基于ARM平臺(tái)無線預(yù)警分析儀的研究與設(shè)計(jì)

梁 平

新太科技股份有限公司，廣東廣州 510665

基于ARM平臺(tái)無線預(yù)警分析儀的研究與設(shè)計(jì)

梁 平

新太科技股份有限公司，廣東廣州 510665

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展，城市管理部門針對(duì)城市社會(huì)公共安全監(jiān)控及重大工程等預(yù)警的需求急劇增強(qiáng)。本文提出一種具有支持GSM語音通信、3G無線數(shù)據(jù)傳輸、GPS衛(wèi)星定位的手持預(yù)警分析儀的設(shè)計(jì)方法。通過該分析儀，還可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無線實(shí)時(shí)預(yù)警、通訊以及快速定位等功能，并提供了多方會(huì)商支持。

ARM平臺(tái)；無線；預(yù)警

0 引言

電子設(shè)備走向智能化、無線化的發(fā)展趨勢(shì)已是不爭(zhēng)的事實(shí)。物聯(lián)網(wǎng)代表了未來社會(huì)治安及重大工程安全監(jiān)測(cè)的方向，在軍事、民用等多方面具有廣發(fā)應(yīng)用前景，更是關(guān)系到公共安全、經(jīng)濟(jì)發(fā)展與社會(huì)穩(wěn)定的重大科技，是國(guó)家重點(diǎn)發(fā)展的科技項(xiàng)目[1]。隨著各種無線傳感網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的不斷投入，數(shù)據(jù)量日趨龐大，無線傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收發(fā)和分析能力亟待提高，要求越來越及時(shí)捕捉監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析并對(duì)危險(xiǎn)源進(jìn)行及時(shí)預(yù)警。因此，能夠便于無線接收數(shù)據(jù)并且24小時(shí)隨時(shí)提供實(shí)時(shí)分析預(yù)警分析設(shè)備收到廣泛關(guān)注[2]。

本文提出并設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種高集成度、低成本、高可靠性、能夠便于野外工作攜帶并且24小時(shí)隨時(shí)提供分析預(yù)警的掌上辦公設(shè)備。該終端采用目前成熟的的嵌入式系統(tǒng)解決方案，以高性能ARM處理器和嵌入式Linux操作系統(tǒng)為核心[3]，對(duì)多媒體信息終端進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

1 原理及設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)

分析儀由無線分析儀設(shè)備和分析系統(tǒng)軟件組成，并采用基于無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互方式工作。

本文給出的方案采用嵌入式平臺(tái)設(shè)計(jì)開發(fā)，采用ARM雙核處理器，采用802.11b/g無線和移動(dòng)3G芯片構(gòu)成雙無線全天候無線模塊。

軟件部分則由網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分析程序和三維演化程序組成，可以通過分析儀依靠網(wǎng)絡(luò)或者3G（WCDMA，TD-SCDMA等）網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交互。由于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋率高，因此可以互為補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地接收，實(shí)時(shí)獲取預(yù)警情報(bào)[4]。由于應(yīng)用程序JAVA語言開發(fā)，具備良好的跨平臺(tái)特性。

1.2 工作原理

便攜式手持無線預(yù)警分析儀是一個(gè)工作在雙工狀態(tài)下的收發(fā)機(jī)。主要包括無線接收模塊(Receiver Unit)、發(fā)射模塊(Transmitter Unit)、控制模塊(Controller Uint)及人機(jī)界面部分(Interface)和電源(Power Supply)組成。如圖1所示。

圖1 組成結(jié)構(gòu)示意圖

從印刷電路板的結(jié)構(gòu)分為：無線系統(tǒng)、主板控制系統(tǒng)、電源系統(tǒng)，3個(gè)部分。在分析儀中，這3個(gè)部分相互配合，在邏輯控制系統(tǒng)統(tǒng)一指揮下，完成數(shù)據(jù)通信的各項(xiàng)功能。

所述分析儀各電路系統(tǒng)原理如下：

無線部分：

無線模塊采用802.11b/g和移動(dòng)無線通信3G網(wǎng)絡(luò)組成的雙無線模塊，總體上都可以看作由無線接收和無線發(fā)射兩部分組成。

先介紹移動(dòng)無線通信3G模塊工作原理：射頻接收電路完成接收無線傳感網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的濾波、信號(hào)放大、解調(diào)等功能；射頻發(fā)射電路主要完成無線信號(hào)的調(diào)制、變頻、功率放大等功能[5]。

其中包含從天線到接收機(jī)的解調(diào)輸出，與發(fā)射的I/Q調(diào)制到功率放大器輸出的電路；邏輯音頻包含從接收解調(diào)到，接收音頻輸出、發(fā)射話音拾?。ㄋ驮捚麟娐罚┑桨l(fā)射I/Q調(diào)制器及邏輯電路部分的中央處理單元、數(shù)字語音處理及各種存儲(chǔ)器電路等。具體過程如下示意：

發(fā)射端：

數(shù)字信號(hào)→DAC（數(shù)模轉(zhuǎn)換）→混頻器（與振蕩器混合）→發(fā)射功放→發(fā)射

接收端：

數(shù)字信號(hào)←ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換）←濾波器←接收功放←接收

主板控制部分：

它主要由核心控制模塊CPU、EEPROM、FLASH EPROM、SRAM以及硬盤等部分組成，邏輯系統(tǒng)主要完成分析儀中的各項(xiàng)設(shè)定功能、控制收發(fā)信號(hào)的正確處理功能等，而且在邏輯系統(tǒng)中，硬盤和FLASH EPROM內(nèi)部存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)必須完全正確，才能發(fā)揮其強(qiáng)大快捷的邏輯控制功能[6]。

主要由下列幾部分組成：

1）CPU（中央處理器）：這是微控制器的核心，本發(fā)明使用Advanced RISC Machines公司的微處理器。

2）存儲(chǔ)器：包括兩個(gè)部分，一是硬盤它用來存儲(chǔ)程序；二是RAM，它用來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。ROM和RAM兩種存儲(chǔ)器是有所不同的。

3）輸人/輸出（I/O）接口：這一接口電路分為兩種：一是并行輸入/輸出接口；二是串行輸入/輸出接口。這兩種接口電路結(jié)構(gòu)不同，對(duì)信息的傳輸方式也不同。

4）定時(shí)器/計(jì)數(shù)器：微控制器的許多應(yīng)用中，往往需要進(jìn)行精確的定時(shí)并產(chǎn)生方波信號(hào)，這要由定時(shí)器/計(jì)數(shù)器電路來完成。

中央處理器的上述5個(gè)基本部件電路之間通過地址總線（AB）、數(shù)據(jù)總線（DB）和控制總線（CB）連接在一起，再通過輸出/輸人接口與中央處理器的外部電路聯(lián)系起。

2 工作機(jī)理

分析儀工作時(shí)，無線接收和發(fā)射是在一定的范圍內(nèi)，可自動(dòng)切換和尋找無線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，以一定的波特率和調(diào)制方式完成數(shù)據(jù)和聲音的傳輸[7]。而分析儀的無線接收模塊和發(fā)射模塊以及控制模塊都集成在主板上。為保證設(shè)備的高可用性和軟件的可用性，分析儀采用嵌入式架構(gòu)，因此，主CPU采用了ARM9系列，集成了10/100M自適應(yīng)網(wǎng)卡，支持多種接口，方便擴(kuò)展無線模塊。

圖2 工作流程圖

運(yùn)行過程如2所示，首先啟動(dòng)預(yù)警分析儀；然后操作系統(tǒng)的應(yīng)用選項(xiàng)；選擇啟動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)，系統(tǒng)自動(dòng)詢問是否鏈接GPRS網(wǎng)絡(luò)；選擇是則系統(tǒng)自動(dòng)與服務(wù)器通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行鏈接；之后進(jìn)入用戶身份驗(yàn)證；驗(yàn)證是系統(tǒng)用戶，則啟動(dòng)預(yù)警分析系統(tǒng)主程序，并實(shí)時(shí)無線接受服務(wù)器數(shù)據(jù)；自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析；根據(jù)分析結(jié)果，進(jìn)行預(yù)警工作。

3 結(jié)論

面臨科技的快速進(jìn)步，以及物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)預(yù)警分析面臨諸多考驗(yàn)，尤其是難以提供快速靈活的應(yīng)用[8]。本文提出的便攜式手持無線預(yù)警分析儀，利用覆蓋全國(guó)的移動(dòng)通信3G網(wǎng)絡(luò)和高速、高帶寬的802.11g組成無縫切換的無線工作組，將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接收和分析系統(tǒng)內(nèi)置分析儀，實(shí)現(xiàn)了24小時(shí)不間斷工作，從而較好地解決了如何實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)并應(yīng)對(duì)公共安全災(zāi)害等難題。

[1]何秀廣，李玉梅，池玉春.構(gòu)建“城市治安預(yù)警系統(tǒng)”的應(yīng)用理論與實(shí)踐研究[J].中國(guó)人民公安大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，23：77-83.

[2]黃助海.建立城市災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)和治救體系的一些看法[J].中國(guó)減災(zāi)，2000，3：57-61.

[3]關(guān)守平，姚勇，劉海龍，張躍輝.嵌入式系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)接口模塊設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].儀器儀表學(xué)報(bào)2007，S1：45-49.

[4]周立功，等.ARM 嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005，1.

[5]吳金舟.基于ARM 處理器的嵌入式Internet 技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)[J].軟件導(dǎo)刊，2010，5：37-42.

[6]李長(zhǎng)青，王友釗，馬永昌.基于嵌入式系統(tǒng)的雙通道便攜式振動(dòng)測(cè)試分析儀的設(shè)計(jì)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2004，17(11)：32-33.

[7]涂志強(qiáng).手持式頻譜分析儀嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].電子科技大學(xué)，2008.

[8]傅朝義，張?chǎng)瘟?，李再凱，趙俊三.張建國(guó).程伊里.基廣東省地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警信息系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)[J].中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2006，17(1)：51-55.

TP332

A

1674-6708（2010）30-0225-02

梁平，研究方向：電子信息及軌道交通控制策略