用GPRS modem实现嵌入式Internet接入系统

   摘要：运用ARM单片机LPC2104及西门子公司的GPRSmodem设计一种嵌入式Internet接入系统，并提供相应的硬件原理图和嵌入式操作系统移植方案。

    关键词：uc/OS-II uIP GPRS TCP/IP 嵌入式Internet

引言

随着GPRS技术在无线通信领域的发展，GPRSmodem作为GPRS在Internet的PC机终端已得到了广泛应用。相应的，在单片机系统中运用GPRSmodem实现Internet接入也已开始为人们所重视。GPRS可以发挥永远在线、快速登录、按流量计费等优势。如果无线传输的仅仅只是低速数据，用成本较高的PC机来控制则成本过高。本文采用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，提供了一套运用ARM CPU及西门子公司的GPRSmodem（MC35）来实现Internet接入的系统设计方案。

1 GPRS接入Internet模型设计

如图1所示，GPRS网络主要由在GSM基站中新增加的GPRS业务节点组成，并通过GPRS网关节点实现与Internet的互联。在本系统设计中，要与Internet交互信息的数据先通过GPRSmodem与当地GSM基站中的GPRS业务节点进行无线通信，并进入GPRS网络，然后通过GPRS网关与Internet进行数据交互。在本系统中，设计的关键有二：一是ARM CPU与GPRSmodem的连接，即数据端的串行数据经ARM CPU的串口发送到GPRSmodem上；二是在ARM CPU中嵌入实时操作系统uC/OS-II，然后在uC/OS-II中移植uIP,实现TCP/IP协议栈。

图1

2 系统的分层考虑与协议转换

图2简单示意了本系统的分层结构，把GPRS服务节点和网关节点等GPRS内部节点简化抽象为GPRS网络，把GPRS内部协议及Internet网关协议等简化抽象为GPRS网关协议。

物理层：ARM CPU利用AT指令对GPRSmodem进行拨号。反馈应答后，一条物理通道即GPRS信道就在本系统中的GPRSmodem和Internet之间建立起来。

数据链路层：PPP协议将原始的GPRS物理层连接改造成无差错的数据链路，系统将成本远程登录Internet，并得到GPRS网关分配的A类IP地址。

网络层：采用IP协议作为网络层协议。IP协议将接入Internet的具有不同IP地址的终端都联系起来。经过IP路由选择，可以实现本系统与连在Internet上的任一IP终端进行数据交互。

传输层：选择TCP作为传输层协议，为数据传输提供面向连接、可靠服务。

3 uC/OS-II与小型TCP/IP协议栈uIP

uC/OS-II是由Jean J.Labrosse编写的一种免费公开源代码的实时操作系统。作为一个操作系统内核，它没有提供通信软件库。UIP是由瑞士计算机科学院的Adam Dunkels等开发的一种免费公开源代码的小型TCP/IP协议栈，全C编写，提供了网络通信所必须的协议，包括：ARP、SLIP、IP、UDP、ICMP（PINC）和TCP。本系统在ARM CPU中嵌入实时操作系统uC/OS-II，再移植uIP实现TCP/IP协议栈，从而获得一个功能完善的嵌入式IP终端。

4 硬件设计

整个系统的硬件框架如图3所示。

ARM CPU采用飞利浦公司的LPC2104，内核为基于ARM7TDMI-S的精简指令集的通用32位高速微处理器。工作电压为3.3V，内核工作电压仅为1.8V；内置PLL锁相环可以设置CPU工作频率达60MHz；双UART口，提供数据的异步串行发送和接收；片内16KB RAM和128KB Flash程序存储器，为嵌入式uC/OS-II操作系统和移植uIP协议栈提供了必要的空间。

GPRSmodem选用Siemens公司的MC35。该模块提供了9针的标准RS232接口，通过MAX3232电平转换芯片和LPC2104的UART0口相连，进行全双工通信。MC35工作电压为12V，上电后由DTR上升沿跳变触发启动。本系统指定LPC2104的P0.13信号线经MAX3232电平转换后作为MC35的DTR。GSM基带处理器是MC35的核心部件，用来处理串口发送的AT指令。

本系统中，上电复位后，首先进行工作频率等参数设置，然后进行拨号和PPP协商，得到系统本地IP，完成GPRS的Internet接入。ARM CPU将用户数据先打成IP包，再经串口发送给MC35，MC35把其封装成GPRS分组数据包传到GPRS网。

5 软件设计

图4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包含了uC/OS-II的系统函数，移植时只要将uC/OS-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。

与处理器相关的代码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。笔者使用的是的ADS2.0编译器，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

①编译器相关数据类型的设定。

用#define语句定义两个宏开关中断，具体实现为：

#define OS_ENTER_CRITICAL()EA=0 //关中断

#define OS_EXIT_CRITCAL() EA=1 //开中断

②根据堆栈的方向宏方OS_STK_GROWT。

#define OS_STK_GROWTH 1//GROWTH。

虽然ARM处理器核对于两种方式均支持，但ADS2.0的C语言编译器仅支持一种方式，即从上往下生长，并且必须是满递减堆栈，所以OS_STK_GROWTH的值为1。

③OS_STK_SW()、OSCtxSw()的移植

#define OS_TASK_SW() OSCtxSw()

uC/OS-II从低优先级任务切换到高优先级任务时，通过执行OS_STK_SW()模仿中断的产生。中断服务子程序的中断向量地址指向汇编语言函数OSCtxSw()。

（2）修改OS_CPU_C.C和OS_CPU_A.ASM

uC/OS-II的移植还要编写10个简单的C函数，包括6个和操作系统相关的函数和4个与处理器相关的函数其中OSTaskStklit()是必要的，其它9个函数必须声明，可以不加代码。在每个C函数及其声明后标注reentrant关键字，使生成的代码支持函数可重入。

    ①在目录uip-0.9/下创建一个自己的目录，例如uip0.9/2104/。

②把uip_arch.c文件从目录uip-0.9/unix/中复制到目录uip-0.9/2104中。

③把uipopt.h文件目录uip-0.9/unix中复制到目录uip-0.9/2104中，并对其修改，以满足系统需要。

④编写串口驱动程序和主控函数。

⑤编译源代码。

结语

本设计方案采用1片ARM CPU来控制GPRSmodem，实现了嵌入式实时操作系统uC/OS-II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实现了基于GPRS的无线Internet互联，体积小功耗低，可靠性高，并且具有可扩展性和产品开发的延续性，可应用于移动终端、交通管理、信息家电、工业控制、环境监测以及POS网络和电子商务等多种应用场所。