基于GPRS网络的嵌入式系统的研究.pdf

基于GPRS网络的嵌入式系统的研究 基于GPRS网络的嵌入式系统的研究 周剑玲 梁秀荣 华北科技学院 065201 摘要摘要 基于GPRS网络的嵌入式系统可以利用嵌入式系统结构紧凑 功能强和实时性强等特 点 用GPRS网络进行数据传输 扩展了嵌入式系统的应用范围 使得该嵌入式系统可以广泛 适用于水情远程监控 信用卡确认 POS 等场合 本文介绍了基于GPRS网络的嵌入式系统的 硬件和软件设计与实现 关键字关键字 GPRS 嵌入式系统 ARM TCP IP协议 中图分类号 中图分类号 TP368 文献标识码 文献标识码 A The Research of Embedded System Based on GPRS Network Zhoujianling liangxiurong North China Institute Science and Technology 065201 Abstract Based on the GPRS networks of embedded systems can make use of compact embedded systems strong features and strong features such as real time using GPRS network for data transmission to expand the scope of the application of embedded systems making the embedded system can be widely applied to water Remote monitoring the situation confirmed that the credit card POS and so on In this paper hardware and software design and realization based on the GPRS networks of embedded systems are introduced Keywords GPRS Embedded System ARM TCP IP Protocol 1 系统硬件平台设计与实现 系统硬件平台设计与实现 1 1 终端硬件平台总体介绍终端硬件平台总体介绍 本文的终端平台的无线接入模块采用西门子最新推出的 MC39i 模块 并以 32 位基于 ARM920T 的微处理 S3C241OX 为核心 按照功能分类 本文所实现的硬件平台主要由微处理 器单元 存储器单元 串口通讯单元 USB 接口单元 电源单元 GPRS 通讯模块单元以及 JTAG 接口单元组成 硬件总框图如图 1 所示 图 1 终端硬件系统总框图 图 1 终端硬件系统总框图 1 2 嵌入式微处理器单元嵌入式微处理器单元 本文硬件平台的 CPU 采用的 Samsung 的基于 ARM920T 内核的 S3C2410X 微处理器 该微 处理器是 Samsung 公司为手持设备和一般类型应用提供一种低价格 低功耗 高性能小型微 电源控制电路 USB 接口 S3C2410 嵌入式微处理器 设备 RS232 串 行 通 讯接口 Flash 程 序 存 储 器 西门子 MC39i 模块 JTAG 接口 GPRS 网络 SDRAM 程 序 存 储器 控制器的解决方案 S3C2410X 采用了 0 18um 工艺的 CMOS 标准宏单元和存贮器单元 它的 低功耗 精简和出色的全静态设计特别适用于对成本和功耗敏感的应用 S3C2410X 的显著特性是它的 CPU 核心 是一个由 Advanced RISC Machine ARM 有限公 司设计的 16 32 位的高速缓冲体系结构 这一结构具有独立的 16KB 指令 Cache 和 16KB 数 据 Cache 每个都是由 8 字节长的行构成 通过提供一系列完整的系列外围设备 S3C2410X 大大减少了整个系统的成本 消除了为系统配置额外器件的需要 1 3 GPRS 模块模块 MC39i MC39i 是西门子公司最近推出的新一代双频 GSM GPRS 通讯模块的无铅产品 它简洁的 封装是很多应用系统中无线高速数据传输的理想解决方案 可以进行数据 语音 SMS 和 FAX 各个方面的应用 且功耗低 它为用户提供了永远在线 高速度 更简单的移动数据通信接 入手段 MC39i 具有丰富的 AT 指令 功能强大 操作灵活方便 是继 GPRS 手机外有一种非 常重要的 GPRS 移动通信系统的终端设备 它的出现给 GPRS 的发展注入了新的活力 MC39i 具有体积小 重量轻 功耗低等特点 MC39i 的工作电压为 3 3 伏一 4 8 伏 典 型电压为 4 2 伏 最大工作电流为 2 安 模块可以工作在 EGSM900 和 GSM1800 两个频段 工 作于 EGSM900 时功耗为 2 瓦 工作于 GSM1800 时功耗为 1 瓦 利用 AT 指令进行控制 支持 文本和 PDU 模式的短消息 第三组的二类传真 模块常用的工作模式有省电模式 IDLE TALK 数据等模式 通过独特的 40 脚的连接器 ZIF 实现电源连接 指令 数据 语音信号及控制 信号的双向传输 MC39i 模块主要由 GSM 基带控制器 射频模块 供电模块 闪存 ZIF 连接器 射频功 率放大器 天线接口六部分组成 1 4 存储器单元设计存储器单元设计 本系统的外部存储器主要由非易失性存储器 Flash 和易失性存储器 SDRAM 构成 其中 Flash 用来存放需要固化的程序 如操作系统和 BootLoader 等 掉电后不易丢失 而 SDRAM 相当于 PC 机的内存 用来运行系统和程序 掉电后易消失 本终端的存储系统包含 8MB Flash 存储器和 32M SDRAM 其中 8M 的 Flash 用来存放内 部启动代码 Linux 内核以及初始化的 ramdisk 映像 剩余的存储空间可存放用户程序 本 文采用的 Flash 为 Intel 公司的 28F640J3A BGA 封装 这块芯片有 23 根地址线 16 根数 据线 容量为 8MB 128KB 的可擦除块 擦除块之间相互独立 每一块的擦除操作可在 1s 内 完成 并可单独被擦写 100000 次 支持 8 位及 16 位两种数据宽度工作模式 在采用 8 位数 据宽度模式时 有效地址线为 AO A22 采用 16 位数据宽度模式时 有效地址线为 Al A22 在此我们采用 16 位数据宽度模式 我们把 16 位数据宽度的 Flash 存储器映射到 S3C2410X 的 ROM Bank 2 基于基于GPRS的终端设计的终端设计 目前硬件上的实现方案有两种 二者各有优缺点 分别叙述如下 方案 1 使用 TCP IP 协议芯片 此方案利用了硬件协议栈 由单片机调用指令控制芯片 其系统结构如图 2 所示 图2 采用图2 采用TCP IP协议芯片接入互联网的无线终端设计框图协议芯片接入互联网的无线终端设计框图 本方案对处理器性能的要求相对不高 因为协议栈的工作交给 TCP IP 协议芯片去完成 MCU TCP IP 芯片 GPRS 终端 GPRS 网络 Internet 串口 设备 处理器通过调用协议栈接口函数可以较方便地连接上网 继而再加上 GPRS 通讯模块就可以 实现远程无线传输 本设计方案的优点是开发时间短 硬件上是成熟的芯片 运行比较稳定 但是本方案的缺点是硬件体积会相应增大 成本也较大 方案 2 嵌入式操作系统 此方案利用了包含完整 TCP IP 协议栈的嵌入式操作系统来控制整个系统的运行 由于 引入了操作系统 因此本方案比较适合于系统资源丰富的高速 16 32 位嵌入式系统使用 其 系统结构示意图如图 3 所示 图3 内嵌操作系统及协议栈的互联网无线终端设计框图图3 内嵌操作系统及协议栈的互联网无线终端设计框图 本设计方案不需要外加TCP IP协议转换芯片 所以硬件体积小 成本少 但是开发时间 长 需要做大规模的软件上的工作 比如操作系统的嵌入 TCP IP协议栈 PPP协议的处理等 都需要在一个处理器中完成 对开发者要求很高 另外还要做大量的测试 基于以上两种方案 GPRS终端相当于Modem 用于连接设备和Internet网络 利用GPRS网络 与分组数据网络互联互通的特性 实现了将设备接入最大的PDN网络Internet 设备与GPRS 终端之间采用串行接口通讯 在GPRS终端连接上网络后 设备即可以通过其来实现与 Internet上的主机进行数据通讯 GPRS终端透明收发数据 这种实现方法类似于使用家用PC 做代理接入的方式 只是这里采用了无线方式 网关改为GPRS终端 3 系统软件设计 系统软件设计 基于GSM GPRS的无线数据传输模块设计的目的是为无线网络通信应用提供一个简单实 用的平台 须在模块内嵌TCP IP协议栈 实现了数据在用户终端和服务器之间的透明传输 使用户可以方便地应用 实现远程的无线数据传输 无线数据传输模块的软件结构框图如图 4所示 图4 软件结构框图图4 软件结构框图 本系统中ETR186底层的硬件驱动已由英创公司做好并提供了丰富的接口 其中COM2口提 供给MC35i通信使用 并提供相关例程演示通过COM2如何和无线模块进行通信 因此该系统 软件部分主要是需要实现PPP协议 IP协议及TCP UDP协议 并为应用程序提供一个简单易用 的接口 在此重点介绍TCP UDP协议 3 1 TCP IP 协议介绍协议介绍 TCP IP协议集是当今使用最广泛的Internet体系结构 根据相关协议标准 可把TCP IP MCU RTOS增 加协议栈 串口 GPRS 终端 GPRS 网络 Internet 应用程序 TCP UDP 协议 IP 协议 PPP 协议 ETR186 和 MC35i 串口通信 ETR186 底层硬件驱动 协议集划分为四个相对独立的层次 网络接口层 网络层 传输层和应用层 网络接口层负责与物理网络的连接 支持现有网络的各种接入标准 如 X25 分组交换 网 DDN ATM 网 以太网 Ethernet PPP Point to Point Protocol 点到点协议 SLIP 等 在本系统中将使用 PPP 协议 网络层即 IP 层 它主要完成的功能是 从底层来的数据包要由它来选择继续传给其他网 络结点或是直接交给传输层 对从传输层来的数据包 要负责按照数据分组的格式填充报头 选择发送路径 并交由相应的线路发送出去 传输层提供端到端应用进程之间的通信 其对高层屏蔽了底层网络的实现细节 同时它 真正实现了源主机到目的主机的端到端的通信 传输层传送的数据单位是报文 在应用层用户通过 API 应用进程接口 调用应用程序来运用因特网提供的多种服务 应 用程序负责收发数据 并选择传输层提供的服务类型 按传输要求的格式递交 3 2 系统初始化系统初始化 为了能利用 TCP PI 协议进行数据传输 必须对系统的硬件和软件进行初始化 图 5 为 系统初始化部分的流程图 图 5 系统初始化流程图图 5 系统初始化流程图 1 系统软件在开始时首先需要通过检查 0 x90 端口的输入电平是否为高来判断 MC35i 模块是否正常上电 若未能正常上电 软件将通过 0 x90 端口的输出使 MC35i 模块上电 2 MC35i 模块上电后 软件将在内存中开辟一个缓存区做为包括 PPP IP TCP UDP 等协议的数据缓存区 做为该缓存区内数据存放方式采用双向链表的方式 3 为了 TCP 协议实现中能够进行超时检测 软件利用 R8822CPU 模块的内部定时器安装 一个 20ms 的时钟中断 4 ETR186 通过其串口 COM2 和 MC35i 模块连接 软件通过安装串口中断进行和 MC35i 模块的数据传输 5 完成上述操作后 系统就可以利用 AT 命令登录 GPRS 网络 不成功就进行重试 超 初始化开始 GPRS 模 块上电 GPRS模 块上电 初始化协议 数据缓冲区 安装 TCP 定时器 安 装 GPRS 串口中断 登录 GPRS ISP PPP 链路连接 初始化结束 是 是 否 否 过重试次数后出错报告 6 最后进行 PPP 链路的连接 4 小结小结 本文作者创新点是将嵌入式Linux系统技术与GPRS无线通信网络有机的结合在一起 平 台采用无线模块MC39i 结合终端的嵌入式硬件结构和软件环境 为终端上实现无线应用提 供了一个可行的实现途径 经实验验证 该终端平台能有效的将采集到的数据通过GPRS网 络 传输至远程服务器中心主机 也能接受服务器中心主机发送的命令 再根据命令的内容 进行相应的操作 达到实现无线数据传输 参考文献参考文献 1 龙光利 基于嵌入式系统的 GPRS 的设计 微计算机信息 2008 5 2 50 51 2 姜日敏 GPRS技术在GSM移动通信系统中的应用 学位论文 北京 北京邮电大学 2002 3 傅中君 嵌入式GPRS模块的设计与实现 计算机工程与应用 2004 4 16