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基于嵌入式系统的手机设计与实现摘要：手机编程是一个处于高速发展阶段的技术。本文以基于嵌入式系统的手机作为移动终端目标设备，从编程技术平台、嵌入式操作系统、手机数据传输逻辑结构三个方面，研究其逻辑结构和编程特点。关键词：嵌入式；移动通信；智能手机；Abstract: Mobile phone programming is a stage of rapid development of technology. In this paper, the embedded system based on the mobile phone as the mobile terminal devices, from the three aspects of programming technology platform, embedded operating system, mobile phone data transmission logic structure, the logic structure and programming features.Keywords: Embedded; Mobile communication; Intelligent mobile phone0 引言随着3G通信、智能手机等移动技术的发展，手机不再仅仅是一种简单通讯工具。目前智能手机已逐步发展成为具有彩信、摄像、网上漫游、移动办公以及程序下载等附加增值业务的嵌入式应用平台。无论在消费领域还是企业级应用领域，智能化移动应用正迎来空前的发展机遇。针对手机设计特点，本文基于嵌入式技术和开源的Linux操作系统，对智能手机的硬件平台、人机界面、软件编程技术提出设计和解决方案。1相关研究领域的现状及原理目前基于嵌入式系统的手机技术研究领域主要包含三方面：手机硬件平台研究；手机操作系统移植；手机应用平台软件体系结构。1.1 手机硬件平台手机硬件平台即硬件整体解决方案是指厂家提供的CPU、DSP、ADC、DAC及RF等关键芯片组和设计方案。智能手机的其它外围设备还有LCD、Touch panel、Audio CODEC、USB和串口等。手机设计过程中硬件平台的核心微处理器，目前存在的最高的是八核，英特尔正致力于开发十六核的处理器。早期手机内部多采用单核结构，即CPU+DSP方案。此时CPU主要负责通信协议(例如GSM、CDMA等)的合成和解析，完成与基站间的可靠通信，同时实现用户界面(UI或MMI)。DSP承担和数值计算相关的任务，如语音编解码、安全层的各种算法等。在双核智能手机中，一个CPU(基频处理器)负责处理通信协议，另一个CPU(应用处理器)负责UI、java虚拟机、嵌入式浏览器等应用功能。两个CPU可以做在一个芯片内，也可以分开。目前国内在基频处理器领域还没有完整的自主知识产权，手机生产厂家多采用双CPU方案，即采用国外厂家生产的基频处理器及配套平台，自主研发应用主要处理器工作平台和应用软件。1.2嵌入式手机操作系统在手机软件整体解决方案中，操作系统负责提供多任务调度、动态内存分配、数据通信机制的管理等。前些年市场上主流智能手机所采用的操作系统主要有Windows Mobile、Symbian、Palm、Android、Linux等。目前Android系统的手机风靡一时，而Symbian 、Palm系统已经湮灭在历史的长河中了。手机更新换代非常的快，不知道以后操作系统的历史会怎样的发展。Linux手机操作系统是由计算机Linux操作系统变化而来，支持32位和64位处理器。Linux最初是由Linux Torvalds编写及发布的，源代码公开、可免费使用的操作系统。后来，又通过Intemet上成百上千的程序员加入，使Linux成为一个几乎支持所有主流32位CPU的操作系统。其特点有：内核高效稳定、公开源代码、可移植性、可裁减、支持多任务等，有强大的网络功能。在相关软件的支持下，可实现WWW、FTP、DNS、DHCP、E-mail等服务。1.3手机应用平台软件体系结构手机软件平台即建立在手机硬件和操作系统之上的应用软件平台。目前常用的是Android平台，以前常用平台有：Series平台，Qtopia平台和Opna平台。Qtopia平台：Qtopia是一种可定制的开发环境和用户界面。Qtopia基于跨平台C+开发工具Qt/Embedded之上，它健全且稳定，并可以配置为多种内存模板。基于Qt经验，Qtopia向客户提供全部源代码，让客户可以创建与现有程序紧密结合的定制程序、定制用户界面和程序发布工具，并能在客户需要使用的处理器上编译，并且为手机开发商提供一定程度的独立性以及创新和控制手段。厂商可以使用Qtopia实现对品牌标识和用户界面设计的全面控制，而且可以在许多设备上运行相同的源代码，如手机、PDA和其它消费设备。和用户界面。Qtopia基于跨平台C+开发工具Qt/Embedded之上，它健全且稳定，并可以配置为多种内存模板。基于Qt经验，Qtopia向客户提供全部源代码，让客户可以创建与现有程序紧密结合的定制程序、定制用户界面和程序发布工具，并能在客户需要使用的处理器上编译，并且为手机开发商提供一定程度的独立性以及创新和控制手段。厂商可以使用Qtopia实现对品牌标识和用户界面设计的全面控制，而且可以在许多设备上运行相同的源代码，如手机、PDA和其它消费设备。但是Qtopia后来被重新命名为Qt Extended,在2009年3月3日，Nokia决定停止Qt Extended的后续开发，转而全心投入Qt的产品开发，并逐步会将一部分QtExtended的功能移植到Qt开发框架中。1.4智能手机嵌入式技术的主要特点是硬件、软件可裁减性，使产品达到最大的性价比。目前依赖于嵌入式技术，智能手机建立在嵌入式操作系统基础上，可看作是传统手机、多媒体电脑与互联网终端的集成体。现阶段智能手机的软件设计已采用Java的J2ME(Java 2 Micro Edition)。Java手机软件平台采用的基本Java平台是CLDC(Connected Limited Device Configuration)和MIDP(Mobile Information Device Profile)，是J2ME(Java 2 Micro Edition)的一部分，是Sun公司专门用于嵌入式设备的Java软件，在中国一般称“无线Java”为技术。基于上述平台，智能手机可在GSM网络下实现各种无线业务，主要包括电话、短信、GPRS无线上网等。配以微处理器通过编程可实现当前手机的各种基本业务，同时智能手机具备了实现诸如图形用户接口、电话功能、数据通讯、蓝牙、信息交换、桌面系统、Internet应用、Java、安全认证、设备接口、输入法、多媒体、数据库和GPS导航等多种功能的条件。2智能手机系统研究方法随着嵌入式技术的发展，国际市场上手机定制模式已成为手机发展的方向。依托于智能手机，手机的增值业务得到了迅速发展。如：移动通信领域的移动视频业务；全球移动电子邮件和个人信息管理服务领域的无线电邮服务等。2.1智能手机设计方案Windows Mobile，Symbian等属于商用操作系统，开始未开放源码,在诺基亚收购后在2010年宣布开放源代码，不过现在看来是垂死的挣扎，现在Symbian系统已经停用了。Android是一种基于Linux的自由及开放源代码的操作系统，主要使用于移动设备，如智能手机和平板电脑，由Google公司和开放手机联盟领导及开发。现在Android系统发展强劲，占了全世界一大半的份额。为使智能手机能够为第三方应用软件提供一个更为开放的嵌入式平台，本文采用以下方案实现智能手机系统：硬件平台：双CPU方案(s3C2410，WM02一(3900)手机操作系统：ARM-Linux内核软件平台：选用Qtopia编写应用程序：拟实现语音通话，收发短信等功能2.2 智能手机系统硬件设计方法智能手机系统硬件设计如图1所示。嵌入式平台核心处理器采用三星公司的S3C2410高性能32位微处理器。无线收发平台采用Wavecom公司的WM02-G900。SIM卡无线模块耳机/受话器S3C2410FlashSDRAM显示模块键盘JTAG图1智能手机系统的硬件组成框图应用微处理器：采用三星公司ARM处理器S3C2410X。S3C2410X使用ARM920T核，内部带有高性能MMU(内存处理单元)，速度最高可达200MHz，适用于家用PC，手持移动设备等产品，具有高性能、低功耗、集成有LCD控制器，一个SD主机端控制器，并提供SRAM、USB等多种功能接口资源。基频处理器平台：采用WAVECOM公司的WM02 Modem Series GSM 900/1800专用无线收发模块。该模块执行ETSI GSM Phase 2+标准。具有数据、传真、短消息和语音传输等功能。支持AT指令集，通过RS232与ARM处理器通信，可实现智能手机的GSM通语、GPRS上网及其它PDA应用等功能。无线模块与ARM处理器之间采用标准串行接121连接。基于这种双核结构的手机平台，除去监控程序所占系统资源之外可全部向用户开放。为用户搭建了一个个性平台，极大丰富了用户可用资源。2.3智能手机系统软件设计方法手机软件可分为启动模块、操作系统、协议栈、数据业务、本地存储、驱动程序、用户界面和其它应用。软件系统部分设计为三层结构，如图2所示。（1）操作系统层完成对ARM-Linux操作系统的定制、裁剪、编译和移植。包括编写符合本系统硬件设计的引导程序(Bootloader)、硬件设备驱动程序，如键盘、LCD、flash、RTC、串口、USB、SIM卡或UIM卡、射频模块等建立Linux开发环境：在Windows+VMWare虚拟机环境下进行Linux开发。VMWare是运行于Windows中的一个应用程序，是一个虚拟机，可以在其上安装多个操作系统，相当于在Windows上安装一个虚拟的操作系统。在VMWare中安装Linux虚拟机，在该虚拟机中进行编辑、编译Linux，然后通过网络(ftp、nfs、ssh)等手段传送到Windows中，进行调试。这样在一台电脑中完成编译和调试。缺点是系统要求较高，运行速度慢。应用层；短信，电话，邮件，游戏，附件，记事本与基频处理平台通信服务程序图形用户界面平台arm linuxboot loader硬件设备驱动图2智能手机系统软件结构层次图 (2)服务程序层主要包含图形用户界面平台以及基频处理器平台通信服务程序，它们是上层应用赖以实现的基础。图形用户平台：这里选用Qtopia平台。Qtopia平台有三种版本：面向PDA应用的QtopiaPDA、面向智能电话和功能型手机应用的QtopiaPhoneQtopia 和面对自行设计的消费电子产品平台(Qtopia CEP)。以Qtopia Phone为例，包含6个组成部分，分别是插件(plugin)、服务器(server)、客户端软件和内置应用软件、文件系统、调制解调器(modem)，以及帧缓冲(framebuffer)。Qtopia平台需要在操作系统上成功移植。用户可在Qtopia平台上定制用个性界面和应用程序，完成智能手机的人机交互以及相关程序的管理。通信服务平台：需要编写WM02-G900模块通信和测试程序。用于响应应用程序转发的用户操作事件及从串口获得的无线通信模块事件。保证电话、短信任务的实现。应用层客户程序定制：智能手机系统中应用程序设计。利用图形用户平台和通信服务平台提供的接口进行用户程序开发和移植。3实验测试与结论S3C2410有3个独立的串行接口控制器，本系统使用了S3C2410的串口0和串口2。其中串口0用于系统的调试和用户功能的扩展，串口2用于连接无线模块。在使用之前需要对相应寄存器组进行配置。PORTH配置过程：/Ports:GPHl0 GPH9 GPH8 GPH7 GPH6 GPH5 GPH4 GPH3 GPH2 GPH1 GPH0 /Signal:CLKOUT1 CLKOUT0 UCLK RXD2 TXD2 RXD1 TXD1 RXD0 TXD0 nRTS0 nCTS0/Binary:10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 Rgphcon=0x2aaaaa;rGPHUP=0x7ff;/The pull up function is disabled GPH 10:0串行口0工作方式寄存器配置过程：Rulcon0=0x3;/Line c=0ntrol register: Normal, No parity,1 slop,8 bits/109876543:21:0/Clock Sel, Tx In, Rx Int, Rx Time Out, Rx err, Loop-back, Send break, T_Mode, R _Mode/0 1 0 0 1 0 0 01 01/PCLK Level Pulse Disable Generate Normal Normal Inter-rupt or PollingrUC0NO=0x245:/Control register/rUBRDIV0=(int)(pclk/16./baud)-1);/Baud ratedivisior register 0rUBRDIV0=(int)(pclk/16./baud+0.5)-1);/Baud rate divisior register 0串行口2工作方式寄存器配置过程与配置串行口0过程相同。经过以上设置，S3C2410的串行接口可良好工作与设定模式。图3显示了通过串行口2在收发短信测试过程中，嵌入式平台核心微处理器发出申请已存短消息列表命令(AT+CMGL)后，读取到GSM模块内部所存储的所有接收到的短信报文数据流信息和相应的文本信息。图3 AT+CMGL命令读取已存短信从图中显示的微处理器接收到的回馈命令信息字段中可看出此时的短信报文主要包含了