嵌入式ARM處理器在M2M終端總體設(shè)計(jì)中的應(yīng)用.

1、嵌入式 ARM處理器在 M2M終端總體設(shè)計(jì)中的應(yīng)用嵌入式 ARM處理器在 M2M終端總體設(shè)計(jì)中的應(yīng)用類(lèi)別：嵌入式系統(tǒng)引言 目前，對(duì)輸油管道、電力裝置、油井等進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控主要采 用人工巡邏的方式，這種方式存在實(shí)時(shí)性差、成本高、浪費(fèi)人力資源、無(wú)法對(duì) 環(huán)境惡劣的地區(qū)進(jìn)行監(jiān)控、可能出現(xiàn)誤報(bào)等缺點(diǎn)。隨著工業(yè)領(lǐng)域現(xiàn)代化水平的 提高和通信技術(shù)的發(fā)展，這種生產(chǎn)方式亟待得到改善。M2M是指應(yīng)用無(wú)線移動(dòng)通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器與機(jī)器、機(jī)器與人之間數(shù)據(jù)通信和交流的一系列技術(shù) 及其組合的總稱。 GPRS具有覆蓋地域廣、通信距離遠(yuǎn)、網(wǎng)絡(luò)可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。 隨著 GPRS的推廣和應(yīng)用，以及基于 GPRS的 M2M產(chǎn)品的推出，采用

2、 GPRS技術(shù)來(lái) 解決上述問(wèn)題成為一種較好的方案。 嵌入式系統(tǒng)是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn) 之一。采用嵌入式系統(tǒng)技術(shù)設(shè)計(jì)一種可以解決遠(yuǎn)程監(jiān)控領(lǐng)域數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題的通 用終端是必要的。本文重點(diǎn)闡述了基于嵌入式 ARM處理器，結(jié)合 GPRS模塊 MC35i設(shè)計(jì) M2M終端的總體設(shè)計(jì)方案。系統(tǒng)硬件組成M2M終端的硬件核心為 GPRS通信模塊 MC35i和ARM處理器 AT91SAM7S6，4它們的接口設(shè)計(jì)如圖 1 所示。 M2M終端對(duì)外留有 2 個(gè) RS232串口，通過(guò)發(fā)送預(yù)先定義好的數(shù)字指令， 可以實(shí)現(xiàn) M2M終端的啟動(dòng)、關(guān)閉等。當(dāng) M2M終端與 Internet 建立連接后，只需 把封裝好的數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)

3、送到 M2M終端，由其完成向監(jiān)控中心發(fā)送數(shù)據(jù)的功 能。GPRS模塊GPRS模塊是實(shí)現(xiàn) M2M終端平臺(tái)的核心部分，設(shè)計(jì)中采用西門(mén)子公司的 GPRS通信模塊 MC35i。本模塊包括 CPU接口電路、 SIM 卡接口 電路和 MC35i外圍電路， MC35i支持 GPRS的四種編碼協(xié)議 CS-1、CS-2、 CS-3 和 CS-4，理論上最高傳輸速率可達(dá) 172kbps。它具備完整的 GSM和 GPRS功能， 可以廣泛應(yīng)用在相關(guān)的 M2M數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)上。 MC35i提供了標(biāo)準(zhǔn) AT命令界面和 一個(gè) RS232接口，用于與外部應(yīng)用系統(tǒng)連接。ARM處理器本數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)處理器采用 ATMEL公司生產(chǎn)的 3

4、2位 ARM7TDM體I 系結(jié)構(gòu)處理器 AT91SAM7S6，4該芯片采用 3.3V 電壓進(jìn)行供電，支持低功耗模式，它具有 64kB 的FLASH和16kB的SRAM，具備豐富的外圍設(shè)備資源，其中包括 3個(gè) UART通信 串口和 1 個(gè) USB2.0全速設(shè)備，利用本芯片完成系統(tǒng)功能的同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的 高性價(jià)比。 CPU模塊硬件電路包括：時(shí)鐘電路、 JTAG接口電路， RS232接口電 路等。 電源設(shè)計(jì) 系統(tǒng)采用 9V 電源進(jìn)行供電，經(jīng)過(guò) TI 公司 LDO降壓 芯片 UA7805進(jìn)行一次降壓，使電壓降至 5V。GPRS模塊 MC35i 要求的電源電壓 為 3.3V 4.8V，而且要求電源必須

5、能夠提供 2A的尖峰電流，因此需要將 5V電 源通過(guò)一個(gè) 0.7V 壓降的肖特基二極管 1N5819后輸入 MC35i，同時(shí)需要接入耐 壓 25V、1000F 的電解電容，以為 MC35i提供足夠的尖峰電流，將 5V電源經(jīng) 過(guò) TI 公司電源模塊 REG1117-3.3將電壓降至 3.3V ，為微處理器及其他芯片提 供電源。 嵌入式軟件設(shè)計(jì) 采用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)可以更合適、有 效地利用 CPU的資源，簡(jiǎn)化應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)，縮短系統(tǒng)開(kāi)發(fā)時(shí)間，更好地保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)陛和可靠性。 FreeRTOS是在 Sourceforge 網(wǎng)站上發(fā)布的微內(nèi)核嵌入 式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，它是完全免費(fèi)的操作系統(tǒng)，具有源碼公開(kāi)

6、、可移植、可裁 減、調(diào)度策略靈活的特點(diǎn)。作為一個(gè)輕量級(jí)的操作系統(tǒng)， FreeRTOS提供的功能 包括：任務(wù)管理、時(shí)間管理、信號(hào)量、消息隊(duì)列、內(nèi)存管理等 FreeRTOS 支持優(yōu)先級(jí)和輪換時(shí)間片兩種調(diào)度算法，可根據(jù)用戶需要設(shè)置為可剝奪型內(nèi)核 或不可剝奪型內(nèi)核。本文基于 FreeRTOS給出了 M2M終端實(shí)現(xiàn) PPP協(xié)商以及數(shù)據(jù) 封裝傳輸?shù)能浖O(shè)計(jì)方案。 基于狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì) GPRS連接任務(wù)由于網(wǎng)絡(luò)和信號(hào)較弱等原因，可能導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)與 GPRS網(wǎng)絡(luò)連接的失敗，采用基于狀態(tài)機(jī)的 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法對(duì)各個(gè)階段產(chǎn)生的錯(cuò)誤進(jìn)行處理，能保障模塊與GPRS網(wǎng)絡(luò)建立可靠連接。程序狀態(tài)機(jī)如圖 2 所示。 閑待命態(tài)：此時(shí) MC3

7、5i處在離線關(guān)閉狀 態(tài)，節(jié)點(diǎn)處在低功耗模式下，系統(tǒng)復(fù)位后處于此狀態(tài)。GPRS參數(shù)設(shè)置態(tài)：處理器控制啟動(dòng) MC35i 模塊后進(jìn)入此狀態(tài)，通過(guò)發(fā)送 AT命令對(duì)模塊及必要 的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，為使各個(gè)參數(shù)均設(shè)置成功，軟件設(shè)計(jì)中增加了容錯(cuò)重試 機(jī)制。PPP協(xié)商態(tài)： GPRS參數(shù)設(shè)置完成后，通過(guò)發(fā)送 AT991#命令開(kāi)始MC35i模塊與 GPRS網(wǎng)絡(luò) ISP(網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供商 )的 PPP協(xié)商軟件設(shè)計(jì)中采用 LCPHandler() 函數(shù)完成 LCP協(xié)商， PAPHandler() 完成認(rèn)證，由 IPCPHandler() 完成 IPCP協(xié)商，如果最后獲得 ISP 和本節(jié)點(diǎn)的 IP 地址，則進(jìn)入 PPPO

8、VE態(tài)R ， 此后就能進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸了，由于 GPRS網(wǎng)絡(luò)等原因， PPP協(xié)商有時(shí)會(huì)失敗，此 時(shí)應(yīng)重啟 MC35i 模塊，再按照狀態(tài)機(jī)流程重新連接。 UDP數(shù)據(jù)傳輸態(tài)：當(dāng) 程序采用 UDP方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，程序進(jìn)入此狀態(tài)，通過(guò) xDataTrsmtTask() 任務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的 UDPIP 封裝和解析。TCP數(shù)據(jù)傳輸態(tài)：當(dāng)節(jié)點(diǎn)調(diào)用uip_cionnect() 函數(shù)與監(jiān)控中心建立連接后，程序進(jìn)入 TCP數(shù)據(jù)傳輸態(tài)，進(jìn)行 基于 TCP的數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)的封裝和傳輸通過(guò) GPRS進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸需要經(jīng)過(guò) Internet 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行中轉(zhuǎn)，因而傳輸?shù)臄?shù)據(jù)封裝必須進(jìn)行 TCPIP 協(xié) 議。文中利用軟件進(jìn)行了數(shù)

9、據(jù)封裝，需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)經(jīng)過(guò)傳輸層UDP協(xié)議頭封裝，然后是 IP 協(xié)議頭的封裝，最后進(jìn)行 PPP協(xié)議的封裝。MC35i將接收到的數(shù)據(jù)透明地傳輸?shù)?Internet 網(wǎng)絡(luò)中。通過(guò) Internet 網(wǎng)絡(luò)路由器中轉(zhuǎn)，最 終將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。接收端對(duì)接收到的數(shù)據(jù)按照相應(yīng)的層次進(jìn)行解析， 從而確定數(shù)據(jù)的目標(biāo)程序。 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用分層的結(jié)構(gòu)，從底到上分別 為：串口驅(qū)動(dòng)層 (物理層) 、PPP協(xié)議層(鏈路層) 、IP 協(xié)議層(網(wǎng)絡(luò)層) 、UDP協(xié) 議和 ICMP層(傳輸層 ) 以及應(yīng)用層。在移植好的 LwIP 協(xié)議棧中，通過(guò)在各層中 建立相應(yīng)功能的線程，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的封裝。底層軟件為上層軟件提供函數(shù)支持，

10、 上層軟件利用底層軟件完成應(yīng)用程序的編寫(xiě)和實(shí)現(xiàn)。軟件采用自底向上的設(shè)計(jì) 方法逐步實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中各個(gè)函數(shù)的功能，各部分函數(shù)實(shí)現(xiàn)均采用模塊化的設(shè)計(jì)方 法。每個(gè)任務(wù)對(duì)應(yīng)一個(gè)模塊 對(duì)每個(gè)任務(wù)單獨(dú)進(jìn)行設(shè)計(jì)后，最終由 FreeRTOS操作系統(tǒng)統(tǒng)一管理，通過(guò)采用信號(hào)量和郵箱的方式實(shí)現(xiàn)多個(gè)任務(wù)之間 的通信，軟件各部分主要函數(shù)之間的關(guān)系如圖 3 所示。 在 MC35SerialISR() 中將接收的數(shù)據(jù)存放到 xQRxChars隊(duì)列中后，發(fā)送 SemMC35Rx 信號(hào)量來(lái)激活 PPPRxTask()任務(wù)，通過(guò)對(duì)接收數(shù)據(jù)的解析，確定數(shù)據(jù)包的類(lèi) 型，然后由相應(yīng)的函數(shù)對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。 如果接收的數(shù)據(jù)是應(yīng)用程序 的數(shù)據(jù)

11、，將由 IPRx() 函數(shù)判斷目標(biāo)主機(jī)是否正確，再經(jīng)過(guò)傳輸層解析數(shù)據(jù)從而 判定對(duì)數(shù)據(jù)處理的應(yīng)用程序。最后由應(yīng)用程序解析數(shù)據(jù)并執(zhí)行相應(yīng)的功能，如 將數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送到主機(jī)、向數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)送控制命令、接收數(shù)據(jù)采集系 統(tǒng)的數(shù)據(jù)并發(fā)送等。當(dāng)接收隊(duì)列中所有數(shù)據(jù)均處理完畢后，延時(shí)250ms如果還沒(méi)有接收到數(shù)據(jù)，則任務(wù)通過(guò)等待信號(hào)量 SemMC35R將x 自己掛起。數(shù)據(jù)的發(fā)送 過(guò)程是一個(gè)相反的過(guò)程。 應(yīng)用程序根據(jù)需要的功能建立 UDPTxTask()或 ICMPTxTask()任務(wù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到 xAPPTxQ隊(duì)列中。相應(yīng)的任務(wù)再調(diào)用 IPTx() 和 PPPTx()函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的封裝并將數(shù)據(jù)發(fā)送到 XqTxChar隊(duì)列中，從而 喚醒 MC35SerialISR() 中斷程序?qū)?shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送到 MC35i中進(jìn)行傳輸。為 提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，本文中 FreeRTOS采用可剝奪內(nèi)核方式