開放型嵌入式平臺(tái)的設(shè)計(jì)及GPRS接駁技術(shù)的研究解析

喬 莉，侯 賀，郭曉偉

（河北北方學(xué)院，河北 張家口075000）

嵌入式系統(tǒng)是以管理應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪處理。嵌入式系統(tǒng)適合應(yīng)用在對功能、可靠性、成本、體積和功耗要求比較高的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)執(zhí)行專用功能依托計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。和一般性的通用型計(jì)算機(jī)相比，嵌入式系統(tǒng)是一種固化的軟件，終端用戶在使用系統(tǒng)的時(shí)候很難根據(jù)自己的需要來隨意改變軟件。

1 GPRS網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)

“GPRS”是通用分組無線業(yè)務(wù)的一個(gè)簡稱，是一種基于GSM系統(tǒng)無線分組交換技術(shù)形式。在GPRS系統(tǒng)的運(yùn)作下能夠提供全方位、多角度、廣域化的無線IP連接。從實(shí)際應(yīng)用角度來看，GPRS在數(shù)據(jù)信息傳輸工作中顯示出了以下幾個(gè)方面的特點(diǎn)：①接入范圍廣。GPRS網(wǎng)絡(luò)在現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)基礎(chǔ)上得到了升級(jí)，在具體運(yùn)作的時(shí)候可以實(shí)現(xiàn)對周圍電信網(wǎng)絡(luò)信息的充分利用，從而能夠更加方便、快捷地為用戶數(shù)據(jù)終端來提供遠(yuǎn)程接入服務(wù)支持。②較高的信息傳輸率。數(shù)據(jù)信息的傳輸速度能夠達(dá)到57.6 kbps，最高能夠達(dá)到115～171.2 kbps。數(shù)據(jù)信息的傳輸率是理想化傳輸速率的2倍以上。③快捷登錄。整個(gè)系統(tǒng)的接入時(shí)間比較短暫，在有需要的情況下可以實(shí)現(xiàn)快速鏈接。④按照流量的消耗來計(jì)算費(fèi)用。用戶在收發(fā)數(shù)據(jù)信息的過程中會(huì)占用一些無線資源，系統(tǒng)運(yùn)作的計(jì)費(fèi)方式一般會(huì)選擇用戶喜聞樂見的計(jì)費(fèi)模式。⑤自主切換。用戶在傳輸數(shù)據(jù)信息的時(shí)候會(huì)根據(jù)系統(tǒng)響應(yīng)情況來處理各個(gè)信號(hào)，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和語言業(yè)務(wù)的自由化轉(zhuǎn)換[1]。

2 嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

在云計(jì)算、信息安全、物聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)通信、智慧城市建設(shè)等方面，開發(fā)一批與大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)和核心產(chǎn)品，全面提升張家口市新一代電子信息產(chǎn)業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新能力是當(dāng)前相關(guān)人員需要思考和解決的問題。

密切聯(lián)網(wǎng)。為了能夠適應(yīng)嵌入式分布處理結(jié)構(gòu)、應(yīng)用上網(wǎng)需求。嵌入式系統(tǒng)在運(yùn)作的時(shí)候需要配備一個(gè)多元化的網(wǎng)絡(luò)通信接口。針對外部聯(lián)網(wǎng)的基本要求，嵌入式系統(tǒng)在運(yùn)作的時(shí)候需要配備專門的通信接口，也需要得到對應(yīng)TCP/IP協(xié)議文件的支持。由于家用電器之間的互相關(guān)聯(lián)，為了能夠保障設(shè)備、信息終端信息、實(shí)驗(yàn)室儀器協(xié)調(diào)工作的基本要求，新一代嵌入式設(shè)備需要具備更高階的通信接口，在具體運(yùn)行的時(shí)候還需要提供對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議軟件。在智慧城市應(yīng)用中，在智慧城市監(jiān)督控制系統(tǒng)運(yùn)作領(lǐng)域研強(qiáng)科技推出了一款嵌入式工控機(jī)。整個(gè)系統(tǒng)能夠支持8 G內(nèi)存運(yùn)行，系統(tǒng)會(huì)牽扯到4個(gè)接口，能夠支持AI卡的拓展，也能夠通過完善的系統(tǒng)界面顯示出來。嵌入式工控機(jī)的應(yīng)用特點(diǎn)表現(xiàn)如下：①智慧城市監(jiān)督控制系統(tǒng)在運(yùn)作的時(shí)候具備良好的散熱、抗高溫、抗震動(dòng)、抗沖擊性能，整個(gè)系統(tǒng)適合應(yīng)用在電磁干擾強(qiáng)的復(fù)雜工作環(huán)境中；②智慧城市監(jiān)督控制系統(tǒng)擁有豐富的I/O接口，系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)候能夠支持多個(gè)端口；③較強(qiáng)的拓展能力。智慧城市監(jiān)督控制系統(tǒng)能夠支持AI擴(kuò)展服務(wù)。

3 基于GPRS無線數(shù)據(jù)的傳輸系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

3.1 基于GPRS無線數(shù)據(jù)的終端傳輸設(shè)計(jì)

基于GPRS無線數(shù)據(jù)的終端設(shè)計(jì)有2套方案，第一套是“單片機(jī)+GPRS調(diào)制解調(diào)器”方案。此方案造價(jià)成本低廉，但是功能受限，“單片機(jī)+GPRS調(diào)制解調(diào)器”方案協(xié)議開發(fā)設(shè)計(jì)就會(huì)遇到一些阻礙。第二套方案是“嵌入式+GPRS模塊”。這個(gè)方案的建設(shè)成本較高，但是需要嵌入式CPU芯片來支持嵌入式操作系統(tǒng)運(yùn)作，在系統(tǒng)方案的支持下還能夠?yàn)楦叨讼到y(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)作提供重要支持。在綜合比較之后，本文決定選擇第二套系統(tǒng)來作為方案。

ARM7處理器是32b處理器，運(yùn)行頻率為40 MHz，內(nèi)存為8 MB，能夠?yàn)橄到y(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供有力的支持。在嵌入式操作系統(tǒng)的支持下能夠?qū)?yīng)用劃分為多個(gè)任務(wù)，之后交給操作系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行，降低開發(fā)者的開發(fā)負(fù)擔(dān)[2]。

3.2 基于GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的構(gòu)成和網(wǎng)絡(luò)接入方式

基于GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)南到y(tǒng)包含GPRS遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)單元和數(shù)據(jù)控制中心。

GPRSDTU：基于GPRS無線數(shù)據(jù)系統(tǒng)遠(yuǎn)端站用戶數(shù)據(jù)接口會(huì)和傳輸裝置連接在一起。在了解系統(tǒng)開發(fā)運(yùn)作情況的基礎(chǔ)上本文中的DTU會(huì)選擇CMNET接入公眾Internet的方式。

數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)控制中心：在中心對多個(gè)節(jié)點(diǎn)應(yīng)用模式的作用下，遠(yuǎn)端站的GPRSDTU數(shù)據(jù)會(huì)在全球定位系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上被傳遞到指定的數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心會(huì)將接收到的DTU數(shù)據(jù)通過協(xié)議轉(zhuǎn)換進(jìn)行還原處理，實(shí)現(xiàn)對DTU的管理。在具體實(shí)施操作的時(shí)候數(shù)據(jù)中心會(huì)使用Internet直接接入的操作方式。

4 基于GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的開放型嵌入式平臺(tái)布置

一個(gè)微處理器在運(yùn)作的時(shí)候會(huì)牽扯到多個(gè)總線系統(tǒng)，高速運(yùn)轉(zhuǎn)的設(shè)備會(huì)被連接在高速總線上，而低速運(yùn)行總線設(shè)備則會(huì)被安排在別的總線上。在系統(tǒng)運(yùn)作的時(shí)候一個(gè)被稱作橋的小邏輯電路能夠?qū)崿F(xiàn)以上設(shè)備的互通互聯(lián)。橋在從高速總線上獲取指令信息之后會(huì)將獲取的指令信息傳輸?shù)降退倏偩€上。

4.1 開放型嵌入式平臺(tái)的硬件設(shè)計(jì)

開放型嵌入式平臺(tái)的系統(tǒng)構(gòu)造如圖1所示。開放型嵌入式平臺(tái)系統(tǒng)的核心處理器是S3C2410，在具體運(yùn)作的時(shí)候開放型嵌入式平臺(tái)系統(tǒng)會(huì)和全球定位系統(tǒng)、鍵盤機(jī)械設(shè)備操作、LCD顯示燈結(jié)合在一起。

圖1 開放型嵌入式平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)

開放型嵌入式平臺(tái)系統(tǒng)S3C2410微處理器在運(yùn)行的時(shí)候使用手持設(shè)備來進(jìn)行設(shè)計(jì)，整個(gè)運(yùn)行系統(tǒng)在具體運(yùn)行的時(shí)候采取了16 KB指令和16 KB數(shù)據(jù)緩存、MMU、外部存儲(chǔ)器控制器、LCD控制器。

開放型嵌入式平臺(tái)系統(tǒng)在運(yùn)行的時(shí)候整個(gè)系統(tǒng)模塊由北京航宇公司加工完成，整個(gè)系統(tǒng)模塊在運(yùn)行的時(shí)候會(huì)采用專業(yè)的RS232接口，在具體運(yùn)行操作的時(shí)候計(jì)算機(jī)串聯(lián)接口會(huì)經(jīng)過嵌入式處理器來完成驅(qū)動(dòng)處理[3]。

在這個(gè)階段，計(jì)算機(jī)作為數(shù)字終端設(shè)備、GPRS模塊作為數(shù)字電路設(shè)備，在數(shù)字終端設(shè)備和數(shù)字電路設(shè)備之間，在設(shè)備運(yùn)作的時(shí)候會(huì)使用一整套AT命令來進(jìn)行控制。GSM、GPRS各個(gè)功能的實(shí)現(xiàn)都依賴數(shù)字終端設(shè)備。

GPRS模塊系統(tǒng)采用GSM900/DCSI1800雙頻系統(tǒng)，射頻接口采用日本公司生產(chǎn)的射頻連接器。GPRS模塊在運(yùn)行的時(shí)候提供了完整的音頻接口，可以增加少量外圍輔助元器件設(shè)計(jì)構(gòu)成的主要通道、輔助通道。GPRS模塊能夠支持外部SIM卡，可以直接和3.0 V SIM卡連接，GPRS模塊自動(dòng)檢測和適應(yīng)SIM類型。

開放型嵌入式平臺(tái)在運(yùn)作的時(shí)候會(huì)為系統(tǒng)用戶提供一個(gè)開放的操作平臺(tái)，同時(shí)系統(tǒng)平臺(tái)的運(yùn)作環(huán)境是一個(gè)高起點(diǎn)的支撐環(huán)境，在這個(gè)環(huán)境中除了會(huì)牽扯到面向行業(yè)應(yīng)用軟硬件服務(wù)設(shè)施之外，系統(tǒng)平臺(tái)還會(huì)顯示出較強(qiáng)的空間擴(kuò)展功能，用戶能夠根據(jù)自己的需要在平臺(tái)上獲取所需要的數(shù)據(jù)信息。

系統(tǒng)的打造依托GPRS、CC2530單片機(jī)技術(shù)，會(huì)將整個(gè)系統(tǒng)劃分為傳感器模塊、可燃?xì)怏w模塊、煙霧檢測模塊、報(bào)警模塊。在家庭網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，IPx6網(wǎng)絡(luò)會(huì)為每個(gè)家電分配一個(gè)IP地址并提供更為安全的家庭網(wǎng)絡(luò)供使用。系統(tǒng)通信過程中會(huì)采用IPV6協(xié)議，使用IPV6數(shù)據(jù)包格式對系統(tǒng)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行打包和傳送。

UART接口戶將平臺(tái)應(yīng)用在全球定位導(dǎo)航系統(tǒng)上，各個(gè)通信模塊會(huì)借助UART的通信方式來和處理器實(shí)現(xiàn)彼此的交互。在系統(tǒng)平臺(tái)運(yùn)作的時(shí)候如果將平臺(tái)信息應(yīng)用到心電圖監(jiān)測儀上，借助多路UART傳送器會(huì)將各個(gè)信路上的信息傳輸給處理器進(jìn)行處理。將包含USB接口的平臺(tái)應(yīng)用到監(jiān)督控制系統(tǒng)中的時(shí)候可以借助USB攝像頭來掃描分析視頻圖像數(shù)據(jù)信息，同時(shí)，還能夠借助移動(dòng)硬盤來存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)信息。開放型嵌入式平臺(tái)能夠被應(yīng)用到遠(yuǎn)程監(jiān)督控制系統(tǒng)中，在遠(yuǎn)程系統(tǒng)運(yùn)作時(shí)候會(huì)將收集到的數(shù)據(jù)信息借助以太網(wǎng)來傳輸?shù)娇汕度敕治鱿到y(tǒng)中。在IIC總線接口的作用下能夠?qū)⑾到y(tǒng)平臺(tái)應(yīng) 用到更多信息處理系統(tǒng)中，在系統(tǒng)運(yùn)作的時(shí)候，AF控制器、IF系統(tǒng)、IIC總線接口也會(huì)和處理器連接在一起。SPI總線接口能夠?qū)⑵脚_(tái)系統(tǒng)應(yīng)用到溫度測試系統(tǒng)中，溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)信息能夠通過SPI總線傳送到處理器。在數(shù)據(jù)信息采集整理的過程中，所獲得的信息多數(shù)是模擬量，在使用這些模擬信息的時(shí)候需要借助模擬轉(zhuǎn)換器來將信息轉(zhuǎn)變?yōu)榉奖闾幚淼男畔ⅰ?/p>

4.2 開放型嵌入式平臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)

開放型嵌入式平臺(tái)的軟件開發(fā)使用了武漢信息科技公司生產(chǎn)的系統(tǒng)，在這個(gè)集成系統(tǒng)的作用下能夠?yàn)槭褂谜咛峁┣逦?、安全的軟件操作管理平臺(tái)。整個(gè)軟件系統(tǒng)平臺(tái)涉及到編輯器、鏈接器、工程管理器、調(diào)試器等。在GPRS通信的過程中可以根據(jù)不同的處理需要來啟動(dòng)對應(yīng)的應(yīng)用程序，具體涉及到主要操作程序、功能程序、鍵盤控制程序。

開放型嵌入式平臺(tái)系統(tǒng)功能程序涉及到GPRS模塊初始化操作程序、GPRS讀數(shù)據(jù)程序、GPRS發(fā)送消息程序。整個(gè)操作系統(tǒng)在運(yùn)作的時(shí)候會(huì)通過狀態(tài)機(jī)來完成控制。

鍵盤操作會(huì)對用戶管理操作信息和用戶操作所有信息來進(jìn)行展示，在具體實(shí)施操作的時(shí)候可以通過鍵盤來實(shí)現(xiàn)管理，整個(gè)系統(tǒng)操作模塊會(huì)涉及到數(shù)據(jù)信息的初始化處理、信息傳遞、信息接收等，都可以通過鍵盤操作。

4.2.1 啟動(dòng)加載程序Boot Loader的設(shè)計(jì)

Boot Loader是在操作系統(tǒng)內(nèi)核運(yùn)行之間所運(yùn)行的一個(gè)系統(tǒng)程序，是系統(tǒng)加電之后運(yùn)行的第一段代碼，類似PC機(jī)上的BIOS。Boot Loader運(yùn)行過程中的引導(dǎo)程序功能可實(shí)現(xiàn)對硬件的初始化處理和科學(xué)設(shè)定內(nèi)核啟動(dòng)參數(shù)。在技術(shù)的支持下，Boot Loader能夠和主機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)交互，之后從串口、USB口或者網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上來下載文件資料，實(shí)現(xiàn)對存儲(chǔ)設(shè)備的有效管理。系統(tǒng)通過運(yùn)行這個(gè)程序能夠保障平臺(tái)始終處于一個(gè)理想化的軟硬件環(huán)境中。

4.2.2 嵌入式實(shí)施操作系統(tǒng)在S344BOX上的移植

嵌入式實(shí)施操作系統(tǒng)是一個(gè)性能較強(qiáng)的、能夠?qū)崿F(xiàn)對任務(wù)隨時(shí)性調(diào)度管理的系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)在運(yùn)行的過程中具備中斷管理、同步管理的功能特點(diǎn)。與此同時(shí)，嵌入式實(shí)施操作系統(tǒng)還是一個(gè)移植性較強(qiáng)的操作系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)部的軟硬件區(qū)別化設(shè)置，可以根據(jù)實(shí)際需要來進(jìn)行選擇。

嵌入式實(shí)施操作系統(tǒng)的處理器具備以下功能特點(diǎn)：①嵌入式實(shí)施操作系統(tǒng)處理器的C編譯器能夠產(chǎn)生可重入的代碼。②嵌入式實(shí)施操作系統(tǒng)使用C語言就能夠完成開關(guān)設(shè)定和調(diào)節(jié)；處理器能夠支持一定容量的硬件堆棧。③嵌入式操作系統(tǒng)的處理器能夠?qū)⒍褩Ｖ羔樅推渌鸆PU處理器結(jié)合在一起，在彼此的密切配合下來解讀內(nèi)存指令[4]。

4.2.3 以太網(wǎng)功能設(shè)計(jì)分析

終端系統(tǒng)中的無線射頻模塊采取的是PIML-900/1800GPRS模塊，整個(gè)模塊系統(tǒng)在運(yùn)作的時(shí)候沒有嵌入TCP、IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。為了保證終端系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，需要在終端系統(tǒng)中嵌入TCP、IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，在協(xié)議的支持下，增強(qiáng)以太網(wǎng)的軟硬件功能，并使用有線的以太網(wǎng)完成對數(shù)據(jù)中心的訪問。整個(gè)系統(tǒng)在運(yùn)作的時(shí)候會(huì)使用嵌入式應(yīng)用開源TCP、IP協(xié)議棧來將開源和TCP、IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議模塊聯(lián)系在一起。協(xié)議棧在設(shè)計(jì)的時(shí)候會(huì)考慮移植問題，各個(gè)硬件、OS、編譯器的功能會(huì)獨(dú)立出來，而后將所有信息放置在src、arch目錄下。

4.2.4 應(yīng)用程序模塊的設(shè)計(jì)

嵌入式平臺(tái)系統(tǒng)能夠同時(shí)啟動(dòng)多個(gè)模塊來處理軟硬件信息，在這個(gè)期間所涉及的內(nèi)部信息包含處理器初始化信息、串口初始化信息，在系統(tǒng)硬件準(zhǔn)備好之后按照系統(tǒng)的運(yùn)作要求來劃分相應(yīng)的系統(tǒng)任務(wù)。首先，初始化處理。系統(tǒng)信息的初始化處理包含主函數(shù)和初始化任務(wù)。在主函數(shù)完成對系統(tǒng)硬件初始化處理之后就會(huì)啟動(dòng)操作系統(tǒng)。任務(wù)會(huì)同構(gòu)AT命令來完成對GPRS模塊的測試，打造出獨(dú)立的GPRS連接流程。接著，應(yīng)用操作程序。應(yīng)用程序運(yùn)作的最高級(jí)形式是任務(wù)的配置，在用戶發(fā)送特殊字符的時(shí)候會(huì)將其以“1”的形式編輯在郵箱中，從用戶側(cè)讀入配置參數(shù)寫入FLASH特定區(qū)域。用戶側(cè)串口會(huì)根據(jù)需要選擇中斷方式，任務(wù)的優(yōu)先級(jí)始終在所有任務(wù)之上。滿包數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)會(huì)優(yōu)先于配合任務(wù)，在具體實(shí)施操作的時(shí)候會(huì)從用戶側(cè)的串口讀入數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)區(qū)域，在接收到一連串字符之后會(huì)向GPRS模塊發(fā)送AT指令數(shù)據(jù)。在串口數(shù)據(jù)達(dá)到一包的時(shí)候就會(huì)被高優(yōu)先級(jí)的滿包數(shù)據(jù)發(fā)送，較低級(jí)別的數(shù)據(jù)處理任務(wù)僅僅能夠用來處理不滿一包的數(shù)據(jù)信息，在具體實(shí)施操作的時(shí)候會(huì)將這不滿一包的數(shù)據(jù)單獨(dú)使用AT命令來發(fā)送，在用戶超過40 s沒有數(shù)據(jù)信息發(fā)送的時(shí)候，數(shù)據(jù)處理任務(wù)負(fù)責(zé)會(huì)向網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)傳遞一個(gè)沒有用戶動(dòng)態(tài)變化的信息來保證無線鏈路。

4.3 開放型嵌入式平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

連接計(jì)算機(jī)串口能夠連接到嵌入式處理器的S3C2410平臺(tái)上，在連接好全球定位系統(tǒng)天線的基礎(chǔ)上可以在全球定位系統(tǒng)SIM插座上插入SIM卡。在卡片插入之后連接耳機(jī)和麥克風(fēng)，通過一系列設(shè)備的連接來實(shí)現(xiàn)超級(jí)終端系統(tǒng)的運(yùn)作。在系統(tǒng)運(yùn)作的時(shí)候需要結(jié)合實(shí)際情況來選擇適合的串口，并根據(jù)實(shí)際情況來對串口的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，在設(shè)置好參數(shù)之后打開串口。

全球定位系統(tǒng)模塊在連通電力資源之后可以通過使用鍵盤的UP、DOWN鍵選擇“GPRS-連接PC選項(xiàng)”，確定好之后整個(gè)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)復(fù)位GPS模塊，而后在PC模塊的作用下通過計(jì)算機(jī)模擬控制的系統(tǒng)來連接整個(gè)系統(tǒng)模塊，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)模塊的初始化處理，而后借助不同的指令完成操作。

5 結(jié)束語

綜上所述，本文在闡述嵌入式系統(tǒng)構(gòu)造和基本內(nèi)涵的基礎(chǔ)上，將嵌入式處理器S3C2410作為基本研究對象，以一系列先進(jìn)的技術(shù)形式打造出一個(gè)完善的通信管理系統(tǒng)，并為系統(tǒng)運(yùn)行創(chuàng)設(shè)良好的環(huán)境，旨在能夠?yàn)闊o線通信技術(shù)應(yīng)用研究提供切實(shí)可行的操作平臺(tái)支持。