嵌入式无线接入系统设计

摘要:通过分析嵌入式XSCALE处理器的性能和CDMA 1X无线通信的概况，给出了嵌入式无线接入Internet终端设备的系统设计、硬件构成、软件流程、无线通信模块的内部结构以及微处理器PXA255与CDMA 1X通信模块的接口框图设计。
关键词:无线接入;CDMA1X模块;XSCALE处理器;流程图

1  引言

    现在各行业对无线通信的需求愈来愈多，能够无线接入Internet 网络是最重要的需求之一。随着信息技术的飞速发展，嵌入式系统也正在迅速、广泛地应用于工业、服务业和消费电子业。XSCALE 微架构应用处理器，是 Intel公司为新一代无线应用产品开发的嵌入式处理器。CDMA 1X无线通信网络，引入了高速分组数据业务和IP 技术, 为支持各种多媒体分组业务打下了基础,CDMA 1X 能提供153.6 kb/s 的数据速率。CDMA （Code Division Multiple I Access）无线网络系统已分别在美国、韩国、中国和中国香港等区域投入使用，取得了良好的网络性能，美国高通、诺基亚公司、韩国三星公司、三洋电子公司和西门子公司等世界大公司都进行了CDMA 系统的研发。

    嵌入式系统的开发多采用模块化的思想，首先在开发板上进行，然后根据实际性能再进一步开发。XSBase是一款基于英特尔XSCALE PXA255处理器的高端嵌入式设备开发平台，该平台支持嵌入式设备的软硬件开发，我们在该平台上开发实现了以Intel　XSCALE PXA255 高性能嵌入式处理器为核心硬件平台，以嵌入式Linux为操作系统，以CDMA 1X无线通信模块YCIG-CCMG1X800为核心通信单元、支持宽带无线网络CDMA 1X 的嵌入式无线通信接入系统。

2  嵌入式无线通信终端系统总体描述

    我们所设计的嵌入式无线通信终端系统，是一种移动无线通信接入系统，它在整个通信网络中的位置示意如图1，它能够无线接入当前已经遍布全国的CDMA 1X无线蜂窝网络，也可以通过CDMA 1X无线网络接入Internet或者PSTN（Public Switched Telephone Network）。该无线通信终端系统带有高性能的嵌入式处理器，支持液晶屏显示和嵌入式Linux操作系统，具有低功耗和便于移动携带的特点。

图1 嵌入式无线通信终端系统在通信网络中的位置

    （注：MSC（Mobile Switching　Center）移动交换中心；BTS（Base Station）基站；IWF (Inter-Working Function) 互通功能。）

3  嵌入式无线通信终端系统的结构组成

    嵌入式系统一般包括硬件和软件两部分，该嵌入式无线通信终端系统的硬件是由Intel XSCALE PXA 255 ARM架构嵌入式处理器（400MHz主频）、CDMA 1X无线通信模块YCIG-CCMG1X800、SDRAM（64Mbyte）、FLASH（32Mbyte）、6.4英寸TFT LCD液晶屏（真彩，分辨率640x480）、触摸屏（四线电阻式）、电源模块以及扩展接口（GPIO）组成，通信终端系统硬件构成如图2所示。

3.1 嵌入式微处理器

    嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器，嵌入式微处理器一般就具备以下特点：对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间；嵌入式微处理器功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备。XSCALE PXA 255 就是一种高性能（主频400MHz）低功耗的ARM架构的嵌入式微处理器，它的主要特性如下：采用7/8级流水线；支持多媒体处理技术;指令快存（I-Cache32KB）；数据快存(D—Cache32KB)，可重构为28KB片内RAM;指令存储器管理单元I—MMU;动态电源管理功能。目前，根据系统工作环境的要求我们选用了Intel XSCALE PXA 255。

图2  嵌入式无线通信终端系统终端硬件构成

3.2 无线通信模块

    无线通信模块的是建立无线通信链路，接入CDMA 1X无线网络的基础，我们选用的CDMA 1X无线通信模块是YCIG-CCMG1X800，该通信模块的结构如图3。

    YCIG-CCMG1X800是CDMA 1X RTT（Radio Transmission Technology）无线通信模块之一，能够适用于多种无线终端设备。支持R-UIM卡，模块允许应用软件开发,支持开放AT命令集。它与处理器通过标准RS-232接口相连接。该模块能直接读取UIM卡信息，带有MODEM状态指示灯，基于以上特性该模块我们选用作为无线通信模块。

（Clock Synthesizer：时钟合成器；Duplex  Filter：双向滤波器；R-UIM Card: UIM 卡）

图3  通信模块的结构框图

3.3 存储器

    为了满足数据存储的需要，我们采用了64M的SDRAM和32M的FLASH，PXA 255处理器可以与16位或32位异步SRAM接口。我们可以用与SRAM类似的接口访问Flash存储器。

3.4 显示单元

   PXA255处理器内部集成有LCD控制器，它提供了从处理器到Active（TFT）显示屏的接口，LCD控制器的作用是将Frame Buffer里的数据传输到LCD控制器的内部，然后经过处理，输出数据到LCD的输入引脚上。触摸屏带有触摸屏控制芯片，触摸屏控制芯片与PXA 255相连接。触摸屏是一种透明的绝对定位系统，一般分为四个基本类型：电阻式触摸屏、电容式触摸屏、红外线式触摸屏和声表面式触摸屏；我们设计使用的是电阻式触摸屏。

3.4 电源单元

    电源单元采用模块化设计，输入＋5V输出3V和稳定的5V分别供给通信模块使用和处理器使用，在系统设计实现中加入了多级稳压电路和高精度低功耗CMOS线性调压电路，它起到电源管理的作用，电源管理芯片是MIC5219，具有过热和过流保护功能，工作额定电流能达到150mA，适合了我们的系统设计需要。

4  通信模块硬件接口设计

    串行通信是目前十分实用的通信方式之一，在通信模块与处理器的硬件接口上，我们设计了全功能的UART(通用接收/发送器)即FFUART，UART具有Modem控制脚，允许通过软件控制数据流，UART可执行串行/并行转换，处理器可读出UART的各种状态，FFUART支持Modem控制功能。CDMA 1X无线通信模块在功能上可映射为无线Modem，这样PXA 255就能够很方便实现对通信模块的控制。CDMA 1X 通信模块也具有全功能的UART，在它们之间使用串口转换芯片SP3238,实现两者之间RS-232接口的电平转换，PXA 255与CDMA 1X的接口设计框图如图4。

 

图4  PXA 255与CDMA 1X通信模块接口

5  软件流程设计

       嵌入式系统软件设计部分主要包括操作系统，驱动程序，应用程序。操作系统我们选用Redhat9.0版本进行定制裁减，驱动程序主要是串行口驱动，应用程序主要是拨号程序。开发这些软件要根据嵌入式开发流程来建立开发环境。

5.1 软件开发环境建立

    基于嵌入式Linux开发环境一般由目标系统硬件开发板和装有Linux桌面版的主机平台PC组成。我们这里用的是Redhat9.0的版本。目标系统硬件开发板用来运行嵌入式操作系统Linux、用户系统应用程序等，而主机平台用来嵌入式操作系统内核编译，文件系统的制作和系统应用程序开发和调试等。双方通过串口、并口或者以太网口等建立连接关系。

图5.1  系统工作执行流程图

5.2 系统工作执行流程图

    系统工作开始工作时，执行流程如图5.1所示，首先通过供电单元提供的电源进行系统上电，接着启动Bootloader，然后开始加载嵌入式Linux的系统内核，接下来进行外设模块的初始化进程，在存储单元准备就绪后，初始化次序为显示单元（触摸屏/TFT/LCD 液晶显示屏）、GPIO（通用输入输出接口）和CDMA 1X无线通信模块，如果外设未初始化成功，将重新进行初始化，成功后准备接入无线网络；开始加载网络协议（Point-To-Point Protocol、TCP/IP），加载成功后运行用户应用程序，系统使用结束后，关闭主程序，系统执行结束。

图5.2 无线接入网络流程

 

    该无线通信终端接入Internet后，就能够进行通过互联网承载的应用。无线接入网络的流程如图5.2所示。系统启动，操作系统载入后，首先初始化CDMA 1X无线模块，进行端口终端设置和波特率设置，波特率一般设置为115200bps；模块初始化完毕后，进入拨号等待状态，因为该无线通信终端在功能上映射为无线Modem，所以登陆网络需要进行拨号连接，接入号是＃777，用户名和密码均为card，启动拨号程序后，确认是否拨号成功，如果成功拨号，则调用Internet服务程序，如网络浏览器、用户应用程序等；最后使用Internet结束后，关闭无线连接。

5.4 串口驱动分析

    Linux操作系统对串口提供了很好的支持，嵌入式Linux也保留了这些功能。我们设计串口应用时，进行的串口操作主要是：设置串口、打开和关闭串口以及读写串口（收、发数据）；最基本的设置串口包括波特率设置，效验位和停止位设置。在驱动代码开发时，需要定义一些结构体，用它来实现上层抽象操作和底层具体操作的联系，它应该包括串口初始化函数、打开函数、关闭函数、接受函数、发送函数；编写驱动代码就是实现这些函数。

6  结束语

    该系统设计已应用到具体项目之中,在网络性能良好的状况下,能达到115200bps的网络连接速率.由于采用了高性能低功耗嵌入式处理器XSCALE和CDMA 1X模块，使得该无线接入系统，能够接入Internet网络，从而实现多种应用，如远程数据传输、无线监控等。随着无线通信技术领域和用户市场的不断发展，无线通信终端接入系统在交通路况监控、林业森林养护、工业现场数据传输、远程图像传输等方面将会有更大的前景。

参考文献:
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