基于ARM處理器AT91S的M2M終端設(shè)計

引言

目前，對輸油管道、電力裝置、油井等進行遠程監(jiān)控主要采用人工巡邏的方式，這種方式存在實時性差、成本高、浪費人力資源、無法對環(huán)境惡劣的地區(qū)進行監(jiān)控、可能出現(xiàn)誤報等缺點。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)用無線移動通信技術(shù)，實現(xiàn)機器與機器、機器與人之間數(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、網(wǎng)絡(luò)可靠性高等優(yōu)點。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GPRS技術(shù)來解決上述問題成為一種較好的方案。

嵌入式系統(tǒng)是當(dāng)前國內(nèi)外研究的熱點之一。采用嵌入式系統(tǒng)技術(shù)設(shè)計一種可以解決遠程監(jiān)控領(lǐng)域數(shù)據(jù)傳輸問題的通用終端是必要的。本文重點闡述了基于嵌入式ARM處理器，結(jié)合GPRS模塊MC35i設(shè)計M2M終端的總體設(shè)計方案。

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AT91SAM7S64，它們的接口設(shè)計如圖1所示。M2M終端對外留有2個RS232串口，通過發(fā)送預(yù)先定義好的數(shù)字指令，可以實現(xiàn)M2M終端的啟動、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)通過串口發(fā)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模塊是實現(xiàn)M2M終端平臺的核心部分，設(shè)計中采用西門子公司的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)傳輸平臺上。MC35i提供了標(biāo)準(zhǔn)AT命令界面和一個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)傳輸平臺處理器采用ATMEL公司生產(chǎn)的32位ARM7TDMI體系結(jié)構(gòu)處理器AT91SAM7S64，該芯片采用3.3V電壓進行供電，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UART通信串口和1個USB2.0全速設(shè)備，利用本芯片完成系統(tǒng)功能的同時可以實現(xiàn)系統(tǒng)的高性價比。CPU模塊硬件電路包括：時鐘電路、JTAG接口電路，RS232接口電路等。

電源設(shè)計

系統(tǒng)采用9V電源進行供電，經(jīng)過TI公司LDO降壓芯片UA7805進行一次降壓，使電壓降至5V。GPRS模塊MC35i要求的電源電壓為3.3V～4.8V，而且要求電源必須能夠提供2A的尖峰電流，因此需要將5V電源通過一個0.7V壓降的肖特基二極管1N5819后輸入MC35i，同時需要接入耐壓25V、1000μF的電解電容，以為MC35i提供足夠的尖峰電流，將5V電源經(jīng)過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

采用嵌入式實時操作系統(tǒng)可以更合適、有效地利用CPU的資源，簡化應(yīng)用軟件的設(shè)計，縮短系統(tǒng)開發(fā)時間，更好地保證系統(tǒng)的實時陛和可靠性。FreeRTOS是在Sourceforge網(wǎng)站上發(fā)布的微內(nèi)核嵌入式實時操作系統(tǒng)，它是完全免費的操作系統(tǒng)，具有源碼公開、可移植、可裁減、調(diào)度策略靈活的特點。作為一個輕量級的操作系統(tǒng)，F(xiàn)reeRTOS提供的功能包括：任務(wù)管理、時間管理、信號量、消息隊列、內(nèi)存管理等

FreeRTOS支持優(yōu)先級和輪換時間片兩種調(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終端實現(xiàn)PPP協(xié)商以及數(shù)據(jù)封裝傳輸?shù)能浖O(shè)計方案。

基于狀態(tài)機設(shè)計GPRS連接任務(wù)

由于網(wǎng)絡(luò)和信號較弱等原因，可能導(dǎo)致節(jié)點與GPRS網(wǎng)絡(luò)連接的失敗，采用基于狀態(tài)機的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法對各個階段產(chǎn)生的錯誤進行處理，能保障模塊與GPRS網(wǎng)絡(luò)建立可靠連接。程序狀態(tài)機如圖2所示。

閑待命態(tài)：此時MC35i處在離線關(guān)閉狀態(tài)，節(jié)點處在低功耗模式下，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MC35i模塊后進入此狀態(tài)，通過發(fā)送AT命令對模塊及必要的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進行設(shè)置，為使各個參數(shù)均設(shè)置成功，軟件設(shè)計中增加了容錯重試機制。

PPP協(xié)商態(tài)：GPRS參數(shù)設(shè)置完成后，通過發(fā)送AT*99***1#命令開始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)計中采用LCPHandler()函數(shù)完成LCP協(xié)商，PAPHandler()完成認證，由IPCPHandler()完成IPCP協(xié)商，如果最后獲得ISP和本節(jié)點的IP地址，則進入PPPOVER態(tài)，此后就能進行數(shù)據(jù)的傳輸了，由于GPRS網(wǎng)絡(luò)等原因，PPP協(xié)商有時會失敗，此時應(yīng)重啟MC35i模塊，再按照狀態(tài)機流程重新連接。

UDP數(shù)據(jù)傳輸態(tài)：當(dāng)程序采用UDP方式進行數(shù)據(jù)傳輸時，程序進入此狀態(tài)，通過xDataTrsmtTask()任務(wù)進行數(shù)據(jù)的UDP/IP封裝和解析。

TCP數(shù)據(jù)傳輸態(tài)：當(dāng)節(jié)點調(diào)用uip_cionnect()函數(shù)與監(jiān)控中心建立連接后，程序進入TCP數(shù)據(jù)傳輸態(tài)，進行基于TCP的數(shù)據(jù)傳輸。