1系統(tǒng)硬件平臺設計與實現(xiàn)
1.1 終端硬件平臺總體介紹
本文的終端平臺的無線接入模塊采用西門子最新推出的 MC39i模塊，并以 32位基于ARM920T的微處理 S3C241OX為核心。按照功能分類，本文所實現(xiàn)的硬件平臺主要由微處理器單元、存儲器單元、串口通訊單元、USB接口單元、電源單元、GPRS通訊模塊單元以及JTAG接口單元組成，硬件總框圖如圖 1所示。
1.2 嵌入式微處理器單元
本文硬件平臺的 CPU采用的 Samsung的基于ARM920T內核的 S3C2410X微處理器，該微處理器是 Samsung公司為手持設備和一般類型應用提供一種低價格、低功耗、高性能小型微控制器的解決方案。S3C2410X采用了 0.18um工藝的 CMOS標準宏單元和存貯器單元。它的低功耗、精簡和出色的全靜態(tài)設計特別適用于對成本和功耗敏感的應用。
S3C2410X的顯著特性是它的 CPU核心，是一個由 Advanced RISC Machine(ARM)有限公司設計的 16/32位的高速緩沖體系結構。這一結構具有獨立的 16KB指令 Cache和 16KB數(shù)據 Cache，每個都是由 8字節(jié)長的行構成。通過提供一系列完整的系列外圍設備， S3C2410X大大減少了整個系統(tǒng)的成本，消除了為系統(tǒng)配置額外器件的需要。
1.3 GPRS模塊 MC39i
MC39i是西門子公司最近推出的新一代雙頻 GSM/GPRS通訊模塊的無鉛產品，它簡潔的封裝是很多應用系統(tǒng)中無線高速數(shù)據傳輸?shù)睦硐虢鉀Q方案，可以進行數(shù)據、語音、SMS和FAX各個方面的應用，且功耗低。它為用戶提供了永遠在線、高速度、更簡單的移動數(shù)據通信接入手段。MC39i具有豐富的 AT指令，功能強大，操作靈活方便，是繼 GPRS手機外有一種非常重要的 GPRS移動通信系統(tǒng)的終端設備。它的出現(xiàn)給 GPRS的發(fā)展注入了新的活力。
MC39i具有體積小、重量輕、功耗低等特點。MC39i的工作電壓為 3.3伏一 4.8伏，典型電壓為 4.2伏。最大工作電流為 2安。模塊可以工作在 EGSM900和 GSM1800兩個頻段。工作于 EGSM900時功耗為 2瓦，工作于 GSM1800時功耗為 1瓦。利用 AT指令進行控制，支持文本和 PDU模式的短消息、第三組的二類傳真。模塊常用的工作模式有省電模式、IDLE、TALK、數(shù)據等模式。通過獨特的 40腳的連接器(ZIF)實現(xiàn)電源連接、指令、數(shù)據、語音信號及控制信號的雙向傳輸。
MC39i模塊主要由 GSM基帶控制器、射頻模塊、供電模塊、閃存、ZIF連接器、射頻功率放大器、天線接口六部分組成。
1.4 存儲器單元設計
本系統(tǒng)的外部存儲器主要由非易失性存儲器 Flash和易失性存儲器 SDRAM構成，其中Flash用來存放需要固化的程序，如操作系統(tǒng)和 BootLoader等，掉電后不易丟失，而 SDRAM相當于 PC機的內存，用來運行系統(tǒng)和程序，掉電后易消失。
本終端的存儲系統(tǒng)包含 8MB Flash存儲器和 32M SDRAM。其中 8M的 Flash用來存放內部啟動代碼、Linux內核以及初始化的 ramdisk映像。剩余的存儲空間可存放用戶程序。本文采用的 Flash為 Intel公司的28F640J3A，BGA封裝。這塊芯片有 23根地址線，16根數(shù)據線，容量為8MB，128KB的可擦除塊;擦除塊之間相互獨立，每一塊的擦除操作可在 1s內完成，并可單獨被擦寫 100000次;支持8位及16位兩種數(shù)據寬度工作模式。在采用8位數(shù)據寬度模式時，有效地址線為AO-A22;采用 16位數(shù)據寬度模式時，有效地址線為Al-A22。在此我們采用 16位數(shù)據寬度模式。我們把 16位數(shù)據寬度的 Flash存儲器映射到 S3C2410X的 ROM Bank()。
2 基于GPRS的終端設計
目前硬件上的實現(xiàn)方案有兩種，二者各有優(yōu)缺點，分別敘述如下: 方案1:使用 TCP/IP協(xié)議芯片。 此方案利用了硬件協(xié)議棧，由單片機調用指令控制芯片，其系統(tǒng)結構如圖 2所示。
本方案對處理器性能的要求相對不高，因為協(xié)議棧的工作交給 TCP/IP協(xié)議芯片去完成。 處理器通過調用協(xié)議棧接口函數(shù)可以較方便地連接上網，繼而再加上 GPRS通訊模塊就可以實現(xiàn)遠程無線傳輸。本設計方案的優(yōu)點是開發(fā)時間短，硬件上是成熟的芯片，運行比較穩(wěn)定。但是本方案的缺點是硬件體積會相應增大，成本也較大。 方案2:嵌入式操作系統(tǒng)。
此方案利用了包含完整 TCP/IP協(xié)議棧的嵌入式操作系統(tǒng)來控制整個系統(tǒng)的運行。由于引入了操作系統(tǒng)，因此本方案比較適合于系統(tǒng)資源豐富的高速 16/32位嵌入式系統(tǒng)使用。其系統(tǒng)結構示意圖如圖 3所示。
本設計方案不需要外加TCP/IP協(xié)議轉換芯片，所以硬件體積小，成本少。但是開發(fā)時間長，需要做大規(guī)模的軟件上的工作(比如操作系統(tǒng)的嵌入、TCP/IP協(xié)議棧、PPP協(xié)議的處理等都需要在一個處理器中完成)，對開發(fā)者要求很高。另外還要做大量的測試。 基于以上兩種方案，GPRS終端相當于Modem，用于連接設備和Internet網絡。利用GPRS網絡與分組數(shù)據網絡互聯(lián)互通的特性，實現(xiàn)了將設備接入最大的PDN網絡Internet。設備與GPRS終端之間采用串行接口通訊，在GPRS終端連接上網絡后，設備即可以通過其來實現(xiàn)與Internet上的主機進行數(shù)據通訊，GPRS終端透明收發(fā)數(shù)據。這種實現(xiàn)方法類似于使用家用PC做代理接入的方式，只是這里采用了無線方式，網關改為GPRS終端。
3 系統(tǒng)軟件設計
基于GSM/GPRS的無線數(shù)據傳輸模塊設計的目的是為無線網絡通信應用提供一個簡單實用的平臺，須在模塊內嵌TCP/IP協(xié)議棧，實現(xiàn)了數(shù)據在用戶終端和服務器之間的透明傳輸，使用戶可以方便地應用，實現(xiàn)遠程的無線數(shù)據傳輸。無線數(shù)據傳輸模塊的軟件結構框圖如圖4所示。
本系統(tǒng)中ETR186底層的硬件驅動已由英創(chuàng)公司做好并提供了豐富的接口，其中COM2口提供給MC35i通信使用，并提供相關例程演示通過COM2如何和無線模塊進行通信。因此該系統(tǒng)軟件部分主要是需要實現(xiàn)PPP協(xié)議、IP協(xié)議及TCP/UDP協(xié)議，并為應用程序提供一個簡單易用的接口。在此重點介紹TCP/UDP協(xié)議。
3.1 TCP/IP協(xié)議介紹TCP/IP協(xié)議集是當今使用最廣泛的Internet體系結構，根據相關協(xié)議標準，可把TCP/IP
協(xié)議集劃分為四個相對獨立的層次:網絡接口層、網絡層、傳輸層和應用層。
網絡接口層負責與物理網絡的連接，支持現(xiàn)有網絡的各種接入標準，如.X25分組交換網、DDN、ATM網、以太網(Ethernet)、PPP(Point-to-Point Protocol，點到點協(xié)議)、SLIP等。在本系統(tǒng)中將使用 PPP協(xié)議。
網絡層即 IP層，它主要完成的功能是:從底層來的數(shù)據包要由它來選擇繼續(xù)傳給其他網絡結點或是直接交給傳輸層;對從傳輸層來的數(shù)據包，要負責按照數(shù)據分組的格式填充報頭，選擇發(fā)送路徑，并交由相應的線路發(fā)送出去。
傳輸層提供端到端應用進程之間的通信，其對高層屏蔽了底層網絡的實現(xiàn)細節(jié)，同時它真正實現(xiàn)了源主機到目的主機的端到端的通信。傳輸層傳送的數(shù)據單位是報文。
在應用層用戶通過API(應用進程接口)調用應用程序來運用因特網提供的多種服務。應用程序負責收發(fā)數(shù)據，并選擇傳輸層提供的服務類型，按傳輸要求的格式遞交。
3.2 系統(tǒng)初始化
為了能利用 TCP/PI協(xié)議進行數(shù)據傳輸，必須對系統(tǒng)的硬件和軟件進行初始化。圖 5為系統(tǒng)初始化部分的流程圖。
(1)系統(tǒng)軟件在開始時首先需要通過檢查 0x90端口的輸入電平是否為高來判斷 MC35i模塊是否正常上電。若未能正常上電，軟件將通過 0x90端口的輸出使 MC35i模塊上電。
(2)MC35i模塊上電后，軟件將在內存中開辟一個緩存區(qū)做為包括PPP、IP、TCP、UDP等協(xié)議的數(shù)據緩存區(qū)，做為該緩存區(qū)內數(shù)據存放方式采用雙向鏈表的方式。
(3)為了 TCP協(xié)議實現(xiàn)中能夠進行超時檢測，軟件利用 R8822CPU模塊的內部定時器安裝一個 20ms的時鐘中斷。
(4)ETR186通過其串口 COM2和 MC35i模塊連接，軟件通過安裝串口中斷進行和 MC35i模塊的數(shù)據傳輸。
(5)完成上述操作后，系統(tǒng)就可以利用 AT命令登錄 GPRS網絡。不成功就進行重試，超過重試次數(shù)后出錯報告。
(6)最后進行 PPP鏈路的連接。
4 小結:
本文作者創(chuàng)新點是將嵌入式Linux系統(tǒng)技術與 GPRS無線通信網絡有機的結合在一起。平臺采用無線模塊MC39i，結合終端的嵌入式硬件結構和軟件環(huán)境，為終端上實現(xiàn)無線應用提供了一個可行的實現(xiàn)途徑。經實驗驗證，該終端平臺能有效的將采集到的數(shù)據通過GPRS網絡，傳輸至遠程服務器中心主機，也能接受服務器中心主機發(fā)送的命令，再根據命令的內容進行相應的操作，達到實現(xiàn)無線數(shù)據傳輸。