嵌入式系統中無線通信技術的設計與實現

曹長瑞

【摘 要】近年來隨著嵌入式操作系統和無線通信技術的不斷發展，以嵌入式操作系統為平臺，依賴于無線網絡數據傳輸的數據終端被越來越多的運用于現實生活中。本文主要是針對車載系統和地面設備的無線通訊中存在的包括數據傳輸速度慢、數據量大、易丟失在內的一系列問題，提出了一種嵌入式無線數據通信系統的設計方案，并將其應用于某車載系統的無線通訊模塊中，在實際中已經得到了驗證。

【關鍵詞】嵌入式系統；無線通信；存儲芯片

1.嵌入式系統的相關問題

1.1嵌入式系統的定義

對于嵌入式系統最普遍認同的定義是：將應用作為中心，計算機技術為基礎，軟硬件可裁減，適應應用系統對功能、成本、可靠性、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統。嵌入式系統的操作系統實用性強、體積小、功能強、可定制、管理系統軟件。近年來，嵌入式系統完成了從單一的非實時控制系統向多元的實時控制系統的轉化，加之性能的不斷完善，使它的運用范圍更加廣闊，例如，網絡設備、信息電器、移動計算機設備、工控、醫療儀器等等。隨著高新技術的不斷發展和網絡的普及，嵌入式系統必將朝著系統化和網絡化的方向進一步發展。

1.2嵌入式系統設計所面臨的挑戰

通常情況下，簡單的嵌入式系統并不需要用到嵌入式操作系統，例如單片控制等等。但是由于嵌入式系統復雜性的不斷增加，操作系統必然會越來越重要，所以就需要對復雜的嵌入式軟件系統實行更合理的控制。而對嵌入式實時操作系統有四個方面的要求，分別是實時性、系統可剪裁、輕量型網絡支持、功能可擴展。嵌入式系統工業是專用計算機工業，將一切變得更為簡單、方便、適用就是其需要達到的目的。本文主要研究的是嵌入式系統在無線通信技術中的應用。

2.本文研究目的

以目前的應用環境來看，有效利用無線通信技術來實現數據的無縫傳輸具有十分重要的意義，因為利用現有網絡來實現大容量的數據通信環境的市場空間較大，需求量還很大，不僅在城市的無線通訊中應用廣泛，尤其是在車載系統的無線通訊中嵌入式系統的運用已經得到人們的共識。雖然運用比較廣泛，但在實際的操作中，還存在著數據大、傳播速度慢、傳播過程不穩定等問題，導致現有通訊方式的數據傳輸還存在著一定的阻礙。

隨著高新技術的迅猛發展，交通越來越便捷，城市環境也日益復雜，城市中有的地方信號雖強，但是還存在干擾十分嚴重的問題。為了讓車載系統中的無障礙數據通訊得到進一步的完善，本文對此提出了一種嵌入式無線數據通信系統的設計方案。

3.系統設計方案

因為嵌入式系統具有內核小、系統精簡、專用性強的特點，所以通常需要專門的開發工具和運行環境。系統總體可以分為三個部分，分別是車載系統、嵌入式部分、后臺部分。車載系統主要起到接收車內信息的作用，一般是通過發送天線的方式放出。嵌入式部分主要包括ARM芯片、接收天線、GPRS/CDMA模塊、FLASH存儲芯片。這個部分是系統實現的核心部分，比較關鍵，加之車載系統的環境相對復雜，所以車載信息是以地面設備的方式發送出來。后臺部分則是包括后臺服務器和Internet接入模塊兩個方面。

實施過程：將車載系統部分置于車上，道路和城市的關鍵節點處則需要置入嵌入式系統的硬件，這樣一來就可以通過穩壓電路而讓整個網路的關鍵節點都能獲取信息。后臺部分需要置入在城市的監控中心，方便獲取整個路網信息，通過充分利用Internet和GPRS網絡的功能，讓3G和4G實現無縫升級。

4.系統硬件與軟件部分設計

4.1系統硬件

ARM芯片中ARM7內核、ARM9內核等為主流，其中由于ARM7內核擁有價格低廉、性價比高的優勢而長期占據著壟斷的地位。Flash存儲芯片則具有低功耗、高密度、非易失性、可重復編程等方面的缺點，NOR Flash尺寸是NAND Flash尺寸的八倍，相對而言NAND Flash更適合于大容量數據存儲的嵌入式系統。

根據上面所考慮的因素，本設計最終選用的是嵌入式系統是ARM7架構、LPC2220FBD芯片和16MNAND Flash存儲器芯片K9F2808U0C存儲介質為核心的架構。

GSM設備采用內置SIM300的工業級GPRS Modem。該產品內置有TCP/IP協議，對用戶來說IP數據包的傳輸是透明的，對接口的設計進行了簡化。而通信接口采用的是標準化的RS232接口，可以通過運用AT命令的方式來發起語音呼叫或是發送短信等功能。

4.2系統軟件

可以說要保證嵌入式系統功能的實現，最關鍵的一點在于系統軟件的實現。關于降低系統功耗這一點，嵌入式系統可以通過采用自動進入睡眠狀態的方式來實現。而針對傳輸速度上的瓶頸問題，系統則是采用了分類法的方式進行解決。讓所有的信息根據序號分配，通過實時、固定信息、可滯后信息的三種標準來講信息劃分為三個等級，其中值得注意的是傳感、GPS的實時數據等相關的發送等級必須置于最高的位置，而圖像和GIS等相關信息則在發送等級中置于較低的位置，接著在位置信息和車輛信息都完成傳輸工作后，最后再發送一些相對來說并不十分需要的信息。

取指令、譯碼、執行是ARM7的指令執行為的三個階段。通常正常操作情況下，在執行一條指令的時候，后續的一個指令進行譯碼，而第三條指令則從存儲器重選取指令。

流程分別是總初始化、端口的連接中斷子程序、圖片數據寫入RAM、RAM寫入FLASH、發送準備是讓232收到connect_OK、232發送數據、清空FLASH。當這一系列的在讀流程完成以后，LPC2220將K9F2808C中的數據分別送入SIM模塊的RS232串口，這樣就能實現數據的發送。

5.總結與展望

本文提出了是一種嵌入式的無線數據通信系統的設計方案，該方案具有數據穩定、傳輸量大等方面的優勢，對實現車載系統的無線數據通訊起到了可實施性的作用。而設計中采用了兩個串口的通訊方式，一個串口與GPRS模塊進行通訊，另一個則是與無線接收模塊進行通訊，之后再將數據存于NAND FLASH中。因為采用這種方式使得其擁有數據存儲時間長的優勢，而且在實際的使用過程中數據的傳輸速度也得到了驗證，這種數據通信方案還可以適用于城市道路系統的信息采集與傳輸等方面。

嵌入式系統的應用可以從軍用和民用兩方面來看，就軍用嵌入式系統而言，其在實時性、小型化與規?；习l展到了一個嶄新的階段；而就民用方面來說，嵌入式系統的運用相當廣泛，幾乎遍布與現代生活的每一個方面，而嵌入式系統的產品主要集中在通信產品、信息家電、工業控制器、掌上電腦等領域。在不久的將來基于嵌入式的無線通信技術的市場也會變得越來越廣闊。

【參考文獻】

[1]王田苗.嵌入式系統設計與實例開發[M].清華人學出版社，2003.

[2]靳攀，張臻，呂斌斌.基于GPRS和嵌入式Linux的無線數據通信系統設計[M].子技術，2007，34（11）：3-105.

[3]郭平，歐陽元新，熊璋，等.分布式無線信息發布平臺的設計與實現[M].計算機工程與技術，2007，28（20）：4919-4920.