摘 要：隨著無線局域網(wǎng)的廣泛應用，如何在嵌入式系統(tǒng)中整合WLAN寬帶通信技術(shù)進行視頻通信將成為一個熱點。提出了一種基于WLAN 和 ARM的嵌入式視頻通信系統(tǒng)，以SAMSUNG S3C2410為核心硬件平臺，SDIO為接口，Windows CE 為操作系統(tǒng)的設(shè)計方案，包括硬件組成、接口設(shè)計、軟件流程以及驅(qū)動開發(fā)。通過測試分析，能實現(xiàn)視頻信息的無線傳輸，且結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定可靠，具有低成本和高性能的特點，可廣泛應用于倉儲、銀行、軍事設(shè)施、家庭、智能小區(qū)監(jiān)控等領(lǐng)域，具有廣闊的應用前景和市場潛力。

關(guān)鍵詞：WLAN；嵌入式；S3C2410；SDIO

中圖分類號：TN9198文獻標識碼：B文章編號：1004373X(2008)1904504

Embedded Video Communications Terminal Design Based on ARM

MIAO Zhuang，HUA Nan

(Xi′an International University，Xi′an，710077，China)

Abstract：Along with the widespread application of the Wireless Local Area Network (WLAN)，how to employ WLAN technology to carry on video communication in the embedded system becomes a hot spot.This article proposes an embedded video communication system based on WLAN and the ARM，which takes SAMSUNG S3C2410 as the core hardware platform，SDIO as the interface，Windows CE as the operating system design proposal，including hardware composition，interface design，software flow as well as actuation development.Through the test analysis，it can realize the wireless transmission of video information with the characteristics of simple structure，stability，low cost，and high performance.There are a broad prospect and market potential to apply it in such fields as warehousing，bank，military installation，family，intelligent plot monitoring and so on.

Keywords：WLAN;embedded;S3C2410;SDIO

1 引 言

近年來，無線局域網(wǎng)WLAN(Wireless Local Area Network)得到了很大的發(fā)展與普及，WLAN 標準IEEE802.11X 引入了直接序列擴頻技術(shù)，能提供高達54 Mb/s的數(shù)據(jù)速率，為支持各種多媒體分組業(yè)務打下了基礎(chǔ)，同時無線局域網(wǎng)還可以實現(xiàn)許多新的應用，已成為提高工作效率及生產(chǎn)率不可缺少的方式。目前，IEEE802.11X無線局域網(wǎng)標準已在語音通信、無線辦公等領(lǐng)域得到廣泛應用，但主要還是局限在PC機、筆記本電腦等通用平臺的無線通信^{［1，2］}。隨著無線局域網(wǎng)在信息家電、工業(yè)控制、移動手持設(shè)備等嵌入式環(huán)境中的應用需求日益增多，如何在嵌入式系統(tǒng)中整合WLAN寬帶通信技術(shù)，將成為嵌入式系統(tǒng)應用中的一個熱點。

ARM處理器由于體積小、功耗低、應用方案靈活、支持軟件豐富、成本低等特點近年來得到廣泛發(fā)展已經(jīng)應于與消費電子產(chǎn)品、無線通訊等領(lǐng)域，而且ARM技術(shù)是嵌入式系統(tǒng)方面的主流技術(shù)^［3-5］。目前市場上的ARM芯片速度可達幾百兆赫茲，以此作為主控芯片可在硬件上實現(xiàn)高速、高精度的視頻采集處理通信系統(tǒng)。YL2410是一款基于SAMSUNG S3C2410 ARM920T處理器的高端嵌入式設(shè)備開發(fā)平臺，支持嵌入式設(shè)備的軟硬件開發(fā)^［6］。本設(shè)計是一個基于WLAN無線網(wǎng)絡(luò)和ARM處理器的嵌入式通信終端系統(tǒng)，該系統(tǒng)帶有高性能的嵌入式處理器，支持嵌入式Windows CE操作系統(tǒng)，WLAN無線傳輸和液晶屏顯示，具有低功耗和高性能的特點。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)多采用模塊化的思想，首先在開發(fā)板上進行，然后根據(jù)實際性能再做進一步開發(fā)。本設(shè)計在YL2410平臺上開發(fā)以SAMSUNG S3C2410高性能嵌入式處理器為核心硬件平臺，以嵌入式Windows CE為操作系統(tǒng)，以802.11b/g無線通信模塊WM3236A為核心通信單元，基于WLAN的嵌入式無線通信終端。根據(jù)功能需求及市場上的成熟技術(shù)，終端系統(tǒng)采用“硬件平臺＋嵌入式操作系統(tǒng)＋應用軟件”的系統(tǒng)架構(gòu)來設(shè)計。硬件平臺以SAMSUNG的S3C2410為核心，并輔以必要的外圍設(shè)備。這款芯片基于ARM920T內(nèi)核，帶有豐富的接口，是一款性價比很高的ARM核SOC芯片。軟件部分包括嵌入式操作系統(tǒng)和應用軟件。這里采用Windows CE作為嵌入式操作系統(tǒng)，因為Windows CE是開放源代碼的實時操作系統(tǒng)，采用模塊化的設(shè)計，開發(fā)平臺友好，應用層軟件主要是視頻信號處理程序和網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議程序^［7］。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

該嵌入式無線通信終端系統(tǒng)的硬件主要是由SAMSUNG S3C2410 ARM920T架構(gòu)嵌入式處理器(203 MHz主頻)、80211b/g無線通信模塊WM3236A、SDRAM(64 MB)、FLASH(64 MB)、TFT LCD液晶屏(真彩，分辨率1 024×768)、觸摸屏(四線電阻式)、電源管理模塊以及人機接口模塊組成，系統(tǒng)硬件組成如圖1所示。

3.1 嵌入式微處理器

嵌入式微處理器是嵌入式系統(tǒng)的核心，一般具有以下特點：功耗低，適用于便攜式無線及移動的計算和通信設(shè)備；支持實時多任務；中斷響應時間短。S3C2410是SAMSUNG公司開發(fā)的一款以ARM920T為核心的16/32位嵌入式處理器，主要面向手持設(shè)備及高性價比、低功耗的應用^［8，9］。其主要特性如下：基于ARM920T內(nèi)核，自帶16 kB的指令緩存和16 kB的數(shù)據(jù)緩存以及MMU單元，工作時鐘頻率最高可達203 MHz，擁有豐富的片內(nèi)外設(shè)，如USB(一個Host，一個Device)、SDRAM控制器、LCD和觸摸屏控制器、UART(三個)、DMA、Timer、RTC、IIS、IIC、SPI等，同時還有豐富的IO端口資源，是一款性價比很高的ARM核SOC芯片。

3.2 WLAN通信模塊

WLAN通信模塊是使系統(tǒng)接入無線局域網(wǎng)，建立無線通信鏈路的基礎(chǔ)，選用的WLAN無線通信模塊是以Atheros公司的單芯片AR6001為核心的WM3236A，它是一款完整的IEEE802.11a/b/g嵌入式系統(tǒng)級封裝模塊，能夠使移動設(shè)備實現(xiàn)WLAN通信功能，核心芯片采用Atheros公司的單芯片802.11a/b/g方案AR6001，它整合了射頻收發(fā)、基帶控制、MAC、外存、電源管理、CPU和外設(shè)控制等全部功能，與處理器可以通過3類主機接口(SDIO，SPI和UART接口)相連接。該模塊的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.3 WLAN通信模塊與主機接口設(shè)計

IEEE802.11X技術(shù)集成到各種數(shù)字設(shè)備中的方式有兩種：一種是單微控制器方式，即所有的802.11X低層傳輸協(xié)議(包括射頻、基帶與鏈路控制器、鏈路管理器)與高層傳輸協(xié)議(包括邏輯鏈路控制與適配協(xié)議、服務發(fā)現(xiàn)協(xié)議、串口仿真協(xié)議、網(wǎng)路封裝協(xié)議等)以及用戶應用程序都集成到一個模組當中，整個處理過程由一個微處理器來完成；另一種是雙微控制器方式，即802.11X協(xié)議與用戶應用程序分別由主機和主機控制器來實現(xiàn)(低層傳輸協(xié)議一般通過802.11X模組實現(xiàn)，模組內(nèi)部嵌入的微處理器稱為主機控制器，高層傳輸協(xié)議和用戶應用程序在PC機或嵌入式單片機、DSP等上運行，稱為主機)，主機和主機控制器之間通過標準的物理總線界面(USB，RS 232，UART，SDIO等)連接。

在802.11X的主機-主機控制器連接模型中，主機界面HCI(Host Controller Interface)作為802.11X軟件協(xié)議堆棧中軟硬件之間的界面，提供了一個控制基帶與鏈路控制器、鏈路管理器、狀態(tài)寄存器等硬件的統(tǒng)一界面。目前，802.11X HCI傳輸層的物理界面有安全數(shù)據(jù)總線SDIO、串行端口RS 232和通用異步收發(fā)器UART等。當主機和主機控制器通信時，HCI層以上的協(xié)議在主機上運行，而HCI層以下的協(xié)議由802.11X主機控制器硬件完成，他們通過HCI傳輸層進行通信。主機和主機控制器中都有HCI，他們具有相同的界面標準。主機控制其中的HCI解釋來自主機的信息并將信息發(fā)向相應的硬件模組單元，同時還將模組中的信息(包括數(shù)據(jù)和硬件/固件信息)根據(jù)需要向上轉(zhuǎn)發(fā)給主機。

本系統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)通信模塊與ARM處理器平臺的硬件接口采用雙微控制器方式。

YL2410開發(fā)板和WM3236A模塊均提供標準的UART(通用異步收發(fā)器)接口和SDIO(安全數(shù)字總線)接口。本設(shè)計選用SDIO接口進行連接，SDIO接口模式時，控制和狀態(tài)報告及數(shù)據(jù)流都是通過SDIO來交換的，接口模式分為1位數(shù)據(jù)、4位數(shù)據(jù)兩種(見表1)，4位數(shù)據(jù)線SDIO接口方式見圖3。

3.4 外部存儲器

為了滿足數(shù)據(jù)存儲的需要，采用了64 MB的SDRAM，2 MB的NOR FLASH和64 MB的NAND FLASH(可更換為16 MB，32 MB或128 MB)。NOR FLASH 主要用來存儲程序代碼，NAND FLASH主要用來存儲數(shù)據(jù)以及部分程序代碼。S3C2410支持從NOR和NAND兩種方式啟動，可以通過配置S3C2410的OM［1:0］來選擇CPU的啟動方式。另外，S3C2410還提供多種存儲接口：包括SD卡接口、CF卡接口和IDE接口。

3.5 顯示單元

S3C2410內(nèi)部集成有LCD控制器，它提供了處理器與Active(TFT)顯示屏的接口，LCD控制器的作用是將Frame Buffer里的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絃CD控制器的內(nèi)部，然后經(jīng)過處理，輸出數(shù)據(jù)到LCD的輸入引腳上。觸摸屏通過觸摸屏控制芯片與S3C2410相連接。觸摸屏是一種透明的絕對定位系統(tǒng)，一般分為四個基本類型：電阻式觸摸屏、電容式觸摸屏、紅外線式觸摸屏和聲表面式觸摸屏，本設(shè)計采用的是四線電阻式觸摸屏。

3.6 電源單元

電源單元采用模塊化設(shè)計，輸入＋5 V、輸出穩(wěn)定的+3.3 V和+5 V分別供給通信模塊和處理器使用。在系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)中加入了多級穩(wěn)壓電路和高精度低功耗CMOS線性調(diào)壓電路，使電壓穩(wěn)定。電源管理芯片具有過熱和過流保護功能，起到電源管理的作用。

3.7 人機接口

人機接口模塊提供了良好的人機交互界面，包括：LCD和觸摸屏、LED、鍵盤、麥克風和揚聲器。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括操作系統(tǒng)、驅(qū)動程序和應用程序。操作系統(tǒng)選用Windows CE 6.0版本進行定制裁減。根據(jù)硬件平臺的要求，還需要開發(fā)適應硬件平臺的驅(qū)動程序，包括SDIO接口驅(qū)動程序、音視頻接口驅(qū)動程序、LCD/觸摸屏驅(qū)動程序、UART總線驅(qū)動程序、鍵盤驅(qū)動程序以及LED驅(qū)動程序。應用程序主要是視頻信號處理程序和網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議程序。開發(fā)這些軟件要根據(jù)嵌入式開發(fā)流程來建立開發(fā)環(huán)境。

4.1 軟件開發(fā)環(huán)境建立

基于嵌入式的Windows CE開發(fā)環(huán)境一般由目標系統(tǒng)硬件開發(fā)板和裝有Windows CE桌面版的PC主機平臺組成，這里采用的操作系統(tǒng)是Windows CE 6.0版本。目標系統(tǒng)硬件開發(fā)板用來運行嵌入式操作系統(tǒng)Windows CE和用戶應用程序，而主機平臺用來進行嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核編譯，文件系統(tǒng)的制作和系統(tǒng)應用程序的開發(fā)和調(diào)試等^［10］。雙方通過串口、并口或標準數(shù)據(jù)接口等建立連接。

4.2 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)工作時，執(zhí)行流程如圖4所示。

系統(tǒng)主要工作流程如下：首先，通過供電單元提供的電源進行系統(tǒng)上電；接著啟動Bootloader，開始加載嵌入式Windows CE的系統(tǒng)內(nèi)核；接下來進行外設(shè)模塊的初始化進程，在存儲單元準備就緒后，初始化進程的順序為：顯示單元(觸摸屏/TFT LCD液晶顯示屏)、GPIO(通用輸入輸出接口)和WLAN無線通信模塊；如果外設(shè)未初始化成功，將重新進行初始化，成功后則準備接入無線網(wǎng)絡(luò)；開始加載網(wǎng)絡(luò)協(xié)議(Point-To-Point Protocol、TCP/IP)，加載成功后執(zhí)行用戶應用程序；系統(tǒng)使用結(jié)束后，關(guān)閉主程序，系統(tǒng)工作執(zhí)行結(jié)束。

系統(tǒng)的無線通信模塊工作流程如下：系統(tǒng)啟動、操作系統(tǒng)載入后，首先初始化WLAN通信模塊，進行端口設(shè)置和波特率設(shè)置；模塊初始化完畢后，系統(tǒng)接入WLAN，調(diào)用WLAN服務程序，就能夠執(zhí)行通過WLAN承載的應用，如音視頻傳輸?shù)龋蛔詈?，使用WLAN結(jié)束后，關(guān)閉無線連接。

4.3 SDIO接口驅(qū)動

Windows CE的SDIO接口驅(qū)動協(xié)議棧包括總線驅(qū)動、主控制端驅(qū)動和客戶端驅(qū)動。

4.3.1 總線驅(qū)動

總線驅(qū)動為主控制端驅(qū)動和客戶端驅(qū)動各提供了一組服務，兩組服務都是為了減少驅(qū)動操作的復雜度，如：驅(qū)動的加載和卸載、SD卡的識別和訪問、總線申請和取消，這些操作都是通過總線驅(qū)動來實現(xiàn)的。當一個SD設(shè)備接入總線時，總線驅(qū)動便執(zhí)行一組動作來確定設(shè)備的類型，并調(diào)用Activate Device Ex函數(shù)加載相應的客戶端驅(qū)動。由于SDIO協(xié)議棧的分層結(jié)構(gòu)，總線驅(qū)動只為客戶端驅(qū)動提供抽象的SDIO協(xié)議，這個協(xié)議是純軟件的，隱藏了主控制端所有的底層硬件操作，所以，客戶端驅(qū)動可以基于任何硬件平臺。

4.3.2 主控制端驅(qū)動

主控制端驅(qū)動包含控制器和芯片集的相關(guān)信息，用來控制主控制器硬件和軟件接口，并采用動態(tài)結(jié)構(gòu)，允許隨時設(shè)置或注消。其設(shè)置包括：提供主從端性能匹配信息，如最大時鐘速率、可接受的電壓范圍、SDIO總線寬度和上電延遲等；提供回調(diào)函數(shù)，如插槽選擇操作、電源操作和總線請求操作等。主控制端驅(qū)動負責為總線驅(qū)動設(shè)置插槽性能，總線寬度可以選擇1位或4位模式，時鐘頻率可以設(shè)置在0~25 MHz。

4.3.3 客戶端驅(qū)動

SDIO 協(xié)議棧提供了一個同步接口，客戶端驅(qū)動可以發(fā)送同步或異步命令到客戶端。其通信過程如下：首先，總線驅(qū)動確定SD 設(shè)備的類型；然后，總線驅(qū)動根據(jù)設(shè)備類型加載客戶驅(qū)動，并使用相應的協(xié)議與設(shè)備通信。總線驅(qū)動從SD 設(shè)備加載客戶驅(qū)動時支持熱插拔。

客戶端驅(qū)動支持標準的流存取函數(shù)，并在設(shè)備加載

或卸載時調(diào)用這些函數(shù)。這些函數(shù)中只有XXXInit (Device Manager) and XXXDeinit (Device Manager)是必須的。為了給設(shè)備提供應用程序接口，一般還需要更多的存取操作函數(shù)，如：XXXOpen (Device Manager)，XXXClose (Device Manager)，XXXWrite (Device Manager)，XXXRead (Device Manager)，XXXSeek (Device Manager)和XXXIOControl (Device Manager)?？蛻舳蓑?qū)動的存取函數(shù)必須包含在相應的sources 文件里。

5 結(jié) 語

本系統(tǒng)在單片機系統(tǒng)上擴展無線傳輸模塊，通過WLAN進行視頻傳輸。采用了單片WLAN無線收發(fā)集成芯片，結(jié)構(gòu)簡潔，穩(wěn)定可靠。同時采用了以ARM920T為核心的ARM單片機微控制器，性價比高、功耗低。接口方面采用目前主流的SDIO接口，技術(shù)成熟，通用性好。操作系統(tǒng)采用Windows CE 6.0版本，易于移植，資源豐富。目前，已完成了終端軟硬件的調(diào)試工作，系統(tǒng)測試穩(wěn)定可靠，可廣泛應用于倉儲、銀行、軍事設(shè)施、家庭、智能小區(qū)的監(jiān)控，具有廣闊的應用前景和市場潛力。

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作者簡介 苗 壯 男，1980年出生，陜西周至人，助教。主要從事計算機教學及網(wǎng)絡(luò)的研究工作。

花 楠 女，1981年出生，陜西西安人，助教。主要從事計算機教學及網(wǎng)絡(luò)的研究工作。