嵌入式無線接入系統設計
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終端設備的系統設計、硬件構成、軟件流程、無線通信模塊的內部結構以及微處理器PXA255與CDMA 1X通信模塊的接口框圖設計。
關鍵詞:無線接入;CDMA1X模塊;XSCALE處理器;流程圖
1 引言
現在各行業對無線通信的需求愈來愈多，能夠無線接入Internet 網絡是最重要的需求之一。隨著信息技術的飛速發展，嵌入式系統也正在迅速、廣泛地應用于工業、服務業和消費電子業。XSCALE 微架構應用處理器，是 Intel公司為新一代無線應用產品開發的嵌入式處理器。CDMA 1X無線通信網絡，引入了高速分組數據業務和IP 技術, 為支持各種多媒體分組業務打下了基礎,CDMA 1X 能提供153.6 kb/s 的數據速率。CDMA （Code Division Multiple I Access）無線網絡系統已分別在美國、韓國、中國和中國香港等區域投入使用，取得了良好的網絡性能，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 系統的研發。
嵌入式系統的開發多采用模塊化的思想，首先在開發板上進行，然后根據實際性能再進一步開發。XSBase是一款基于英特爾XSCALE PXA255處理器的高端嵌入式設備開發平臺，該平臺支持嵌入式設備的軟硬件開發，我們在該平臺上開發實現了以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，以CDMA 1X無線通信模塊YCIG-CCMG1X800為核心通信單元、支持寬帶無線網絡CDMA 1X 的嵌入式無線通信接入系統。
2 嵌入式無線通信終端系統總體描述
我們所設計的嵌入式無線通信終端系統，是一種移動無線通信接入系統，它在整個通信網絡中的位置示意如圖1，它能夠無線接入當前已經遍布全國的CDMA 1X無線蜂窩網絡，也可以通過CDMA 1X無線網絡接入Internet或者PSTN（Public Switched Telephone Network）。該無線通信終端系統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，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在通信網絡中的位置
（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的結構組成
嵌入式系統一般包括硬件和軟件兩部分，該嵌入式無線通信終端系統的硬件是由Intel XSCALE PXA 255 ARM架構嵌入式處理器（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，通信終端系統硬件構成如圖2所示。
3.1 嵌入式微處理器
嵌入式系統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：對實時多任務有很強的支持能力，能完成多任務并且有較短的中斷響應時間；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備。XSCALE PXA 255 就是一種高性能（主頻400MHz）低功耗的ARM架構的嵌入式微處理器，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;指令快存（I-Cache32KB）；數據快存(D—Cache32KB)，可重構為28KB片內RAM;指令存儲器管理單元I—MMU;動態電源管理功能。目前，根據系統工作環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終端硬件構成
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無線網絡的基礎，我們選用的CDMA 1X無線通信模塊是YCIG-CCMG1X800，該通信模塊的結構如圖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備。支持R-UIM卡，模塊允許應用軟件開發,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 通信模塊的結構框圖
3.3 存儲器
為了滿足數據存儲的需要，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里的數據傳輸到LCD控制器的內部，然后經過處理，輸出數據到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，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計，輸入＋5V輸出3V和穩定的5V分別供給通信模塊使用和處理器使用，在系統設計實現中加入了多級穩壓電路和高精度低功耗CMOS線性調壓電路，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，適合了我們的系統設計需要。
4 通信模塊硬件接口設計
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，我們設計了全功能的UART(通用接收/發送器)即FFUART，UART具有Modem控制腳，允許通過軟件控制數據流，UART可執行串行/并行轉換，處理器可讀出UART的各種狀態，FFUART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換芯片SP3238,實現兩者之間RS-232接口的電平轉換，PXA 255與CDMA 1X的接口設計框圖如圖4。
圖4 PXA 255與CDMA 1X通信模塊接口
5 軟件流程設計
嵌入式系統軟件設計部分主要包括操作系統，驅動程序，應用程序。操作系統我們選用Redhat9.0版本進行定制裁減，驅動程序主要是串行口驅動，應用程序主要是撥號程序。開發這些軟件要根據嵌入式開發流程來建立開發環境。
5.1 軟件開發環境建立
基于嵌入式Linux開發環境一般由目標系統硬件開發板和裝有Linux桌面版的主機平臺PC組成。我們這里用的是Redhat9.0的版本。目標系統硬件開發板用來運行嵌入式操作系統Linux、用戶系統應用程序等，而主機平臺用來嵌入式操作系統內核編譯，文件系統的制作和系統應用程序開發和調試等。雙方通過串口、并口或者以太網口等建立連接關系。
圖5.1 系統工作執行流程圖
5.2 系統工作執行流程圖
系統工作開始工作時，執行流程如圖5.1所示，首先通過供電單元提供的電源進行系統上電，接著啟動Bootloader，然后開始加載嵌入式Linux的系統內核，接下來進行外設模塊的初始化進程，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，如果外設未初始化成功，將重新進行初始化，成功后準備接入無線網絡；開始加載網絡協議（Point-To-Point Protocol、TCP/IP），加載成功后運行用戶應用程序，系統使用結束后，關閉主程序，系統執行結束。
圖5.2 無線接入網絡流程
該無線通信終端接入Internet后，就能夠進行通過互聯網承載的應用。無線接入網絡的流程如圖5.2所示。系統啟動，操作系統載入后，首先初始化CDMA 1X無線模塊，進行端口終端設置和波特率設置，波特率一般設置為115200bps；模塊初始化完畢后，進入撥號等待狀態，因為該無線通信終端在功能上映射為無線Modem，所以登陸網絡需要進行撥號連接，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，則調用Internet服務程序，如網絡瀏覽器、用戶應用程序等；最后使用Internet結束后，關閉無線連接。
5.4 串口驅動分析
Linux操作系統對串口提供了很好的支持，嵌入式Linux也保留了這些功能。我們設計串口應用時，進行的串口操作主要是：設置串口、打開和關閉串口以及讀寫串口（收、發數據）；最基本的設置串口包括波特率設置，效驗位和停止位設置。在驅動代碼開發時，需要定義一些結構體，用它來實現上層抽象操作和底層具體操作的聯系，它應該包括串口初始化函數、打開函數、關閉函數、接受函數、發送函數；編寫驅動代碼就是實現這些函數。
6 結束語
該系統設計已應用到具體項目之中,在網絡性能良好的狀況下,能達到115200bps的網絡連接速率.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，能夠接入Internet網絡，從而實現多種應用，如遠程數據傳輸、無線監控等。隨著無線通信技術領域和用戶市場的不斷發展，無線通信終端接入系統在交通路況監控、林業森林養護、工業現場數據傳輸、遠程圖像傳輸等方面將會有更大的前景。
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