2021年3月专题综述329基于无操作系统数字集的手持终端设计与实现
刘冈U，魏林
(中国电子科技集团公司第七研究所，广东广州510310)
【摘要】本文介绍了一种参考TETRA数字集协议的无操作系统手持终端协议栈软件的设计与实现，并且详细阐述了手持终端主要功能，硬件架构、硬件接口、协议栈软件架构及软件接口遥
【关键词］TETRA；ATSAM3X8EA-CU；协议栈；硬件架构
【中图分类号】TP3【文献标识码】A【文章编号】1006-4222(2021)03-0329-02
0引言
TETRA协议栈特点:TETRA系统具有快速反应、调度业
务丰富、可脱网直通等特点。而基于TETRA数字集的手持
终端具有移动性强，便携性好的特点。且能随时入网进行
话音、数据通信，也能脱离进行直通通信等功能。因此手
持终端成为TETRA数字集通信系统不可缺少的一部分。采
用linux、andriod、vxwork、wince等有操作系统的手持终端的开
发，设计更方便，界面更美观。而无操作系统的单片机无内核
占用资源处理速度更快、更实时，而且系统更稳定、更安全。本
文设计了无操作系统的数字集手持终端，具有成本低、功耗
小、组网灵活的特点，并实现了入网组呼与直通呼叫功能。
1手持终端总体设计
典型嵌入式系统一般有硬件层和应用软件层组成。本手
持终端采用功能模块化结构如图1所示，由3个功能单元组
成，分别是面板单元、基带单元和射频单元(RF)，各单元通过
软排线连接。
话音输入话音输出面板
单元
基带
单元
射频
单元
1T
图1手持终端硬件结构
面板单元包括显示屏、扬声器、麦克风、按键等部分组成。
基带单元包括话音处理芯片、主处理器芯片、FPGA、DSP 等部分，如图2所示。
射频单元包括锁相环、频率合成器、ADC、中频处理、本振等部分。
2系统硬件设计
手持终端的控制核心包括CPU、存储SDRAM、FPGA、DSP 等部分。主要负责手持终端的控制、数据存储、状态显示、运算
CPU与FPGA之间的通信接口采用的是EBI总线，FPGA 与DSP之间的通信接口采用的是EMIF总线。基带单元与射频单元的通信接口采用的是串口。
2.1ATSAM3X8EA-CU处理器
ATSAM3X8EA-CU是ATMEL的一款处理器，其时钟频率达84MHz o内部FLASH存储空间为512k字节，可以用来存储设备目标文件和设备参数。ATSAM3X8EA-CU能提供嵌入式软件所需的一些常用的外部接口例如串口、SPI、I2C、EBI 总线、网口等。
本手持终端中，ATSAM3X8EA-CU主要用于面板软件及MAC层及以上协议栈软件的开发。
2.2TMS320VC5510A处理器
TMS320VC5510A是高性能、低功耗的DSP处理器。它具有更高的代码执行效率和更低的功耗，它最高指令执行速度可达800MIPS，时钟速率是160/200MHz。具有3组内部数据读总线,2组内部数据写总
线。具有32bit的外部存储器接口(EMIF)。能提供丰富的片外设，包括8个通用的I/O口、2个16位的定时器、3组多通道的缓冲串行口等。
本手持终端DSP处理器主要完成TDMA逻辑信道划分、跳频同步、话音数据处理的功能
2.3SPANTAN6处理器
SPANTAN6是Xilinx的低成本、低功耗、高容量FPGA。具
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有高速串行连续性特点。它通过把应用程序数据导入芯片内部存储器完成芯片的配置，特别适合于高容量的逻辑设计、面向用户的DSP、低成本设计。
本手持终端FPGA主要完成编码/解码、交织/解交织、调制/解调的功能。
2.4DS2483和DS2781
DS2483是I2C至1-Wire桥接器件。实现I2C主机和1-Wire从机之间的协议转换。
DS2781是用于精确的电压、电流测量，可测量可充电Li 和Li+聚合物电池、温度和电流，并估算其剩余电量。能精确的低电池电压报警，根据库伦计数、放电速率、温度和电池特性估计绝对和相对电量。具有唯一的ID和多节点的1-Wire接口。
本手持终端的通过2483作为桥接器件，从2781读取当前电池电量并在面板软件进行显示。具体实现方法为：主处理器ATSAM3X8EA-CU通过I2C接口配置2483工作模式及其1-Wire接口,24831-Wire接口配置完成后通过1-Wire接口配置2781工作模式。2781配置完成后循环地从其寄存器中读取当前电量在面板软件进行显示，当读取的电量值小于满电压值的20%时，提示“电量低”。
2.5SSD1351
SSD1351是CMOSOLED显示屏的控制器，显示屏分辨率为128x128，显示颜为262k全彩。支持的接口有SPI, 8080/6080并行总线。
本手持终端采用8080并行总线完成对显示屏工作模式的配置，及显示数据的发送。
3系统软件设计
手持终端的软件设计包括面板软件、空口协议栈软件。面板软件用于设备参数设置和状态显示。空口协议栈软件用于空口信令及数据的发送与接收。
3.1面板软件介绍
设备启动过程中，完成系统的初始化、调试串口初始化、中断优先级设置、按键初始化、显示屏初始化、电池管理芯片初始化、SPI初始化、EBI总线初始化、FPGA加载、DSP加载。初始化完成后显示屏上主窗口显示当前工作参数，按确认键后进入主菜单进行参数设置。底层的状态参数汇报到面板软件后，面板软件的状态参数更新并显示。
3.2手持终端空口协议栈软件介绍
本手持终端空中接口协议栈分为三层，包括物理层（L1）、数据链路层（L2）和网络层（L3）。
物理层（L1，第一层）负责信道编、解码、多址方式、TDMA 逻辑信道划分、频率同步、调制/解调、射频发射/接收、话音数据处理等功能。
数据链路层（L2，第二层）包括MAC层（媒体接入层）和LLC层（基本链路层）。
MAC层分为上MAC层和下MAC层。主要功能是距离检测和时序调整，逻辑信道的多路复用/去多路复用，无线信道的建立和信道分配，随机接入。
LLC层主要功能是与层三交换控制数据，负责数据的传输、重传、转发、分段，逻辑链路的管理和控制。
网络层（L3，第三层）负责网络过程，包含了RRC（无线资源管理）、MM（移动性管理）、CMCE（通信控制）三个实体。
RRC主要功能是完成与的连接管理，号码管理，系统广播或广播接收;MM主要功能是注册入网、入网维持；CMCE 实体完成呼叫控制功能。
话音数据处理与传输直接由物理层承载，不通过层二及层三协议栈。linux内核设计与实现 pdf
3.3软件协议栈内部接口
协议栈内部各层通过SAP（业务接入点），使用原语进行数据传输；在不同设备的协议栈内，对等层通过PDU（协议数据单元）进行通信。
MAC层分为上、下MAC层两层。下MAC层对下有业务接入点TP-SAP，用于与物理层进行数据交互；对上有TMV-SAP业务接入点，用于上MAC层进行数据交互。
上MAC层对上有TMA-SAP，TMB-SAP和TMC-SAP三个业务点，用于将LLC层与上MAC层的空口信令和层管理信令分离，以便在内部分界处（LLC-MAC）进行数据交互。
LLC层对上有TLA-SAP，TLC-SAP两个业务点，用于将空口信令、层管理分离，链路层通过该两个业务点与网络层交换信息。
4测试和验证
该手持终端设计完成后，对该设备进行了测试，其功能满足设计需求。经测试该手持终端功耗，开机启动时间（在15s 内），入网成功时间（最快在1s内），呼叫建立时间（最快在500ms内）时间均少于具有相同功能的有操作系统的手持终端，稳定性、可靠性均满足用户要求。
5结语
本手持终端在硬件器件选型是协议栈软件参考TETRA 协议栈，根据设计需求对协议栈做了简化。目前该手持终端只实现了入网组呼与直通呼叫功能，应用场景有限。未来可在该手持终端基础上增加其他通话功能、数据传输、短信等其他业务，从而实现TETRA系统业务的多样性。
参考文献
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（9）61.
收稿日期：2021-02-25
作者简介：刘冈（1987—），男，汉族，湖北黄冈人，本科，助理工程师，主要从事嵌入式软、硬件设计开发工作。
魏林（1987—），女，汉族，湖南益阳人，硕士研究生，工程师，主要从事嵌入式软件设计开发工作。

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