（电路与系统专业论文）基于GPRS的无线终端的设计与实现[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 摘要 目前手持终端的功能变得越来越多，数据处理能力也越来越强，而人们对其无线通信功 能( 包括无线通话和无线上网) 的需求也曰趋强烈。在手持终端中加入无线网络功能和无线 电话功能是当今手持终端发展的一种趋势。本课题基于g p r s 和嵌入式l i n u x 提出了一种无 线终端的解决方案，并最终在样机中实现了这些功能，取得了良好的效果。 本无线终端的硬件设计主要分为两部分：主系统和通信系统。主系统是以i n t e l 公司的 x s c a l ep x a 2 5 5 处理器为核心进行设计的，并配备了众多的外围设备；通信子系统采川的是 两i 、j 子公司的m c 3 8 8g p r s 无线通信模块，具有稳定和易于开发的特点。它们之间通过串 行接口和一些控制引脚来交互数据信息。 在软件方面，采用嵌入式l i n u x 作为操作系统：g u i 图形界面是基于t r o l l t e c h 公司的 q t “q t o p i a 设计的。软件部分的实现主要包括以下四个方面： 嵌入式l i n u x 系统的移植与裁减。它主要包括嵌入式l i n u x 在p x a 2 5 5 上的移植、关键 驱动程序的编写与调试。 g p r s 等驱动程序的编写。这主要包括g p r s 模块驱动程序、p x a 2 5 5 上串口驱动程序 的编写与调试等等。它是实现电话功能和无线网络功能的基础。 电话相关功能的实现。主要包括拨号、呼叫转移、呼叫限制、p i n 密码保护、主叫隐藏 等相关应川程序的设计。 无线网络功能的实现。通过g p r s 模块进入互联网的方法和有线m o d e m 拨号上网的 方法比较类似，但其中最关键的是p d p 上卜文激活过群，通过此过程，手持终端与g g s n 之问建立一条通路，从而可以访问外部i n t e m e t 。 目前，本文所描述的电话功能和无线网络功能已经完成，并且已经能够在硬件平台上运 行起米。经测试，该无线终端运行稳定，各项功能均达到了设计目标。 关键词：嵌入式l i n u xg p r s无线终端 x s c a l ep x a 2 5 5 a b s t r a c t a b s t r a c t n o wt h ef u n c t i o no fh a n d h e l d si sb e c o m i n gm o r ep o w e r f u la n dt h ea b i l i t yo fd a t ap r o c e s s i n g i sa l s ob e c o m i n gm u c hb e t t e r ，b u tt h ef u n c t i o n o fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ni sm u c hm o r ed e s i r e d b ym o s tc u s t o m e r s s oi ti st h et r e n dt oa d dt h ef u n c t i o no fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ni nh a n d h e l d s i n t h i st h e s i sam e t h o dt om a k et h ew i r e l e s st e r m i n a l ，w h i c hi sb a s e do ne m b e d d e dl i n u xa n d g p r s ，i sd i s c u s s e df r o mt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e t h eh a r d w a r eo ft h ew i r e l e s st e 丌n i n a l i sm a d eu po fm a i ns y s t e ma n dc o m m u n i c a t i o ns v s t e m m a i ns y s t e mi sb a s e do ni n t e lx s c a l ep x a 2 5 5a n dc o m m u n i c a t i o ns v s t e mj sb a s e do nm c 3 8 8 g p r sm o d u l e t h et e r m i n a lu s e sa r ml i n u x2 4 18a si t so p e r a t i n gs y s t e ma n dq t o p i a1 7 ，w h i c hi sm a d e b y7 i r o l l t e c h ，a si t sg r a p h i cu s e ri n t e r i a c e t h ef b l l o w i n gf o u ra s p e c t sa r et h ei m p l e m e n t a t i o no f s o f t w a r e t h ef i r s ti st h ep o n i n go fe m b e d d e dl i n u xa n dt h ew r i t i n go fs o m ek e yd e v i c edr i v e r s t h e n t h eg p r sm o d u l ea n ds e r i a ld r i v e r sa r ei n c l u d e d ，t h e r ea r et h eb a s eo f w i r e l e s sp h o n ea n dw i r e l e s s n e t w o r k t h en e x ti st h er e a l i z a t i o no fw i r e l e s sp h o n e ，w h i c hi si n c l u d ed i a l e r ，c a l lf b r w a r d i n g ，c a l l b a r r i n g ，p h o n es e c u r i t ya n dc a l l e ri dr e s t r i c t i o n t h e1 a s ti st h er e a l i z a t i o no fw i r e l e s sn e tw o r k a c c e s s i n gt h en e t w o r kt h r o u g hg p r sm o d u l ei sf a m i l i a rw i t ht h en o r m a lm o d e m ，b u tt h em o s t i m p o r t a n tp m c e s si sa s s o c i a t e dw i t hp d p u pt on o w ，t h ef u n c t i o n o f w i r e l e s sp h o n ea n dw i r e l e s sn e t w o r kh a sb e e nn n i s h e da n d w o r k e dv e r yw e l lo nt h et e r m i n a l k e yw o r d s ： e m b e d d e dl i n u x ；g p r s ；w i r e l e s st e r m i n a l ；x s c a l e ；p x a 2 5 5 ； i i 学位论文独创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：缮鱼l 蚕同期：墅笸：呈：垫 关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交的学 位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查询和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。 论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 螂盟1；jz，。、rh_ j，日_，；涠 第一章绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论 移动终端( 如p d a ) 的功能止变得原来越强大，它的数据处理能力也越米越强，然而作 为移动性所需要的一种解决方案，不仅需要一定的数据处理能力，其移动通信功能( 包括 无线通话和无线上网) 也显得日益重要，随着无线通信技术的发展，在移动终端中嵌入手 机的功能包括语音通话、短消息收发及无线网络功能，是当今移动终端发展的一种趋势。 目前移动通信技术正处于一个变革的时代，3 g 呼之欲出，而g p r s 作为现有g s m 网 络向第三代移动通信演变的过渡技术( 2 5 g ) ，它在许多方面都具有显著的优势，它是在 g s m 网基础上发展起米的一种数据分组交换利传送技术革新，具有接入迅速、永远在线、 流量计费等特点，在远程突发性数据实时传输中有不可比拟的优势，特别适合于频发小数 据量的实时传输，冈而g p r s 业务在某些行业上有特殊的应川。g p r s 通信模块就是为使 川g p r s 服务而开发的无线通信终端设备，g p r s 通信模块充分利h j 共享无线信道，采川 i po v e rp p p 可以实现终端的高速、远程接入i n t e m e t 网络，也可以实现无线通话所需的语 音业务。 u 1 嵌入式操作系统是嵌入式系统的灵魂，它的出现人人提高了嵌入式系统开发的效率， 减少了系统开发的：i ：作量，提高了嵌入式软件的可移植性。目前存在的嵌入式操作系统有 很多种，其中比较著名的有：v x w o r k s 、n e c u l e u s 、w i n c e 、p a l m o s 等等，但是这些系统 都是商业的，价格昂贵。而嵌入式“n u x 则是开放源码的，而且它具有内核小、功能强人、 运行稳定、系统健壮、效率高等特点；它易丁定制剪裁，并且支持多达数十种c p u 芯片； 它有人量的且不断增加的开发：l ：具，这些j 1 ：具为嵌入式系统的开发提供了良好的开发环境； 此外，在图像处理、文件管理及多任务支持等诸多方面，嵌入式l i n u x 的表现都非常出色， 冈此它不仅可以充当嵌入式系统的开发平台，其本身也是嵌入式系统应用开发的好| = 具。 现在市场上已经出现了一些移动终端具有类似的功能，但是基丁嵌入式l i n u x 的移动 终端还是比较少见，目前只有儿个国外的人公司有类似的产品，比如三星的i 5 1 9 、摩托罗 拉的a 7 6 0 、a 7 8 0 等。本课题就是为了实现这样的功能而设计的。 1 2 课题主要研究工作 本课题研究无线终端的软硬件的实现方案，通过该无线终端不但可以实现移动终端的 一般功能，而且还能够提供一些手机的功能，如拨打接听电话、米电提示、呼叫转移、呼 叫限制、呼叫等待、开机p i n 密码保护、手机绑定等，同时还可以实现i n t e m e t 网络的无 线接入。 本无线终端以i n t e lx s c a l ep x a 2 5 5 为处理器，并集成了众多的外围设备，如l c d 、键 盘、红外、u s b 接口、c f 接口等等；以西门子的m c 3 8 8 作为通信模块，并配备了相关的 外设( 如s i m 、语音输入输出接口等) 组成了通信子系统。本无线终端采川a r m “n u x 2 4 1 8 作为嵌入式操作系统，并编写和移植了相关的驱动程序：g u i 图形界面采川的是 t r o l l t e c h 公司的q t e q t o p i a 。本课题基丁以上的平台实现了无线电话和无线网络的相关功 能。具体的研究1 ：作如下： - 了解国内外同类产品的研究现状，理解无线接入和无线终端设计领域的相关技 东南人学硕1 二论文 术，对本课题进行定位； _ 对整个系统进行总体框架的设计，包括硬件系统和软件系统。硬件包括主系统和 通信系统；软件包括模块层次的划分等等； 采用嵌入式a r ml i n u x 操作系统，进行移植和裁减，并增加g p r s 和其他的底 层驱动； 利用该平台实现电话的一般功能，如拨打接听电话、呼叫转移、呼叫限制、呼叫 等待、开机p i n 密码保护、手机绑定等； _ 利用该平台实现无线网络的连接。通过无线网络连接，可以完成自由上网和收发 e m a i l 等网络相关的：l ：作。 1 3 论文的主要内容 本文总体可以分为六部分，第一部分是绪论；第二部分综述当今移动终端中无线接入 的相关技术，并分析了各自的优劣之处，为阐述论文的主体内容作好准备：第三部分为软 硬件开发环境及平台的构建，介绍了无线终端的硬件平台及软件开发平台及环境的构建； 第四部分介绍了电话功能的设计与实现，首先介纠了软件总体框架和实现原理，然后分别 从底层驱动，服务层和川户界面层进行了详细的描述；第五部分是无线网络功能的设计与 实现，详细介绍了实现的原理和具体的方法；第六部分为总结与展望。具体篇章安排如一卜： 第一章：绪论 第二章：移动终端中无线接入技术的研究与评估 第三章：软硬件开发环境及平台的构建 第四章：电话功能的设计与实现 第五章：无线网络功能的设计与实现 2 第二章移动终端中无线接入技术的研究j 评估 第二章移动终端中无线接入技术的研究与评估 随着技术的日新月异的发展，移动终端正成了我们生活中越米越不可缺少的装备，从 最早期的寻呼机、到现在的手机、小灵通等等。它们都有着共同的特点，那就是无论在何 时何地都可以很方便的和外界取得联系。然而，出现也算是非常早的移动终端( 如笔记本 和p d a 等) 却是一直在受制于其网络的接入方式，一直都并不能真正将移动的概念进行到 底。一直到了最近无线网络才真正的在j i ：作生活中应川起来。 本章主要描述了当今无线接入技术的发展，比较了各种技术的优势与劣势。然后对 g p r s 的网络技术作了较为详细的描述。 2 1 无线接入技术简介 当今1 _ 廿= 界i n t e m e t 无所不在，移动终端只有接入i n t e m e t 之后才能把移动特性充分发挥 出来；火去网络连接，即使外观再时尚，功能再强劲，也只是一只漂亮的花瓶，可看而不 实用。 幸好随着技术的发展和人们的不断努力，无线接入i n t e m e t 不再是一个梦想，各种无 线接入方案层出不穷，各展所k = 。 在现有的无线接入方式中，目前最常见的也最主流的当推无线局域网和g p r s 无线上 网了。f 面简要介绍利比较一下这两种技术的各自的优劣。 2 1 1 无线局域网 通常计算机组网的传输媒介主要依赖铜缆或光缆，构成有线局域网。但有线网络在某 些场合要受到布线的限制：布线、改线工科量人；线路容易损坏；网中的各二1 ，点不可移动。 特别是当要把相离较远的节点联接起米时，铺设专用通信线路的布线施jl ：难度人、费用高、 耗时长，对止在迅速扩人的联网需求形成了严重的瓶颈阻塞。无线局域网就是解决有线网 络以上问题而出现的。目前它已经广泛应州在于一些公共场所，在那里你的无线移动终端 就能在那里白由上网了。下面介绍一下无线局域网的优点：p 儿叫 1 安装便捷。一般在网络建设中，施j i ：周期最长、对周边环境影响最大的，就是网络 布线施，l ：1 ：程。在施j 1 ：过程中，往往要破墙掘地、穿线架管。而无线局域网最人的优势就 是免去或减少了网络布线的：j ：作量，一般只要安装一个或多个接入点a p 设备，就可建立 覆盖整个建筑或地区的局域网络。 2 使用灵活。在有线网络中，网络设备的安放位置受网络信息点位置的限制。而一口 无线局域网建成后，在无线网的信号覆盖区域内任何一个位置都可以接入网络。 3 经济：1 7 约。由于有线网络缺少灵活性，要求网络规划者尽可能地考虑未米发展的需 要，这就往往导致预设人量利用率较低的信息点。而一口网络的发展超出了设计规划，义 要花费较多费用进行网络改造，而无线局域网可以避免或减少以上情况的发生。 4 易于扩展。无线局域网有多种配置方式，能够根据需要灵活选择。这样，无线局域 网就能胜任从只有儿个川户的小型局域网到有上千j j 户的人型网络，并且能够提供像“漫 游”等有线网络无法提供的特性。 当然作为一种无线接入技术，它也存在一些缺点： 东南大学硕士论文 1 首先它始终需要外部条件的依靠。当你离开铺设这些设备的区域，你的移动终端就 恢复了孤立。最重要的，即使铺设了无线网络，它也没有真正意义上的摆脱了线路，它也 只是一个有线转为无线的过程。 2 对于无线网络来说，安全可以说是一个最大的问题，除存在有线网络存在的网络问 黑客攻击和病毒侵袭以外，无线网络还存在着未授权川户的非法共享问题。a p 发射出来 的信号既然你能接收到，那么相邻的其他移动终端同样也可以接收到，实际上它也成为了 你的无线网络用户。 3 另外一个问题就是信号的接收问题，虽然无线网络免去了布线的烦恼，但是它同样 也给用户出了一个难题，那就是a p 究竟该放在哪里才能保证更稳定的信号接收。 4 目前无线局域网还不是局域网的主流组网方式，而且它的无线连接范同也只局限于 数百米之内。 2 1 2g p r s 无线接入 通过g p r s 无线上网则是真正意义上的无线网络，只要所在的城市开通了g p r s 上网 业务，你就可以在任何一个地方通过笔记本或者其他的移动终端，无地域限制的、无时间 限制的畅游i n t e m e t 。 g p r s 上网具有很多的优势，它可以充分利j h ；j 现有的网络、资源利j j 率高、始终在线、 传输速率高、资费合理等特点。下一节将作具体描述。 但是g p r s 上网也有一些缺点：g p r s 的传输速率虽然比g s m 高了许多，但是还不够 理想，费用相对来说还是较高的。 2 2g p r s 简介 【副g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 是通用分组无线业务的简称，是在g s m 基 础上发展起米的一种分组交换的数据承载和传输方式。与原有的g s m 比较，g p r s 在数据 业务的承载和支持上具有非常明显的优势：通过多个g s m 时隙的复用，支持的数据传输 速率更高；不同的网络用户共享同一组g p r s 信道，但只有当某一个川户需要发送或接收 数据时才会i i 用信道资源。这样，通过多用户的业务复川，更有效地利川无线网络信道资 源，特别适合突发性、频繁的小流量数据传输，很好地适应数据业务的突发性特点；g p r s 计费方式更加灵活，可以支持按数据流量米进行计费；与无线应用协议( w a p ) 技术不同， g p r s 能够随时为用户提供透明的i p 通道，可直接访问i n t e m e t 中的所有站点和资源；采 用信道复j 技术，每一个g p r s 川户都能够实现永远在线；另外，g p r s 还能支持在进行 数据传输的同时进行语音通话等等，而且相对于短消息等其它无线数据通信业务，g p r s 的价格优势比较明显。目前，中国移动推出的g p r s 上网业务最高每千字节也只有3 分钱， 而且川户可以根据白己的需要，以月租、包月等多种形式进一步降低g p r s 通信的费h = | 。 2 2 1g p r s 特点 1 】 2 1 g p r s 提供端到端的、广域的无线i p 连接。它可以充分利用共享无线信道，采用 po v e rp p p 实现数据终端的高速、远程接入。作为现有g s m 网络向第三代移动通信演变 的过渡技术( 2 5 g ) ，g p r s 在许多方面都具有显著的优势。 4 第二章移动终端中无线接入技术的研究j 评估 - 可充分利用现有资源。g p r s 是在现有的g s m 网络基础之上的升级，可以方便、 快速、低建设成本地为用户数据终端提供远程接入网络的部署； _ 传输速率高。g p r s 数据传输速度可达到5 7 6 k b p s ，最高可达到1 1 5 k b p s 一 1 7 0 k b p s ，完全可以满足用户应用的需求，下一代g p r s 业务的速度可以达到 3 8 4 k b p s ； _接入时问短。g p r s 接入等待时问短，可快速建立连接，平均为两秒； 提供实时在线功能“a l w a v so nl i n e ”，用户将始终处于连线和在线状态，这将使访 问服务变得非常简单、快速； _按流量计费。g p r s 州户只有在发送或接收数据期间才i 川资源，用户可以一直 在线，按照用户接收和发送数据包的数量米收取费用，没有数据流量的传递时， 用户即使挂在网上也是不收费。 2 2 2g p r s 应用 g p r s 有许多应用，总体上可以将它们分为面向个人用户的横向应，【 ：j 和面向集团刚户 的纵向应用两种。终向应用与横向庶1 _ f j 有着不同的市场驱动力。 1 对于横向应用，主要是移动i n t e m e t 和i n t r a n e t 的访问，它可提供网上冲浪、e m a i l 、 文件传输、数据库查询、增强型短消息等业务。横向应用i n t r a n e t 的发展非常快，目前许 多公司内部的通信越来越多地依赖于i n t r a n e t 。许多大公司已经安装了内部的w e b 服务器， 或者正地考虑建立一个这样的服务器。最常见的i n t r a n e t 应川包括：访问公司的电子邮件、 共享的文档和数据；进行售后服务和客户支持；实施多媒体的雇员培训；发布公司新闻、 价格清单和订货信息等。 1 对丁纵向应用，g p r s 业务具有接入迅速、永远在线、流量计费等特点，在远程突 发性数据实时传输中有不可比拟的优势，特别适合于频发小数据量的实时传输，冈而g p r s 业务在某些行业上有特殊的应川，比如：运输业、g p s 汽车定位；金融、证券和商业，无 线p o s 、无线a t m 、自动售货机、流动银行等；遥测、遥感、遥控，如气象、水文系统收 集数据，对灾害进行遥测和告警，远程操作：城市公 j 事业实时监控维护系统，如水、电、 气以及热水系统、污水管网等的实时监控和维护，等等。 2 2 3g p r s 无线接入 g p r s 作为g s m 分组数据的一种业务，很火程度上拓展了g s m 无线数据业务空间。 中国移动提供了多种的g p r s 业务解决方案，主要包括i n t e m e t 接入、w a p 、专网接入、 基丁终端安装业务、专线接入、g p r s 短消息等业务。本文由丁要实现无线上网的功能， 所以主要介绍一下i n t e m e t 接入业务。 一1 i n t e m e t 接入业务是g p r s 最普遍的一种应用，利用g p r s 模块+ 无线终端( 如笔记 本、p d a 等) 接入i n t e m e t ，如图2 1 所示。 5 东南大学硕士论文 图2 一l1 1 1 t e n e t 接入过程 “1 g p r s 模块+ 无线终端接入i n t c m c t 业务的朋户地址可以分配公韵地址或私有地址， 从：竹约公有地卅角度发，建议采件j 私有地址。实现方式为：g p r s 模块接入经过服务器 r a d l u s 授权后，由g g s n 分配私有地址，该私有地址通过n a t 转换后接入c m n e t 。 “1 g g s n 接入i n t e m e t 有透明和非透明两种方式。如果移动运营商作为g p r s 运营商的 同时，直接作为i s p 提供i n t e m e t 接入服务，般采州透明方式，j j 户接入冈特网无须进 行认证，可由移动_ l j 户鉴权替代，这样可加快用户搂入速度，减少r a d i u s 服务器的投资。 也可以采用非透明方式接入i n t e m e c ，通过r a d n j s 进行_ l | j 户认证。 2 2 4g p r s 通信模块 随着g p r s 手机的日益普及，g p r s 的无线通话和无线上网功能也得到越来越广泛的 应，| _ j ，但由r 在开发上存在的很多湖难限制了它的发展速度，而使i l jg p r s 无线通信模块 则可以人大降低硬件开发难度，使没计人员能够集中精力丁软什部分，从而缩短研发周期， 迅速将产品推向市场。 g p r s 通信模块就是为使用g p r s 服务而开发的无线通信终端设备。可应用到f 列系 统集成中：远程数据监测系统、远程控制系统、自动售货系统、无线定位系统、门禁保安 系统、物质管理系统等。 g p r s 中主要定义了如下3 类终端： _ a 类终端能够同时处理电路交换和分组交换业务，并且两种业务相互独立； - b 类终端在某一时刻只能处理电路交换域分组交换业务当中的一种，但是具备在 两种模式问自动切换的能力。当一个基于电路交换的呼叫到达时，b 类终端能够 暂停对分组数据的处理，而后再恢复处理数据业务； _ c 类终端必须被人1 ：设置为电路交换模式或分组交换模式，当它处丁电路交换模 式时，无法接收分组交换数据业务，反之亦然。 在本课题中我们使_ l | j 的是b 类g p r s 通信模块，它在语音平数据业务之间进行白动切 换，不需要人1 的干预，这使得我们的开发变得更加容易，性能的稳定也有了更进一步的 保障。 2 3 小结 我们希望移动终端在不断捉升运算性能追求时尚外观的同时，将随时随地高速低赞i 【 j 无线接入l n 【e m e 【方案作为一个实现目标，只有这样移动终端才能成为真正的“移动“终 端。 基于目前实际，为移动终端产品加装支持g p r s 的插拔模式的模块足一个理想的选抒， 它具有开发难度低，硬1 ，i ：稳定的特点。g p r s 模块可以放入手机使川的s i m 乍，这样就可 6 第二章移动终端中无线接入技术的研究j 评估 以通过s i m 卡接入g p r s 网络，享受高速无线上网冲浪的乐趣了。这个模块可以做成 p c m c m 卡形式，可直接插入移动终端的p c m c m 插槽中，也可以是串口或者u s b 接口 形式的，这样可以比较方便的与移动终端进行集成。 有了这样一台支持g p r s 的移动终端，我们就可以在移动网络覆盖区域内尽享宽带无 线接入i n t e m e t 了。除了无线接入i n t e m e t 外，移动终端还可以充当一部不折不扣的手机， = i 。 冈为有s i m 忙在里面，所以可以通过软件实现了拨打接听电话等功能。 7 东南大学硕l j 论文 第三章软硬件开发环境及平台的构建 在无线终端的软硬件平台的构建过程中，需要综合考虑到硬件的性能要求，软件的稳 定性要求，合理选择硬件资源和软件资源。在绪言中已经提剑本课题软件平台采用的是嵌 入式l i n u x ，硬件中则采川的是i n t e l 的x s c a l ep x a 2 5 5 作为c p u ，通信模块采用的是两门 子的型号为m c 3 8 8 的g p r s 无线通信模块，这些都为稳定性作出了一定的保障。本章介 绍了整个无线终端的硬件平台及软件开发平台及环境的构建。 3 1 硬件平台的构建 3 1 1 硬件平台总体架构 本课题的研究j i ：作基于的硬件平台是一个无线终端，它由两个部分构成：主系统和通 信子系统，主系统的处理器采用i n t e l 公司的x s c a l ep x a 2 5 5 ，其主频为4 0 0 m h z ，主系统 内存由3 2 m 字节的f l a s h 和6 4 m 字节的s d r a m 构成，通信子系统主要由一个g p r s 模块利少量外围器件构成。该无线终端可以细分为以下几个硬件子模块：中央处理器、存 储模块、g p r s 通信模块、输入输山模块。系统的总体结构如图3 1 所示： 图3 1 无线终端总体结构图 p x a 2 5 5 作为无线终端的核心，具有较强的数据处理能力，同时兼具低功耗和高集成 度的特性。它内置了j t a g 调试接口，存储器控制器，实时时钟和操作系统时钟，串口、 并口、红外、蓝牙等通讯接口，a c 9 7 接口，扩展 接口，l c d 控制器，电源管理等模块。 在外同，相应的配有：6 4 m 字：1 y 的s d r a m ，3 2 m 字节的f l a s h ，玎彩色液晶屏， 触摸屏，音频耳机利喇叭，以及r s 2 3 2 ，红外，u s b ，p c m c i a 等扩展接口。 主系统和通信子系统之间通过两种方式进行相互的协调i ：作。数据交换是通过串口米 实现的。模块的控制等操作是通过g p l 0 口的相关操作来完成的。 8 第二三章软硬件开发环境及下台的构建 3 1 2p x a 2 5 5 处理器简介 ”1 在2 0 ( ) 2 年2 月2 5 日，英特尔公司正式推出了基丁i 英特尔x s c a i e 技术的新型处理器。 它是面向无线互联网的嵌入式系统架构i n t e l 个人互联网川户架构p c a ( p e r s o n a l i n t e m e tc l j e n ta r c h i t e c h u r c ) ，该架构可以分为戍川、通信、内存等三个子系统，各个子系 统之间可以以模块方式集成和扩充。 _ p c a 应川于系统是基丁x s c a l e ( 或s t m n g a r m ) 处理器的可编程计算环境，在嵌入 式操作系统的支持r ，能够管理川户输入输出设备，扩充设备内存管理j 接口、 电源管理以及1 通信子系统的交互通信资源。 p c a 通信子系统由一个或多个处理器构成，它完成通信协议的处理任务。 一 p c a 的内存子系统提供具有i n t c l 特色的低电压、低功耗和高度集成的f l a s h ， s r a m 和d r a m 。内存_ f 二系统支持分级存储体系，支持高速缓存、片上内存、系 统内存等等。 ”t e lx s c a l e 内核与a r m 架构v 5 t e 版本兼容。它集成了多种微结构的特点，内置 j 1 a g 调试接口、存储器控制器、实时时钟及操作系统时钟、通州及红外串行、监牙接口、 a c 9 7 接口、扩展卜接口、l c d 控制器、电源管理模块等等。其主要针对r 一代高性能的 p d a 市场，支持视频流、m p 3 、无线互联网存取以及其他前沿领先技术而设计。 x s c a l ep x a 2 5 5 芯片结构如图3 2 所示： 图3 2x s c a l ep x a 2 5 5 芯片结构蚓 从上蚓可以看到p x a 2 5 5 除了采川了x s c a l e 的核外，还集成了众多的外设，比如d m a 控制器、m e l n o r y 控制器、l c d 控制器、u a r t 、a c 9 7 、1 2 c 等等。 东南大学硕士论文 该无线终端中的主系统和通信子系统在数据交换时需要用到p x a 2 5 5 的串口，所以这 里将p x a 2 5 5 的串口稍作介绍。 p x a 2 5 5 有三个通用的u a i 盯：全功能串口( h u a r t ) 、蓝牙串口( b t u a r t ) 和标准串 口( s t u a i 汀) 。 全功能串口( f f u a i 玎) h u a i h 支持m o d e m 的控制功能，其最高的波特率为2 3 0 4 k b s 。 监牙串口( b t u a i _ r ) b t u a i 盯作为一个高速的u a i 江，最高波特率为9 2 1 6 k b s ，可连接到蓝牙模块。除了 r x d 和t x d 外，它仅具有n c t s 和n r t sm o d e m 控制脚。 - 标准串口( s t u a r t ) s t u a r t 不支持m o d e m 的控制功能，其最高的波特率为2 3 0 4 k b s 。 每个串口都可以执行串行并行转换。处理器可以读出串口的各个状态。每个串口都可 以：i ：作于h f o 方式。在h f o 方式下，一个6 4 字节的发送f i f o 存放米自处理器的数据， 知道发送到串行线上；一个6 4 字：1 ，的接受h f o 存放串行线上发米的数据，直到被处理器 读取。在非f i f o 方式下，不通过发送和接收f 刀f o 。 每个串口还包括一个可编程波特率发生器，可由输入时钟分频1 ( 2 1 6 - 1 ) 产生1 6 时钟 来驱动内部发送器和接收器。 3 1 3g p r s 模块 1 0 儿1 1 1 m c 3 8 8 是两门子公司生产c l a s sb 型的g p r s 无线通信模块，支持语音和数据业 务间的自动切换。只要很少的外部器件，便能够达到本课题的设计要求。它小巧轻薄，使 用方便，电路连接简单，同时具有较小的功耗。它主要有如下特点： _支持语音、数据传输、短消息、传真业务； 三种语音编码方式( h 舢r ) ： 四种数据传输模式( c s 一1 ，c s 一2 ，c s 一3 ，c s 4 ，下行速率最人为8 5 6 k b p s ，上传 速率最大为2 1 4 k b p s ； 提供两个r s 2 3 2 全双工数据口； _ 使用a t 指令进行控制。 其中g p r s 模块与微控制器间是通过串口进行通信的，通信速率最快可以达到 1 1 5 2 0 0 b s 。模块与控制器间的通信协议是a t 命令集，其中人部分命令是符合协议标准的 a t 命令( g s m0 7 0 7 ) ，但也有一些是西门子自己定义的a t 命令。 m c 3 8 8g p r s 无线通信模块的软件部分对外提供了一个控制系统操作的a t 命令集， 通过接收米白u a r t 发送的a t 命令，解释并执行相应的操作，从而实现g p r s 无线通信 模块的相应功能。m c 3 8 8 无线通信模块在通信过程中所用到的a t 命令主要包括以一卜几个 方面： 一 一般控制命令：包括s i m 卡检测、话机状态设置； 一 通话控制命令：包括拨号、自动拨号、重拨、挂机、应答、自动应答、产生d t m f 拨号音、音量控制、回声抑制等命令； 网络服务命令：包括信号质量、服务提供商的选择等； 一 安全管理命令：包括p i n 密码输入、话机锁、密码修改等； 电话簿管理命令； _ 短消息收发管理命令； 1 0 第三章软硬件开发环境及f 台的构建 _ 数据以及传真控制命令等。 3 1 4g p r s 模块与手持终端的集成 g p r s 模块与主系统的集成方案如图3 3 所示： in t e lx s c a l e p x a 2 5 5 处理器 s i m 膏 图3 3g p r s 模块与主系统的集成 它们之间的通信主要是通过串口和其他一些控制信号米完成的。由于该平台使刚的是 p x a 2 5 5 的s t a n d a r du a i 汀端口( 该端口只有t x d 和r x d 信号) ，所以把m c 3 8 8g p r s 模块的r s 2 3 2 ( 0 ) 中的r x d 0 ，t x d 0 与之相连接。同时由于g p r s 模块还需要有一些控 制引脚米实现对g p r s 模块的控制( 如关闭模块、启动模块、监测米电中断等等) ，冈此可 以使川p x a 2 5 5 提供的g p l 0 引脚米和这些引脚连接。p x a 2 5 5 所有的g p l 0 口都可以通过 独立编程米控制它的输入输出方向和输出电平的高低，而且可以将g p i o 引脚设置为中断 功能，可以灵活地监测各种类型信号的变化，米实现对g p r s 模块的监控。具体连接方法 如下： g p l 0 4 6 一一一一一接在g p r s 模块的t x d 0 引脚上 g p l 0 4 7 接在g p r s 模块的r x d 0 引脚上 g p l 0 4 一接在g p r s 模块的r 矾g 引脚上 g p l 0 4 0 一一接在g p r s 模块的i g t 引脚上 g p l 0 6 一一接在g p r s 模块的e m e r g o f f 引脚上 相关引脚的说明： g p l 0 4 6 、4 7 为与g p r s 模块通信的串行接口，用米完成数据的输入输出，它是主系 统和通信子系统交互数据的接口； g p l 0 4 接在g p r s 模块的r i n g 引脚上，目前把g p l 0 4 设为中断脚，用米监测米电， 当模块检测到来电时，在该引脚上会出现周期性的波形； g p l 0 4 0 接在g p r s 模块的i g t 引脚上，i g t 为g p r s 模块的启动信号，通过控制它 可以启动g p g s 模块； g p l 0 6 可以刚来关闭g p r s 模块。 3 2 软件开发环境 本无线终端采用的操作系统是嵌入式a r ml i n u x2 4 1 8 ，g u i 图形界面采j l _ j 的是 东南大学硕：论文 t r o l l t e c h 公司的q t e ，q t o p i a ，具有良好的人机界面接口，易于操作。 3 2 1 嵌入式l i n u x 简介 嵌入式l i n u x 是从l i n u x 衍变而米的嵌入式操作系统。将l i n u x 作为一个嵌入式操作 系统具有许多的优点：【j j _ 开发源代码，丰富的软件资源。l i n u x 是自由的操作系统，它的开放源代码使用 户获得了最大的自由度。“n u x 上的软件资源十分丰富，儿乎每一种通用程序在 l i n u x 上都可以找到，并且每天都在增加。 支持多种体系结构。l i n u x 内核支持i n t e lx 8 6 、m o t o r o l 棚mp o w e r p c 、a r m 、 c o m p a q ( d e c ) a l p h a 、i a 6 4 、s 3 9 0 、s u p e r h 等微处理器体系结构。 大小功能都可定制。l i n u x 继承了u n i x 的优秀设计思想，内核与用户界面是完全 独立的。它非常灵活，各部分的可定制性都很强，能适合多种需要。 一 支持大量的周边硬件设备，驱动丰富。 完善的网络通信、图形和文件管理机制。 整个嵌入式l i n u x 操作系统的结构如图3 - 4 所示【4 1 ： ( j _ j 户进程1 )( j 广进程多( 用户进程 0上上 系统调用接口 t 进程篱理内存管理文件系统设备控制联网 多任务裂内存扯录：v 舔 络连接唧玢琏授 i 文件系统i 网络 体系结构相内存 类型子系统 关代码 管理器 字符设备 块设备 网络设备 驱动 1r 1l 、! 、1r i 对文件系统的读写进行管理，把对文件系统的操作映射成对磁盘或其他块设 备的操作； 管理程序的运行，为程序分配资源，并且处理程序之间的通讯： 管理存储器，为程序分配内存，并且管理虚拟内存； 管理输入输出，将外围设备映射成设备文件； 管理网络。 一 硬件控制器 这个子系统包括了“n u x 启动运行时所有可能的物理设备，例如c p u 、内存、f 1 a s h 、 s d r a m 、网络硬件、串口设备等等。 3 2 2q t i m b e d d e d 图形用户界面 q t e m b e d d e d 是著名的q t 程序库开放商t r o l l t e c h 公司发布的面向嵌入式系统的q t 版 本。它以原始q t 为基础，删除了q t 中一些对资源要求很高的类的实现，并做了许多出色 的调整以适用于嵌入式环境。q t e m b e d d e d 通过q ta p i 与l i n u x 中的f r a m eb u 仟e r 设备直 接交互，易于操作。而且，面向对象的体系结构使代码结构化、可重刚并且运行速度快。 与其它g u i 相比，q t e m b e d d e d 运行速度快，并且它没有分层，这使得q t e m b e d d e d 成为 用于运行基于q t 的程序的最紧凑环境。 q p e ( q tp a l m t o pe n v i r o n m e n t ) 是t r 0 1 l t e c h 公司所推出的针对移动终端( 如p d a ) 的 软什整体解决方案，包含了从底层的g u i 系统、w i n d o wm a n a 2 e r 、s o f tk e y b o a r d 到上层 的p i m 、浏览器、多媒体等方面。目前q p e 的高版本已更名为q t o p i a ，其包含了更多功能。 本课题的无线网络和无线通话功能的界面的实现，就是使 jq t e m b e d d e d 和q t o p i a l 7 提供的图形接口米实现的。 1 3 东南大学硕1 论文 r 一 3 2 3 开发环境 3 2 3 1 编程语言 南于本无线终端设计的复杂性，课题采用了c 和c + + 语言进行编群，在内核驱动方面 采_ 【； jc 语言来实现，g u i 图形界面使_ j 了c + + ，它具有编程方便，易丁移植等优点。图形 界面编程语言为基于c + + 的t b l l 【e c h 公司的q t e ，q t o p i a 。 3 2 3 2 编译环境 绝人多数的“n u x 软什开发都是以本机方式进行开发、调试、本机运行的，但是这种方 式通常不适合于嵌入式系统的软件开发，冈