（通信与信息系统专业论文）基于tc351的移动通信终端的研究与实现.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 在日新月异的今天，随着科技的进步，人们的生活质量一步步提高，生命 和财产的安全问题越来越引人关注。当前中国经济持续的高速增长及城市化进 程的日益加快，每年数以万计的城市高楼如雨后春笋般拔地而起，别墅豪宅也 越建越多，然而城市高层楼宇遭遇灾害逃生难、救援难，在高层楼宇中生活、 办公安全感普遍缺失，别墅豪宅一旦发生火灾等灾害损失巨大。尽管现在在市 面上已经存在很多的应急通信系统，但是在出现紧急情况时，这些系统都很难 达到准确及时的向相关人员、单位传递信息，很多情况下都是要进行人工信息 传递，浪费了时间，增大了损失。而且，一般的应急通信系统都是受到诸多条 件限制，特别是有线的限制，很多系统都需要专门拉一条线路来达到信息传递 的功能。像这种有线的信息通信系统很容易遭到破坏，很多居民楼和商务中心 都是采用集中放置配线箱，如果歹徒先打开配线箱把线缆破坏，系统就不可能 起到作用了。 本文采用g s m 无线网络作为信息通信系统的传输媒介，它与传统的线路比 较，更加安全稳定，覆盖面广，并且也省下了组建专门的线路的费用，更没有 后期对线路的维护。本系统是利用嵌入式处理器通过a t 指令来控制g s m 模块， 使用g s m 网络的语音通话和短消息来实现相应的功能。设计了g s m 模块的外 围电路以及通过q t 设计的具有良好用户体验的运行界面的应用程序。当出现紧 急情况时，用户可以通过触摸屏，点击相应的一个图标就可以快速的把信息传 递到相应人员手机中或者信息中心，这样就可以及时得到救援，让损失减d , n 最少。 本文完成了系统的总体设计和详细设计，硬件上分电源、开机启动、信号 显示和来电提醒、串口通信、s i m 卡座模块，软件功能模块包括拨号模块、短 消息模块、通讯录模块、通讯记录模块、呼入呼出模块、双音多频模块。硬件 方面给出了相应的逻辑电路图，软件上有这些功能模块的流程设计。最后本文 对课题的研究进行了总结，提出了课题相关的不足之处，并对未来进行了展望。 关键词：a r m ，嵌入式，g s m ，q t ，串口通信 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t n o w a d a y s ，丽mr a p i d l yc h a n g i n ga n dt e c h n o l o g ya d v a n c e s ，t h eq u a l i t yo fl i f e s t e pb ys t e pi m p r o v et h el i f ea n dp r o p e r t ys a f e t yo fg r o w i n gc o n e e m a l o n gw i t ht h e c o n s t a n tr a p i dg r o w t ho fc h i n e s ee c o n o m ya n dt h e i n c r e a s i n g l ya c c e l e r a t i o n o f c h i n e s eu r b a n i z a t i o np r o c e s s ，t h o u s a n d so ft a l lb u i l d i n g sa r eb u i l te v e r yy e a r , a sw e l l a sm o r ev i l l a sa n dl u x u r yh o u s e s h o w e v e r , p e o p l el i v i n ga n dw o r k i n gi nt a l l b u i l d i n g sb e g i nl o s i n gt h e i rs e n s eo fs a f e t yf o rt h ef a c tt h a ti ti sd i f f i c u l tf o rt h e mt o e s c a p ea n dt ob er e s c u e ds h o u l dd i s a s t e rt a k ep l a c ei ns u c he n v i r o n m e n t a n di fa d i s a s t e rl i k ef i r ea r i s e si nav i l l ao rl u x u r yh o u s e ，i tw o u l dc a u s eg r e a tl o s s e s a l t h o u g ht h e r ea r em a n ye m e r g e n c yc o m m u n i c a t i o ns y s t e mi nt h em a r k e tn o w , t h e s e s y s t e m sa r ed i f f i c u l tt oa c h i e v ea c c u r a t ea n dt i m e l yt ot h er e l e v a n tp e r s o n n e lw h e ni n t h ee v e n to fa ne m e r g e n c y , w h i l ei nm a n yc a s e s ，t h ei n f o r m a t i o ni sn e e d e dt ot r a n s m i t b ym a n u a lw o r k , s ot h i ss i t u a t i o nh a sl e dt oaw a s t eo ft i m e ，i n c r e a s e st h el o s s m o r e o v e r , t h eg e n e r a le m e r g e n c yc o m m u n i c a t i o n ss y s t e m sa l es u b j e c tt om a n y c o n d i t i o n s ，e s p e c i a l l yt h ec a b l er e s t r i c t i o n s ，a n dm a n ys y s t e m sr e q u i r es p e c i a l i z e dt o p u l la l i n et oa c h i e v et h ef u n c t i o no ft h et r a n s m i s s i o no fi n f o r m a t i o n n l ew i r e d c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m sa r ev u l n e r a b l et od a m a g e ，a n dal o to fr e s i d e n t i a lb u i l d i n g s a n db u s i n e s sc e n t e r sa r ec e n t r a l l yl o c a t e dw i r i n gb o x ，i ft h ec r i m i n a l sf i r s tt oo p e nt h e w i r i n gb o xt ot h ec a b l ed e s t r u c t i o n ，t h es y s t e mc a nn o tw o r k 砀et h e s i su s e st h eg s mw i r e l e s sn e t w o r kt r a n s m i s s i o nm e d i u ma sa n i n f o r m a t i o nc o m m u n i c a t i o ns y s t e m c o m p a r i n gw i t ht h et r a d i t i o n a lt r a n s m i s s i o n m e d i u m ，t h i sm e d i u mi sm o r es e c u r ea n ds t a b l e ，w i d ec o v e r a g e ，a n da l s os a v et h e c o s t so fs e tu pad e d i c a t e dl i n e ，b u tn o tt h em a i n t e n a n c eo ft h el a t t e rl i n e t l l i ss y s t e m i si nt h e u s eo fe m b e d d e dp r o c e s s o r st h r o u g ha tc o m m a n d st oc o n t r o lag s m m o d u l e ， a n dt a k et h eg s mn e t w o r kf o rv o i c ec a l l sa n ds h o r tm e s s a g et ot h ec o r r e s p o n d i n g f u n c t i o n t h ep e r i p h e r a lc i r c u i to ft h eg s mm o d u l ei sd e s i g n e da n da r u nw i mag o o d l a s e re x p e r i e n c ei sd e s i g n e db yq ti n t e r f a c ea p p l i c a t i o n w h e na l le m e r g e n c yo c c u r s ， t h eu s e rv i at h et o u c hs c r e e nt oc l i c ka ni c o nt h a ty o uc a nq u i c k l yp a s si n f o r m a t i o nt o t h ea p p r o p r i a t ep e r s o n n e lp h o n eo ri n f o r m a t i o nc e n t e ra n dg e tr e l i e fi nat i m e l y m a n n e r , t or e d u c et h el o s s e st oam i n i m u m i i 武汉理工大学硕士学位论文 t h eo v e r a l ls y s t e md e s i g na n dd e t a i l e dd e s i g ni sc o m p l e t e d t h ee n t i r es y s t e m i n c l u d e sh a r d w a r ei n c l u d e dp o w e r b o o ts i g n a l sa n dp h o n ec a l l st or e m i n d ，s e r i a l c o m m u n i c a t i o n , s i mc a r dm o d u l e ，a n ds o f t w a r em o d u l e s ，i n c l u d i n gd i a l - u pm o d u l e ， s h o r tm e s s a g em o d u l e ，c o n t a c t sm o d u l e ，t h el o gm o d u l e ，i n b o u n da n do u t b o u n d m o d u l e s ，d u a l t o n em u l t i - f r e q u e n c ym o d u l e h a r d w a r eg i v e st h ec o r r e s p o n d i n gl o g i c c i r c u i td i a g r a m s ，a n ds o f t w a r ep r o c e s sd e s i g no ft h e s ef u n c t i o n a lm o d u l e s f i n a l l y , t h i st h e s i sh a ss u m m a r i z e dt h et o p i cr e s e a r c h ，p r o p o s e dt h et o p i cr e l a t e dd e f i c i e n c y , a n dh a sc a r r i e do nt h ef o r e c a s tt ot h ef u t u r e k e y w o r d s ：a r m ，e m b e d d e dt r r p e ，g s m ，q t ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o n i i i 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题背景和意义 第1 章绪论 随着我国社会、经济的高速腾飞，人民生活质量的日益提高，在人们安全 意识大大增强的同时，智能通信技术得到了很大的发展，其行业的前景也在不 断增强。但是随着社会的人口流动性的增大、社会秩序和社会结构日益复杂， 许多与生命财产安全有关的社会问题层出不穷，对人们的生活造成了极大的影 响，致使人们对生命和财产的安全问题有了空前的关注和焦虑i l 】。 虽然现有的防盗应急系统和保险系统在物理上材质是很坚固的，但是，还 是不能真正意义上起到有效的保护和提示相关人员的作用，这种简单地防盗应 急系统其实是不安全的。长期以来，由于过分依赖机械锁的防盗系统，人力有 时很难进行监督的许多分布比较分散的商店、仓库、别墅、酒店，还是频频遭 到抢劫，时有重大消防安全事故发生。 智能化通信系统的使用可以有效的防止这些意外情况的发生，并能降低这 些意外情况发生所造成的损失。随着国家对智能化建筑的推广和普及，智能化 的通信系统成为了生命与财产安全的一个重要组成部分。所以，智能化通信系 统就有了很大的机会应用在各种住宅和商务建筑的安全防护方案上。在此基础 上，开发利用电子无线通信的核心技术来开发系统，电子通信设备是必行之路， 它改变了传统的被动式防盗报警系统的缺点与不足，有了此类应急通信系统， 可以有效的及时的通知相关人员和部门，及时防止意外的发生和保护人员的安 全和财产的安全，提高了安全性，使用简单、价格低廉，市场应用前景广阔。 本课题研究实现的移动通信终端可用于智能家居系统、远程监控系统等领 域。本课题来源于“家用商务智能保险舱 ，属于智能家居系统的范畴。 1 2 国内外发展状况及趋势 1 2 1 国外发展状况 自从上世纪8 0 年代世界上第一幢智能建筑在美国出现后，美国、加拿大、 武汉理工大学硕士学位论文 欧洲和东南亚等经济比较发达的国家先后提出了各种智能家居的方案。智能家 居在美国、德国、新加坡、日本等国都有广泛应用。 在1 9 9 8 年5 月新加坡举办的9 8 亚洲家庭电器与电子消费品国际展览会上， 推出了新加坡模式的家居智能化系统，在场内模拟了未来之家。它的系统功能 包括安防报警功能、家电控制功能、三表抄送、监控中心、有线电视接入、电 话接入、可视对讲、家庭智能控制面板、住户信息留言能、宽带网接入、智能 布线箱和统一软件配置等功能i l j 。 这种“未来之家 型的家居智能化系统，真正启动市场化尚需时日。当前， 美国己有大约4 万家庭安装了这一类的“智能化家居系统 ，在新加坡有大约3 0 个住宅小区将近5 0 0 0 户的家庭采用了“智能化的家居系统 ，可以预想，这一 类智能化系统设备将会安装在有更多的家庭中。目前美国已经销售超过了1 亿 个占据市场化主流的产品，其应用多为旧房改造，为单体别墅设计。仅在美国， 这些产品就被4 0 0 多万个用户所使用。但这些产品技术限制较多，并不适合在 我国原样照搬使用。三星已经在中国和韩国推出了智能家居系统，通过机顶盒 与网络，将安防设备以及娱乐和信息中心这四部分集成一个全面的，面向向宽 带互联网的家居控制网络。 根据统计资料显示：1 9 9 5 年，一个美国家庭安装家庭智能设备的平均费用在 7 0 0 0 到9 0 0 0 美元之间。最近这几年，家庭自动化的市场年增长速度非常快。2 0 0 4 年，家庭网络市场总额达5 7 亿美元，至2 0 0 6 年年底国际智能家居产品的销售 总额达到了1 8 4 亿美元，到2 0 0 8 年可以达6 4 8 亿美元。 由于智能家居的巨大市场和诱人前景，尽管国外市场真正启动也尚需时日， 但这并不能阻止企业去争抢智能设备市场。虽然各个公司的策略各不相同，但 它们都坚持同样的信念：智能家居是一个巨大的市场例。 1 2 2 国内发展现状 在国内，我国的智能化设备发展相对较晚。至今，智能家居已经经历了几 年的发展，从人们最初的梦想，到今天真实的走进我们的生活，经历了一个艰 难的过程1 3 j 。 智能化家居系统在国内的发展特点刚： ( 1 ) 市场潜力大，我们知道现在的房地产业在全国的发展都很火爆，为其下 游产业，智能家居市场前景非常乐观。 2 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 智能家居产业处于引导期，没有一个统帅品牌和领军企业，市场处于无 序竞争期。这个产业各自为政，没有一个统一标准，各种技术力量重投入，致 使在这个基础上的家庭网络产品五花a i 、- ，但多数产品是大同小异，行业内各 企业的竞争处于无序状态。 ( 3 ) 智能家居行业市场远未成熟，大规模的价格战、广告战和服务战没有爆 发，市场份额较为分散，市场的认知和接受程度较低，市场尚处于个需要逐步 培育和引导的阶段。与产品的服务供应商的争先恐后相比，智家居产品进入用 户终端的步伐略显迟缓。 ( 4 ) 面对着巨大智能家居市场的需求，市场区域也存在着不均衡的状态以华 东、华南等经济较发达的地区为主要的市场需求区域，而西南、西北区的市场 份额相对较低，这主要与居民的总体消费水平有关。 由上述国内外发展情况来看，信息家庭将是日后家居生活发展的方向。尽 管我国信息家庭研究在有关核心技术、独立产品等多方面落后于发达国家，但 由于国内外都处于探索阶段，尚未形成垄断，同时国内又有潜在的庞大的消费 群体。因此，国内相关产品制造商及研发机构正面临难得的市场机遇【5 】5 。 1 3 本文的主要工作内容 本论文的主要工作内容主要分为以下几个过程： ( 1 ) 系统的整体需求和方案设计。通过对现阶段主流的嵌入式硬件和嵌入式 系统的研究，了解当下的嵌入式通信终端发展现状。在研究的基础上，明确需 求，设计出系统的整体方案。 ( 2 ) 系统的硬件设计。首先在需求和整体方案的基础上，对硬件的核心芯片 进行选型，选择能够满足本系统的需求的性价比比较高的芯片方案；其次为核 心芯片设计外围电路使之能够正常工作；最后整合所有的电路，使得需求的功 能得以实现。 ( 3 ) 系统的软件设计。首先选取开发平台，使用合适的开发工具和调试工具 建立开发环境；然后对对整体的软件构架进行设计，规划好软件开发的步骤和 安排；最后编写相应的应用程序和上层界面。 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 论文的章节安排 本次的毕业论文是以“保险舱智能电子系统为背景来完成的，分为六章 来阐述。 第一章绪论，主要介绍课题的背景和意义、国内外的研究现状，以及文本 的主要工作内容；一 第二章嵌入式技术与g s m 网络，主要介绍嵌入式系统的特点、a r m 平台 和g s m 无线网络； 第三章系统总体方案设计，说明系统的需求、对g s m 模块的介绍和选择、 系统的体系结构； 第四章硬件设计与实现，主要介绍g s m 模块和嵌入式处理器的性能特点以 及对它们的外部电路进行设计与实现； 第五章软件设计与实现，先介绍了基本的开发环境、a r 指令和相关编码理 论，然后对软件应用程序进行设计和实现； 第六章总结与展望，对本论文进行总结，总结本系统的一些成果，指出系 统的一些不足，并对后续的研究工作进行展望。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章技术分析及系统总体方案设计 目前普通的应急通信系统都是采用有线的介质来与外界进行通信，但是这 种通过有线介质的方式可以被很容易遭到破坏或者由于使用时间过长导致有线 介质老化，可靠性得不到保障。针对这种问题，本系统采用当下最普遍的g s m 网络来与外界通信，开发报警系统，就可以使遭受破坏的可能性降到最低，极 大地增加了报警系统的安全性、可靠性和及时性。 还有，大多数的报警系统都只能进行简单地单向通信报警，不能知道报警 的详细情况和目前的实时状态。本系统采用g s m 无线网络来实现双向通信，在 实现一般报警系统的简单报警的基础上还可以进行全双工通信，使得报警更人 性化。 2 1 嵌入式系统介绍 尼葛洛庞帝2 0 0 1 年访华时预言“4 到5 年后，嵌入式智能电脑将是继p c 和 i n t e r n e t 后的最伟大发明! 。如今，嵌入式系统已成为当今最为热门的领域之 一，它迅猛的发展势头引起了社会各界人士的关注【6 】。 2 1 1 嵌入式系统概念 事实上，在很早以前，嵌入式这个概念就已经存在了。在通信方面，嵌入 式系统在2 0 世纪6 0 年代就用于对电子机械电话交换的控制，当时被称为“存 储式程序控制系统”( s t o r e dp r o g r a mc o n t r 0 1 ) 。按照通用、本身和历史的要 求，我们可以定义嵌入式系统为“一种嵌入到某种体系中的专业的计算机系统”。 简单的说就是系统的应用软件与系统的硬件一体化，类似与b i o s 的工作方式。 具有代码精简、反应快速、高度自动化等特点【6 】。 2 1 2 嵌入式系统特点 ( 1 ) 面向特定应用的特点。通用型系统和嵌入式系统的最大区别就在于：嵌 入式系统大多数工作在为特定用户群设计的系统中，因此它通常都具有低功耗、 5 武汉理工大学硕士学位论文 体积小、集成度高等特点，并且可以满足不同应用的特定需求。 ( 2 ) 嵌入式硬、软件都必须进行高效地设计，尽量在同样的半导体面积上实 现更快的速度和更强劲的性能，这样在具体的实际应用中才能表现的更为出色。 ( 3 ) 嵌入式结合了先进的电子、半导体、计算机技术与各个行业的具体应用 后的产物。这一点就决定了它必然是一个需要复合多种知识的系统。 ( 4 ) 嵌入式系统的程序一般都不是在磁盘中存储而是固化在芯片存储器或 单片机本身的存储中，这样可以提高系统可靠性和程序的执行速度。 ( 5 ) 嵌入式的应用程序代码对质量和可靠性都有很高的要求，这样嵌入式设 备才能在恶劣条件或者无人看管的情况下稳定的工作。 ( 6 ) 开发嵌入式系统必须有一套开发环境和工具，嵌入式本身的软件是不具 备二次开发能力的，一般用户是不能直接修改应用程序的功能的。 2 1 3 嵌入式系统的体系结构 嵌入式系统是一类特殊的计算机系统，一般包括以下3 个方面：硬件设备、 嵌入式操作系统和应用软件。其结构关系如下图2 一l 所示。 应用软件 j 亡 弋夕 嵌入式操作系统 j 亡 弋夕 硬件设备 i 嵌入式处理器 | 外围设备 l 图2 1 嵌入式体系结构图 硬件设备包括嵌入式微处理器和相关的外围硬件。嵌入式处理器是嵌入式 系统的核心部分，它一般工作在为专门应用环境所设计的应用中，它将许多功 能集成到芯片内部，而通用处理器中的这些任务都是由许多由板卡完成的，这 样对于可靠性和提高效率具有很大作用，而且对于设计系统微小化也有很大帮 助。 嵌入式系统中用于完成辅助功能：显示、存储、通信、调试等的其他部件 6 武汉理工大学硕士学位论文 称为外围设备。目前常用的嵌入式外围设备按功能可以分为三类：显示设备、 通信设备、存储设备。 嵌入式在发展的第三阶段产生了操作系统的概念。嵌入式操作系统可以管 理大量的系统资源，对底层硬件提供软件驱动程序，对上层应用程序提供库、 图形界面等接口，除了具有一般通用系统的特点外，还具有其他一些专用的特 性。 嵌入式系统的应用软件是针对特定环境、特定用户、特定用途的，要求做 到可靠、精准、专一等特点，而且要求硬件成本低、系统资源消耗小，以尽可 能是系统的资源最大化利用。 2 1 4 嵌入式系统的类型 几种主流的嵌入式操作系统【6 j ： ( 1 ) 嵌入式l i n u x 嵌入式l i n u x ( e m b e d d e dl i n u x ) 是指对标准l i n u x 经过精简处理之后，进行 小型化，能够固化在具有很小容量的单片机、芯片存储器中，这种系统特别适 合于特定的应用场合。由于l i n u x 本身的卓越特定，目前大约有一半成功的嵌 入式系统使用的是l i n u x 系统。 嵌入式l i n u x 具有跨平台、成本低、对网络具有良好的支持等优点。除此以 外，嵌入式l i n u x 还在l i n u x 基础上改进了系统的实时性并对内核进行了优化改 造，这样就可以更好地适合于开发。 ( 2 ) v x w o r k s v x w o r k s 操作系统是美国温瑞尔公司于1 9 8 3 年设计开发的一种嵌入式实时 操作系统( r t o s ) ，是嵌入式开发环境的关键组成部分。良好的持续发展能力、 高性能的内核以及友好的用户开发环境，在嵌入式实时操作系统领域占据一席 之地。v x w o r k s 支持几乎所有现代市场上的嵌入式c p u ，包括x 8 6 系列、m i p s 、 p o w e r p c 、f r e e s c a l ec o l d f i r e 、i n t e li 9 6 0 、s p a r c 、s h _ 4 、a r m 、s t r o n g a r m 以及x s c a l ec p u 。 v x w o r k s 是一个闭源系统，所以它的功能有些滞后，而且使用都需要支付 大量的使用和专利费。 ( 3 ) q n x q r c x 系统具有高可靠性和实时性的特点，它有完全的地址保护和微内核， 7 武汉理工大学硕士学位论文 具有极其独特的实时平台，是业界一致认定的最好x 8 6 的操作系统之一。 ( 4 ) w i n d o w sc e w i n d o w sc e 为微软公司的产品，它是一个开放的嵌入式系统，是由w i n d o w s 9 5 精简而来，并且是一个3 2 位的可升级的系统。但是使用它也需要支付高额的 费用。 2 2g s m 无线网络 全球移动通信系统( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ) ，即g s m ，是 现今使用最为普遍的手机通信标准，g s m 是世界上主要的蜂窝系统之一，它属 于2 g 移动通信技术标准。该标准的使用让全球用户可以在各个运营商之间很容 易漫游，不用担心跨区域移动电话的使用问题，用户可以使用一部手机走遍全 球。该标准在全世界有十多亿人超过两百多个国家正在使用1 3 。 上世纪8 0 年代，诞生了第一代移动通信技术，但是由于各个国家和地区的 通信标准不兼容，导致用户不能在很多使用其他标准的地区使用手机，这样让 用户觉得很不方便。为了解决这个问题，第二代移动通信标准开始提上日程， 西方国家成立了“全球移动通讯系统”移动专家组织来负责下一代的技术研究 【9 】 o 8 0 年代末，西方国家的相关国家制定了几项g s m 最为关键的技术。在9 0 年代初完成了第一版的g s m 标准。并在9 0 年代开始实际的商业运营，随着用 户的大量增长，在2 0 0 5 年，g s m 网络用户数超多了十五亿人。 在g s m 系统的快速发展过程中，它提供的服务越来越多样化。先后发展出 了短消息服务、传真和数据通信业务、w a p 协议、g p r s 技术、e d g e 技术， 不断丰富着g s m 网络的功能。 在1 9 9 0 年，g s m 技术标准被成功引入我们国家。随着该系统的不断发展， 我们人民的生活水平不断提高，我国现已形成了全球最大的g s m 通信网络系统， 并且我国的g s m 网络系统已经非常稳定，可以提供相当多的价格低、通信方便 的业务。因此通过g s m 网络来进行远程通信是个很好地方案。 如今，g s m 标准还在被3 g p p 组织发展，这样就可以方便的使用大量已经 存在的g s m 基础设施设备，逐渐地向3 g 技术演进。 g s m 第二代无线通信系统是完全根据e t s i 组织确立的技术规范制定的， 它是面向未来而设计的，具有开放式的结构特点。 8 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) g s m 系统后面的网络是极其庞大和复杂的，它被分成很多的部分，这样 就可以提供所有的所需的服务，每一部分负责其中的一个功能； ( 2 ) 它能够让全球的g s m 用户自动的进入自动漫游状态； ( 3 ) 所有的系统元素组合出许多的类似语音通话和短信这样的g s m 服务， 它可以开放各种除基本的语音以外的补充业务； ( 4 ) 该系统具有较高的安全性能，用户与基站之间的通讯可以被加密； ( 5 ) 该系统在无线接口上采用时分复用技术( t d m a ) ，语音或数据信号采用 高斯最小频移键控( g m s k ) 方式进行调制，它还支持室内覆盖，通过功率分配器 可以把室外天线的功率分配到室内天线分布系统上，这样可以提高信号质量减 少干扰和回声； ( 6 ) g s m 系统的语音通话质量比较高，话音质量平均意见分值( m o s ) 可达到 3 6 ： 随着科学技术的发展，可以高效地使用当下已经相当成熟的g s m 通信网络 来实现相应的应用，减少有线网络的消耗和通信距离的问题哺j 。 2 3 系统需求 我们在设计一个系统之前，得明确的知道自己在设计什么。我们在设计的 初级阶段，需要用这些信息来指导系统的体系结构和构件的设计。一般与嵌入 式系统开发相关的软硬件概念非常多。可以说它的复杂度不小于p c 。嵌入式系 统商业化的时候，为了降低成本和提高稳定性，会裁减掉很多不必要的功能和 模块。在本课题研究设计的实际过程中，不但需要依据课题的快速开发的实际 需要，而且要结合客户、市场和行业的实际需求，来制定嵌入式总体设计方案。 研发设计的最终目标是满足用户的需求，所以明确需求是很重要的。以下 是用户的功能性需求和非功能性需求。 2 3 1 功能性需求 遇险一键报警：系统装有一个紧急的开关，当遇到险情，触到这个按钮，系 统会主动发送一个救援信息给信息中心并呼叫1 1 9 电话报警。 接打电话：可以在任何时间，只要有g s m 网络信号覆盖，都可以与外界进 行语音通话，由此，用户可以很方便的和外界通话，进行求救或对话。 收发短信：在中控系统上有很人性化的收发短信软件，在舱内可以把中控系 9 武汉理工大学硕士学位论文 统监控的各种信息发送给亲友或者救助方，以使得能够得到更好的救助。 在嵌入式系统下有一个软件界面，能够通过g u i 界面控制g s m 无线通信系 统实现接打语音通话和收发短信。 有一个硬件“呼救”按钮，按下该按钮自动控制应急通信模块报警。并发出 一条求救短信息。 2 3 2 非功能性需求 系统物理尺寸小，轻薄，安装连接简易，稳定性高。 功耗低，可以长时间不问断运行，具有高稳定性。 系统功能完备，易于集成，可在模拟环境下正常工作。 天线与通信模块分离，天线足够短小( 小于a o c m ) ，能够通过延长线较容易安 装至规定位置。 2 4g s m 模块的介绍和选择 要使用g s m 网络，就需要使用g s m 模块。g s m 模块式整个系统的核心， g s m 模块的好坏直接关系到整个系统的性能。 2 4 1g s m 模块介绍 g s m 模块是具有g s m 射频处理、基带处理、独立的操作系统并提供标准 接口的功能模块，模块内部集成有基带处理芯片、g s m 射频芯片、存储器、功 放等器件。因此，该模块可以通过g s m 无线网络进行语音通话和收发短消息等， 基本功能【5 j 。 通常情况下，都是使用a t 指令通过串口连接模块，用单片机或者嵌入式 微处理器来指挥g s m 模块来实现各种网络通信功能，比如语音通话、收发短消 息和拨号无线上网。很多产品都是基于a r m 构架的，大多采用a r m 构架的处 理器来开发相关的应用产品。 在手持终端发展初期，g s m 芯片都是直接提供给电子产品制造厂商。由于 g s m 模块可以提供很多已经设置好的接口，这些厂商拿到这些模块以后就可以 快速的研究开发成一般人可以使用的电子产品，所以这种模块的存在大大缩短 了电子产品的研发周期。不过随着电子技术的发展，我国很多企业也有了相关 技术和研发这种底层芯片和模块的能力。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 现如今，在电子技术飞速发展的今天，g s m 模块也还在工业领域有着广泛 的应用。比如配合一些传感器的远程监控、检测系统、家庭和商务无线报警系 统、车载无线报警系统、远程跟踪器【1 0 1 。可以说，在这个g s m 遍布的时代，基 于g s m 模块的产品无处不在，也将会使用的更加广泛。 2 4 2g s m 模块的选择 目前西门子、w a v e c o m 、s a g e m 、华为、s i m c o m 、b e n q 等品牌的g s m 模 块在国内都有成功的应用。 市面上常用的有w a v e c o mj b 3 5 g d 、b e n qm 2 2 、西门子t c 3 5 i 。 b e n q 是最便宜的g p r s 模块而且带t c p p 协议栈。普通环境及成本高度敏 感的，可以用b e n q 的。车载和工业级的高可靠性应用模块，西门子的模块是比 较好的选择，但是应用在工业和车载方面而又对成本较敏感的话，用w a v e c o m 的模块是比较好的选择。另外需要考虑的是：在选择g p r s 数据通讯时，如果 需要内嵌t c p i p 协议栈的话，这对品牌及型号的选择也是有所影响的，m o d e m 通常而言是g p r s 模块、电源转换、s i m 卡、r s 2 3 2 接口和相关简单的控制电 路所组成。开发嵌入式应用最好直接用模块，开发桌面级应用可以考虑采用成 品“猫”。开发嵌入式应用产品选择模块时，若仅使语音和短信息的功能话，西 门子的t c 3 5 i 是不错的选择。 本系统中仅需要s m s 和语音电话的功能，并且应急通信系统对模块的稳定 可靠性要求比较高，所以t c 3 5 i 是比较好的选择，对本系统来说具有比较高的 性价比。所以g s m 模块选择西门子公司的t c 3 5 i 。 图2 - 2t c 3 5 i 模块正面 图2 3t c 3 5 i 模块反面 武汉理工大学硕士学位论文 2 5 系统体系结构 体系结构包括一组部件以及部件之间的联系。搞清楚系统的体系结构是设 计开发一个系统的基础。从宏观上来研究课题的，把握课题的研究方向，从而 更好地开展后续工作。 系统的整体框图如图2 4 所示。 2 5 1 系统硬件构成 图2 4 应急通信系统总体框图 系统采用友善之臂公司的t i n y 6 4 1 0 作为嵌入式核心处理器，t i n y 6 4 1 0 是基 于a r m ll 构架的芯片$ 3 c 6 4 1 0 的核心处理器，$ 3 c 6 4 1 0 是一款以a r m l1 7 6 j z f s 为核心设计而成的，它内部有高性能的多媒体处理单元，支持多种视频文件并 可以对其进行硬解码，可以输出至多处显示设备；除此以外，还支持o p e n g le s 1 1 & 2 0 加速渲染和强大的2 d 、3 d 图形加速功能，支持多种图形操作1 7 j 。 t i n y 6 4 1 0 采用高密度6 层板设计，尺寸为6 4 5 0 m m ，它继承了1 2 8 m 2 5 6 m d d rr a m ，s l cn a n df l a s h ( 2 5 6 m 1 g b ) 或m l cn a n d f l a s h ( 2 g b ) 存储器， 采用5 v 供电在板实现c p u 必需的各种核心电压转换，还带有专业复位芯片， 通过2 0 m m 间距的排针引出各种常见的接口资源。【l l j 通信系统中采用的g s m 无线通信模块采用的是西门子公司的t c 3 5 i 。 t c 3 5 i 提供r s 2 3 2 接口，该接口可以通过m a x 2 3 2 芯片转换为标准串口与控制 芯片连接。通信终端系统通过g s m 网络和外界进行双向的信息传输。g s m 处 理器为通信终端系统的核心，短信的收发和电话的拨打、接听都是通过发送指 令给g s m 处理器来执行，s i m 卡保证能够成功在g s m 网络上注册，天线提供 通信的信号，语音设备为用户提供语音的输入输出。硬件结构图如图2 5 所示。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 2 5 2 软件体系结构 图2 5g s m 通信模块硬件结构图 应急通信系统中的系统软件是基于q t 编写的一个应用程序，具有人性化的 界面，主要实现收发短信和语音通话的功能，其结构如图2 - 6 所示。 图2 6 系统软件体系结构 本系统的程序主程序为g s mp h o n e ，主程序分为四大子程序，分别为： g s m _ _ c a l l 、g s m _ e o n t a c t 、g s r n _ r e c o r d 、g s m _ s e n d m s g ，其次还有三个子程序： g s m _ c a l l _ i n 、g s m _ c a l l _ o u t 、g s m _ k e y b i o a r d f o r t a l k ，分别为呼入、呼出和通话中 的双音多频按键控制。 总体关系图如图2 7 所示。 武汉理工大学硕士学位论文 2 6 本章小结 图2 7 系统程序总体关系 本章介绍了嵌入式系统的基本特点、体系结构和主要的几种类型；介绍了 g s m 无线网络的发展情况和其结构特点。对嵌入式系统、g s m 网络有了一个初 步的认识。并对系统进行了需求分析，通过对系统的功能性需求和非功能性需 求明确了设计的最终目标，为后面的系统设计打下基础；介绍了g s m 模块的基 本概念及其特点，并对市面上常用的g s m 模块进行了比较，结合系统的需求， 选定t c 3 5 i 作为系统的通信模块；最后，对系统的整体体系结构进行了初步设 计。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章系统的硬件设计与实现 上一章给出了应急通信系统的总体设计方案，该方案的核心是西门子的 g s m 模块t c 3 5 i 和a r m 处理器6 4 1 0 。要使得它们正常工作，需要一定的外围 电路才能正常工作完成相应的功能。本章详细的介绍g s m 模块和a r m 处理器 的引脚和外部特性，结合合理的外部电路，完成硬件通信系统的硬件设计。 3 1g s m 模块t c 3 5 1 3 1 1t c 3 5 i 的性能及其特点 西门子t c 3 5 i 模块是一个工业级g s m 模块，该模块支持中英文短信息，它 采用极其紧凑的超薄设计【8 】，工作在e g s m 9 0 0 和g s m l 8 0 0 双频段，用于遥测、 远程信息处理和电话通讯等方面，比如远程计量、车辆管理、保安系统、p o s 终端和自动售货机。t c 3 5 i 与之前一个版本的模块t c 3 5 兼容，并提供额外的功 能，如s i m 卡应用工具包和扩展的用于工业环境的a t 命令。并且改进了高电 压的限制。 t c 3 5 i 的性能及特点如表3 1 所示。 表3 1t c 3 5 i 性能特点 特征描述 1 ) 低功耗 2 ) 支持数据、语音、短消息和传真 3 ) s i m 应用工具包 4 ) a t 命令集控制 技术特点 5 ) r & t t e 认证、g c f 认证 6 ) s m s - m t m o c b p d u 模式 7 ) 音频：最高速率，升级最高速率和半速率 8 ) 便于集成 1 ) 电源范围为直流3 3 - 4 8 v 电气特性 2 ) 通话模式的峰值电流( t a l km o d eo f p e a k ) ，2 5 a 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 3 ) 通话模式的典型电流( t a l km o d e ) ，3 0 0 m a 9 0 0 m h z 2 7 0 m a 1 8 0 0 m h z 4 ) 空闲模式( i d l em o d e ) 的消耗电流，2 5 m a 5 ) 休眠模式( s l e e pm o d e ) 的消耗电流，3 5 m a 6 ) 关机模式( p o w e rd o w nm o d e ) 的消耗电流，5 0 1 a a 1 ) 2 w - 类别4 ，e g s m9 0 0 输出功率 2 ) 1 w - 类别1 ，g s m18 0 0 1 ) 尺寸：5 4 5x3 6x6 7 5n l n l 2 1 重量：1 7 9 3 ) 环境温度： _ 2 0 0 ct o + 5 5 。c ( g s m1 1 1 0 标准) 机械特性 4 ) 数据特征：c s d 最大达到1 4 4k b p s 、u s s d 、不 透明模式 5 ) 译码方式： c s1 , 2 ，3 ，4 4 0 脚连接： 一电源接口 一s i m3 v 接口 接口 一标准串行r s 2 3 2 双向接口 一模拟语音接口0 5 0 欧姆天线连接器 3 1 2t c 3 5 i 内部构成 下图为t c 3 5 i 模块的内部结构图，展示了t c 3 5 i 的主要功能组件【2 8 】： 1 ) g s m 基带处理模块： g s m 控制器，运行频率2 6 m h z 电源a s i c d s p 模块，运行频率7 8 m h z 内存 应用接v i ( z i f 连接器) 充电电路 2 ) g s m 射频模块： 射频收发器 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 射频功率放大器 射频前端 天线连接器 3 1 3t c 3 5 i 外部引脚 图3 1t c 3 5 i 模块内