基于嵌入式技術的移動通信系統設計

衛昱含

摘? 要： 為有效降低移動通信系統硬件開發開銷及高效率開發嵌入式網絡協議，基于嵌入式技術建立無線移動通信終端。與此同時，在系統中提出依托框架設計模式咖啡網絡協議的思想，從而生成網絡協議的通用框架。它使用UMI狀態機技術，把網絡協議內的UMI狀態圖轉變成相應的實現代碼。測試結果表明，所設計的系統可以有效降低對硬件資源方面的需求，UML狀態機技術的使用能提升系統開發規范性和效率。

關鍵詞： 移動通信系統; 系統設計; 嵌入式技術; 網絡與協議; 系統開發; 系統測試

中圖分類號： TN929.5?34? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 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

嵌入式系統選取微控制器（MCU）作為核心的計算機系統，得以廣泛用于通信、工業控制等方面。隨著互聯網的推廣應用，規定嵌入式終端設備和互聯網進行連接，確保信息能夠共享并完成遠程控制工作。現階段，嵌入式設備已經進入以互聯網為標準的發展，這也是研究的熱點問題之一。嵌入式系統內配置相應的計算資源，功能設計接近于系統資源臨界點。想要對成本進行合理的控制，并且對系統安全進行保證，設計的硬件系統不可過于復雜[1]。

本研究設計嵌入式無線移動通信終端設計方案，并開發相應的嵌入式網絡協議思想，旨在提升系統開發效率。

1? 嵌入式技術概述

嵌入式系統具有鮮明的特點，主要包含高效性、簡潔性等，對于不同的應用場合，由不同的功能構成。嵌入式系統屬于高效率、簡潔的計算機系統，其工作原理在于以應用為核心，利用計算機技術的輔助，將其嵌入至受控器件內部[2]。嵌入式系統通常只是針對某項特殊任務開展工作，設計人員通過對其優化設計，從而降低其使用成本。嵌入式系統就是面向用戶、產品及應用，必須與應用相互結合，方可充分發揮其優勢。嵌入式系統和通用型計算機系統不同之處如下：嵌入式系統一般是面向特定的應用，其CPU展現出低功耗、集成度高等優點，嵌入式CPU能有效提升移動通信系統的工作效率。嵌入式系統所用技術包含電子技術、半導體技術等，它成為與社會中各種應用相互結合的產物，以此構成綜合化、高度分散的知識集成系統[3]。嵌入式系統結構還有一個特點是系統軟件固化于存儲器芯片或者單片機內，并未放在磁盤等載體內，有利于提升系統的執行速率及可靠性。嵌入式系統利用可裁剪軟硬件，在同一塊硅片上系統性能得到提升。

2? 系統硬件設計

2.1? MCU芯片

MCU（Micro Control Unit）芯片作為嵌入式系統進行控制的中心，包含8位、32位處理器，并把低能耗等指標考慮在內，見圖1。

本次研究挑選PIC18F452芯片當作MCU，其特性見表1。PIC18F452作為不包含操作系統的8位低端控制器芯片，其具有設計簡單、操作精煉等優點。此外，該芯片配置兩級流水線，設定運行頻率為10 MIPS，滿足小型系統對于實時性的需求。PIC芯片利用哈弗結構，內存為32 KB，指令總線、數據總線寬度分別為16線、8位，擁有比較豐富的中斷資源。PIC18F452芯片設計相應的外圍模塊，便于電路設計工作的簡化[4]。此外，PIC18F452系列芯片中的精簡指令有77條，顯示出較高的執行效率。高性能的PIC18F452芯片可以輕松開展數據采集等工作，它需要配置成本低的硬件支持。

2.2? GPRS通信

通用無線分組業務（General Packet Radio Service，GPRS）通信模塊是保障無線通信順利實現的重要設備，它可以為MCU芯片與互聯網相連提供與之對應的鏈路[5]。GPRS網絡模型見圖2。GPRS從一個發送實體和一個或者多數接收實體之間提供數據傳送能力，上述實體可為移動用戶或者終端設備，后者被連接至相應的GPRS網絡或外部數據網絡。為保證系統的通信速率，本次研究挑選CMS91?90/1 800 GPRS模塊當作通信模塊，它屬于雙頻段GSM/GPRS 10級模塊，可以提供更高的數據速率，從而獲得良好的通信效果。CMS91模塊中的AT指令擁有相對完善的功能，可借助AT命令集與微控制器確保通信順利實現。

2.3? 移動終端設計

根據圖3可知，由于MCU芯片I/O口必須利用電平轉換方可與GPRS模塊串口進行連接，因此，在MCU與GPRS模塊間增設MAX232模塊實現電平轉換。GPRS模塊利用MAX232與8位MCU串口進行連接，借助驅動GPRS模塊完成一系列工作，并建立無線網絡數據鏈路[6]。同時，MCU利用串口對外圍工作單元進行控制，包含A/D轉換器、LCD等。移動終端硬件設計必須考慮是否通用，在達到應用要求以后，使對復雜系統依賴性得到降低，以此使運行成本降低。

3? 網絡協議棧設計

TCP/IP協議棧的順利實現是確保嵌入式終端和互聯網實施連接的基礎。MCU利用軟件促使TCP/IP協議棧，網絡接口層采用點對點協議的方法，在此基礎上完成高層協議。因TCP/IP是一個比較龐大的協議族，日常運行比較復雜，且內容繁多。而嵌入式系統由于受到硬件資源的限制，無法促使整個TCP/IP協議族實現。在嵌入式系統中設計出比較完善的功能，且資源消耗小，這成為TCP/IP協議棧得以實現的重點。

3.1? 嵌入式網絡協議棧

在研究傳統TCP/IP協議分層模型思想后，本次研究在分析系統需求、應用環境等內容基礎上，對協議子集進行有目的的取舍，設計借助GPRS通信的TCP/IP協議棧，如圖4所示。在這一協議棧內，網絡接口通過驅動GPRS通信建立與網絡之間的PPP鏈路，網絡層主要由IP模塊、ICMP模塊組成，傳輸層則包含TCP，UDP模塊。協議棧模塊各層之間的結構并未完全利用函數封裝，根據報文緩沖區和函數，結合全局標志變量進行實現，主要目的就是解決系統資源不足問題。模塊的不同能夠根據精簡代碼進行操作，實現固化的存儲[7]。協議棧設計過程中將可擴展性考慮在內，利用模塊化的軟件設計思想，它依據應用需求便于對功能實施擴展，顯示出較大的靈活性[8]。

3.2? 基于框架設計模塊開發網絡協議

嵌入式系統軟件、硬件資源有一定的限制，要想實現TCP/IPde等協議族，就要實現操作的簡化，并且對操作進行裁剪，使終端用戶實際的需求得到滿足。因為嵌入式系統用戶的工作存在差別，所以網絡協議工作繁瑣，終端用戶各自的開發會導致物力、人力等資源的浪費。UML狀態機的建模能力比較強大，其使用面向對象的技術描述復雜網絡協議。本次研究中，利用UML狀態機技術完成網絡協議模型，嚴格根據軟件工程原理創建UML狀態機操作框架，整合此框架中的狀態、事件，提供用于實現UMI狀態的一系列接口[9]。

網絡協議承載主體指的是有限狀態機，在實現某網絡協議之后，表示實現有限狀態機。利用框架模式實現開發的工作如下：對各項網絡協議描述展開分析，得到不同狀態事件處理和轉移狀態，構成UMI狀態圖;以狀態圖中的不同狀態層次關系，實現事件處理函數?；诖?，完成狀態機測試工作。以下為網絡協議返回事件數據：

true

true

1

true

…? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? //該設備的所有相關信息

Equipment Status值為1說明這個時候設備剛處于入庫的狀態，所以客戶端應用程序會對CanModify值進行判斷，假如此值為true，表示系統賦予網絡協議修改設備權限。

3.3? 數據鏈路層協議

挑選數據鏈路層中的協議PPP為對象，借助框架設計進行開發操作，實現過程如圖5所示。數據鏈路層的功能表現在串口MCU與GPRS模塊間構成數據鏈路。其中，“死亡”代表通信雙方并未構建物理鏈路，利用MCU向著GPRS模塊發出AT命令，用于完成串口通信參數設計，并進入相應的建立階段?！敖ⅰ眲t說明已經創建物理鏈路，這種情況下，借助LCP協議促使鏈路雙方之間進行協商，隨后，開展“認證”操作。在認證這一階段進行簽權，需要驗證用戶的賬號及密碼[10]?！熬W絡”階段旨在實現網絡協議的配置，依托IP協議向服務器發出申請信息，獲取相應的地址后完成數據傳輸?！敖K止”階段就是在任意時期，通過LCP將終止數據幀發送出來，旨在結束不同方之間的連接。以下為設備連接的實現代碼：

true

true

0

true

…

數據連接過程中具有重要設備信息，在服務器接收到數據之后，加上新增設備用戶信息和目前系統時間，使數據在系統相應表中保存。

4? 系統測試與結果分析

系統正式使用前，進行相應的測試必不可少，借助測試結果判定所設計系統是否成功。對系統進行測試時，模擬一個真實的環境，在模擬環境下實現數據傳輸、資源管理等功能，檢查其是否滿足用戶的實際需求。對PPP和GPRS之間的功能展開測試，包括TCP服務端、UDP模塊等，各種功能并無錯誤。開展測試過程中，采用ICMP協議為新浪網發出請求報文，借助PPP協議組成PPP幀：

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

獲取新浪網給出的Echo應答報文PPP幀，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

通過分析測試數據發現，移動通信終端具有穩定的性能，其傳輸速率達到8 Kb/s，滿足現代通信技術方面要求。

5? 結? 語

綜上所述，利用微控制器設計的移動通信終端可以降低對于硬件的要求，創建穩定的通信信道，硬件設計達到使用方便、成本低等需求，不僅滿足移動條件下嵌入式終端設備工作需要，也可以用于節點分散的應用場合。此外，在網絡協議設計中，能夠展現狀態機不同狀態之間的嵌套層次關系，自動把嵌入式網絡協議生成相應的實現代碼，便于規范開發流程，大大提升開發效率。

參考文獻

[1] 吳大鵬，閆俊杰，楊鵬.面向5G移動通信系統的智慧城市匯聚及接入網絡[J].電信科學，2016，32（6）：52?57.

[2] 肖剛，邸奧杰，王松旭.未來鐵路移動通信系統國際研究進展[J].鐵道通信信號，2018，54（10）：6?8.

[3] 杜妍，李亞秋.超高頻衛星移動通信系統通信體制研究[J].航天器工程，2016，25（3）：9?16.

[4] 李興.4G移動通信系統的主要特點和關鍵技術[J].現代工業經濟和信息化，2018，8（5）：63?64.

[5] 杜峰，王月領.無線移動通信系統中的安全隱患及解決方案[J].信息通信技術與政策，2019（6）：90?91.

[6] 殷燕南.移動通信系統中的無線定位技術及其應用[J].科技與創新，2016（3）：139.

[7] 周一青，李國杰.未來移動通信系統中的通信與計算融合[J].電信科學，2018，34（3）：1?7.

[8] 何軍.OFDM技術在移動通信系統中的應用研究[J].科學技術創新，2017（23）：110?111.

[9] 孫翼，朱麗娟.基于移動通信的嵌入式智能家居系統[J].艦船電子工程，2010，30（8）：98?100.

[10] 武風波，呂茜彤.基于嵌入式的井下環境監測系統設計[J].現代電子技術，2019，42（13）：42?46.