基于A(yíng)T91R40008的嵌入式GPRS傳輸終端的設計

摘 要：本文給出了一種針對工業(yè)總線(xiàn)的嵌入式系統連接Internet的無(wú)線(xiàn)上網(wǎng)方案，探討了實(shí)現該方案中要解決的主要問(wèn)題。設計并實(shí)現了基于AT91R40008微處理器和G18 GSM模塊的嵌入式GPRS傳輸終端，采用層次結構和標準接口，實(shí)現了基于實(shí)時(shí)操作系統µC/OS-Ⅱ的嵌入式TCP/IP協(xié)議棧，對軟件系統中的主要模塊進(jìn)行了分析。
關(guān)鍵詞：嵌入式系統；AT91R40008；GPRS；µC/OS-Ⅱ；嵌入式TCP/IP協(xié)議棧

1 引言
隨著(zhù)Internet的快速發(fā)展，Internet已成為信息流通的重要渠道，Internet接入終端在各種遠程監控系統中得到廣泛應用。采用GPRS無(wú)線(xiàn)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)接入技術(shù)的終端，使得現有工業(yè)總線(xiàn)的監控系統直接通過(guò)Internet進(jìn)行遠程數據傳輸，解決了采用以太網(wǎng)或電話(huà)線(xiàn)接入Internet的有線(xiàn)通訊布線(xiàn)困難、覆蓋范圍小、無(wú)法移動(dòng)通信等問(wèn)題。Internet接入終端已經(jīng)成為工業(yè)控制、遠程測量、交通管理等應用熱點(diǎn)。本文給出了基于ARM處理器和GPRS Modem嵌入式數據傳輸終端的設計與實(shí)現。

2設計原理
將嵌入式系統接入Internet涉及兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，即傳送信息的媒質(zhì)和采用的協(xié)議，傳輸媒質(zhì)可以是以太網(wǎng)或者電話(huà)線(xiàn)等媒介，在本設計中采用GPRS Modem作為無(wú)線(xiàn)接入Internet的媒質(zhì)；協(xié)議采用嵌入式TCP/IP協(xié)議棧。通過(guò)GPRS Modem與當地GSM基站中的GPRS業(yè)務(wù)節點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信，進(jìn)入GPRS網(wǎng)絡(luò )，然后通過(guò)GPRS網(wǎng)關(guān)與Internet進(jìn)行數據傳輸。

系統硬件劃分為控制模塊和GPRS modem模塊，GPRS modem模塊提供接入Internet 的TCP/IP物理連接；控制模塊是主控軟件的載體，負責控制將處理好的數據通過(guò)GPRS modem發(fā)送出去或者傳向工業(yè)總線(xiàn)。在控制模塊中，微控制器的一個(gè)串行接口連接GPRS modem，通過(guò)對GPRS modem的控制和通信，實(shí)現Internet網(wǎng)絡(luò )數據的收發(fā)；另一個(gè)串行接口通過(guò)工業(yè)總線(xiàn)與其他嵌入式設備進(jìn)行數據通信。該實(shí)現方法采用數據透明傳輸，對原有的嵌入式系統不附加限制條件，較好地實(shí)現了網(wǎng)絡(luò )功能，而且系統的實(shí)時(shí)性較高。

3基于AT91R40008的硬件設計
為了解決網(wǎng)絡(luò )協(xié)議軟件和實(shí)時(shí)操作系統處理的硬件瓶頸，設計中選擇了Atmel公司的AT91R40008微控制器，一款基于A(yíng)RM7TDMI核的32位微控制器，工作頻率為66M，其片內集成了256KB RAM，可以直接將代碼運行在片上RAM中，使得本次應用程序可以采用任務(wù)查詢(xún)方式，增強系統的穩定性，并且兩個(gè)全雙工通用同步/異步收發(fā)器（USART）與外圍控制器PDC連接，使用PDC方式，整段數據交給硬件自動(dòng)收發(fā)處理比單字節處理要大大減輕系統處理壓力，提高了系統的實(shí)時(shí)性。

圖1所示為控制模塊的硬件連接圖。圖中MAX232負責實(shí)現系統的另一個(gè)用戶(hù)接口與標準232總線(xiàn)之間的電平轉換；24CL04負責存儲系統運行時(shí)需要的重要參數，如遠程連接的IP地址、端口等。如果為了緊縮設備體積可以采用將AT91R40008和AT49BV1614A集成在一起的AT91FR40162處理器。GPRS Modem模塊采用的是Motorola g18 DIN，該模塊為用戶(hù)的無(wú)線(xiàn)上網(wǎng)提供了物理鏈路。

圖1 控制模塊硬件結構圖

4 軟件設計
軟件部分的主要功能包括系統及設備的初始化，創(chuàng )建接收發(fā)送任務(wù)，建立連接的通信鏈路，保證網(wǎng)絡(luò )連接實(shí)時(shí)有效等。采用的實(shí)時(shí)操作系統是源碼開(kāi)放的嵌入式操作系統µC/OS-Ⅱ，為了嵌入式系統能接入Internet，成功移植實(shí)時(shí)操作系統后還要實(shí)現一個(gè)嵌入式TCP/IP協(xié)議棧。軟件設計采用層次結構，從下到上依次是：硬件驅動(dòng)程序、操作系統內核軟件、網(wǎng)絡(luò )接口軟件、協(xié)議軟件和應用程序。

4.1實(shí)時(shí)操作系統µC/OS-Ⅱ的移植
移植µC/OS-Ⅱ的工作主要包括以下幾個(gè)部分：修改OS_CPU.H文件，該文件主要包含與編譯器相關(guān)的數據類(lèi)型的定義、處理器實(shí)現開(kāi)關(guān)中斷的方法、堆棧類(lèi)型的定義和幾個(gè)宏定義及函數說(shuō)明；修改OS_CPU_C.C文件，用C語(yǔ)言實(shí)現堆棧初始化和幾個(gè)提供給用戶(hù)用于擴展操作系統功能的hook（又稱(chēng)為鉤子函數）函數；修改OS_CPU_A.S文件，用與CPU相關(guān)的匯編語(yǔ)言實(shí)現CPU開(kāi)/關(guān)中斷、任務(wù)級的任務(wù)切換、中斷級的任務(wù)切換以及時(shí)鐘中斷程序。

采用GCC編譯器編譯時(shí)，除了對上述文件做相應移植修改外，對實(shí)時(shí)系統的源碼不做改動(dòng)，但要編寫(xiě)能在操作系統內直接調用的微控制器外圍設備驅動(dòng)函數，這些驅動(dòng)函數構成微控制器的控制驅動(dòng)函數庫，使得在操作系統內可以完成UART控制、I2C總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)、PIO控制等硬件操作，對移植后的實(shí)時(shí)系統能夠使用各個(gè)外圍器件以及協(xié)議的實(shí)現都很重要。

4.2 嵌入式TCP/IP協(xié)議棧
在實(shí)時(shí)操作系統上需要一個(gè)TCP/IP協(xié)議棧來(lái)實(shí)現在Internet接入并收發(fā)數據，為了提高效率節省資源，采用簡(jiǎn)化的TCP/IP協(xié)議棧，本次應用只保留了TCP、UDP、IP和PPP協(xié)議，如圖2所示，網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧和構件為網(wǎng)絡(luò )環(huán)境的嵌入式應用提供有效的系統服務(wù)。

圖2 網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧和部件

傳輸層采用TCP（傳輸控制協(xié)議）和UDP（用戶(hù)數據報協(xié)議）。TCP是一種面向連接的協(xié)議，它提供可靠的字節流傳輸；UDP協(xié)議沒(méi)有保證可靠性的機制，但可以實(shí)現高速高效的發(fā)送數據報。網(wǎng)絡(luò )層協(xié)議實(shí)現的主要是IP，在實(shí)現中IP協(xié)議不支持IP包的分片和重裝以及路由選擇。物理層的GPRS Modem實(shí)現了連接網(wǎng)絡(luò )的物理設備，要通過(guò)Modem撥號上網(wǎng)，必須在數據鏈路層上實(shí)現PPP撥號協(xié)議，按照PPP協(xié)議的要求與移動(dòng)GPRS網(wǎng)關(guān)建立通信鏈路。為了方便協(xié)議軟件的使用還要實(shí)現各個(gè)層面的接口，網(wǎng)絡(luò )接口層在網(wǎng)絡(luò )協(xié)議和網(wǎng)絡(luò )設備、不同的協(xié)議層之間提供了一個(gè)相互內部隔離的編程接口。BSD Socket接口為應用提供了訪(fǎng)問(wèn)網(wǎng)絡(luò )的統一接口。

4.3 緩沖區和驅動(dòng)軟件
本次應用中緩沖區和驅動(dòng)軟件是提高系統性能的關(guān)鍵，通過(guò)多種緩沖區設計將多層次結構的軟件緊密的整合在一起，可以緩和各層軟件之間處理瓶頸，提高連續數據并行處理能力；高效驅動(dòng)軟件的設計降低了硬件處理對CPU的占有率。

數據經(jīng)過(guò)串口硬件設備進(jìn)入軟件系統后就開(kāi)始在一系列緩沖區中傳遞，圖3所示為所采用的緩沖結構。從左到右依次是串口的收發(fā)緩沖區、串口收發(fā)工作緩沖區、網(wǎng)絡(luò )接口讀寫(xiě)緩沖區，最后是協(xié)議棧緩沖區。這樣整個(gè)數據交流過(guò)程就變成對本層緩沖區的讀寫(xiě)，接口程序的編寫(xiě)相對簡(jiǎn)單明了。


圖3 緩沖區設計示意圖

每個(gè)串口的收發(fā)緩沖區是6組長(cháng)度為512字節的char類(lèi)型數組，工作緩沖區是長(cháng)度為1KB的char類(lèi)型環(huán)行隊列；網(wǎng)絡(luò )接口讀寫(xiě)緩沖區采用和工作緩沖區相同的結構;協(xié)議棧緩沖區是協(xié)議軟件處理過(guò)程中數據的唯一載體，協(xié)議棧緩沖區采用結構體的靜態(tài)鏈表結構。

上述緩沖區設計不僅保證了連續數據到來(lái)時(shí)CPU有足夠的處理時(shí)間和空間，而且將硬件和網(wǎng)絡(luò )協(xié)議軟件隔離便于軟件的設計開(kāi)發(fā)。這種設計模式會(huì )占用大量RAM空間，但是所采用的ARM處理器片內集成了256KB RAM，所以有足夠的RAM作緩沖區以提高系統性能。軟件的RAM使用情況如表1所示。其中還可以有100KB左右的內存空間可以提供給軟件升級，而且用戶(hù)可以選擇程序的FLASH運行方式，節省更多RAM為軟件升級使用。

表1 整個(gè)系統的RAM占用表

驅動(dòng)程序包括三部分：初始化部分，函數功能部分和中斷服務(wù)程序ISR。初始化部分初始化硬件設備，分配設備所需的資源，完成系統相關(guān)的設置；函數功能部分完成系統指定的功能，中斷服務(wù)程序的主要功能是發(fā)起一個(gè)任務(wù)來(lái)完成必要的處理。為串口硬件編寫(xiě)驅動(dòng)函數的工作主要是串口的啟動(dòng)、停止、波特率設置、控制PDC以及對緩沖區的讀寫(xiě)。

4.4系統啟動(dòng)工作流程
處理器上電后首先進(jìn)行CPU硬件、操作系統、協(xié)議棧軟件參數的初始化工作；測試外設GSM模塊，由于GSM模塊作為一個(gè)相對重要而且較為獨立的設備，它的啟動(dòng)過(guò)程相對MCU要慢很多，所以在系統進(jìn)入正常運行階段之前必須等待GSM模塊正常工作以后，才能進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器的連接。用戶(hù)任務(wù)除了負責網(wǎng)絡(luò )和工業(yè)總線(xiàn)數據交換以外，由于在GSM信號、模塊電源受到干擾或SIM卡震動(dòng)使都會(huì )引起GSM模塊死機，所以還要建立GSM模塊檢測任務(wù)，負責網(wǎng)絡(luò )連接的檢測以及判斷網(wǎng)絡(luò )中斷連接是否由GSM模塊故障引起，從而決定是否對GSM模塊重啟，以保證整個(gè)系統的穩定運行。

5 結束語(yǔ)
本文給出了一種基于32位ARM微處理器和GPRS的嵌入式無(wú)線(xiàn)數據傳輸終端的實(shí)現方案。該方案硬件成本不高于采用中高檔單片機的實(shí)現方案，同時(shí)具有數據吞吐量大、可靠性高、處理能力強等優(yōu)點(diǎn)。嵌入式TCP/IP協(xié)議和實(shí)時(shí)系統相結合的軟件平臺，增強了系統的功能性和實(shí)時(shí)性，這種平臺不僅可以作為測控網(wǎng)絡(luò )與Internet數據接入終端，還可以實(shí)現FTP、WEB、GUI、FS等多種嵌入式應用，用于遠程監控網(wǎng)站、監控圖片傳輸、網(wǎng)絡(luò )硬盤(pán)、現場(chǎng)界面機等應用場(chǎng)合，替換PC機降低系統成本。

參 考 文 獻：
[1] 馬忠梅, 徐英慧等. AT91系列ARM核微控制器結構與開(kāi)發(fā)[M]. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社,2003.
[2] Jean J.Labrosse. 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統µC/OS-Ⅱ(第二版)[M].邵貝貝譯.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003。
[3] Gary R.Wright, W.Richard Stevens. TCP/IP詳解 卷2:實(shí)現[M]. 北京:機械工業(yè)出版社,2002.