嵌入式無線接入系統(tǒng)設(shè)計
摘要:通過分析嵌入式XSCALE處理器的性能和CDMA 1X無線通信的概況，給出了嵌入式無線接入Internet終端設(shè)備的系統(tǒng)設(shè)計、硬件構(gòu)成、軟件流程、無線通信模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及微處理器PXA255與CDMA 1X通信模塊的接口框圖設(shè)計。
關(guān)鍵詞:無線接入;CDMA1X模塊;XSCALE處理器;流程圖
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(luò)是最重要的需求之一。隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)也正在迅速、廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、服務(wù)業(yè)和消費電子業(yè)。XSCALE 微架構(gòu)應(yīng)用處理器，是 Intel公司為新一代無線應(yīng)用產(chǎn)品開發(fā)的嵌入式處理器。CDMA 1X無線通信網(wǎng)絡(luò)，引入了高速分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和IP 技術(shù), 為支持各種多媒體分組業(yè)務(wù)打下了基礎(chǔ),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(luò)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(luò)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(shè)備開發(fā)平臺，該平臺支持嵌入式設(shè)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(luò)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(shè)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(luò)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(luò)，也可以通過CDMA 1X無線網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(jié)構(gòu)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(gòu)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(gòu)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(wù)有很強的支持能力，能完成多任務(wù)并且有較短的中斷響應(yīng)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(shè)備。XSCALE PXA 255 就是一種高性能（主頻400MHz）低功耗的ARM架構(gòu)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(shù);指令快存（I-Cache32KB）；數(shù)據(jù)快存(D—Cache32KB)，可重構(gòu)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(gòu)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(luò)的基礎(chǔ)，我們選用的CDMA 1X無線通信模塊是YCIG-CCMG1X800，該通信模塊的結(jié)構(gòu)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(shè)備。支持R-UIM卡，模塊允許應(yīng)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(jié)構(gòu)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(shè)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(shè)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(shè)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(diào)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(shè)計需要。
4 通信模塊硬件接口設(shè)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(shè)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換芯片SP3238,實現(xiàn)兩者之間RS-232接口的電平轉(zhuǎn)換，PXA 255與CDMA 1X的接口設(shè)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(shè)計
嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計部分主要包括操作系統(tǒng)，驅(qū)動程序，應(yīng)用程序。操作系統(tǒng)我們選用Redhat9.0版本進行定制裁減，驅(qū)動程序主要是串行口驅(qū)動，應(yīng)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(yīng)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(yīng)用程序開發(fā)和調(diào)試等。雙方通過串口、并口或者以太網(wǎng)口等建立連接關(guān)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(shè)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(shè)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(luò)；開始加載網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（Point-To-Point Protocol、TCP/IP），加載成功后運行用戶應(yīng)用程序，系統(tǒng)使用結(jié)束后，關(guān)閉主程序，系統(tǒng)執(zhí)行結(jié)束。
圖5.2 無線接入網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用。無線接入網(wǎng)絡(luò)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(shè)置和波特率設(shè)置，波特率一般設(shè)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(luò)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(diào)用Internet服務(wù)程序，如網(wǎng)絡(luò)瀏覽器、用戶應(yīng)用程序等；最后使用Internet結(jié)束后，關(guān)閉無線連接。
5.4 串口驅(qū)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(shè)計串口應(yīng)用時，進行的串口操作主要是：設(shè)置串口、打開和關(guān)閉串口以及讀寫串口（收、發(fā)數(shù)據(jù)）；最基本的設(shè)置串口包括波特率設(shè)置，效驗位和停止位設(shè)置。在驅(qū)動代碼開發(fā)時，需要定義一些結(jié)構(gòu)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(yīng)該包括串口初始化函數(shù)、打開函數(shù)、關(guān)閉函數(shù)、接受函數(shù)、發(fā)送函數(shù)；編寫驅(qū)動代碼就是實現(xiàn)這些函數(shù)。
6 結(jié)束語
該系統(tǒng)設(shè)計已應(yīng)用到具體項目之中,在網(wǎng)絡(luò)性能良好的狀況下,能達到115200bps的網(wǎng)絡(luò)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(luò)，從而實現(xiàn)多種應(yīng)用，如遠程數(shù)據(jù)傳輸、無線監(jiān)控等。隨著無線通信技術(shù)領(lǐng)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>
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