摘要：運(yùn)用ARM單片機(jī)LPC2104及西門子公司的GPRSmodem設(shè)計(jì)一種嵌入式Internet接入系統(tǒng)，并提供相應(yīng)的硬件原理圖和嵌入式操作系統(tǒng)移植方案。

    關(guān)鍵詞：uc/OS-II uIP GPRS TCP/IP 嵌入式Internet

引言

隨著GPRS技術(shù)在無(wú)線通信領(lǐng)域的發(fā)展，GPRSmodem作為GPRS在Internet的PC機(jī)終端已得到了廣泛應(yīng)用。相應(yīng)的，在單片機(jī)系統(tǒng)中運(yùn)用GPRSmodem實(shí)現(xiàn)Internet接入也已開(kāi)始為人們所重視。GPRS可以發(fā)揮永遠(yuǎn)在線、快速登錄、按流量計(jì)費(fèi)等優(yōu)勢(shì)。如果無(wú)線傳輸?shù)膬H僅只是低速數(shù)據(jù)，用成本較高的PC機(jī)來(lái)控制則成本過(guò)高。本文采用在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)uC/OS-II中移植一種小型TCP/IP協(xié)議棧uIP的方法，提供了一套運(yùn)用ARM CPU及西門子公司的GPRSmodem（MC35）來(lái)實(shí)現(xiàn)Internet接入的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

1 GPRS接入Internet模型設(shè)計(jì)

如圖1所示，GPRS網(wǎng)絡(luò)主要由在GSM基站中新增加的GPRS業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)組成，并通過(guò)GPRS網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)與Internet的互聯(lián)。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，要與Internet交互信息的數(shù)據(jù)先通過(guò)GPRSmodem與當(dāng)?shù)谿SM基站中的GPRS業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線通信，并進(jìn)入GPRS網(wǎng)絡(luò)，然后通過(guò)GPRS網(wǎng)關(guān)與Internet進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。在本系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)的關(guān)鍵有二：一是ARM CPU與GPRSmodem的連接，即數(shù)據(jù)端的串行數(shù)據(jù)經(jīng)ARM CPU的串口發(fā)送到GPRSmodem上；二是在ARM CPU中嵌入實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)uC/OS-II，然后在uC/OS-II中移植uIP,實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧。

圖1

2 系統(tǒng)的分層考慮與協(xié)議轉(zhuǎn)換

圖2簡(jiǎn)單示意了本系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)，把GPRS服務(wù)節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)等GPRS內(nèi)部節(jié)點(diǎn)簡(jiǎn)化抽象為GPRS網(wǎng)絡(luò)，把GPRS內(nèi)部協(xié)議及Internet網(wǎng)關(guān)協(xié)議等簡(jiǎn)化抽象為GPRS網(wǎng)關(guān)協(xié)議。

物理層：ARM CPU利用AT指令對(duì)GPRSmodem進(jìn)行撥號(hào)。反饋應(yīng)答后，一條物理通道即GPRS信道就在本系統(tǒng)中的GPRSmodem和Internet之間建立起來(lái)。

數(shù)據(jù)鏈路層：PPP協(xié)議將原始的GPRS物理層連接改造成無(wú)差錯(cuò)的數(shù)據(jù)鏈路，系統(tǒng)將成本遠(yuǎn)程登錄Internet，并得到GPRS網(wǎng)關(guān)分配的A類IP地址。

網(wǎng)絡(luò)層：采用IP協(xié)議作為網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議。IP協(xié)議將接入Internet的具有不同IP地址的終端都聯(lián)系起來(lái)。經(jīng)過(guò)IP路由選擇，可以實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)與連在Internet上的任一IP終端進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

傳輸層：選擇TCP作為傳輸層協(xié)議，為數(shù)據(jù)傳輸提供面向連接、可靠服務(wù)。

3 uC/OS-II與小型TCP/IP協(xié)議棧uIP

uC/OS-II是由Jean J.Labrosse編寫的一種免費(fèi)公開(kāi)源代碼的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。作為一個(gè)操作系統(tǒng)內(nèi)核，它沒(méi)有提供通信軟件庫(kù)。UIP是由瑞士計(jì)算機(jī)科學(xué)院的Adam Dunkels等開(kāi)發(fā)的一種免費(fèi)公開(kāi)源代碼的小型TCP/IP協(xié)議棧，全C編寫，提供了網(wǎng)絡(luò)通信所必須的協(xié)議，包括：ARP、SLIP、IP、UDP、ICMP（PINC）和TCP。本系統(tǒng)在ARM CPU中嵌入實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)uC/OS-II，再移植uIP實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧，從而獲得一個(gè)功能完善的嵌入式IP終端。

4 硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)的硬件框架如圖3所示。

ARM CPU采用飛利浦公司的LPC2104，內(nèi)核為基于ARM7TDMI-S的精簡(jiǎn)指令集的通用32位高速微處理器。工作電壓為3.3V，內(nèi)核工作電壓僅為1.8V；內(nèi)置PLL鎖相環(huán)可以設(shè)置CPU工作頻率達(dá)60MHz；雙UART口，提供數(shù)據(jù)的異步串行發(fā)送和接收；片內(nèi)16KB RAM和128KB Flash程序存儲(chǔ)器，為嵌入式uC/OS-II操作系統(tǒng)和移植uIP協(xié)議棧提供了必要的空間。

GPRSmodem選用Siemens公司的MC35。該模塊提供了9針的標(biāo)準(zhǔn)RS232接口，通過(guò)MAX3232電平轉(zhuǎn)換芯片和LPC2104的UART0口相連，進(jìn)行全雙工通信。MC35工作電壓為12V，上電后由DTR上升沿跳變觸發(fā)啟動(dòng)。本系統(tǒng)指定LPC2104的P0.13信號(hào)線經(jīng)MAX3232電平轉(zhuǎn)換后作為MC35的DTR。GSM基帶處理器是MC35的核心部件，用來(lái)處理串口發(fā)送的AT指令。

本系統(tǒng)中，上電復(fù)位后，首先進(jìn)行工作頻率等參數(shù)設(shè)置，然后進(jìn)行撥號(hào)和PPP協(xié)商，得到系統(tǒng)本地IP，完成GPRS的Internet接入。ARM CPU將用戶數(shù)據(jù)先打成IP包，再經(jīng)串口發(fā)送給MC35，MC35把其封裝成GPRS分組數(shù)據(jù)包傳到GPRS網(wǎng)。

5 軟件設(shè)計(jì)

圖4所示是uC/OS-II的結(jié)構(gòu)及與硬件的關(guān)系。

與處理器無(wú)關(guān)的代碼包含了uC/OS-II的系統(tǒng)函數(shù)，移植時(shí)只要將uC/OS-II，C文件包含在自己的項(xiàng)目中，即可將uC/OS-II中所有與MCU無(wú)關(guān)的代碼包含到移植的代碼中。

與處理器相關(guān)的代碼包含了對(duì)各種不同類型MCU的支持，需要根據(jù)自己的MCU對(duì)這部分進(jìn)行修改。筆者使用的是的ADS2.0編譯器，uC/OS-II的移植與三個(gè)文件相關(guān)：處理器相關(guān)C文件（OS_CPU.H、OS_CPU_C.C）和匯編文件（OS_CPU_A.ASM）。

    （1）修改OS_CPU.H

①編譯器相關(guān)數(shù)據(jù)類型的設(shè)定。

用#define語(yǔ)句定義兩個(gè)宏開(kāi)關(guān)中斷，具體實(shí)現(xiàn)為：

#define OS_ENTER_CRITICAL()EA=0 //關(guān)中斷

#define OS_EXIT_CRITCAL() EA=1 //開(kāi)中斷

②根據(jù)堆棧的方向宏方OS_STK_GROWT。

#define OS_STK_GROWTH 1//GROWTH。

雖然ARM處理器核對(duì)于兩種方式均支持，但ADS2.0的C語(yǔ)言編譯器僅支持一種方式，即從上往下生長(zhǎng)，并且必須是滿遞減堆棧，所以O(shè)S_STK_GROWTH的值為1。

③OS_STK_SW()、OSCtxSw()的移植

#define OS_TASK_SW() OSCtxSw()

uC/OS-II從低優(yōu)先級(jí)任務(wù)切換到高優(yōu)先級(jí)任務(wù)時(shí)，通過(guò)執(zhí)行OS_STK_SW()模仿中斷的產(chǎn)生。中斷服務(wù)子程序的中斷向量地址指向匯編語(yǔ)言函數(shù)OSCtxSw()。

（2）修改OS_CPU_C.C和OS_CPU_A.ASM

uC/OS-II的移植還要編寫10個(gè)簡(jiǎn)單的C函數(shù)，包括6個(gè)和操作系統(tǒng)相關(guān)的函數(shù)和4個(gè)與處理器相關(guān)的函數(shù)其中OSTaskStklit()是必要的，其它9個(gè)函數(shù)必須聲明，可以不加代碼。在每個(gè)C函數(shù)及其聲明后標(biāo)注reentrant關(guān)鍵字，使生成的代碼支持函數(shù)可重入。

    ①在目錄uip-0.9/下創(chuàng)建一個(gè)自己的目錄，例如uip0.9/2104/。

②把uip_arch.c文件從目錄uip-0.9/unix/中復(fù)制到目錄uip-0.9/2104中。

③把uipopt.h文件目錄uip-0.9/unix中復(fù)制到目錄uip-0.9/2104中，并對(duì)其修改，以滿足系統(tǒng)需要。

④編寫串口驅(qū)動(dòng)程序和主控函數(shù)。

⑤編譯源代碼。

結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)方案采用1片ARM CPU來(lái)控制GPRSmodem，實(shí)現(xiàn)了嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)uC/OS-II的移植以及小型TCP/IP協(xié)議棧uIP的移植。該GPRS終端利用GPRS網(wǎng)和Internet實(shí)現(xiàn)了基于GPRS的無(wú)線Internet互聯(lián)，體積小功耗低，可靠性高，并且具有可擴(kuò)展性和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的延續(xù)性，可應(yīng)用于移動(dòng)終端、交通管理、信息家電、工業(yè)控制、環(huán)境監(jiān)測(cè)以及POS網(wǎng)絡(luò)和電子商務(wù)等多種應(yīng)用場(chǎng)所。