嵌入式GPS由GPRS接入Internet的實現(xiàn)

　　引言

　　隨著全球定位系統(tǒng)的不斷改進(jìn)，軟、硬件的不斷完善，應(yīng)用領(lǐng)域正在不斷地開拓，目前已遍及國民經(jīng)濟(jì)各種部門，并開始逐步深入人們的日常生活。隨著衛(wèi)星導(dǎo)航定位設(shè)備的小型化甚至芯片化，嵌入式GPS產(chǎn)品越來越廣泛的應(yīng)用到人們生活的各個領(lǐng)域，而嵌入式產(chǎn)品的網(wǎng)絡(luò)化就成為當(dāng)今研究的一個方向。

　　1 系統(tǒng)原理及結(jié)構(gòu)

　　GPS接收機(jī)數(shù)據(jù)有數(shù)據(jù)量小、定時或非定時及實時發(fā)送等特點(diǎn)，一方面需實現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳，另一方面也需下達(dá)各種傳輸、控制指令，即雙向的數(shù)據(jù)、指令傳輸。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸主要采用GSM的方法來解決，這種傳輸方式存在覆蓋范圍、實時性等問題。目前中國移動主推的GPRS通用分組無線業(yè)務(wù)是在現(xiàn)有GSM系統(tǒng)上發(fā)展起來的一種承載業(yè)務(wù)，目的是為GSM用戶提供分組形式的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。GPRS拋棄了傳統(tǒng)的獨(dú)占電路交換模式，采用分組交換技術(shù)，每個用戶可同時占用多個無線信道，同一無線信道又可以由多個用戶共享，有效地利用了信道資源，帶寬最高可達(dá)171.2Kb/s[1]。目前中國移動的GPRS覆蓋范圍在中心城市幾乎達(dá)到了100%，在邊遠(yuǎn)地區(qū)也達(dá)到了80%以上，實際應(yīng)用帶寬大約在20-40Kb/s，特別適合于GPS數(shù)據(jù)通信的需求，可以完全取代過去傳統(tǒng)的有線Modem、X.25、短信等通信方式[2]。

　　GPS接收機(jī)應(yīng)用GPRS數(shù)據(jù)傳輸方式及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示：

　　通過GPRS服務(wù)，GPS設(shè)備可采用互聯(lián)網(wǎng)Internet的標(biāo)準(zhǔn)方式與在互聯(lián)網(wǎng)上的服務(wù)器交換數(shù)據(jù)。GPRS的基礎(chǔ)是以IP包的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，GPRS無線終端接入GPRS 網(wǎng)絡(luò)的方法與普通有線MODEM 類似， 都采用建立PPP(Point-to-Point Protocol) 連接方式。PPP協(xié)議是一種被廣泛采用的串行點(diǎn)對點(diǎn)鏈路上傳輸數(shù)據(jù)報的方法，包括LCP、PAP、IPCP、NCP等。GPRS MODEM通過PPP協(xié)議獲得動態(tài)分配的IP地址。連接建立后，在PPP協(xié)議的基礎(chǔ)上通過數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，該系統(tǒng)采用TCP實現(xiàn)與互聯(lián)網(wǎng)上其它計算機(jī)的數(shù)據(jù)通訊。

　　2 系統(tǒng)硬件組成

　　本系統(tǒng)采用帶有實時操作系統(tǒng)的GPS接收機(jī)內(nèi)嵌通信協(xié)議的方案，在多任務(wù)的系統(tǒng)中增加一個comm.c通信任務(wù)，在該任務(wù)中實現(xiàn)簡化的TCP/IP協(xié)議棧、PPP協(xié)議及無線GPRS Modem的命令控制。帶實時操作系統(tǒng)的GPS接收機(jī)中包括16位VS_DSP處理器，8Mflash,96kRAM，16kROM，兩個串口UART0 和UART1。其中UART0用于程序的燒寫與輸出數(shù)據(jù)的觀測；UART1用于與無線GPRS Modem連接其中UART0口在設(shè)計階段主要是用于連接PC機(jī)的串口進(jìn)行程序的編寫及燒制，作為終端機(jī)它可以作為SPI控制。系統(tǒng)硬件組成如圖2所示。

　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計與實現(xiàn)

　　GPS多任務(wù)實時操作系統(tǒng)中本身不帶有通信功能，而且為了經(jīng)濟(jì)的考慮，本設(shè)計采用了不帶協(xié)議棧的無線GPRS Modem，所以在軟件設(shè)計時，采用在原來任務(wù)基礎(chǔ)上增加一個通信任務(wù)，主要完成微型TCP/IP協(xié)議棧、PPP協(xié)議及無線GPRS Modem的命令控制。

　　3.1 微型TCP/IP協(xié)議棧的移植

　　如果在嵌入式系統(tǒng)中實現(xiàn)一個完整的TCP/IP協(xié)議棧，其難度可能會超出應(yīng)用本身，所以本系統(tǒng)選用了一種簡易的免費(fèi)TCP/IP協(xié)議棧uip0.6作為設(shè)計的核心。uip0.6是瑞典計算機(jī)科學(xué)研究所Adam Dunkels開發(fā)的源碼公開的免費(fèi)簡易TCP/IP協(xié)議棧[3,4]。uip實現(xiàn)了TCP/IP協(xié)議集的四個基本協(xié)議：ARP地址解析，IP網(wǎng)際互聯(lián)協(xié)議，ICMP網(wǎng)絡(luò)控制報文協(xié)議和TCP傳輸控制協(xié)議；它具備極少的代碼占用量和RAM資源要求，尤其適用于8/16位單片機(jī)；支持多個主動連接和被動連接并發(fā)，支持連接的動態(tài)分配和釋放；擁有簡易的應(yīng)用層接口和設(shè)備驅(qū)動層接口。由于本系統(tǒng)采用GPRS網(wǎng)絡(luò)方式，所以其四個協(xié)議集中只保留IP網(wǎng)際互連協(xié)議和TCP傳輸控制協(xié)議，并其進(jìn)行一定的修改。uip協(xié)議棧中實現(xiàn)IP網(wǎng)際互聯(lián)協(xié)議時對原協(xié)議進(jìn)行了極大的簡化，它沒有實現(xiàn)分片和重組。本設(shè)計中由于發(fā)送接收數(shù)據(jù)量較小，所以不必進(jìn)行分片與重組，即對IP網(wǎng)際互聯(lián)協(xié)議的實現(xiàn)部分不作修改。為了減少存儲器的使用，uip里的TCP沒有實現(xiàn)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的調(diào)整窗口。輸入的TCP段不會通過uip緩存，而是由應(yīng)用程序處理。輸出數(shù)據(jù)時，uip不能在每個連接有超過一個未解決的TCP段。在本系統(tǒng)的設(shè)計中，為了避免數(shù)據(jù)丟失，應(yīng)用中設(shè)計一個大的緩沖區(qū)send_recbuf[]接收應(yīng)用要發(fā)送的數(shù)據(jù)，一個較小的發(fā)送緩沖區(qū)send_buf[]。對uipopt.h中的部分內(nèi)容進(jìn)行修改，刪去UIP_IPADDR部分，應(yīng)用文件頭文件改為本系統(tǒng)中的應(yīng)用文件的頭文件#include “appcomm.h”，做為客戶端本系統(tǒng)中定義#define UIP_ACTIVE_OPEN 1。由于數(shù)據(jù)鏈路層采用PPP協(xié)議，所以uip_buf[]中IP頭的偏移量定義為：


#define UIPLLHLEN 0

　　3.1.1 uip與PPP的接口

　　當(dāng)PPP協(xié)議從網(wǎng)絡(luò)接收到一個IP包時，把它放入到uip_buf中，系統(tǒng)調(diào)用uip_input()函數(shù)。此函數(shù)將處理這個包，在需要時會調(diào)用應(yīng)用程序。當(dāng)uip_input()返回時，uip_buf中放入了一個輸出包，包的大小由全局變量uip_len約束，若uip_len為0，則說明沒有包要發(fā)送，否則，PPP將此包加上PPP包頭發(fā)送到網(wǎng)上。

　　3.1.2 uip與應(yīng)用的接口

　　uip使用基于事件的編程模式，在響應(yīng)一定的事件時，應(yīng)用被當(dāng)作uip調(diào)用的一個C函數(shù)UIP_APPCALL來實現(xiàn)，故在應(yīng)用中要設(shè)置#define UIP_APPCALL appcomm，在uip中的標(biāo)志uip_flags用于uip與應(yīng)用之間的聯(lián)系，在接收到數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)發(fā)送成功、建立了新的連接或數(shù)據(jù)被重發(fā)時，uip調(diào)用應(yīng)用，應(yīng)用根據(jù)uip_flags標(biāo)志進(jìn)行相應(yīng)的處理。

　　3.2 PPP協(xié)議的實現(xiàn)

　　PPP是運(yùn)行在硬件接口之上的，它提供LCP、PAP和IPCP協(xié)商所需要的合適的機(jī)制。這些協(xié)商由被PPPEntery()函數(shù)調(diào)用的固定的狀態(tài)機(jī)執(zhí)行，它基于接受到的內(nèi)容建立響應(yīng)。而PPPReceived()函數(shù)，對接收到的每個字節(jié)進(jìn)行轉(zhuǎn)義處理，當(dāng)一個完整的PPP幀準(zhǔn)備好要處理時，PPPReceived()設(shè)置整幀標(biāo)示Isframe，此標(biāo)志在應(yīng)用主循環(huán)中被PPPEntery()函數(shù)輪詢。PPP包格式如表1所示：

表1 PPP包格式