基于IP2022芯片可支持GPRS的GPS終端設(shè)計 (1)

1、基于IP2022芯片可支持GPRS的GPS終端設(shè)計 (1)本文將介紹一種支持GPRS的GPS系統(tǒng)，并且對其中所涉及到的硬件、軟件設(shè)計方案給出了詳細的描述。通過該模型，可以比較好的實現(xiàn)GPS定位信息數(shù)據(jù)遠程傳輸。1 系統(tǒng)模型圖1是本方案的系統(tǒng)模型。從GPS終端采集來的定位數(shù)據(jù)，經(jīng)過GPRS網(wǎng)絡(luò)透明地傳輸?shù)竭h程GPS服務(wù)器，遠程GPS服務(wù)器通過對GPS數(shù)據(jù)的解碼便可以獲得定位信息。其詳細的流程可以概括如下： 首先，GPS終端發(fā)出包括有APN號碼的GPRS登錄請求，登陸到 GPRS網(wǎng)絡(luò)本文將介紹一種支持GPRS的GPS系統(tǒng)，并且對其中所涉及到的硬件、軟件設(shè)計方案給出了詳細的描述。通過該模型，可以比較

2、好的實現(xiàn)GPS定位信息數(shù)據(jù)遠程傳輸。1 系統(tǒng)模型圖1是本方案的系統(tǒng)模型。從GPS終端采集來的定位數(shù)據(jù)，經(jīng)過GPRS網(wǎng)絡(luò)透明地傳輸?shù)竭h程GPS服務(wù)器，遠程GPS服務(wù)器通過對GPS數(shù)據(jù)的解碼便可以獲得定位信息。其詳細的流程可以概括如下： 首先，GPS終端發(fā)出包括有APN號碼的GPRS登錄請求，登陸到 GPRS網(wǎng)絡(luò); 位于移動的SGSN根據(jù)登陸請求中的APN，找到登記的Radius服務(wù)器，并將用戶認證信息送至Radius服務(wù)器; Radius認證服務(wù)器根據(jù)所傳遞過來的認證信息，確認是否是合法用戶發(fā)來的請求，如果是合法用戶，則根據(jù)配置為其分配一個IP地址; Radius服務(wù)器向GGSN發(fā)送攜帶用戶地址

3、的確認信息; GPS終端得到了IP地址，就可以根據(jù)配置(作為服務(wù)器端或者客戶端)與GPS服務(wù)器建立起TCP連接; 連接建立后，GPS終端采集到的定位信息數(shù)據(jù)就會通過建立的TCP數(shù)據(jù)連接透明地傳輸?shù)紾PS服務(wù)器; 當GPS服務(wù)器有控制命令或其它數(shù)據(jù)要向下發(fā)送時，可以通過TCP連接傳送到GPS終端; GPS終端根據(jù)配置可以作為服務(wù)器端或者客戶端建立與用戶管理服務(wù)器的數(shù)據(jù)連接，用戶管理服務(wù)器通過該連接對GPS終端進行監(jiān)控、管理以及遠程更新系統(tǒng)內(nèi)核程序。2 GPS終端的設(shè)計2.1 硬件設(shè)計GPS終端的電路框圖如圖2所示，GPS終端的核心是一塊負責TCP/IP數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)處理器：IP2022芯片。IP

4、2022是UbiCom公司的高性能網(wǎng)絡(luò)處理器，具有100MIPS的處理能力，并專門針對網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用進行了優(yōu)化。在IP2022芯片中集成了兩個全雙工的串化器/解串器(Ser/Des)硬件單元，能直接與各種常用接口相連。這種功能使其能夠?qū)崿F(xiàn)片內(nèi)10Base-T以太網(wǎng)、USB以及其它各種快速串行協(xié)議。由于擁有Ser/Des硬件單元，IP2022也便于從一種協(xié)議轉(zhuǎn)換到另一種協(xié)議，因此比較適合于實現(xiàn)GPS終端。IP2022的軟件模塊包括USB、UART、I2C、SPI以及一個完整的TCP/IP堆棧，它能夠在執(zhí)行應(yīng)用程序的同時，提供高速計算、靈活的I/O控制和高效的數(shù)據(jù)處理功能。在本系統(tǒng)中，主要應(yīng)用了IP20

5、22的兩個Ser/Des硬件單元以及其TCP/IP協(xié)議棧。兩個全雙工的Ser/Des硬件單元經(jīng)過串口轉(zhuǎn)換電路(核心為MAX232)轉(zhuǎn)換成為兩個標準的RS232接口，通過這兩個RS232接口便于與GPS模塊以及GPRS模塊的通信。系統(tǒng)時鐘模塊為硬件系統(tǒng)提供工作所需要的時鐘脈沖，這部分比較簡單，但是需要注意兩個方面。一是晶振的選擇，雖然IP2022也支持無源晶振，但是在實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)還是有源晶振與IP2022的兼容性好一些，所以在可能的情況下還是選擇有源晶振比較好。二是晶振頻率的選擇，由于串口通信的波特率是對晶振頻率分頻而成，如果晶振頻率選擇不當，在串口通信時會出現(xiàn)亂碼。經(jīng)試驗和計算所得，4.91

6、52MHz的晶振可以很好的支持多種常用波特率。程序的寫入和調(diào)試是通過在線編程接口實現(xiàn)的，IP2022支持在線編程和調(diào)試，該部分主要把IP2022的編程接口引出，加以適當?shù)母綦x保護，并通過SPI和并口的轉(zhuǎn)換電路與調(diào)試機的并口相連接。在本系統(tǒng)中，內(nèi)部電壓有兩種，一種是接口設(shè)備所需要的3V，另一種是IP2022所需要的2.5V。這兩種電壓是經(jīng)過電源轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換而成。由于GPRS模塊在數(shù)據(jù)發(fā)送的時候瞬間電流很大，電源轉(zhuǎn)換模塊也提供了足夠的功率和必要的保護。GPRS數(shù)據(jù)模塊實現(xiàn)GPRS傳輸?shù)墓δ?，相當于普通的Modem，市面上比較流行的有Motorola的G18在與GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊通信時，沒有采用直

7、接操縱GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊接口，而是通過RS232連接，極大的降低了對GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊的依賴性，用戶可以根據(jù)需要，來選定GPRS數(shù)據(jù)模塊。GPS接收器采用了Motorola公司的M12，M12通過串口與RS232接口單元相連接。2.2 軟件設(shè)計在GPS終端軟件設(shè)計方面，為了便于以后擴展，采用了嚴格的分層結(jié)構(gòu)，具體的軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。2.2.1 串口驅(qū)動模塊利用串口驅(qū)動模塊來完成對串口的操作，向上層提供對串口參數(shù)配置的功能，并在有數(shù)據(jù)收到或者發(fā)送完畢的時候通過IndicateReceive、IndicateSend回調(diào)函數(shù)向上層報告，上層軟件可以調(diào)用Send、Receive來進行收發(fā)。2.

8、2.2 網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動模塊在硬件中的GPRS模塊只是提供了一種硬件信道，與服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)連接必須通過軟件完成。在通信時，軟件首先通過GPRS模塊特有的命令(一般為AT+CGMD)與GPRS網(wǎng)絡(luò)連接，再通過PPP協(xié)議建立數(shù)據(jù)鏈路，最后就可以通過TCP/IP協(xié)議與遠程的服務(wù)器通信了。這一部分與網(wǎng)絡(luò)操作的功能都放在網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動模塊中加以實現(xiàn)。與串口驅(qū)動模塊類似，網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動模塊也提供了數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊恍┓?wù)。2.2.3 橋接模塊由于串口是一個慢速連接，主機與串口的通信有時甚至是單字節(jié)操作，如果對于每一個這樣小的通信都單獨通過一個TCP包發(fā)送的話，譬如說一個字節(jié)的數(shù)據(jù)，這將產(chǎn)生一些41字節(jié)的分組：20字節(jié)的IP頭，2

9、0字節(jié)的TCP頭以及1字節(jié)的數(shù)據(jù)。如果在高速網(wǎng)絡(luò)上(例如局域網(wǎng))，這一些小分組通常不會引起麻煩，但是如果在GPRS這樣的網(wǎng)絡(luò)上(平均往返時間高達數(shù)百ms)，則會增加擁塞出現(xiàn)的可能性，并將會使網(wǎng)絡(luò)的效率極其低。在通常的TCP/IP實現(xiàn)中，一般采用Nagle算法來解決這個問題。但是在Ubicom的協(xié)議棧中沒有這個功能，因此，必須自己實現(xiàn)這個算法。考慮到對下層硬件結(jié)構(gòu)的無依賴性，筆者將其放在橋接模塊中實現(xiàn)，而不是放在網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動模塊中實現(xiàn)。在算法實現(xiàn)中，當有串口數(shù)據(jù)到來時，對于小分組，并不立即就將其發(fā)出，而是等待一段時間(200s左右)，如果在這段時間中再沒有小數(shù)據(jù)到來，那么將其發(fā)出，否則將數(shù)據(jù)進行累計

10、后發(fā)出。當然有些系統(tǒng)要求立即發(fā)出，那么也可以通過配置取消這種功能。經(jīng)這樣實現(xiàn)后，效率有了很大的提高，具體的效果可以參考后面的實驗數(shù)據(jù)。2.2.4 輔助模塊在上面一些模塊的介紹中可以看到，其中有一些關(guān)鍵性的數(shù)據(jù)必須支持用戶自己配置，例如串口通信速度、停止位、網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動模塊中GPRS所要連接的APN、賬戶、密碼、工作模式(是作為服務(wù)器運行還是客戶端運行)、靜態(tài)IP還是動態(tài)IP等。這一部分數(shù)據(jù)由配置模塊存儲在外部存儲器里，每次系統(tǒng)啟動的時候再由配置模塊載入。在輔助模塊中還包括一個重要的子模塊：遠程管理模塊，它實現(xiàn)對GPS終端的遠程管理，包括遠程跟蹤和遠程更新程序。系統(tǒng)的運行情況通過統(tǒng)計模塊進行統(tǒng)計，然

11、后可以通過遠程管理模塊進行上報。2.2.5 系統(tǒng)監(jiān)控模塊對于放在遠程的一個無人看管的系統(tǒng)來說，最重要的一點就是容錯能力，必須能夠在任何錯誤的情況下自動恢復(fù)到正常運行狀態(tài)，這一部分就是通過系統(tǒng)監(jiān)控模塊實現(xiàn)的。在GPS終端中，經(jīng)常出現(xiàn)的異常包括有TCP連接中斷和網(wǎng)絡(luò)連接中斷，這兩種錯誤是有區(qū)別的，解決的方法也不一樣。TCP連接中斷指的是TCP連接進入異常狀態(tài)，不能在該連接上進行數(shù)據(jù)的收發(fā)工作。這種錯誤產(chǎn)生的原因是GPRS網(wǎng)絡(luò)有時會進入偽死狀態(tài)，而導(dǎo)致雖然還在網(wǎng)絡(luò)上，但是數(shù)據(jù)的收發(fā)工作無法進行。通過在每個連接上設(shè)置一個收發(fā)超時計時器可以發(fā)現(xiàn)這種錯誤。當有數(shù)據(jù)傳輸時即復(fù)位計數(shù)器，如果計數(shù)器超時，則表明TCP連接中斷，此時應(yīng)該根據(jù)工作模式而采取不同的處理。如果是工作在客戶端模式，需要再次與服務(wù)器連接，如果工作在服務(wù)器模式，則只需要簡單的斷開連接即可。對于網(wǎng)絡(luò)連接中斷的情況探測起來比較困難，一般是通過監(jiān)測長時間沒有數(shù)據(jù)通信來判