嵌入式無線移動通信系統(tǒng)的研究及開發(fā)

牟云飛

（泰山科技學(xué)院 山東省泰安市 271000）

隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及與迅猛發(fā)展，越來越多的要求嵌入式終端設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)，以實現(xiàn)信息共享和遠程控制。當(dāng)今，嵌入式設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化已進入了以Internet為標志的時代，成為研究和應(yīng)用的熱點。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)特異性的新型計算機控制系統(tǒng)。它已廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)自動化、各種電子應(yīng)用和高級電子產(chǎn)品以及移動通信終端。與目前傳統(tǒng)的通用移動計算機操作系統(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，功能相對簡單，而且其實際數(shù)據(jù)處理效率也相對較高。

1 嵌入式移動通信系統(tǒng)的硬件要求

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計中，構(gòu)建基于嵌入式的移動終端無線通信控制系統(tǒng)時，每個GPRS的移動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由MAX232模塊驅(qū)動，主要原因是只有一個GPRS移動終端直接由兩個基于卡的移動模塊sima驅(qū)動，而移動模塊直接獲取的模擬信號只是一張卡的模擬信號，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)計成使用MAX232模塊直接將卡的模擬信號轉(zhuǎn)換成模擬數(shù)字信號，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操作系統(tǒng)驅(qū)動控制單元等一系列外圍控制硬件和一套軟件來實現(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。

1.2 GPRS通信模塊的選擇

作為嵌入式無線通信系統(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人電腦到移動互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的接入提供底層的無線數(shù)據(jù)傳輸輸鏈路，也是本文嵌入式系統(tǒng)與移動互聯(lián)網(wǎng)無線數(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。該通信模塊同時提供gsm/cprs雙通道頻段之間的數(shù)據(jù)通信支持。同時，這個通信模塊是一個10級的通信模塊，所以它能提供比2級通信模塊或者4級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)功耗相對較低、體積非常小、接口簡單、與第三方虛擬硬件網(wǎng)絡(luò)兼容性好的特點。

1.3 微控制器芯片選擇

作為嵌入式無線移動通信控制系統(tǒng)的核心控制硬件，微控制器處理芯片從小低端升級到中高端的方式有很多。考慮到系統(tǒng)制造成本和系統(tǒng)功耗的問題，本文主要選擇MicrochIP公司設(shè)計生產(chǎn)的PIC18F452芯片。作為一款8位無線低端微控制器芯片，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計比較簡單。指令體系非常精細。雖然只有兩條運行管線，但最高運行數(shù)據(jù)頻率可直接達到10mpis，完全可以滿足通信系統(tǒng)對實時、高速運行的需求。該核心芯片還包含一個硬件結(jié)構(gòu)，可以同時提供32kb應(yīng)用終端存儲和256b的EEP-ROM。除此之外，它還有88的硬件級倍增器，終端存儲資源也非常豐富。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)計相對簡單。

2 嵌入式無線通信系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 軟件設(shè)計

合理的系統(tǒng)軟件設(shè)計，其主要目的是保證嵌入式通信系統(tǒng)在現(xiàn)代無線通信網(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，從而滿足實際應(yīng)用需求。在實際設(shè)計和應(yīng)用過程中，設(shè)計操作人員要及時對睡眠系統(tǒng)進行完善的設(shè)計分析和綜合設(shè)計，使睡眠系統(tǒng)每次自動睡眠時盡可能降低系統(tǒng)的能耗，最終達到有效節(jié)能的設(shè)計目的[2]。同時，設(shè)計工程師可能還需要綜合考慮安全因素，如通信網(wǎng)絡(luò)信號的網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性、通信信號系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)兼容性等。在無線通信系統(tǒng)軟件設(shè)計的實際應(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)計應(yīng)用的過程中，優(yōu)化了傳統(tǒng)無線通信應(yīng)用系統(tǒng)的整體設(shè)計功能結(jié)構(gòu)特點，其軟件設(shè)計更符合當(dāng)前實際應(yīng)用需求。目前，企業(yè)軟件設(shè)計的主體應(yīng)主要包括以下兩個方面。

2.1.1 基于軟件的工作流優(yōu)化設(shè)計

結(jié)合當(dāng)前應(yīng)用端口的設(shè)計和系統(tǒng)初始化的實際應(yīng)用需求，對當(dāng)前的frram、flash等端口進行規(guī)劃設(shè)計，確保系統(tǒng)管理平臺的自動化具有良好的軟件操作系統(tǒng)性能，能夠保證其在實際系統(tǒng)運行管理過程中高效、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

設(shè)計的內(nèi)容主要是為aarm7設(shè)計系統(tǒng)指令軟件。在實際的系統(tǒng)軟件運行設(shè)計過程中，系統(tǒng)人員可以根據(jù)軟件設(shè)計的各種指令要求，有效地進行各種操作[3]。

2.2 操作系統(tǒng)的設(shè)計

操作系統(tǒng)在嵌入式無線通信系統(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)所有運行的網(wǎng)絡(luò)資源，進而為系統(tǒng)創(chuàng)造良好的穩(wěn)定性和運行環(huán)境，環(huán)境在通信操作系統(tǒng)的正常運行中，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，保證無線通信操作系統(tǒng)的整體穩(wěn)定正常運行。在實際操作過程中，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)運行管理環(huán)境和工作條件，還能達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)實際運行過程中，可以自動實現(xiàn)分時操作，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)擴展應(yīng)用功能、開放的操作系統(tǒng)應(yīng)用源代碼等。此外，根據(jù)實際應(yīng)用情況，可以對操作系統(tǒng)應(yīng)用程序進行合理設(shè)計和改進，加強創(chuàng)新功能的綜合集成，滿足未來人們對移動通信信息服務(wù)更豐富的應(yīng)用需求。目前，Linux無線操作系統(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)前無線通信信息技術(shù)的應(yīng)用服務(wù)覆蓋范圍得以合理擴展，以滿足信息時代快速發(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)計的系統(tǒng)的整體應(yīng)用性能。

3 嵌入式無線通信系統(tǒng)的協(xié)議框架設(shè)計

3.1 框架設(shè)計思想

目前傳統(tǒng)的嵌入式操作系統(tǒng)本身對軟件、硬件和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議資源的實時集成性能要求不高，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。因此，在設(shè)計快速實現(xiàn)大規(guī)模通用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的系統(tǒng)應(yīng)用時，面對一些系統(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，簡化成本控制，從而有效滿足整個系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)成本優(yōu)化需求。構(gòu)建一個好的嵌入式系統(tǒng)、移動網(wǎng)絡(luò)、無線通信系統(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)計框架、基礎(chǔ)協(xié)議設(shè)計框架，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)軟件性能測試條件的要求，而且用戶可以方便、直接地進行系統(tǒng)性能測試，無需其他移動操作管理系統(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

根據(jù)上述模型框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計思想，并參考下面的tcp/IP設(shè)計模型，進行了人式-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。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)標志和變量來設(shè)計的。之所以選擇這種設(shè)計方法，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。編寫每個內(nèi)存模塊的所有代碼的基本技術(shù)要求是使用簡化的內(nèi)存，同時每個內(nèi)存模塊都要合理固化后存儲。所有模塊至少需要占用5m的內(nèi)存空間[5]。同時，由于本文系統(tǒng)協(xié)議棧的整體設(shè)計完全是通過將其設(shè)計與系統(tǒng)框架棧的設(shè)計和運行思路以及各種模塊化軟件設(shè)計和運行模式相結(jié)合來完成的，其可擴展性得到了充分的保證，并且可以根據(jù)實際應(yīng)用需求隨時隨地對相關(guān)功能進行優(yōu)化和擴展，使用方便性強?；诂F(xiàn)代軟件開發(fā)工程設(shè)計思想的軟件框架設(shè)計模式清晰、準確地反映了嵌入人式移動網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的軟件開發(fā)中狀態(tài)機基本狀態(tài)之間的嵌套和層次關(guān)系。將原來嵌套在人式移動網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中的oouml狀態(tài)流程圖自動可視化為人式網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的軟件實現(xiàn)過程代碼，規(guī)范了軟件開發(fā)工作流程，提高了軟件開發(fā)工作效率。

4 嵌入式系統(tǒng)中無線數(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、基于GPRS的通信協(xié)議設(shè)計和基于Linux操作系統(tǒng)的終端應(yīng)用程序設(shè)計。GPRS終端的硬件電路設(shè)計包括微處理器、閃存和串行通信模塊的選擇以及它們之間的連接。需要考慮存儲在程序存儲器中的信息，微處理器采用的指令集，以及通信模塊的各種技術(shù)指標，如傳輸速率等。通信協(xié)議的基本設(shè)計和應(yīng)用是本文的重點研究內(nèi)容。GPRS通信技術(shù)的建設(shè)是現(xiàn)代移動通信協(xié)議技術(shù)與IP技術(shù)相結(jié)合的必然產(chǎn)物。在移動傳輸和通信過程中，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地址是浮動的[6]。因此，通信協(xié)議的設(shè)計是基于GPRS移動網(wǎng)絡(luò)。中心數(shù)據(jù)服務(wù)器端數(shù)據(jù)應(yīng)用程序的開發(fā)設(shè)計可以使用visualc等可視化軟件編程語言進行開發(fā)，提供簡單的可視化操作界面，使用戶可以直觀、方便、快捷地從遠程中心數(shù)據(jù)終端了解實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪\行狀態(tài)，實現(xiàn)與viGPRS數(shù)據(jù)終端的實時通信。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bootloader系列功能；主要建立跨系統(tǒng)編譯軟件開發(fā)工作環(huán)境，在基于arm7內(nèi)核的硬件平臺上移植Linux系列操作系統(tǒng)，并對其硬件配置進行交叉編譯。

5 結(jié)束語

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