嵌入式系統(tǒng)中無線通信技術(shù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

曹長瑞

【摘 要】近年來隨著嵌入式操作系統(tǒng)和無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，以嵌入式操作系統(tǒng)為平臺，依賴于無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)終端被越來越多的運(yùn)用于現(xiàn)實(shí)生活中。本文主要是針對車載系統(tǒng)和地面設(shè)備的無線通訊中存在的包括數(shù)據(jù)傳輸速度慢、數(shù)據(jù)量大、易丟失在內(nèi)的一系列問題，提出了一種嵌入式無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并將其應(yīng)用于某車載系統(tǒng)的無線通訊模塊中，在實(shí)際中已經(jīng)得到了驗(yàn)證。

【關(guān)鍵詞】嵌入式系統(tǒng)；無線通信；存儲芯片

1.嵌入式系統(tǒng)的相關(guān)問題

1.1嵌入式系統(tǒng)的定義

對于嵌入式系統(tǒng)最普遍認(rèn)同的定義是：將應(yīng)用作為中心，計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁減，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、成本、可靠性、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)的操作系統(tǒng)實(shí)用性強(qiáng)、體積小、功能強(qiáng)、可定制、管理系統(tǒng)軟件。近年來，嵌入式系統(tǒng)完成了從單一的非實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)向多元的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化，加之性能的不斷完善，使它的運(yùn)用范圍更加廣闊，例如，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、信息電器、移動計(jì)算機(jī)設(shè)備、工控、醫(yī)療儀器等等。隨著高新技術(shù)的不斷發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)的普及，嵌入式系統(tǒng)必將朝著系統(tǒng)化和網(wǎng)絡(luò)化的方向進(jìn)一步發(fā)展。

1.2嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)所面臨的挑戰(zhàn)

通常情況下，簡單的嵌入式系統(tǒng)并不需要用到嵌入式操作系統(tǒng)，例如單片控制等等。但是由于嵌入式系統(tǒng)復(fù)雜性的不斷增加，操作系統(tǒng)必然會越來越重要，所以就需要對復(fù)雜的嵌入式軟件系統(tǒng)實(shí)行更合理的控制。而對嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)有四個(gè)方面的要求，分別是實(shí)時(shí)性、系統(tǒng)可剪裁、輕量型網(wǎng)絡(luò)支持、功能可擴(kuò)展。嵌入式系統(tǒng)工業(yè)是專用計(jì)算機(jī)工業(yè)，將一切變得更為簡單、方便、適用就是其需要達(dá)到的目的。本文主要研究的是嵌入式系統(tǒng)在無線通信技術(shù)中的應(yīng)用。

2.本文研究目的

以目前的應(yīng)用環(huán)境來看，有效利用無線通信技術(shù)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無縫傳輸具有十分重要的意義，因?yàn)槔矛F(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)大容量的數(shù)據(jù)通信環(huán)境的市場空間較大，需求量還很大，不僅在城市的無線通訊中應(yīng)用廣泛，尤其是在車載系統(tǒng)的無線通訊中嵌入式系統(tǒng)的運(yùn)用已經(jīng)得到人們的共識。雖然運(yùn)用比較廣泛，但在實(shí)際的操作中，還存在著數(shù)據(jù)大、傳播速度慢、傳播過程不穩(wěn)定等問題，導(dǎo)致現(xiàn)有通訊方式的數(shù)據(jù)傳輸還存在著一定的阻礙。

隨著高新技術(shù)的迅猛發(fā)展，交通越來越便捷，城市環(huán)境也日益復(fù)雜，城市中有的地方信號雖強(qiáng)，但是還存在干擾十分嚴(yán)重的問題。為了讓車載系統(tǒng)中的無障礙數(shù)據(jù)通訊得到進(jìn)一步的完善，本文對此提出了一種嵌入式無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

3.系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

因?yàn)榍度胧较到y(tǒng)具有內(nèi)核小、系統(tǒng)精簡、專用性強(qiáng)的特點(diǎn)，所以通常需要專門的開發(fā)工具和運(yùn)行環(huán)境。系統(tǒng)總體可以分為三個(gè)部分，分別是車載系統(tǒng)、嵌入式部分、后臺部分。車載系統(tǒng)主要起到接收車內(nèi)信息的作用，一般是通過發(fā)送天線的方式放出。嵌入式部分主要包括ARM芯片、接收天線、GPRS/CDMA模塊、FLASH存儲芯片。這個(gè)部分是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的核心部分，比較關(guān)鍵，加之車載系統(tǒng)的環(huán)境相對復(fù)雜，所以車載信息是以地面設(shè)備的方式發(fā)送出來。后臺部分則是包括后臺服務(wù)器和Internet接入模塊兩個(gè)方面。

實(shí)施過程：將車載系統(tǒng)部分置于車上，道路和城市的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)處則需要置入嵌入式系統(tǒng)的硬件，這樣一來就可以通過穩(wěn)壓電路而讓整個(gè)網(wǎng)路的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)都能獲取信息。后臺部分需要置入在城市的監(jiān)控中心，方便獲取整個(gè)路網(wǎng)信息，通過充分利用Internet和GPRS網(wǎng)絡(luò)的功能，讓3G和4G實(shí)現(xiàn)無縫升級。

4.系統(tǒng)硬件與軟件部分設(shè)計(jì)

4.1系統(tǒng)硬件

ARM芯片中ARM7內(nèi)核、ARM9內(nèi)核等為主流，其中由于ARM7內(nèi)核擁有價(jià)格低廉、性價(jià)比高的優(yōu)勢而長期占據(jù)著壟斷的地位。Flash存儲芯片則具有低功耗、高密度、非易失性、可重復(fù)編程等方面的缺點(diǎn)，NOR Flash尺寸是NAND Flash尺寸的八倍，相對而言NAND Flash更適合于大容量數(shù)據(jù)存儲的嵌入式系統(tǒng)。

根據(jù)上面所考慮的因素，本設(shè)計(jì)最終選用的是嵌入式系統(tǒng)是ARM7架構(gòu)、LPC2220FBD芯片和16MNAND Flash存儲器芯片K9F2808U0C存儲介質(zhì)為核心的架構(gòu)。

GSM設(shè)備采用內(nèi)置SIM300的工業(yè)級GPRS Modem。該產(chǎn)品內(nèi)置有TCP/IP協(xié)議，對用戶來說IP數(shù)據(jù)包的傳輸是透明的，對接口的設(shè)計(jì)進(jìn)行了簡化。而通信接口采用的是標(biāo)準(zhǔn)化的RS232接口，可以通過運(yùn)用AT命令的方式來發(fā)起語音呼叫或是發(fā)送短信等功能。

4.2系統(tǒng)軟件

可以說要保證嵌入式系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)，最關(guān)鍵的一點(diǎn)在于系統(tǒng)軟件的實(shí)現(xiàn)。關(guān)于降低系統(tǒng)功耗這一點(diǎn)，嵌入式系統(tǒng)可以通過采用自動進(jìn)入睡眠狀態(tài)的方式來實(shí)現(xiàn)。而針對傳輸速度上的瓶頸問題，系統(tǒng)則是采用了分類法的方式進(jìn)行解決。讓所有的信息根據(jù)序號分配，通過實(shí)時(shí)、固定信息、可滯后信息的三種標(biāo)準(zhǔn)來講信息劃分為三個(gè)等級，其中值得注意的是傳感、GPS的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)等相關(guān)的發(fā)送等級必須置于最高的位置，而圖像和GIS等相關(guān)信息則在發(fā)送等級中置于較低的位置，接著在位置信息和車輛信息都完成傳輸工作后，最后再發(fā)送一些相對來說并不十分需要的信息。

取指令、譯碼、執(zhí)行是ARM7的指令執(zhí)行為的三個(gè)階段。通常正常操作情況下，在執(zhí)行一條指令的時(shí)候，后續(xù)的一個(gè)指令進(jìn)行譯碼，而第三條指令則從存儲器重選取指令。

流程分別是總初始化、端口的連接中斷子程序、圖片數(shù)據(jù)寫入RAM、RAM寫入FLASH、發(fā)送準(zhǔn)備是讓232收到connect_OK、232發(fā)送數(shù)據(jù)、清空FLASH。當(dāng)這一系列的在讀流程完成以后，LPC2220將K9F2808C中的數(shù)據(jù)分別送入SIM模塊的RS232串口，這樣就能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送。

5.總結(jié)與展望

本文提出了是一種嵌入式的無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，該方案具有數(shù)據(jù)穩(wěn)定、傳輸量大等方面的優(yōu)勢，對實(shí)現(xiàn)車載系統(tǒng)的無線數(shù)據(jù)通訊起到了可實(shí)施性的作用。而設(shè)計(jì)中采用了兩個(gè)串口的通訊方式，一個(gè)串口與GPRS模塊進(jìn)行通訊，另一個(gè)則是與無線接收模塊進(jìn)行通訊，之后再將數(shù)據(jù)存于NAND FLASH中。因?yàn)椴捎眠@種方式使得其擁有數(shù)據(jù)存儲時(shí)間長的優(yōu)勢，而且在實(shí)際的使用過程中數(shù)據(jù)的傳輸速度也得到了驗(yàn)證，這種數(shù)據(jù)通信方案還可以適用于城市道路系統(tǒng)的信息采集與傳輸?shù)确矫妗?/p>

嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用可以從軍用和民用兩方面來看，就軍用嵌入式系統(tǒng)而言，其在實(shí)時(shí)性、小型化與規(guī)?；习l(fā)展到了一個(gè)嶄新的階段；而就民用方面來說，嵌入式系統(tǒng)的運(yùn)用相當(dāng)廣泛，幾乎遍布與現(xiàn)代生活的每一個(gè)方面，而嵌入式系統(tǒng)的產(chǎn)品主要集中在通信產(chǎn)品、信息家電、工業(yè)控制器、掌上電腦等領(lǐng)域。在不久的將來基于嵌入式的無線通信技術(shù)的市場也會變得越來越廣闊。

【參考文獻(xiàn)】

[1]王田苗.嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)例開發(fā)[M].清華人學(xué)出版社，2003.

[2]靳攀，張臻，呂斌斌.基于GPRS和嵌入式Linux的無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].子技術(shù)，2007，34（11）：3-105.

[3]郭平，歐陽元新，熊璋，等.分布式無線信息發(fā)布平臺的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[M].計(jì)算機(jī)工程與技術(shù)，2007，28（20）：4919-4920.