李國中

(華北計(jì)算技術(shù)研究所技改處，北京 100083)

移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備(Mobile Internet Device，MID)是一種新的互聯(lián)網(wǎng)終端。隨著移動(dòng)通信設(shè)備的發(fā)展，其今后將替代移動(dòng)電話和筆記本電腦成為新的移動(dòng)通信方式，該設(shè)備可以訪問無限網(wǎng)絡(luò)，完成基本的電腦功能，也可完成大規(guī)模的在線通信，流暢的使用辦公軟件，查看相關(guān)文檔，安排合理的工作計(jì)劃，同時(shí)還可欣賞音樂、電影和視頻會(huì)議等影音功能;并且能夠完成移動(dòng)定位、在線攝影等功能記錄生活的點(diǎn)滴［1－2］。隨著軍用通信技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)新一代的軍車通信提出了更高的要求。作為在筆記本電腦和手機(jī)之間新的產(chǎn)品形態(tài)，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備其最大優(yōu)勢(shì)是不受地點(diǎn)和時(shí)間的限制，可完成移動(dòng)通信［3］。符合軍用車輛的通信要求。其屏幕尺寸較小，方便隨身攜帶，雖然個(gè)別小型的筆記本尺寸也越來越小，但仍無法達(dá)到隨身攜帶的目的，因此其應(yīng)當(dāng)擁有較大的軍用車輛市場前景;與一般的軍用通信器材相比，其屏幕較大、顯示和處理等功能較強(qiáng)、通信效果好，兼容性和通信的穩(wěn)定性更佳。最為重要的是其通信的安全性，因此，特別適合軍用車輛的使用［4－5］。

1 移動(dòng)通信設(shè)備的整體設(shè)計(jì)原理

為滿足軍用車輛移動(dòng)通信設(shè)備安全高效的通信需求，整體設(shè)計(jì)采用較為流行的嵌入式設(shè)計(jì)技術(shù)。軍用車輛移動(dòng)通信設(shè)備的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能的整體組成如圖1所示。

根據(jù)組成功能的不同，移動(dòng)通信設(shè)備采用了模塊化設(shè)計(jì)的思路:

(1)其核心處理器選擇的是抗干擾能力較強(qiáng)的S3C2410:其通信效果好，協(xié)議安全性強(qiáng)，各種通信接口的功能強(qiáng)大。

(2)算法運(yùn)算模塊采用Altera公司較為成熟的FPGA器件StratixII系列EP2S180－1020FBGA，完成通信協(xié)議算法的編程工作。

(3)存儲(chǔ)設(shè)備選擇的是RAM和Flash:由于設(shè)備需要存儲(chǔ)較大容量的信息，因此需要選擇擴(kuò)展的DDRRAM，可保持臨時(shí)文件及相關(guān)的數(shù)據(jù)緩存，F(xiàn)lash采用NAND Flash，用于存放程序代碼和數(shù)據(jù)等。

(4)音頻信號(hào)輸入輸出:移動(dòng)設(shè)備需要滿足視頻和音頻的功能，因此需要一個(gè)揚(yáng)聲器，用于語音和視頻數(shù)據(jù)的有效輸出。

(5)串口:這是完成各種外界設(shè)備通信必備的接口。

(6)TD/GPRS/GSM模塊:該模塊可實(shí)現(xiàn)一般筆記本和手機(jī)見缺的功能，完成人員定位，是最為關(guān)鍵的模塊。

(7)以太網(wǎng)收發(fā)器:采用 DM9000AE芯片，10/100 Mbit·s－1速率自適應(yīng)，可完成有線網(wǎng)絡(luò)和無限網(wǎng)絡(luò)的通信功能。

(8)USB接口:通過USB擴(kuò)展應(yīng)用，可對(duì)外完成多種設(shè)備的擴(kuò)展，包括3G等應(yīng)用設(shè)備。

(9)電源管理:為保證電源的耐用性，采用鋰電池作為電源管理，并確保電源管理的高效性，能夠完成系統(tǒng)的信號(hào)供應(yīng)和外部時(shí)鐘。

(10)WiFi模塊:完成無線通信的功能，通過無線通信網(wǎng)絡(luò)完成互聯(lián)網(wǎng)通信端口之一。

系統(tǒng)平臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)分為系統(tǒng)總體的設(shè)計(jì)、FPGA板、核心板3個(gè)部分。其中，設(shè)備采用USB接口、SD卡接口、音頻接口、網(wǎng)口、電源接口、LCD觸摸屏接口以及攝像頭接口，系統(tǒng)可根據(jù)此硬件結(jié)構(gòu)，完成一系列的功能，同時(shí)可以通過硬、軟件的協(xié)調(diào)配合，完成功能的實(shí)現(xiàn)。

2 軍用車輛通信系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

軍用車輛通信的核心芯片是Samsung公司的S3C2410，采用 ARM1176JZF－S內(nèi)核，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間達(dá)到16 kB并擁有同樣大小的指令存儲(chǔ)空間，其工作電壓穩(wěn)定，適用于波動(dòng)較大的環(huán)境，工作頻率達(dá)到553 MHz，在1.2 V 的情況下，頻率可達(dá) 667 MHz。運(yùn)用AXI、AHB和APB形成的64/32 bit總線設(shè)計(jì)和接口設(shè)備相連。以FPGA的封裝方式進(jìn)行封裝，引腳規(guī)范較好?？偩€也可采用外邊擴(kuò)展的方式，對(duì)模塊進(jìn)行調(diào)用，其核心的硬件RTC電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 RTC原理圖

其中S3C2410的VDDRTC可與其進(jìn)行直連，保證工作效率。該模塊采用的電壓供電不超過4 V，完成了大部分的供電功能。另外，還設(shè)計(jì)了供電中出現(xiàn)掉電時(shí)的工作模式，由備用電池供電，此時(shí)S3C2410中唯有RTC模塊工作，其余模塊均處于停止?fàn)顟B(tài)。

根據(jù)S3C2410的最高工作頻率及PLL電路的工作方式，系統(tǒng)晶振的選擇需要一定的竅門，可采用12 Hz的晶振，也可選擇頻率較高的無源晶振作為系統(tǒng)的時(shí)鐘信號(hào)提供方，系統(tǒng)選用25 Hz的晶振為相關(guān)的芯片設(shè)計(jì)時(shí)鐘電路。當(dāng)然，也可通過CUP芯片內(nèi)部集成的倍頻電路，根據(jù)系統(tǒng)的需求產(chǎn)生不同頻率的晶振信號(hào)。其中，系統(tǒng)設(shè)定了相關(guān)的放大電路和信號(hào)干擾去除電路。因此，外邊的信號(hào)頻率無需較高，也可滿足系統(tǒng)的相關(guān)需求，又可進(jìn)一步降低系統(tǒng)在工作過程中的噪聲。圖3是這4種時(shí)鐘的示意圖，此處的電容用于濾除來自振蕩的高次諧波，電阻是進(jìn)行阻抗匹配的。

圖3 系統(tǒng)時(shí)鐘示意圖

S3C2410處理器支持多種啟動(dòng)方式，不同設(shè)備的啟動(dòng)，方式不同。其中IROM是一種高速啟動(dòng)的方式，對(duì)NAND Flash、SD卡和ONENAND等設(shè)備進(jìn)行相關(guān)的控制。這是順序的啟動(dòng)方式，S3C2410處理器通過運(yùn)行其本身固有的程序，計(jì)算EINT15、EINT14、EINT13這3個(gè)引腳狀態(tài)，根據(jù)所得引腳的不同狀態(tài)選擇啟動(dòng)設(shè)備。S3C2410處理器的啟動(dòng)由 XSELNAND、OM［4∶1］、EINT［15∶13］這 3 種引腳狀態(tài)判斷，完成SROM、NOR、NAND、ONENAND、SD 以及 IROM 的初始化。當(dāng)NAND作為啟動(dòng)設(shè)備時(shí)，XSELNAND需要設(shè)定為高。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

完善的硬件配置需要用有效的軟件作為平臺(tái)，為保證新一代軍車通信系統(tǒng)的高效性和安全性，配合其特有的存儲(chǔ)能力、功耗、硬件系統(tǒng)的體積大小和相關(guān)接口。系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)終端是基于ARM Linux架構(gòu)的。其軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 移動(dòng)終端軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)包括:

(1)頁面驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)。良好的頁面處理程序化。Qt/Embedded的底層圖形引擎基于Framebuffer。其是一種驅(qū)動(dòng)程序接口，通過設(shè)計(jì)操作性較強(qiáng)的界面程序，對(duì)相關(guān)設(shè)計(jì)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，設(shè)備是/dev/fb0、/dev/fb1等。設(shè)備對(duì)操作的用戶而言是相同的，封裝后區(qū)別較小，客戶相當(dāng)于對(duì)一個(gè)內(nèi)存進(jìn)行操作，完成存儲(chǔ)功能，通過內(nèi)存映射程序完成相關(guān)操作，對(duì)內(nèi)存內(nèi)部的各個(gè)地址單元進(jìn)行有效的訪問，訪問過程是雙向的可以通過讀的方式訪問，也可以寫入數(shù)據(jù)，并隨即反應(yīng)在屏幕上。

(2)數(shù)模轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。語音和視頻信號(hào)是模擬波形，因此在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)程序過程，必須保證信號(hào)傳遞的穩(wěn)定性和可靠性。語音信號(hào)在傳遞時(shí)需要轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，對(duì)模擬信號(hào)中的相關(guān)位進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果要有效保持。保持的區(qū)域需要預(yù)定大小，若太小將發(fā)生溢出。數(shù)模轉(zhuǎn)換工作需要專門的模塊完成。該轉(zhuǎn)換芯片也需要編寫相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，該程序并不復(fù)雜，只需安裝芯片的具體實(shí)現(xiàn)過程，完成編寫即可。對(duì)聲音的采集則需要固定的驅(qū)動(dòng)程序完成轉(zhuǎn)換。因此視頻轉(zhuǎn)換和聲音轉(zhuǎn)換均需要驅(qū)動(dòng)完成。

(3)數(shù)據(jù)采集驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)。該部分是完成數(shù)據(jù)采集功能的模塊，系統(tǒng)中的多數(shù)模塊均會(huì)調(diào)用此模塊，完成相關(guān)數(shù)據(jù)的采集。其中，聲音信號(hào)的采集驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)較為特殊，其涉及到模數(shù)轉(zhuǎn)換的過程，是將采集到的聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的過程。轉(zhuǎn)換的結(jié)果仍要保存在內(nèi)存中，由于語言信號(hào)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此在嵌入式Linux下，語音的采集和播放可通過 OSS(Open Sound System)的API接口來控制聲卡實(shí)現(xiàn)模數(shù)與數(shù)模轉(zhuǎn)換。

OSS無需使用指定的操作程序，因此使用時(shí)更加便捷，只需利用接口將操作程序與應(yīng)用系統(tǒng)相連接即可實(shí)現(xiàn)交互運(yùn)算。系統(tǒng)利用文件進(jìn)行信息傳遞的，無需在運(yùn)行的過程中進(jìn)行程序調(diào)用。利用read/write進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，通過ioctl進(jìn)行指令傳輸。OSS系統(tǒng)與操作系統(tǒng)之間的關(guān)系可通過圖5進(jìn)行描述。

圖5 OSS系統(tǒng)與操作系統(tǒng)關(guān)系圖

4 軍用車輛通信系統(tǒng)測(cè)試

在軍用車輛通信檢測(cè)系統(tǒng)中，任意選取N個(gè)功能進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試。測(cè)試中需要啟動(dòng)車載IP視頻電話，從而選取合理的網(wǎng)絡(luò)，利用該網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。因此，需要對(duì)IP視頻電話分別進(jìn)行聲音和圖像的測(cè)試。在進(jìn)行聲音測(cè)試時(shí)，需要得到聲音的質(zhì)量、帶寬和滯后時(shí)間等相關(guān)參數(shù)，從而判斷聲音傳遞的效果。隨后對(duì)視頻圖像進(jìn)行測(cè)試，獲取圖像的質(zhì)量、帶寬及傳遞滯后情況。

通過音頻和視頻的測(cè)試，可得到IP視頻電話的測(cè)試結(jié)果，從而判斷IP視頻電話功能是否符合要求。

4.1 測(cè)試結(jié)果

在數(shù)據(jù)傳遞網(wǎng)絡(luò)中，對(duì)上述過程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，結(jié)果如表1所示。

表1 軍用車輛數(shù)據(jù)傳遞網(wǎng)絡(luò)中的測(cè)試結(jié)果

根據(jù)上述步驟，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，得到結(jié)果如表2所示。

表2 系統(tǒng)整體測(cè)試結(jié)果

4.2 系統(tǒng)缺陷以及處理方式

軍用車輛通信系統(tǒng)中的IP視頻電話需要在軟、硬件同時(shí)符合系統(tǒng)要求時(shí)才能正常使用。在系統(tǒng)測(cè)試時(shí)，存在的問題可能是因軟、硬件或者應(yīng)用程序等問題所導(dǎo)致的，其處理方式如下:

(1)用戶無法正常進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接，不能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。處理方式:檢查用戶之間的硬件是否連接，假設(shè)已正常連接，則需要檢查IP地址配置是否錯(cuò)誤。假設(shè)硬件連接和應(yīng)用系統(tǒng)均無任何時(shí)候問題，則需要檢查軟件設(shè)計(jì)是否符合通信要求。

(2)視頻無法正常顯示。處理方式:假設(shè)視頻無法正常顯示，則需要檢查視頻功能的設(shè)置以及圖像采集設(shè)備是否正確連接，然后利用圖像采集設(shè)備測(cè)試程序本身配置是否存在問題，最終檢查網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳遞是否正常。

(3)音頻無法正常傳遞。處理方式:檢查音頻傳輸功能的設(shè)置是否存正常以及網(wǎng)絡(luò)連接、聲卡硬件和驅(qū)動(dòng)是否正常。

cat/dev/dsp＞xyz

cat xyz＞/dev/dsp

用第一條命令能夠?qū)鬟f信息保存在xyz文件中，從而實(shí)現(xiàn)錄音功能。使用第二條命令可播放音頻，從而進(jìn)行音頻檢測(cè)。

(4)音頻傳輸與視頻傳輸無法同步進(jìn)行。處理方式:檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)連接是否正常，帶寬是否足夠使用，發(fā)送和接收的線程能否正確對(duì)音頻和視頻進(jìn)行同步數(shù)據(jù)傳遞。

5 結(jié)束語

文中提出了一種新的防沖突大型移動(dòng)通信設(shè)備的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法。以嵌入式為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)出抗干擾能力較強(qiáng)的系統(tǒng)硬件，通過合理的編寫相關(guān)的驅(qū)動(dòng)軟件，完成優(yōu)質(zhì)高效的軟件設(shè)計(jì)，確保系統(tǒng)的高效工作。后期的實(shí)驗(yàn)顯示，設(shè)計(jì)的硬件與軟件能夠較好的兼容，并能夠高效地完成通信工作，各功能實(shí)現(xiàn)效果良好。

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