基于ARM处理器AT91S的M2M终端设计方案

M2M是指应用无线移动通信威廉希尔官方网站 ，实现机器与机器、机器与人之间数据通信和交流的一系列威廉希尔官方网站 及其组合的总称。GPRS具有覆盖地域广、通信距离远、网络可靠性高等优点。随着GPRS的推广和应用，以及基于GPRS的M2M产品的推出，采用GPRS威廉希尔官方网站 来解决上述问题成为一种较好的方案。

嵌入式系统是当前国内外研究的热点之一。采用嵌入式系统威廉希尔官方网站 设计一种可以解决远程监控领域数据传输问题的通用终端是必要的。本文重点阐述了基于嵌入式ARM处理器，结合GPRS模块MC35i设计M2M终端的总体设计方案。

系统硬件组成

M2M终端的硬件核心为GPRS通信模块MC35i和ARM处理器AT91SAM7S64，它们的接口设计如图1所示。M2M终端对外留有2个RS232串口，通过发送预先定义好的数字指令，可以实现M2M终端的启动、关闭等。当M2M终端与Internet建立连接后，只需把封装好的数据通过串口发送到M2M终端，由其完成向监控中心发送数据的功能。


GPRS模块
GPRS模块是实现M2M终端平台的核心部分，设计中采用西门子公司的GPRS通信模块MC35i。本模块包括CPU接口电路、SIM卡接口电路和MC35i外围电路，MC35i支持GPRS的四种编码协议CS-1、CS-2、CS-3和CS-4，理论上最高传输速率可达172kbps。它具备完整的GSM和GPRS功能，可以广泛应用在相关的M2M数据传输平台上。MC35i提供了标准AT命令界面和一个RS232接口，用于与外部应用系统连接。

ARM处理器

本数据传输平台处理器采用ATMEL公司生产的32位ARM7TDMI体系结构处理器AT91SAM7S64，该芯片采用3.3V电压进行供电，支持低功耗模式，它具有64kB的FLASH和16kB的SRAM，具备丰富的外围设备资源，其中包括3个UART通信串口和1个USB2.0全速设备，利用本芯片完成系统功能的同时可以实现系统的高性价比。CPU模块硬件电路包括：时钟电路、JTAG接口电路，RS232接口电路等。

电源设计

系统采用9V电源进行供电，经过TI公司LDO降压芯片UA7805进行一次降压，使电压降至5V。GPRS模块MC35i要求的电源电压为3.3V～4.8V，而且要求电源必须能够提供2A的尖峰电流，因此需要将5V电源通过一个0.7V压降的肖特基二极管1N5819后输入MC35i，同时需要接入耐压25V、1000μF的电解电容，以为MC35i提供足够的尖峰电流，将5V电源经过TI公司电源模块REG1117-3.3将电压降至3.3V，为微处理器及其他芯片提供电源。

嵌入式软件设计

采用嵌入式实时操作系统可以更合适、有效地利用CPU的资源，简化应用软件的设计，缩短系统开发时间，更好地保证系统的实时陛和可靠性。FreeRTOS是在Sourceforge网站上发布的微内核嵌入式实时操作系统，它是完全免费的操作系统，具有源码公开、可移植、可裁减、调度策略灵活的特点。作为一个轻量级的操作系统，FreeRTOS提供的功能包括：任务管理、时间管理、信号量、消息队列、内存管理等

FreeRTOS支持优先级和轮换时间片两种调度算法，可根据用户需要设置为可剥夺型内核或不可剥夺型内核。本文基于FreeRTOS给出了M2M终端实现PPP协商以及数据封装传输的软件设计方案。

基于状态机设计GPRS连接任务

由于网络和信号较弱等原因，可能导致节点与GPRS网络连接的失败，采用基于状态机的结构设计方法对各个阶段产生的错误进行处理，能保障模块与GPRS网络建立可靠连接。程序状态机如图2所示。

闲待命态：此时MC35i处在离线关闭状态，节点处在低功耗模式下，系统复位后处于此状态。

GPRS参数设置态：处理器控制启动MC35i模块后进入此状态，通过发送AT命令对模块及必要的网络参数进行设置，为使各个参数均设置成功，软件设计中增加了容错重试机制。

PPP协商态：GPRS参数设置完成后，通过发送AT*99***1#命令开始MC35i模块与GPRS网络ISP(网络服务提供商)的PPP协商软件设计中采用LCPHandler()函数完成LCP协商，PAPHandler()完成认证，由IPCPHandler()完成IPCP协商，如果最后获得ISP和本节点的IP地址，则进入PPPOVER态，此后就能进行数据的传输了，由于GPRS网络等原因，PPP协商有时会失败，此时应重启MC35i模块，再按照状态机流程重新连接。

UDP数据传输态：当程序采用UDP方式进行数据传输时，程序进入此状态，通过xDataTrsmtTask()任务进行数据的UDP／IP封装和解析。

TCP数据传输态：当节点调用uip_cionnect()函数与监控中心建立连接后，程序进入TCP数据传输态，进行基于TCP的数据传输。

数据的封装和传输

通过GPRS进行数据的传输需要经过Internet网络进行中转，因而传输的数据封装必须进行TCP／IP协议。文中利用软件进行了数据封装，需要传输的数据经过传输层UDP协议头封装，然后是IP协议头的封装，最后进行PPP协议的封装。

MC35i将接收到的数据透明地传输到Internet网络中。通过Internet网络路由器中转，最终将数据传输到监控中心。接收端对接收到的数据按照相应的层次进行解析，从而确定数据的目标程序。

系统软件设计采用分层的结构，从底到上分别为：串口驱动层(物理层)、PPP协议层(链路层)、IP协议层(网络层)、UDP协议和ICMP层(传输层)以及应用层。在移植好的LwIP协议栈中，通过在各层中建立相应功能的线程，实现数据的封装。底层软件为上层软件提供函数支持，上层软件利用底层软件完成应用程序的编写和实现。软件采用自底向上的设计方法逐步实现系统中各个函数的功能，各部分函数实现均采用模块化的设计方法。每个任务对应一个模块

对每个任务单独进行设计后，最终由FreeRTOS操作系统统一管理，通过采用信号量和邮箱的方式实现多个任务之间的通信，软件各部分主要函数之间的关系如图3所示。

在MC35SerialISR()中将接收的数据存放到xQRxChars队列中后，发送SemMC35Rx信号量来激活PPPRxTask()任务，通过对接收数据的解析，确定数据包的类型，然后由相应的函数对接收数据进行处理。
如果接收的数据是应用程序的数据，将由IPRx()函数判断目标主机是否正确，再经过传输层解析数据从而判定对数据处理的应用程序。最后由应用程序解析数据并执行相应的功能，如将数据通过串口发送到主机、向数据采集系统发送控制命令、接收数据采集系统的数据并发送等。当接收队列中所有数据均处理完毕后，延时250ms如果还没有接收到数据，则任务通过等待信号量SemMC35Rx将自己挂起。数据的发送过程是一个相反的过程。

应用程序根据需要的功能建立UDPTxTask()或ICMPTxTask()任务，并将数据发送到xAPPTxQ队列中。相应的任务再调用IPTx()和PPPTx()函数进行数据的封装并将数据发送到XqTxChar队列中，从而唤醒MC35SerialISR()中断程序将数据通过串口发送到MC35i中进行传输。为提高系统的实时性，本文中FreeRTOS采用可剥夺内核方式进行调度。采用FreeRTOS操作系统对任务进行管理简化了软件的编写难度，同时提高了程序的可读性和可移植性。

总结

基于GPRS M2M产品的无线数据传输以及远程监控系统是目前国内外研究的热点。本文采用完全免费的操作系统和TCP／IP协议栈给出的系统设计方案具备成本低、性能好、可升级等优点，为远程监控系统相关领域的数据传输提供了一个可行的设计方案。