基于4G通信的嵌入式数据通信系统设计 - 全文

　　 引言

　　4G-Ready 作为未来4G 移动通信关键预备技术的一个领域，在构建无线通信网络和无线数据通信系统中具有重要应用前景。其中，将4G-Ready 与Wi-Fi 技术、Blutooth 蓝牙技术、GPS 全球定位系统以及基于ARM 核的嵌入式技术进行集成，以Linux-C、Java 编程语言开发应用软件系统，能够构成一个具有多种功能、技术性能优越和先进实用的嵌入式Wi-Fi 无线通信网络终端系统，以满足构建城市智能交通管理、市政环境保护监控和风景区信息管理等领域的无线数据通信应用需求。

　　1 主要技术分析

　　下面对基于4G-Ready 与Wi-Fi 架构的嵌入式系统中应用的主要技术予以分析。

　　1.1 无线通信技术

　　1.1.1 4G-Ready 简介

　　4G-Ready 是针对目前正在发展中的4G 通信技术的描述，目前国际上认为4G 提供的数据传输速率一般为10~20Mb/s,最大数据传输速率超过100 Mbit/s,每个4G 信道会占有100 MHz 的频谱，具有宽网络频谱性能。

　　4G 应具有多样化通信功能，包括访问Internet、语音与数据通信、流媒体传输、集成不同模式的无线通信网络、蜂窝信号、广播电视到卫星通信，实现移动用户可以在多种标准间的自由漫游服务等。

　　1.1.2 Wi-Fi 技术与联网

　　Wi-Fi 的技术标准是美国电气和电子工程师协会（ IEEE, Institute of Electrical and ElectronicsEngineers）发布的IEEE 802.11,包括IEEE 802.11a、IEEE 802.11b 和IEEE 802.11g,其中常用的是IEEE 802.11g.

　　Wi-Fi 是一种短程无线传输技术，能够在数百米范围内支持互联网无线接入方式。

　　1.1.3 蓝牙技术简介

　　蓝牙（Bluetooth）是一种短距离无线通信技术，工作频段为2.4 GHz,属于工业、科学和医学频段（ ISM ,Industrial Scientific Medical），其数据传输速率为1Mb/s,采用时分双工传输方案，使用IEEE802.15 协议。本文所述的嵌入式系统配置了Bluetooth 2.0 蓝牙接口，采集实时图形、图像和位置信息。

　　1.1.4 GPS 无线定位技术

　　GPS 由空间部分、地面控制系统和用户设备构成，其中空间部分由均匀分布在地球上空的24 颗卫星组成。地面控制系统由监测站、主控制站和地面天线组成。用户设备一般指GPS 信号接收机。这里设计与分析的嵌入式系统采用分离结构GPS 接收机。

　　1.2 嵌入式（Embedded Technology）技术

　　嵌入式系统由32 位字长的微处理器、ROM 存储器、RAM存储器和信息I/O 接口等模块和部件组成，嵌入式Linux 操作系统存放在ROM 中。

　　1.2.1 ARM 技术

　　ARM 核嵌入式微处理器是嵌入式系统的核心，由英国ARM 公司设计（IP,Intellectual Property core）内核，由各半导体公司设计为芯片产品，再由OEM 厂商形成嵌入式系统产品。在当前项目中采用的EP9302 系统是一个以ARM9内核处理器为核心技术的嵌入式系统。

　　1.2.2 嵌入式Linux 操作系统

　　Linux 是一个自由免费、开放源代码的操作系统软件，其软件功能齐全，具有完备的网络功能，继承了UNIX 的多用户、多任务、支持多线程和多CPU 的技术。

　　当前嵌入式系统中使用的版本是嵌入式Linux 2.6.21,支持内核态抢占式调度，调度周期为1 ms.

　　2 构建技术开发平台

　　图1 所示为基于局域网的嵌入式Linux 开发平台示意。

图1 基于局域网的嵌入式Linux 开发平台

　　图1 中的Linux 服务器作为嵌入式Linux 内核编译和应用程序编译的公共平台，工作站（PC,Personal Computer）为局域网内一台或多台终端计算机，实现在Windows 和Linux 之间的文件传输。

　　嵌入式目标系统通过串行接口与工作站连接，应用Windows 提供的"超级终端"功能；也可以通过以太网RJ45接口连接到局域网中，实现与网络的FTP/NFS 服务器连接。

　　3 系统集成与软件编制

　　3.1 系统目标

　　系统目标是在4G-Ready 的框架上，构建一个高速Wi-Fi无线数据通信网络，采集目标对象的GPS 卫星定位信息和现场视频图像信息，由所开发的《Wi-Fi 无线数据通信网络管理系统》予以分析和处理。

　　3.2 系统构成

　　系统设计包括搭建Wi-Fi 无线通信网络平台、多层架构软件和嵌入式Linux-C 程序运行平台。

　　项目的系统网络拓扑如图2 所示，Wi-Fi 为采用CSMA/CA的访问机制的网络协议；AP 为无线LAN 接入端点设备；Bridge是工作在数据链路层的网桥，功能是连接2 个局域网（LAN）。

　　Switch 为网络交换机，功能是构建网络平台的网络交换。

 

图2 项目系统网络拓扑示意

　　项目系统包括ARM9 内核的嵌入式系统模板、GPS 卫星定位信息接收设备和Bluetooth 适配器，完成GPS 与ARM 嵌入式系统的无线通信工作；IP Camera 为IP 地址接入型微型数码摄像机。

　　3.3 系统硬件组成

　　3.3.1 EP9302 嵌入式系统技术性能和配置

　　EP9302 的内部结构如图3 所示，项目使用的EP9302嵌入式模板上配置有200 MHz 的ARM920T 处理器，配置的I/O 接口包括10/100 Mb/s 以太网控制器、2 路UART/2 路USB2.0 /红外接口、5 通道ADC 接口、串行外围接口（SPI）、2 通道串行音频接口（I2S）和AC'97 接口等。

 

图3 EP9302 内部结构

　　3.3.2 Bluetooth适配器技术性能与配置

　　项目采用LM048 蓝牙RS-232 串口适配器进行无线通信系统连接。LM048 主要技术性能是：使用频率为2.4~2.4835GHz,波特率设置支持8~230.4 Kb/s,以点-点方式通信，使用TxD, RxD, GND, CTS, 和RTS 信号连接。

　　3.3.3 AP 和Bridge 技术性能与配置

　　项目采用BUFFALO AirStation WLA-G54C无线AP+中继桥接器，这是建立无线通信网络的主要设备，具有安全性机制，支持Wi-Fi Protected Access（WPA）、AES、802.1×和WEP.AirStation 54 Mb/s 支持无线分布系统（WDS）或者点对点、一点对多点的通信方式。另外，该产品还支持外置的2.4 GHz 天线，可以扩展传输范围。

　　3.3.4 IP cameral 技术性能与配置

　　IP 网络摄像机是一种多媒体网络应用设备，使用Web页面配置和管理图像，在10 M 或100 M 网络上以30 帧/秒的速度传输图片，并以 MPEG-4/MJPEG 格式生成高质量的图像。

　　3.4 系统应用软件设计

　　3.4.1 RS-232 异步串行通信接口程序设计

　　串口操作的程序流程包括设置串口编程相关头文件、打开串口、设置串口、设置波特率和设置校验位等模块编制工作。串口应用编程包括系统初始化、配置系统时钟和总线时钟，通过函数ChangMPIIValue 配置系统主时钟、函数ChangClockDivider 配置总线时钟，函数ChangMPIIValue 实现数据发送和接收。

　　3.4.2 嵌入式系统和PC 系统网络接口程序设计

　　网络编程包括ARM EP9302 嵌入式系统网络接口程序设计和PC 系统网络接口程序设计。

　　①ARM EP9302 嵌入式系统网络接口程序设计：网络接口应用编程包括嵌入式系统初始化、预定义程序参数、声明与打开Socket、监听异地结点IP 地址信息、套接Socket、发送数据包和关闭Socket 等。

　　②PC 系统网络接口程序设计：系统数据处理服务器选用PC 计算机，安装Windows/XP 操作系统，系统开发需要在这个平台上应用Socket 接口技术，采用Java 语言完成网络编程。图4 是PC 系统网络接口程序。

 

图4 PC 系统网络接口程序

　　3.4.3 JSP 应用程序设计

　　在JSP 动态页面程序中，汇聚HTML 程序、Java 代码、JavaScript 脚本语言等Web 软件编程技术。JSP 应用程序在Web 环境运行，项目所建的网络结构平台支持了项目JSP 应用程序的运行。

　　4 结语

　　基于4G-Ready 与Wi-Fi 技术设计的嵌入式数据通信系统采用了高速的无线通信和网络编程技术[8]、B/S 架构和嵌入式计算机技术，具有数据及视频信息采集与传输功能和较高的可靠性和扩展性。