基于ARM的WiFi無線終端系統設計*

李云紅 張 恒 張亞林 王震亞

(西安工程大學電子信息學院 西安 710048)

基于ARM的WiFi無線終端系統設計*

李云紅 張 恒 張亞林 王震亞

(西安工程大學電子信息學院 西安 710048)

隨著“無線城市”、“智能城市”等概念的提出及網絡技術的成熟和發展,WiFi無線通信技術已經成為未來無線接入的主流標準。為了能夠滿足用戶實現隨時隨地上網的需求,便攜式電子終端具有WiFi功能成為一種發展趨勢。針對這種情況,論文提出了基于ARM的WiFi無線終端系統的研制方案,無線終端采用S3C6410處理器和Linux操作系統實現,并基于Qt圖形界面開發了無線網絡配置與智能電源管理等功能。

ARM; 嵌入式系統; WiFi; Qt

Class Number TP273

1 引言

互聯網應用逐步向多元化發展,從有線互聯發展到無線移動互聯,正在逐步邁進隨時隨地的無線網絡互聯時代。現如今,世界上的大部分國家里,無線AP的數量迅速增長,WiFi通信技術在人們生活中的應用進一步得到了普及。在國內,絕大部分的城市都具備WiFi信號覆蓋,各種商場、銀行、酒店,大部分公共場所都會有WiFi信號熱點[1～3]。

WiFi(Wireless Fidelity)是一種通用短程無線傳輸技術,有其突出的優勢,包括覆蓋范圍廣、無需布線、世界范圍內頻段無需收費,因此作為移動互聯技術的首選。隨著互聯網越來越深入地走進人們的生活,研究一種便攜式無線電子產品,實現可在WiFi熱點區域連接互聯網,使用戶實現快速、低費用的連接入網,并且功耗低,操作方便,具有廣闊的市場前景。WiFi是移動互聯網新興的一支主力軍,備受業界關注,全球WiFi覆蓋范圍都在逐漸擴大[5～6]。當便攜式電子終端具有WiFi功能時,用戶就可隨時隨地連接入互聯網,實現上網沖浪、下載信息等。WiFi滿足了不斷增長的帶寬需求,可以將各種通訊終端以無線方式互相連接[6]。

本文基于嵌入式系統(ARM)開發一套WiFi無線終端,可實現在WiFi熱點區域內通過客戶端程序搜索并顯示無線網絡,并且可接入無線網絡,實現通過瀏覽器上網沖浪,并提供控制系統功耗的電源管理功能[7～11]。該終端將WiFi無線通信技術與嵌入式技術和Qt界面開發技術相結合,為便攜式電子終端實現方便入網且智能節省功耗提供了一種解決方案,并且基于此終端,還可開發出具備更多功能且實現遠距離無線通信與WiFi通信智能切換的各種電子產品[12～15]。

2 WiFi無線終端系統總體設計與硬件平臺開發

系統選用以S3C6410處理器為核心的OK6410開發板作為無線終端的硬件平臺。其硬件結構是按功能模塊劃分,主要由人機交互模塊、WiFi無線模塊、電源模塊三大部分組成。人機交互模塊由嵌入式微處理器及其外圍模塊組成,提供人機交互的是LCD觸摸屏;WiFi無線模塊由無線網卡組成;電源模塊采用鋰電池進行獨立供電。各個模塊采用USB接口或者RS232接口與處理器相接,模塊可以分開設計、調試,彼此之間沒有影響。

2.1 系統設計

基于ARM的WiFi無線終端系統的開發可分為三部分,分別是搭建硬件平臺、搭建軟件開發平臺和設計上層應用程序。

在硬件設計部分中,分別設計各個模塊,包括各模塊元器件的選型、電路原理圖的設計;在軟件設計部分中,又劃分為操作系統移植與應用程序開發兩個模塊。首先選定所需的操作系統,對內核根據系統的開發需求做裁剪配置,包括支持無線網卡、LCD觸摸屏等操作;其次就是本系統的核心部分,設計開發基于Qt的網絡配置界面客戶端程序和電源管理客戶端程序,并實現連接網絡和降低功耗的功能。最后,將各個模塊進行集成調試,將操作系統移植到硬件開發平臺,并且將應用程序也移植到硬件平臺,保證整個系統正確運轉,實現預期的功能要求。系統開發流程圖如圖1所示。

2.2 系統硬件平臺設計

本系統的無線終端硬件部分的核心是嵌入式技術,結合功能開發需要及實驗設備資源,選擇了具有16/32位RISC體系結構的一款基于S3C6410內核的ARM11體系的微處理器,并搭建所需的外設,構建系統的硬件開發平臺。最終系統選擇OK6410開發板作為硬件平臺,利用該平臺提供的資源模塊,擴展開發出系統的需求功能。通過在開發板的USB接口處外接一個USB集線器,可擴展出多個USB接口。論文系統WiFi模塊的硬件設備選用USB無線網卡,與開發板通過USB接口連接,完成無線模塊的硬件搭建;也可利用擴展出的USB接口外接鼠標,實現交互終端的鼠標操作;人機交互模塊采用的是LCD觸摸屏,與微處理器通過RS232連接;電源模塊采用鋰電池模塊進行獨立供電,實現終端的獨立供電。SD卡用于存儲系統數據或下載的視頻等資源。系統硬件框圖如圖2所示。

圖1 系統總體開發流程圖

圖2 系統硬件設計框圖

3 系統軟件平臺搭建與Linux設備驅動

3.1 構建嵌入式Linux開發環境

由于嵌入式開發板上資源非常緊缺,因此開發的應用程序和適用于ARM的Linux內核都需要在宿主機(PC)上編寫、編譯,再下載到開發板上執行。考慮到開發資源的數量與操作方便性,首先在Windows系統中安裝虛擬機,然后在虛擬機內再安裝Linux操作系統,在一個PC機上同時運行Windows、Linux兩個系統。

虛擬機安裝成功之后,就要建立交叉編譯環境,本系統采用arm-linux-gcc-4.3.2進行交叉編譯。接下來需要移植引導程序Bootloader,在根目錄中生成u-boot.bin并將該映像文件燒寫到OK6410開發板的NandFlash中使開發板正常啟動。當U-Bboot移植完成,即進行Linux內核配置與移植、制作與移植文件系統。

3.2 系統各模塊驅動的實現

本系統的外接模塊包括WiFi模塊與LCD模塊。WiFi模塊采用USB接口與S3C6410處理器連接,選用USB無線網卡,TL-WN321G來構建無線局域網。LCD模塊驅動方案選擇直接讀寫GPIO口和幀緩沖(FrameBuffer)驅動相結合的方式。底層驅動采用直接讀寫GPIO驅動方式,內核空間與上層應用程序數據傳輸采用FrameBuffer,將顯存映射到用戶空間,底層驅動直接從緩沖區讀數據。

4 應用程序設計

基于ARM的WiFi無線終端系統選擇較為成熟的Qt/Embedded圖形用戶界面來開發應用程序,其占用資源小、可靠性高并且可移植性強。無線網絡配置與智能電源管理等功能就是基于Qt圖形界面開發的。

4.1 無線網絡配置

本系統的無線網絡配置主要包含搜索并顯示無線網絡的ESSID、選擇一個無線網絡進行認證登錄、顯示登陸后的IP及MAC地址、斷開無線網絡等四個模塊。普通無線終端位于WiFi熱點區域內,有時存在多個AP,如果終端移動,當前的AP連接的信號強度可能降低,因此就需要切換到信號更強的網絡中。本系統通過QProcess類調用外部子程序,實現將其應用于本系統的無線終端的網絡搜索中,提高網絡的通信質量。

4.2 智能電源管理

系統的電源管理方案將系統分為三種狀態:運行狀態、空閑狀態、休眠狀態。運行狀態是指系統處于工作狀態,功耗達到最高;空閑狀態是系統與用戶在一定的時間段內沒有交互的動作時,設計應用程序使LCD屏幕亮度降低,并關閉無線網卡,以節省電能。當LCD亮度降低后,若用戶有輸入動作,敲擊鍵盤或鼠標即可恢復到運行狀態;休眠狀態是指當系統無操作時間超過額定值以后,系統進入最低功耗的狀態。此時,系統將關閉CPU核心電壓和時鐘、外設時鐘、大部分外圍設備(包括鼠標、鍵盤、USB等),外部SDRAM保持自刷新狀態,內部SRAM維持刷新。

5 測試與討論

基于ARM的WiFi無線終端系統測試包括三個部分:系統模塊測試、WiFi無線網絡連接測試與電源管理測試。系統模塊測試包括串口模塊測試和LCD觸摸屏測試,啟動終端時,可從終端仿真軟件上看到U-Boot的啟動信息,說明串口模塊正常運行;當LCD驅動正常加載時,屏幕上會依次出現五個校準點，可供用戶依次點擊校準。

在無線網絡連接測試之前,首先需要將無線終端放置到WiFi熱點區域內,并且已經獲知到該區域內已存在的熱點ESSID和密碼。首先在無線網絡配置界面中搜索WiFi熱點區域內的無線網絡,其次選擇一個網絡進行認證與登陸。最后通過嵌入式瀏覽器Konqueror實現上網沖浪。無線網絡配置界面與瀏覽網頁界面如圖3、圖4所示。

圖3 無線網絡配置界面

圖4 瀏覽網頁界面

本系統的LCD屏幕亮度是通過脈沖寬度調制(PWM)信號控制的,其占空比越高,LCD的亮度也就越大。經測試表明,系統電源管理功能能夠按照預期的目標實現,可在上述的三種電源管理狀態間切換。電源管理的實驗數據如表1所示,可見電源管理模塊有效地降低了系統的功耗。

表1 電源管理的實驗數據

6 結語

論文給出了基于ARM的WiFi無線終端系統的設計方案,介紹了系統軟、硬件平臺的開發實現及Linux各設備驅動的編寫,并基于Qt圖形界面開發的無線網絡配置與智能電源管理等功能。所設計的終端系統功能完善、可靠性高且能夠有效地降低功耗,具有較高的使用價值及較好的市場前景。

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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

國家自然科學基金項目(編號:61401347);西安工程大學2016年度研究生創新基金(編號:CX201617);陜西省科技廳自然科學基礎研究計劃資助項目(編號:2016JZ026)資助。

李云紅,女,博士,教授,研究方向:信號與信息處理技術、圖像、紅外熱像測溫技術。張恒,男,碩士研究生,研究方向:信號與信息處理技術。張亞林,男,碩士研究生,研究方向:智能控制。王震亞,男,碩士研究生,研究方向:智能控制。

TP273

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.03.019