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基于嵌入式TCPIP的远程GPRS控制终端的设计与实现基于嵌入式TCPIP的远程GPRS控制终端的设计与实现

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GPRS控制 GPRS远程控制终端 管理终端 GPRS控制终端 嵌入式 基于GPRS 的远程 GPRS 和TCP gprs tcp 控制GPRS GPRS终端 实现嵌入式 TCP GPRS的 基于GPRS的
资源描述:
  收稿日期 : 2005202201 作者简介 : 刘 峰 , 男 , 1974 年生 , 硕士研究生 , 研究方向是移动通信及嵌入式应用 ; 林 浒 , 男 , 1955 年生 , 博士生导师 , 研究员 , 研究方向是网络与通信 ; 韩春燕 , 女 , 副教授 , 研究方向为嵌入系统 .基于嵌入式 TCP IP 的远程 GPRS 控制终端的设计与实现刘 峰 1, 2, 韩春燕 3, 林 浒 21(中国科学院 研究生院 , 北京 100039 )2(中国科学院 沈阳计算技术研究所 , 辽宁 沈阳 110004)3(东北大学 软件学院 , 辽宁 沈阳 110004)E2m ail: liufeng@ sict. ac. cn摘 要 : 介绍了基于 8 位单片机的嵌入式 TCP IP 的远程无线控制终端的设计与实现 . 描述了基于 GPR S 网的数据传输过程、嵌入式实时操作系统 R TX51 以及嵌入式 TCP IP 协议栈简化的思路 , 并着重阐述了控制终端的技术实现 .关 键 词 : TCP IP; GPR S; R TX51 单片机中图分类号 : T P393      文献标识码 : A        文 章 编 号 : 100021220 (2006) 0621069203D esign and Im plem en ta tion of Em bedded TCP IP-Ba sed L ong-Range GPRS Con trols Term i-na l Sta tionL IU   Feng1, 2,L IN   H u2, WAN G  Zhong21(G rad uate S chool of Ch inese A cad emy of S cience, B eij ing 100039, Ch ina)2(S heny ang Institu te of Comp u ting T echnology , L iaoning , S heny ang 110004, Ch ina)3(S of tw ore Colleg e of N ortheast U niversity , S hengy ang 110004, Ch ina)Abstract: T h is paper introduces the design and imp lem entation of the long2range w ireless contro lls term inal station based on 82bit singlech ip w h ich em beds TCP IP. It describs transm ission course of data based on GPR S netw o rk, em bedded real2tim e op2erating system R TX51 and em bedded simp le th ink ing of TCP IP agreem ent. A nd illum inates the techno logy imp lem entation ofcontro ls term inal station in detail.Key words: TCP IP; GPR S; R TX51; M CU1 引 言随着数据无线传输需求的增加和中国移动 GPR S 业务全面投入运营 , 利用移动运营商提供的无线网络实现工业设备远程控制 , 可更好的适应地域跨度较大 , 环境恶劣情况下的设备控制 , 是工业控制系统现代化的一个重要发展方向 . 基于分组交换的 GPR S 网具有覆盖范围广、数据传输速度快 , 实时性好、通信质量高、持续在线和费用低等优点 , 并可直接与 In2ternet 网互通 , 可更好的满足工业设备控制的需要 .我们研究开发的控制终端采用单片机控制外部设备和GPR S 模块来实现 , 并在嵌入式系统中实现 TCP IP 协议栈 ,利用 GPR S 模块在网络中完成与控制中心的数据通讯 . 在设计中为了降低设备成本 , 选用 8 位单片机 , 因此如何在有限的硬件资源上较好的支持 TCP IP 协议 , 实现控制功能是本文讨论的主要内容 .2  GPRS 网络数据的收发 [1 ]中国移动 GPR S 网络建立在原有 GSM 网络的基础上 ,新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 . GPR S 网提供网络功能将 IP 信息包从移动用户点传送至外部网络 .图 1  GPR S 数据收发图GPR S 无线模块作为控制系统的无线收发模块 , 用于实现与 GPR S 网络的连接 . 当该模块与 GPR S 连接成功之后 ,通过发送 PD P 上下文激活 , 由 GGSN 为其分配 IP 地址并与与 外部网络建立连接 . 完成连接后 , 即可进行数据传输 , 其发送数据过程如图 1 所示 .· GPR S 模块通过串行接口从控制模块获得上传数据 ;第 27 卷 第 6 期2006 年 6 月小 型 微 型 计 算 机 系 统M IN I- M ICRO SYST EM SV o l127 N o. 6 June 2006    · 处理后以 GPR S 分组数据的形式发送到 GSM 基站(BT S);· 分组数据经 SGSN 封装后 , 发送到 GPR S IP 骨干网 ;· 若分组数据是发送到另一 GPR S 终端 , 则先发送到目的 SGSN , 再经 BSS 发送到 GPR S 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 , 送达控制中心 .3  RTX51为了满足系统开发过程中控制任务的实时性和移植TCP IP 协议栈 , 需要选定一个实时操作系统 . R TX51 T iny\[2 \]是一种应用于 M CS51 系列单片机的小型多任务实时操作系统 . 它完全集成在 Keil C51 编译器中 , 具有运行速度快、对硬件要求不高、使用方便灵活等优点 , 满足系统的要求 . 该操作系统最多可支持 16 个任务 , 仅占用 800 字节左右的程序存储空间 , 可以在没有外部数据存储器的 8051 系统中运行 , 应用程序仍然可以访问外部存储器 , 不需要扩展外部 RAM , 能满足大多数简单控制系统的需要 .该操作系统以系统函数调用的方式运行 , 因此可以很容易地使用 KE IL C51 语言编写和编译一个多任务程序 , 可以灵活的分配硬件系统资源 (CPU , 存储器等 )给各个任务 , 从而大大的缩短了程序开发的时间并增强了软件工作的稳定性 .4 嵌入式 TCP IP 协议栈的剖析 [3 ]在设计中 , 根据系统采用 GPR S 进行数据传输的特点 , 这里我们只须实现 IP、 ICM P、 TCP 三个协议 , 即可满足系统控制的需要 . 在其代码的实现中 , 为了节省资源 , 我们采用基于单一全局数组的收发数据缓冲区 , 由应用负责处理收发的数图 2 简化 TCP IP 协议据 , 不支持内存动态分配 . 采用基于事件驱动的应用程序接口 , 各并发连接采用轮循处理 , 仅当 GPR S 网络事件发生时 ,由 IP 内核唤起应用程序处理 . 应用程序主动参与部分协议栈功能的实现 (如 TCP 的重发机制 , 数据包分段和流量控制 ) , 由 IP 内核设置重发事件 , 应用程序重新生成数据提交发送 , 免去了大量内部缓存的占用 . 协议结构如图 2 所示 . 下面分别对这几个协议实现的主要细节进行阐述 .4. 1  IP 协议IP 协议是 TCP IP 的基础 , 嵌入式系统只把 IP 作为传输工具 , 只需传送一些简单的数据和命令 , 数据报的长度很小 ,因此对于分段的功能可以裁减不要 . IP 数据包头中 , 服务类型是指一些服务质量的参数 , 这些参数用在特定网络指示所需要的服务 . 而选项包括时间戳 , 安全和特殊路由 , 在数据包中可以没有 . 因此 , 为简化嵌入 TCP IP 的复杂程度 , 这 2 个字段都可以忽略 , 而不用作任何处理 . 由于不采用分段功能 ,标识和段偏移量这些字段都无须考虑也不用作任何处理 , 但标记字段第 2 位必须标记 1, 表示是不可分段的 . 因此根据控制系统实际需要 , 只需实现 IP 协议中两个功能 : 验证到来的IP 报文报头的正确性 , 并且对 TCP 和 ICM P 报文实行分流 .4. 2 网间报文控制协议 ICM P对于嵌入式系统 , ICM P 协议只需实现它的回应机制 , 而其他功能则可以忽略 . 只需要将接收到的回应请求消息中分组的源端 IP 和目的端 IP 交换一下 , 然后将该分组的 ICM P类型由 " ECHO "改为 "R EPL Y, 最后按标准方法计算 ICM P校验和即可 .4. 3 传送控制协议 TCP由于工业实时监控系统中数据传输量很小 , 而可靠性要求较高 , 所以传输层只采用 TCP 协议 . 标准 TCP 协议应用于嵌入式系统显得过于复杂 , 因此 , 需要结合 GPR S 网络传输的特点对其进行简化 .基于 GPR S 网络的 TCP 协议数据传输 , 在采用公网的A pn (" cm net") 的条件下 , GPR S 模块所获得的动态 IP 地址是移动的一个特殊的内部网段上的地址 , 这个动态地址对于公网上的其他机器来说是不可访问的 . 对于控制终端而言 , 它仅是一个客户端 , 采用主动打开 , 发送与控制中心的连接请求以建立连接 , 然后实现对远程监控设备的遥测遥控 . 因此在TCP 层的上层如只需实现客户端的应用 , 可以将标准 TCP状态机建立连接过程中服务器端建立连接的状态机部分简化掉 . 协议中断开连接中的主动断开部分比较复杂 . 在设计中我们采用 , 当需要主动断开连接的时候 , 发送一个 F in 数据报 ;接收到对 F in 数据报的确认后 , 再发送一个 R eset 数据报的方法 , 即可顺利完成一次主动断开连接 .标准的 TCP 协议使用慢启动的滑动窗口机制 . 滑动窗口算法需要使用许多 32 位操作数 , 并且需要较多的缓冲空间来缓冲多个要发送的数据段 , 这对资源有限的 8 位微处理器来说无法较好的实现 . 因此 , 在本系统中 , TCP 并不使用滑动窗口来接收和发送数据 , 而是在发送数据时 , 采用在每次发送完一个数据包后等待确认信息 , 当接收到确认后才能发送下一个数据段的方式 . 每个活动连接只能一次发送一个 TCP 数据包 . 这样 , 网络中并发的 TCP 数据段就得到了控制 . 因为TCP IP 数据包是通过 GSM 网传输的 , 所以考虑到端对端连接的带宽延迟的存在 , 在控制中心我们采用同样的确认机制 ,这样就可以很好的进行数据传输的流量控制 . 对于控制终端而言 , 当有 TCP 报文到达时 , 并不进行缓冲而是立刻交给应用程序处理 . 使用该方法后 , 所有的处理只是对单个数据报的发送和确认 , 简化了协议 , 节约了系统的资源 , 保证了协议的兼容性 .5 控制终端实现5. 1 终端的硬件实现控制系统主要由四部分构成 : 嵌入 TCP IP 协议的M CU、 M C35 模块、电源部分和外部接口部分 . 该模块的硬件框图如图 3 所示 .系统选用 C8051F020M CU , 该单片机具有 25M IPS 高速0701           小 型 微 型 计 算 机 系 统         2006 年
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