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包格式如表1所示：
表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\rn,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#rn,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。
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1．transmit(at+cgdcont=1,ip,cmnet\rn,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.
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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
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