基于嵌入式系统的手机设计与实现

基于嵌入式系统的手机设计与实现基于嵌入式系统的手机设计与实现 摘要 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 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 phone 1 0 引言引言 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 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 2 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 3 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 2 智能手机系统研究方法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 12 1 智能手机设计方案智能手机设计方案 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 耳机 受话 器 无线模块SIM 卡 显示模块 S3C2410 键盘 Flash SDRAM JTAG 4 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 图形用户界面平台与基频处理平台通信服务程序 5 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 0 x2aaaaa rGPHUP 0 x7ff 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 0 x3 Line c 0ntrol register Normal No parity 1 slop 8 bits 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 boot loader arm linux 硬件设备驱动 6 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 Polling rUC0NO 0 x245 Control register rUBRDIV0 int pclk 16 baud 1 Baud rate divisior register 0 rUBRDIV0 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