基于ARM9的無線數(shù)傳終端的設(shè)計與實現(xiàn)

1、工業(yè)控制計算機年卷第期基于的無線數(shù)傳終端的設(shè)計與實現(xiàn)南京郵電大學通信與信息工程學院，江蘇南京）劉智兵（摘要介紹一款基于平臺的無線數(shù)傳終端的系統(tǒng)組成及實現(xiàn)的主要功能。介紹了調(diào)制解調(diào)器芯片的功能特性，然后詳細介紹了軟、硬件接口的設(shè)計，并簡要地分析了嵌入式下設(shè)備驅(qū)動程序的設(shè)計。，編碼調(diào)制解調(diào)器，高斯最小移頻鍵控，關(guān)鍵詞：，：，本文以的處理器、嵌入式操作系統(tǒng)、芯片和數(shù)傳電臺設(shè)計一款無線數(shù)傳終端，具有傳輸文件、圖片、語音和短信的能力，還有加密、壓縮、斷點續(xù)傳等功能，可應(yīng)用在海上船舶監(jiān)控通信系統(tǒng)、車載電臺通信系統(tǒng)、遠程數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)中。系統(tǒng)的總體設(shè)計是三星公司設(shè)計的基于內(nèi)核的位嵌入式處理器，最高工作頻

2、率可達，采用五級流水線和哈佛結(jié)構(gòu)，提供的性能。本終端采用作為核心，外圍擴展色彩屏、觸摸屏、主機接口、音頻接口、無線等。彩屏和觸摸屏實現(xiàn)人機間的交互；音頻接口實現(xiàn)語音錄入、語音壓縮解壓和語音回放；主機接口同攝像頭相連接，實現(xiàn)靜止圖像的采集；無線采用芯片實現(xiàn)基帶調(diào)制解調(diào)，與數(shù)傳電臺相連，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。系統(tǒng)的總圖終端總體硬件框圖體框圖如圖。系統(tǒng)加載嵌入式操作系統(tǒng)作為軟件平臺，以為嵌入式圖形界面平臺。系統(tǒng)采用了針對優(yōu)化后的語音壓縮協(xié)議，壓縮后的語音速率最低可達，并實現(xiàn)了非實時的語音通信。采用基帶調(diào)制調(diào)制構(gòu)成完整的數(shù)字調(diào)制方案。在終端上，實現(xiàn)帶斷點續(xù)傳功能的分組傳輸協(xié)議，能夠傳輸多種類型的數(shù)據(jù)（語音、文

3、件、圖片和短消息）；實現(xiàn)無損或有損數(shù)據(jù)壓縮協(xié)議（語音、文件和圖片的壓縮）、糾錯協(xié)議（信道誤碼率在量級）和加密協(xié)議。調(diào)制解調(diào)器硬件設(shè)計芯片介紹是公司推出的全雙工調(diào)制解調(diào)器芯片，可廣泛應(yīng)用于無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中。它具有很寬的數(shù)據(jù)傳輸速率范圍：到最大；具有兩種調(diào)制指數(shù)（為或）；速率和調(diào)制指數(shù)是可編程的，能夠很容易滿足不同系統(tǒng)的應(yīng)用要求；具有獨立的發(fā)送、接收使能控制信號，可以適用于半雙工或全雙工系統(tǒng)。硬件接口連接芯片數(shù)據(jù)串口提供接收、發(fā)送兩個時鐘，有別于標準的三線接口（收發(fā)數(shù)據(jù)線共用一個時鐘），因此本系統(tǒng)中用兩路口與其連接，一路接收一路發(fā)送。主機接口都工作在從模式（），由圖硬件連接提供收發(fā)時鐘。與主機硬

4、件接口連接如圖所示。和分別為發(fā)送、接收電路省電控制信號，高電平有效設(shè)置為省電模式。為發(fā)送使能輸入信號，高電平有效使能發(fā)送電路。信號為接收信號質(zhì)量指示，輸出邏輯電平高低指示此時接收信號質(zhì)量好差，對該信號輸出取平均值得到這段時間的信噪比，然后查表可以獲得傳輸誤比特率。、和信號一起控制著接收電路中接收電平測量和時鐘提起電路的工作模式。接收電路工作過程接收電路在接收時鐘的上升邊沿對對經(jīng)過高斯濾波后的接收信號進行采樣，并將采樣值與接收電平測量電路所測得的自適應(yīng)門限電平進行比較，判決接收信號是“”還是“”。在檢測到載波后，接收電平測量和時鐘提起電路的工作模式控制如圖圖接收電路模式控制所示。通常，在數(shù)據(jù)突發(fā)

5、前應(yīng)該發(fā)送一段前導(dǎo)碼（比如），和信號檢測到接收載波后和導(dǎo)碼發(fā)送期間，應(yīng)該從“”電平切換到“”電平，使接收電平測量電路首先進入周期長的箝位模式（外部電容快速充電到接收信號與基準電壓間的中間電平），然后自動進入快速峰值檢測模式（），使時鐘提起電路的鎖相環(huán)工作于寬帶寬的時鐘捕捉模式（）。在導(dǎo)碼過后和數(shù)據(jù)發(fā)送期間，和端切換到“”電平，使接收電平測量電路工作于平均峰值檢測模式（慢速但更準確的信號峰值檢測），使時鐘鎖相環(huán)工作于更準確的中帶寬（提起時鐘修正量最大比特周期）和窄帶寬（提起時鐘修正量最大比特周期）的鎖相模式。調(diào)制解調(diào)器軟件設(shè)計調(diào)制解調(diào)器層數(shù)據(jù)處理鑒于這里為誤碼率在量級的無線信道，系統(tǒng)中加入了前向

6、糾錯（控制。本）系統(tǒng)采用（，）編碼，碼是一種優(yōu)秀的糾突發(fā)差錯編碼，在無線通信中得到廣泛的應(yīng)用。（，）編碼能夠糾任意個比特隨機差錯，或者糾單個長度小于等于個比特的突發(fā)差錯。圖調(diào)制解調(diào)順的調(diào)制解調(diào)器層數(shù)據(jù)處層數(shù)據(jù)處理框圖理框圖如圖所示。設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)計設(shè)備驅(qū)動程序是操作系統(tǒng)內(nèi)核和機器硬件之間的橋梁，它屏蔽了硬件的細節(jié)，在應(yīng)用程序看來硬件設(shè)備只是一個特殊的文件，可以像對待普通文件一樣對硬件設(shè)備進行操作。）驅(qū)動程序接口。將硬件設(shè)備當作特殊的文件，使用結(jié)構(gòu)體識別設(shè)備，用戶進程通過標準系統(tǒng)調(diào)用（）、（）等）對它們進行操作。結(jié)構(gòu)體就是用來將這些系統(tǒng)調(diào)用與具體的驅(qū)動程序函數(shù)相關(guān)聯(lián)。用戶進程調(diào)用這些系統(tǒng)調(diào)用時，

7、系統(tǒng)調(diào)用通過設(shè)備文件的主設(shè)備號找到相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動程序，然后讀取結(jié)構(gòu)體相應(yīng)的函數(shù)指針，實現(xiàn)對硬件的操作。驅(qū)動程序設(shè)計就是為相應(yīng)的設(shè)備編寫具體的結(jié)構(gòu)體實例函數(shù)，并向（虛擬文件系統(tǒng)）注冊。）硬件管理。驅(qū)動程序最終要通過端口和內(nèi)存對硬件寄存器進行控制，端口是驅(qū)動程序與硬件之間通信的主要方式之一。為了使用端口，要首先調(diào)用（）向內(nèi)核注冊申請自己需要操作的端口號，然后調(diào)用內(nèi)核提供的一組內(nèi)聯(lián)函數(shù)：（）、（）等，對端口進行讀寫操作。內(nèi)核還提供了內(nèi)核屏障函數(shù)（）：（）、（）等，防止編譯器優(yōu)化而打亂硬件操作時序。屏障函數(shù)可以保證位于其前后的讀或?qū)懖僮黜樞驁?zhí)行。）內(nèi)存管理。在內(nèi)核空間中，動態(tài)申請內(nèi)存不是使用而是用（）

8、或（）直接申請頁面。（），（，）其中，參數(shù)為申請塊的大小，參數(shù)常用兩種和標志：前者用于在中斷處理例程或其他運行于進程上下文之外的代碼（如定時器等）中分配內(nèi)存，不會引起休眠；后者會在空閑內(nèi)存不基于的無線數(shù)傳終端的設(shè)計與實現(xiàn)種方式。內(nèi)存的釋放直接調(diào)用（）或（）。）中斷處理。通過調(diào)用（）來申請中斷并安裝中斷處理例程，通過調(diào)用（）釋放。中斷有“快速”中斷和“慢速”中斷之分，當申請時若標記位被設(shè)置則為“快速”中斷，此時的中斷程序會很快得到處理，但它運行在禁止中斷的模式下會影響到整個系統(tǒng)的性能，因而大多驅(qū)動程序不應(yīng)該設(shè)置此位。中斷處理例程應(yīng)該盡快結(jié)束而不能占用時間過長，但通常又會被要求處理比較耗時的任務(wù)，

9、為解決工作與速度間的矛盾，中斷處理例程通常分成兩部分：一“頂半部”，是實際響應(yīng)中斷的例程，二“底半部”，被頂半部調(diào)度，并在稍后更安全的時間內(nèi)執(zhí)行。底半部的實現(xiàn)有兩種不同的機制：小任務(wù)（）和工作隊列（）。調(diào)制解調(diào)器設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)計實例使用兩路口分別連接于的收、發(fā)端口，為提高系統(tǒng)的效率，兩路口都工作于中斷模式，因此驅(qū)動程序應(yīng)該分成發(fā)送、接收兩個驅(qū)動模塊進行編寫。限于篇幅，這里只列出接收驅(qū)動程序模塊中重要的函數(shù)。）中斷處理程序分成兩部分：頂半部負責串口數(shù)據(jù)的接收；底半部用實現(xiàn)，負責檢測接收碼流中位同步碼、連續(xù)性指示比特，并在接收完一個完整數(shù)據(jù)包時喚醒接收讀函數(shù)。（，）口接收中斷處理程序（e（）g查詢

10、狀態(tài)寄存器準備標記，d未準備好等待g接收到g（）gg（）接收到個字節(jié)調(diào)度進行數(shù)據(jù)處理一次（）ggq（）中斷的底半部的實現(xiàn)d函數(shù)（），檢測接收碼流中位同步碼，并除去碼流中連續(xù)性指示比特如果接收到一幀，返回，并將結(jié)果保存在緩沖區(qū)中（）g（）為，表明接收到一幀（）g喚醒讀等待隊列q）阻塞式讀函數(shù)（）：休眠在讀等待隊列上直到有數(shù)據(jù)被喚醒，負責解碼、解擾，將數(shù)據(jù)恢復(fù)成完整的一幀，并拷貝用戶進程空間。（，）gdg（，）g接收幀緩沖區(qū)（，）g休眠在讀等待隊列上至到被喚醒（）g解碼（）g解擾（下轉(zhuǎn)第頁）的波特率、校驗方式、通訊協(xié)議。本系統(tǒng)中統(tǒng)一采用波特率，偶校驗加校驗，通訊協(xié)議。觸摸屏作為上位機，按標準協(xié)議下

11、發(fā)命令或數(shù)據(jù)，并等待下位機即應(yīng)答，收到應(yīng)答信號，經(jīng)過校驗正確即認為通訊成功，校驗有誤則認為此次通訊失敗，并在停頓個字符傳輸時間后，重發(fā)上一條指令，直到接收成功并校驗正確為止。作為下位機，串口首先接收數(shù)據(jù)采用中斷方式，按照協(xié)議，系統(tǒng)中使用了一個定時器來判斷幀的起始和結(jié)束，以防止出現(xiàn)一個消息幀接收發(fā)送不完整而影響下一幀的繼續(xù)接收發(fā)送。如果檢測到個或更多的傳輸字符的停頓時間，就設(shè)定幀的起始標志。在接收發(fā)送幀的過程中如檢測到個傳輸字符的停頓時間，就重新刷新幀的起始標志，如檢測到個傳輸字符的停頓時間，就設(shè)定幀的結(jié)束標志。當主程序檢測到一個消息幀的結(jié)束標志時，則調(diào)用校驗子程序。如校驗出錯，不響應(yīng)觸摸屏請求

12、，此次請求無效，等待接收下一幀數(shù)據(jù)。若校驗正確則回送正確的應(yīng)答幀至觸摸屏。這樣做的優(yōu)點是便于檢驗和糾錯，使系統(tǒng)運行更加穩(wěn)定。協(xié)議中命令較多，因此有選擇的實現(xiàn)了其中最常用的、，其中為讀線圈狀態(tài)，為保持寄存器，為預(yù)置多個寄存器。在片內(nèi)預(yù)置個內(nèi)存空間作為數(shù)據(jù)交換區(qū)，用以實現(xiàn)和觸摸屏的數(shù)據(jù)交換。通信模塊不斷檢測網(wǎng)絡(luò)，在接收到一個完整的命令后，決定將數(shù)據(jù)寫入交換區(qū)或是將數(shù)據(jù)從交換區(qū)讀出并返回給網(wǎng)絡(luò)。具體流程框圖如圖所示。與總線通訊軟件設(shè)計對于的總線通訊基本方法和上述方法類似，同樣采取協(xié)議，校驗方式采用偶校驗加校驗，收發(fā)方式采取中斷查詢。所不同之處為設(shè)置波特率為，這是確保觸摸屏傳送的命令正確為了充分利用總

13、線高速特點，快速的被主機所接受處理。協(xié)議規(guī)定每次收發(fā)最多只能傳送個字節(jié)的數(shù)據(jù)，但實際應(yīng)用中，往往出現(xiàn)傳送多于字節(jié)要求，此時應(yīng)通過報文的拆卸和拼接予以實現(xiàn)。實現(xiàn)報文拼接最常用的方法是利用標識符的低三位。這是由于控制器驗收碼寄存器只按標識符的高位進行驗收濾波，亦即只要表識的高位與驗收寄存器的位內(nèi)容相同即通過。因此可以巧妙利用標識符的低三位作為利用將觸摸屏加入總線網(wǎng)絡(luò)圖程序流程圖同一報文中不同報文段的順序編號，從而可以在接受緩存器中拼接。程序編制完后，將觸摸屏和與總線相連，經(jīng)過試驗結(jié)果表明觸摸屏與總線網(wǎng)絡(luò)通訊是穩(wěn)定可靠的，完全滿足工業(yè)現(xiàn)場總線的要求。結(jié)束語本文通過在總線和觸摸屏之間加入一塊，完成總線

14、及協(xié)議的轉(zhuǎn)換，成功將觸摸屏納入已有的總線網(wǎng)絡(luò)中，并且大大增強了觸摸屏通訊的靈活性，拓展了觸摸屏的應(yīng)用范圍。本文為其它一些需要加入總線網(wǎng)絡(luò)而又不具有通訊接口的器件，提供一種思路作為參考。參考文獻劉和平語言開發(fā)應(yīng)用北京：北京航空航天大學出版社，李朝青機及單片機數(shù)據(jù)通信技術(shù)北京：北京航空航天大學：出版社，上海博深電子有限公司，系列觸摸屏人機界面，：安裝說明收稿日期：!（上接第頁）（）;將符號恢復(fù)成完整的一幀（）；拷貝數(shù)據(jù)到用戶空間（）;釋放動態(tài)內(nèi)存;返回接收幀的總長度C）驅(qū)動模塊的初始化函數(shù)：注冊設(shè)備、申請中斷，并對口進行初始化。（）J;串口初始化中斷模式，禁止時鐘腳，從模式，數(shù)據(jù)格式，僅接收模式（）（）（）（）（）（）;（）（）（