2.3.2 可穿戴計算機終端設(shè)備和藍牙技術(shù)集成的實現(xiàn)
藍牙協(xié)議支持點對點和點對多點的鏈接。每個藍牙的微微網(wǎng)(piconet)中有Master和Slave兩種權(quán)限,除了Slave和Master以外,各個Slave節(jié)點之間也可以通信。在這里只以單個的piconet為主干構(gòu)建WearComp無線網(wǎng)絡(luò)。Master節(jié)點為WearComp網(wǎng)絡(luò)主控節(jié)點,實現(xiàn)信息的匯集處理功能;Slave節(jié)點為無線設(shè)備�？紤]到各個無線設(shè)備之間是互相獨立的,信息融合只在Master節(jié)點完成,所以僅實現(xiàn)Master點對多Slave點的通信,形成一個星型的拓撲結(jié)構(gòu)。每個piconet有3位地址碼,即piconet的容量最多為8個節(jié)點,各個Slave節(jié)點負責(zé)對原始數(shù)據(jù)的預(yù)處理(包括濾波、補償、數(shù)字化等)和處理后數(shù)據(jù)的發(fā)送,上層是基于普通PC機或其他類型上位機(如嵌入式計算機)的Master節(jié)點,所有無線設(shè)備的信息在這里進行更高一級處理。
在通用異步收發(fā)(UART)模式下,藍牙模塊依照標準接口使用,主控接口HCI已定義好,可以在RS232接口上實現(xiàn)。終端設(shè)備模塊攜帶與藍牙模塊兼容的接口,如RS232。通過這個標準接口,終端設(shè)備接口模塊可以與藍牙模塊連接在一起,實現(xiàn)對藍牙模塊的控制。這樣不同廠家生產(chǎn)的藍牙模塊就可以與同一種終端設(shè)備銜接。
軟件部分:整個系統(tǒng)的應(yīng)用軟件可分為三部分:
(1)運行在上位機上的應(yīng)用程序,包括面向用戶的圖形用戶界面、面向終端設(shè)備接口模塊層的操作(主要是對終端設(shè)備的控制和通信),以及同藍牙模塊上的HCI固件(firmware)的通信程序。這部分可用面向?qū)ο蟮木幊陶Z言實現(xiàn),把每個終端設(shè)備節(jié)點作為一個節(jié)點類的實例對象,應(yīng)用程序通過與實例對應(yīng)的句柄訪問控制各個終端設(shè)備節(jié)點。
(2)嵌入到終端設(shè)備模塊的MCU上的程序。針對不同的MCU用匯編或是C語言寫成。主要完成原始信息的采集、處理、讀取、與HCI固件的通信、利用終端設(shè)備接口模塊層與上位機通信。
(3)藍牙模塊上的HCI固件固化在藍牙基帶模塊的Flash存儲器里。通過它實現(xiàn)終端設(shè)備模塊、上位機中軟件與藍牙硬件的通信。
硬件部分:藍牙模塊采用愛立信公司的ROK 101 007,由無線電、基帶和閃存構(gòu)成,內(nèi)置支持HCI的固件,外圍有適于高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)腢ART接口和USB接口,也有適于語音傳輸?shù)腜CM接口。功耗小,具有內(nèi)置屏蔽功能。主機CPU采用嵌入式Pentium,功耗僅為1.5W,不需要風(fēng)扇即可正常使用。
3 USB接口技術(shù)應(yīng)用于可穿戴計算機
體積小、功能強、外圍設(shè)備多、集成度高是可穿戴計算機的主要特點之一。由于可穿戴計算機對多媒體的要求很高,要實現(xiàn)的功能很多,以至于其外設(shè)種類很多,所以要求其接口種類也比較多,如串口、MCP接口、USB接口及PCMCIA接口等。若將眾多接口都集成在一起,不但設(shè)計復(fù)雜,而且集成后的體積仍然較大,且其擴充性也較低。USB接口則將這些不同的接口統(tǒng)一起來,使用一個4針插頭作為標準插頭。在可穿戴計算機的設(shè)計中采用USB接口作為主要的外設(shè)接口,可彌補上述不足。
具體實現(xiàn):
(1)硬件部分:在主機端采用PHILIPS公司生產(chǎn)的PDIUSBD12獨立USB控制器。PDIUSBD12的突出特點是特別適用于便攜式USB設(shè)備、產(chǎn)品的改型設(shè)計,以及需要高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
(2)軟件部分:USB設(shè)備的軟件設(shè)計主要包括兩部分:一是USB設(shè)備端的單片機軟件,主要完成USB協(xié)議處理和數(shù)據(jù)交換(多數(shù)情況下是一個中斷子程序)以及其它應(yīng)用功能程序(例如A/D轉(zhuǎn)換、MP3解碼等);二是PC端的程序由USB通信程序和用戶服務(wù)程序兩部分組成,用戶服務(wù)程序通過USB通信程序與系統(tǒng)USBDI(USB Device Interface)通信,由系統(tǒng)完成USB協(xié)議的處理與數(shù)據(jù)傳輸。PC端程序的開發(fā)難度非常大,程序員不僅要熟悉USB協(xié)議,還要熟悉WINDOWS體系結(jié)構(gòu)并能熟練運用DDK工具。
USB總線驅(qū)動設(shè)計主要包括五部分,分別是向上對USB設(shè)備驅(qū)動和應(yīng)用提供的函數(shù)接口USBDAPI、向下對主機控制器驅(qū)動提供的函數(shù)接口HCDAPI、USB系統(tǒng)資源、集線器驅(qū)動、系統(tǒng)配置及總線枚舉器(如圖3所示)。定義好這些接口之后,后三部分可并行設(shè)計和開發(fā)。
目前嵌入式系統(tǒng)中軟硬件產(chǎn)品種類很多。由于本文設(shè)計的USB總線驅(qū)動與USB設(shè)備和USB主機之間通過定義的標準軟件接口,對USB設(shè)備和USB主機的操作分別通過各自的驅(qū)動完成,從而避免了與硬件直接打交道,所以這部分設(shè)計與硬件和操作系統(tǒng)的相關(guān)性不大,適于各種不同的系統(tǒng)。
4 GPRS技術(shù)在可穿戴計算機中的應(yīng)用
4.1GPRS技術(shù)概述
通用分組無線業(yè)務(wù)(GPRS)是在現(xiàn)有的全球移動通信系統(tǒng)(GSM)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上疊加了一個新的網(wǎng)絡(luò),它充分利用了現(xiàn)有移動通信網(wǎng)的設(shè)備,在GSM網(wǎng)絡(luò)上增加一些硬件設(shè)備并進行軟件升級,形成一個新的網(wǎng)絡(luò)邏輯實體。它突破了GSM網(wǎng)只能提供電路交換的思維定式,以分組交換技術(shù)為基礎(chǔ),采用IP數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,能夠提供比現(xiàn)有GSM網(wǎng)9.6kbps更高的數(shù)據(jù)速率,其數(shù)據(jù)速率可達170kbps;它可以給GSM用戶提供移動環(huán)境下的高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù),包括收發(fā)電子郵件、因特網(wǎng)瀏覽等IP業(yè)務(wù)功能[5]。
由于GPRS是分組交換技術(shù),應(yīng)用了統(tǒng)計復(fù)用技術(shù),因此GPRS開通的數(shù)據(jù)通信是按用戶數(shù)據(jù)的傳輸信息量計費,而不是按傳統(tǒng)的按時計費方式,所以對用戶而言還可以節(jié)省費用。另外,由于GPRS支持X.25協(xié)議和IP協(xié)議,因此,對于GSM網(wǎng)現(xiàn)有電路交換數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)(CSD)和短信息業(yè)務(wù)(SMS),GPRS是補充而不是替代。
GPRS開啟了大眾移動數(shù)據(jù)應(yīng)用的大門。采用GPRS技術(shù),用戶可以得到以下好處:只對傳輸數(shù)據(jù)收費(實際用量)而對連接間隙不收費;保持永久連接;通過IP的直接ISP接入更廉價;新的應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)真正的插入及操作方案;用戶可以即時接入多種服務(wù),如:在上網(wǎng)的同時可以進行語音呼叫;手機的IP功能(互聯(lián)網(wǎng)、遙測、電子商務(wù)等)。
基于可穿戴計算機的可移動性和靈活性,能夠與外界進行良好的無線通信成為其必備的功能。因此,筆者為WearComp配備了一個基于GPRS技術(shù)的無線網(wǎng)卡。
4.2 USB接口的GPRS Modem的設(shè)計
4.2.1 硬件設(shè)計
本Modem設(shè)計中用到的主要元件包括51系列單片機W77E58、獨立的USB接口芯片PDIUSBD12及愛立信公司生產(chǎn)的GPRS模塊GM47(如圖4所示)。
W77E58是由Winbond公司生產(chǎn)的與51系列兼容的單片機。它支持40MHz晶振頻率且縮短了指令周期,具有與51系列兼容的指令集和與80C52兼容的引腳排列,以及32KB的Flash EPROM和1KB的片上SRAM;另外,它所提供的CMOS電平也與GM47模塊所提供的CMOS電平完全兼容,無需再進行電平轉(zhuǎn)換。以上這些特性都說明將單片機W77E58用于本Modem的設(shè)計是非常合適的[6]。
由PDIUSBD12和W77E58構(gòu)成的USB接口電路:PDIUSBD12的8位并行數(shù)據(jù)接入W77E58的P0口,P2.6作為PDIUSBD12的命令或數(shù)據(jù)的選擇線。PDIUSBD12與W77E58的數(shù)據(jù)交換采用中斷方式(外部中斷0)。USB設(shè)備通過四線電纜接入主機或USBHub,這四線分別是:Vbus(總線電源)、GND(地線)、D+和D-(數(shù)據(jù)線)。主機通過D+和D-上的電壓變化檢測設(shè)備的狀態(tài)[7]。
由GM47模塊和W77E58構(gòu)成的GPRS接口電路:作為一種應(yīng)用終端模塊,GM47通過自帶的UART端口與控制它的MCU或PC機聯(lián)系。在UART端口引腳中,RD(串行數(shù)據(jù)輸出)和TD(串行數(shù)據(jù)輸入)作為數(shù)據(jù)口分別與W77E58的RXD和TXD連接,而CTS(發(fā)送清零)、TS(發(fā)送請求)、DTR(數(shù)據(jù)終端準備好)、DCD(數(shù)據(jù)有效檢測)作為控制口分別與W77E58的P1.0～P1.3連接。這樣就完成了GM47與W77E58的通信控制連接。為了實現(xiàn)GPRS的功能,GM47模塊還需要完成SIM卡、天線、電源等部分的連接。
4.2.2 軟件設(shè)計
USB部分:W77E58對PDIUSBD12的控制軟件主要完成USB協(xié)議處理與數(shù)據(jù)交換以及其它應(yīng)用功能程序。在本設(shè)計中,要求利用W77E58相對高的處理速度完成可穿戴計算機主機發(fā)來的較大數(shù)據(jù)量的處理(如經(jīng)壓縮過的視頻、音頻信號等)。
GPRS部分:GM47 GPRS模塊的軟件部分對外提供了一個控制系統(tǒng)操作的AT指令集,通過接收來自UART的AT指令,解釋并執(zhí)行相應(yīng)的操作,從而實現(xiàn)無線Modem的對應(yīng)功能。所有的Modem命令都是從一個特定的指令前綴(AT)開始,到一個命令結(jié)束標志結(jié)束。以下介紹幾個常用的AT指令[8]:
ATD //撥號指令:在后面接電話號碼,并可通過MESM、LD等控制字選擇號碼的來源是機器、SIM卡或是最近所撥號;
ATH //掛起:提示終止通話;
ATO //返回至在線數(shù)據(jù)模式:在通話過程中從在線控制模式轉(zhuǎn)換到在線數(shù)據(jù)模式;
AT+CGATT //是移動終端進入或離開GPRS服務(wù)(后接′′1′′為進入,′′0′′為離開);
AT+CGDATA //進入數(shù)據(jù)狀態(tài):利用PPP等協(xié)議完成將移動終端連接到網(wǎng)絡(luò)上的操作;
AT+CGEREP //GPRS事件報告;
AT+CDREG //GPRS網(wǎng)絡(luò)登記狀態(tài)。
GM47模塊還提供了很多其他指令,這些指令為實現(xiàn)該模塊強大的功能奠定了基礎(chǔ),也為眾多應(yīng)用開發(fā)人員提供了優(yōu)良的開發(fā)平臺。
參考文獻
1 陳東義.可穿戴計算機及其應(yīng)用.計算機世界,2002-1-23
2 趙蘊龍.USB技術(shù)在可穿戴計算機中的應(yīng)用,計算機工程與設(shè)計,2001;(6)
3 Bluetooth Special Interest Group. Personal Area Networking Profile [Z]. June 26, 2001
4 Bluetooth Special Interest Group.Bluetooth Network Encapsu-lation Protocol (BNEP) Specification [Z]. June 12, 2001
5 祝 侃.通用分組無線業(yè)務(wù)(GPRS)[J]. 數(shù)據(jù)通信, 2000;(30):48～51
6 Winbond Electronics corp. W77E58 8-BIT MICROCONTR-OLLER. July 13 2001.
7 周立功.PDIUSBD12 USB固件編程與驅(qū)動開發(fā).北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2003
8 Sony Ericsson Mobile Communications International. GM47Integrators Manual Draft PA1. 2001
