嵌入式系统/ARM技术：基于8051嵌入式系统的GPRS终端实现 Internet, IP协议, 流量计, 单片机, 嵌入式

yuyang911220

随着数据无线传输需求的骤增和中画移动GPRS业务全面投入运营，无线数据通信的应用越来越广泛。GPRS网不但具有覆盖范围广、数据传输速度快、通信质量高、永远在线和按流量计费等优点，且其本身就是一个分组型数据网，支持TCP／IP协议，无需经过PSTN等网络的转接，可直接与Internet网互通。因此GPRS业务在无线上网、环境监测、交通监控、移动办公等行业中具有无可比拟的性价比优势。
   
　　为了满足GPRS终端的低成本、小型化和移动灵活等要求，现在广泛采用单片机对GPRS终端进行控制，并且引入嵌入式系统实现TCP／IP协议栈。目前主要的困难在于：运行TCP／IP协议对计算机存储器、运算速度等要求较高，会占用大量的系统资源；而嵌入式系统大多采用8位单片机，硬件资源非常有限，支持TCP／IP协议非常困难。本文采用了在嵌入式实时操作系统uC／OS-II中移植一种小型TCP／IP协议栈uIP的方法，使基于8051嵌入式系统的GPRS终端能够在网络中进行数据传输；同时改善了系统的性能，提高了系统的可靠性，增强了系统的可扩展性和产品开发的可延续性。
   
　　1基于GPRS网的数据传输
   
　　GPRS是在GSM的基础上引入了分组控制单元(PCU)、服务支持节点(SGSN)和网关支持节点(GGSN)等新部件而构成的无线数据传输系统，其用户能够在端到端分组方式下发送和接收数据。基于GPRS网的数据传输系统。具体的数据传输流程为：
   
　　·GPRS终端通过接口从客户系统中取出用户数据；
   
　　·处理后以GPRS分组数据的形式发送到GSM基站(BSS)；
   
　　·分组数据经SGSN封装后，发送到GPRSIP骨干网；
   
　　·若分组数据是发送到另一GPRS终端，则先发送到目的SGSN，再经BSS发送到CPBS终端；若分组数据是发送到外部网络(如Internet)，则将分组数据包经GGSN进行协议转换后，发送到外部网络。
   
　　2嵌入式实时操作系统uC／OS-II
   
　　uC／OS-II是由JeanJ．Labrosse先生编写的、现在流行的一种免费公开源代码的实时操作系统。它可广泛应用于从8位到64位单片机的各种不同类型、不同规模的嵌入式系统。带有详细注解的uC／OS-II源代码只有200页左右；其中95％左右是用C语言编写的，与MCU类型相关的代码用8088汇编写成，不超过200行。uC／OS-II不仅具有结构小巧、可固化、可裁剪、多任务和可剥夺型的实时内核等特点；而且其实时性、稳定性裙可靠性也得到了广泛认可。uC／OS-II的最小内核可编译至2KB，一般情况占用内存在10KB数量级，适用基于8051的嵌入式系统的需要。在系统中嵌入uC／OS-II可以把整个程序分成许多任务，每个任务相对独立，然后在每个任务中设置超时函数，时间用完后，必须交出MCU的使用权。即使一个任务发生问题，也不会影响其他任务的运行。在单片机系统中嵌入uC／OS-II提高了系统的可靠性，并使调试程序变得简单，同时也增强了系统的可扩展性和产品开发的可延续性。
   
　　不过uC／OS-II仅仅是一个实时操作系统内核，与商业实时操作系统软件包比较，它缺少Utilities部分，如文件系统、远程函数调用库、通信软件库。通信软件包括：TCP／IP软件库、蓝牙通信软件库、IrDA红外通信软件库等。这一类软件的解决有两种途径：一个是购买第三方软件；另一个是自己编写。如果只是用单片机实现TCP／IP协议中的某些功能，可以选用免费公开源代码的小型TCP／IP协议栈，把它移植到uC／OS-II。目前uC／OS-II的最新版本为V2．70，但现在广泛学习和应用的是V2．52。
   
　　3小型TCP／IP协议栈uIP
   
　　uIP是由瑞士计算机科学院的AdamDunkels等开发的一种免费公开源代码的小型TCP／IP协议栈，它专门为8位和16位MCU编写。uIP完全是用C语言编写，它在保证一个完整的TCP／IP栈的前提下，只保留了最必要的一系列特征，使其代码最少、占用的RAM最小；它只能处理单一的网络接口。通常的TCP／IP栈采用BSDsocketAPI，需要来自下层的多任务操作系统的支持，而且任务管理、语境切换以及堆栈空间的分配都要占用很大的开销，超出了8位机系统的能力。uIP采用了一个事件驱动接口，通过调用应用程序响应事件。而相应的应用程序作为C函数调用。通常情况下，uIP的源代码虽然只有几KB，RAM占用仅几百字节，但uIP提供了网络通信所必须的协议，包括：ARP、SLIP、IP、UDP、ICMP(PINC)和TCP；能够满足8位MCU接入TCP／IP网络(如Internet)的需要。目前uIP最新的版本为V0.9，符合Internet标准。
   
　　4GPRS终端的工作原理及硬件实现
   
　　GPRS终端由控制模块控制TCP／IP模块和无线发送模块实现。其结构框图。
   
　　4．1控制模块
   
　　控制模块的作用主要有：
   
　　·控制模块通过AT指令初始化GPRS无线模块，使之附着在GPRS网上，获得网络运营商动态分配给GPRS终端的IP地址，并与目的终端或服务器之间建立连接；
   
　　·控制模块通过RS232串口向客户系统收发数据或指令；
   
　　·控制模块通过RS232串口向TCP／IP模块收发数据；
   
　　·控制模块自主或根据远程控制指令采取其他操作。
   
　　控制模块的MCU选用华邦的八位机WINBOODW77E58。W77E58是台湾华邦公司生产的、与MCS51系列单片机兼容的、可多次编程的快速微处理器，在其内部集成有32KB的可重复编程的FlashROM、256字节的片内存储器、IKB用MOVX指令访问的SRAM、可编程看门狗定时器、三个16位定时器、二个增强型的全双工串行口、片内RC振荡器、双16位数据指针等诸多功能。在很多场合，几乎不用扩展外围芯片就能够满足系统要求。由于其采用了全新设计的微处理器内核，去除多余的时钟和存储周期，在相同的晶振频率下，根据不同的指令类型，其运行速度一般比传统8051系列快1．5～3倍。一般情况下，平均可达2．5倍以上。另外，由于W77E58采用全静态CMOS设计，能工作在低速晶振频率下。与普通的8051相比，若W77E58采用低速工作频率，在相同的指令吞吐量下，W77E58的节电性能也将大大提高。
    　　
　　4．2TCP／IP模块

　　TCP／IP模块通过RS232串口与GPRS无线模块通信，提供非透明和透明两路通道。相对应地，该模块有两种传输模式：透明模式和非透明模式。通过软件切换，模块在处于不同的传输模式时，数据流向也有所不同。当传送AT指令集时，模块进入透明模式，可以直接访问GPRS无线模块；当模块进人非透明传输方式时，用户数据从串口进入TCP／IP模块后，先十丁成TCP／IP包，再经串口发送给GPRS模块；GPRS无线模块把其封装成GPRS分组数据包传到GPRS网上。TCP／IP模块由基于单片机8051的嵌入式系统实现。选用WINBOODW77E58作为嵌入式系统的微处理器，嵌入式实时操作系统选用uC／OS-II，然后在uC／OS-II中移植uIP实现TCP／IP协议栈。
   
　　4．3GPRS无线模块
   
　　GPRS无线模块作为GPRS终端的无线收发模块，把从TCP／IP模块接收的TCP／IP包和从基站接收的GPRS分组数据进行相应的协议处理后再转发。GPRS无线模块采用了SIEMENS公司的MC35GPRS模块。MC35模块主要由射频天线、内部Flash、SRAM、GSM基带处理器、匹配电源和一个40脚的ZIF插座组成。GSM基带处理器是核心部件，其作用相当于一个协议处理器，用来处理外部系统通过串口发送过来的AT指令。射频天线部分主要实现信号的调制与解调，以及外部射频信号与内部基带处理器之间的信号转换。匹配电源为处理器及射频部分提供所需的电源。MC35GPRS模块支持GSM900和GSMl800双频网络，接收速率可达86．20kbps，发送速率可达21．5kbps，并且很容易集成。当然最大的数据吞吐量还要依赖于GPRS网络的支持。
   
　　5TCP／IP模块的软件实现
   
　　5．1uC／OS-II在8051上的移植
   
　　uC／OS-II是自由软件，非商业的运用如科研、教学都是免费的。任何使用者都可以从互联网上下载其源代码，通过适当的修改加以移植，使其满足自己硬件和系统的需要。为了移植，需要先了解uC／OS-II操作系统的总体结构，图3所示是uC／OS-II的结构及与硬件的关系。
   
　　与处理器无关的代码中包含了uC／OS-II的系统函数，在进行系统移植时一般不需要对这部分进行修改；只要将UCOS-II．C文件包含在自己的项目中，即可将uC／OS-II中所有与MCU无关的代码包含到移植的代码中。
   
　　与应用相关的代码是用户根据自己的应用系统定制合适的内核服务功能，它包括两个文件：OS_CFG．H、INCLUDES．H。其中OS_CFG．H用来配置内核，用户根据需要对内核进行定制，设置系统的基本情况，例如系统可提供的最大任务数量、是否定制邮箱服务、是否需要系统提供任务挂起功能、是否提供任务优先级动态改变功能等。而INCLUDES．H则是系统头文件。
   
　　处理器相关的代码中包含了对各种不同类型MCU的支持，需要根据自己的MCU对这部分进行修改。针对KeilC51编译器和8051芯片的技术特点，uC／OS-Ⅱ的移植与三个文件相关：处理器相关C文件(OS_CPU．H、OS_CPU_C．C)和汇编文件(OS_CPU_A．ASM)。
  
　　(1)修改OS_CPU。H文件OS_CPU．H中包括了用#define语句定义的与处理器相关的常数、宏以及类型。移植时主要修改的内容有：
   
　　·与编译器相关的数据类型的设定。参考KeilC51编译器中的帮助文件C51．PDF，具体路径为＼C51＼HLP＼C51．PDF。
   
　　·用#define语句定义了两个宏开关中断，具体实现为：
   
　　#defineOS_ENTER_CRITICAL()EA=0／／关中断
   
　　#defineOS_EXIT_CRITICAL()EA=1／／开中断
   
　　·根据8051堆栈的方向定义OS_STK_GROWTH。
   
　　#defineOS_STK_GROWTH0／／8051堆栈从下向上递增
   
　　置OS_STK_GROWTH为0，表示堆栈从下(低地址)向上(高地址)递增；置OS_STK_GROWTH为1，表示堆栈从上(高地址)向下(低地址)递减。
   
　　·uC／OS-II从低优先级任务切换到高优先级任务时需要用到OS_STK_SW()，通过执行OS_STK_SW()模仿中断的产生。绝大多数CPU会提供软中断或指令陷阱(TRAP)完成这项功能。中断服务子程序或指令陷阱处理函数(也叫异常处理函数)的中断向量地址必须指向汇编语言函数OSCtxSw()。因为8051没有软中断指令，所以用程序调用代替。
　　#defineOS_TASK_SW()OSCtxSw()
　　(2)修改OS_CPU_C．C
　　uC／OS-II的移植范例要求用户编写10个简单的C函数，其中OSTaskStklnit()是必要的，其他9个函数必须声明，但不一定包含任何代码。因为KeilC51在缺省情况下把函数编译为不可重入的结构，而多任务系统要求并发操作导致重入，所以要在每个C函数及其声明后标注reentrant关键字，使编译器生成的代码在运行中支持函数可重入。另外”pdata”、”data”在uC／OS-II中用做一些函数的形参，但它同时又是KeilC51的关键字，这样会导致编译错误。通常可把”pdata''改成”ppdala”，”data”改成”ddata”解决此问题。具体修改的代码如下：
　　void*OSTaskStkInit(void(*task)(void*pd),
　　void*ppdata,
　　void*ptos,
　　INT16Uopt)reentrant
　　  在基于8051的uC／OS-II中，移植uIP不需要对现有的TCP／IP源代码做任何修改，但是必须为网络设备(如网卡芯片、串口等)写一个驱动程序。同时，现有系统的集成部分也要进行相应的处理，例如当有数据到达或者周期性的定时器计数满等情况下，主控制系统应该调用uIP函数[刘。移植的具体步骤如下：
   
　　·在目录uip-0．9／下创建一个自己的目录，例如uip-0．9／8051／；
   
　　·把uip_arch．c文件从目录uip-0．9／unix／中复制到目录uip-0．9／8051中；它包含了用C语言实现的32位加法、校验和算法；
   
　　·把uipopt．h文件从目录uip-0．9／unix中复制到目录uip-0．9／8051中，并对其进行修改，以满足系统的需要。uipopt．h是ulP的配置文件，其中不仅包含了诸如uIP网点的IP地址和同时可连接的最大值等设置选项，而且还有系统结构和C编译器的特殊选项；
   
　　·参考例子unix／tapdev．c和uip／slipdev．c，为串口编写驱动程序；
   
　　·参考例子unix／main．c，写自己的主控制系统，以便在适当的时候可以调用ulP函数；
   
　　·编译源代码。
   
　　本文阐述了基于8051嵌入式系统的GPRS终端的实现，并详细介绍了嵌入式实时操作系统uC／OS-II基于8051的移植以及小型TCP／IP协议栈uIP的移植：该GPRS终端利用GPRS网和Internet能够与相应的GPRS终端以及相应的Internet终端进行数据传输。在GPRS终端的TCP／IP模块中引入时实操作系统不但改善了系统的性能，提高了系统的可靠性，而且增强了系统的可扩展性和产品开发的可延续性。