嵌入式系统中无线通信技术的设计与实现

曹长瑞

【摘 要】近年来随着嵌入式操作系统和无线通信技术的不断发展，以嵌入式操作系统为平台，依赖于无线网络数据传输的数据终端被越来越多的运用于现实生活中。本文主要是针对车载系统和地面设备的无线通讯中存在的包括数据传输速度慢、数据量大、易丢失在内的一系列问题，提出了一种嵌入式无线数据通信系统的设计方案，并将其应用于某车载系统的无线通讯模块中，在实际中已经得到了验证。

【关键词】嵌入式系统；无线通信；存储芯片

1.嵌入式系统的相关问题

1.1嵌入式系统的定义

对于嵌入式系统最普遍认同的定义是：将应用作为中心，计算机技术为基础，软硬件可裁减，适应应用系统对功能、成本、可靠性、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统的操作系统实用性强、体积小、功能强、可定制、管理系统软件。近年来，嵌入式系统完成了从单一的非实时控制系统向多元的实时控制系统的转化，加之性能的不断完善，使它的运用范围更加广阔，例如，网络设备、信息电器、移动计算机设备、工控、医疗仪器等等。随着高新技术的不断发展和网络的普及，嵌入式系统必将朝着系统化和网络化的方向进一步发展。

1.2嵌入式系统设计所面临的挑战

通常情况下，简单的嵌入式系统并不需要用到嵌入式操作系统，例如单片控制等等。但是由于嵌入式系统复杂性的不断增加，操作系统必然会越来越重要，所以就需要对复杂的嵌入式软件系统实行更合理的控制。而对嵌入式实时操作系统有四个方面的要求，分别是实时性、系统可剪裁、轻量型网络支持、功能可扩展。嵌入式系统工业是专用计算机工业，将一切变得更为简单、方便、适用就是其需要达到的目的。本文主要研究的是嵌入式系统在无线通信技术中的应用。

2.本文研究目的

以目前的应用环境来看，有效利用无线通信技术来实现数据的无缝传输具有十分重要的意义，因为利用现有网络来实现大容量的数据通信环境的市场空间较大，需求量还很大，不仅在城市的无线通讯中应用广泛，尤其是在车载系统的无线通讯中嵌入式系统的运用已经得到人们的共识。虽然运用比较广泛，但在实际的操作中，还存在着数据大、传播速度慢、传播过程不稳定等问题，导致现有通讯方式的数据传输还存在着一定的阻碍。

随着高新技术的迅猛发展，交通越来越便捷，城市环境也日益复杂，城市中有的地方信号虽强，但是还存在干扰十分严重的问题。为了让车载系统中的无障碍数据通讯得到进一步的完善，本文对此提出了一种嵌入式无线数据通信系统的设计方案。

3.系统设计方案

因为嵌入式系统具有内核小、系统精简、专用性强的特点，所以通常需要专门的开发工具和运行环境。系统总体可以分为三个部分，分别是车载系统、嵌入式部分、后台部分。车载系统主要起到接收车内信息的作用，一般是通过发送天线的方式放出。嵌入式部分主要包括ARM芯片、接收天线、GPRS/CDMA模块、FLASH存储芯片。这个部分是系统实现的核心部分，比较关键，加之车载系统的环境相对复杂，所以车载信息是以地面设备的方式发送出来。后台部分则是包括后台服务器和Internet接入模块两个方面。

实施过程：将车载系统部分置于车上，道路和城市的关键节点处则需要置入嵌入式系统的硬件，这样一来就可以通过稳压电路而让整个网路的关键节点都能获取信息。后台部分需要置入在城市的监控中心，方便获取整个路网信息，通过充分利用Internet和GPRS网络的功能，让3G和4G实现无缝升级。

4.系统硬件与软件部分设计

4.1系统硬件

ARM芯片中ARM7内核、ARM9内核等为主流，其中由于ARM7内核拥有价格低廉、性价比高的优势而长期占据着垄断的地位。Flash存储芯片则具有低功耗、高密度、非易失性、可重复编程等方面的缺点，NOR Flash尺寸是NAND Flash尺寸的八倍，相对而言NAND Flash更适合于大容量数据存储的嵌入式系统。

根据上面所考虑的因素，本设计最终选用的是嵌入式系统是ARM7架构、LPC2220FBD芯片和16MNAND Flash存储器芯片K9F2808U0C存储介质为核心的架构。

GSM设备采用内置SIM300的工业级GPRS Modem。该产品内置有TCP/IP协议，对用户来说IP数据包的传输是透明的，对接口的设计进行了简化。而通信接口采用的是标准化的RS232接口，可以通过运用AT命令的方式来发起语音呼叫或是发送短信等功能。

4.2系统软件

可以说要保证嵌入式系统功能的实现，最关键的一点在于系统软件的实现。关于降低系统功耗这一点，嵌入式系统可以通过采用自动进入睡眠状态的方式来实现。而针对传输速度上的瓶颈问题，系统则是采用了分类法的方式进行解决。让所有的信息根据序号分配，通过实时、固定信息、可滞后信息的三种标准来讲信息划分为三个等级，其中值得注意的是传感、GPS的实时数据等相关的发送等级必须置于最高的位置，而图像和GIS等相关信息则在发送等级中置于较低的位置，接着在位置信息和车辆信息都完成传输工作后，最后再发送一些相对来说并不十分需要的信息。

取指令、译码、执行是ARM7的指令执行为的三个阶段。通常正常操作情况下，在执行一条指令的时候，后续的一个指令进行译码，而第三条指令则从存储器重选取指令。

流程分别是总初始化、端口的连接中断子程序、图片数据写入RAM、RAM写入FLASH、发送准备是让232收到connect_OK、232发送数据、清空FLASH。当这一系列的在读流程完成以后，LPC2220将K9F2808C中的数据分别送入SIM模块的RS232串口，这样就能实现数据的发送。

5.总结与展望

本文提出了是一种嵌入式的无线数据通信系统的设计方案，该方案具有数据稳定、传输量大等方面的优势，对实现车载系统的无线数据通讯起到了可实施性的作用。而设计中采用了两个串口的通讯方式，一个串口与GPRS模块进行通讯，另一个则是与无线接收模块进行通讯，之后再将数据存于NAND FLASH中。因为采用这种方式使得其拥有数据存储时间长的优势，而且在实际的使用过程中数据的传输速度也得到了验证，这种数据通信方案还可以适用于城市道路系统的信息采集与传输等方面。

嵌入式系统的应用可以从军用和民用两方面来看，就军用嵌入式系统而言，其在实时性、小型化与规模化上发展到了一个崭新的阶段；而就民用方面来说，嵌入式系统的运用相当广泛，几乎遍布与现代生活的每一个方面，而嵌入式系统的产品主要集中在通信产品、信息家电、工业控制器、掌上电脑等领域。在不久的将来基于嵌入式的无线通信技术的市场也会变得越来越广阔。

【参考文献】

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