基于ARM的GPRS远程终端设计与实现

ＡＲＭ开发与应用

文章编号：１００８－０５７０（２００６）０５－２－０１１８－０３

中文核心期刊《微计算机信息》（嵌入式与ＳＯＣ）２００６年第２２卷第５－２期

基于ＡＲＭ的ＧＰＲＳ远程终端设计与实现

ＤｅｓｉｇｎａｎｄＩｍｐｌｅｍｅｎｔＯｆＧＰＲＳＲｅｍｏｔｅＴｅｒｍｉｎａｌＢａｓｅｄＯｎＡＲＭ

（国防科技大学计算机学院）马少平

骆志刚孙雷赵翔何万双

Ｍａ，ＳｈａｏＰｉｎｇＬｕｏ，ＺｈｉｇａｎｇＳｕｎ，ＬｅｉＺｈａｏ，ＸｉａｎｇＨｅ，Ｗａｎｓｈｕａｎｇ

摘要：简要介绍了ＧＰＲＳ技术的特点及其在工业远程监控系统中的优势，给出基于ＡＲＭ７ＴＤＭＩ－Ｓ处理器的ＧＰＲＳ远程终端的设计方案和实现要点。在设计中充分考虑了软件结构的可扩展性，在软件实现上注意避免了同类产品中出现的缺点，该终端提供了灵活便捷的用户界面和多协议支持。关键词：ＡＲＭ；ＧＰＲＳ；无线数据传输；远程监控中图分类号ＴＰ３９１．８

文献标识码Ａ

技术创新

Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｉｓｐａｐｅｒｆｉｒｓｔｐｒｅｓｅｎｔｓｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃａｎｄｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆＧＰＲＳｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎｉｎｄｕｓｔｒｙｒｅｍｏｔｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ．Ｔｈｅｎ，ＩｔｄｅｓｃｒｉｂｅｓｔｈｅｄｅｓｉｇｎａｎｄｉｍｐｌｅｍｅｎｔｏｆＧＰＲＳｒｅｍｏｔｅｔｅｒｍｉｎａｌｂａｓｅｄｏｎＡＲＭ７ＴＤＭＩ－Ｓｍｐｕ．，Ｅｘｔｅｎｓｉｂｉｌｉｔｙｏｆｓｏｆｔｗａｒｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｓｓｕｆｆｉｃｉｅｎｔｌｙｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄｉｎｄｅｓｉｇｎ．Ｆａｕｌｔｓｏｆｓｉｍｉｌａｒｐｒｏｄｕｃｔｓａｒｅｏｖｅｒｃｏｍｅｉｎｉｍｐｌｅｍｅｎｔ．ＴｈｅＧＰＲＳｒｅｍｏｔｅｔｅｒｍｉｎａｌｐｒｏｖｉｄｅｓｆｌｅｘｉｂｌｅ

ＵＩａｎｄｓｕｐｐｏｒｔｓｍｕｌｔｉ－ｐｒｏｔｏｃｏｌ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＡＲＭ；ＧＰＲＳ；ｗｉｒｅｌｅｓｓｄａｔａｔｒａｎｓｆｅｒ；ｒｅｍｏｔｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ

１引言

近年来无线传输技术有了很大的进步，其中

ＧＰＲＳ技术在工业界受到了广泛关注。ＧＰＲＳ（ＧｅｎｅｒａｌＰａｃｋｅｔＲａｄｉｏＳｅｒｖｉｃｅ，通用分组无线业务）是在现有的ＧＳＭ系统上发展出来的一种新的分组数据承载业务。ＧＰＲＳ与ＧＳＭ系统最根本的区别是，ＧＳＭ是一种电路交换系统，而ＧＰＲＳ是一种分组交换系统。它具有接入迅速、永远在线、流量计费等特点，在远程突发性数据实时传输中有不可比拟的优势，特别适合于像工业的远程监控系统这样的频发小数据量的实时传输系统。随着网络可靠性的增强，ＧＰＲＳ技术已逐步具备了工业应用的条件。

法国Ｗａｖｅｃｏｍ公司的Ｑ２４００系列、索尼爱立信ＭＣ３５、

公司的ＧＲ４７、摩托罗拉公司的Ｇ１８、展讯通信公司的

其中索尼爱立信公司的ＧＲ４７模块含有完ＳＭ５１００等。

整ＴＣＰ／ＩＰ协议，可以直接使用相应ＡＴ指令进行开发工作，我们的方案采用ＧＲ４７模块。处理器与ＧＰＲＳ模块是通过串行协议通信的，当从数据采集器得到数据后ＧＰＲＳ模块负责以ＧＰＲＳ资料包的形式通过ＧＰＲＳ网络把资料发送到中国移动的内部网（ＣＭＮＥＴ），然后由中国移动通过ＧＰＲＳ服务节点（ＧＳＮ），把资料发送到Ｉｎｔｅｒｎｅｔ上。由于ＧＰＲＳ网络是以ＩＰ寻址为基础的，所以远程主机只需要简单接入Ｉｎｔｅｒｎｅｔ，并具备公网分配的ＩＰ地址即可。

２ＧＰＲＳ远程终端的结构及其原理

ＧＰＲＳ远程终端在工业远程监控系统中主要起数据传输的作用，即现场的数据采集器将所采集到的数据（一般通过ＲＳ２３２或ＲＳ４８５）传送到ＧＰＲＳ远程终端，然后由该终端通过ＧＰＲＳ网络以及互联网将数据传送到接入互联网的远程主机，如图１所示。

图１中ＧＰＲＳ模块是指具有登录ＧＰＲＳ网络功能的芯片。目前的ＧＰＲＳ模块主要有德国西门子公司的马少平：硕士生

本文受到国家级火炬计划项目（项目编号：

图１ＧＰＲＳ远程终端的数据流向示意图

３ＧＰＲＳ远程终端的硬件结构设计

我们采用的ＧＰＲＳ模块是索尼爱立信的ＧＲ４７模块，该模块采用３２位ＣＰＵ的实时操作系统，内置

ＴＣＰ／ＴＰ协议栈。它允许一个ＴＣＰ／ＵＤＰ传输机制以最小的前期配置和操作来被使用。其内嵌控制器方便集成客户的应用，减少外部控制器的需求。ＧＲ４７支持双频ＧＳＭ宽带９００ＭＨｚ／１８００ＭＨｚ，可通过ＳＭＳ短消息服务、ＣＳＤ、ＨＳＣＳＤ或ＧＰＲＳ来发送或接收资料，并可处理语音及传真。其ＴＣＰ／ＩＰ协议栈也可通过ＡＴ命令或

现场总线技术应用２００例》

２００２ＥＢ０４０７４５）和２００４年度国家信息产业部电子信

息产业发展基金（项目名称：ＣＭＳ变电站集成式状态监测与故障诊断系统）资助

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您的论文得到两院院士关注

ＡＲＭ开发与应用

中国移动内部的ＩＰ地址＊／

如果命令执行成功则返回ＯＫ。

嵌入式应用进行访问。

用于控制ＧＰＲＳ模块的芯片必须具有能和ＧＰＲＳ模块连接的具备Ｍｏｄｅｍ接口信号的串行口；我们采用了菲利普公司的ＬＰＣ２１０６芯片，该芯片是基于ＡＲＭ７ＴＤＭＩ－Ｓ处理器的，有一个Ｍｏｄｅｍ接口信号的串行口，一个两线串口，６４Ｋ的ＳＲＡＭ，１２８Ｋ的程序

其最大的优点是外部时钟只要１０Ｍ，在内部通过ｆｌａｓｈ。

锁相环倍频到６０Ｍ。

ＧＰＲＳ远程终端的硬件结构比较简单，在ＧＰＲＳ模块和ＡＲＭ芯片选定后，根据具体的器件使用手册可以比较容易的制作出电路原理图。

４ＧＰＲＳ远程终端的软件结构设计

４．１ＧＰＲＳ远程终端的设计实现难点是软件设计，以下是ＧＰＲＳ远程终端需要实现的基本功能。

即终端应将接收到的数据不经⑴透明传输数据。任何修改的传输出去，确保接受者得到的是原始数据。

⑵断线重拨。即当与远程主机的连接断开时，终端应能自动检测到断开事件并重新发起连接。

⑶当网络发生故障时，终端应能保存已接收到但未发送出去的数据，当网络恢复时应立即发送出去。

⑷终端应支持ＩＰ地址和域名这两种方式来指定要连接的远程主机。

＊ＡＴ＊Ｅ２ＩＰＩ＝０

／＊该命令用于查看ＧＲ４７所获得的ＩＰ地址＊／如果命令执行成功则返回ＩＰ地址，例如：＊Ｅ２ＩＰＩ：１０．８５．９．１８８

＊ＡＴ＊Ｅ２ＩＰＯ＝１，＂６１．１３０．１８．１３４＂，１５００

／＊该命令用于发起一个ＴＣＰ连接，若第一个参数是“０”则表示发起ＵＤＰ连接，后两个参数分别是要连接的ＩＰ地址和端口号。＊／

如果命令执行成功则返回ＣＯＮＮＥＣＴ。＊ＡＴ＊Ｅ２ＩＰＲＨ＝ｗｗｗ．ｂａｉｄｕ．ｃｏｍ

／＊该命令是域名解析命令，执行该命令若域名有效则返回与域名对应的ＩＰ地址＊／

已建立的连接由于某种原因而断开时会返回ＮＯＣＡＲＲＩＥＲ。

当发起一个ＴＣＰ或ＵＤＰ连接后ＧＲ４７就进入了数据模式此时ＧＲ４７将接收到的任何数据都原封不动的发送出去，并且处于数据模式时ＧＲ４７不识别任何ＡＴ命令。若需要执行ＡＴ命令则应将ＤＴＲ信号线置低电平使ＧＲ４７进入在线命令模式。

⑶数据传输模块

该模块负责判断接收到的数据是否为“远程配置命令标志“和”远程升级命令标志“，若是则调用相应模块，若不是则将数据原封不动地发送出去。

⑸用户应能远程修改终端的设置参数，比如远程

主机的ＩＰ地址，心跳时间等。

⑹用户应能远程升级终端内的软件。４．２软件模块的划分

根据以上的基本需求，我们软件系统在应用层面上分为四个模块。

技术创新

⑷远程升级模块

当接收到“远程升级命令“时执行该模块，该模块负责从远程主机接收编译好的代码并将完整无误的代码写入ＬＰＣ２１０６的ＦＬＡＳＨ中。

远程升级功能的实现是比较复杂和困难的，因为必须考虑传输误码和传输异常中断的情况。针对传输误码可以采取校验和重传的方式解决。在传输发生异常中断的情况下，应保证终端能快速检测中断并恢复传输。可设立标志位来标识升级状态，若升级状态标志没有置位说明升级未完成，在传输中断恢复后继续执行升级程序直至升级正常完成时，将该标志置位。为了使终端在升级没有正常完成的情况下仍能继续工作，切不可以覆盖的方式将接收到的代码写入

⑴参数配置模块

该模块负责接收用户的输入，来配置诸如远程主机地址，串口通信参数，下位机标志等参数。用户可能通过串口或在远程主机上来输入这些信息，但对于模块来说信息来源于何处是没有影响的。

⑵连接远程主机模块

该模块负责控制ＧＲ４７使其执行相应的ＡＴ命令来连接远程主机（连接参数来自参数配置模块）。ＧＲ４７内嵌了ＴＣＰ／ＵＤＰ／ＩＰ协议栈并支持域名解析，使用它来发起一个ＴＣＰ或ＵＤＰ连接非常简单。以下给出ＧＲ４７执行ＡＴ命令的示例：

＊ＡＴ＋ＣＧＤＣＯＮＴ＝１，＂ＩＰ＂，＂ＣＭＮＥＴ＂

表示所建立／＊该命令建立ＰＤＰ上下文，其中”１”

的ＰＤＰ上下文的编号，“ＩＰ”说用所用的协议，”

是中国移动的ＡＰＮ＊／ＣＭＮＥＴ”

如果命令执行成功则返回ＯＫ。＊ＡＴ＊Ｅ２ＩＰＡ＝１，１

“１”表示激活ＩＰ，若／＊该命令激活ＩＰ会话，第一

为“０”则表示取消激活。第二个“１”是上边所建立的ＰＤＰ上下文的编号。该命令执行完毕则ＧＲ４７已获得

ＰＬＣ技术应用２００例》

ＦＬＡＳＨ中。应在ＦＬＡＳＨ中的空闲区域写入接收到的代码，待升级正确完成后再跳转到该代码处执行升级后的程序。应用程序流程如图２所示。

４．３硬件环境的初始化程序

应用程序只有在硬件环境正确初始化的情况下才能正常运行，初始化程序一般包含以下几个部分：

⑴中断向量表。ＡＲＭ处理器从逻辑地址０Ｘ００００００００处读取中断向量表，而此地址初始映射为ＦＬＡＳＨ地址，所以如果要在ＲＡＭ中运行程序且响应中断，应利用地址重映射功能（ＲＥＭＡＰ）将ＲＡＭ中包

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：３６０元／年

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含中断向量表的地址映射到０Ｘ００００００００处。

⑵初始化存储系统。该部分包含时序和地址的配置。

⑶初始化堆栈。ＡＲＭ处理器需要多个独立的堆栈来实现不同的处理器状态。ＡＲＭ处理器共有７个处理器执行状态，在设置堆栈时应根据需要一一设置，尤其要注意切不可将处理器置为ＵＳＥＲ模式来设置其堆栈，因为一旦处于ＵＳＥＲ模式就不能通过操作状态寄存器来使处理器回到其它模式。

以上是必不可少的系统初始化步骤，系统初始化完成后还应初始化应用程序中将涉及的串口，Ｉ２Ｃ等设备。在编写串口驱动程序时应使用中断方式来接收和发送以提高程序效率，且要将串口缓冲设置为适宜大小否则有可能丢失数据。在对ＦＬＡＳＨ进行ＩＡＰ（在应用编程）时，应该关闭总中断，即设置状态寄存器（ＣＰＳＲ）来关闭中断。而且由于执行ＩＡＰ命令时处理器为Ｔｈｕｍｂ状态，所以在ＡＤＳ（ＡＲＭ开发工具）中应将工

出版社，２００３

［２］杨雷，王彩申，卢广建．基于Ｐ８９Ｃ６６９的ＧＰＲＳ自动雨量站［Ｊ］．微计算机信息，２００５，１０：９２－９３

［３］ＥｄＳｕｔｔｅｒ．嵌入式系统固件揭秘．张晓林等译．北京：电子工业出版社，２００３《基于ＡＲＭ的ＧＰＲＳ远程终端设计与实现》一文的相关资料

作者简介：马少平（１９８１－），男，回族，硕士生，主要研究方向为嵌入式系统；Ｅ－ｍａｉｌ：ｍｉｓｓｙｏｕ４２２＠１２６．ｃｏｍ；骆志刚（１９６８－），男，汉族，教授，博士生导师，主要研究领域为生物信息技术、网格计算，分布式系统。Ｅ－ｍａｉｌ：

ｚｈｉｇａｎｇ＿ｌｕｏ＠ｓｉｎａ．ｃｏｍ

Ａｕｔｈｏｒｂｒｉｅｆｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ：Ｍａ，Ｓｈａｏ－Ｐｉｎｇ，（１９８１－），ｍａｎ，

ｍａｓｔｅｒ，ｆｉｅｌｄ：ｅｍｂｅｄｄｅｄｓｙｓｔｅｍ通讯地址：

（３１５８００浙江宁波保税西区国家留学生创业园４号楼２楼宁波理工监测设备有限公司）马少平

（投稿日期：２００５．９．１０）（修稿日期：２００５．１０．２１）

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程的ＤｅｂｕｇＳｅｔｔｉｎｇｓ－＞ＬａｕｇｕａｇｅＳｅｔｔｉｎｇｓ－＞ＡｒｍＡｓｓｅｍ－ｂｌｅｒ－＞ＡＴＰＣＳ－＞ＡＲＭ／Ｔｈｕｍｂｉｎｔｅｒｗｏｒｋｉｎ选项选中。

（接１９页）

对设计的３０个智能传感器一一进行测试，测试结果测量精度δ≤０．５％，能满足现场测试能精度的要求。

５结语

本系统充分利用了地铁的网络资源，不需要在地铁沿线铺设通讯电缆投入的情况下，实现了对杂散电流腐蚀因子参数的在线监测。改变了传统分散的采集模式，采用了集中监控方式，减少了日常测试的工作量。目前该系统已在地铁中使用，大大提高了维护管理的质量和效益。

参考文献：

［１］汪圆圆．杂散电流“源处理”方法的研究与探讨，城市轨道交通

４５研究，２００１．１：４２～

［２］汪圆圆．杂散电流分区域防护的研究［Ｊ］．铁道标准设计，２００２（６）：８４～８５

［３］赵煜，李威．广州地铁杂散电流实时监测系统设计及应用．城市轨道交通研究，２００１．１：６３～６５

［４］杨克俭，赵巍，庞慧，岳杰，吕英丽．嵌入式系统产品接入Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的技术研究［Ｊ］．微计算机信息，２００６，１－２：４３－４４

［５］地铁杂散电流腐蚀防护技术规程（ＣＪＪ４９－９２）．北京，中国计划出版社，１９９３

［６］周晓军，高波．地铁迷流对钢筋混凝土中钢筋腐蚀的试验研

２４究．铁道学报，ＶＯＬ．２１ＮＯ．５１９９９１２～

图２应用程序流程图

５结束语

每种ＧＰＲＳ远程终端都可能要求有它的特殊功

能，但这些特殊性只能在基本功能的实现上来添加。本文方案可以实现一个ＧＰＲＳ远程终端应有的基本功能，根据本文方案设计生产的产品已经成功地应用于一些工业控制系统，如：宁波理工监测设备有限公司的ＣＭＳ２０００变电站集成式状态监测与故障诊断系统。

参考文献：

［１］周立功．ＡＲＭ微控制器基础与实战．北京：北京航空航天大学

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作者简介：王禹桥，男，生于１９７４，汉，硕士，讲师，主要研究方向智能仪器仪表及自动化以及杂散电流腐蚀监测与防护。Ｅ－ｍａｉｌ：Ｃｕｍｔｗａｎｇｙｕｑｉａｏ＠１６３．ｃｏｍ；李威（１９６４—），男，江苏徐州人，博士，教授，主要从事机电控制、智能仪表等方面的科研工作。通讯地址：

（２２１００８徐州中国矿业大学机电工程学院）王禹桥

（投稿日期：２００５．９．５）（修稿日期：２００５．１０．１５）

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