基于嵌入式技術(shù)的移動(dòng)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

衛(wèi)昱含

摘? 要： 為有效降低移動(dòng)通信系統(tǒng)硬件開(kāi)發(fā)開(kāi)銷及高效率開(kāi)發(fā)嵌入式網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，基于嵌入式技術(shù)建立無(wú)線移動(dòng)通信終端。與此同時(shí)，在系統(tǒng)中提出依托框架設(shè)計(jì)模式咖啡網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的思想，從而生成網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的通用框架。它使用UMI狀態(tài)機(jī)技術(shù)，把網(wǎng)絡(luò)協(xié)議內(nèi)的UMI狀態(tài)圖轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)代碼。測(cè)試結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可以有效降低對(duì)硬件資源方面的需求，UML狀態(tài)機(jī)技術(shù)的使用能提升系統(tǒng)開(kāi)發(fā)規(guī)范性和效率。

關(guān)鍵詞： 移動(dòng)通信系統(tǒng); 系統(tǒng)設(shè)計(jì); 嵌入式技術(shù); 網(wǎng)絡(luò)與協(xié)議; 系統(tǒng)開(kāi)發(fā); 系統(tǒng)測(cè)試

中圖分類號(hào)： TN929.5?34? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2020）20?0023?03

Design of mobile communication system based on embedded technology

WEI Yuhan

（Jilin University of Architecture and Technology， Changchun 130114， China）

Abstract： A wireless mobile communication terminal is established based on embedded technology to effectively reduce the cost of hardware development in the mobile communication system and efficiently develop embedded network protocols. At the same time， the idea of the coffee network protocol relying on the framework design mode is proposed for the system to generate the general framework of the network protocol. In the system， the UMI state diagram in network protocol is transformed into corresponding implementation code by means of the UMI state machine technology. The testing results show that the designed system can not only effectively reduce the demand for hardware resources， but also improve the standardization and efficiency of system development by means of the UML state machine technology.

Keywords： mobile communication system; system design; embedded technology; network and protocol; system development; system testing

0? 引? 言

嵌入式系統(tǒng)選取微控制器（MCU）作為核心的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，得以廣泛用于通信、工業(yè)控制等方面。隨著互聯(lián)網(wǎng)的推廣應(yīng)用，規(guī)定嵌入式終端設(shè)備和互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行連接，確保信息能夠共享并完成遠(yuǎn)程控制工作?，F(xiàn)階段，嵌入式設(shè)備已經(jīng)進(jìn)入以互聯(lián)網(wǎng)為標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展，這也是研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。嵌入式系統(tǒng)內(nèi)配置相應(yīng)的計(jì)算資源，功能設(shè)計(jì)接近于系統(tǒng)資源臨界點(diǎn)。想要對(duì)成本進(jìn)行合理的控制，并且對(duì)系統(tǒng)安全進(jìn)行保證，設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)不可過(guò)于復(fù)雜[1]。

本研究設(shè)計(jì)嵌入式無(wú)線移動(dòng)通信終端設(shè)計(jì)方案，并開(kāi)發(fā)相應(yīng)的嵌入式網(wǎng)絡(luò)協(xié)議思想，旨在提升系統(tǒng)開(kāi)發(fā)效率。

1? 嵌入式技術(shù)概述

嵌入式系統(tǒng)具有鮮明的特點(diǎn)，主要包含高效性、簡(jiǎn)潔性等，對(duì)于不同的應(yīng)用場(chǎng)合，由不同的功能構(gòu)成。嵌入式系統(tǒng)屬于高效率、簡(jiǎn)潔的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其工作原理在于以應(yīng)用為核心，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)的輔助，將其嵌入至受控器件內(nèi)部[2]。嵌入式系統(tǒng)通常只是針對(duì)某項(xiàng)特殊任務(wù)開(kāi)展工作，設(shè)計(jì)人員通過(guò)對(duì)其優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而降低其使用成本。嵌入式系統(tǒng)就是面向用戶、產(chǎn)品及應(yīng)用，必須與應(yīng)用相互結(jié)合，方可充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。嵌入式系統(tǒng)和通用型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)不同之處如下：嵌入式系統(tǒng)一般是面向特定的應(yīng)用，其CPU展現(xiàn)出低功耗、集成度高等優(yōu)點(diǎn)，嵌入式CPU能有效提升移動(dòng)通信系統(tǒng)的工作效率。嵌入式系統(tǒng)所用技術(shù)包含電子技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)等，它成為與社會(huì)中各種應(yīng)用相互結(jié)合的產(chǎn)物，以此構(gòu)成綜合化、高度分散的知識(shí)集成系統(tǒng)[3]。嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)還有一個(gè)特點(diǎn)是系統(tǒng)軟件固化于存儲(chǔ)器芯片或者單片機(jī)內(nèi)，并未放在磁盤(pán)等載體內(nèi)，有利于提升系統(tǒng)的執(zhí)行速率及可靠性。嵌入式系統(tǒng)利用可裁剪軟硬件，在同一塊硅片上系統(tǒng)性能得到提升。

2? 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1? MCU芯片

MCU（Micro Control Unit）芯片作為嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行控制的中心，包含8位、32位處理器，并把低能耗等指標(biāo)考慮在內(nèi)，見(jiàn)圖1。

本次研究挑選PIC18F452芯片當(dāng)作MCU，其特性見(jiàn)表1。PIC18F452作為不包含操作系統(tǒng)的8位低端控制器芯片，其具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、操作精煉等優(yōu)點(diǎn)。此外，該芯片配置兩級(jí)流水線，設(shè)定運(yùn)行頻率為10 MIPS，滿足小型系統(tǒng)對(duì)于實(shí)時(shí)性的需求。PIC芯片利用哈弗結(jié)構(gòu)，內(nèi)存為32 KB，指令總線、數(shù)據(jù)總線寬度分別為16線、8位，擁有比較豐富的中斷資源。PIC18F452芯片設(shè)計(jì)相應(yīng)的外圍模塊，便于電路設(shè)計(jì)工作的簡(jiǎn)化[4]。此外，PIC18F452系列芯片中的精簡(jiǎn)指令有77條，顯示出較高的執(zhí)行效率。高性能的PIC18F452芯片可以輕松開(kāi)展數(shù)據(jù)采集等工作，它需要配置成本低的硬件支持。

2.2? GPRS通信

通用無(wú)線分組業(yè)務(wù)（General Packet Radio Service，GPRS）通信模塊是保障無(wú)線通信順利實(shí)現(xiàn)的重要設(shè)備，它可以為MCU芯片與互聯(lián)網(wǎng)相連提供與之對(duì)應(yīng)的鏈路[5]。GPRS網(wǎng)絡(luò)模型見(jiàn)圖2。GPRS從一個(gè)發(fā)送實(shí)體和一個(gè)或者多數(shù)接收實(shí)體之間提供數(shù)據(jù)傳送能力，上述實(shí)體可為移動(dòng)用戶或者終端設(shè)備，后者被連接至相應(yīng)的GPRS網(wǎng)絡(luò)或外部數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。為保證系統(tǒng)的通信速率，本次研究挑選CMS91?90/1 800 GPRS模塊當(dāng)作通信模塊，它屬于雙頻段GSM/GPRS 10級(jí)模塊，可以提供更高的數(shù)據(jù)速率，從而獲得良好的通信效果。CMS91模塊中的AT指令擁有相對(duì)完善的功能，可借助AT命令集與微控制器確保通信順利實(shí)現(xiàn)。

2.3? 移動(dòng)終端設(shè)計(jì)

根據(jù)圖3可知，由于MCU芯片I/O口必須利用電平轉(zhuǎn)換方可與GPRS模塊串口進(jìn)行連接，因此，在MCU與GPRS模塊間增設(shè)MAX232模塊實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。GPRS模塊利用MAX232與8位MCU串口進(jìn)行連接，借助驅(qū)動(dòng)GPRS模塊完成一系列工作，并建立無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路[6]。同時(shí)，MCU利用串口對(duì)外圍工作單元進(jìn)行控制，包含A/D轉(zhuǎn)換器、LCD等。移動(dòng)終端硬件設(shè)計(jì)必須考慮是否通用，在達(dá)到應(yīng)用要求以后，使對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)依賴性得到降低，以此使運(yùn)行成本降低。

3? 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧設(shè)計(jì)

TCP/IP協(xié)議棧的順利實(shí)現(xiàn)是確保嵌入式終端和互聯(lián)網(wǎng)實(shí)施連接的基礎(chǔ)。MCU利用軟件促使TCP/IP協(xié)議棧，網(wǎng)絡(luò)接口層采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議的方法，在此基礎(chǔ)上完成高層協(xié)議。因TCP/IP是一個(gè)比較龐大的協(xié)議族，日常運(yùn)行比較復(fù)雜，且內(nèi)容繁多。而嵌入式系統(tǒng)由于受到硬件資源的限制，無(wú)法促使整個(gè)TCP/IP協(xié)議族實(shí)現(xiàn)。在嵌入式系統(tǒng)中設(shè)計(jì)出比較完善的功能，且資源消耗小，這成為T(mén)CP/IP協(xié)議棧得以實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)。

3.1? 嵌入式網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧

在研究傳統(tǒng)TCP/IP協(xié)議分層模型思想后，本次研究在分析系統(tǒng)需求、應(yīng)用環(huán)境等內(nèi)容基礎(chǔ)上，對(duì)協(xié)議子集進(jìn)行有目的的取舍，設(shè)計(jì)借助GPRS通信的TCP/IP協(xié)議棧，如圖4所示。在這一協(xié)議棧內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)接口通過(guò)驅(qū)動(dòng)GPRS通信建立與網(wǎng)絡(luò)之間的PPP鏈路，網(wǎng)絡(luò)層主要由IP模塊、ICMP模塊組成，傳輸層則包含TCP，UDP模塊。協(xié)議棧模塊各層之間的結(jié)構(gòu)并未完全利用函數(shù)封裝，根據(jù)報(bào)文緩沖區(qū)和函數(shù)，結(jié)合全局標(biāo)志變量進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，主要目的就是解決系統(tǒng)資源不足問(wèn)題。模塊的不同能夠根據(jù)精簡(jiǎn)代碼進(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)固化的存儲(chǔ)[7]。協(xié)議棧設(shè)計(jì)過(guò)程中將可擴(kuò)展性考慮在內(nèi)，利用模塊化的軟件設(shè)計(jì)思想，它依據(jù)應(yīng)用需求便于對(duì)功能實(shí)施擴(kuò)展，顯示出較大的靈活性[8]。

3.2? 基于框架設(shè)計(jì)模塊開(kāi)發(fā)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

嵌入式系統(tǒng)軟件、硬件資源有一定的限制，要想實(shí)現(xiàn)TCP/IPde等協(xié)議族，就要實(shí)現(xiàn)操作的簡(jiǎn)化，并且對(duì)操作進(jìn)行裁剪，使終端用戶實(shí)際的需求得到滿足。因?yàn)榍度胧较到y(tǒng)用戶的工作存在差別，所以網(wǎng)絡(luò)協(xié)議工作繁瑣，終端用戶各自的開(kāi)發(fā)會(huì)導(dǎo)致物力、人力等資源的浪費(fèi)。UML狀態(tài)機(jī)的建模能力比較強(qiáng)大，其使用面向?qū)ο蟮募夹g(shù)描述復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。本次研究中，利用UML狀態(tài)機(jī)技術(shù)完成網(wǎng)絡(luò)協(xié)議模型，嚴(yán)格根據(jù)軟件工程原理創(chuàng)建UML狀態(tài)機(jī)操作框架，整合此框架中的狀態(tài)、事件，提供用于實(shí)現(xiàn)UMI狀態(tài)的一系列接口[9]。

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議承載主體指的是有限狀態(tài)機(jī)，在實(shí)現(xiàn)某網(wǎng)絡(luò)協(xié)議之后，表示實(shí)現(xiàn)有限狀態(tài)機(jī)。利用框架模式實(shí)現(xiàn)開(kāi)發(fā)的工作如下：對(duì)各項(xiàng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議描述展開(kāi)分析，得到不同狀態(tài)事件處理和轉(zhuǎn)移狀態(tài)，構(gòu)成UMI狀態(tài)圖;以狀態(tài)圖中的不同狀態(tài)層次關(guān)系，實(shí)現(xiàn)事件處理函數(shù)?；诖耍瓿蔂顟B(tài)機(jī)測(cè)試工作。以下為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議返回事件數(shù)據(jù)：

true

true

1

true

…? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? //該設(shè)備的所有相關(guān)信息

Equipment Status值為1說(shuō)明這個(gè)時(shí)候設(shè)備剛處于入庫(kù)的狀態(tài)，所以客戶端應(yīng)用程序會(huì)對(duì)CanModify值進(jìn)行判斷，假如此值為true，表示系統(tǒng)賦予網(wǎng)絡(luò)協(xié)議修改設(shè)備權(quán)限。

3.3? 數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議

挑選數(shù)據(jù)鏈路層中的協(xié)議PPP為對(duì)象，借助框架設(shè)計(jì)進(jìn)行開(kāi)發(fā)操作，實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖5所示。數(shù)據(jù)鏈路層的功能表現(xiàn)在串口MCU與GPRS模塊間構(gòu)成數(shù)據(jù)鏈路。其中，“死亡”代表通信雙方并未構(gòu)建物理鏈路，利用MCU向著GPRS模塊發(fā)出AT命令，用于完成串口通信參數(shù)設(shè)計(jì)，并進(jìn)入相應(yīng)的建立階段。“建立”則說(shuō)明已經(jīng)創(chuàng)建物理鏈路，這種情況下，借助LCP協(xié)議促使鏈路雙方之間進(jìn)行協(xié)商，隨后，開(kāi)展“認(rèn)證”操作。在認(rèn)證這一階段進(jìn)行簽權(quán)，需要驗(yàn)證用戶的賬號(hào)及密碼[10]。“網(wǎng)絡(luò)”階段旨在實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的配置，依托IP協(xié)議向服務(wù)器發(fā)出申請(qǐng)信息，獲取相應(yīng)的地址后完成數(shù)據(jù)傳輸。“終止”階段就是在任意時(shí)期，通過(guò)LCP將終止數(shù)據(jù)幀發(fā)送出來(lái)，旨在結(jié)束不同方之間的連接。以下為設(shè)備連接的實(shí)現(xiàn)代碼：

true

true

0

true

…

數(shù)據(jù)連接過(guò)程中具有重要設(shè)備信息，在服務(wù)器接收到數(shù)據(jù)之后，加上新增設(shè)備用戶信息和目前系統(tǒng)時(shí)間，使數(shù)據(jù)在系統(tǒng)相應(yīng)表中保存。

4? 系統(tǒng)測(cè)試與結(jié)果分析

系統(tǒng)正式使用前，進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)試必不可少，借助測(cè)試結(jié)果判定所設(shè)計(jì)系統(tǒng)是否成功。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試時(shí)，模擬一個(gè)真實(shí)的環(huán)境，在模擬環(huán)境下實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、資源管理等功能，檢查其是否滿足用戶的實(shí)際需求。對(duì)PPP和GPRS之間的功能展開(kāi)測(cè)試，包括TCP服務(wù)端、UDP模塊等，各種功能并無(wú)錯(cuò)誤。開(kāi)展測(cè)試過(guò)程中，采用ICMP協(xié)議為新浪網(wǎng)發(fā)出請(qǐng)求報(bào)文，借助PPP協(xié)議組成PPP幀：

7E FF 03 00 21 45 00 00 1C 99 10 40 00 7F 01 35 E0 0A A8 02 21 DA CE 56 59 08 00 F7 FE 00 01 00 00 2F A3 7E

獲取新浪網(wǎng)給出的Echo應(yīng)答報(bào)文PPP幀，即：

7E FF 03 00 21 45 00 00 1C BD 16 40 00 33 01 4C DA DA CE 56 59 OA A8 02 21 00 00 FF FE 00 01 00 00 4C 99 7E

通過(guò)分析測(cè)試數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，移動(dòng)通信終端具有穩(wěn)定的性能，其傳輸速率達(dá)到8 Kb/s，滿足現(xiàn)代通信技術(shù)方面要求。

5? 結(jié)? 語(yǔ)

綜上所述，利用微控制器設(shè)計(jì)的移動(dòng)通信終端可以降低對(duì)于硬件的要求，創(chuàng)建穩(wěn)定的通信信道，硬件設(shè)計(jì)達(dá)到使用方便、成本低等需求，不僅滿足移動(dòng)條件下嵌入式終端設(shè)備工作需要，也可以用于節(jié)點(diǎn)分散的應(yīng)用場(chǎng)合。此外，在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計(jì)中，能夠展現(xiàn)狀態(tài)機(jī)不同狀態(tài)之間的嵌套層次關(guān)系，自動(dòng)把嵌入式網(wǎng)絡(luò)協(xié)議生成相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)代碼，便于規(guī)范開(kāi)發(fā)流程，大大提升開(kāi)發(fā)效率。

參考文獻(xiàn)

[1] 吳大鵬，閆俊杰，楊鵬.面向5G移動(dòng)通信系統(tǒng)的智慧城市匯聚及接入網(wǎng)絡(luò)[J].電信科學(xué)，2016，32（6）：52?57.

[2] 肖剛，邸奧杰，王松旭.未來(lái)鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)國(guó)際研究進(jìn)展[J].鐵道通信信號(hào)，2018，54（10）：6?8.

[3] 杜妍，李亞秋.超高頻衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)通信體制研究[J].航天器工程，2016，25（3）：9?16.

[4] 李興.4G移動(dòng)通信系統(tǒng)的主要特點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)[J].現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟(jì)和信息化，2018，8（5）：63?64.

[5] 杜峰，王月領(lǐng).無(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)中的安全隱患及解決方案[J].信息通信技術(shù)與政策，2019（6）：90?91.

[6] 殷燕南.移動(dòng)通信系統(tǒng)中的無(wú)線定位技術(shù)及其應(yīng)用[J].科技與創(chuàng)新，2016（3）：139.

[7] 周一青，李國(guó)杰.未來(lái)移動(dòng)通信系統(tǒng)中的通信與計(jì)算融合[J].電信科學(xué)，2018，34（3）：1?7.

[8] 何軍.OFDM技術(shù)在移動(dòng)通信系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2017（23）：110?111.

[9] 孫翼，朱麗娟.基于移動(dòng)通信的嵌入式智能家居系統(tǒng)[J].艦船電子工程，2010，30（8）：98?100.

[10] 武風(fēng)波，呂茜彤.基于嵌入式的井下環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2019，42（13）：42?46.