基于AT91R40008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)總線的嵌入式系統(tǒng)連接Internet的無線上網(wǎng)方案，探討了實現(xiàn)該方案中要解決的主要問題。設計并實現(xiàn)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，實現(xiàn)了基于實時操作系統(tǒng)µC/OS-Ⅱ的嵌入式TCP/IP協(xié)議棧，對軟件系統(tǒng)中的主要模塊進行了分析。
關鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；AT91R40008；GPRS；µC/OS-Ⅱ；嵌入式TCP/IP協(xié)議棧

1 引言
隨著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(jiān)控系統(tǒng)中得到廣泛應用。采用GPRS無線移動互聯(lián)網(wǎng)接入技術的終端，使得現(xiàn)有工業(yè)總線的監(jiān)控系統(tǒng)直接通過Internet進行遠程數(shù)據(jù)傳輸，解決了采用以太網(wǎng)或電話線接入Internet的有線通訊布線困難、覆蓋范圍小、無法移動通信等問題。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。本文給出了基于ARM處理器和GPRS Modem嵌入式數(shù)據(jù)傳輸終端的設計與實現(xiàn)。

2設計原理
將嵌入式系統(tǒng)接入Internet涉及兩個關鍵問題，即傳送信息的媒質和采用的協(xié)議，傳輸媒質可以是以太網(wǎng)或者電話線等媒介，在本設計中采用GPRS Modem作為無線接入Internet的媒質；協(xié)議采用嵌入式TCP/IP協(xié)議棧。通過GPRS Modem與當?shù)谿SM基站中的GPRS業(yè)務節(jié)點進行無線通信，進入GPRS網(wǎng)絡，然后通過GPRS網(wǎng)關與Internet進行數(shù)據(jù)傳輸。

系統(tǒng)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(shù)據(jù)通過GPRS modem發(fā)送出去或者傳向工業(yè)總線。在控制模塊中，微控制器的一個串行接口連接GPRS modem，通過對GPRS modem的控制和通信，實現(xiàn)Internet網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的收發(fā)；另一個串行接口通過工業(yè)總線與其他嵌入式設備進行數(shù)據(jù)通信。該實現(xiàn)方法采用數(shù)據(jù)透明傳輸，對原有的嵌入式系統(tǒng)不附加限制條件，較好地實現(xiàn)了網(wǎng)絡功能，而且系統(tǒng)的實時性較高。

3基于AT91R40008的硬件設計
為了解決網(wǎng)絡協(xié)議軟件和實時操作系統(tǒng)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ARM7TDMI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查詢方式，增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并且兩個全雙工通用同步/異步收發(fā)器（USART）與外圍控制器PDC連接，使用PDC方式，整段數(shù)據(jù)交給硬件自動收發(fā)處理比單字節(jié)處理要大大減輕系統(tǒng)處理壓力，提高了系統(tǒng)的實時性。

圖1所示為控制模塊的硬件連接圖。圖中MAX232負責實現(xiàn)系統(tǒng)的另一個用戶接口與標準232總線之間的電平轉換；24CL04負責存儲系統(tǒng)運行時需要的重要參數(shù)，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，該模塊為用戶的無線上網(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(tǒng)及設備的初始化，創(chuàng)建接收發(fā)送任務，建立連接的通信鏈路，保證網(wǎng)絡連接實時有效等。采用的實時操作系統(tǒng)是源碼開放的嵌入式操作系統(tǒng)µC/OS-Ⅱ，為了嵌入式系統(tǒng)能接入Internet，成功移植實時操作系統(tǒng)后還要實現(xiàn)一個嵌入式TCP/IP協(xié)議棧。軟件設計采用層次結構，從下到上依次是：硬件驅動程序、操作系統(tǒng)內核軟件、網(wǎng)絡接口軟件、協(xié)議軟件和應用程序。

4.1實時操作系統(tǒng)µC/OS-Ⅱ的移植
移植µC/OS-Ⅱ的工作主要包括以下幾個部分：修改OS_CPU.H文件，該文件主要包含與編譯器相關的數(shù)據(jù)類型的定義、處理器實現(xiàn)開關中斷的方法、堆棧類型的定義和幾個宏定義及函數(shù)說明；修改OS_CPU_C.C文件，用C語言實現(xiàn)堆棧初始化和幾個提供給用戶用于擴展操作系統(tǒng)功能的hook（又稱為鉤子函數(shù)）函數(shù)；修改OS_CPU_A.S文件，用與CPU相關的匯編語言實現(xiàn)CPU開/關中斷、任務級的任務切換、中斷級的任務切換以及時鐘中斷程序。

采用GCC編譯器編譯時，除了對上述文件做相應移植修改外，對實時系統(tǒng)的源碼不做改動，但要編寫能在操作系統(tǒng)內直接調用的微控制器外圍設備驅動函數(shù)，這些驅動函數(shù)構成微控制器的控制驅動函數(shù)庫，使得在操作系統(tǒng)內可以完成UART控制、I2C總線訪問、PIO控制等硬件操作，對移植后的實時系統(tǒng)能夠使用各個外圍器件以及協(xié)議的實現(xiàn)都很重要。

4.2 嵌入式TCP/IP協(xié)議棧
在實時操作系統(tǒng)上需要一個TCP/IP協(xié)議棧來實現(xiàn)在Internet接入并收發(fā)數(shù)據(jù)，為了提高效率節(jié)省資源，采用簡化的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)絡協(xié)議棧和構件為網(wǎng)絡環(huán)境的嵌入式應用提供有效的系統(tǒng)服務。

圖2 網(wǎng)絡協(xié)議棧和部件

傳輸層采用TCP（傳輸控制協(xié)議）和UDP（用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議）。TCP是一種面向連接的協(xié)議，它提供可靠的字節(jié)流傳輸；UDP協(xié)議沒有保證可靠性的機制，但可以實現(xiàn)高速高效的發(fā)送數(shù)據(jù)報。網(wǎng)絡層協(xié)議實現(xiàn)的主要是IP，在實現(xiàn)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實現(xiàn)了連接網(wǎng)絡的物理設備，要通過Modem撥號上網(wǎng)，必須在數(shù)據(jù)鏈路層上實現(xiàn)PPP撥號協(xié)議，按照PPP協(xié)議的要求與移動GPRS網(wǎng)關建立通信鏈路。為了方便協(xié)議軟件的使用還要實現(xiàn)各個層面的接口，網(wǎng)絡接口層在網(wǎng)絡協(xié)議和網(wǎng)絡設備、不同的協(xié)議層之間提供了一個相互內部隔離的編程接口。BSD Socket接口為應用提供了訪問網(wǎng)絡的統(tǒng)一接口。

4.3 緩沖區(qū)和驅動軟件
本次應用中緩沖區(qū)和驅動軟件是提高系統(tǒng)性能的關鍵，通過多種緩沖區(qū)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(xù)數(shù)據(jù)并行處理能力；高效驅動軟件的設計降低了硬件處理對CPU的占有率。

數(shù)據(jù)經(jīng)過串口硬件設備進入軟件系統(tǒng)后就開始在一系列緩沖區(qū)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(qū)、串口收發(fā)工作緩沖區(qū)、網(wǎng)絡接口讀寫緩沖區(qū)，最后是協(xié)議棧緩沖區(qū)。這樣整個數(shù)據(jù)交流過程就變成對本層緩沖區(qū)的讀寫，接口程序的編寫相對簡單明了。


圖3 緩沖區(qū)設計示意圖

每個串口的收發(fā)緩沖區(qū)是6組長度為512字節(jié)的char類型數(shù)組，工作緩沖區(qū)是長度為1KB的char類型環(huán)行隊列；網(wǎng)絡接口讀寫緩沖區(qū)采用和工作緩沖區(qū)相同的結構;協(xié)議棧緩沖區(qū)是協(xié)議軟件處理過程中數(shù)據(jù)的唯一載體，協(xié)議棧緩沖區(qū)采用結構體的靜態(tài)鏈表結構。

上述緩沖區(qū)設計不僅保證了連續(xù)數(shù)據(jù)到來時CPU有足夠的處理時間和空間，而且將硬件和網(wǎng)絡協(xié)議軟件隔離便于軟件的設計開發(fā)。這種設計模式會占用大量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(qū)以提高系統(tǒng)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，而且用戶可以選擇程序的FLASH運行方式，節(jié)省更多RAM為軟件升級使用。

表1 整個系統(tǒng)的RAM占用表

驅動程序包括三部分：初始化部分，函數(shù)功能部分和中斷服務程序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(tǒng)相關的設置；函數(shù)功能部分完成系統(tǒng)指定的功能，中斷服務程序的主要功能是發(fā)起一個任務來完成必要的處理。為串口硬件編寫驅動函數(shù)的工作主要是串口的啟動、停止、波特率設置、控制PDC以及對緩沖區(qū)的讀寫。

4.4系統(tǒng)啟動工作流程
處理器上電后首先進行CPU硬件、操作系統(tǒng)、協(xié)議棧軟件參數(shù)的初始化工作；測試外設GSM模塊，由于GSM模塊作為一個相對重要而且較為獨立的設備，它的啟動過程相對MCU要慢很多，所以在系統(tǒng)進入正常運行階段之前必須等待GSM模塊正常工作以后，才能進行網(wǎng)絡服務器的連接。用戶任務除了負責網(wǎng)絡和工業(yè)總線數(shù)據(jù)交換以外，由于在GSM信號、模塊電源受到干擾或SIM卡震動使都會引起GSM模塊死機，所以還要建立GSM模塊檢測任務，負責網(wǎng)絡連接的檢測以及判斷網(wǎng)絡中斷連接是否由GSM模塊故障引起，從而決定是否對GSM模塊重啟，以保證整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

5 結束語
本文給出了一種基于32位ARM微處理器和GPRS的嵌入式無線數(shù)據(jù)傳輸終端的實現(xiàn)方案。該方案硬件成本不高于采用中高檔單片機的實現(xiàn)方案，同時具有數(shù)據(jù)吞吐量大、可靠性高、處理能力強等優(yōu)點。嵌入式TCP/IP協(xié)議和實時系統(tǒng)相結合的軟件平臺，增強了系統(tǒng)的功能性和實時性，這種平臺不僅可以作為測控網(wǎng)絡與Internet數(shù)據(jù)接入終端，還可以實現(xiàn)FTP、WEB、GUI、FS等多種嵌入式應用，用于遠程監(jiān)控網(wǎng)站、監(jiān)控圖片傳輸、網(wǎng)絡硬盤、現(xiàn)場界面機等應用場合，替換PC機降低系統(tǒng)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發(fā)[M]. 北京: 北京航空航天大學出版社,2003.
[2] Jean J.Labrosse. 嵌入式實時操作系統(tǒng)µC/OS-Ⅱ(第二版)[M].邵貝貝譯.北京：北京航空航天大學出版社，2003。
[3] Gary R.Wright, W.Richard Stevens. TCP/IP詳解 卷2:實現(xiàn)[M]. 北京:機械工業(yè)出版社,2002.