基于LINUX下智能手机的设计毕业设计.docx
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基于LINUX下智能手机的设计毕业设计
基于LINUX下智能手机的设计
摘要
Linux操作系统的手机最根本的特点是具有一个开放性的操作系统，并且能够进行功能扩展和可以安装第三方应用软件。
随着支持数据传输的2.5G/3G移动通信网络的不断发展，支持数据、语音和图像服务的智能手机将很快成为引发中国手机市场消费高潮的主力产品，市场潜力巨大，因此智能手机的开发是未来手机技术发展的趋势。
本文首先对Linux手机的发展现状和研究背景进行了分析，其次，介绍了智能手机的硬件平台、操作系统和软件设计。
通过对硬件的配置和软件的设计实现手机信号强度检测、运营商检测、发短信、接短信、打电话、建立通讯录和删除通讯录接电话的功能。
最后，建立硬件环境和交叉编译环境，在Linux环境下，编译代码生成可执行文件，由交叉编译器在基于GPRS模组的ARM9开发板上运行可执行程序，通过触摸板上面的虚拟按键进行功能的检测，根据检测的结果优化程序，使系统更加完美和流畅。
关键字智能手机LinuxGPRS模组ARM9开发板
DESIGNOFSMARTPHONEBASEDONLINUX
ABSTRACT
ThemostfundamentalfeatureofSmartphoneisitsopenoperatingsystemexpandablefunctionsandsupportingthethird—partyapplicationsoftware.As2.5G/3Gmobilecommunicationnetworkcomeintooperation,smartphonewhichsupportdataandvoiceservicewillbecomeamainstreamproductinchinacellphonemarketsoon.Inthenextfewyears,smartphonemarketwilldevelopfastenough.Thismarkethasgreatpotential.Smartphoneisthetrendofcellphonedevelopmentinthefuture.
Firstly,thisarticleanalysesthesituationofdevelopmentofSmartphone,second,introducedhardplatform.Throughtodesignofsoftwareandhardware,thesystemcancompletethefunctionthatdetectingsignalstrength,detectionofnetworkoperators,transceiverinSMS,receivingacall,createcontacts,deletecontacts.Lastly,setupthehardwareenvironmentandthecross-developmentenvironment,compilethecodetogeneratetheexecutablefile,bycrosscompilerbasedonGPRSmoduleoftheARM9developmentboardtoruntheexecutableprogram,throughthetouchpanelontopofthevirtualkeyfunctionaltesting,accordingtotestresultsmakethesystemmoreperfectandfluency.
KEYWORDSSmartphoneLinuxGPRSmoduleARM9platform
1绪论
1.1引言
随着手机的发展，功能会越来越多。
除了具有手机基本的通话、收发信息等功能，还能上网、拍照、看电影、欣赏MP3音乐等。
这就需要手机不仅具有高性能的嵌入式处理器，更侧重于系统软件平台的稳定性、可移植性、可扩展性。
本手机在硬件设计上采用三星公司的基于ARM920T内核的S3C2440高性能嵌入式处理器、凌阳公司的SIM300通讯模块、flash、LCD、触摸屏等实现一个完整的手机硬件开发平台。
S3C2440最高主频520MHz，具有快速的处理能力，ARM920T核采用ARM9架构，具有高性能、低功耗等特点。
S3C2440处理器广泛应用于PDA、智能手机、MP3等产品中。
通讯模块SIM300，包含了基带芯片、RF射频芯片组、ComboFlash芯片以及GSM/GPRS终端所需的全部软件功能，支持标准AT命令控制，具有语音功能、SMS信息、数据功能、GSM增值服务等功能。
本智能手机系统软件就在此硬件开发平台上实现[1]。
1.2研究背景
近年来，Linux以自由、免费、开放源代码为武器，经过来自互联网、遍布全球的程序员的努力，加上IBM、SUN等计算机巨头的支持，Linux在操作系统市场异军突起，服务器版的Linux、桌面版的Linux、嵌入式Linux已经广泛地投入应用，基于Linux的应用和应用开发渗透到各个领域，一部分手机厂商接机推出了Linux手机。
目前很多手机开发商本身并不希望在操作系统方案上受制于人并增加产品开发成本，而源代码开放的Linux是最好的切入点。
由于很多公司在Linux桌面应用开发的经验而促成其转向[2]。
智能手机终端产品的开发中，国内基于Linux的嵌入式操作系统应用开发商远多于桌面应用开发商，Linux具有最大的自由开发群。
此外，由于其开放性使工程师可以对系统有更深入的了解，并能针对特定硬件方案和产品需求进行优化，通过了解源代码开发很多应用。
采用Linux操作系统的理由是降低智能手机的生产成本。
Linux开发起来最大的特点是从根本上开放源代码，与其他系统相比，采用开放源代码的Linux手机操作系统能够大大降低成本。
而且开放源代码还有一个好处是允许手机制造商根据实际情况，有针对性地开发适合自己手机的Linux操作系统，这样既能让自己的产品有特色，又能避免受制于人，还能够满足用户多方面的应用。
到现在，手机的应用就由通话和简单的邮件传输，发展到Web浏览和拍照摄影，照片编辑，动画播放等多个方面，这样一来，手机软件的开发规模是3年前5倍以上。
基于这个原因，开发LinuxOS，开发者教育等各方面的成本就削减了不少，从而上市的产品便会更具竞争力[3]。
Linux操作系统在使用中的优点是十分明显的。
首先，对于消费来说，采用的应用于智能手机上的Linux操作系统和我们常说的应用于电脑上的Linux操作系统是一个系统，而且都是全免费操作系统。
在操作系统上的免费，就等于节省了产品的生产成本，附加到消费者身上的也就少了，给大家带来了实惠。
Linux操作系统系统资源占用率较低，而且性能比较稳定，这都是大家公认的。
使用起来能带来急速体验，在同硬件配置上，能获得其他智能手机操作系统得不到的快乐。
如果以Linux平台的系统资源占用程度同体积庞大的WindowsMobile相比，其结果可想而知。
Java在手机上应用越来越广的时候，Linux操作系统与Java的相互融合，是任何一个操作系统所不能比拟的，Linux加Java的应用方式，能够给用户极大的拓展空间。
相对来说，Linux操作系统缺点也不少。
由于Linux操作系统介入智能手机领域较晚，采用此操作系统的手机比较少，所以专为这些少量用户所制作的第三方软件还非常少，影响了Linux操作系统在智能手机领域内的势力扩张。
在Linux的平台上进行开发，对厂商的要求比较高，业界需要更强大的软件。
设计能力，安全性、实时性能、电源管理都是Linux智能手机操作的天然缺陷。
支持Linux操作系统的机型：
摩托罗拉A768I、摩托罗拉A780、飞利浦968、海尔N60、中兴E3。
由于智能手机结合了强大的硬件运行能力以及开放的软件操作系统，因此无论是娱乐还是商务应用，智能手机的功能都能够在强大的第三方软件的支持下获得无限的扩展。
因此，在未来的手机市场上，智能手机将引领整个手机发展的潮流，而不是局限于现在的高端手机。
1.3本课题研究的主要内容
通过对本系统的分析研究，明确了本次设计的主要任务有以下几点：
（1）根据设计任务书的要求，完成手机控制系统的构建。
（2）对手机的工作过程进行设计分析，对手机系统代码的编写，实现手机信号检测、运营商的检测、接打电话、收发短信的功能。
（3）对手机硬件平台的设计和构建，并对其进行深入的探讨。
（4）把程序在硬件平台上面运行，测试手机性能，完善手机功能。
（5）完成设计说明书。
1.4设计研究的预期效果
通过对本课程程序的设计和分析，完成此设计的最终效果如下：
（1）采用GPRS模块SIM900，实现显示网络运营商、短信的收发、电话的接打、存储短信、信号强度的功能。
（2）触摸屏输入功能，可输入数字，字母，汉子等信息。
（3）短信息支持中英文接收和发送。
（4）具有菜单控制功能，使用触摸屏控制菜单的选择。
实现多级菜单控制，摸屏单机菜单图标直接完成各种要求的功能。
（5）支持中国移动和中国联通两个运营商。
2手机系统的整体设计
2.1硬件平台
本文设计的基于ARM9平台的智能手机系统架构为基带处理器（S3C2440）+应用处理器（SIM900）的双处理器架构。
基带处理器实现目前手机所做的呼叫/接听、数据传输等基本的通信功能，应用处理器专用于处理高负荷的多媒体应用。
采用这种架构的原因是因为应用处理器构成一个子系统，与基带处理器通信子系统隔离开来。
模块化的架构可以利用现有手机上的成熟方案，对现有手机上的大部分代码和电路只需稍加修改就可重复使用，工程师可以集中精力开发新的多媒体应用功能，从而缩短整个开发时间，降低开发成本。
图2-1ARM9试验仪结构
2.1.1S3C2440介绍
S3C2440A是韩国三星公司推出的16/32位RISC微控制器，其CPU采用的是ARM920T内核。
S3C2440的特点：
（1）具有PLL时钟发生器，主频最高可达533M。
（2）内核1.2V供电最高400M,1.3V供电最高533M。
（3）存储器支持1.8V、2.5V、3.0V、3.3V。
（4）I/O均支持3.3V供电。
（5）s3c2440为单机器周期执行指令集。
（6）具有电源管理功能，可以使系统以普通方式、慢速方式、空闲方式和掉电方式工作，降低产品功耗。
内核结构：
采用ARM920T内核，具有16KB指令Cache、16KB数据Cache和存储器管理单元MMU，指令高速存储缓冲器（I-Cache），数据高速存储缓冲器（D-cache）提高指令执行效率及数据存储效率，减少主存带宽和响应性带来的影响，加强的ARM体系结构MMU，用于支持winCE、Linux等操作系统，内部高级微控制总线（AMBA）体系结构。
存储器控制器特性：
S3C2440采用总线结构管理片上外设及内存。
S3C2440的存储器管理器提供访问外部存储器的所有控制信号。
27位地址信号、32位数据信号、8个片选信号、以及读/写控制信号等。
总共有8个存储器bank（bank0—bank7），其中bank0---bank5为固定128MB，
bank6和bank7的容量可编程改变，可以是2、4、8、16、32、64、128MB，最大共1GB。
bank0可以作为引导ROM，其数据线宽只能是16位和32位，其它存储器的数据线宽可以是8位、16位和32位。
8个存储器bank：
bank0--bank5：
SRAM、ROM（NORFLASH）。
Bank6—bank7：
SRAM、ROMSDRAM（NORFLASH）。
s3c2440支持两种启动方式：
NORFLASH启动，即代码直接写入NORFLASH，运行时直接在NORFLASH上运行。
NANDFLASH启动方式，即代码烧到NANDFLASH中，借助片内4K的SRAM，将代码由NANDFLASH烤到SDRAM中，在SDRAM中运行。
2.1.2GPRS模组介绍
在这个智能手机系统中的基带处理芯片SIM900是双频GSM模块，利用无线移动网络实现语音传输和点对点数据传输。
同时，模组内具备TCP/IP协议栈，可以直接利用它实现无线上网，具有话音、GSM电路数据，传真、GPRS分组数据、短消息等功能。
该无线收发模块将作为一个通信子系统，与应用系统相互独立存在。
SIM900与S3C2440的通信通过UART接口，可以由AT命令来实现。
音频芯片主要实现MP3播放，录音等音频功能，摄像头模块实现数码拍照、摄像的功能，SD/MMC卡接口可以实现手机存储扩展功能，USB接口可以实现手机与计算机的数据传输[5]。
以上这些模块都由S3C2440芯片来控制，它们共同构成了智能手机的应用模块，如图2-4所示。
GPRS模组使用标准串口与主控制器进行通讯。
模组带有一个10针的接口，该接口可以直接和MCU相连接。
或者用户可以通过模组上的RS232接口和PC机直接相连接使用。
GPRS模组可以用到以下场合：
（1）手持通讯设备。
（2）远程数据采集系统。
（3）无线网络终端。
GPRS模组需通过J4的电源开关信号（PWRKEY）输入引脚向GPRS模组输入如图2-2所示的上电时序GPRS才能被启动，启动后GPRS的信号指示灯会闪烁。
也可以手动按下GPRS模组上的ON/OFF按键，大约2秒之后松开，GPRS模组亦可以被启动。
图2-2GPRS模组启动时序图
GPRS模组启动之后，即可通过UART接口发送AT指令来控制语音或数据收发。
连接GPRS模组到实验箱的J8（GPRS）接口上，注意一定要按顺序（实验箱的12V接模组的VCC，IOB0接PWRKEY，GND接GND）插接，且不可插反或错位；断开JP7、JP8的所有跳线；断开手柄接口与手柄的连接；如图2-3配置GPRS；如连接耳麦和天线。
图2-3GPRS模组跳线配置
图2-4手机硬件系统框图
2.2Linux操作系统
Linux操作系统作为一种多任务、稳定可靠、内核可裁减的系统、是开发嵌入式软硬件产片的优秀软件平台。
嵌入式Linux是一种开放源码、软实时、多任务的嵌入式操作系统。
通常它是在标准Linux的基础上针对嵌入式系统进行剪裁和优化后形成的。
剪裁和优化后的Linux体积更小，性能更加稳定，而且源代码本身是免费的。
这将大大减少开发商的成本，更具市场竞争力。
同时，由于遍布全球的众多Linux爱好者又能给予Linux开发者强大的技术支持，所以众多商家纷纷转向嵌入式Linux的开发。
Linux作为一个嵌入式操作系统具有许多的优点：
（1）可运行于多种硬件平台
Linux符合IEEEPOSIX.1标准，使应用程序具有较好的可移植性。
内核的90%以上的代码是用可移植性好的c语言完成的，少部分的底层相关的代码由汇编语言完成，并根据处理器类型分门别类的放在系统内核源码的Linux/arch/目录中。
目前Linux内核支持Interx86，Motorola/IBMPowerPC，S390等处理器体系结构。
并且支持嵌入式领域中广泛使用的ARM和MotorolaMC68000系列。
随着Linux越来越广泛地应用于嵌入式领域，它所支持的嵌入式微处理器必定会进一步增加。
（2）可裁减，性能优异，应用软件丰富
Linux的动态模块加载使Linux的剪裁极为方便，高度模块化的部件使添加非常容易。
一般来说，经过适当剪裁后的Linux内核的启动部分的目标代码不到500KB。
用户完全可以把Linux内核和root文件系统放在一张软盘上。
也可以利用Linux实现从网络启动，实现网络无盘图形工作站。
Linux是一个全面的多任务和真正的32位操作系统。
系统运行稳定，功能强大，支持多种硬件平台，应用工具多。
随着Linux的不断发展，基于Linux平台上的应用软件也不断得到扩充。
（3）使用成本低
Linux是免费软件，只要遵守GPL（GNUGeneralPubicLicense）的规定，就可以免费获得，并进行开发和商业发行。
Linux下有许多同样遵循GPL规定的一系列的软件工具开发包，它们均为自由发布及使用的代码，从功能上看并于亚于商用开发包，可以极大地降低开发成本。
这一优势是其他嵌入式操作系统无法比拟的。
（4）强大的网络功能
Linux操作系统最突出的是网络部分，基本上所有的网络协议和网络接口都可以在Linux上找到。
Linux比标准的Unix能更加高效的处理网络协议，系统地网络吞吐性能也非常好，这也是Linux在网络服务器市场上占据越来越大市场份额的一个原因。
Linux内核对网络协议的设计是从简洁高效的角度出发的。
它有一整套的网络协议模块。
Linux不仅可以支持一般用户需求的文件传输协议FTP，TELNET和RLOGIN协议，还能提供对网络上其他及机器内文件的访问。
Linux的网络功能十分强大，更重要的是，Linux的网络功能和协议是以内核可选的模块方式提供的，它允许用户自由地裁减和优化。
（5）GUI开发支持
Linux本身有性能优秀的XWindows系统，在XWindows系统的支持下，能方便的进行图形用户界面的开发。
（6）丰富的开发技术资源
Linux有一个庞大的支持者群体，其中许多人都编写驱动程序和其他的更新程序，并且免费通过Internet进行共向。
这意味着对新硬件的Linux驱动程序甚至比用其它Unix系统还来得及时[6]。
2.3通信方式
手机硬件平台的S3C2440属于片上系统，处理器上具备串口、显示等外围接口电路，在本系统中使用S3C2440的UART端口，将GPRS模块的RS232的RXD、TXD与之相连接。
需要在内核中添加相应的串口驱动。
串口驱动完成基本的底层操作，为上层的通信程序提供接口函数。
通用异步收发器，简称UART，即“UniversalAsynchronousReceiverTransmitter”，它用来传输串行数据，手机发送数据时，CPU将并行数据写入UART，UART按照一定的格式在一根电线上串行发送出去，手机接收数据时，UART检测另一根电线上的信号，将串行数据收集到缓冲区中，CPU即可读取UART获得这些数据[8]。
UART之间以全双工方式传输数据，最精简的连线方法只有三根线：
TX用于发送数据，RX用于接收数据，GND用于给双方提供参考电平如图2-5所示。
TXD、RXD数据线以“位”为最小单位进行数据传输，而信息的最小单位为帧，帧由规定好的若干位组成：
开始位、数据位、奇偶校验位、停止位等如图2-6。
开始位：
先发出一个逻辑”0”的信号，表示传输字符的开始。
数据位：
紧接着起始位之后。
资料位的个数可以是4、5、6、7、8等，构成一个字符。
通常采用ASCII码。
从最低位开始传送，靠时钟定位。
奇偶校验位：
资料位加上这一位后，使得“1”的位数应为偶数（偶校验）或奇数（奇校验），以此来校验资料传送的正确性。
停止位：
它是一个字符数据的结束标志。
可以是1位、1.5位、2位的高电平。
由于数据是在传输线上定时的，并且每一个设备有其自己的时钟，很可能在通信中两台设备间出现了小小的不同步。
因此停止位不仅仅是表示传输的结束，并且提供计算机校正时钟同步的机会。
适用于停止位的位数越多，不同时钟同步的容忍程度越大，但是数据传输率同时也越慢。
空闲位：
处于逻辑“1”状态，表示当前线路上没有资料传送。
波特率：
是衡量资料传送速率的指针。
表示每秒钟传送的二进制位数。
例如资料传送速率为120字符/秒，而每一个字符为10位，则其传送的波特率为10×120=1200位/秒=1200波特。
图2-5UART数据传输方式
停止位
图2-6数据帧的格式
3手机的软件系统设计
3.1通信系统设计
GPRS模组和微处理器之间的连接时通过串口，对于微处理器而言，GPRS模组就相当于一个调制解调器，微处理器通过串口发送AT指令控制GPRS模块工作情况和得到GPRS模块相关信息。
用户可以通过AT命令进行呼叫、短信、电话本、数据业务、补充业务、传真等方面的控制。
SIM900常用的AT命令如表1所示。
表1常用AT命令
命令
命令格式
功能描述
AT
AT
测试连接是否正常。
AT+CMIC=?
AT+CMIC=,
设置MIC的通道及增益。
AT+CMGF=?
AT+CMGF=[]
设置短消息格式。
AT+CHFA=?
AT+CHFA=
切换声音通道。
AT+CLVL=?
AT+CLVL=
喇叭音量调节。
AT+CSCS=?
AT+CSCS=[]
选择TE字符集。
ATD
ATD[][][;]
拨号，建立会话、数据或传真等业务。
ATH
ATH[0]
呼叫挂起。
ATA
ATA
呼叫应答。
AT+VTS=?
AT+VTS=
发送DTMF拨号音。
AT+CMGS=?
AT+CMGS=[,]
AT+CMGS=
发送短消息。
AT+CMGR=?
AT+CMGR=[,]
读取短消息。
上位机通过UART发送AT命令到GPRS模组。
AT命令以换行符作为指令的结束标志，因此在编程发送AT命令控制GPRS模组时，发送每条命令后还需要发送‘\r\n’标志命令结束[13]。
（1）ATH呼叫挂起
用户使用ATH（或ATH0）来切断与远端用户的连接，在有多个电话的情况下，所有的电话都释放（包括正在通话挂起和等待的电话）。
（2）ATA呼叫应答
当命令收到呼叫来电信号时向用户发送RING然后等待用户应答呼叫。
应答模式下的命令和响应如表2所示。
表2应答模式
响应
RING
有来电
命令
ATA
应答此来电
响应
OK
接受呼叫
命令
ATH
挂断电话
响应
NOCARRIER
电话已切断
（3）AT+CPBR读取电话本
该命令返回用AT+CPBS命令选择的存储区一定范围内的记录。
读取电话本的命令和响应如表3所示。
表3读取电话本方式
命令
AT+CPBR=?
检测命令
响应
+CPBR:
（1-50）,20,10
OK
有50个存储位置电话号码最长20位相关信息最多10个字符
命令
AT+CPBR=12,14
读取位置12-14的记录
响应
+CPBR:
12,"112",129,"Emergency"
+CPBR:
13,"+331290909",145,
"Fred"
+CPBR:
14,"0146290808",129,
"Zazi"
OK
显示记录位置号号码号码类型相关信息
命令
AT+CPBR=10
读取记录10
响应
+CPBR:
10,"0146290921",129,"Ro
b"
OK
显
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