基于ARM的無線終端系統(tǒng)設(shè)計

孫 駿

（安徽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 230011）

基于ARM的無線終端系統(tǒng)設(shè)計

孫 駿

（安徽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 230011）

提出了無線數(shù)據(jù)終端的數(shù)據(jù)傳輸模型及技術(shù)方案，搭建了以S3C44B0X為控制核心的數(shù)據(jù)終端硬件平臺，完成了外圍電路及GPRS射頻模塊設(shè)計。同時，在軟件方面實現(xiàn)了嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-II和輕型TCP/IP協(xié)議棧（LwIP）的移植用以滿足基于GPRS的無線數(shù)據(jù)傳輸上層應(yīng)用。

GPRS；嵌入式系統(tǒng)；μC/OS-II；ARM；LwIP

1 概述

GPRS技術(shù)資源利用率高，引入了分組交換的傳輸模式，使得原來采用電路交換模式的GSM傳輸數(shù)據(jù)方式發(fā)生了根本性的變化，這在于資源短缺的情況下顯得尤為重要。GPRS用戶的計費以通信的數(shù)據(jù)量為主要依據(jù)。實際上，GPRS用戶的連接時間可能長達(dá)數(shù)小時，卻只需支付相對低廉的連接費用。GPRS可提供高達(dá)115kbit/s的傳輸速率（最高值為171.2kbit/s，不包括FEC）。目前，在一些諸如遠(yuǎn)程設(shè)備監(jiān)測、工業(yè)監(jiān)控以及自動抄表等嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域中，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不大，采用有限通信方式既浪費又不切合實際，采用光纜投資太高，自建無線電臺局限性大，因而利用無線移動網(wǎng)絡(luò)作為傳輸平臺是理想的解決方案。

2 無線傳輸系統(tǒng)模型

系統(tǒng)以GPRS網(wǎng)絡(luò)作為無線數(shù)據(jù)傳輸平臺，將數(shù)據(jù)終端單元和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)中心作為終端設(shè)備接入到GPRS網(wǎng)絡(luò)平臺中來實現(xiàn)最終用戶數(shù)據(jù)的透明傳輸，其模型如圖1所示。遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)終端接入GPRS網(wǎng)絡(luò)中后通過GGSN （Gateway GPRS Support Node，GPRS。支持節(jié)點網(wǎng)關(guān)）接入 Internet中，并和己接入到Internet中的數(shù)據(jù)中心進(jìn)行用戶數(shù)據(jù)的透明傳輸。在該模型中，遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)終端包括用戶設(shè)備和數(shù)據(jù)終端單元DTU兩部分，而數(shù)據(jù)中心則包含數(shù)據(jù)中心服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫。

DTU通過串口使用RS-232標(biāo)準(zhǔn)將數(shù)據(jù)從用戶設(shè)備中讀入，經(jīng)DTU做透明數(shù)據(jù)協(xié)議處理后打包，使用AT命令（Modem專用控制命令）控制GPRS模塊通過GPRS網(wǎng)絡(luò)連接到數(shù)據(jù)中心；或者將GPRS網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)讀入DTU，去掉DTU控制信息后將用戶設(shè)備控制信息由用戶側(cè)串口返回用戶設(shè)備。DTU對用戶數(shù)據(jù)不做任何處理，為用戶設(shè)備數(shù)據(jù)提供透明傳輸通道。當(dāng)GPRS數(shù)據(jù)通道中斷后，DTU切換到短信備用通信方式。

3 無線數(shù)據(jù)終端硬件平臺設(shè)計

3.1 嵌入式硬件系統(tǒng)

硬件部分是實現(xiàn)整個系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)也是整個設(shè)計實現(xiàn)的關(guān)鍵。圖2為系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖。

在無線數(shù)據(jù)傳輸終端的硬件結(jié)構(gòu)中，以S3C44B0X處理器為核心，主要有以下幾個模塊組成：

●CPU中央處理器單元：包括S3C44B0X處理器的最小系統(tǒng)、時鐘電路、復(fù)位電路等部分。

●FLASH存儲單元：可存放用戶應(yīng)用程序、操作系統(tǒng)或其他在系統(tǒng)掉電后需要保存的用戶數(shù)據(jù)等，采用SST39VF160。

●SDRAM存儲單元：作為系統(tǒng)運行時的主要區(qū)域，系統(tǒng)、用戶數(shù)據(jù)及堆棧均位于其中，采用1片32位寬度的DRAM芯片HY57V641620構(gòu)成8MByte的內(nèi)存。

●以太網(wǎng)單元：以太網(wǎng)接口為系統(tǒng)提供以太網(wǎng)接入的物理通道，通過該接口系統(tǒng)可以10M的速率接入以太網(wǎng)，采用RTL8019AS網(wǎng)卡芯片。

●JTAG調(diào)試接口：該接口可對芯片內(nèi)部的所有部件進(jìn)行訪問，對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試、編程等。

●RS-232串行接口：用于S3C44B0X系統(tǒng)與用戶端進(jìn)行串行通信時使用。

●GPRS/GSM射頻模塊：用來與GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的射頻模塊，本系統(tǒng)選用Simens的MC55。

3.2 GPRS模塊實現(xiàn)

Siemens GSM/GPRS模塊MC55是內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧的三頻模塊。尺寸非常小，有利于集成進(jìn)嵌入式系統(tǒng)，同時功耗低、可靠性高。支持TCP、UDP、HTTP、FTP、SMTP 和 POP3 等 多 種 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議；具有5KB的Buffer用于GPRS數(shù)據(jù)傳輸，最大數(shù)據(jù)包長度為1.5KB，能夠緩存較多的數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送；以AT命令方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，每次傳輸都會有結(jié)果狀態(tài)返回，用戶不需要切換狀態(tài)；提供兩個全雙工串口，可以實現(xiàn)兩個TCP通道的同時傳輸，GPRS與短信或語音狀態(tài)自動切換。MC55的結(jié)構(gòu)圖如3所示。

Modem采用9V直流供電，通過DC/DC轉(zhuǎn)換電路為各個芯片提供工作電壓，SIM卡為GPRS Modem接入GPRS網(wǎng)絡(luò)提供身份認(rèn)證GPRS Modem的核心是無線模塊，無線模塊經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換和濾波電路后，利用RS232接口與控制器進(jìn)行通信，RS232接口使用標(biāo)準(zhǔn)的DB9FL。GPRS無線模塊從RS232接口接收來自控制器的AT指令，根據(jù)指令內(nèi)容完成模塊的各項設(shè)置或者相應(yīng)動作，并針對每條指令的完成狀況發(fā)送回應(yīng)到控制器。

4 無線數(shù)據(jù)終端軟件設(shè)計

本文采用了在嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OSII下編程的方法，μC/OS-II內(nèi)核為通訊協(xié)議和應(yīng)用程序提供任務(wù)管理與調(diào)度，利用μC/OS-II的占先式多任務(wù)調(diào)度機制來保證系統(tǒng)的實時性。軟件系統(tǒng)主要包括四部分內(nèi)容：系統(tǒng)啟動加載程序、嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-II、基于μC/OSII的系統(tǒng)應(yīng)用程序以及網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用部分。該系統(tǒng)的軟件模型如圖4

4.1 μC/OS-II的移植

S3C44B0X處理器完全滿足μC/OS-II的移植要求，需要完成的工作非常的簡單，修改三個和體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的文件即可，代碼量大約是500行。這三個文件是：OS_CPU.H、OS_CPU_C.C、OS_CPU_A.ASM。

上述工作完成之后，還要對移植后的內(nèi)核在目標(biāo)板上進(jìn)行測試。為μC/OS-II編寫一個啟動程序，初始化系統(tǒng)的硬件環(huán)境和軟件環(huán)境，初始化定時器以及初始化串口，并向操作系統(tǒng)提供一些硬件相關(guān)例程和函數(shù)，以方便調(diào)試。在CPU、板級和程序自身初始化完成后，就可以把CPU的控制權(quán)交給操作系統(tǒng)了。

4.2 LwIP協(xié)議棧的移植

LwIP（light weight IP）是瑞士計算機科學(xué)院的Adam Dunkels等開發(fā)的一套用于嵌入式系統(tǒng)的開放源代碼TCP/IP協(xié)議棧。LwIP既可以移植到操作系統(tǒng)上，又可以在無操作系統(tǒng)的情況下獨立運行。LwIP實現(xiàn)的重點是在保持TCP/IP協(xié)議主要功能的基礎(chǔ)上減少對RAM的占用，一般只需要幾十K的RAM和40K左右的ROM就可以運行。

LwIP協(xié)議棧在設(shè)計時就考慮到了將來的移植問題，因此把所有與硬件、OS、編譯器相關(guān)的部分獨立出來，放在/src/arch目錄下。因此LwIP在μC/OS-II上的實現(xiàn)就是修改這個目錄下的文件，其它的文件一般不應(yīng)該修改。

4.2.1 與CPU或編譯器相關(guān)的include文件

/src/arch/include/arch 目錄下 cc.h、cpu.h、perf.h中有一些與CPU或編譯器相關(guān)的定義，如數(shù)據(jù)長度，字的高低位順序等。這要與實現(xiàn)μC/OS-II時定義的數(shù)據(jù)長度等參數(shù)一致。

4.2.2 操作系統(tǒng)相關(guān)部分sys_arch文件

LwIP為了適應(yīng)不同的操作系統(tǒng)，在代碼中并沒有使用和某一個操作系統(tǒng)相關(guān)的系統(tǒng)調(diào)用和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，而是在LwIP和操作系統(tǒng)之間增加了一個操作系統(tǒng)封裝層。操作系統(tǒng)封裝層為操作系統(tǒng)服務(wù)（定時、進(jìn)程同步、消息傳遞）提供了一個統(tǒng)一的接口。LwIP中所有與操作系統(tǒng)相關(guān)的部分都在sys_arch.c和sys_arch.h中定義，LwIP協(xié)議棧的源代碼中并沒有這兩個函數(shù)，只是提供了與這兩個文件有關(guān)的描述文檔sys_arch.txt，對于在不同操作系統(tǒng)上的移植必須根據(jù)自己的需要和文檔中的要求重新封裝或者編寫這兩個文件。

4.2.3 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動程序

LwIP的網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動有一定的模型，/src/netif/ethernetif.c文件即為驅(qū)動的模板，本文的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備8019AS芯片實現(xiàn)驅(qū)動即參照此模板。在驅(qū)動中主要做的就是實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接口的收、發(fā)、初始化以及中斷處理函數(shù)。

4.3 無線數(shù)據(jù)傳輸

系統(tǒng)初始化任務(wù)完成對GPRS/GSM模塊的的測試及初始化，GPRS/GSM模塊的操作通過AT命令來實現(xiàn)，發(fā)送“AT+回車”命令來測試模塊是否正常工作，如果模塊返回“OK”表示模塊正常。在測試模塊正常工作之后發(fā)送其它AT命令來設(shè)置模塊數(shù)據(jù)傳輸速率為115200b/s，設(shè)置GPRS連接并建立TCP網(wǎng)絡(luò)連接，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)中的GGSN節(jié)點建立起DTU與公共Internet上的數(shù)據(jù)中心之間的TCP網(wǎng)絡(luò)連接，之后初始化用戶側(cè)的環(huán)狀串口緩沖區(qū)準(zhǔn)備接收用戶數(shù)據(jù)。至此，一條DTU與數(shù)據(jù)中心之間的無線到有線的鏈路建立成功，用戶可以隨時向數(shù)據(jù)中心傳輸數(shù)據(jù)。

S3C44BOX URAT單元提供2個獨立的異步串行通信口，均可工作于中斷和DMA模式，最高波特率為115200b/s。每個UART單元包含一個16字節(jié)FIFO，用于數(shù)據(jù)接收和發(fā)送。本系統(tǒng)中，兩個異步串口均被使用，一個用于與用戶側(cè)設(shè)備相接，接收用戶側(cè)數(shù)據(jù)，而另一個與GPRS/GSM射頻模塊相接實現(xiàn)與模塊間的數(shù)據(jù)傳輸。用戶側(cè)串口的工作方式必須選擇中斷方式，一旦有數(shù)據(jù)立即接收并處理，否則就會出現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)的丟失等現(xiàn)象。

滿包數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)從用戶側(cè)串口讀入數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)區(qū)，當(dāng)收到16個字符時發(fā)送configmsg消息，當(dāng)收夠一包（256個字符）時，GPRS模塊發(fā)送AT命令發(fā)送固定長度（256個字符）數(shù)據(jù)，并清空數(shù)據(jù)區(qū)。當(dāng)串口數(shù)據(jù)不足整包即不滿256個字符時或者長時間無數(shù)據(jù)發(fā)送時，就需要數(shù)據(jù)處理任務(wù)對數(shù)據(jù)做其他處理。數(shù)據(jù)處理任務(wù)讀取串口數(shù)據(jù)，因其優(yōu)先級低于滿包數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)，因而當(dāng)串口數(shù)據(jù)滿一包時會被高優(yōu)先級的滿包數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)處理，低優(yōu)先級的數(shù)據(jù)處理任務(wù)只用來處理不滿一包的數(shù)據(jù)，將這些不滿一包的數(shù)據(jù)單獨用AT命令控制GPRS模塊發(fā)送。

5 結(jié)束語

嵌入式系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化是當(dāng)今嵌入式領(lǐng)域的一大研究熱點，在軍事和民用領(lǐng)域都有非常廣泛的應(yīng)用前景。嵌入式產(chǎn)品將成為互連網(wǎng)的主要終端之一，嵌入式網(wǎng)絡(luò)平臺的研究將使得更多的工業(yè)設(shè)備和儀器方便、快捷、經(jīng)濟的接入Internet，因而具有廣闊的市場前景。隨著通信費用的進(jìn)一步降低，GPRS無線數(shù)據(jù)終端的應(yīng)用將會迅速普及。

[1]Samsung.Samsung User’s Manual[EB/OL].www.samsung.com，2002.

[2][美]Jean J.Labrosse著，邵貝貝等譯.嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-II（第二版）[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2003.

[3]A.Dunkels.LwIP-a lightweight TCP/IP stack.http://dunkels.com/adam/uip/2002，10.

[4]里吉斯.通用分組無線業(yè)務(wù)（GPRS）技術(shù)與應(yīng)用[M].北京:人民郵電出版社，2004.

[5]管耀式，楊宗德.ARM嵌入式無線通信系統(tǒng)開發(fā)實例精講[M].北京:電子工業(yè)出版社，2006.

[6]何劍蘭.基于 S3C44BOX 的 TCP／IP 協(xié)議棧實現(xiàn)[J].中國水運，2007，（5）:128-129.

WIRELESS TERMINAL SYSTEM DESIGN BASED ON ARM

SUN Jun
（Anhui Vocational and Technical College， Anhui Hefei 230011）

Put out the transmission model and technological scheme about wireless data terminal， build the hardware platform which dominant core is S3C44BOX， accomplished the periphery circuit and GPRS mode.At the same time， in the software，realized transplant of μC/OS-II and the light weight TCP/IP（LwIP） in order to fit the app1ication of wireless data transmission based on GPRS.

GPRS；embedded system；μC/OS-II；ARM；LwIP.

TP393.03

A

1672－2868（2010）06－0034－04

2010－09-04

孫駿（1970－），男，安徽六安人。講師，碩士研究生，研究方向：計算機網(wǎng)絡(luò)及嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用。

責(zé)任編輯：陳 侃