嵌入式ARM處理器在M2M終端總體設計中的應用

引言

　　目前，對輸油管道、電力裝置、油井等進(jìn)行遠程監控主要采用人工巡邏的方式，這種方式存在實(shí)時(shí)性差、成本高、浪費人力資源、無(wú)法對環(huán)境惡劣的地區進(jìn)行監控、可能出現誤報等缺點(diǎn)。隨著(zhù)工業(yè)領(lǐng)域現代化水平的提高和通信技術(shù)的發(fā)展，這種生產(chǎn)方式亟待得到改善。

　　M2M是指應用無(wú)線(xiàn)移動(dòng)通信技術(shù)，實(shí)現機器與機器、機器與人之間數據通信和交流的一系列技術(shù)及其組合的總稱(chēng)。GPRS具有覆蓋地域廣、通信距離遠、網(wǎng)絡(luò )可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。隨著(zhù)GPRS的推廣和應用，以及基于GPRS的M2M產(chǎn)品的推出，采用GPRS技術(shù)來(lái)解決上述問(wèn)題成為一種較好的方案。

　　嵌入式系統是當前國內外研究的熱點(diǎn)之一。采用嵌入式系統技術(shù)設計一種可以解決遠程監控領(lǐng)域數據傳輸問(wèn)題的通用終端是必要的。本文重點(diǎn)闡述了基于嵌入式ARM處理器，結合GPRS模塊MC35i設計M2M終端的總體設計方案。

　　系統硬件組成

　　M2M終端的硬件核心為GPRS通信模塊MC35i和ARM處理器AT91SAM7S64，它們的接口設計如圖1所示。M2M終端對外留有2個(gè)RS232串口，通過(guò)發(fā)送預先定義好的數字指令，可以實(shí)現M2M終端的啟動(dòng)、關(guān)閉等。當M2M終端與Internet建立連接后，只需把封裝好的數據通過(guò)串口發(fā)送到M2M終端，由其完成向監控中心發(fā)送數據的功能。

　　GPRS模塊

　　GPRS模塊是實(shí)現M2M終端平臺的核心部分，設計中采用西門(mén)子公司的GPRS通信模塊MC35i。本模塊包括CPU接口電路、SIM卡接口電路和MC35i外圍電路，MC35i支持GPRS的四種編碼協(xié)議CS-1、CS-2、CS-3和CS-4，理論上最高傳輸速率可達172kbps。它具備完整的GSM和GPRS功能，可以廣泛應用在相關(guān)的M2M數據傳輸平臺上。MC35i提供了標準AT命令界面和一個(gè)RS232接口，用于與外部應用系統連接。

　　ARM處理器

　　本數據傳輸平臺處理器采用ATMEL公司生產(chǎn)的32位ARM7TDMI體系結構處理器AT91SAM7S64，該芯片采用3.3V電壓進(jìn)行供電，支持低功耗模式，它具有64kB的FLASH和16kB的SRAM，具備豐富的外圍設備資源，其中包括3個(gè)UART通信串口和1個(gè)USB2.0全速設備，利用本芯片完成系統功能的同時(shí)可以實(shí)現系統的高性?xún)r(jià)比。CPU模塊硬件電路包括：時(shí)鐘電路、JTAG接口電路，RS232接口電路等。

　　電源設計

　　系統采用9V電源進(jìn)行供電，經(jīng)過(guò)TI公司LDO降壓芯片UA7805進(jìn)行一次降壓，使電壓降至5V。GPRS模塊MC35i要求的電源電壓為3.3V～4.8V，而且要求電源必須能夠提供2A的尖峰電流，因此需要將5V電源通過(guò)一個(gè)0.7V壓降的肖特基二極管1N5819后輸入MC35i，同時(shí)需要接入耐壓25V、1000μF的電解電容，以為MC35i提供足夠的尖峰電流，將5V電源經(jīng)過(guò)TI公司電源模塊REG1117-3.3將電壓降至3.3V，為微處理器及其他芯片提供電源。

　　嵌入式軟件設計

　　采用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統可以更合適、有效地利用CPU的資源，簡(jiǎn)化應用軟件的設計，縮短系統開(kāi)發(fā)時(shí)間，更好地保證系統的實(shí)時(shí)陛和可靠性。FreeRTOS是在Sourceforge網(wǎng)站上發(fā)布的微內核嵌入式實(shí)時(shí)操作系統，它是完全免費的操作系統，具有源碼公開(kāi)、可移植、可裁減、調度策略靈活的特點(diǎn)。作為一個(gè)輕量級的操作系統，FreeRTOS提供的功能包括：任務(wù)管理、時(shí)間管理、信號量、消息隊列、內存管理等

　　FreeRTOS支持優(yōu)先級和輪換時(shí)間片兩種調度算法，可根據用戶(hù)需要設置為可剝奪型內核或不可剝奪型內核。本文基于FreeRTOS給出了M2M終端實(shí)現PPP協(xié)商以及數據封裝傳輸的軟件設計方案。

　　基于狀態(tài)機設計GPRS連接任務(wù)

　　由于網(wǎng)絡(luò )和信號較弱等原因，可能導致節點(diǎn)與GPRS網(wǎng)絡(luò )連接的失敗，采用基于狀態(tài)機的結構設計方法對各個(gè)階段產(chǎn)生的錯誤進(jìn)行處理，能保障模塊與GPRS網(wǎng)絡(luò )建立可靠連接。程序狀態(tài)機如圖2所示。

　　閑待命態(tài)：此時(shí)MC35i處在離線(xiàn)關(guān)閉狀態(tài)，節點(diǎn)處在低功耗模式下，系統復位后處于此狀態(tài)。

　　GPRS參數設置態(tài)：處理器控制啟動(dòng)MC35i模塊后進(jìn)入此狀態(tài)，通過(guò)發(fā)送AT命令對模塊及必要的網(wǎng)絡(luò )參數進(jìn)行設置，為使各個(gè)參數均設置成功，軟件設計中增加了容錯重試機制。