军用车辆防冲突大型移动通信设备的设计

2012-06-23李国中

电子科技 2012年12期

李国中

(华北计算技术研究所技改处，北京 100083)

移动互联网设备(Mobile Internet Device，MID)是一种新的互联网终端。随着移动通信设备的发展，其今后将替代移动电话和笔记本电脑成为新的移动通信方式，该设备可以访问无限网络，完成基本的电脑功能，也可完成大规模的在线通信，流畅的使用办公软件，查看相关文档，安排合理的工作计划，同时还可欣赏音乐、电影和视频会议等影音功能;并且能够完成移动定位、在线摄影等功能记录生活的点滴［1－2］。随着军用通信技术的不断发展，对新一代的军车通信提出了更高的要求。作为在笔记本电脑和手机之间新的产品形态，移动互联网设备其最大优势是不受地点和时间的限制，可完成移动通信［3］。符合军用车辆的通信要求。其屏幕尺寸较小，方便随身携带，虽然个别小型的笔记本尺寸也越来越小，但仍无法达到随身携带的目的，因此其应当拥有较大的军用车辆市场前景;与一般的军用通信器材相比，其屏幕较大、显示和处理等功能较强、通信效果好，兼容性和通信的稳定性更佳。最为重要的是其通信的安全性，因此，特别适合军用车辆的使用［4－5］。

1 移动通信设备的整体设计原理

为满足军用车辆移动通信设备安全高效的通信需求，整体设计采用较为流行的嵌入式设计技术。军用车辆移动通信设备的系统结构功能的整体组成如图1所示。

根据组成功能的不同，移动通信设备采用了模块化设计的思路:

(1)其核心处理器选择的是抗干扰能力较强的S3C2410:其通信效果好，协议安全性强，各种通信接口的功能强大。

(2)算法运算模块采用Altera公司较为成熟的FPGA器件StratixII系列EP2S180－1020FBGA，完成通信协议算法的编程工作。

(3)存储设备选择的是RAM和Flash:由于设备需要存储较大容量的信息，因此需要选择扩展的DDRRAM，可保持临时文件及相关的数据缓存，Flash采用NAND Flash，用于存放程序代码和数据等。

(4)音频信号输入输出:移动设备需要满足视频和音频的功能，因此需要一个扬声器，用于语音和视频数据的有效输出。

(5)串口:这是完成各种外界设备通信必备的接口。

(6)TD/GPRS/GSM模块:该模块可实现一般笔记本和手机见缺的功能，完成人员定位，是最为关键的模块。

(7)以太网收发器:采用 DM9000AE芯片，10/100 Mbit·s－1速率自适应，可完成有线网络和无限网络的通信功能。

(8)USB接口:通过USB扩展应用，可对外完成多种设备的扩展，包括3G等应用设备。

(9)电源管理:为保证电源的耐用性，采用锂电池作为电源管理，并确保电源管理的高效性，能够完成系统的信号供应和外部时钟。

(10)WiFi模块:完成无线通信的功能，通过无线通信网络完成互联网通信端口之一。

系统平台的总体结构分为系统总体的设计、FPGA板、核心板3个部分。其中，设备采用USB接口、SD卡接口、音频接口、网口、电源接口、LCD触摸屏接口以及摄像头接口，系统可根据此硬件结构，完成一系列的功能，同时可以通过硬、软件的协调配合，完成功能的实现。

2 军用车辆通信系统硬件设计

军用车辆通信的核心芯片是Samsung公司的S3C2410，采用 ARM1176JZF－S内核，数据存储空间达到16 kB并拥有同样大小的指令存储空间，其工作电压稳定，适用于波动较大的环境，工作频率达到553 MHz，在1.2 V 的情况下，频率可达 667 MHz。运用AXI、AHB和APB形成的64/32 bit总线设计和接口设备相连。以FPGA的封装方式进行封装，引脚规范较好。总线也可采用外边扩展的方式，对模块进行调用，其核心的硬件RTC电路设计如图2所示。

图2 RTC原理图

其中S3C2410的VDDRTC可与其进行直连，保证工作效率。该模块采用的电压供电不超过4 V，完成了大部分的供电功能。另外，还设计了供电中出现掉电时的工作模式，由备用电池供电，此时S3C2410中唯有RTC模块工作，其余模块均处于停止状态。

根据S3C2410的最高工作频率及PLL电路的工作方式，系统晶振的选择需要一定的窍门，可采用12 Hz的晶振，也可选择频率较高的无源晶振作为系统的时钟信号提供方，系统选用25 Hz的晶振为相关的芯片设计时钟电路。当然，也可通过CUP芯片内部集成的倍频电路，根据系统的需求产生不同频率的晶振信号。其中，系统设定了相关的放大电路和信号干扰去除电路。因此，外边的信号频率无需较高，也可满足系统的相关需求，又可进一步降低系统在工作过程中的噪声。图3是这4种时钟的示意图，此处的电容用于滤除来自振荡的高次谐波，电阻是进行阻抗匹配的。

图3 系统时钟示意图

S3C2410处理器支持多种启动方式，不同设备的启动，方式不同。其中IROM是一种高速启动的方式，对NAND Flash、SD卡和ONENAND等设备进行相关的控制。这是顺序的启动方式，S3C2410处理器通过运行其本身固有的程序，计算EINT15、EINT14、EINT13这3个引脚状态，根据所得引脚的不同状态选择启动设备。S3C2410处理器的启动由 XSELNAND、OM［4∶1］、EINT［15∶13］这 3 种引脚状态判断，完成SROM、NOR、NAND、ONENAND、SD 以及 IROM 的初始化。当NAND作为启动设备时，XSELNAND需要设定为高。

3 系统软件设计

完善的硬件配置需要用有效的软件作为平台，为保证新一代军车通信系统的高效性和安全性，配合其特有的存储能力、功耗、硬件系统的体积大小和相关接口。系统的软件设计终端是基于ARM Linux架构的。其软件结构如图4所示。

图4 移动终端软件设计结构图

驱动程序设计包括:

(1)页面驱动程序设计。良好的页面处理程序化。Qt/Embedded的底层图形引擎基于Framebuffer。其是一种驱动程序接口，通过设计操作性较强的界面程序，对相关设计进行驱动，设备是/dev/fb0、/dev/fb1等。设备对操作的用户而言是相同的，封装后区别较小，客户相当于对一个内存进行操作，完成存储功能，通过内存映射程序完成相关操作，对内存内部的各个地址单元进行有效的访问，访问过程是双向的可以通过读的方式访问，也可以写入数据，并随即反应在屏幕上。

(2)数模转换驱动设计。语音和视频信号是模拟波形，因此在设计驱动程序过程，必须保证信号传递的稳定性和可靠性。语音信号在传递时需要转换成数字信号，对模拟信号中的相关位进行数字化转换，转换结果要有效保持。保持的区域需要预定大小，若太小将发生溢出。数模转换工作需要专门的模块完成。该转换芯片也需要编写相应的驱动程序，该程序并不复杂，只需安装芯片的具体实现过程，完成编写即可。对声音的采集则需要固定的驱动程序完成转换。因此视频转换和声音转换均需要驱动完成。

(3)数据采集驱动程序设计。该部分是完成数据采集功能的模块，系统中的多数模块均会调用此模块，完成相关数据的采集。其中，声音信号的采集驱动程序设计较为特殊，其涉及到模数转换的过程，是将采集到的声音信号转换成数字信号的过程。转换的结果仍要保存在内存中，由于语言信号结构复杂，因此在嵌入式Linux下，语音的采集和播放可通过 OSS(Open Sound System)的API接口来控制声卡实现模数与数模转换。

OSS无需使用指定的操作程序，因此使用时更加便捷，只需利用接口将操作程序与应用系统相连接即可实现交互运算。系统利用文件进行信息传递的，无需在运行的过程中进行程序调用。利用read/write进行数据传输，通过ioctl进行指令传输。OSS系统与操作系统之间的关系可通过图5进行描述。

图5 OSS系统与操作系统关系图

4 军用车辆通信系统测试

在军用车辆通信检测系统中，任意选取N个功能进行系统测试。测试中需要启动车载IP视频电话，从而选取合理的网络，利用该网络进行数据传输。因此，需要对IP视频电话分别进行声音和图像的测试。在进行声音测试时，需要得到声音的质量、带宽和滞后时间等相关参数，从而判断声音传递的效果。随后对视频图像进行测试，获取图像的质量、带宽及传递滞后情况。

通过音频和视频的测试，可得到IP视频电话的测试结果，从而判断IP视频电话功能是否符合要求。