基于嵌入式技术的移动通信系统设计
2020-10-22卫昱含
卫昱含
摘 要： 为有效降低移动通信系统硬件开发开销及高效率开发嵌入式网络协议，基于嵌入式技术建立无线移动通信终端。与此同时，在系统中提出依托框架设计模式咖啡网络协议的思想，从而生成网络协议的通用框架。它使用UMI状态机技术，把网络协议内的UMI状态图转变成相应的实现代码。测试结果表明，所设计的系统可以有效降低对硬件资源方面的需求，UML状态机技术的使用能提升系统开发规范性和效率。
关键词： 移动通信系统; 系统设计; 嵌入式技术; 网络与协议; 系统开发; 系统测试
中图分类号： TN929.5?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2020）20?0023?03
Design of mobile communication system based on embedded technology
WEI Yuhan
（Jilin University of Architecture and Technology， Changchun 130114， China）
Abstract： A wireless mobile communication terminal is established based on embedded technology to effectively reduce the cost of hardware development in the mobile communication system and efficiently develop embedded network protocols. At the same time， the idea of the coffee network protocol relying on the framework design mode is proposed for the system to generate the general framework of the network protocol. In the system， the UMI state diagram in network protocol is transformed into corresponding implementation code by means of the UMI state machine technology. The testing results show that the designed system can not only effectively reduce the demand for hardware resources， but also improve the standardization and efficiency of system development by means of the UML state machine technology.
Keywords： mobile communication system; system design; embedded technology; network and protocol; system development; system testing
0 引 言
嵌入式系統选取微控制器（MCU）作为核心的计算机系统，得以广泛用于通信、工业控制等方面。随着互联网的推广应用，规定嵌入式终端设备和互联网进行连接，确保信息能够共享并完成远程控制工作。现阶段，嵌入式设备已经进入以互联网为标准的发展，这也是研究的热点问题之一。嵌入式系统内配置相应的计算资源，功能设计接近于系统资源临界点。想要对成本进行合理的控制，并且对系统安全进行保证，设计的硬件系统不可过于复杂[1]。
本研究设计嵌入式无线移动通信终端设计方案，并开发相应的嵌入式网络协议思想，旨在提升系统开发效率。
1 嵌入式技术概述
嵌入式系统具有鲜明的特点，主要包含高效性、简洁性等，对于不同的应用场合，由不同的功能构成。嵌入式系统属于高效率、简洁的计算机系统，其工作原理在于以应用为核心，利用计算机技术的辅助，将其嵌入至受控器件内部[2]。嵌入式系统通常只是针对某项特殊任务开展工作，设计人员通过对其优化设计，从而降低其使用成本。嵌入式系统就是面向用户、产品及应用，必须与应用相互结合，方可充分发挥其优势。嵌入式系统和通用型计算机系统不同之处如下：嵌入式系统一般是面向特定的应用，其CPU展现出低功耗、集成度高等优点，嵌入式CPU能有效提升移动通信系统的工作效率。嵌入式系统所用技术包含电子技术、半导体技术等，它成为与社会中各种应用相互结合的产物，以此构成综合化、高度分散的知识集成系统[3]。嵌入式系统结构还有一个特点是系统软件固化于存储器芯片或者单片机内，并未放在磁盘等载体内，有利于提升系统的执行速率及可靠性。嵌入式系统利用可裁剪软硬件，在同一块硅片上系统性能得到提升。
2 系统硬件设计
2.1 MCU芯片
MCU（Micro Control Unit）芯片作为嵌入式系统进行控制的中心，包含8位、32位处理器，并把低能耗等指标考虑在内，见图1。
本次研究挑选PIC18F452芯片当作MCU，其特性见表1。PIC18F452作为不包含操作系统的8位低端控制器芯片，其具有设计简单、操作精炼等优点。此外，该芯片配置两级流水线，设定运行频率为10 MIPS，满足小型系统对于实时性的需求。PIC芯片利用哈弗结构，内存为32 KB，指令总线、数据总线宽度分别为16线、8位，拥有比较丰富的中断资源。PIC18F452芯片设计相应的外围模块，便于电路设计工作的简化[4]。此外，PIC18F452系列芯片中的精简指令有77条，显示出较高的执行效率。高性能的PIC18F452芯片可以轻松开展数据采集等工作，它需要配置成本低的硬件支持。
2.2 GPRS通信
通用无线分组业务（General Packet Radio Service，GPRS）通信模块是保障无线通信顺利实现的重要设备，它可以为MCU芯片与互联网相连提供与之对应的链路[5]。GPRS网络模型见图2。GPRS从一个发送实体和一个或者多数接收实体之间提供数据传送能力，上述实体可为移动用户或者终端设备，后者被连接至相应的GPRS网络或外部数据网络。为保证系统的通信速率，本次研究挑选CMS91?90/1 800 GPRS模块当作通信模块，它属于双频段GSM/GPRS 10级模块，可以提供更高的数据速率，从而获得良好的通信效果。CMS91模块中的AT指令拥有相对完善的功能，可借助AT命令集与微控制器确保通信顺利实现。
2.3 移动终端设计
根据图3可知，由于MCU芯片I/O口必须利用电平转换方可与GPRS模块串口进行连接，因此，在MCU与GPRS模块间增设MAX232模块实现电平转换。GPRS模块利用MAX232与8位MCU串口进行连接，借助驱动GPRS模块完成一系列工作，并建立无线网络数据链路[6]。同时，MCU利用串口對外围工作单元进行控制，包含A/D转换器、LCD等。移动终端硬件设计必须考虑是否通用，在达到应用要求以后，使对复杂系统依赖性得到降低，以此使运行成本降低。
3 网络协议栈设计
TCP/IP协议栈的顺利实现是确保嵌入式终端和互联网实施连接的基础。MCU利用软件促使TCP/IP协议栈，网络接口层采用点对点协议的方法，在此基础上完成高层协议。因TCP/IP是一个比较庞大的协议族，日常运行比较复杂，且内容繁多。而嵌入式系统由于受到硬件资源的限制，无法促使整个TCP/IP协议族实现。在嵌入式系统中设计出比较完善的功能，且资源消耗小，这成为TCP/IP协议栈得以实现的重点。
3.1 嵌入式网络协议栈
在研究传统TCP/IP协议分层模型思想后，本次研究在分析系统需求、应用环境等内容基础上，对协议子集进行有目的的取舍，设计借助GPRS通信的TCP/IP协议栈，如图4所示。在这一协议栈内，网络接口通过驱动GPRS通信建立与网络之间的PPP链路，网络层主要由IP模块、ICMP模块组成，传输层则包含TCP，UDP模块。协议栈模块各层之间的结构并未完全利用函数封装，根据报文缓冲区和函数，结合全局标志变量进行实现，主要目的就是解决系统资源不足问题。模块的不同能够根据精简代码进行操作，实现固化的存储[7]。协议栈设计过程中将可扩展性考虑在内，利用模块化的软件设计思想，它依据应用需求便于对功能实施扩展，显示出较大的灵活性[8]。
3.2 基于框架设计模块开发网络协议
嵌入式系统软件、硬件资源有一定的限制，要想实现TCP/IPde等协议族，就要实现操作的简化，并且对操作进行裁剪，使终端用户实际的需求得到满足。因为嵌入式系统用户的工作存在差别，所以网络协议工作繁琐，终端用户各自的开发会导致物力、人力等资源的浪费。UML状态机的建模能力比较强大，其使用面向对象的技术描述复杂网络协议。本次研究中，利用UML状态机技术完成网络协议模型，严格根据软件工程原理创建UML状态机操作框架，整合此框架中的状态、事件，提供用于实现UMI状态的一系列接口[9]。
网络协议承载主体指的是有限状态机，在实现某网络协议之后，表示实现有限状态机。利用框架模式实现开发的工作如下：对各项网络协议描述展开分析，得到不同状态事件处理和转移状态，构成UMI状态图;以状态图中的不同状态层次关系，实现事件处理函数。基于此，完成状态机测试工作。以下为网络协议返回事件数据：
… //该设备的所有相关信息
Equipment Status值为1说明这个时候设备刚处于入库的状态，所以客户端应用程序会对CanModify值进行判断，假如此值为true，表示系统赋予网络协议修改设备权限。
3.3 数据链路层协议
挑选数据链路层中的协议PPP为对象，借助框架设计进行开发操作，实现过程如图5所示。数据链路层的功能表现在串口MCU与GPRS模块间构成数据链路。其中，“死亡”代表通信双方并未构建物理链路，利用MCU向着GPRS模块发出AT命令，用于完成串口通信参数设计，并进入相应的建立阶段。“建立”则说明已经创建物理链路，这种情况下，借助LCP协议促使链路双方之间进行协商，随后，开展“认证”操作。在认证这一阶段进行签权，需要验证用户的账号及密码[10]。“网络”阶段旨在实现网络协议的配置，依托IP协议向服务器发出申请信息，获取相应的地址后完成数据传输。“终止”阶段就是在任意时期，通过LCP将终止数据帧发送出来，旨在结束不同方之间的连接。以下为设备连接的实现代码：
…
数据连接过程中具有重要设备信息，在服务器接收到数据之后，加上新增设备用户信息和目前系统时间，使数据在系统相应表中保存。
4 系统测试与结果分析
系统正式使用前，进行相应的测试必不可少，借助测试结果判定所设计系统是否成功。对系统进行测试时，模拟一个真实的环境，在模拟环境下实现数据传输、资源管理等功能，检查其是否满足用户的实际需求。对PPP和GPRS之间的功能展开测试，包括TCP服务端、UDP模块等，各种功能并无错误。开展测试过程中，采用ICMP协议为新浪网发出请求报文，借助PPP协议组成PPP帧：
7E FF 03 00 21 45 00 00 1C 99 10 40 00 7F 01 35 E0 0A A8 02 21 DA CE 56 59 08 00 F7 FE 00 01 00 00 2F A3 7E
獲取新浪网给出的Echo应答报文PPP帧，即：
7E FF 03 00 21 45 00 00 1C BD 16 40 00 33 01 4C DA DA CE 56 59 OA A8 02 21 00 00 FF FE 00 01 00 00 4C 99 7E
通过分析测试数据发现，移动通信终端具有稳定的性能，其传输速率达到8 Kb/s，满足现代通信技术方面要求。
5 结 语
综上所述，利用微控制器设计的移动通信终端可以降低对于硬件的要求，创建稳定的通信信道，硬件设计达到使用方便、成本低等需求，不仅满足移动条件下嵌入式终端设备工作需要，也可以用于节点分散的应用场合。此外，在网络协议设计中，能够展现状态机不同状态之间的嵌套层次关系，自动把嵌入式网络协议生成相应的实现代码，便于规范开发流程，大大提升开发效率。
参考文献
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