基于實現(xiàn)功耗較低目的的窄帶數(shù)據傳輸終端設計11000字論文

基于實現(xiàn)功耗較低目的的窄帶數(shù)據傳輸終端設計度，本數(shù)據終端采用了MSM01A天通模塊，利用天通衛(wèi)星通信技文章基于天通衛(wèi)星、STM32單片機設計出一款數(shù)據傳輸終端，為遠海與岸目錄 11.2國內外研究狀況 1 11.2.2嵌入式網絡協(xié)議的研究現(xiàn)狀 2 21.3本文研究的主要內容 32.終端硬件設計2.1天通終端通信的硬件選型 42.2天通模塊的通信接口 62.3STM32單片機的選型 62.4數(shù)據傳輸方式 73.Lwip協(xié)議棧的分析3.1Lwip協(xié)議特點 93.2Lwip進程模式 93.2.1傳統(tǒng)的TCP/IP協(xié)議棧進程模式 9 4.2FreeRTOS在STM32上的移植 5.Lwip在FreeRTOS平臺下的移植實現(xiàn)5.1移植接口分析 5.2操作系統(tǒng)模擬層的實現(xiàn) 5.2.4文件sys_arch.c的修 5.3硬件驅動層的實現(xiàn) 21 6.2測試過程遇到的問題以及解決方案 6.2.1數(shù)據終端收不到平臺下發(fā)的AT指令 6.2.2PPP撥號失敗 7.2展望 中國大陸是一個位于西北太平洋沿岸并且擁有長達18000多千米的大陸海岸線，占地200多萬平方千米的海洋漁場和130多萬平方千米大陸架面積的地方。而中華民族長期生存繁衍的重要基礎則是這些管轄海域。并且我國還可以很便利地進入世界各個大洋，還可以對公海與國際海底區(qū)域里的海洋資源進行開發(fā)到目前為止，我國的海洋數(shù)據傳輸一般情況下利用的是傳統(tǒng)的有線網絡傳輸技術，建設費用比重較大。在途中需要檢測有線通信鏈路的維護情況，當故障發(fā)生時故障點一般很難被找到。在用戶設定通信網絡后，在系統(tǒng)的需求下，通常會增加新的設備，在使用有線傳輸就可能需要重新布置線路。因此，發(fā)展無線網絡傳輸勢在必行，不但能更好地節(jié)約人力物力，經濟效益也能得到顯著地提升。海洋的無線通信傳輸有諸多優(yōu)點，綜合成本低，性能更穩(wěn)定，從而擺脫線纜的束縛；組網靈活，可擴展性好；維護費用低等。當前運用于海洋的無線通信技術有無線微波通信、基于陸地蜂窩網絡的岸基移動通信和衛(wèi)星通信等。其中，衛(wèi)星通信是未來無線通信的大趨勢，在海洋信息化建設中扮演了十分重要的角色。天通一號衛(wèi)星作為我國自主研發(fā)的通信衛(wèi)星，具備可靠性、可信賴性以及高性價比，從而很好地解決海洋數(shù)據無線傳輸問題。1.2.1無線數(shù)據傳輸技術的研究現(xiàn)狀無線數(shù)據傳輸是現(xiàn)在乃至未來國際社會主流的通信方式，無線數(shù)據傳輸技術將會促進國際社會的數(shù)字化、信息化發(fā)展。無線數(shù)據傳輸技術大概可以分為兩種：第一種是專網無線傳輸：專網無線傳輸?shù)木唧w例子有Wi-Fi、MDS數(shù)傳電臺、2G、3G、4G分別是第二代、第三代、第四代移動信息系統(tǒng)，速度越來越快，目前普及的5G通信技術，它的圖像傳輸?shù)乃俣瓤臁鬏攬D像的質量以及傳輸?shù)膱D像看起來更加清晰明了。通過對智能通信設備的應用，5G通信技術讓用戶的上網速度可高達10G/s,讓用戶能夠更加快速的上網。在這眾多的技術中，傳輸速度是受開發(fā)者重視的主要參數(shù)，天通衛(wèi)星的傳輸速度也十分優(yōu)異，作為我國目前在軌運行的通信衛(wèi)星，傳輸速率比美國銥星還要快。且2021年剛發(fā)射的天通一號03星，將與天通一號01星、02星組網運行，覆蓋范圍更廣，足夠為大部分海域用戶提供通信服務。因此采用天通通信模塊制作無線數(shù)據傳輸終端，并將其應用在海事上，是十分合理的選擇。1.2.2嵌入式網絡協(xié)議的研究現(xiàn)狀嵌入式設備的入網，依賴于嵌入式網絡協(xié)議，目前主流的嵌入式網絡協(xié)議有uIP、uc/IP、Lwip等。它們各有優(yōu)點和缺點，應用于不同的應用場合。uIP是一個極小型嵌入式網絡協(xié)議棧，通常應用于小型的嵌入式設備。在具備TCP/IP協(xié)議?；竟δ艿幕A上，優(yōu)化了通訊流程。但應用上也具有一定的uc/IP是一個基于uC/OS操作系統(tǒng)的嵌入式網絡協(xié)議。優(yōu)點在于支持多種協(xié)議，例如PPP協(xié)議、嵌入式以太網協(xié)議。缺點在于應用層面針對uC/OS操作系統(tǒng)的局限性。Lwip是一款不管有無操作系統(tǒng)的支持都可以運行的LightWeight(輕型)IP協(xié)議。Lwip在保持TCP協(xié)議主要功能的基礎上減少對RAM的占用是它實現(xiàn)的重點，它在運行時只需要十幾KB的RAM和40K左右的ROM。雖然Lwip是專門為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的精簡版、輕量級的網絡協(xié)議，但是功能還是比較全面的。除此之外，它可以支持傳統(tǒng)TCP/IP協(xié)議的基本功能外 (IP/ICMP/UDP/TCP),另外還可以支持包括其他一些機制。例如緩沖與內存管理子系統(tǒng)、操作系統(tǒng)模擬層、網絡接口、Intemet校驗和計算及API接口等機作為數(shù)據傳輸終端的網絡協(xié)議。針對實時性的要求不同，嵌入式操作系統(tǒng)可分為硬實時操作系統(tǒng)和軟實時操作系統(tǒng)。對時間的要求較低的是軟實時操作系統(tǒng)，一般應用于智能設備；對時間的要求較高的是硬實時操作系統(tǒng)，主流的硬實時操作系統(tǒng)有Linux、ucLinux、FreeRTOS等。Linux是一個開源的嵌入式操作系統(tǒng)。內置標準的網絡協(xié)議。用戶可針對各自的需求，對內核進行功能上的剪裁、移植。但由于開發(fā)的實現(xiàn)是基于命令行或者腳本，造成了開發(fā)的門檻高、開發(fā)困難。更值得開發(fā)者重視的是，Linux內核的搶占式實時特性以及不支持事件優(yōu)先級，因此Linux不算是嚴格意義上的實時ucLinux算是精簡版的Linux,它具備Linux的大部分功能，是市面上應用較廣的操作系統(tǒng)。但和Linux相同，并不算是真正意義上的實時操作系統(tǒng)。FreeRTOS是一種開源、輕量級的實時操作系統(tǒng)，被廣泛應用于中小型嵌入式設備，在性能優(yōu)異的基礎上，開發(fā)也靈活，具有代碼公開、可進行移植、也可裁減、調度策略靈活等特點，能夠更方便地移植到各個單片機上實施運行。目前，F(xiàn)reeRTOS在國內的應用領域并不大，但隨著時代的發(fā)展，相信它的優(yōu)勢也將越來越被開發(fā)者重視，因此本終端設計選用FreeRTOS作為實時操作系本論文設計的基于天通一號的窄帶數(shù)據傳輸終端，是通過解析天通模塊的通信協(xié)議給出的設計方法。在硬件設計方面，包括天通模塊與STM32開發(fā)板。在程序方面，編輯相關的數(shù)據傳輸協(xié)議。本論文用六個章節(jié)來闡述，每個章節(jié)的內容簡介如下：第一章，緒論。此章節(jié)簡明的介紹了海洋資源開發(fā)的意義、海洋數(shù)據信息化的重要性、天通衛(wèi)星在海事數(shù)據傳輸?shù)闹匾匚唬⒑喴爬吮疚牡难芯績热莺驮O計思路。第二章，終端硬件設計。首先，根據海事數(shù)據傳輸?shù)木唧w需求和場合限制，分析我國天通衛(wèi)星通信系統(tǒng)的相關技術，對現(xiàn)有的天通通信模塊進行選型；其次，簡要介紹天通模塊的通信接口；最后根據天通模塊的特性，對現(xiàn)有的單片機開發(fā)板進行選型，簡要介紹單片機的基本特性以及數(shù)據傳輸方式。第三章，Lwip協(xié)議棧的分析。首先是介紹Lwip協(xié)議的特點，其次是介紹Lwip的進程模式。第四章，實現(xiàn)了實時操作系統(tǒng)FreeRTOS的移植。FreeRTOS操作系統(tǒng)內核結構為主要的研究目標。并完成FreeRTOS在STM32開發(fā)板上的移植。第五章，Lwip在FreeRTOS平臺下的移植實現(xiàn)。第六章，實驗測試。主要對數(shù)據傳輸終端進行功能性測試，以及測試過程遇到的問題和解決方案?；鶐卧獮椋夯鶐幚硇酒篗CP內存芯片：MSCO1A;射頻單元為：射頻收發(fā)芯片：MSR01A;功放芯片為；射頻開關為；26M壓控振蕩器；電源處理與接口單元為：PMU芯片內部集成電源管理單元和CODEC單元；應用接口為：52腳金手指接口；射頻接口為：S/BD天線連接器。MSC01A是一款基帶芯片并以衛(wèi)星通信為基礎的芯片。MSC01A使用的是高性能低功耗的CMOS技術，采用40nmLP(Low-Power)制造工藝以及364腳功耗僅有0.19mV/MHz,與ARM7TDMI相比改進了30%,并且使用了單周期的乘法和硬件除法和不可分的位操作，實現(xiàn)了對RAM、I/O和寄存器的最優(yōu)選擇的令的密度并實現(xiàn)32位指令性能(與ARM7TDMI的ARM模式比減少了30%—45%的代碼量)。然后，Cortex-M3還擁有可以預見的運轉時間，終端控制器被鑲嵌在內核之中，中斷之間的間隔最少可以低至6個CPU周期，然而從低功耗模式喚醒僅需6個CPU周期。到最后，Cortex-M3擁有改進的調節(jié)功能，例如串行單步調試和JTAG調試等。Cortex-M3芯片的結構如圖2-3所示：STM32單片機與天通模塊采用串口通信，傳輸方式為DMA(Dir然而，CPU通常需要處理大量的事務，如果可以盡可能地減輕CPU的負擔，對如圖2-4所示：Lwip是一款不管有無操作系統(tǒng)的支持都可以運行的LightWeight(輕型)IP協(xié)議。Lwip在保持TCP協(xié)議主要功能的基礎上減少對RAM的占用是它實現(xiàn)的重點，它在運行時只需要十幾KB的RAM和40K左右的ROM,這就是Lwip協(xié)這樣就可以讓Lwip更適合地運用于資源有限的小型平臺比如嵌入式系統(tǒng)。為了(1)可以支持多網絡接口下的IP轉發(fā)；(2)支持應用ICMP協(xié)議；(3)包含實驗性擴展的UDP(用戶數(shù)據報協(xié)議);(4)包含阻塞控制，RTT估算和迅速恢復和迅速轉發(fā)的TCP(傳輸控制協(xié)(5)提供專門的內部回調接□(RawAPI)來用于增強應用程序的性能；(6)可以選擇的Berkeley接□API(多線程情況下);(7)在最新的版本中支持ppp(這特別適合我們的實際應用，避免重新去寫(8)新版本中增多了的IPfragment的支持.(9)支持DHCP協(xié)議和動態(tài)分配IP地址。議的基本功能外(IP/ICMP/UDP/TAPI接口等機制，如此這樣，就在很大程度上方便了嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)。3.2Lwip進程模式3.2.1傳統(tǒng)的TCP/IP協(xié)議棧進程模式眾人周知，傳統(tǒng)的TCP/IP協(xié)議棧擁有下面兩種不同的進程模式。第一種：Lwip使用的進程模式就是將所有層的協(xié)議以函數(shù)調試用的形式，全部都停實現(xiàn)完成的，并直接調用協(xié)議中自帶的API函數(shù)來完成實現(xiàn)和協(xié)議棧通信。的數(shù)據都是通過其下層協(xié)議來承受記錄并進行封裝的。Lwip的結構分層如圖3-3所示：第一層，為MCU的業(yè)務層，這一層是Lwip來提供服務的對就是自己的代碼使用Lwip的地方?；旧蠌倪@個地方開始就通過netconn或是Lwip_api開始使用Lwip的功能。從典型的TCP客戶端應用來看，首先需要通過工欲善其事，必先利其器，在開始學習以及移第三，準備實驗所需的平臺，這次我們將在STM32F407平臺上移植和測試下載的FreeRTOS代碼是一個自解壓的文件，解壓后包括的內容比較豐FreeRTOS-Plus。FreeRTO在FreeRTOS目錄之下是FreeRTOS的內核部分，打開FreeRTOS文件夾它在于FreeRTOS/Source目錄。在此目錄下還包含三個可以選擇的文件：本次移植將在IAR平臺上進行，首先要創(chuàng)建一個IAR項目。在IAR下創(chuàng)建一個名為pfreertos的項目，并添加Application、Drivers和Middlewares幾個組。并在Application下添加EWARM與User組；在Drivers下添加CMSIS與STM32F4xx_HAL_Driver組；在Middlewares下增加FreeRTOS組，具體情況如其次，把相關的FreeRTOS源碼拷貝到該項目的目錄下面。\FreeRTOSv10.0.1\FreeRTOS\Source目錄下的源文件和include文件夾復制粘貼到新建項目的文件夾中。如圖4-3所示：圖4-3下的三個文件也復制粘貼到新建項目的文件夾。如圖4-4所示：文件復制到新建項目的文件夾。如圖4-5所示：錄下的FreeRTOSConfig.h文件復制粘貼到新建項目的文件夾中。如圖4-6所然后，同時把這下文件添加到我們前面建立的pfreertos項目中，其他的例如ST驅動及用戶應用也添加到項目中。并將相關的引用目錄添加到項目屬性中。如圖4-7所示：在FreeRTOSConfig.h配置文件中，有如下3個宏定義：#definevPortSVCHandlerSVC_Handler#definexPortPendSVHandlerPendSV_Handler#definexPortSysTickHandlerSysTick_Handler需要在stm32f4xx_it.c文件里，把對應的三個空的函數(shù)定義并注釋掉。到目前為止，其實編譯就已經不會有錯誤的地方，移植工作也已經完成了。不可否認，在有些其他的基礎庫也需要使用SysTick時，我們也可以在中斷中調用xPortSysTickHandler)函數(shù)來實現(xiàn)我們的需求。在基于操作系統(tǒng)平臺下的Lwip移植的完成就需要解決兩大部分接口的實現(xiàn)。其中一個是Lwip在操作系統(tǒng)模擬層接口部分的實現(xiàn)；另一個則是硬件驅動層的實現(xiàn)。全部的移植框架結構如下圖5-1所示。5.2操作系統(tǒng)模擬層的實現(xiàn)在arch文件夾中有操作系統(tǒng)模擬層的代碼，而修改這個目錄的文件是對其類型、數(shù)據結構和字節(jié)對齊的相關宏，與之相關的代碼如圖5-2所示：與此同時由于C語言定義的結構體是4字相對齊的，然而Lwip是在對以免各數(shù)據字段在結構體中的偏移量發(fā)生不能夠預知的改變，代碼如圖5-3所在此基礎上把處理器的大小端模式定義為小端存儲模式，也是協(xié)議棧內核所必須的。所謂的小端存儲模式就是指數(shù)據的高字節(jié)保存在內存的高地址中，其中在數(shù)據的低字節(jié)保存在內存的低地址中，這種儲存模式把地址的高低和數(shù)據位權有效地合并起來了，并且權值高的部分為高地址部分，而權值低的部分為低地址部分，與我們的邏輯方法相同。具體代碼如圖5-4所示：5.2.3文件sys_arch.h的修改Lwip中使用信號量來實現(xiàn)任務之間的相互排斥與同步使用，應用郵箱來實現(xiàn)任務間數(shù)據的傳送，仍需要實現(xiàn)多線程，因此就要把操作系統(tǒng)相關的信號量、郵箱和多線程的數(shù)據結構和宏預先進行與其相關的定義。由于操作系統(tǒng)中提供了信號量和消息隊列的通信方式，而且也沒有提供郵箱，所以這里依據消息隊列來創(chuàng)設郵箱，用任務來替代線程，再封裝成相應形式供Lwip調試使用，與其相關的代碼如圖5-5所示：首先，郵箱的實現(xiàn)。郵箱是用于來對消息進行傳遞的，因此就需要保存儲備信息，并且大部分的情況下都是用結構體來保存儲備的，然后以鏈表的形式把可能相同信息的多條的結構鏈接起來。大多數(shù)操作系統(tǒng)模擬層都是支持郵箱機制的，在使用時可以直接調試使用，但是這次移植使用的操作系統(tǒng)為FreeRTOS,它本身其實并不支持郵箱機制，所以擬郵箱功能從而支持消息的投放傳遞，傳遞到郵箱中內容的指針。實現(xiàn)程序如圖5-6所示：再次，是多線程創(chuàng)建函數(shù)。在Lwip網絡協(xié)議中，多線程的運行方式是通過操作系統(tǒng)模擬層中的多線程創(chuàng)建函數(shù)來實現(xiàn)的，而FreeRTOS操作系統(tǒng)的創(chuàng)建新任務的函數(shù)xTaskCreat來實現(xiàn)具體程序如圖5-7所最后，是臨界保護函數(shù)。在資源互斥的時候，協(xié)議棧在對資源訪問操作的過程中，會產生新的數(shù)據覆蓋原來的數(shù)據，因此需要體是調用操作系統(tǒng)FreeRTOS中的開關中斷，代碼如圖5-8所示：硬件系統(tǒng)使用的網卡芯片取決了底層驅動程序能否被完成上述步驟之后移植工作完成，開始實驗測試第一，由STM32單片機向天通模塊發(fā)送AT指令，打印結果如圖6-1所ATCMDS圖6-1發(fā)送AT指令第二，AT指令發(fā)送成功，反饋也為正常后。由STM32控制天通模塊進行PPP撥號入網，打印結果如圖6-2所示：pppphasechanged[1]:phase=0pPPconnect[1]:holdoffpppossendconfig[sentLCPConfReqid=0x1<asyncmapOx0><magicOxb01a3720ppposwrite[1]:len=ppp_start[1]:finishsent[LCPConfReqid=0x1<asyncmap0x0><mappposwrite[1]:len=tcpipthread:PACKETrcvdLLCPConfAckid=0x1<asyncmap0x0><magicOxb01a3720><pcomp>ppposwrite[1]:len=netifsetmtu[1]:mtu=1500ppp_send_config[1]pppos_recv_config[1]:in_accm=0pppphasechanged[1]:sent[PAPAuthReq第三，若PPP撥號入網成功后，將會獲取到天通衛(wèi)星分配的IP地址，打印結果如圖6-3所示：IPCPConfAckidsifvjcomp[1]:VJcompresshis_ipaddrnetmask=55pppphasechanged[1]:phase=10pppos_netif_output[1]:proto=0x21,len=44圖6-3獲取到IP地址第四，通過天通模塊發(fā)送溫度、濕度數(shù)據(溫度、濕度數(shù)據為模擬量)。若發(fā)送成功，打印發(fā)送的溫度、濕度數(shù)據，打印結果如圖6-4所示：PpP_input1:ipinpbufIen=46PpP_input1:ipinpbufIen=46pppos_netif_output[1]:proto=0x21,len=40pppos_netif_output[1]:proto=0x21,sendtotianton:temperature:35humidtcpip_thread:PACKET200076_output[1]:proto=0x_output[i]:proto=0x21,len=71nput[1]:ipinpbuflen=46nput[1]:ipinpbuflen=71temperature:35humidity:43%pppos_netif_output[1]:proto=0x21,len=71sendtotianton:temperature:34.6tcpipthread:PACKET20007624圖6-4發(fā)送溫度、濕度數(shù)據第五，利用現(xiàn)有的公共IP平臺搭建TCP服務器，由之前天通衛(wèi)星分配的IPIP地址向公共IP發(fā)送溫度、濕度數(shù)據，并打印數(shù)據結果，如圖6-5所示：創(chuàng)建tcp服務器成功4連接成功連接已經關閉：4[pcq@iZwz9chr22v1g7oqj3e01kZ由于MSM01A天通模塊具有休眠功能，以此降低功耗。當判斷進入休眠狀態(tài)后，處理器會置高B2A_SLEEP信號，并使能A2B_WAKEUP中斷。處于休刻處于喚醒狀態(tài)，也就是置低B2A_SLEEP信號。PPP撥號過程中，若沒發(fā)生中斷，直至獲取到天通衛(wèi)星分配的IP地址，證明PPP撥號入網成功，反之，若發(fā)生中斷，未獲取到IP地址，證明PPP撥號失7.總結與展望本論文以STM32開發(fā)板作為窄帶數(shù)據傳輸終端的主控芯片，利用終端上的天通模塊MSM01A通過天通一號衛(wèi)星將數(shù)據傳輸?shù)桨痘W絡，最終進入公網實第一、完成了基于天通一號的窄帶數(shù)據傳輸終端的紹了目前天通一號衛(wèi)星的相關技術與參數(shù)，并選擇采用天通MSM01A模塊來對接衛(wèi)星網絡的方案。實現(xiàn)船舶與岸端的數(shù)據傳輸。第二、分析了基于天通一號的窄帶數(shù)據傳輸終端的主要功能模塊。介紹了STM32開發(fā)板、MSM01A天通通信模塊。第三、通過對FreeRTOS實時操作系統(tǒng)的學習，我對FreeRTOS的內核和工作原理有了更深層次的了解，并且完成了FreeRTOS實時操作系統(tǒng)跨硬件平臺的移植。在這樣的基礎上，結合分析了嵌入式網絡協(xié)議Lwip的協(xié)議棧，同時也實現(xiàn)了對FreeRTOS平臺下的移植完成。第四、完成了實驗設計和驗證的測試，其中測試包含了FreeRTOS操作系統(tǒng)移植測試、移植前的硬件平臺測試與Lwip協(xié)議的移植測試三種測試。7.2展望本論文設計的是一套基于天通一號的窄帶數(shù)據傳輸終端。相比傳統(tǒng)的海洋數(shù)據傳輸終端，除了實現(xiàn)基本的海洋環(huán)境數(shù)據傳輸，還結合我國移動通信衛(wèi)星——天通一號實現(xiàn)了遠程的數(shù)據實時顯示。但由于衛(wèi)星信號屬于高頻短波遠距離信號，受環(huán)境等影響較大，在不同的環(huán)境下測試到的數(shù)據可能有所不同，從而難以保證數(shù)據傳輸?shù)臏蚀_性和及時性。目前，我國正在發(fā)展的“鴻云”天基互聯(lián)網系統(tǒng)，可實現(xiàn)寬帶網絡通信。未來，“天通”衛(wèi)星的窄帶通信可與“鴻云”的寬帶通信結合應用，將在海洋數(shù)據傳輸方面有質的發(fā)展。由于技術和時間限制，本設計尚有許多不足之處，有待改善，可以改善的內容包括以下幾個方面：第一、本設計用于遠程海洋的環(huán)境中，設備的測試是在實驗室進行，實驗數(shù)據暫時缺乏