嵌入式GPS由GPRS接入Internet的实现

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  引言

  随着全球定位系统的不断改进,软、硬件的不断完善,应用领域正在不断地开拓,目前已遍及国民经济各种部门,并开始逐步深入人们的日常生活。随着卫星导航定位设备的小型化甚至芯片化,嵌入式GPS产品越来越广泛的应用到人们生活的各个领域,而嵌入式产品的网络化就成为当今研究的一个方向。

  1 系统原理及结构

  GPS接收机数据有数据量小、定时或非定时及实时发送等特点,一方面需实现数据的上传,另一方面也需下达各种传输、控制指令,即双向的数据、指令传输。传统的数据传输主要采用GSM的方法来解决,这种传输方式存在覆盖范围、实时性等问题。目前中国移动主推的GPRS通用分组无线业务是在现有GSM系统上发展起来的一种承载业务,目的是为GSM用户提供分组形式的数据业务。GPRS抛弃了传统的独占电路交换模式,采用分组交换技术,每个用户可同时占用多个无线信道,同一无线信道又可以由多个用户共享,有效地利用了信道资源,带宽最高可达171.2Kb/s[1]。目前中国移动的GPRS覆盖范围在中心城市几乎达到了100%,在边远地区也达到了80%以上,实际应用带宽大约在20-40Kb/s,特别适合于GPS数据通信的需求,可以完全取代过去传统的有线Modem、X.25、短信等通信方式[2]。

  GPS接收机应用GPRS数据传输方式及网络结构如图1所示:

 

 



  通过GPRS服务,GPS设备可采用互联网Internet的标准方式与在互联网上的服务器交换数据。GPRS的基础是以IP包的形式进行数据的传输,GPRS无线终端接入GPRS 网络的方法与普通有线MODEM 类似, 都采用建立PPP(Point-to-Point Protocol) 连接方式。PPP协议是一种被广泛采用的串行点对点链路上传输数据报的方法,包括LCP、PAP、IPCP、NCP等。GPRS MODEM通过PPP协议获得动态分配的IP地址。连接建立后,在PPP协议的基础上通过数据传输协议,该系统采用TCP实现与互联网上其它计算机的数据通讯。

  2 系统硬件组成

  本系统采用带有实时操作系统的GPS接收机内嵌通信协议的方案,在多任务的系统中增加一个comm.c通信任务,在该任务中实现简化的TCP/IP协议栈、PPP协议及无线GPRS Modem的命令控制。带实时操作系统的GPS接收机中包括16位VS_DSP处理器,8Mflash,96kRAM,16kROM,两个串口UART0 和UART1。其中UART0用于程序的烧写与输出数据的观测;UART1用于与无线GPRS Modem连接其中UART0口在设计阶段主要是用于连接PC机的串口进行程序的编写及烧制,作为终端机它可以作为SPI控制。系统硬件组成如图2所示。

 

 

 

 



  3 系统软件设计与实现

  GPS多任务实时操作系统中本身不带有通信功能,而且为了经济的考虑,本设计采用了不带协议栈的无线GPRS Modem,所以在软件设计时,采用在原来任务基础上增加一个通信任务,主要完成微型TCP/IP协议栈、PPP协议及无线GPRS Modem的命令控制。

  3.1 微型TCP/IP协议栈的移植

  如果在嵌入式系统中实现一个完整的TCP/IP协议栈,其难度可能会超出应用本身,所以本系统选用了一种简易的免费TCP/IP协议栈uip0.6作为设计的核心。uip0.6是瑞典计算机科学研究所Adam Dunkels开发的源码公开的免费简易TCP/IP协议栈[3,4]。uip实现了TCP/IP协议集的四个基本协议:ARP地址解析,IP网际互联协议,ICMP网络控制报文协议和TCP传输控制协议;它具备极少的代码占用量和RAM资源要求,尤其适用于8/16位单片机;支持多个主动连接和被动连接并发,支持连接的动态分配和释放;拥有简易的应用层接口和设备驱动层接口。由于本系统采用GPRS网络方式,所以其四个协议集中只保留IP网际互连协议和TCP传输控制协议,并其进行一定的修改。uip协议栈中实现IP网际互联协议时对原协议进行了极大的简化,它没有实现分片和重组。本设计中由于发送接收数据量较小,所以不必进行分片与重组,即对IP网际互联协议的实现部分不作修改。为了减少存储器的使用,uip里的TCP没有实现发送和接收数据的调整窗口。输入的TCP段不会通过uip缓存,而是由应用程序处理。输出数据时,uip不能在每个连接有超过一个未解决的TCP段。在本系统的设计中,为了避免数据丢失,应用中设计一个大的缓冲区send_recbuf[]接收应用要发送的数据,一个较小的发送缓冲区send_buf[]。对uipopt.h中的部分内容进行修改,删去UIP_IPADDR部分,应用文件头文件改为本系统中的应用文件的头文件#include “appcomm.h”,做为客户端本系统中定义#define UIP_ACTIVE_OPEN 1。由于数据链路层采用PPP协议,所以uip_buf[]中IP头的偏移量定义为:


#define UIPLLHLEN 0

  3.1.1 uip与PPP的接口

  当PPP协议从网络接收到一个IP包时,把它放入到uip_buf中,系统调用uip_input()函数。此函数将处理这个包,在需要时会调用应用程序。当uip_input()返回时,uip_buf中放入了一个输出包,包的大小由全局变量uip_len约束,若uip_len为0,则说明没有包要发送,否则,PPP将此包加上PPP包头发送到网上。

  3.1.2 uip与应用的接口

  uip使用基于事件的编程模式,在响应一定的事件时,应用被当作uip调用的一个C函数UIP_APPCALL来实现,故在应用中要设置#define UIP_APPCALL appcomm,在uip中的标志uip_flags用于uip与应用之间的联系,在接收到数据、数据发送成功、建立了新的连接或数据被重发时,uip调用应用,应用根据uip_flags标志进行相应的处理。

  3.2 PPP协议的实现

  PPP是运行在硬件接口之上的,它提供LCP、PAP和IPCP协商所需要的合适的机制。这些协商由被PPPEntery()函数调用的固定的状态机执行,它基于接受到的内容建立响应。而PPPReceived()函数,对接收到的每个字节进行转义处理,当一个完整的PPP帧准备好要处理时,PPPReceived()设置整帧标示Isframe,此标志在应用主循环中被PPPEntery()函数轮询。PPP包格式如表1所示:

表1 PPP包格式

 

 

 

 



  PPP模块在RAM中定义了两个缓冲区InBuffer[] 和OutBuffer[]分别存储从PPP来的包或向外输出的包,该缓冲区是全局的。为了建立点对点链路通信,在拨号成功连接后,GGSN发送LCP设置包,以便设定和测试数据链路,在链路建立以后,LCP可选设备才可以被认证,本系统拒绝所有的设置并请求(REQ)PAP方式验证。然后,进行PAP验证用户名和密码过程,在GPRS中用户名和密码都为空,如果验证成功,GGSN会返回IPCP报文,分配动态IP地址。此时,就完成了与GGSN的协商过程。协商完成后,进入IP数据报通信阶段[4]。根据应用的不同,IP报文可以携带UDP报文,也可以携带TCP或ICMP报文,本系统为了数据的可靠传输,采用TCP报文传输数据。此时,GPS终端向GGSN发送的所有包含IP报文的PPP报文都会被传送给Internet网中相应的IP地址,此处为GPS监控中心的IP地址。中心向GPS终端IP地址发送的数据也会经过GPRS网传送到GPS终端上,从而实现GPS终端与远程中心主机通过互联网传送数据。PPP协商过程如图3所示[5]:

 

 

 




  3.3 GPRS Modem命令及串口读写

  3.3.1 GPRS Modem 命令

  若想通过GPRS Modem拨号上网,建立PPP连接,就必须先对其进行配置,本系统中设置上网用到的主要的AT命令有一下两个:

  1.transmit(AT+CGDCONT=1,IP,CMNET\rn,25); 传送此命令到GPRS Modem,以设置中国移动GPRS节点服务器的APN名称和属性,如果设置成功则返回“OK”,出错返回“ERROR”。其中“CMNET”是登陆GPRS网的缺省APN.

  2.transmit(ATD*99***1#rn,13);此命令拨通中国移动的GPRS节点服务器,如果设置成功,则返回“CONNECT”,出错返回“ERROR”。程序可以根据返回值做相应处理。

  3.3.2 串口读写API

  GPS多任务实时操作系统中提供了对串口读写的API函数,本系统在用户初始化时采用信号触发方式来读取串口,具体的串口API的应用如下所述:

  1. 打开串口

  PORT __y * _pUserPort; //其中_pUserPort为定义的串口变量

  _pUserPort = (PORT __y *)UART_Open(¶mcom);

  if (_pUserPort)

  {

   PORT_SignalWhenDataAvailable(_pUserPort, 1, ISYS_ThisTaskId());

  }

  以上的功能为打开串口,paramcom为设定的串口参数结构,其中包括,串口号、缓冲区大小、传输速率等基本设置,若打开成功,则在串口每接收到一个字节时就会发送一个信号给本任务。


  2. 读串口

  PORT_ReadByte(_pUserPort, &buf)

  在收到有字节的信号时,调用此函数将串口_pUserPort中的数据读入缓冲区buf中。

  3. 写串口

  PORT_WriteByte(_pUserPort, *data))

  此函数是将data指针所指向的数据写到串口_pUserPort。

  4 结论

  本系统通过在GPS多任务实时操作系统中增加一个通信任务,并成功移植了uip0.6协议栈,完成了链路层PPP协议及底层硬件的驱动调用,使得GPS定位数据能够实时、准确传输。经过实践证明,该系统传输过程稳定,数据传输无误。本系统的实现为GPS产品的网络化及将来GPS产品通过网络提高性能奠定了基础。

  本文作者创新点是将TCP/IP协议栈成功移植到GPS实时操作系统中,并在VS_DSP中实现了链路层的点对点的PPP协议,节省了原来利用有协议栈的Modem进行数据传输的费用,为以后GPS的广泛应用奠定了工程应用基础。

 

 

 

 
 
 

 

 

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