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用GPRS modem實現嵌入式Internet接入系統
摘要：運用ARM單片機LPC2104及西門子公司的GPRSmodem設計一種嵌入式Internet接入系統，并提供相應的硬件原理圖和嵌入式操作系統移植方案。關鍵詞：uc/OS-IIuIPGPRSTCP/IP嵌入式Internet
引言
隨著GPRS技術在無線通信領域的發展，GPRSmodem作為GPRS在Internet的PC機終端已得到了廣泛應用。相應的，在單片機系統中運用GPRSmodem實現Internet接入也已開始為人們所重視。GPRS可以發揮永遠在線、快速登錄、按流量計費等優勢。如果無線傳輸的僅僅只是低速數據，用成本較高的PC機來控制則成本過高。本文采用在嵌入式實時操作系統uC/OS-II中移植一種小型TCP/IP協議棧uIP的方法，提供了一套運用ARMCPU及西門子公司的GPRSmodem（MC35）來實現Internet接入的系統設計方案。
1GPRS接入Internet模型設計
如圖1所示，GPRS網絡主要由在GSM基站中新增加的GPRS業務節點組成，并通過GPRS網關節點實現與Internet的互聯。在本系統設計中，要與Internet交互信息的數據先通過GPRSmodem與當地GSM基站中的GPRS業務節點進行無線通信，并進入GPRS網絡，然后通過GPRS網關與Internet進行數據交互。在本系統中，設計的關鍵有二：一是ARMCPU與GPRSmodem的連接，即數據端的串行數據經ARMCPU的串口發送到GPRSmodem上；二是在ARMCPU中嵌入實時操作系統uC/OS-II，然后在uC/OS-II中移植uIP,實現TCP/IP協議棧。
圖1
2系統的分層考慮與協議轉換
圖2簡單示意了本系統的分層結構，把GPRS服務節點和網關節點等GPRS內部節點簡化抽象為GPRS網絡，把GPRS內部協議及Internet網關協議等簡化抽象為GPRS網關協議。
物理層：ARMCPU利用AT指令對GPRSmodem進行撥號。反饋應答后，一條物理通道即GPRS信道就在本系統中的GPRSmodem和Internet之間建立起來。
數據鏈路層：PPP協議將原始的GPRS物理層連接改造成無差錯的數據鏈路，系統將成本遠程登錄Internet，并得到GPRS網關分配的A類IP地址。
網絡層：采用IP協議作為網絡層協議。IP協議將接入Internet的具有不同IP地址的終端都聯系起來。經過IP路由選擇，可以實現本系統與連在Internet上的任一IP終端進行數據交互。
傳輸層：選擇TCP作為傳輸層協議，為數據傳輸提供面向連接、可靠服務。
3uC/OS-II與小型TCP/IP協議棧uIP
uC/OS-II是由JeanJ.Labrosse編寫的一種免費公開源代碼的實時操作系統。作為一個操作系統內核，它沒有提供通信軟件庫。UIP是由瑞士計算機科學院的AdamDunkels等開發的一種免費公開源代碼的小型TCP/IP協議棧，全C編寫，提供了網絡通信所必須的協議，包括：ARP、SLIP、IP、UDP、ICMP（PINC）和TCP。本系統在ARMCPU中嵌入實時操作系統uC/OS-II，再移植uIP實現TCP/IP協議棧，從而獲得一個功能完善的嵌入式IP終端。
4硬件設計
整個系統的硬件框架如圖3所示。
ARMCPU采用飛利浦公司的LPC2104，內核為基于ARM7TDMI-S的精簡指令集的通用32位高速微處理器。工作電壓為3.3V，內核工作電壓僅為1.8V；內置PLL鎖相環可以設置CPU工作頻率達60MHz；雙UART口，提供數據的異步串行發送和接收；片內16KBRAM和128KBFlash程序存儲器，為嵌入式uC/OS-II操作系統和移植uIP協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針的標準RS232接口，通過MAX3232電平轉換芯片和LPC2104的UART0口相連，進行全雙工通信。MC35工作電壓為12V，上電后由DTR上升沿跳變觸發啟動。本系統指定LPC2104的P0.13信號線經MAX3232電平轉換后作為MC35的DTR。GSM基帶處理器是MC35的核心部件，用來處理串口發送的AT指令。
本系統中，上電復位后，首先進行工作頻率等參數設置，然后進行撥號和PPP協商，得到系統本地IP，完成GPRS的Internet接入。ARMCPU將用戶數據先打成IP包，再經串口發送給MC35，MC35把其封裝成GPRS分組數據包傳到GPRS網。
5軟件設計
圖4所示是uC/OS-II的結構及與硬件的關系。
與處理器無關的代碼包含了uC/OS-II的系統函數，移植時只要將uC/OS-II，C文件包含在自己的項目中，即可將uC/OS-II中所有與MCU無關的代碼包含到移植的代碼中。
與處理器相關的代碼包含了對各種不同類型MCU的支持，需要根據自己的MCU對這部分進行修改。筆者使用的是的ADS2.0編譯器，uC/OS-II的移植與三個文件相關：處理器相關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
�、倬幾g器相關數據類型的設定。
用#define語句定義兩個宏開關中斷，具體實現為：
#defineOS_ENTER_CRITICAL()EA=0//關中斷
#defineOS_EXIT_CRITCAL()EA=1//開中斷
�、诟鶕褩５姆较蚝攴絆S_STK_GROWT。
#defineOS_STK_GROWTH1//GROWTH。
雖然ARM處理器核對于兩種方式均支持，但ADS2.0的C語言編譯器僅支持一種方式，即從上往下生長，并且必須是滿遞減堆棧，所以OS_STK_GROWTH的值為1。
�、跲S_STK_SW()、OSCtxSw()的移植
#defineOS_TASK_SW()OSCtxSw()
uC/OS-II從低優先級任務切換到高優先級任務時，通過執行OS_STK_SW()模仿中斷的產生。中斷服務子程序的中斷向量地址指向匯編語言函數OSCtxSw()。
�。�2）修改OS_CPU_C.C和OS_CPU_A.ASM
uC/OS-II的移植還要編寫10個簡單的C函數，包括6個和操作系統相關的函數和4個與處理器相關的函數其中OSTaskStklit()是必要的，其它9個函數必須聲明，可以不加代碼。在每個C函數及其聲明后標注reentrant關鍵字，使生成的代碼支持函數可重入。
①在目錄uip-0.9/下創建一個自己的目錄，例如uip0.9/2104/。
�、诎製ip_arch.c文件從目錄uip-0.9/unix/中復制到目錄uip-0.9/2104中。
③把uipopt.h文件目錄uip-0.9/unix中復制到目錄uip-0.9/2104中，并對其修改，以滿足系統需要。
�、芫帉懘隍寗映绦蚝椭骺睾瘮�。
�、菥幾g源代碼。
結語
本設計方案采用1片ARMCPU來控制GPRSmodem，實現了嵌入式實時操作系統uC/OS-II的移植以及小型TCP/IP協議棧uIP的移植。該GPRS終端利用GPRS網和Internet實現了基于GPRS的無線Internet互聯，體積小功耗低，可靠性高，并且具有可擴展性和產品開發的延續性，可應用于移動終端、交通管理、信息家電、工業控制、環境監測以及POS網絡和電子商務等多種應用場所。
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