基于GPRS网络的嵌入式系统的研究

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。


图1终端硬件系统总框图

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。


图2 采用TCP/IP协议芯片接入互联网的无线终端设计框图

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。


图3 内嵌操作系统及协议栈的互联网无线终端设计框图

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。