采用GR64模塊的通用GPRS數(shù)傳單元設計方案

GPRS數(shù)傳單元(DTU)在遠程數(shù)據(jù)采集終端與主站之間建立起無線IP連接和可靠的數(shù)據(jù)傳輸通道。本文提出采用內嵌腳本方式開發(fā)GR64，使之成為具有簡單控制接口，可方便配置參數(shù)和靈活切換工作模式的通用DTU的硬件和軟件實現(xiàn)方法,并總結了開發(fā)過程中遇到的問題和相應解決辦法。

關鍵詞 GPRS GR64 數(shù)傳單元(DTU) 內嵌腳本

引言

　　通用分組無線業(yè)務GPRS（General Packet Radio Service）是在現(xiàn)有GSM網(wǎng)絡基礎上進行的軟件升級，采用分組交換技術，可提供高速無線IP或X.25服務。它增加了SGSN (GPRS 業(yè)務支持節(jié)點)和GGSN(GPRS 網(wǎng)關支持節(jié)點)2 個服務節(jié)點，可提供端到端的、廣域的無線IP 連接。相對于其他數(shù)傳方式，GPRS更具優(yōu)勢： 建設成本低，數(shù)據(jù)傳輸可靠性高，傳輸速率可達171 kbps，基于IP 協(xié)議可以訪問整個Internet，永遠在線和按流量收費。

　　GR64是Sony/Ericsson公司最新推出的一款內嵌TCP/IP協(xié)議棧的GSM/GPRS模塊，可向下兼容GR47，內嵌的ARM9 CPU可以開放給用戶。GR64 具有豐富的存儲資源： 256 KB的腳本空間可同時容納2個腳本，可用于CSD方式下腳本遠程升級，至少50 KB的數(shù)據(jù)NVM空間和100 KB RAM；豐富的功能庫涵蓋所有的底層驅動，用戶只須編寫自己的應用程序。GR64提供豐富的接口： 對外有2個自適應波特率和幀格式的串口，其中UART1用于AT命令控制或本地腳本下載，UART3為通用串口；另外，還有USB2.0（等同GR47 UART2，可用于模塊自身固件升級和腳本調試信息輸出）、SPI、I2C、天線、音頻接口，12根I/O線（8根復用），AD/DA轉換器，蜂鳴器和實時時鐘等內置外設。

　　GR64模塊有兩種開發(fā)方式： 一種是內部腳本方式,即直接利用模塊開放的CPU和系統(tǒng)資源,將類C語言腳本下載到模塊的NVM(Nonvolatile Memory)中，在模塊的CPU中運行。內部腳本解釋器從NVM中讀入腳本，逐行解釋執(zhí)行，模塊通過UART3與數(shù)據(jù)終端接口。另一種是外部控制器方式，控制程序在外部微控制器中運行，微處理器向GR64的UART1發(fā)送AT命令控制其工作。

1  GPRS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通信的實現(xiàn)

　　上位機服務器不管采用哪種方式接入Internet都必須有固定IP地址，并對各終端開放相應的偵聽端口號，在接入網(wǎng)絡后要盡量保持在線。下位機(終端)工作后，會通過DTU主動與服務器建立連接，隨后告知服務器自己的終端地址；服務器收到后將其加到動態(tài)地址數(shù)據(jù)庫中，并自動定時刷新數(shù)據(jù)庫以確定哪些表還掛在網(wǎng)絡上，再根據(jù)管理員設定的自動查抄時間對連接在網(wǎng)絡上的終端進行數(shù)據(jù)讀取、參數(shù)設定、校時等操作。

2  基于GR64的GPRS DTU實現(xiàn)

2.1  DTU硬件電路

　　DTU硬件電路如圖1所示。

圖1  DTU硬件電路圖

　　模塊工作電壓VCC為3.2~4.5 V，可由降壓芯片MIC29302bu將5 V降至典型工作電壓3.6 V提供，5個發(fā)光二極管分別指示模塊GSM網(wǎng)絡注冊狀態(tài)，與GPRS網(wǎng)絡交互，通信串口數(shù)據(jù)收發(fā)狀態(tài)；由于模塊引腳數(shù)字高電平為2.75 V,RS232電平轉換芯片最好使用MAX3232等；ON/OFF腳和VREF分別提供給終端，用于控制模塊硬件開關機和檢測模塊開關機狀態(tài)；USB口為調試信息和打印信息輸出口。

2.2  DTU功能實現(xiàn)及程序流程

　　該應用中GR64工作于內部腳本方式，利用集成開發(fā)環(huán)境M2mpowerIDE腳本可通過計算機串口從模塊UART1下載到內部腳本空間，并設置為上電自動運行。上電開機、模塊注冊網(wǎng)絡后開始運行腳本： DTU先從數(shù)據(jù)NVM中讀出運行參數(shù)，初始化后按預設運行。其中包括： 網(wǎng)絡連接參數(shù)，如GPRS接入點APN(GA:cmnet)、用戶名(GU∶wap)、密碼(GP∶wap)、主站IP及端口號(NS:061.183.125.114：10001)；系統(tǒng)參數(shù)，如通信協(xié)議(CP∶TCP/UDP/SMS)、TCP通信方式下工作模式（MD:RT實時在線/SA短信激活/DA振鈴激活）、連續(xù)登陸失敗停止登陸次數(shù)(CT∶10次)、激活模式下無數(shù)據(jù)傳輸自動斷網(wǎng)時間間隔(IT∶30 min)，以及短信控制密碼(SP:whzydz)等。所有參數(shù)均向數(shù)據(jù)通信串口（UART3）發(fā)送“+++”后，按上面的格式本地修改(可以一次更改多項,各參數(shù)間用分號隔開)；改后向DTU發(fā)送LS,將得到所有參數(shù)的當前值。也可在運行過程中通過短信遠程更改各參數(shù)，但須在短信的開頭加上預先設定好的短信控制密碼(PWD:whzydzCT:15；……)；另外還可通過通信串口及短信方式控制模塊上下線(SM:ONLINE/OFFLINE)及軟件重啟動(RESET)，掉電重上電后將按最近一次更改的參數(shù)運行。程序流程如圖2、圖3和圖4所示。

圖2  進程優(yōu)先級次序

圖3  進程相互作用關系

圖4  程序流程圖

2.3  內部腳本方式下程序實現(xiàn)要點

　　以下粗體部分表示模塊內建功能庫函數(shù)。

　?、?nbsp; 內部腳本不支持中斷，須通過內部gtf()函數(shù)查詢系統(tǒng)標志位方式檢測觸發(fā)類事件的發(fā)生，或者通過gtb()函數(shù)查詢系統(tǒng)狀態(tài)字節(jié)的值確定各項系統(tǒng)狀態(tài)。例如，收到新短信時標志位SMS_RCV將被置位。其中： int SMS_RCV=29。

　　if(gtf()(SMS_RCV)){
　　　　OSA[MR]=OSA[MR]|REQ;/*開短信處理進程*/
　　　　prtf("\n New SMS received!"); }

　　同樣，接收到IP數(shù)據(jù)時標志位IP_DT_RCV將被置位。其中：IP_DT_RCV = 13。
　　通過查詢來電狀態(tài)字節(jié)，即if(gtb(CAL_STA)==RING)判斷是否有來電撥入。其中： CAL_STA=12,RING=1。

　　②  是否接收到串口數(shù)據(jù)，通過判斷內部函數(shù)utrl()返回的串口接收緩沖內數(shù)據(jù)的長度是否大于0確定。例如：

　　if(utrl()&&(!(OSA[RS]&REQ))){
　　　　OSA[RS]=OSA[RS]|REQ; /*開啟串口處理進程*/
　　　　prtf("\n UART 3 received!"); }

　　此函數(shù)的值只能確定串口是否接收到數(shù)據(jù)，因此在進入串口處理進程后，須先通過查詢定時器超時時間內utrl()返回值的變化來檢查數(shù)據(jù)鏈路，待一包數(shù)據(jù)接收完畢后再作處理。

　?、?nbsp; 內部腳本方式下，TCP連接需要完成以下步驟。
　?。╝） 待注冊GPRS網(wǎng)絡(開機后模塊自動完成)后，進入GPRS初始化進程。
　　◆ 調用atcrt()創(chuàng)建內部AT命令通道；
　　◆ 調用atsnd()發(fā)送命令“AT+CGDCONT=1,"IP","cmnet"”設置APN(由從記錄中讀出的全局變量GA決定，此處默認為cmnet)；
　　◆ 調用atsnd()發(fā)送AT命令“AT*ENAD=1,"GPRS 1","wap","wap"”設置接入用戶名和密碼(由GU、GP決定，此處默認為wap和wap)；
　　◆ 調用atdst()關閉AT命令通道，然后由字符串變量NS("061.183.125.114:10010")計算出32位IP(0x3db77d72)和Port(10010)，為IP連接作準備。
　?。╞） 進入IP連接進程。
　　先激活PDP，pdpa(1,1)；然后選擇IP連接類型（CM=1,為TCP;CM=0,為UDP），ipo( CM, &ScNm )。UDP方式下此時已可透明傳輸UDP數(shù)據(jù)，不需要以下步驟：
　　->執(zhí)行TCP連接： tcpc(ScNm,Port,IP)。連接成功后，即可透明傳輸TCP數(shù)據(jù)。同時不停查詢TCP連接狀態(tài)字節(jié)和IP異常標志位時，當檢測到TCP連接狀態(tài)不是已連接或IP異常標志位置位時，Log()進程將調用ipc(ScNm)關閉IP，然后跳轉到ipo()重連接。如此往復循環(huán)，就可以在檢測到連接丟失（如主站軟件關閉或斷開偵聽后重新打開）或數(shù)據(jù)傳輸過程中發(fā)生異步時序錯誤時自動重新接入。

　?、?nbsp; 利用功能庫中的數(shù)據(jù)庫函數(shù)存儲非易失性參數(shù)。
　　由于數(shù)據(jù)庫函數(shù)對公用的NVM數(shù)據(jù)空間進行操作，即使下載新腳本，原腳本建立的數(shù)據(jù)庫及數(shù)據(jù)庫中的內容仍然存在，因此若用到數(shù)據(jù)庫腳本就必須包含刪除數(shù)據(jù)庫的部分。此應用設計為當串口收到“DEL”字符串時，腳本將自動刪除當前已建立的所有數(shù)據(jù)庫。具體如下：

　　if(!scmp(TBf,"DEL")){
　　　　/*dbadm()為數(shù)據(jù)庫管理函數(shù)，參數(shù)2表示刪除數(shù)據(jù)庫*/
　　　　　　prtf("\n Delete %d db",dbadm(2));
　　}

2.4  實際運用中需注意的問題及解決辦法

　?、?nbsp; 若GPRS模塊在線、長時間無數(shù)據(jù)傳輸時，可能被GPRS網(wǎng)絡踢掉，大多GPRS模塊都不能在短時間內檢測到。同樣，GR64也會發(fā)生實際連接已斷，但TCP狀態(tài)字節(jié)仍為已連接的情況。雖然只要終端上發(fā)一包數(shù)據(jù)，GR64內部將馬上更改TCP連接狀態(tài)字節(jié)為斷開（此時腳本即可控制模塊重連接），但此包數(shù)據(jù)不能被發(fā)送至主站，需重新發(fā)送。為避免此類情況發(fā)生，也可適當發(fā)送上行心跳幀，以保持連接。

　?、?nbsp; 當GR64長時間不能建立連接時（例如主站偵聽不開），調用ipc(ScNm)關閉IP可能發(fā)生不響應的情況，腳本中設定連續(xù)5次關閉IP失敗，模塊將調用rst()自動軟件重啟。

　?、?nbsp; 內部腳本方式下,GR64工作時不安裝天線,將導致腳本運行緩慢，但只要安裝天線，即使信號強度較弱也不會影響腳本運行速度。

結語

　　基于GR64 GSM/GPRS模塊的通用數(shù)傳單元(DTU)為數(shù)據(jù)終端建立起同主站的無線IP連接和數(shù)據(jù)傳輸通道，具有ARM9內核的GR64的出色性能決定了DTU能夠快速進行網(wǎng)絡連接、數(shù)據(jù)傳輸及處理，并支持大數(shù)據(jù)包傳輸。運行參數(shù)可方便地進行配置和更改，掉電不會丟失；TCP/UDP/SMS三種通信方式可滿足大多數(shù)情況下網(wǎng)絡數(shù)據(jù)通信的需要，并為網(wǎng)絡不通時預留了短信通道，以便在網(wǎng)絡故障和維護期間上報重要事件，或告警重要人員；實時在線/短信激活/振鈴激活3種工作方式可靈活切換，有利于實際應用中節(jié)省流量，有效控制運行費用；內部腳本方式直接使用GR64對外開放的CPU和功能庫，簡化硬件和軟件開發(fā)，降低成本。此數(shù)傳單元具有通用性，完全可以用于各種遠程采集、遠程控制系統(tǒng)中。

　　本文采用嵌入式腳本方式開發(fā)GR64模塊，實現(xiàn)了DTU的單片解決方案；多工作模式和通信方式使該DTU具有應用于各種遠程采集和控制系統(tǒng)的靈活性和實用性。