衛(wèi)昱含

摘? 要： 為有效降低移動通信系統(tǒng)硬件開發(fā)開銷及高效率開發(fā)嵌入式網(wǎng)絡協(xié)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(tǒng)中提出依托框架設計模式咖啡網(wǎng)絡協(xié)議的思想，從而生成網(wǎng)絡協(xié)議的通用框架。它使用UMI狀態(tài)機技術，把網(wǎng)絡協(xié)議內的UMI狀態(tài)圖轉變成相應的實現(xiàn)代碼。測試結果表明，所設計的系統(tǒng)可以有效降低對硬件資源方面的需求，UML狀態(tài)機技術的使用能提升系統(tǒng)開發(fā)規(guī)范性和效率。

關鍵詞： 移動通信系統(tǒng); 系統(tǒng)設計; 嵌入式技術; 網(wǎng)絡與協(xié)議; 系統(tǒng)開發(fā); 系統(tǒng)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(tǒng)選取微控制器（MCU）作為核心的計算機系統(tǒng)，得以廣泛用于通信、工業(yè)控制等方面。隨著互聯(lián)網(wǎng)的推廣應用，規(guī)定嵌入式終端設備和互聯(lián)網(wǎng)進行連接，確保信息能夠共享并完成遠程控制工作?，F(xiàn)階段，嵌入式設備已經(jīng)進入以互聯(lián)網(wǎng)為標準的發(fā)展，這也是研究的熱點問題之一。嵌入式系統(tǒng)內配置相應的計算資源，功能設計接近于系統(tǒng)資源臨界點。想要對成本進行合理的控制，并且對系統(tǒng)安全進行保證，設計的硬件系統(tǒng)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(fā)相應的嵌入式網(wǎng)絡協(xié)議思想，旨在提升系統(tǒng)開發(fā)效率。

1? 嵌入式技術概述

嵌入式系統(tǒng)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(tǒng)屬于高效率、簡潔的計算機系統(tǒng)，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(tǒng)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(yōu)化設計，從而降低其使用成本。嵌入式系統(tǒng)就是面向用戶、產(chǎn)品及應用，必須與應用相互結合，方可充分發(fā)揮其優(yōu)勢。嵌入式系統(tǒng)和通用型計算機系統(tǒng)不同之處如下：嵌入式系統(tǒng)一般是面向特定的應用，其CPU展現(xiàn)出低功耗、集成度高等優(yōu)點，嵌入式CPU能有效提升移動通信系統(tǒng)的工作效率。嵌入式系統(tǒng)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(chǎn)物，以此構成綜合化、高度分散的知識集成系統(tǒng)[3]。嵌入式系統(tǒng)結構還有一個特點是系統(tǒng)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(tǒng)的執(zhí)行速率及可靠性。嵌入式系統(tǒng)利用可裁剪軟硬件，在同一塊硅片上系統(tǒng)性能得到提升。

2? 系統(tǒng)硬件設計

2.1? MCU芯片

MCU（Micro Control Unit）芯片作為嵌入式系統(tǒng)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(tǒng)的8位低端控制器芯片，其具有設計簡單、操作精煉等優(yōu)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(tǒng)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(shù)據(jù)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(zhí)行效率。高性能的PIC18F452芯片可以輕松開展數(shù)據(jù)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(yè)務（General Packet Radio Service，GPRS）通信模塊是保障無線通信順利實現(xiàn)的重要設備，它可以為MCU芯片與互聯(lián)網(wǎng)相連提供與之對應的鏈路[5]。GPRS網(wǎng)絡模型見圖2。GPRS從一個發(fā)送實體和一個或者多數(shù)接收實體之間提供數(shù)據(jù)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(wǎng)絡或外部數(shù)據(jù)網(wǎng)絡。為保證系統(tǒng)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(shù)據(jù)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(xiàn)。

2.3? 移動終端設計

根據(jù)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(xiàn)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(wǎng)絡數(shù)據(jù)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(tǒng)依賴性得到降低，以此使運行成本降低。

3? 網(wǎng)絡協(xié)議棧設計

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

3.1? 嵌入式網(wǎng)絡協(xié)議棧

在研究傳統(tǒng)TCP/IP協(xié)議分層模型思想后，本次研究在分析系統(tǒng)需求、應用環(huán)境等內容基礎上，對協(xié)議子集進行有目的的取舍，設計借助GPRS通信的TCP/IP協(xié)議棧，如圖4所示。在這一協(xié)議棧內，網(wǎng)絡接口通過驅動GPRS通信建立與網(wǎng)絡之間的PPP鏈路，網(wǎng)絡層主要由IP模塊、ICMP模塊組成，傳輸層則包含TCP，UDP模塊。協(xié)議棧模塊各層之間的結構并未完全利用函數(shù)封裝，根據(jù)報文緩沖區(qū)和函數(shù)，結合全局標志變量進行實現(xiàn)，主要目的就是解決系統(tǒng)資源不足問題。模塊的不同能夠根據(jù)精簡代碼進行操作，實現(xiàn)固化的存儲[7]。協(xié)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(jù)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(fā)網(wǎng)絡協(xié)議

嵌入式系統(tǒng)軟件、硬件資源有一定的限制，要想實現(xiàn)TCP/IPde等協(xié)議族，就要實現(xiàn)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(tǒng)用戶的工作存在差別，所以網(wǎng)絡協(xié)議工作繁瑣，終端用戶各自的開發(fā)會導致物力、人力等資源的浪費。UML狀態(tài)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(wǎng)絡協(xié)議。本次研究中，利用UML狀態(tài)機技術完成網(wǎng)絡協(xié)議模型，嚴格根據(jù)軟件工程原理創(chuàng)建UML狀態(tài)機操作框架，整合此框架中的狀態(tài)、事件，提供用于實現(xiàn)UMI狀態(tài)的一系列接口[9]。

網(wǎng)絡協(xié)議承載主體指的是有限狀態(tài)機，在實現(xiàn)某網(wǎng)絡協(xié)議之后，表示實現(xiàn)有限狀態(tài)機。利用框架模式實現(xiàn)開發(fā)的工作如下：對各項網(wǎng)絡協(xié)議描述展開分析，得到不同狀態(tài)事件處理和轉移狀態(tài)，構成UMI狀態(tài)圖;以狀態(tài)圖中的不同狀態(tài)層次關系，實現(xiàn)事件處理函數(shù)?；诖?，完成狀態(tài)機測試工作。以下為網(wǎng)絡協(xié)議返回事件數(shù)據(jù)：

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(tài)，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(tǒng)賦予網(wǎng)絡協(xié)議修改設備權限。

3.3? 數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議

挑選數(shù)據(jù)鏈路層中的協(xié)議PPP為對象，借助框架設計進行開發(fā)操作，實現(xiàn)過程如圖5所示。數(shù)據(jù)鏈路層的功能表現(xiàn)在串口MCU與GPRS模塊間構成數(shù)據(jù)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(fā)出AT命令，用于完成串口通信參數(shù)設計，并進入相應的建立階段?！敖ⅰ眲t說明已經(jīng)創(chuàng)建物理鏈路，這種情況下，借助LCP協(xié)議促使鏈路雙方之間進行協(xié)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]。“網(wǎng)絡”階段旨在實現(xiàn)網(wǎng)絡協(xié)議的配置，依托IP協(xié)議向服務器發(fā)出申請信息，獲取相應的地址后完成數(shù)據(jù)傳輸。“終止”階段就是在任意時期，通過LCP將終止數(shù)據(jù)幀發(fā)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(xiàn)代碼：

true

true

0

true

…

數(shù)據(jù)連接過程中具有重要設備信息，在服務器接收到數(shù)據(jù)之后，加上新增設備用戶信息和目前系統(tǒng)時間，使數(shù)據(jù)在系統(tǒng)相應表中保存。

4? 系統(tǒng)測試與結果分析

系統(tǒng)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(tǒng)是否成功。對系統(tǒng)進行測試時，模擬一個真實的環(huán)境，在模擬環(huán)境下實現(xiàn)數(shù)據(jù)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(xié)議為新浪網(wǎng)發(fā)出請求報文，借助PPP協(xié)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(wǎng)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(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，移動通信終端具有穩(wěn)定的性能，其傳輸速率達到8 Kb/s，滿足現(xiàn)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(chuàng)建穩(wěn)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(jié)點分散的應用場合。此外，在網(wǎng)絡協(xié)議設計中，能夠展現(xiàn)狀態(tài)機不同狀態(tài)之間的嵌套層次關系，自動把嵌入式網(wǎng)絡協(xié)議生成相應的實現(xiàn)代碼，便于規(guī)范開發(fā)流程，大大提升開發(fā)效率。

參考文獻

[1] 吳大鵬，閆俊杰，楊鵬.面向5G移動通信系統(tǒng)的智慧城市匯聚及接入網(wǎng)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(tǒng)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(wèi)星移動通信系統(tǒng)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(tǒng)的主要特點和關鍵技術[J].現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟和信息化，2018，8（5）：63?64.

[5] 杜峰，王月領.無線移動通信系統(tǒng)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(tǒng)中的無線定位技術及其應用[J].科技與創(chuàng)新，2016（3）：139.

[7] 周一青，李國杰.未來移動通信系統(tǒng)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(tǒng)中的應用研究[J].科學技術創(chuàng)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(tǒng)[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(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計[J].現(xiàn)代電子技術，2019，42（13）：42?46.