基于嵌入式linux的gsmgprs无线通信模块的设计和实现.pdf
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1、华中科技大学硕士学位论文基于嵌入式Linux的GSM/GPRS无线通信模块的设计和实现姓名:张成伟申请学位级别:硕士专业:通信与信息系统指导教师:杨宗凯20040510华中科技大学硕士学位论文摘要随着嵌入式操作系统的进一步发展,以及无线通信技术的进一步普及,以嵌入式操作系统为平台,依赖于无线网络数据传输的多媒体移动终端(如P D A,信息家电)逐渐成为l T 新的发展趋势。嵌入式操作系统是当今研究的热点,而嵌入式L i n u x 以其稳定、高效、易定制、易裁减、硬件支持广泛等特点,结合其独具的免费、丌放源代码等特征,使得L i n u x在近两年内迅速崛起成为嵌入式领域的一匹黑马。当今的无线
2、通信技术处于一个更新换代的时期,无线通信网E 在从2 G 过渡到3 G。在3 G 还没有正式成为使用标准之前,G P R S 是从2 G 过渡到3 G 一个较好的解决方案G P R S 允许在现有的G S M 网络之上,提供比G S M 更高速I n t e r n e t 和其它分 n 网络(X 2 5)的全球性无线接入。本文首先详细阐述了G s M G P R s 的基本原理,G S M(3 P R S 硬件模块的基本硬件构造和相应的工作原理;同时对G S M G P R S 硬件模块和基于嵌入式L i n u x 操作系统的硬件系统板的通讯进行较为详细的介绍;最后对硬件模块的应用环境和预
3、期达到以及可能遇到的困难和关键技术的作了介纲。在此基础之上,重点分析了G S M G P R S 驱动程序和应用系统的设i,t 方案,通过分析嵌入式L i n u x 操作系统的特性,根据无线多媒体终端的需求,提出一个接二F 嵌入式L i n u x 操作系统的G S M G P R S 模块系统设计方案,该方案具有高内聚,低耦合,扩展性好,可移植性等优点。最后,本文具体描述了系统各个功能模块的详细实现过程和测试过程。关键字:嵌入式操作系统,L i n u x,G S M,G P R S华中科技大学硕士学位论文A b s t r a c tW i t ht h em o r ed e v e
4、l o p m e n to fe m b e d d e ds y s t e ma n dt h em o r ep o p u l a r i z a t i o no fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y,w i r e l e s sm u l t i m e d i at e r m i n a l s(W M T)(e g P D A,i n f o r m a t i o nh o m ea p p l i a n c e s),w h i c ha r eb a s e do ne m b e
5、 d d e ds y s t e m sa st h ep l a t f o r m sa n dd e p e n do nw i r e l e s sd a t at r a n s m i tt e c h n o l o g y,b e c o m e st h en e wt r e n do f1 Td e v e l o p m e n t E m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e m sa r et h em a i np u r p o s eo fc u r r e n tr e s e a r c h T o d a ym
6、o r ee m b e d d e dd e v i c e su s eL i n u xt h a nN u c l e u so rV R T X,a n di ti sg a i n i n gg r o u n do nE m b e d d e dW i n d o w sa n dp S O S T h e r ea r em a n yf e a t u r e sw h e nu s i n gL i n u xa se m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e m:s t a b i l i t y,h i g hp e r f o
7、r m a n c e,e a s yC u s t o m,w i d eh a r d w a r es u p p o r t,e t c B e c a u s eo ft h e s ef e a t u r e s,e m b e d d e dL i n u xg r o wu pab l a c kh o r s ei nt h ee m b e d d e ds y s t e mf i e l d T o d a yw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yi si nt h ep e r i o
8、df r o m2 Gt o3 G T h r o u g h3 Gi ss t i l ln o tas t a n d a r df o ra p p l i c a t i o n,i tw i l lt a k et h ep l a c eo fG S Mi nt h ef u t u r e N o w a d a y sG P R Si st h et r a n s i t i o n a ls o l u t i o nf o r m2 Gt o3 GG P R Ss e r v i c ea l l o w st h ew i r e l e s sn e t w o r
9、kp r o v i d e sm o r eh i g l ls p e e dt oa c c e s sI n t e r n e to ro t h e rp a c k e tn e t w o r k s(x 2 5)I nt h i sp a p e r w ef i r s tp r e s e n tt h eb a s ek n o w l e d g eo fG S M G P R Sw i r e l e s sp r o t o c o l sa n di n t r o d u c et h ew i r e l e s sh a r d w a r ew o r
10、k i n gm e t h o d A f t e rt h a t,w et a k eal o o ka tt h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nG S M G P R Sw i r e l e s sh a r d w a r ea n dW M Ts y s t e mb o a r d A tl a s t,w eg i v eo u tt h ec l a s s i ca p p l i c a t i o na n de x p e c tg o a l so ft h eh a r d w a r ed e v i c e B
11、 a s e do nt h ep r e v i o u si n t r o d u c t i o na n di n f o r m a t i o n,w ef o c u so nt h ed e s i g no fG S M G P R Sd r i v e ra n da p p l i c a l i o ns y s t e m T h r o u g ha n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fe m b e d d e dL i n u xa n dt h er e q u i r e m e n t
12、so fW M T w eg i v eo u taf e a s i b l ed e s i g ns c h e m ef o rG S M G P R Sa p p l i c a t i o ns y s t e mb a s e do ne m b e d d e dL i n u x I th a sg o o dc o m p a t i b i l i t y,g o o de x t e n s i b i l i t ya n dg o o dt r a n s p l a n t y A tt h ee n do ft h ep a p e r,w ep r e s e
13、 n tt h ei m p l e m e n t a t i o na n dt e s t i n go fe v e r ym o d u l eo ft h ew h o l es y s t e mi nd e t a i l s K e y w o r d s E m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e m,L i O U X,G S M,G P R S玎独创性声明木人声明所早交的学位论文屉我个人n:导师 斤导f、进行n f 究:”:烛J K 徊的研究成果。尽我所生I I 除交l|1 已经标明引川的内容外木论文不包禽f t 何其他个人或集体
14、已经发表或撰写的研究成聚。对木文的研究做f f I 员献的个人雨J 集体均已在文中明确方式标明。木人完全意诌 到声明的法律结果 木人承担。学协论义作者篇名面狡砰bf f 期:a 衅F,月0 1 1学位论文版权使用授权书木学位论文作者完仝了解学校有关保留、使川学佗论文的朋定,【肌学校7 f权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复r l r t l,l:t i f【lr 版,允r f:论义破布嘲用l借阅。本人授权华中科技大学可以将本J!;:何论史或于I 椭锝复制下段保存车l 嘲编小学位论文。保密口,在彳f i 解密衍适川本授权l5。本论文属于不保密囱。(请在以1:方框内打“”)学位论文作者签名:歃
15、赢伟f=I 期:a F,月。r I指导教师锯:I J c p 尹 f:华中科技大学硕士学位论文1 绪论G S M G P R S 已经发展成为比较成熟的无线通信技术。随着无线通信技术进一步发展,依赖于无线网络数据传输的多媒体移动终端(如P D A)逐渐成为心的发展趋势。在这种移动设备上,不仅嵌入了手机的基本功能:语音通话,S M S 短消息,更重要的是提供了G S M G P R s 数据服务功能。这种发展方式最终导致了G S M G P R S 模块的产生。S M G P R S 模块是一个支持G S M G P R S 协议的硬件模块,它将无线协议相关的部分,完全封装在硬件中,对外提供了串
16、行口(C O M)和U S B 进行访问。如何遵循嵌入式L i n u x 的设计及编程规范,设计出效率高,移植性好的G S M G P R S驱动程序以及应用系统,将是本文中着重论述的一部分。1 1 无线通信技术和嵌入式操作系统的发展状况G S M G P R S 无线通信技术和嵌入式操作系统都是当前币处于飞速发展的两种i i i 沿技术,具有极强的理论研究价值和工程实践价值。G P R S(G e n e r a lP a c k e tR a d i oS e r v i c e)t 1 I 是通用分组无线业务的简称。作为2 5 G 通信技术的代表,G P R S 采用分组交换技术,高效
17、传输高速或低速数据和信令,优化了对网络资源和无线资源的利用。用于控制设备的计算机,也叫做嵌入式系统,它的历史几乎和计算机自身的历史一样长。它们最初于六十年代晚期在通讯中被用于控制机电电话交换机。由于在过去的十多年里,计算机产业不断朝着更小的系统方向发展,嵌入式系统也与之一起为这些小型机器提供了更多的功能。渐渐地就需要把这些嵌入式系统连接到网络一L,因而也就产生了对网络协议栈的要求,这提高了系统的复杂程度并要求更多的存储器和接口,其中还包括了操作系统的服务。随着二十一世纪的曙光,人类迎来了一个充满希望的新时代。而作为二十世纪人类社会最伟大的发明之一,计算机也迈入了其另一个充满机遇的阶段后P c
18、时代。嵌入式操作系统是后P c 时代的代表它已经成为数字化产品的核心。形式多样的数字化设备最大的特点就是越来越多把I n t e r n e t 连接到人们生活的各个角落。移动计算设备,如P D A,将成为发展的新趋势。如何在嵌入式操作系统之上构建华中科技大学硕士学位论文无线通信系统成为研究的主要课题。无线多媒体终端将无线通信、网络浏览、视频点播、文字处理、电子邮件、个人事物管理等功能集成在小型的I n t e lP X A 2 5 5 嵌入式系统之上,为无线通信技术和嵌入式L i n u x 的研究迈出了峰实的一步。而本文中介绍的无线通信系统的设计和实现为无线通信技术和嵌入式L i n u
19、x 相结合提出了大胆创意的解决方案,并且讨论了其实现过程,为在嵌入式操作系统上无线通信模块的设计提供了理论和实践的支撑,具有一定的研究和学习价值。1 2 课题来源本论文基于以下课题为基础进行研究:长江通信集团公司与华中科技大学互联网技术与工程中心合作的无线多媒体终端项目,该项目主要是研究利用嵌入式操作系统设计和开发出一种广泛适用的多媒体平台,具有体积小,功能强等特点。而G S M G P R S应用系统的设计和实现,正是该项目中极为重要的模块。本文所研究的内容矿是该项目的子课题,无线多媒体终端的驱动程序和应用系统的设计和实现。1 3 研究内容本文的研究目标是根据具体项目的需求,设计和实现基于嵌
20、入式L i n u x 操作系统的G S M G P R S 应用系统的设计和实现,并结合工程实践和实际应用需求对G S M G P R S 应用系统及其相关技术进行理论研究和探索。本文的研究内容主要有以下几个方面:研究G S M G P R S 硬件系统设计介绍根据具体需求(项目需求和应用需求),设计G S M G P R S 系统的体系结构研究G S M G P R S 的A T 指令集的特点以及可扩展性研究G S M G P R S 的A T 指令集解析器的设计方案和设计特点研究基于嵌入式L i n u x 的G S M G P R S 驱动程序的设计特点研究G S M G P R S
21、驱动程序与其他同类型驱动程序的区别和先进性研究基于嵌入式L i n u x 的G S M G P R S 应用程序的设训特点研究G S M G P R S 系统的可扩展性和可移植F#。华中科技大学硕士学位论文1 4 课题意义G S M G P R S 无线通信技术和嵌入式操作系统都是当前F 处于飞速发展的两种前沿技术,具有极强的理论研究价值和工程实践价值。如:G S M G P R S 无线网络增值服务研究翻,研究基于G P R S 服务如何提供更多更好的增值服务,比如全球定位,实时信息传输;嵌入式L i n u x 系统架构研究,研究嵌入式L i n u x 整体的系统结构,如何满足各种嵌入
22、式设备的需要,等等。无线通信技术和嵌入式操作系统相结合是当前项目工程、理论研究的重点,如何基于嵌入式操作系统之上构建无线通信软、硬件环境是研究的核心1 4 j。本文所讨论的系统作为基于嵌入式L i n u x 为操作系统的无线多媒体终端的个子系统,有着相当的工程价值。本文讨论基于L i n u x 的G S M G P R S 无线通信系统是出于研究和实践的需要,为未来的技术和产品提供整体设计参考。整个系统功能完备,配置灵活,性能稳定,接口简单与嵌入式L i n u x 操作系统。同时,本系统兼具很好的可移植性,它的实现过程以及核心的代码对类似应用具有很好的可重用性,只需通过较小的修改就能移植
23、到不同的操作系统和平台上。本文提出的架构和设计原则对基于嵌入式L i n u x 和M i n i G U I 平台的其他功能模块的设计和实现也有指导意义。1 5 本文组织结构本文以基于嵌入式L i a u x 操作系统平台的无线多媒体终端的无线系统为:三题,围绕有关模块的设计与实现,及其理论研究进行叙述,本文的其他章节及其主要内容如下:第二章对G S M G P R S 系统及其帽关的技术进行了全面的介绍,详细阐述了G S M G P R S 硬件构造和特点;对嵌入式U n u x 操作系统和相关的平台进行介绍。第三章介绍了基于I n t e lP X A 2 5 5 处理器的无线多媒体终端
24、的设计方案,在此雉础之上,从设计需求、支撑环境和总体方案这三个方面,详细分析了G S M G P R S 系统的设计方案。第四章详细阐述了G S M G P R S 系统的实现细节,首先介绍了系统I T 的整体结构,华中科技大学硕士学位论文然后备个基本模块进行了详细的设和分析,这包括了G S M G P R S 驱动模块的设玑G S M G P R S 的A T 指令集解析器的设计,G S M G P R S 上层电话管理模块没计,G S M G P R S 网络控制模块设计。从数据结构,实现细节,实现流程图儿个方面对G S M G P R S 整个系统进行了详细的介绍和分析。第五章介绍了G
25、S M G P R S 系统的测试方案,分析了测试方案的发计,介绍了测试所用的软硬件环境。摄后列举了测试的结构。第六章总结了全文的工作,提出了系统可能的进一步改进,展望了无线通信技术及其相关技术发展前景。4华中科技大学硕士学位论文2G S M G P R S 无线通信模块相关知识介绍本章对G S M G P R S 理论知识进行全面的介绍,详细阐述了G S M G P R S 无线通信模块的基本结构,工作原理,对不同的G S M G P R S 模块应用模式也进行了详尽的分析。接下来对系统所用到操作系统平台和相关软件支持进行详细的介绍。摄后对G S M G P R S 应用系统设计中的可能遇到
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