基于GPRS网络的无线数据传输系统硬件平台的构建

摘要：该论文主要介绍了构建基于GPRS网络的无线数据传输系统硬件平台的基于ARM的嵌入式硬件开发平台概念，CISC和RISC概念，终端硬件整体构成及其各个模块的具体功能。

关键词：GPRS；CISC和RISC；无线数据传输；ARM

中图分类号：TP311文献标识码：A文章编号：1009-3044(2011)30-7390-03

1 基于ARM的嵌入式硬件开发平台

以ARM为核心的嵌入式硬件系统有别于x86系列架构的系统，在处理器发展过程中，产生了以x86为代表的冯·诺依曼结构和以DsP为代表的哈佛体系结构。两者主要区别在于数据空间和程序空间是否分开，哈佛体系结构将数据空间和程序空间分开，有利于数据和程序访问，从而有利于大量数据信号的处理。

CISC和RISC是处理器指令集发展过程中的两个方向，两者各有优缺点。CISC采用大量指令实验处理器汇编程序操作，对于某些特定的指令能够完成某些复杂的操作，但这使得指令冗余，不利于程序开发，从而形成了8/2现象(即80％的操作只用到了其中的20％的指令)；RISC与之恰恰相反，采用了使用频率较高的20％指令．从而减小了程序开发人员开发程序的难度。但这两种指令方向在目前看来不会相互取代。绝大多数ARM处理器采用哈佛体系结构，但部分ARM7内核架构的芯片仍然采用冯·诺依曼体系结构。

2 CISC和RISC

复杂指令集计算机(CISC)微处理器是台式计算机系统的中心，其核心为运行指令的电路。指令由完成任务的多个步骤组成，例如，把数值传送进寄存器或进行相加运算都是需要指令的。这些指令被称为微代码(microcode)，不同制造商的微处理器有不同的微代码系统，制造商可按照自己的意愿把微代码做得简单或复杂。指令系统越丰富微处理器编程就越简单，然而，执行速度也相应越慢，而且设计这样的处理器的代价也就越大。但是由于指令系统丰富，对上层的支持就比较好。

1979年美国加州大学伯克利分校提出了RISC(Reduced Instruction Set Computer，精简指令集计算机)的概念，RISC并非只是简单地去减少指令．而是把着眼点放在了如何使计算机的结构更加简单合理地提高运算速度上。RISC结构优先选取使用频率最高的简单指令，避免复杂指令；将指令长度固定，指令格式和寻址方式种类减少；以控制逻辑为主，不用或少用微代码控制等措施来达到上述目的。其8／2规则促进了RISC体系结构的开发。

CISC包含一个丰富的微代码系统，简化了处理器上运行程序的编制。CISC主要有以下几个特点：

具有大量的指令和寻址方式：

大多数程序只使用少量的指令就能够运行。

R1SC有一个精简的指令系统，从而提高了微处理器的效率，但需要更复杂的外部程序：也就是把在处理器层没有完成的工作放到了上层进行。R1SC具有如下特点：

8／2原则：80％的程序只使用20％的指令；

采用Load／Store指令模式。凡数据由外存到内存、内存到寄存器方向的流动统一用Load指令，而对于反方向的操作，都用Store指令；

用小指令集、多寄存器，指令执行简单、快速；

统一用单周期指令，从根本上克服了 CISC指令周期有长有短，偶发性不确定，运行失常的缺点。

3 终端硬件整体构成

GPRS终端采用了基于ARM核RISC结构的 PHILIPS LPC2210微处理器，利用SIEMENS的MC35做GPRS通讯模块，进行基于GPRS网络的移动数据通信;扩展了Flash程序存储器和SRAM, Flash存储器可存放已调试好的用户应用程序、嵌入式操作系统或其它在系统掉电后需要保存的用户数据等;串口通讯模块用于调试及与终端设备进行通信, JTAG接口可用于对芯片内部的所有部件进行访问，通过该接口可对系统进行调试、编程等; 另外，还有电源单元等。GPRS模块与控制器间是通过串行口进行通信的，通信的协议是AT命令集。按照功能分类，GPRS终端的硬件框图如图1所示。

4 各个模块的具体构成及功能

4.1 微处理器

LPC2210是一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的16/32位ARM7TDMI-STM CPU的微控制器,对代码规模有严格控制的应用可使用16位Thumb模式将代码规模降低超过30%而性能的损失却很小。通过配置总线LPC2210最多可提供76个GPIO，由于内置了串行通信接口它们也非常适合于通信网关协议转换器嵌入式软modern以及其它各种类型的应用。它的主要特性如下：

1）16/32位144脚ARM7TDMI-S微控制器

2）16K字节片内静态RAM

3）串行boot装载程序通过UART0来实现在系统下载和编程

4）通过外部存储器接口可将存储器配置成4组每组的容量高达16Mb数据宽度为8/16/32位

5）EmbeddedICE-RT接口使能断点和观察点当前台任务使用片内RealMonitor软件调试时中断服务程序可继续执行

6）嵌入式跟踪宏单元ETM支持对执行代码进行无干扰的高速实时跟踪

7）多个串行接口包括2个16C550工业标准UART高速I2C接口400 kbit/s和2个SPI接口

8）向量中断控制器可配置优先级和向量地址

9）多达76个通用I/O口可承受5V电压12个独立外部中断引脚EIN和CAP功能

10）通过片内PLL可实现最大为60MHz的 CPU操作频率

11）2个低功耗模式空闲和掉电

12）通过外部中断将处理器从掉电模式中唤醒

13）可通过个别使能/禁止外部功能来优化功耗

4.2 GPRS通讯模块

目前，用于工业系统的GPRS数据传输模块有很多，比如西门子的MC35，MC35T，爱立信的GM47，GM48等。市场上关于GPRS的应用主要使用的是西门子的MC35模块，该模块结合语音、数据传输、短信服务及FAX等功能，最大传输速率可以达到85.6Kbps，特别适用于数据的监测和传输。根据系统要求及性能价格比，在本系统中GPRS模块选用MC35作为GPRS通讯模块，来达到通过GPRS承载业务传送数据的目的。

MC35具有丰富的AT指令，功能强大，操作灵活方便，它是传统调制解调器与GF"RS无线移动通信系统相结合的一种无线调制解调器。该模块具有体积小、重量轻、功耗低等特点，具有GPRS, USSD和CSD三种数据传输方式以及SMS和FAX功能。MC35在硬件接口上作了特别优化，MC35具有40脚的ZIF接口，主要有电源接口、标准RS232双向串口、SIM卡接口和模拟语音接口等，使之更适应嵌入式环境。

MC35模块主要实现短信、以及GPRS上网功能。该模块的特点是：

1) 单电源供电，供电范围为3.3-4.8V，典型电压为4.2V;

2) 可工作于双频EGSM900和GSM1800(GSM Phase2+)模式，工作于EGSM900时功耗为2瓦，工作于GSM1800时功耗为1瓦。

3) 支持多时隙GPRS功能，为B类GPRS终端(即可附着在GPRS和GSM电路型业务上，但两者不能同时工作);

4) 支持文本和PDU模式的短消息，内部提供25条短消息的存储位置;

5) GPRS下行数据传输速率最高达到85.6Kbps，上行数据传输速率最高达到21.4Kbps，支持CS-1，CS-2，CS-3，CS-4四种编码方式。

MC35模块主要由GSM基带处理器、GSM射频部分、电源ASIC电路、Flash存储器、SRAM以及ZIF连接器和天线接口组成。MC35模块的结构如图2所示。

MC35数据接口为TTL电平的RS232接口，共有九条信号线，分别是TxD，RxD，DTR，DSR，CTS，RTX，GND，RING，DCD，它提供给用户上位机与MC35命令和数据的传输通道，可以通过AT指令集进行参数配置，最高速率可达115200bps。

MC35模块与SIM卡是机卡分离的，要登录到移动网络上，还必须通过其SIM卡接口扩展外部SIM卡插槽。MC35模块的SIM卡接口符合ISO 7816-3 IC卡标准。MC35模块的SIM卡接口共有6个引脚，各个引脚的作用和定义如下:

1) CCRST: SIM卡复位，由基带处理器提供。

2) CCCL.K: SIM卡时钟，基带处理器可以设置不同的时钟频率。

3) CCIO: 串行数据线，输入和输出。

4) CCIN: 检测SIM卡插槽中是否有卡，输入到基带处理器;如果SIM卡在操作过程中SIM卡拔出，SIM卡接口将立即关闭。这个功能是为了防止SIIM卡损坏。虽然如此，应该避免在工作时插入或者拨出SIM卡。

5) CCVCC: SIM卡供电电源。

6) CCGND:独立的 SIM卡地。

MC35模块的启动过程包括在一秒钟内对SIM卡进行初始化，这个操作过程和CCIN引脚的高低密切相关，如果MC35启动过程中CCIN引脚为低，模块将尝试初始化SIM卡，在这种情况下，仅当插槽内有SIM卡时初始化才会成功。SIM卡初始化完成后，如果卡不能用或者拨出，模块不会再次查询SIM卡，只能进行紧急通话。使用时应特别注意先将SIM卡可靠插入，否则将造成无线通讯失败。

4.3 存储器单元

硬件开发平台上对存储器单元进行了扩展，使用了2M字节的flash和8M字节的PSRAM，前者用于保存程序映像和系统配置参数，而后者用于调试和运行程序。Flash存储器是一种可在系统(In-System)进行电擦写、掉电后信息不丢失的存储器。它具有低功耗、大容量、擦写速度快、可整片或分扇区在系统编程(烧写)、擦除等特点，并且可由内部嵌入的算法完成对芯片的操作，因而在各种嵌入式系统中得到了广泛的应用。该系统使用2M字节16位数据宽度的SST39VF160的Flash存储器来存放程序代码、

常量表以及一些在系统掉电后需要保存的用户数据等。它的基本特性是:单片存储器容量为16M位(2M字节)，工作电压为3.0V-3.6V,16位数据宽度，可以以8位〔字节模式)或16位(字模式)数据宽度的方式工作。SST39VF1600仅需3V电压即可完成在系统的编程与擦除操作，通过对其内部的命令寄存器写入标准的命令序列，可对Flash进行编程(烧写)、整片擦除、按扇区擦除以及其它操作。由于Flash存储器在系统中常用于存放程序代码，系统上电或复位后便从此获取指令并开始执行。

与Flash存储器相比较，SRAM不具有掉电保持数据的特性，但其存取速度大大高于Flash存储器，且具有读/写的属性，因此，SRAM在系统中主要作程序的运行空间、数据及堆栈区。当系统启动时，CPU首先从复位地址0x0处读取启动代码，在完成系统的初始化后，程序代码一般应调入SRAM中运行，以提高系统的运行速度，同时，系统及用户堆栈、运行数据也都放在SRAM中。

4.4 串口电路单元

RS232是PC机与通信工业中应用广泛的一种串行接口，被美国电子工业协会定义为“在数据终端设备和数据通讯设备之间使用串行二进制数据交换的接口”。作为一种硬件协议，RS232被用于连接DTE(DataterminalEquipment，数据终端设备)和DCE(Data Communication Equipment，数据通信设备)两种设备。

GPRS终端是通过RS232接口与设备进行通讯的，利用电平转换芯片SP3222实现了微处理器的TTL电平与RS232电平的转化。SP3222能满足TIA/EIA-232-F和ITU v.28标准的要求，其工作电源电压为3伏至5.5伏，具有一个驱动器和一个接收器，数据速率最多可达250kbit/s，该芯片具有静电保护功能和自动掉线特点。

4.5 JTAG接口单元

JTAG(Joint Test Action Group)是IEEE的标准协议。利用该协议可实现对具有JTAG接口的芯片硬件电路进行边界扫描和故障检测，并且通过JTAG接口与ARM内核通讯时无需占用片上资源。在LPC2210中己经集成了JTAG功能，系统通过JTAG接口可实现对程序的仿真和对Flash的擦写操作。JTAG接口比较简单，将相应引脚引出即可。

参考文献：

[1] 杜春雷.ARM体系结构与编程[M].北京:清华大学出版社,2003

[2] 胥静.嵌入式系统设计与开发实例详解-基于ARM的应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2005.

[3] 周立功.ARM微控制器基础与实战[M].北京:北京航空航天大学出版社,2003.

[4] Christoph Lindemann and Axel Thummler. Performance Analysis of the General Packet Radio Service[J].IEEE.2001.

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