基于8051嵌入式系统的GPRS终端实现

随着数据无线传输需求的骤增和中画移动GPRS业务全面投入运营，无线数据通信的应用越来越广泛。GPRS网不但具有覆盖范围广、数据传输速度快、通信质量高、永远在线和按流量计费等优点，且其本身就是一个分组型数据网，支持TCP／IP协议，无需经过PSTN等网络的转接，可直接与Internet网互通。因此GPRS业务在无线上网、环境监测、交通监控、移动办公等行业中具有无可比拟的性价比优势。

为了满足GPRS终端的低成本、小型化和移动灵活等要求，现在广泛采用单片机对GPRS终端进行控制，并且引入嵌入式系统实现TCP／IP协议栈。目前主要的困难在于：运行TCP／IP协议对计算机存储器、运算速度等要求较高，会占用大量的系统资源；而嵌入式系统大多采用8位单片机，硬件资源非常有限，支持TCP／IP协议非常困难。本文采用了在嵌入式实时操作系统uC／OS-II中移植一种小型TCP／IP协议栈uIP的方法，使基于8051嵌入式系统的GPRS终端能够在网络中进行数据传输；同时改善了系统的性能，提高了系统的可靠性，增强了系统的可扩展性和产品开发的可延续性。



1 基于GPRS网的数据传输

GPRS是在GSM的基础上引入了分组控制单元(PCU)、服务支持节点(SGSN)和网关支持节点(GGSN)等新部件而构成的无线数据传输系统，其用户能够在端到端分组方式下发送和接收数据。基于GPRS网的数据传输系统如图1所示。具体的数据传输流程为：

·GPRS终端通过接口从客户系统中取出用户数据；

·处理后以GPRS分组数据的形式发送到GSM基站(BSS)；

·分组数据经SGSN封装后，发送到GPRS IP骨干网；

·若分组数据是发送到另一GPRS终端，则先发送到目的SGSN，再经BSS发送到CPBS终端；若分组数据是发送到外部网络(如Internet)，则将分组数据包经GGSN进行协议转换后，发送到外部网络。

2 嵌入式实时操作系统uC／OS-II

uC／OS-II是由Jean J．Labrosse先生编写的、现在流行的一种免费公开源代码的实时操作系统。它可广泛应用于从8位到64位单片机的各种不同类型、不同规模的嵌入式系统。带有详细注解的uC／OS-II源代码只有200页左右；其中95％左右是用C语言编写的，与MCU类型相关的代码用8088汇编写成，不超过200行。uC／OS-II不仅具有结构小巧、可固化、可裁剪、多任务和可剥夺型的实时内核等特点；而且其实时性、稳定性裙可靠性也得到了广泛认可。uC／OS-II的最小内核可编译至2KB，一般情况占用内存在10KB数量级，适用基于8051的嵌入式系统的需要。在系统中嵌入uC／OS-II可以把整个程序分成许多任务，每个任务相对独立，然后在每个任务中设置超时函数，时间用完后，必须交出MCU的使用权。即使一个任务发生问题，也不会影响其他任务的运行。在单片机系统中嵌入uC／OS-II提高了系统的可靠性，并使调试程序变得简单，同时也增强了系统的可扩展性和产品开发的可延续性。

不过uC／OS-II仅仅是一个实时操作系统内核，与商业实时操作系统软件包比较，它缺少Utilities部分，如文件系统、远程函数调用库、通信软件库。通信软件包括：TCP／IP软件库、蓝牙通信软件库、IrDA红外通信软件库等。这一类软件的解决有两种途径：一个是购买第三方软件；另一个是自己编写。如果只是用单片机实现TCP／IP协议中的某些功能，可以选用免费公开源代码的小型TCP／IP协议栈，把它移植到uC／OS-II。 目前uC／OS-II的最新版本为V2．70，但现在广泛学习和应用的是V2．52。



3 小型TCP／IP协议栈uIP

uIP是由瑞士计算机科学院的Adam Dunkels等开发的一种免费公开源代码的小型TCP／IP协议栈，它专门为8位和16位MCU编写。uIP完全是用C语言编写，它在保证一个完整的TCP／IP栈的前提下，只保留了最必要的一系列特征，使其代码最少、占用的RAM最小；它只能处理单一的网络接口。通常的TCP／IP栈采用BSD socket API，需要来自下层的多任务操作系统的支持，而且任务管理、语境切换以及堆栈空间的分配都要占用很大的开销，超出了8位机系统的能力。uIP采用了一个事件驱动接口，通过调用应用程序响应事件。而相应的应用程序作为C函数调用。通常情况下，uIP的源代码虽然只有几KB，RAM占用仅几百字节，但uIP提供了网络通信所必须的协议，包括：ARP、SLIP、IP、UDP、ICMP(PINC)和TCP；能够满足8位MCU接入TCP／IP网络(如Internet)的需要。目前uIP最新的版本为V0.9，符合Internet标准。

4 GPRS终端的工作原理及硬件实现

GPRS终端由控制模块控制TCP／IP模块和无线发送模块实现。其结构框图如图2所示。

4．1 控制模块

控制模块的作用主要有：

·控制模块通过AT指令初始化GPRS无线模块，使之附着在GPRS网上，获得网络运营商动态分配给GPRS终端的IP地址，并与目的终端或服务器之间建立连接；

·控制模块通过RS232串口向客户系统收发数据或指令；

·控制模块通过RS232串口向TCP／IP模块收发数据；

·控制模块自主或根据远程控制指令采取其他操作。

控制模块的MCU选用华邦的八位机WINBOODW77E58。W77E58是台湾华邦公司生产的、与MCS51系列单片机兼容的、可多次编程的快速微处理器，在其内部集成有32KB的可重复编程的Flash ROM、256字节的片内存储器、IKB用MOVX指令访问的SRAM、可编程看门狗定时器、三个16位定时器、二个增强型的全双工串行口、片内RC振荡器、双16位数据指针等诸多功能。在很多场合，几乎不用扩展外围芯片就能够满足系统要求。由于其采用了全新设计的微处理器内核，去除多余的时钟和存储周期，在相同的晶振频率下，根据不同的指令类型，其运行速度一般比传统8051系列快1．5～3倍。一般情况下，平均可达2．5倍以上。另外，由于W77E58采用全静态CMOS设计，能工作在低速晶振频率下。与普通的8051相比，若W77E58采用低速工作频率，在相同的指令吞吐量下，W77E58的节电性能也将大大提高。