接。

5.4 串口驅動分析

Linux操作系統(tǒng)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，進行的串口操作主要是：設置串口、打開和關閉串口以及讀寫串口（收、發(fā)數(shù)據(jù)）；最基本的設置串口包括波特率設置，效驗位和停止位設置。在驅動代碼開發(fā)時，需要定義一些結構體，用它來實現(xiàn)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(shù)、打開函數(shù)、關閉函數(shù)、接受函數(shù)、發(fā)送函數(shù)；編寫驅動代碼就是實現(xiàn)這些函數(shù)。

6 結束語

該系統(tǒng)設計已應用到具體項目之中,在網(wǎng)絡性能良好的狀況下,能達到115200bps的網(wǎng)絡連接速率.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，從而實現(xiàn)多種應用，如遠程數(shù)據(jù)傳輸、無線監(jiān)控等。隨著無線通信技術領域和用戶市場的不斷發(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、工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸、遠程圖像傳輸?shù)确矫鎸懈蟮那熬啊?/P>

參考文獻:
[1]陳章龍，唐志強，涂時亮.嵌入式技術與系統(tǒng)-Intel XSCALE 結構與開發(fā).北京航空航天大學出版社,2004.1～17
[2]楊大成,等.cdma2000 1x 移動通信系統(tǒng).機械工業(yè)出版社,2003.47～55
[3]曹玲芝,石軍,任亞萍.無線通信在嵌入式系統(tǒng)中的應用[J].微計算機信息.2005,11-2:47-49
[4]Intel 公司.Intel(r) PXA255 Processor Developer's Manual.March,2003.30～35
[5]Qualcomm(r).MSM5100(tm) CHIPSET SOLUTION.2004
[6]Microchip公司. CMOS LDO with Shutdown and Reference Bypass data sheets.2002