李云红 张 恒 张亚林 王震亚

(西安工程大学电子信息学院 西安 710048)

基于ARM的WiFi无线终端系统设计*

李云红 张 恒 张亚林 王震亚

(西安工程大学电子信息学院 西安 710048)

随着“无线城市”、“智能城市”等概念的提出及网络技术的成熟和发展,WiFi无线通信技术已经成为未来无线接入的主流标准。为了能够满足用户实现随时随地上网的需求,便携式电子终端具有WiFi功能成为一种发展趋势。针对这种情况,论文提出了基于ARM的WiFi无线终端系统的研制方案,无线终端采用S3C6410处理器和Linux操作系统实现,并基于Qt图形界面开发了无线网络配置与智能电源管理等功能。

ARM; 嵌入式系统; WiFi; Qt

Class Number TP273

1 引言

互联网应用逐步向多元化发展,从有线互联发展到无线移动互联,正在逐步迈进随时随地的无线网络互联时代。现如今,世界上的大部分国家里,无线AP的数量迅速增长,WiFi通信技术在人们生活中的应用进一步得到了普及。在国内,绝大部分的城市都具备WiFi信号覆盖,各种商场、银行、酒店,大部分公共场所都会有WiFi信号热点[1～3]。

WiFi(Wireless Fidelity)是一种通用短程无线传输技术,有其突出的优势,包括覆盖范围广、无需布线、世界范围内频段无需收费,因此作为移动互联技术的首选。随着互联网越来越深入地走进人们的生活,研究一种便携式无线电子产品,实现可在WiFi热点区域连接互联网,使用户实现快速、低费用的连接入网,并且功耗低,操作方便,具有广阔的市场前景。WiFi是移动互联网新兴的一支主力军,备受业界关注,全球WiFi覆盖范围都在逐渐扩大[5～6]。当便携式电子终端具有WiFi功能时,用户就可随时随地连接入互联网,实现上网冲浪、下载信息等。WiFi满足了不断增长的带宽需求,可以将各种通讯终端以无线方式互相连接[6]。

本文基于嵌入式系统(ARM)开发一套WiFi无线终端,可实现在WiFi热点区域内通过客户端程序搜索并显示无线网络,并且可接入无线网络,实现通过浏览器上网冲浪,并提供控制系统功耗的电源管理功能[7～11]。该终端将WiFi无线通信技术与嵌入式技术和Qt界面开发技术相结合,为便携式电子终端实现方便入网且智能节省功耗提供了一种解决方案,并且基于此终端,还可开发出具备更多功能且实现远距离无线通信与WiFi通信智能切换的各种电子产品[12～15]。

2 WiFi无线终端系统总体设计与硬件平台开发

系统选用以S3C6410处理器为核心的OK6410开发板作为无线终端的硬件平台。其硬件结构是按功能模块划分,主要由人机交互模块、WiFi无线模块、电源模块三大部分组成。人机交互模块由嵌入式微处理器及其外围模块组成,提供人机交互的是LCD触摸屏;WiFi无线模块由无线网卡组成;电源模块采用锂电池进行独立供电。各个模块采用USB接口或者RS232接口与处理器相接,模块可以分开设计、调试,彼此之间没有影响。

2.1 系统设计

基于ARM的WiFi无线终端系统的开发可分为三部分,分别是搭建硬件平台、搭建软件开发平台和设计上层应用程序。

在硬件设计部分中,分别设计各个模块,包括各模块元器件的选型、电路原理图的设计;在软件设计部分中,又划分为操作系统移植与应用程序开发两个模块。首先选定所需的操作系统,对内核根据系统的开发需求做裁剪配置,包括支持无线网卡、LCD触摸屏等操作;其次就是本系统的核心部分,设计开发基于Qt的网络配置界面客户端程序和电源管理客户端程序,并实现连接网络和降低功耗的功能。最后,将各个模块进行集成调试,将操作系统移植到硬件开发平台,并且将应用程序也移植到硬件平台,保证整个系统正确运转,实现预期的功能要求。系统开发流程图如图1所示。

2.2 系统硬件平台设计

本系统的无线终端硬件部分的核心是嵌入式技术,结合功能开发需要及实验设备资源,选择了具有16/32位RISC体系结构的一款基于S3C6410内核的ARM11体系的微处理器,并搭建所需的外设,构建系统的硬件开发平台。最终系统选择OK6410开发板作为硬件平台,利用该平台提供的资源模块,扩展开发出系统的需求功能。通过在开发板的USB接口处外接一个USB集线器,可扩展出多个USB接口。论文系统WiFi模块的硬件设备选用USB无线网卡,与开发板通过USB接口连接,完成无线模块的硬件搭建;也可利用扩展出的USB接口外接鼠标,实现交互终端的鼠标操作;人机交互模块采用的是LCD触摸屏,与微处理器通过RS232连接;电源模块采用锂电池模块进行独立供电,实现终端的独立供电。SD卡用于存储系统数据或下载的视频等资源。系统硬件框图如图2所示。

图1 系统总体开发流程图

图2 系统硬件设计框图

3 系统软件平台搭建与Linux设备驱动

3.1 构建嵌入式Linux开发环境

由于嵌入式开发板上资源非常紧缺,因此开发的应用程序和适用于ARM的Linux内核都需要在宿主机(PC)上编写、编译,再下载到开发板上执行。考虑到开发资源的数量与操作方便性,首先在Windows系统中安装虚拟机,然后在虚拟机内再安装Linux操作系统,在一个PC机上同时运行Windows、Linux两个系统。

虚拟机安装成功之后,就要建立交叉编译环境,本系统采用arm-linux-gcc-4.3.2进行交叉编译。接下来需要移植引导程序Bootloader,在根目录中生成u-boot.bin并将该映像文件烧写到OK6410开发板的NandFlash中使开发板正常启动。当U-Bboot移植完成,即进行Linux内核配置与移植、制作与移植文件系统。

3.2 系统各模块驱动的实现

本系统的外接模块包括WiFi模块与LCD模块。WiFi模块采用USB接口与S3C6410处理器连接,选用USB无线网卡,TL-WN321G来构建无线局域网。LCD模块驱动方案选择直接读写GPIO口和帧缓冲(FrameBuffer)驱动相结合的方式。底层驱动采用直接读写GPIO驱动方式,内核空间与上层应用程序数据传输采用FrameBuffer,将显存映射到用户空间,底层驱动直接从缓冲区读数据。

4 应用程序设计

基于ARM的WiFi无线终端系统选择较为成熟的Qt/Embedded图形用户界面来开发应用程序,其占用资源小、可靠性高并且可移植性强。无线网络配置与智能电源管理等功能就是基于Qt图形界面开发的。

4.1 无线网络配置

本系统的无线网络配置主要包含搜索并显示无线网络的ESSID、选择一个无线网络进行认证登录、显示登陆后的IP及MAC地址、断开无线网络等四个模块。普通无线终端位于WiFi热点区域内,有时存在多个AP,如果终端移动,当前的AP连接的信号强度可能降低,因此就需要切换到信号更强的网络中。本系统通过QProcess类调用外部子程序,实现将其应用于本系统的无线终端的网络搜索中,提高网络的通信质量。

4.2 智能电源管理

系统的电源管理方案将系统分为三种状态:运行状态、空闲状态、休眠状态。运行状态是指系统处于工作状态,功耗达到最高;空闲状态是系统与用户在一定的时间段内没有交互的动作时,设计应用程序使LCD屏幕亮度降低,并关闭无线网卡,以节省电能。当LCD亮度降低后,若用户有输入动作,敲击键盘或鼠标即可恢复到运行状态;休眠状态是指当系统无操作时间超过额定值以后,系统进入最低功耗的状态。此时,系统将关闭CPU核心电压和时钟、外设时钟、大部分外围设备(包括鼠标、键盘、USB等),外部SDRAM保持自刷新状态,内部SRAM维持刷新。

5 测试与讨论

基于ARM的WiFi无线终端系统测试包括三个部分:系统模块测试、WiFi无线网络连接测试与电源管理测试。系统模块测试包括串口模块测试和LCD触摸屏测试,启动终端时,可从终端仿真软件上看到U-Boot的启动信息,说明串口模块正常运行;当LCD驱动正常加载时,屏幕上会依次出现五个校准点，可供用户依次点击校准。

在无线网络连接测试之前,首先需要将无线终端放置到WiFi热点区域内,并且已经获知到该区域内已存在的热点ESSID和密码。首先在无线网络配置界面中搜索WiFi热点区域内的无线网络,其次选择一个网络进行认证与登陆。最后通过嵌入式浏览器Konqueror实现上网冲浪。无线网络配置界面与浏览网页界面如图3、图4所示。

图3 无线网络配置界面

图4 浏览网页界面

本系统的LCD屏幕亮度是通过脉冲宽度调制(PWM)信号控制的,其占空比越高,LCD的亮度也就越大。经测试表明,系统电源管理功能能够按照预期的目标实现,可在上述的三种电源管理状态间切换。电源管理的实验数据如表1所示,可见电源管理模块有效地降低了系统的功耗。

表1 电源管理的实验数据

6 结语

论文给出了基于ARM的WiFi无线终端系统的设计方案,介绍了系统软、硬件平台的开发实现及Linux各设备驱动的编写,并基于Qt图形界面开发的无线网络配置与智能电源管理等功能。所设计的终端系统功能完善、可靠性高且能够有效地降低功耗,具有较高的使用价值及较好的市场前景。

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Design and Implementation of WiFi Wireless Terminal Based on ARM

LI Yunhong ZHANG Heng ZHANG Yalin WANG Zhenya

(College of Electronics and Information, Xi’an Polytechnic University, Xi’an 710048)

With the "wireless city" and "smart city" are being put forward and the maturity and development of network technology, WiFi wireless communication technology has become the mainstream of future wireless access standards. In order to meet the needs of users to achieve access to the Internet at anytime and anywhere, the portable electronic terminals with the function of WiFi has become a development trend. The scheme of researching WiFi wireless terminal system based on ARM is put forward in this paper. The wireless terminal system is based on S3C6410 processor and Linux operating system,and realizes the function of wireless network configuration and intelligent power management based on Qt graphical interface development.

ARM, embedded system, WiFi, Qt

2016年9月4日,

2016年10月17日

国家自然科学基金项目(编号:61401347);西安工程大学2016年度研究生创新基金(编号:CX201617);陕西省科技厅自然科学基础研究计划资助项目(编号:2016JZ026)资助。

李云红,女,博士,教授,研究方向:信号与信息处理技术、图像、红外热像测温技术。张恒,男,硕士研究生,研究方向:信号与信息处理技术。张亚林,男,硕士研究生,研究方向:智能控制。王震亚,男,硕士研究生,研究方向:智能控制。

TP273

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.03.019