盐城工学院嵌入式系统课程设计报告

课程设计说明书

基于ARM的GPRS模块的设计

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指导教师

完成日期2017年月日

目录

摘要 (3)

1绪论 (3)

1.1 嵌入式系统 (3)

1.1.1嵌入式系统概述 (3)

1.1.2嵌入式处理器 (3)

1.2 ARM处理器 (4)

1.3 GPRS无线通讯 (4)

1.3.1 GPRS定义 (4)

1.3.2 GPRS的技术特点 (4)

2 系统选型及设计 (5)

2.1 硬件选型 (5)

2.2 模块总体框图 (5)

3 系统硬件设计 (5)

3.1 ARM硬件结构及电路概述 (5)

3.1.1 SANSUNG S3C2410概述 (5)

3.1.2 ST2410硬件资源分配 (6)

3.1.3 ST2410接口资源 (8)

3.1.4 ST2410 的串口通讯 (9)

3.2 M22通讯电路板的设计 (12)

3.2.1 BENQ电源部分设计 (13)

3.2.2 BENQ M22 与SIM 卡的接口 (13)

3.2.3 BENQ M22 在语音通讯设计方面的问题 (14)

3.2.4 BENQ M22 通讯板的串口 (15)

4 系统软件设计 (16)

4.1引导加载程序的设计 (16)

4.1.1 BOOTLOADER 的基本概念 (16)

4.1.2 ST2410 的BOOTLOADER 功能说明 (18)

4.2 串口通讯程序的设计 (19)

4.3 BENQ M22 模块内部的软件特性 (19)

5 模块软件运行流程图 (20)

6 模块设计总结 (21)

基于ARM与嵌入式Linux的GPRS模块

摘要

随着科技的高速发展，嵌入式系统已经进入32 位时代。在当前数字信息技术和网络技术的高速发展的后PC 时代，嵌入式系统已经广泛地应用于各类产业。随着国内外嵌入式产品地进一步开发和推广，嵌入式技术和人类生活的联系越发紧密。

本文介绍了在SAMSUNG ARM9和嵌入式Linux 平台上的，基于BenQ M22 模块的GPRS 无线通讯模块的软硬件设计。主要内容包括：M22 通讯电路板的PCB 设计；ARM9 中Bootloader 编程与FLASH 烧写；M22 和ARM9 的外围与内部硬件电路的设计；串口通讯的编程；AT 指令的收发等等。该系统能够实现语音通讯、短信服务、来电查询、来电显示等功能

关键词：嵌入式；ARM；Linux；GPRS

1绪论

1.1 嵌入式系统

1.1.1 嵌入式系统概述

嵌入式系统（Embedded System），是一种嵌入机械或电气系统内部、具有专一功能和实时计算性能的计算机系统。嵌入式系统常被用于高效控制许多常见设备，被嵌入的系统通常是包含数字硬件和机械部件的完整设备，例如汽车的防锁死刹车系统。相反，通用计算机如个人电脑则设计灵活，可以智能处理各式各样的运算情况，以满足广大终端用户不同的需要。

现代嵌入式系统通常是基于微控制器（如含集成内存和/或外设接口的中央处理单元）的，但在较复杂的系统中普通微处理器（使用外部存储芯片和外设接口电路）也很常见。通用型处理器、专门进行某类计算的处理器、为手持应用订制设计的处理器等，都可能应用到嵌入式系统。常见的专用处理器有数字信号处理器。

1.1.2 嵌入式处理器

嵌入式处理器是嵌入式系统的核心，是控制、辅助系统运行的硬件单元。可以分为：嵌入式微处理器、嵌入式微控制器、嵌入式DSP处理器等。

嵌入式处理器是嵌入式系统的核心，是控制、辅助系统运行的硬件单元。范围极其广阔，从最初的４位处理器，目前仍在大规模应用的８位单片机，到最新的受到广泛青睐的32位，64位嵌入式CPU。

1.2 ARM处理器

ARM处理器是一种32位嵌入式RISC处理器。ARM （AdvancedRISCMachines），既可以认为是一个公司的名字，也可以认为是对微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。ARM处理器是一个32位元精简指令集(RISC)处理器架构,其广泛地使用在许多嵌入式系统设计。Thumb指令集为ARM指令集的功能子集，但与等价的ARM代码相比较，可节省30%～40%以上的存储空间，同时具备32位代码的所有优点。大量使用寄存器，数据处理指令只对寄存器进行操作，只有加载/存储指令可以访问存储器，以提高指令的执行效率。

1.3 GPRS无线通讯

1.3.1 GPRS定义

通用分组无线服务（英语：General Packet Radio Service，缩写：GPRS）是GSM移动电话用户可以使用的一种移动数据业务/技术。它经常被描述成“2.5G”，意指这项技术介于第二代（2G）与第三代（3G）移动通讯技术之间。它是利用GSM网络中未使用的TDMA信道，提供中速的数据传输服务。起初有人想通过扩展GPRS来覆盖其他标准，只是这些网络都正在转而使用GSM标准，这样GSM就成了GPRS唯一能够使用的网络。GPRS在Release 97之后被集成进GSM标准，起先它是由ETSI标准化，但是现在已经移交3GPP负责。

1.3.2 GPRS的技术特点

数据实现分组发送和接收，按流量计费；56~115Kbps的传输速度.

GPRS的应用，迟些还会配合Bluetooth(蓝牙技术)的发展。到时，数码相机加了bluetooth，就可以马上通过手机，把像片传送到遥远的地方，也不过一刻钟的时间。

相对于GSM的9.6kbps的访问速度而言，GPRS拥有171.2kbps的访问速度；在连接建立时间方面，GSM需要10-30秒，而GPRS只需要极短的时间就可以访问到相关请求；而对于费用而言，GSM是按连接时间计费的，而GPRS只需要按数据流量计费；GPRS对于网络资源的利用率而相对远远高于GSM。

2 系统选型及设计

2.1 硬件选型

由于ARM系列处理器中ARM9 对于Linux 操作系统的支持性明显强于ARM7。因此, 本模块采用的核心微处理器是属于ARM9系列微处理器的SAMSUNG S3C2410

出于成本和功能的考虑，本模块中选用的GPRS/GSM选用的BenQ 的M22无线模块。

主要仪器设备如下：

①SAMSUNG ST2410 ARM9 开发板

②SHARP TFT_LCD 液晶屏

③BenQ M22 GPRS 模块

④SIM 卡

⑤GSM 900/1800 MHz 吸盘天线

⑥BenQ M22 电路板

2.2 模块总体框图

3 系统硬件设计

3.1 ARM硬件结构及电路概述

3.1.1 SANSUNG S3C2410概述

S3C2410A 采用了ARM920T 内核，0.18um 工艺的CMOS 标准宏单元和存储单元。它的低功耗、精简和出色的全静态设计特别适用于对成本和功耗敏感的应用。同样它还采用了一种叫做Advanced Microcontroller Bus Architecture(AMBA) 新型总线结构。

S3C2410 的显著特性是它的CPU 核心，是一个由Advanced RISC Machines(ARM) 有限公司设计的16/32 位ARM920T RISC 处理器。ARM920T 核由ARM9TDMI、存储管理单元（MMU）和高速缓存三部分组成。其中，MMU

可以管理虚拟内存。ARM920T 实现了MMU，AMBA BUS 和Harvard 高速缓冲体系结构。这一结构具有独立的16KB 指令Cache 和16KB 数据Cache，每个都是由8 字长的行构成。ARM920T 有两个内部协处理器：CP14 和CP15。CP14 用于调试控制，CP15 用于存储系统控制以及测试控制。

S3C2410 的内部结构图如图3.1 所示

图3.1 S3C2410 内部结构图

3.1.2 ST2410硬件资源分配

S3C2410 将系统的存储空间分成8 组（Bank），每组的大小是128MB，共1GB。Bank0 到Bank5 的开始地址是固定的，用于ROM 或SRAM。Bank6 和Bank7 用于ROM、SRAM 或SDRAM，这两个组可编程且大小相同。Bank7 的开始地址是Bank6 的结束

地址，灵活可变。所有内存块的访问周期都是可编程的。S3C2410 采用nGCS[7:0]8 个通用片选信号选择这些组。因此，S3C2410 支持两种启动模式:从NAND FLASH 启动和从外部nGCS0 片选的NOR FLASH 启动。

所以在这两种启动模式下, 各片选的存储空间分配是不同的, 这两种启动模

式的存储分配如图3.3 所示:

图3.3 存储空间分配图

a)图是nGCS0 片选的Nor Flash 启动模式下的存储分配图；b)图是NAND FLASH 启动模式下的存储分配图；说明：SFR Area 为特殊寄存器地址空间。

在进行器件地址说明之前，有一个点需要注意，nGCS0 片选的空间在不同的。

启动模式下，映射的器件是不一样的。

由下表可以知道：在NAND FLASH 启动模式下，内部的4K Bytes BootSRAM 被映射到nGCS0片选的空间。在Nor Flash 启动模式（非NAND FLASH 启动模式）下，与nGCS0 相连的外部存储器Nor Flash 就被映射到

地址范围说明片选信号

0x4800_0000~0x6000_0000

SFR（特殊寄存器）地址空间

0x4000_0000~0x4000_0FFF

NAND FLASH 启动模式下，

该空间没有被使用

非NAND FLASH 启动模式

下，该空间为BootSRam

3.1.3 ST2410接口资源

表3.2 跳线分配表

USB_DEVICE(J15)USB DEVICE 接口

J2音频输出接口

J27CCFL 背光电源输出接口

J6板子的电源接口

JP2一些扩展口

JP1(LCD INTERFACE)LCD 和触摸屏接口

3.1.4 ST2410 的串口通讯

由于在本系统中ARM 与PC 机和M22 模块都是通过串口进行通讯。在此，我详细介绍一下S3C2410 的串口资源。

串行通信是微计算机之间一种常见的近距离通信手段，因使用方便，编程简单而广泛使用，几乎所有的微控制器，PC 都提供串行通信接口。

（1）串行通讯传输格式

图3.4 串口的帧数据传输格式

开始前，线路处于空闲状态，送出连续“1”。传送开始时首先发一个“0”作为起始位，然后出现在通信线上的是字符的二进制编码数据。

每个字符的数据位长可以约定为5 位、6 位、7 位或8 位，一般采用ASCII 编码。后面是奇偶校验位，根据约定，用奇偶校验位将所传字符中为“1”的位数凑成奇数个或偶数个。也可以约定不要奇偶校验，这样就取消奇

偶校验位。

最后是表示停止位的“1”信号，这个停止位可以约定持续1 位、1.5 位

或2位的时间宽度。

至此一个字符传送完毕，线路又进入空闲，持续为“1”。经过一段随

机的时间后，下一个字符开始传送才又发出起始位。

每一个数据位的宽度等于传送波特率的倒数。微机异步串行通信中，常

用的波特率为110，150，300，600，1200，2400，4800，9600 等。

（2）电气特性

RS-232 标准采用的接口是9 芯或25 芯的D 型插头，常用的一般是9 针

引脚名称全称说明

FG Frame Ground连到及其的接地线

TXD Transmitted Data数据输出线

RXD Received Data数据输入线

RTS Request to Send要求发送数据

CTS Clear to Send

回应对方发送的RTS的发送许可，告诉对方可以发送

DSR Data Set Ready告知本机在待命状态

DTR

Data Terminal

Ready告知数据终端处于待命状态

CD Carrier Detect载波检出，用以确认是否收到Modem的载波

SG Signal Ground信号线的接地线（严格的说是信号线的零标准线）

表3.5 DB9引脚说明

图3.5 DB9 引脚实物图

要完成基本的通信功能，实际上只需要RXD，TXD，GND 即可，但是由

于BenQ的M22通讯模块需要握手信号（RTS和CTS），所以在本系统中至少要

接5根线。同时又由于RS-232-C 标准所定义的高，低电平信号与S3C210X 系统

的LVTTL 电路定义的高，低电平信号完全不同，LVTTL的标准逻辑“1”对应

2V~3.3V 电平，标准逻辑“0”对应0V~0.4V 电平，而RS-232-C 标准采用负逻

辑方式，标准逻辑“1”对应-5V~-15V 电平，标准逻辑“0”对应+5V~+15V。

显然，两者间要进行通信，必须经过电平的转换，转换芯片采用的MAX232。电

路原理图见图3.6：

图3.6 串口连接电路图

其中J8 串口负责与BenQ M22 通讯，J7 串口负责与PC 机通讯。（3）S3C2410的UART操作

S3C2410的UART（通用异步串行口）单元提供三个独立的异步串行I/O 端口，每个都可以在中断和DMA 两种模式下进行。它们支持最高波特率115.2Kbps。每个UART 通道包含2个16 位FIFO 分别提供给接收和发送。

S3C2410X 的UART可以进行以下参数的设置：可编程的波特率，红外收/发模式，1 或2个停止位，5 位，6 位，7 位或8 位数据宽度和奇偶位校验。

1）发送数据

数据发送帧的格式是可编程的，它包含一个开始位，5 到8 个数据位，一个可选的奇偶位和一个或两个停止位，这些可以通过线性控制器UCONn)来设置。发送器也能够产生发送中止条件。中止条件迫使串口输出保持在逻辑0 状态，这种状态保持一个传输帧的时间长度。通常在一帧传输数据完整地传输完之后，在通过这个全0 状态将中止信号发送给对方。中止信号发送之后，传送数据连续放到FIFO 中（在不使用FIFO 模式下，将被放到输出保持寄存器）。

2）接收数据

与数据发送一样，数据接收的帧也是可以编程的，它包含一个开始位，5到8个数据，一个可选的奇偶位和一位或两位停止位，它们都是通过线性控制器（ULCONn）来设置的。接收器能够检测溢出错误，奇偶校验错误，帧错误和中止状况，每种情况下都将会将一个错误标志置位。

3）波特率的设置

每个UART 的波特率发生器为传输提供了串行移位时钟。波特率产生器的时钟源可以C、

从S3C2410X 的内部系统时钟或UCLK 中来选择。波特率由时钟源（PCLK 或UCLK）16 分频和

UART 波特率除数寄存器（UBRDIVn）指定的16 位除数决定。UBRDIVn 的值可以按照下式确定：UBRDIVn = (int)（PCLK/（bps*16））-1

例如，如果波特率为115200bps 且PCLK 或UCLK 为40MHz, 则UBRDIVn 为：

UBRDIVn =（int）(40000000)(115200*16))-1

= (int)(21.7)-1

= 21-1 = 20

3.2 M22通讯电路板的设计

BenQ M22 通讯电路板主要是由M22 无线模块的外围接口电路组成(参见附录1)。该电路板主要包括以下几个部分：

（1）电源与整流部分

（2）串口通讯接口

（3）SIM 卡电路

（4）差分语音电路

（5）LED 信号灯显示电路

（6）蜂鸣器接口

（7）按键输入

（8）天线接口

NC1无连接

表3.6 BenQ M22 管脚分配表

3.2.1 BenQ电源部分设计

我们知道无线模块的耗电具有不稳定的特点。在待机状态，在和基站的握手状态，在通话状态，在拨号状态，在信号强弱不同的地方这些因素都会直接的影响无线模块的耗电流，所以无线模块的电源设计非常重要。

因此我的电源设计方案采用LM7805和LM2576的联合设计。

直流电源（＋12V）输入LM7805，然后输出DC5V，与此同时通过LM2576产生DC4V电压供给M22。由于LM2576具有可靠的工作性能、较高的工作效率和较强的输出电流驱动能力，从而为M22的稳定、可靠工作提供了强有力的保证。

图3.9 M22 电路板电源部分电路原理图

3.2.2 BenQ M22 与SIM 卡的接口

由于BenQ M22 必须通过中国电信的GSM/GPRS 网络才能够工作，所以必须要用到SIM 电话卡。安装时只要以右上角的缺口为准即可。

图3.10 SIM 卡接口电路原理图

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精选 3.2.3 BenQ M22 在语音通讯设计方面的问题

在语音通讯方面，M22 提供了两个语音通道: 一个我们叫做差分通道,也就是说无论是MICPHONE 信号的输入,还是SPEAKER 信号的输出都是采用差分的形式。也就是我们平时所说的“双端输入双端输出”。在管脚的定义上MICIP ，MICIN 就分别是MICPHONE 的正输入端和负输入端。EARP ，EARN 就分别是SPEAKER 的正输出端和负输出端。另一路语音通道是单端方式。具体管脚定义为AUXI 和AUXOP 。 其中AUXI 为MICPHONE 的正输入端，MICPHONE 的负输入端应该对地。AUXOP 为SPERKER 的正输出端，SPERKER 的另一端应该对地。当然从外部线路的转换来说在这一路语音通道的使用中，MICPHONE 也可以接成差分的形式，但是需要一个转换电路。SPERKER 也可以接成差分输入的形式，也需要一个差分转单端的线路。

以上说了关于单端语音通道的一些问题。下面我们叙述一下差分语音通道的一些问题。

图3.11是差分端的MICPHONE 输入参考图

图 3.11 差分方式的 MICPHONE 电路原理图 图3.12是SPEAKER 的线路图

图 3.12 差分方式的 SPEAKER 电路原理图

需要说明的是，由于单端输入单端输出的语音通道特别容易受到辐射干扰，从而对语音的质量产生了很大的影响，所以在本系统中只采用了差分语音通道。