基于GPRS网络的嵌入式系统的研究（1） 嵌入式, 网络

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1系统硬件平台设计与实现
1.1 终端硬件平台总体介绍
本文的终端平台的无线接入模块采用西门子最新推出的 MC39i模块，并以 32位基于ARM920T的微处理 S3C241OX为核心。按照功能分类，本文所实现的硬件平台主要由微处理器单元、存储器单元、串口通讯单元、USB接口单元、电源单元、GPRS通讯模块单元以及JTAG接口单元组成，硬件总框图如图 1所示。


1.2 嵌入式微处理器单元
本文硬件平台的 CPU采用的 Samsung的基于ARM920T内核的 S3C2410X微处理器，该微处理器是 Samsung公司为手持设备和一般类型应用提供一种低价格、低功耗、高性能小型微控制器的解决方案。S3C2410X采用了 0.18um工艺的 CMOS标准宏单元和存贮器单元。它的低功耗、精简和出色的全静态设计特别适用于对成本和功耗敏感的应用。
S3C2410X的显著特性是它的 CPU核心，是一个由 Advanced RISC Machine(ARM)有限公司设计的 16/32位的高速缓冲体系结构。这一结构具有独立的 16KB指令 Cache和 16KB数据 Cache，每个都是由 8字节长的行构成。通过提供一系列完整的系列外围设备， S3C2410X大大减少了整个系统的成本，消除了为系统配置额外器件的需要。
1.3 GPRS模块 MC39i
MC39i是西门子公司最近推出的新一代双频 GSM/GPRS通讯模块的无铅产品，它简洁的封装是很多应用系统中无线高速数据传输的理想解决方案，可以进行数据、语音、SMS和FAX各个方面的应用，且功耗低。它为用户提供了永远在线、高速度、更简单的移动数据通信接入手段。MC39i具有丰富的 AT指令，功能强大，操作灵活方便，是继 GPRS手机外有一种非常重要的 GPRS移动通信系统的终端设备。它的出现给 GPRS的发展注入了新的活力。
MC39i具有体积小、重量轻、功耗低等特点。MC39i的工作电压为 3.3伏一 4.8伏，典型电压为 4.2伏。最大工作电流为 2安。模块可以工作在 EGSM900和 GSM1800两个频段。工作于 EGSM900时功耗为 2瓦，工作于 GSM1800时功耗为 1瓦。利用 AT指令进行控制，支持文本和 PDU模式的短消息、第三组的二类传真。模块常用的工作模式有省电模式、IDLE、TALK、数据等模式。通过独特的 40脚的连接器(ZIF)实现电源连接、指令、数据、语音信号及控制信号的双向传输。
MC39i模块主要由 GSM基带控制器、射频模块、供电模块、闪存、ZIF连接器、射频功率放大器、天线接口六部分组成。
1.4 存储器单元设计
本系统的外部存储器主要由非易失性存储器 Flash和易失性存储器 SDRAM构成，其中Flash用来存放需要固化的程序，如操作系统和 BootLoader等，掉电后不易丢失，而 SDRAM相当于 PC机的内存，用来运行系统和程序，掉电后易消失。
本终端的存储系统包含 8MB Flash存储器和 32M SDRAM。其中 8M的 Flash用来存放内部启动代码、Linux内核以及初始化的 ramdisk映像。剩余的存储空间可存放用户程序。本文采用的 Flash为 Intel公司的28F640J3A，BGA封装。这块芯片有 23根地址线，16根数据线，容量为8MB，128KB的可擦除块;擦除块之间相互独立，每一块的擦除操作可在 1s内完成，并可单独被擦写 100000次;支持8位及16位两种数据宽度工作模式。在采用8位数据宽度模式时，有效地址线为AO-A22;采用 16位数据宽度模式时，有效地址线为Al-A22。在此我们采用 16位数据宽度模式。我们把 16位数据宽度的 Flash存储器映射到 S3C2410X的 ROM Bank()。
2 基于GPRS的终端设计
目前硬件上的实现方案有两种，二者各有优缺点，分别叙述如下: 方案1:使用 TCP/IP协议芯片。 此方案利用了硬件协议栈，由单片机调用指令控制芯片，其系统结构如图 2所示。


本方案对处理器性能的要求相对不高，因为协议栈的工作交给 TCP/IP协议芯片去完成。 处理器通过调用协议栈接口函数可以较方便地连接上网，继而再加上 GPRS通讯模块就可以实现远程无线传输。本设计方案的优点是开发时间短，硬件上是成熟的芯片，运行比较稳定。但是本方案的缺点是硬件体积会相应增大，成本也较大。 方案2:嵌入式操作系统。
此方案利用了包含完整 TCP/IP协议栈的嵌入式操作系统来控制整个系统的运行。由于引入了操作系统，因此本方案比较适合于系统资源丰富的高速 16/32位嵌入式系统使用。其系统结构示意图如图 3所示。


本设计方案不需要外加TCP/IP协议转换芯片，所以硬件体积小，成本少。但是开发时间长，需要做大规模的软件上的工作(比如操作系统的嵌入、 TCP/IP协议栈、PPP协议的处理等都需要在一个处理器中完成)，对开发者要求很高。另外还要做大量的测试。 基于以上两种方案，GPRS终端相当于Modem，用于连接设备和Internet网络。利用GPRS网络与分组数据网络互联互通的特性，实现了将设备接入最大的PDN网络Internet。设备与GPRS终端之间采用串行接口通讯，在GPRS终端连接上网络后，设备即可以通过其来实现与Internet上的主机进行数据通讯，GPRS终端透明收发数据。这种实现方法类似于使用家用PC做代理接入的方式，只是这里采用了无线方式，网关改为GPRS终端。
3 系统软件设计
基于GSM/GPRS的无线数据传输模块设计的目的是为无线网络通信应用提供一个简单实用的平台，须在模块内嵌TCP/IP协议栈，实现了数据在用户终端和服务器之间的透明传输，使用户可以方便地应用，实现远程的无线数据传输。无线数据传输模块的软件结构框图如图4所示。