基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的嵌入式系統(tǒng)的研究

1系統(tǒng)硬件平臺設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.1 終端硬件平臺總體介紹

本文的終端平臺的無線接入模塊采用西門子最新推出的 MC39i模塊，并以 32位基于ARM920T的微處理 S3C241OX為核心。按照功能分類，本文所實(shí)現(xiàn)的硬件平臺主要由微處理器單元、存儲器單元、串口通訊單元、USB接口單元、電源單元、GPRS通訊模塊單元以及JTAG接口單元組成，硬件總框圖如圖 1所示。

1.2 嵌入式微處理器單元

本文硬件平臺的 CPU采用的 Samsung的基于ARM920T內(nèi)核的 S3C2410X微處理器，該微處理器是 Samsung公司為手持設(shè)備和一般類型應(yīng)用提供一種低價(jià)格、低功耗、高性能小型微控制器的解決方案。S3C2410X采用了 0.18um工藝的 CMOS標(biāo)準(zhǔn)宏單元和存貯器單元。它的低功耗、精簡和出色的全靜態(tài)設(shè)計(jì)特別適用于對成本和功耗敏感的應(yīng)用。

S3C2410X的顯著特性是它的 CPU核心，是一個(gè)由 Advanced RISC Machine(ARM)有限公司設(shè)計(jì)的 16/32位的高速緩沖體系結(jié)構(gòu)。這一結(jié)構(gòu)具有獨(dú)立的 16KB指令 Cache和 16KB數(shù)據(jù) Cache，每個(gè)都是由 8字節(jié)長的行構(gòu)成。通過提供一系列完整的系列外圍設(shè)備， S3C2410X大大減少了整個(gè)系統(tǒng)的成本，消除了為系統(tǒng)配置額外器件的需要。

1.3 GPRS模塊 MC39i

MC39i是西門子公司最近推出的新一代雙頻 GSM/GPRS通訊模塊的無鉛產(chǎn)品，它簡潔的封裝是很多應(yīng)用系統(tǒng)中無線高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)睦硐虢鉀Q方案，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)、語音、SMS和FAX各個(gè)方面的應(yīng)用，且功耗低。它為用戶提供了永遠(yuǎn)在線、高速度、更簡單的移動(dòng)數(shù)據(jù)通信接入手段。MC39i具有豐富的 AT指令，功能強(qiáng)大，操作靈活方便，是繼 GPRS手機(jī)外有一種非常重要的 GPRS移動(dòng)通信系統(tǒng)的終端設(shè)備。它的出現(xiàn)給 GPRS的發(fā)展注入了新的活力。

MC39i具有體積小、重量輕、功耗低等特點(diǎn)。MC39i的工作電壓為 3.3伏一 4.8伏，典型電壓為 4.2伏。最大工作電流為 2安。模塊可以工作在 EGSM900和 GSM1800兩個(gè)頻段。工作于 EGSM900時(shí)功耗為 2瓦，工作于 GSM1800時(shí)功耗為 1瓦。利用 AT指令進(jìn)行控制，支持文本和 PDU模式的短消息、第三組的二類傳真。模塊常用的工作模式有省電模式、IDLE、TALK、數(shù)據(jù)等模式。通過獨(dú)特的 40腳的連接器(ZIF)實(shí)現(xiàn)電源連接、指令、數(shù)據(jù)、語音信號及控制信號的雙向傳輸。

MC39i模塊主要由 GSM基帶控制器、射頻模塊、供電模塊、閃存、ZIF連接器、射頻功率放大器、天線接口六部分組成。

1.4 存儲器單元設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的外部存儲器主要由非易失性存儲器 Flash和易失性存儲器 SDRAM構(gòu)成，其中Flash用來存放需要固化的程序，如操作系統(tǒng)和 BootLoader等，掉電后不易丟失，而 SDRAM相當(dāng)于 PC機(jī)的內(nèi)存，用來運(yùn)行系統(tǒng)和程序，掉電后易消失。

本終端的存儲系統(tǒng)包含 8MB Flash存儲器和 32M SDRAM。其中 8M的 Flash用來存放內(nèi)部啟動(dòng)代碼、Linux內(nèi)核以及初始化的 ramdisk映像。剩余的存儲空間可存放用戶程序。本文采用的 Flash為 Intel公司的28F640J3A，BGA封裝。這塊芯片有 23根地址線，16根數(shù)據(jù)線，容量為8MB，128KB的可擦除塊;擦除塊之間相互獨(dú)立，每一塊的擦除操作可在 1s內(nèi)完成，并可單獨(dú)被擦寫 100000次;支持8位及16位兩種數(shù)據(jù)寬度工作模式。在采用8位數(shù)據(jù)寬度模式時(shí)，有效地址線為AO-A22;采用 16位數(shù)據(jù)寬度模式時(shí)，有效地址線為Al-A22。在此我們采用 16位數(shù)據(jù)寬度模式。我們把 16位數(shù)據(jù)寬度的 Flash存儲器映射到 S3C2410X的 ROM Bank()。

2 基于GPRS的終端設(shè)計(jì)

目前硬件上的實(shí)現(xiàn)方案有兩種，二者各有優(yōu)缺點(diǎn)，分別敘述如下: 方案1:使用 TCP/IP協(xié)議芯片。 此方案利用了硬件協(xié)議棧，由單片機(jī)調(diào)用指令控制芯片，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 2所示。

本方案對處理器性能的要求相對不高，因?yàn)閰f(xié)議棧的工作交給 TCP/IP協(xié)議芯片去完成。 處理器通過調(diào)用協(xié)議棧接口函數(shù)可以較方便地連接上網(wǎng)，繼而再加上 GPRS通訊模塊就可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無線傳輸。本設(shè)計(jì)方案的優(yōu)點(diǎn)是開發(fā)時(shí)間短，硬件上是成熟的芯片，運(yùn)行比較穩(wěn)定。但是本方案的缺點(diǎn)是硬件體積會相應(yīng)增大，成本也較大。 方案2:嵌入式操作系統(tǒng)。

此方案利用了包含完整 TCP/IP協(xié)議棧的嵌入式操作系統(tǒng)來控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。由于引入了操作系統(tǒng)，因此本方案比較適合于系統(tǒng)資源豐富的高速 16/32位嵌入式系統(tǒng)使用。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖 3所示。

本設(shè)計(jì)方案不需要外加TCP/IP協(xié)議轉(zhuǎn)換芯片，所以硬件體積小，成本少。但是開發(fā)時(shí)間長，需要做大規(guī)模的軟件上的工作(比如操作系統(tǒng)的嵌入、 TCP/IP協(xié)議棧、PPP協(xié)議的處理等都需要在一個(gè)處理器中完成)，對開發(fā)者要求很高。另外還要做大量的測試。 基于以上兩種方案，GPRS終端相當(dāng)于Modem，用于連接設(shè)備和Internet網(wǎng)絡(luò)。利用GPRS網(wǎng)絡(luò)與分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通的特性，實(shí)現(xiàn)了將設(shè)備接入最大的PDN網(wǎng)絡(luò)Internet。設(shè)備與GPRS終端之間采用串行接口通訊，在GPRS終端連接上網(wǎng)絡(luò)后，設(shè)備即可以通過其來實(shí)現(xiàn)與Internet上的主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，GPRS終端透明收發(fā)數(shù)據(jù)。這種實(shí)現(xiàn)方法類似于使用家用PC做代理接入的方式，只是這里采用了無線方式，網(wǎng)關(guān)改為GPRS終端。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于GSM/GPRS的無線數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)計(jì)的目的是為無線網(wǎng)絡(luò)通信應(yīng)用提供一個(gè)簡單實(shí)用的平臺，須在模塊內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)在用戶終端和服務(wù)器之間的透明傳輸，使用戶可以方便地應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的無線數(shù)據(jù)傳輸。無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

本系統(tǒng)中ETR186底層的硬件驅(qū)動(dòng)已由英創(chuàng)公司做好并提供了豐富的接口，其中COM2口提供給MC35i通信使用，并提供相關(guān)例程演示通過 COM2如何和無線模塊進(jìn)行通信。因此該系統(tǒng)軟件部分主要是需要實(shí)現(xiàn)PPP協(xié)議、IP協(xié)議及TCP/UDP協(xié)議，并為應(yīng)用程序提供一個(gè)簡單易用的接口。在此重點(diǎn)介紹TCP/UDP協(xié)議。

3.1 TCP/IP協(xié)議介紹TCP/IP協(xié)議集是當(dāng)今使用最廣泛的Internet體系結(jié)構(gòu)，根據(jù)相關(guān)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，可把TCP/IP

協(xié)議集劃分為四個(gè)相對獨(dú)立的層次:網(wǎng)絡(luò)接口層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層。

網(wǎng)絡(luò)接口層負(fù)責(zé)與物理網(wǎng)絡(luò)的連接，支持現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的各種接入標(biāo)準(zhǔn)，如.X25分組交換網(wǎng)、DDN、ATM網(wǎng)、以太網(wǎng)(Ethernet)、PPP(Point-to-Point Protocol，點(diǎn)到點(diǎn)協(xié)議)、SLIP等。在本系統(tǒng)中將使用 PPP協(xié)議。

網(wǎng)絡(luò)層即 IP層，它主要完成的功能是:從底層來的數(shù)據(jù)包要由它來選擇繼續(xù)傳給其他網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)或是直接交給傳輸層;對從傳輸層來的數(shù)據(jù)包，要負(fù)責(zé)按照數(shù)據(jù)分組的格式填充報(bào)頭，選擇發(fā)送路徑，并交由相應(yīng)的線路發(fā)送出去。

傳輸層提供端到端應(yīng)用進(jìn)程之間的通信，其對高層屏蔽了底層網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，同時(shí)它真正實(shí)現(xiàn)了源主機(jī)到目的主機(jī)的端到端的通信。傳輸層傳送的數(shù)據(jù)單位是報(bào)文。

在應(yīng)用層用戶通過API(應(yīng)用進(jìn)程接口)調(diào)用應(yīng)用程序來運(yùn)用因特網(wǎng)提供的多種服務(wù)。應(yīng)用程序負(fù)責(zé)收發(fā)數(shù)據(jù)，并選擇傳輸層提供的服務(wù)類型，按傳輸要求的格式遞交。

3.2 系統(tǒng)初始化

為了能利用 TCP/PI協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，必須對系統(tǒng)的硬件和軟件進(jìn)行初始化。圖 5為系統(tǒng)初始化部分的流程圖。

(1)系統(tǒng)軟件在開始時(shí)首先需要通過檢查 0x90端口的輸入電平是否為高來判斷 MC35i模塊是否正常上電。若未能正常上電，軟件將通過 0x90端口的輸出使 MC35i模塊上電。

(2)MC35i模塊上電后，軟件將在內(nèi)存中開辟一個(gè)緩存區(qū)做為包括PPP、IP、TCP、UDP等協(xié)議的數(shù)據(jù)緩存區(qū)，做為該緩存區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)存放方式采用雙向鏈表的方式。

(3)為了 TCP協(xié)議實(shí)現(xiàn)中能夠進(jìn)行超時(shí)檢測，軟件利用 R8822CPU模塊的內(nèi)部定時(shí)器安裝一個(gè) 20ms的時(shí)鐘中斷。

(4)ETR186通過其串口 COM2和 MC35i模塊連接，軟件通過安裝串口中斷進(jìn)行和 MC35i模塊的數(shù)據(jù)傳輸。

(5)完成上述操作后，系統(tǒng)就可以利用 AT命令登錄 GPRS網(wǎng)絡(luò)。不成功就進(jìn)行重試，超過重試次數(shù)后出錯(cuò)報(bào)告。

(6)最后進(jìn)行 PPP鏈路的連接。

4 小結(jié):

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)是將嵌入式Linux系統(tǒng)技術(shù)與 GPRS無線通信網(wǎng)絡(luò)有機(jī)的結(jié)合在一起。平臺采用無線模塊MC39i，結(jié)合終端的嵌入式硬件結(jié)構(gòu)和軟件環(huán)境，為終端上實(shí)現(xiàn)無線應(yīng)用提供了一個(gè)可行的實(shí)現(xiàn)途徑。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該終端平臺能有效的將采集到的數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)，傳輸至遠(yuǎn)程服務(wù)器中心主機(jī)，也能接受服務(wù)器中心主機(jī)發(fā)送的命令，再根據(jù)命令的內(nèi)容進(jìn)行相應(yīng)的操作，達(dá)到實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸。