嵌入式GPS由GPRS接入Internet的实现

引言

随着全球定位系统的不断改进，软、硬件的不断完善，应用领域正在不断地开拓，目前已遍及国民经济各种部门，并开始逐步深入人们的日常生活。随着卫星导航定位设备的小型化甚至芯片化，嵌入式GPS产品越来越广泛的应用到人们生活的各个领域，而嵌入式产品的网络化就成为当今研究的一个方向。

1 系统原理及结构

GPS接收机数据有数据量小、定时或非定时及实时发送等特点，一方面需实现数据的上传，另一方面也需下达各种传输、控制指令，即双向的数据、指令传输。传统的数据传输主要采用GSM的方法来解决，这种传输方式存在覆盖范围、实时性等问题。目前中国移动主推的GPRS通用分组无线业务是在现有GSM系统上发展起来的一种承载业务，目的是为GSM用户提供分组形式的数据业务。GPRS抛弃了传统的独占电路交换模式，采用分组交换技术，每个用户可同时占用多个无线信道，同一无线信道又可以由多个用户共享，有效地利用了信道资源，带宽最高可达171.2Kb/s[1]。目前中国移动的GPRS覆盖范围在中心城市几乎达到了100%，在边远地区也达到了80%以上，实际应用带宽大约在20-40Kb/s，特别适合于GPS数据通信的需求，可以完全取代过去传统的有线MODEM、X.25、短信等通信方式[2]。

GPS接收机应用GPRS数据传输方式及网络结构如图1所示：

通过GPRS服务，GPS设备可采用互联网Internet的标准方式与在互联网上的服务器交换数据。GPRS的基础是以IP包的形式进行数据的传输，GPRS无线终端接入GPRS 网络的方法与普通有线MODEM 类似， 都采用建立PPP(Point-to-Point Protocol) 连接方式。PPP协议是一种被广泛采用的串行点对点链路上传输数据报的方法，包括LCP、PAP、IPCP、NCP等。GPRS MODEM通过PPP协议获得动态分配的IP地址。连接建立后，在PPP协议的基础上通过数据传输协议，该系统采用TCP实现与互联网上其它计算机的数据通讯。

2 系统硬件组成

本系统采用带有实时操作系统的GPS接收机内嵌通信协议的方案，在多任务的系统中增加一个comm.c通信任务，在该任务中实现简化的TCP/IP协议栈、PPP协议及无线GPRS Modem的命令控制。带实时操作系统的GPS接收机中包括16位VS_DSP处理器，8Mflash,96kRAM，16kROM，两个串口UART0 和UART1。其中UART0用于程序的烧写与输出数据的观测；UART1用于与无线GPRS Modem连接其中UART0口在设计阶段主要是用于连接PC机的串口进行程序的编写及烧制，作为终端机它可以作为SPI控制。系统硬件组成如图2所示。

3 系统软件设计与实现

GPS多任务实时操作系统中本身不带有通信功能，而且为了经济的考虑，本设计采用了不带协议栈的无线GPRS Modem，所以在软件设计时，采用在原来任务基础上增加一个通信任务，主要完成微型TCP/IP协议栈、PPP协议及无线GPRS Modem的命令控制。

3.1 微型TCP/IP协议栈的移植

如果在嵌入式系统中实现一个完整的TCP/IP协议栈，其难度可能会超出应用本身，所以本系统选用了一种简易的免费TCP/IP协议栈uip0.6作为设计的核心。uip0.6是瑞典计算机科学研究所Adam Dunkels开发的源码公开的免费简易TCP/IP协议栈[3,4]。uip实现了TCP/IP协议集的四个基本协议：ARP地址解析，IP网际互联协议，ICMP网络控制报文协议和TCP传输控制协议；它具备极少的代码占用量和RAM资源要求，尤其适用于8/16位单片机；支持多个主动连接和被动连接并发，支持连接的动态分配和释放；拥有简易的应用层接口和设备驱动层接口。由于本系统采用GPRS网络方式，所以其四个协议集中只保留IP网际互连协议和TCP传输控制协议，并其进行一定的修改。uip协议栈中实现IP网际互联协议时对原协议进行了极大的简化，它没有实现分片和重组。本设计中由于发送接收数据量较小，所以不必进行分片与重组，即对IP网际互联协议的实现部分不作修改。为了减少存储器的使用，uip里的TCP没有实现发送和接收数据的调整窗口。输入的TCP段不会通过uip缓存，而是由应用程序处理。输出数据时，uip不能在每个连接有超过一个未解决的TCP段。在本系统的设计中，为了避免数据丢失，应用中设计一个大的缓冲区send_recbuf[]接收应用要发送的数据，一个较小的发送缓冲区send_buf[]。对uipopt.h中的部分内容进行修改，删去UIP_IPADDR部分，应用文件头文件改为本系统中的应用文件的头文件#include “appcomm.h”，做为客户端本系统中定义#define UIP_ACTIVE_OPEN 1。由于数据链路层采用PPP协议，所以uip_buf[]中IP头的偏移量定义为：#define UIPLLHLEN 0

3.1.1 uip与PPP的接口

当PPP协议从网络接收到一个IP包时，把它放入到uip_buf中，系统调用uip_input()函数。此函数将处理这个包，在需要时会调用应用程序。当uip_input()返回时，uip_buf中放入了一个输出包，包的大小由全局变量uip_len约束，若uip_len为0，则说明没有包要发送，否则，PPP将此包加上PPP包头发送到网上。

3.1.2 uip与应用的接口

uip使用基于事件的编程模式，在响应一定的事件时，应用被当作uip调用的一个C函数UIP_APPCALL来实现，故在应用中要设置#define UIP_APPCALL appcomm，在uip中的标志uip_flags用于uip与应用之间的联系，在接收到数据、数据发送成功、建立了新的连接或数据被重发时，uip调用应用，应用根据uip_flags标志进行相应的处理。

3.2 PPP协议的实现

PPP是运行在硬件接口之上的，它提供LCP、PAP和IPCP协商所需要的合适的机制。这些协商由被PPPEntery()函数调用的固定的状态机执行，它基于接受到的内容建立响应。而PPPReceived()函数，对接收到的每个字节进行转义处理，当一个完整的PPP帧准备好要处理时，PPPReceived()设置整帧标示Isframe，此标志在应用主循环中被PPPEntery()函数轮询。PPP包格式如图1所示：

图1 PPP包格式

PPP模块在RAM中定义了两个缓冲区InBuffer[] 和OutBuffer[]分别存储从PPP来的包或向外输出的包，该缓冲区是全局的。为了建立点对点链路通信，在拨号成功连接后，GGSN发送LCP设置包，以便设定和测试数据链路，在链路建立以后，LCP可选设备才可以被认证，本系统拒绝所有的设置并请求（REQ）PAP方式验证。然后，进行PAP验证用户名和密码过程，在GPRS中用户名和密码都为空，如果验证成功，GGSN会返回IPCP报文，分配动态IP地址。此时，就完成了与GGSN的协商过程。协商完成后，进入IP数据报通信阶段[4]。根据应用的不同，IP报文可以携带UDP报文，也可以携带TCP或ICMP报文，本系统为了数据的可靠传输，采用TCP报文传输数据。此时，GPS终端向GGSN发送的所有包含IP报文的PPP报文都会被传送给Internet网中相应的IP地址，此处为GPS监控中心的IP地址。中心向GPS终端IP地址发送的数据也会经过GPRS网传送到GPS终端上，从而实现GPS终端与远程中心主机通过互联网传送数据。PPP协商过程如图3所示[5]：

3.3 GPRS Modem命令及串口读写

3.3.1 GPRS Modem 命令

若想通过GPRS Modem拨号上网，建立PPP连接，就必须先对其进行配置，本系统中设置上网用到的主要的AT命令有一下两个：
1．transmit(AT+CGDCONT=1,IP,\CMNET\\r\n,25); 传送此命令到GPRS Modem，以设置中国移动GPRS节点服务器的APN名称和属性，如果设置成功则返回“OK”,出错返回“ERROR”。其中“CMNET”是登陆GPRS网的缺省APN.

2．transmit(ATD*99***1#\r\n,13);此命令拨通中国移动的GPRS节点服务器，如果设置成功，则返回“CONNECT”，出错返回“ERROR”。程序可以根据返回值做相应处理。

3.3.2 串口读写API

GPS多任务实时操作系统中提供了对串口读写的API函数，本系统在用户初始化时采用信号触发方式来读取串口，具体的串口API的应用如下所述：

1． 打开串口
PORT __y * _pUserPort;    //其中_pUserPort为定义的串口变量
_pUserPort = (PORT __y *)UART_Open(¶mcom);
if (_pUserPort)
    {
        PORT_SignalWhenDataAvailable(_pUserPort, 1, ISYS_ThisTaskId());
    }
以上的功能为打开串口，paramcom为设定的串口参数结构，其中包括，串口号、缓冲区大小、传输速率等基本设置，若打开成功，则在串口每接收到一个字节时就会发送一个信号给本任务。

2． 读串口

PORT_ReadByte(_pUserPort, &buf)
在收到有字节的信号时，调用此函数将串口_pUserPort中的数据读入缓冲区buf中。

3． 写串口

PORT_WriteByte(_pUserPort, *data))
此函数是将data指针所指向的数据写到串口_pUserPort。

4 结论

本系统通过在GPS多任务实时操作系统中增加一个通信任务，并成功移植了uip0.6协议栈，完成了链路层PPP协议及底层硬件的驱动调用，使得GPS定位数据能够实时、准确传输。经过实践证明，该系统传输过程稳定，数据传输无误。本系统的实现为GPS产品的网络化及将来GPS产品通过网络提高性能奠定了基础。
本文作者创新点是将TCP/IP协议栈成功移植到GPS实时操作系统中，并在VS_DSP中实现了链路层的点对点的PPP协议，节省了原来利用有协议栈的Modem进行数据传输的费用，为以后GPS的广泛应用奠定了工程应用基础。