基于ARM9的无线数据终端的设计与实现

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　　0.引　言
　　随着GPRS/CDMA网络技术的逐步成熟，无线数据相关应用已经成为当前的热点应用，特别是对于电力、电信、石油、水利、地质、和交通行业中场所不固定的应用场合，由于有线网络的架设受到种种条件的限制，采用基于GPRS/CDMA的无线网络技术，具有无可比拟的优势。传统的无线数据终端一般是采用“单片机＋GPRS/CDMA调制解调器”的系统结构，这种结构硬件成本略低，但功能比较有限，在协议的开发和支持上都有一定难度。而近年来，以ARM为代表的嵌入式32位微处理器技术得到了飞速发展，无论是在功耗、便携性还是在硬件成本上，许多高性能的ARM芯片已经与单片机相差无几，因此在许多工业应用设计中，使用ARM芯片取代传统的8/16位单片机已经是一个非常经济、理想的选择。
　　无线数据终端系统以“高性能嵌入式微处理器＋GPRS/CDMA模块” 的系统架构取代了传统的无线数据终端设计方案，此方案虽然硬件成本稍高，需要高性能嵌入式微处理器来支持嵌入式操作系统，但可以实现丰富协议接口，便于移植和向高端系统应用升级，同时更加便于数据采集与远程监控的实现。这样不仅可以利用ARM芯片丰富的片内、片外资源简化系统硬件结构，更为方便的是，可以通过运行嵌入式操作系统来实现丰富协议接口，减小实际应用的开发难度且便于向高端系统应用升级。
　　1.硬件结构
　　无线数据终端系统是嵌入到一个工业控制系统中使用，同时综合考虑其他相关需求和功能扩展，因此选用AT91RM9200处理器作为系统的核心处理单元，外接GPRS/CDMA模块，作为整个系统的硬件平台。AT91RM9200是ATMEL公司生产的一款高性能的基于ARM架构到32位嵌入式的ARM9芯片，AT91RM9200是一款工业级到ARM9芯片，工作温度范围可达-40℃～85℃，存储温度-60℃～150℃。CPU内嵌16KB数据Cache和16KB指令Cache，带有MMU存储器关联单元，在180MHz时工作频率下运行速度可达200MIPS.芯片内嵌10M/100M自适应以太网口、USB2.0协议到USB HOST和Device接口，具有多媒体卡接口MCI，3个同步串口SSC，4个USART接口以及SPI接口等，最多可达122个可编程I/O口。AT91RM9200性能稳定，功能强大，时工业控制、网络通讯等应用的首选，也适合于汽车、医药等领域。图1是无线数据终端系统的总体硬件结构图。



　　图1 无线数据终端的总体硬件结构图
　　在图1所示的硬件结构中，R232/RS485接口和RJ45网络接口用来实现客户的接口需求，与各种用户前端设备进行关联，GPRS/CDMA模块提供系统的无线数据通信链路，通过UART接口和AT91RM9200通信，实现数据的无线传输。图中的其他功能模块实现系统所需的基本功能，整体硬件结构相对比较简单。
　　目前成熟的无线网络技术中，主要有GPRS和CDMA两种技术，系统设计时可以针对不同的应用地区电信运营商的网络覆盖情况选择GPRS或CDMA模块实现无线网络的连接。其中，GPRS模块我们采用的是目前比较流行而且最易购买的西门子公司的MC39i模块(GPRS)，CDMA模块我们采用WAVECOM的Q2358C模块(CDMA)。MC39i采用GPRS分时复用的Class 8 的标准，支持EGSM900和GSM1800双频,它具有TC35的全部功能并且很容易集成。该GPRS模块接收速率可以达到86.20kbps,发送速率可以达到21.5kbps。接口为40pin，包括电源、3V　SIM卡、RS232接口、语音、控制等管脚／50Ω天线接口。CDMA模块选用Wavecom公司的Q2358C模块,它是一个单频800MHZ，CDMA20001xRTT模块, RS-232和声音通过15pin接口连接，电源通过4pin接都相连，含有SMA天线接口和活动UIM插槽，可以通过通过AT指令进行控制。本应用设计时主要使用了三个接口，即电源接口、SIM接口和串行接口。GPRS/CDMA模块包含完整的SIM接口信号和一个完整的全功能串口，因此模块的SIM接口和串口的连接非常简单，直接将模块的接口与ARM系统的对应接口连接即可。
　　2.软件平台
　　2.1 构建可移植嵌入式Linux系统
　　无线数据终端的软件开发一般分为两部分，即系统软件的移植与配置和高级应用程序的开发，其中前者是后者实现的基础。嵌入式Linux是目前广泛应用的一种嵌入式操作系统,嵌入式Linux针对嵌入式系统的特点,对Linux的内核进行了修改和重新编译,包含了Linux常用的API,保留了Linux系统原有的强大的网络功能,高稳定性,丰富的文件系统支持功能。
　　采用的微处理器AT91RM9200 内部带有MMU,所以采用ARM Linux,使用Linux2.4.18内核,他的特点主要是给内部带有存储管理单元MMU 的处理器提供良好的支持。硬件系统主要芯片包括:CPU 采用ATMELARM9处理器AT91RM9200;内存芯片为现代HY57V641620; FALSH 采用SST39VF160;BOOT FLASH 为ATMEL AT29C010;由于AT91RM9200内嵌一个以太网控制器,支持媒体独立接口MII和带缓冲DMA接口,可在半双工或全双工模式下提供情报10/100Mb/s的以太网接入。兼容IEEE802.3MAC控制层协议。同时，为满足系统的无线数据终端的应用需求，还对系统源代码进行了改进，利用AT91RM9200芯片支持DMA机制，对串口驱动代码进行改写，将数据收发方式由原先的字节中断改为DMA方式，这样便可以通过避免大量的CPU计算开销来提高核心处理单元与GPRS模块间通信的吞吐量。
　　2.2 ARM-Linux内核功能设计
　　GPRS/CDMA的网络连接是无线数据终端的基础功能，它是通过PPP(点对点协定)协议来完成的。PPP是在串行连接的数据链路实现IP以及其他网络协议的一种机制。同时为节省成本，无线数据终端常常是作为一个无线路由网关来使用，即内部局域网计算机能够通过它透明访问Internet。嵌入式Linux的网络体系结构继承了Linux网络系统具有稳定、高效和功能齐全的优点,同时按照应用的需要进行了适当的移植和配置就能满足要求，在完成相关内核修改后，需要重新编译内核。