基于8051嵌入式系統(tǒng)的GPRS終端實(shí)現(xiàn)

1、基于基于 80518051 嵌入式系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)的 GPRSGPRS 終端實(shí)現(xiàn)終端實(shí)現(xiàn) 摘要：摘要：介紹了基于 GPRS 網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸、嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng) u u/OS-II以及小型 TCP/IP 協(xié)議棧 u uIP；深入論述了基于 8051 嵌入式系統(tǒng)的 GPRS 終端的實(shí)現(xiàn)。提供了一種羅為簡單、廉價和實(shí)用的 GPRS 終端的實(shí)現(xiàn)方案，說明了在8051 中如何進(jìn)行 uC/OS-II 和 uIP 的移植。 ; mso-hansi-font-family: Times New Roman 關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：GPRS 終端 嵌入式系統(tǒng) 實(shí)時操作系統(tǒng) TCP/IP 隨著數(shù)據(jù)無線傳輸需求的驟增和中畫移

2、動 GPRS 業(yè)務(wù)全面投入運(yùn)營，無線數(shù)據(jù)通信的應(yīng)用越來越廣泛。GPRS 網(wǎng)不但具有覆蓋范圍廣、數(shù)據(jù)傳輸速度快、通信質(zhì)量高、永遠(yuǎn)在線和按流量計(jì)費(fèi)等優(yōu)點(diǎn)，且其本身就是一個分組型數(shù)據(jù)網(wǎng)，支持 TCPIP 協(xié)議，無需經(jīng)過 PSTN 等網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)接，可直接與 Internet 網(wǎng)互通。因此 GPRS 業(yè)務(wù)在無線上網(wǎng)、環(huán)境監(jiān)測、交通監(jiān)控、移動辦公等行業(yè)中具有無可比擬的性價比優(yōu)勢。 為了滿足 GPRS 終端的低成本、小型化和移動靈活等要求，現(xiàn)在廣泛采用單片機(jī)對 GPRS 終端進(jìn)行控制，并且引入嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) TCPIP 協(xié)議棧。目前主要的困難在于：運(yùn)行 TCPIP 協(xié)議對計(jì)算機(jī)存儲器、運(yùn)算速度等要求較高，會占

3、用大量的系統(tǒng)資源；而嵌入式系統(tǒng)大多采用 8 位單片機(jī)，硬件資源非常有限，支持 TCPIP 協(xié)議非常困難。本文采用了在嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng) uCOS-II 中移植一種小型 TCPIP 協(xié)議棧 uIP 的方法，使基于 8051 嵌入式系統(tǒng)的GPRS 終端能夠在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；同時改善了系統(tǒng)的性能，提高了系統(tǒng)的可靠性，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和產(chǎn)品開發(fā)的可延續(xù)性。 圖圖 1 1 1 1 基于基于 GPRSGPRS 網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸 GPRS 是在 GSM 的基礎(chǔ)上引入了分組控制單元(PCU)、服務(wù)支持節(jié)點(diǎn)(SGSN)和網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn)(GGSN)等新部件而構(gòu)成的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，其用戶能夠在端到端

4、分組方式下發(fā)送和接收數(shù)據(jù)?；?GPRS 網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)如圖 1 所示。具體的數(shù)據(jù)傳輸流程為： GPRS 終端通過接口從客戶系統(tǒng)中取出用戶數(shù)據(jù)； 處理后以 GPRS 分組數(shù)據(jù)的形式發(fā)送到 GSM 基站(BSS)； 分組數(shù)據(jù)經(jīng) SGSN 封裝后，發(fā)送到 GPRS IP 骨干網(wǎng)； 若分組數(shù)據(jù)是發(fā)送到另一 GPRS 終端，則先發(fā)送到目的 SGSN，再經(jīng) BSS發(fā)送到 CPBS 終端；若分組數(shù)據(jù)是發(fā)送到外部網(wǎng)絡(luò)(如 Internet)，則將分組數(shù)據(jù)包經(jīng) GGSN 進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換后，發(fā)送到外部網(wǎng)絡(luò)。 2 2 嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng) uCuCOSOS- -IIII uCOS-II 是由 Je

5、an JLabrosse 先生編寫的、現(xiàn)在流行的一種免費(fèi)公開源代碼的實(shí)時操作系統(tǒng)。它可廣泛應(yīng)用于從 8 位到 64 位單片機(jī)的各種不同類型、不同規(guī)模的嵌入式系統(tǒng)。帶有詳細(xì)注解的 uCOS-II 源代碼只有 200 頁左右；其中 95左右是用 C 語言編寫的，與 MCU 類型相關(guān)的代碼用 8088 匯編寫成，不超過 200 行。uCOS-II 不僅具有結(jié)構(gòu)小巧、可固化、可裁剪、多任務(wù)和可剝奪型的實(shí)時內(nèi)核等特點(diǎn)；而且其實(shí)時性、穩(wěn)定性裙可靠性也得到了廣泛認(rèn)可。uCOS-II 的最小內(nèi)核可編譯至 2KB，一般情況占用內(nèi)存在 10KB 數(shù)量級，適用基于 8051 的嵌入式系統(tǒng)的需要。在系統(tǒng)中嵌入 uCO

6、S-II 可以把整個程序分成許多任務(wù)，每個任務(wù)相對獨(dú)立，然后在每個任務(wù)中設(shè)置超時函數(shù)，時間用完后，必須交出 MCU 的使用權(quán)。即使一個任務(wù)發(fā)生問題，也不會影響其他任務(wù)的運(yùn)行。在單片機(jī)系統(tǒng)中嵌入 uCOS-II 提高了系統(tǒng)的可靠性，并使調(diào)試程序變得簡單，同時也增強(qiáng)了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和產(chǎn)品開發(fā)的可延續(xù)性。 不過 uCOS-II 僅僅是一個實(shí)時操作系統(tǒng)內(nèi)核，與商業(yè)實(shí)時操作系統(tǒng)軟件包比較，它缺少 Utilities 部分，如文件系統(tǒng)、遠(yuǎn)程函數(shù)調(diào)用庫、通信軟件庫。通信軟件包括：TCPIP 軟件庫、藍(lán)牙通信軟件庫、IrDA 紅外通信軟件庫等。這一類軟件的解決有兩種途徑：一個是購買第三方軟件；另一個是自己編寫

7、。如果只是用單片機(jī)實(shí)現(xiàn) TCPIP 協(xié)議中的某些功能，可以選用免費(fèi)公開源代碼的小型 TCPIP 協(xié)議棧，把它移植到 uCOS-II。 目前 uCOS-II 的最新版本為 V270，但現(xiàn)在廣泛學(xué)習(xí)和應(yīng)用的是 V252。 3 3 小型小型 TCPTCPIPIP 協(xié)議棧協(xié)議棧 uIPuIP uIP 是由瑞士計(jì)算機(jī)科學(xué)院的 Adam Dunkels 等開發(fā)的一種免費(fèi)公開源代碼的小型 TCPIP 協(xié)議棧，它專門為 8 位和 16 位 MCU 編寫。uIP 完全是用 C 語言編寫，它在保證一個完整的 TCPIP 棧的前提下，只保留了最必要的一系列特征，使其代碼最少、占用的 RAM 最小；它只能處理單一的網(wǎng)

8、絡(luò)接口。通常的TCPIP 棧采用 BSD socket API，需要來自下層的多任務(wù)操作系統(tǒng)的支持，而且任務(wù)管理、語境切換以及堆?？臻g的分配都要占用很大的開銷，超出了 8 位機(jī)系統(tǒng)的能力。uIP 采用了一個事件驅(qū)動接口，通過調(diào)用應(yīng)用程序響應(yīng)事件。而相應(yīng)的應(yīng)用程序作為 C 函數(shù)調(diào)用。通常情況下，uIP 的源代碼雖然只有幾KB，RAM 占用僅幾百字節(jié)，但 uIP 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；能夠滿足 8 位 MCU 接入 TCPIP 網(wǎng)絡(luò)(如Internet)的需要。目前 uIP 最新的版本為 V0.9，符合 Internet

9、標(biāo)準(zhǔn)。 4 GPRS4 GPRS 終端的工作原理及硬件實(shí)現(xiàn)終端的工作原理及硬件實(shí)現(xiàn) GPRS 終端由控制模塊控制 TCPIP 模塊和無線發(fā)送模塊實(shí)現(xiàn)。其結(jié)構(gòu)框圖如圖 2 所示。 41 控制模塊 控制模塊的作用主要有： 控制模塊通過 AT 指令初始化 GPRS 無線模塊，使之附著在 GPRS 網(wǎng)上，獲得網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商動態(tài)分配給 GPRS 終端的 IP 地址，并與目的終端或服務(wù)器之間建立連接； 控制模塊通過 RS232 串口向客戶系統(tǒng)收發(fā)數(shù)據(jù) 或指令； 控制模塊通過 RS232 串口向 TCPIP 模塊收發(fā)數(shù)據(jù)； 控制模塊自主或根據(jù)遠(yuǎn)程控制指令采取其他操作。 控制模塊的 MCU 選用華邦的八位機(jī) WI

10、NBOODW77E58。W77E58 是臺灣華邦公司生產(chǎn)的、與 MCS51 系列單片機(jī)兼容的、可多次編程的快速微處理器，在其內(nèi)部集成有 32KB 的可重復(fù)編程的 Flash ROM、256 字節(jié)的片內(nèi)存儲器、IKB 用MOVX 指令訪問的 SRAM、可編程看門狗定時器、三個 16 位定時器、二個增強(qiáng)型的全雙工串行口、片內(nèi) RC 振蕩器、雙 16 位數(shù)據(jù)指針等諸多功能。在很多場合，幾乎不用擴(kuò)展外圍芯片就能夠滿足系統(tǒng)要求。由于其采用了全新設(shè)計(jì)的微處理器內(nèi)核，去除多余的時鐘和存儲周期，在相同的晶振頻率下，根據(jù)不同的指令類型，其運(yùn)行速度一般比傳統(tǒng) 8051 系列快 153 倍。一般情況下，平均可達(dá) 2

11、5 倍以上。另外，由于 W77E58 采用全靜態(tài) CMOS 設(shè)計(jì)，能工作在低速晶振頻率下。與普通的 8051 相比，若 W77E58 采用低速工作頻率，在相同的指令吞吐量下，W77E58 的節(jié)電性能也將大大提高。 42 TCPIP 模塊 TCPIP 模塊通過 RS232 串口與 GPRS 無線模塊通信，提供非透明和透明兩路通道。相對應(yīng)地，該模塊有兩種傳輸模式：透明模式和非透明模式。通過軟件切換，模塊在處于不同的傳輸模式時，數(shù)據(jù)流向也有所不同。當(dāng)傳送 AT 指令集時，模塊進(jìn)入透明模式，可以直接訪問 GPRS 無線模塊；當(dāng)模塊進(jìn)人非透明傳輸方式時，用戶數(shù)據(jù)從串口進(jìn)入 TCPIP 模塊后，先十丁成

12、TCPIP 包，再經(jīng)串口發(fā)送給 GPRS 模塊；GPRS 無線模塊把其封裝成 GPRS 分組數(shù)據(jù)包傳到 GPRS網(wǎng)上。TCPIP 模塊由基于單片機(jī) 8051 的嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。選用WINBOODW77E58 作為嵌入式系統(tǒng)的微處理器，嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)選用 uCOS-II，然后在 uCOS-II 中移植 uIP 實(shí)現(xiàn) TCPIP 協(xié)議棧。 43 GPRS 無線模塊 GPRS 無線模塊作為 GPRS 終端的無線收發(fā)模塊，把從 TCPIP 模塊接收的TCPIP 包和從基站接收的 GPRS 分組數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的協(xié)議處理后再轉(zhuǎn)發(fā)。GPRS無線模塊采用了 SIEMENS 公司的 MC35 GPRS 模塊。

13、MC35 模塊主要由射頻天線、內(nèi)部 Flash、SRAM、GSM 基帶處理器、匹配電源和一個 40 腳的 ZIF 插座組成。GSM 基帶處理器是核心部件，其作用相當(dāng)于一個協(xié)議處理器，用來處理外部系統(tǒng)通過串口發(fā)送過來的 AT 指令。射頻天線部分主要實(shí)現(xiàn)信號的調(diào)制與解調(diào)，以及外部射頻信號與內(nèi)部基帶處理器之間的信號轉(zhuǎn)換。匹配電源為處理器及射頻部分提供所需的電源。MC35 GPRS 模塊支持 GSM900 和 GSMl800 雙頻網(wǎng)絡(luò)，接收速率可達(dá) 8620kbps，發(fā)送速率可達(dá) 215kbps，并且很容易集成。當(dāng)然最大的數(shù)據(jù)吞吐量還要依賴于 GPRS 網(wǎng)絡(luò)的支持。 5 TCP5 TCPIPIP 模塊

14、的軟件實(shí)現(xiàn)模塊的軟件實(shí)現(xiàn) 51 uCOS-II 在 8051 上的移植 uCOS-II 是自由軟件，非商業(yè)的運(yùn)用如科研、教學(xué)都是免費(fèi)的。任何使用者都可以從互聯(lián)網(wǎng)上下載其源代碼，通過適當(dāng)?shù)男薷募右砸浦?，使其滿足自己硬件和系統(tǒng)的需要。為了移植，需要先了解 uCOS-II 操作系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，圖 3 所示是 uCOS-II 的結(jié)構(gòu)及與硬件的關(guān)系。 與處理器無關(guān)的代碼中包含了 uCOS-II 的系統(tǒng)函數(shù)，在進(jìn)行系統(tǒng)移植時一般不需要對這部分進(jìn)行修改；只要將 UCOS-IIC 文件包含在自己的項(xiàng)目中，即可將 uCOS-II 中所有與 MCU 無關(guān)的代碼包含到移植的代碼中。 與應(yīng)用相關(guān)的代碼是用戶根據(jù)自己的

15、應(yīng)用系統(tǒng)定制合適的內(nèi)核服務(wù)功能，它包括兩個文件：OS_CFGH、INCLUDESH。其中 OS_CFGH 用來配置內(nèi)核，用戶根據(jù)需要對內(nèi)核進(jìn)行定制，設(shè)置系統(tǒng)的基本情況，例如系統(tǒng)可提供的最大任務(wù)數(shù)量、是否定制郵箱服務(wù)、是否需要系統(tǒng)提供任務(wù)掛起功能、是否提供任務(wù)優(yōu)先級動態(tài)改變功能等。而 INCLUDESH 則是系統(tǒng)頭文件。 處理器相關(guān)的代碼中包含了對各種不同類型 MCU 的支持，需要根據(jù)自己的MCU 對這部分進(jìn)行修改。針對 Keil C51 編譯器和 8051 芯片的技術(shù)特點(diǎn)，uCOS-的移植與三個文件相關(guān)：處理器相關(guān) C 文件(OS_CPUH、OS_CPU_CC)和匯編文件(OS_CPU_AAS

16、M)。 (1)修改 OS_CPU。H 文件 OS_CPUH 中包括了用#define 語句定義的與處理器相關(guān)的常數(shù)、宏以及類型。移植時主要修改的內(nèi)容有： 與編譯器相關(guān)的數(shù)據(jù)類型的設(shè)定。參考 Keil C51 編譯器中的幫助文件C51PDF，具體路徑為C51HLPC51PDF。 用#define 語句定義了兩個宏開關(guān)中斷，具體實(shí)現(xiàn)為： #define OS_ENTER_CRITICAL()EA=0關(guān)中斷 #define OS_EXIT_CRITICAL() EA=1 開中斷 根據(jù) 8051 堆棧的方向定義 OS_STK_GROWTH。 #define OS_STK_GROWTH 0 8051 堆

17、棧從下向上遞增 置 OS_STK_GROWTH 為 0，表示堆棧從下(低地址)向上(高地址)遞增；置OS_STK_GROWTH 為 1，表示堆棧從上(高地址)向下(低地址)遞減。 uCOS-II 從低優(yōu)先級任務(wù)切換到高優(yōu)先級任務(wù)時需要用到OS_STK_SW()，通過執(zhí)行 OS_STK_SW()模仿中斷的產(chǎn)生。絕大多數(shù) CPU 會提供軟中斷或指令陷阱(TRAP)完成這項(xiàng)功能。中斷服務(wù)子程序或指令陷阱處理函數(shù)(也叫異常處理函數(shù))的中斷向量地址必須指向匯編語言函數(shù) OSCtxSw()。因?yàn)?8051沒有軟中斷指令，所以用程序調(diào)用代替。 #define OS_TASK_SW() OSCtxSw() (

18、2)修改 OS_CPU_CC uCOS-II 的移植范例要求用戶編寫 10 個簡單的 C 函數(shù)，其中 OSTaskSt klnit()是必要的，其他 9 個函數(shù)必須聲明，但不一定包含任何代碼。因?yàn)镵eil C51 在缺省情況下把函數(shù)編譯為不可重入的結(jié)構(gòu)，而多任務(wù)系統(tǒng)要求并發(fā)操作導(dǎo)致重入，所以要在每個 C 函數(shù)及其聲明后標(biāo)注 reentrant 關(guān)鍵字，使編譯器生成的代碼在運(yùn)行中支持函數(shù)可重入。另外pdata、data在 uCOS-II中用做一些函數(shù)的形參，但它同時又是 Keil C51 的關(guān)鍵字，這樣會導(dǎo)致編譯錯誤。通?？砂裵data改成ppdala，data改成ddata解決此問題。具體修改的代碼如下： void * OSTaskStkInit(void (*task)(void *pd), void *ppdata, void *ptos, INT16U opt)reentrant 在基于 8051 的 uCOS-II 中，移植 uIP 不需要對現(xiàn)有的 TCPIP 源代碼做任何修改，但是必須為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備(如網(wǎng)卡芯片、串口等)寫一個驅(qū)動程序。同時，現(xiàn)有系統(tǒng)的集成部分也要進(jìn)行相應(yīng)的處理，例如當(dāng)有數(shù)據(jù)到達(dá)或者