本文給出了一種針對工業總線的嵌入式系統連接Internet的無線上網方案，探討了實現該方案中要解決的主要問題。設計并實現了基于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，實現了基于實時操作系統μC/OS-Ⅱ的嵌入式TCP/IP協議棧，對軟件系統中的主要模塊進行了分析。
1 引言
隨著Internet的快速發展，Internet已成為信息流通的重要渠道，Internet接入終端在各種遠程監控系統中得到廣泛應用。采用GPRS無線移動互聯網接入技術的終端，使得現有工業總線的監控系統直接通過Internet進行遠程數據傳輸，解決了采用以太網或電話線接入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接入終端已經成為工業控制、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嵌入式數據傳輸終端的設計與實現。
2設計原理
將嵌入式系統接入Internet涉及兩個關鍵問題，即傳送信息的媒質和采用的協議，傳輸媒質可以是以太網或者電話線等媒介，在本設計中采用GPRS Modem作為無線接入Internet的媒質；協議采用嵌入式TCP/IP協議棧。通過GPRS Modem與當地GSM基站中的GPRS業務節點進行無線通信，進入GPRS網絡，然后通過GPRS網關與Internet進行數據傳輸。
系統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據通過GPRS modem發送出去或者傳向工業總線。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Internet網絡數據的收發；另一個串行接口通過工業總線與其他嵌入式設備進行數據通信。該實現方法采用數據透明傳輸，對原有的嵌入式系統不附加限制條件，較好地實現了網絡功能，而且系統的實時性較高。
3基于AT91R40008的硬件設計
為了解決網絡協議軟件和實時操作系統處理的硬件瓶頸，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，增強系統的穩定性，并且兩個全雙工通用同步/異步收發器（USART）與外圍控制器PDC連接，使用PDC方式，整段數據交給硬件自動收發處理比單字節處理要大大減輕系統處理壓力，提高了系統的實時性。
圖1所示為控制模塊的硬件連接圖。圖中MAX232負責實現系統的另一個用戶接口與標準232總線之間的電平轉換；24CL04負責存儲系統運行時需要的重要參數，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及設備的初始化，創建接收發送任務，建立連接的通信鏈路，保證網絡連接實時有效等。采用的實時操作系統是源碼開放的嵌入式操作系統μC/OS-Ⅱ，為了嵌入式系統能接入Internet，成功移植實時操作系統后還要實現一個嵌入式TCP/IP協議棧。軟件設計采用層次結構，從下到上依次是：硬件驅動程序、操作系統內核軟件、網絡接口軟件、協議軟件和應用程序。
4.1實時操作系統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據類型的定義、處理器實現開關中斷的方法、堆棧類型的定義和幾個宏定義及函數說明；修改OS_CPU_C.C文件，用C語言實現堆棧初始化和幾個提供給用戶用于擴展操作系統功能的hook（又稱為鉤子函數）函數；修改OS_CPU_A.S文件，用與CPU相關的匯編語言實現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，對實時系統的源碼不做改動，但要編寫能在操作系統內直接調用的微控制器外圍設備驅動函數，這些驅動函數構成微控制器的控制驅動函數庫，使得在操作系統內可以完成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能夠使用各個外圍器件以及協議的實現都很重要。
4.2 嵌入式TCP/IP協議棧
在實時操作系統上需要一個TCP/IP協議棧來實現在Internet接入并收發數據，為了提高效率節省資源，采用簡化的TCP/IP協議棧，本次應用只保留了TCP、UDP、IP和PPP協議，如圖2所示，網絡協議棧和構件為網絡環境的嵌入式應用提供有效的系統服務。
圖2 網絡協議棧和部件
傳輸層采用TCP（傳輸控制協議）和UDP（用戶數據報協議）。TCP是一種面向連接的協議，它提供可靠的字節流傳輸；UDP協議沒有保證可靠性的機制，但可以實現高速高效的發送數據報。網絡層協議實現的主要是IP，在實現中IP協議不支持IP包的分片和重裝以及路由選擇。物理層的GPRS Modem實現了連接網絡的物理設備，要通過Modem撥號上網，必須在數據鏈路層上實現PPP撥號協議，按照PPP協議的要求與移動GPRS網關建立通信鏈路。為了方便協議軟件的使用還要實現各個層面的接口，網絡接口層在網絡協議和網絡設備、不同的協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絡的統一接口。
4.3 緩沖區和驅動軟件
本次應用中緩沖區和驅動軟件是提高系統性能的關鍵，通過多種緩沖區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，提高連續數據并行處理能力；高效驅動軟件的設計降低了硬件處理對CPU的占有率。
數據經過串口硬件設備進入軟件系統后就開始在一系列緩沖區中傳遞，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緩沖區、串口收發工作緩沖區、網絡接口讀寫緩沖區，最后是協議棧緩沖區。這樣整個數據交流過程就變成對本層緩沖區的讀寫，接口程序的編寫相對簡單明了。
圖3 緩沖區設計示意圖
每個串口的收發緩沖區是6組長度為512字節的char類型數組，工作緩沖區是長度為1KB的char類型環行隊列；網絡接口讀寫緩沖區采用和工作緩沖區相同的結構;協議棧緩沖區是協議軟件處理過程中數據的唯一載體，協議棧緩沖區采用結構體的靜態鏈表結構。
上述緩沖區設計不僅保證了連續數據到來時CPU有足夠的處理時間和空間，而且將硬件和網絡協議軟件隔離便于軟件的設計開發。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作緩沖區以提高系統性能。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，節省更多RAM為軟件升級使用。
表1 整個系統的RAM占用表
驅動程序包括三部分：初始化部分，函數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，完成系統相關的設置；函數功能部分完成系統指定的功能，中斷服務程序的主要功能是發起一個任務來完成必要的處理。為串口硬件編寫驅動函數的工作主要是串口的啟動、停止、波特率設置、控制PDC以及對緩沖區的讀寫。
4.4系統啟動工作流程
處理器上電后首先進行CPU硬件、操作系統、協議棧軟件參數的初始化工作；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，才能進行網絡服務器的連接。用戶任務除了負責網絡和工業總線數據交換以外，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，負責網絡連接的檢測以及判斷網絡中斷連接是否由GSM模塊故障引起，從而決定是否對GSM模塊重啟，以保證整個系統的穩定運行。
5 結束語
本文給出了一種基于32位ARM微處理器和GPRS的嵌入式無線數據傳輸終端的實現方案。該方案硬件成本不高于采用中高檔單片機的實現方案，同時具有數據吞吐量大、可靠性高、處理能力強等優點。嵌入式TCP/IP協議和實時系統相結合的軟件平臺，增強了系統的功能性和實時性，這種平臺不僅可以作為測控網絡與Internet數據接入終端，還可以實現FTP、WEB、GUI、FS等多種嵌入式應用，用于遠程監控網站、監控圖片傳輸、網絡硬盤、現場界面機等應用場合，替換PC機降低系統成本。
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[M]. 北京: 北京航空航天大學出版社,2003.
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[3] Gary R.Wright, W.Richard Stevens. TCP/IP詳解 卷2:實現[M]. 北京:機械工業出版社,2002 .