基于GR64模塊的通用GPRS數(shù)傳單元設(shè)計(jì)

摘要 GPRS數(shù)傳單元(DTU)在遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集終端與主站之間建立起無(wú)線(xiàn)IP連接和可靠的數(shù)據(jù)傳輸通道。本文提出采用內(nèi)嵌腳本方式開(kāi)發(fā)GR64，使之成為具有簡(jiǎn)單控制接口，可方便配置參數(shù)和靈活切換工作模式的通用DTU的硬件和軟件實(shí)現(xiàn)方法,并總結(jié)了開(kāi)發(fā)過(guò)程中遇到的問(wèn)題和相應(yīng)解決辦法。
關(guān)鍵詞 GPRS GR64 數(shù)傳單元(DTU) 內(nèi)嵌腳本

引言

　　通用分組無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)GPRS（General Packet Radio Service）是在現(xiàn)有GSM網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上進(jìn)行的軟件升級(jí)，采用分組交換技術(shù)，可提供高速無(wú)線(xiàn)IP或X.25服務(wù)。它增加了SGSN (GPRS 業(yè)務(wù)支持節(jié)點(diǎn))和GGSN(GPRS 網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn))2 個(gè)服務(wù)節(jié)點(diǎn)，可提供端到端的、廣域的無(wú)線(xiàn)IP 連接。相對(duì)于其他數(shù)傳方式，GPRS更具優(yōu)勢(shì)： 建設(shè)成本低，數(shù)據(jù)傳輸可靠性高，傳輸速率可達(dá)171 kbps，基于IP 協(xié)議可以訪(fǎng)問(wèn)整個(gè)Internet，永遠(yuǎn)在線(xiàn)和按流量收費(fèi)。

　　GR64是Sony/Ericsson公司最新推出的一款內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧的GSM/GPRS模塊，可向下兼容GR47，內(nèi)嵌的ARM9 CPU可以開(kāi)放給用戶(hù)。GR64 具有豐富的存儲(chǔ)資源： 256 KB的腳本空間可同時(shí)容納2個(gè)腳本，可用于CSD方式下腳本遠(yuǎn)程升級(jí)，至少50 KB的數(shù)據(jù)NVM空間和100 KB RAM；豐富的功能庫(kù)涵蓋所有的底層驅(qū)動(dòng)，用戶(hù)只須編寫(xiě)自己的應(yīng)用程序。GR64提供豐富的接口： 對(duì)外有2個(gè)自適應(yīng)波特率和幀格式的串口，其中UART1用于AT命令控制或本地腳本下載，UART3為通用串口；另外，還有USB2.0（等同GR47 UART2，可用于模塊自身固件升級(jí)和腳本調(diào)試信息輸出）、SPI、I2C、天線(xiàn)、音頻接口，12根I/O線(xiàn)（8根復(fù)用），AD/DA轉(zhuǎn)換器，蜂鳴器和實(shí)時(shí)時(shí)鐘等內(nèi)置外設(shè)。

　　GR64模塊有兩種開(kāi)發(fā)方式： 一種是內(nèi)部腳本方式,即直接利用模塊開(kāi)放的CPU和系統(tǒng)資源,將類(lèi)C語(yǔ)言腳本下載到模塊的NVM(Nonvolatile Memory)中，在模塊的CPU中運(yùn)行。內(nèi)部腳本解釋器從NVM中讀入腳本，逐行解釋執(zhí)行，模塊通過(guò)UART3與數(shù)據(jù)終端接口。另一種是外部控制器方式，控制程序在外部微控制器中運(yùn)行，微處理器向GR64的UART1發(fā)送AT命令控制其工作。

1  GPRS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通信的實(shí)現(xiàn)

　　上位機(jī)服務(wù)器不管采用哪種方式接入Internet都必須有固定IP地址，并對(duì)各終端開(kāi)放相應(yīng)的偵聽(tīng)端口號(hào)，在接入網(wǎng)絡(luò)后要盡量保持在線(xiàn)。下位機(jī)(終端)工作后，會(huì)通過(guò)DTU主動(dòng)與服務(wù)器建立連接，隨后告知服務(wù)器自己的終端地址；服務(wù)器收到后將其加到動(dòng)態(tài)地址數(shù)據(jù)庫(kù)中，并自動(dòng)定時(shí)刷新數(shù)據(jù)庫(kù)以確定哪些表還掛在網(wǎng)絡(luò)上，再根據(jù)管理員設(shè)定的自動(dòng)查抄時(shí)間對(duì)連接在網(wǎng)絡(luò)上的終端進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取、參數(shù)設(shè)定、校時(shí)等操作。

2  基于GR64的GPRS DTU實(shí)現(xiàn)

2.1  DTU硬件電路

　　DTU硬件電路如圖1所示。

圖1  DTU硬件電路圖

　　模塊工作電壓VCC為3.2~4.5 V，可由降壓芯片MIC29302bu將5 V降至典型工作電壓3.6 V提供，5個(gè)發(fā)光二極管分別指示模塊GSM網(wǎng)絡(luò)注冊(cè)狀態(tài)，與GPRS網(wǎng)絡(luò)交互，通信串口數(shù)據(jù)收發(fā)狀態(tài)；由于模塊引腳數(shù)字高電平為2.75 V,RS232電平轉(zhuǎn)換芯片最好使用MAX3232等；ON/OFF腳和VREF分別提供給終端，用于控制模塊硬件開(kāi)關(guān)機(jī)和檢測(cè)模塊開(kāi)關(guān)機(jī)狀態(tài)；USB口為調(diào)試信息和打印信息輸出口。

2.2  DTU功能實(shí)現(xiàn)及程序流程

　　該應(yīng)用中GR64工作于內(nèi)部腳本方式，利用集成開(kāi)發(fā)環(huán)境M2mpowerIDE腳本可通過(guò)計(jì)算機(jī)串口從模塊UART1下載到內(nèi)部腳本空間，并設(shè)置為上電自動(dòng)運(yùn)行。上電開(kāi)機(jī)、模塊注冊(cè)網(wǎng)絡(luò)后開(kāi)始運(yùn)行腳本： DTU先從數(shù)據(jù)NVM中讀出運(yùn)行參數(shù)，初始化后按預(yù)設(shè)運(yùn)行。其中包括： 網(wǎng)絡(luò)連接參數(shù)，如GPRS接入點(diǎn)APN(GA:cmnet)、用戶(hù)名(GU∶wap)、密碼(GP∶wap)、主站IP及端口號(hào)(NS:061.183.125.114：10001)；系統(tǒng)參數(shù)，如通信協(xié)議(CP∶TCP/UDP/SMS)、TCP通信方式下工作模式（MD:RT實(shí)時(shí)在線(xiàn)/SA短信激活/DA振鈴激活）、連續(xù)登陸失敗停止登陸次數(shù)(CT∶10次)、激活模式下無(wú)數(shù)據(jù)傳輸自動(dòng)斷網(wǎng)時(shí)間間隔(IT∶30 min)，以及短信控制密碼(SP:whzydz)等。所有參數(shù)均向數(shù)據(jù)通信串口（UART3）發(fā)送“+++”后，按上面的格式本地修改(可以一次更改多項(xiàng),各參數(shù)間用分號(hào)隔開(kāi))；改后向DTU發(fā)送LS,將得到所有參數(shù)的當(dāng)前值。也可在運(yùn)行過(guò)程中通過(guò)短信遠(yuǎn)程更改各參數(shù)，但須在短信的開(kāi)頭加上預(yù)先設(shè)定好的短信控制密碼(PWD:whzydzCT:15；……)；另外還可通過(guò)通信串口及短信方式控制模塊上下線(xiàn)(SM:ONLINE/OFFLINE)及軟件重啟動(dòng)(RESET)，掉電重上電后將按最近一次更改的參數(shù)運(yùn)行。程序流程如圖2、圖3和圖4所示。

圖2  進(jìn)程優(yōu)先級(jí)次序

圖3  進(jìn)程相互作用關(guān)系

圖4  程序流程圖

2.3  內(nèi)部腳本方式下程序?qū)崿F(xiàn)要點(diǎn)

　　以下粗體部分表示模塊內(nèi)建功能庫(kù)函數(shù)。

　?、?nbsp; 內(nèi)部腳本不支持中斷，須通過(guò)內(nèi)部gtf()函數(shù)查詢(xún)系統(tǒng)標(biāo)志位方式檢測(cè)觸發(fā)類(lèi)事件的發(fā)生，或者通過(guò)gtb()函數(shù)查詢(xún)系統(tǒng)狀態(tài)字節(jié)的值確定各項(xiàng)系統(tǒng)狀態(tài)。例如，收到新短信時(shí)標(biāo)志位SMS_RCV將被置位。其中： int SMS_RCV=29。

　　if(gtf()(SMS_RCV)){
　　　　OSA[MR]=OSA[MR]|REQ;/*開(kāi)短信處理進(jìn)程*/
　　　　prtf(" New SMS received!"); }

　　同樣，接收到IP數(shù)據(jù)時(shí)標(biāo)志位IP_DT_RCV將被置位。其中：IP_DT_RCV = 13。
　　通過(guò)查詢(xún)來(lái)電狀態(tài)字節(jié)，即if(gtb(CAL_STA)==RING)判斷是否有來(lái)電撥入。其中： CAL_STA=12,RING=1。

　　②  是否接收到串口數(shù)據(jù)，通過(guò)判斷內(nèi)部函數(shù)utrl()返回的串口接收緩沖內(nèi)數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度是否大于0確定。例如：

　　if(utrl()&&(!(OSA[RS]&REQ))){
　　　　OSA[RS]=OSA[RS]|REQ; /*開(kāi)啟串口處理進(jìn)程*/
　　　　prtf(" UART 3 received!"); }

　　此函數(shù)的值只能確定串口是否接收到數(shù)據(jù)，因此在進(jìn)入串口處理進(jìn)程后，須先通過(guò)查詢(xún)定時(shí)器超時(shí)時(shí)間內(nèi)utrl()返回值的變化來(lái)檢查數(shù)據(jù)鏈路，待一包數(shù)據(jù)接收完畢后再作處理。

　?、?nbsp; 內(nèi)部腳本方式下，TCP連接需要完成以下步驟。
　?。╝） 待注冊(cè)GPRS網(wǎng)絡(luò)(開(kāi)機(jī)后模塊自動(dòng)完成)后，進(jìn)入GPRS初始化進(jìn)程。
　　◆ 調(diào)用atcrt()創(chuàng)建內(nèi)部AT命令通道；
　　◆ 調(diào)用atsnd()發(fā)送命令“AT+CGDCONT=1,"IP","cmnet"<CR>”設(shè)置APN(由從記錄中讀出的全局變量GA決定，此處默認(rèn)為cmnet)；
　　◆ 調(diào)用atsnd()發(fā)送AT命令“AT*ENAD=1,"GPRS 1","wap","wap"<CR>”設(shè)置接入用戶(hù)名和密碼(由GU、GP決定，此處默認(rèn)為wap和wap)；
　　◆ 調(diào)用atdst()關(guān)閉AT命令通道，然后由字符串變量NS("061.183.125.114:10010")計(jì)算出32位IP(0x3db77d72)和Port(10010)，為IP連接作準(zhǔn)備。
　?。╞） 進(jìn)入IP連接進(jìn)程。
　　先激活PDP，pdpa(1,1)；然后選擇IP連接類(lèi)型（CM=1,為T(mén)CP;CM=0,為UDP），ipo( CM, &ScNm )。UDP方式下此時(shí)已可透明傳輸U(kuò)DP數(shù)據(jù)，不需要以下步驟：
　　->執(zhí)行TCP連接： tcpc(ScNm,Port,IP)。連接成功后，即可透明傳輸TCP數(shù)據(jù)。同時(shí)不停查詢(xún)TCP連接狀態(tài)字節(jié)和IP異常標(biāo)志位時(shí)，當(dāng)檢測(cè)到TCP連接狀態(tài)不是已連接或IP異常標(biāo)志位置位時(shí)，Log()進(jìn)程將調(diào)用ipc(ScNm)關(guān)閉IP，然后跳轉(zhuǎn)到ipo()重連接。如此往復(fù)循環(huán)，就可以在檢測(cè)到連接丟失（如主站軟件關(guān)閉或斷開(kāi)偵聽(tīng)后重新打開(kāi)）或數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中發(fā)生異步時(shí)序錯(cuò)誤時(shí)自動(dòng)重新接入。

　　④  利用功能庫(kù)中的數(shù)據(jù)庫(kù)函數(shù)存儲(chǔ)非易失性參數(shù)。
　　由于數(shù)據(jù)庫(kù)函數(shù)對(duì)公用的NVM數(shù)據(jù)空間進(jìn)行操作，即使下載新腳本，原腳本建立的數(shù)據(jù)庫(kù)及數(shù)據(jù)庫(kù)中的內(nèi)容仍然存在，因此若用到數(shù)據(jù)庫(kù)腳本就必須包含刪除數(shù)據(jù)庫(kù)的部分。此應(yīng)用設(shè)計(jì)為當(dāng)串口收到“DEL”字符串時(shí)，腳本將自動(dòng)刪除當(dāng)前已建立的所有數(shù)據(jù)庫(kù)。具體如下：

　　if(!scmp(TBf,"DEL")){
　　　　/*dbadm()為數(shù)據(jù)庫(kù)管理函數(shù)，參數(shù)2表示刪除數(shù)據(jù)庫(kù)*/
　　　　　　prtf(" Delete %d db",dbadm(2));
　　}

2.4  實(shí)際運(yùn)用中需注意的問(wèn)題及解決辦法

　?、?nbsp; 若GPRS模塊在線(xiàn)、長(zhǎng)時(shí)間無(wú)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，可能被GPRS網(wǎng)絡(luò)踢掉，大多GPRS模塊都不能在短時(shí)間內(nèi)檢測(cè)到。同樣，GR64也會(huì)發(fā)生實(shí)際連接已斷，但TCP狀態(tài)字節(jié)仍為已連接的情況。雖然只要終端上發(fā)一包數(shù)據(jù)，GR64內(nèi)部將馬上更改TCP連接狀態(tài)字節(jié)為斷開(kāi)（此時(shí)腳本即可控制模塊重連接），但此包數(shù)據(jù)不能被發(fā)送至主站，需重新發(fā)送。為避免此類(lèi)情況發(fā)生，也可適當(dāng)發(fā)送上行心跳幀，以保持連接。

　?、?nbsp; 當(dāng)GR64長(zhǎng)時(shí)間不能建立連接時(shí)（例如主站偵聽(tīng)不開(kāi)），調(diào)用ipc(ScNm)關(guān)閉IP可能發(fā)生不響應(yīng)的情況，腳本中設(shè)定連續(xù)5次關(guān)閉IP失敗，模塊將調(diào)用rst()自動(dòng)軟件重啟。

　　③  內(nèi)部腳本方式下,GR64工作時(shí)不安裝天線(xiàn),將導(dǎo)致腳本運(yùn)行緩慢，但只要安裝天線(xiàn)，即使信號(hào)強(qiáng)度較弱也不會(huì)影響腳本運(yùn)行速度。

結(jié)語(yǔ)

　　基于GR64 GSM/GPRS模塊的通用數(shù)傳單元(DTU)為數(shù)據(jù)終端建立起同主站的無(wú)線(xiàn)IP連接和數(shù)據(jù)傳輸通道，具有ARM9內(nèi)核的GR64的出色性能決定了DTU能夠快速進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接、數(shù)據(jù)傳輸及處理，并支持大數(shù)據(jù)包傳輸。運(yùn)行參數(shù)可方便地進(jìn)行配置和更改，掉電不會(huì)丟失；TCP/UDP/SMS三種通信方式可滿(mǎn)足大多數(shù)情況下網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信的需要，并為網(wǎng)絡(luò)不通時(shí)預(yù)留了短信通道，以便在網(wǎng)絡(luò)故障和維護(hù)期間上報(bào)重要事件，或告警重要人員；實(shí)時(shí)在線(xiàn)/短信激活/振鈴激活3種工作方式可靈活切換，有利于實(shí)際應(yīng)用中節(jié)省流量，有效控制運(yùn)行費(fèi)用；內(nèi)部腳本方式直接使用GR64對(duì)外開(kāi)放的CPU和功能庫(kù)，簡(jiǎn)化硬件和軟件開(kāi)發(fā)，降低成本。此數(shù)傳單元具有通用性，完全可以用于各種遠(yuǎn)程采集、遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)中。

　　本文采用嵌入式腳本方式開(kāi)發(fā)GR64模塊，實(shí)現(xiàn)了DTU的單片解決方案；多工作模式和通信方式使該DTU具有應(yīng)用于各種遠(yuǎn)程采集和控制系統(tǒng)的靈活性和實(shí)用性。

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梁娟、熊月華（碩士研究生），主要研究方向?yàn)橹悄芸刂婆c智能儀器；
王典洪（教授、博士生導(dǎo)師），主要研究方向?yàn)閳D像處理與圖像通信、智能控制與智能儀器等。