专利名称：基于arm7 cpu核的gprs-lin网关及其通讯方法
基于ARM7 CPU核的GPRS-LIN网关及其通讯方法技术领域发明涉及基于GPRS无线网络和LIN工业现场总线的网络控制，主要涉及 到本一种基于ARM7 CPU的用于从工业现场远程数据采集并无线传输的新型 GPRS—LIN网关。
技术背景近年来随着工业自动化领域的快速发展,工业现场总线由于其可靠性高、成 本低、故障率低等优点使得其应用越来越广泛。LIN通讯方式是目前应用广泛的通讯方式之一，其特点如下(1)单主机多从机组织(即没有总线仲裁)，配置灵活；(2)基于普通UART/SCI接口的低成本硬件实现低成本软件协议；(3) 带时间同步的多点广播接收，从机节点无需石英或陶瓷谐振器，可以实现自同 步；(4)保证信号传输的延迟时间。可选的报文帧长度2、 4和8字节；(5) 数据校验和的安全性和错误检测，自动检测网络中的故障节点；(6)使用最小 成本的半导体组件(小型贴片，单芯片系统)。速度高达20kbit/s。在机车车辆、 汽车等领域，很多设备都提供LIN接口来进行设备间的通讯。随着我国铁路信 息化的建设，对于轨道车辆的远程监控也成为当前需要迫切解决的问题，在全 国大规模的GSM-R网络建成之前，使用GPRS网络将从机车车辆现场采集的数 据无线传输到地面，成为当前成本低、实现快、可靠性高的首选方案。本设计 就是针对这一应用，采用了 ARM7 CPU设计出一种低成本、高性能的GPRS-LIN 网关。LIN是英文Local Interco皿ect Network的縮写，是国际上应用最广泛的现场 总线之一。LIN (Local Interconnect Network)是低成本的汽车网络，它是现有 多种汽车网络在功能上的补充由于能够提高质量、降低成本，LIN将是在汽车 中使用汽车分级网络的启动因素。LIN的标准化将简化多种现存的多点解决方 案且将降低在汽车电子领域中的开发生产服务和后勤成本。LIN标准包括传输 协议规范、传输媒体规范、开发工具接口规范和用于软件编程的接口 LIN在硬 件和软件上保证了网络节点的互操作性并有可预测EMC的功能。LINBus是一种串行通讯总线，它有效地支持汽车应用中分布式机械电子节 点的控制。它的使用范围是带单主机节点和一组从机节点的多点总线，它的软 件协议栈比较简单。 一个LIN网络中有一个主机节点和一个以上的从机节点组 成，所有的节点都包括有从机服务程序来发送和接收数据，仅有一个节点包含 有主机服务程序。主机程序主要用于发送同步间隔、同步场和ID场(也可以是 命令)，用于控制和协调各个节点的有序无紊的通讯。由于LIN总线具有很高的 实时性能，因此，它己经在汽车工业、航空工业、工业控制、安全防护、轨道 交通等领域中得到了广泛应用。GPRS是通用分组无线业务(General Packet Radio Service)的英文简称，是在 现有GSM系统上发展出来的一种新的数据承载业务，目的是为GSM用户提供分 组形式的数据业务。GPRS采用分组交换技术，数据传输速率高达l60Kbps。分 组交换的基本过程是把数据先分成若干个小的数据包，可通过不同的路由，以 存储转发的接力方式送到目的端，而组装成完整的数据。分组交换基本上不是 实时系统，延时也不固定，但可以使不同的数据传输"共用"传输带宽有数据占 用带宽，无数据时不占用，从而分享资源。采用分组交换的GPRS则可灵活运用 无线信道，每一个用户可以有多个无线信道，而同一信道又可以由几个用户共 享，从而极大地提高了无线资源的利用率。GPRS采用与GSM同样的无线调制标 准、同样的频带、同样的突发结构、同样的跳频规则以及同样的TDMA帧结构， 这种新的分组数据信道与当前的电路交换的话音业务信道极其相似。因此，现 有的基站子系统(BSS)从一开始就可提供全面的GPRS覆盖。GPRS允许用户在端 到端分组转移模式下发送和接收数据，而不需要利用电路交换模式的网络资源。 从而提供了种高效、低成本的无线分组数据业务。特别适用于间断的、突发 性的和频繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输。由于GPRS允 许用户在分组交换模式下发送和接收数据，从而提供了一种高效、低成本的无 线分组数据业务。如何把GPRS无线网络和LIN工业现场总线的网络衔接起来，充分发挥两个网 络的作用，是摆在我们面前的重要任务。针对上述现有技术中所存在的问题， 研究设计一种新型的基于ARM7 CPU核的GPRS-LIN网关及其通讯方法，从而克服 现有技术中所存在的问题是十分必要的。发明内容鉴于上述现有技术中所存在的问题，木发明的目的是研究设计一种兼容性好、设计新颖、灵活性强、新型的基于ARM7 CPU核的GPRS-LIN网关及其通讯 方法，从而解决GPRS无线网络和LIN工业现场总线的网络衔接问题。本发明 选取ARM7 CPU核是因为ARM7 CPU是ATMEL公司基于ARM7核的CPU，该 CPU属于AT91系列ARM微处理器，内部具有256K字节高速Flash, 32K字节 高速SRAM， MMC接口 ， 2个SPI 口 ， 3个UART， 2个串行CAN总线通讯接 口、 19通道的DMA， 9个定时器，l个周期间隔定时器，后备电池模块，看门 狗，8PWM， 16通道10位ADC，高驱动力引脚，POR，晶振，片上RC振荡器， PLL，高级时钟及电源管理单端3到3.6V电源。如此强大的功能为实现GPRS-LIN 的转换提供了条件。本发明的技术解决方案是这样实现的本发明所述的基于ARM7CPU核的GPRS-LIN网关，包括电源模块，指示 灯模块和SIM卡插座接U模块，还包括由AT91SAM7A3构成的CPU模块和 GPRS通讯模块，CPU模块和GPRS通讯模块由电源模块直接供电，GPRS通讯 模块则与SIM卡插座接口模块相连接。其中本发明所述的CPU模块内嵌了剪裁 版TCP/IP协议栈和集成了两个独立的LIN控制器与三个UART 口 ， LIN控制器 通过RXDO和TXDO 口分别与LIN收发器TH8080的R和T引脚相连，通过其 内电路形成LIN信号并由DB9标准端口引到网关外部和LIN网络通讯使用。本 发明所述的UART 口中有UART1和UART2, UART1通过六个I/O 口为GPRS 通讯模块提供电源和AT指令信号。UART2则作为外部接口连接MAX232收发 器，通过DB9标准端口和外部通讯，用来配置网关参数。本发明所述的电源模块外接DC24V电源，通过ZUS152405模块转化为 DC5V和/或通过AS1117M3-3.3V模块转化为3.3V。本发明所述的GPRS模块由MC35芯片构成，模块中有ZIF40针通讯接口， 其中的1 5脚供电，6 10脚接地，15脚的IGT和31引脚的PD信号线用于 控制GPRS模块的启动和停止，并且和CPU模块的I/O 口相连。6 23脚的8 路信号线与CPU模块的UARTO 口相连接，并通过CPU模块向MC35模块发送 AT指令，来控制模块的工作。32脚的SYNC为同步信号，用以控制GPRSLED指示灯的闪烁。本发明所述的一种基于ARM7CPU核的GPRS-LIN网关的通讯方法，包括 在CPU核中内嵌裁减后的TCP\IP协议栈软件，其通讯过程包括系统初始化， 执行事件循环体并査询有否事件发生的步骤，其特征在于还包括(1) 一旦事件队列非空，则读取事件标志字并依其类型进行置位的步骤。(2) 当事件为接收到IP数据包时则。(a) 调用子程序，由IP协议解包的步骤。(b) 判断并选择UDP和/或TCP协议解包的步骤。(c) 通过LIN转发出去的步骤。 当事件为转发LIN数据时则执行。(d) 调用子程序，判断并选择UDP和/或TCP协议打包的步骤。(e) 由IP协议打包的步骤。(f) 发送到GPRS模块的步骤。(3) 当子程序处理完毕，中断程序令程序自动回到消息循环中的步骤。 本发明所述的基于ARM7CPU核的GPRS-LIN网关与现有技术相比较，优点在于1、 不需建设专门的无线网络，没有基础建设费用，项目实施快速；2、 不需要购置昂贵的设备、运营成本低廉；3、 数据传输速度快、信号稳定、不受地域和天气的限制；4、 地面监控站的位置也不受地域影响，只要能够接入Internet即可。
本发明共有七张附图，其中附图1为无线监控系统工作原理图；附图2为GPRS-LIN网关结构图；附图3为ARM7及LIN、 RS-232接口电路；附图4为SIM卡插座接口电路；附图5为GPRS模块接口电路；附图6为DC24V转DC5V接口电路；附图7为DC5V转DC3. 3V接口电路。
具体实施方式
本发明的具体实施例如附图所示，图1-图7所示为基于ARM7CPU核的 GPRS-LIN网关，包括高档CPU控制器AT91SAM7A3， GPRS模块及外围电路， 旨在实现LIN和GPRS数据流的交互，将工业现场的LIN数据流通过GPRS传输到 地面远程监控站，交给远程计算机使用，实现对远程LIN网络设备的监视；另一 方面是远程计算机可以发送指令到工业现场的LIN网络，完成对LIN网络设备的 远程控制。所述的GPRS模块通过射频天线， 一方面从GSM网络中接收GPRS分 组数据报包，经过协议转化，去掉GPRS数据报的帧头帧尾形成TP数据包，将该 数据包通过RS232接口传输给中央处理器CPU;另一方面接收CPU发送过来的IP 数据包，进行协议转化打包成GPRS数据包经过射频天线发送到GSM网络；中央 处理器CPUAT91SAM7A3在LIN网络和GPRS网络间进行数据转发，同时完成协 议转化。AT91SAM7A3可以通过与其相接的LIN收发器完成LIN网络数据的收 发，另外AT91SAM7A3另外一个重要的功能则是完成TCPUP数据包的打包和解 包。具体地说如图1所示，GPRS—LIN网关的工作过程是从机车或现场总线的LIN网络屮 采集数据，然后经过GPRS—LIN网关的射频天线将数据以GPRS分组数据包的形 式发送到GSM网络中，数据到达GSM网络后经过CGSN网关进行协议转换将数 据传输到lntemet上的一台服务器中，这样地面任何一台接入Internet的电脑都可 以作为监控终端，通过Internet接入服务器来访问GPRS-LIN网关采集来的数据， 同样也可以将指令下传到LIN网络中。如2图所示，GPRS-LIN网关从硬件电路上来讲主要包含以下几部分电源 部分、GPRS模块、SIM插座、中央处理器AT91SAM7A3、 LIN通讯口、 RS-232 通讯口、 LED指示灯部分，包括电源指示灯POWERLED、 LIN指示灯LIN LED、 GPRS指示灯GPRS LED。电源部分用来给中央处理器和GPRS模块供电，提供DC 3.3V和5V的电源；GPRS模块主要是用来从中央处理器AT91SAM7A3接收IP数据包，经协议转 换打包成GPRS分组数据包后将数据发送到GSM网络，同时将从GSM网络接收的 GPRS数据包解包成IP数据包后发送给中央处理器AT91SAM7A3;SIM插座用来安装SIM卡，GPRS模块只有通过SIM的身份认证才能接入GSM网络；中央处理器AT91SAM7A3是整个GPRS-LIN网关的核心部件，AT91SAM7A3 要将从LIN总线接收到的数据进行TCP / IP协议转换，将数据打包成IP数据包发 送到GPRS模块，同时从GPRS模块中接收IP数据包，将解包后的数据发送到LIN 总线上。由于我们在AT91SAM7A3中嵌入了裁剪后的TCP/IP协议栈，所以通过 AT91SAM7A3就可以完成TCP / IP的解包和打包工作。AT91SAM7A3还需要从 RS232口接收对GPRS-LIN网关的配置数据，配置信息可以存储在FLASH中，可 以做到掉电不丢失配置数据，每次GPRS-LIN网关上电自动读取配置信息。同时 AT91SAM7A3具备看门狗等功能，当网关出现意外情况可以系统自动复位。LIN通讯口主要用来将AT91 SAM7A3接入LIN网络，从LIN网络中接收数据 和往LIN网络中发送数据。RS-232通讯口主要是开放给用户，用户可以使用PC机中的RS-232口和 GPRS-LIN网关通讯，完成对GPRS-LIN网关一些运行参数的配置。LED指示灯部分用来指示出GPRS-LIN网关的工作状态，当GPRS-LIN网关 正常供电，POWER LED指示灯会发亮；当从LIN网络收发数据的时侯LINLED 指示灯会闪烁；GPRSLED指示灯用来指示GPRS模块的工作状态，GPRS模块处 于初始化、查找网络、收发数据等不同的工作状态时该指示灯会以不同的闪烁 频率来指示。如图3所示，ARM7CPUAT91SAM7A3使用的是18.432M的晶振，芯片的工 作电压为3.3V。其67、 68、 69、 70引脚为JTAG仿真器接口 ，其电路连接如图所 示，接口使用20针的JTAG插座。AT91SAM7A3的RXD0和TXD0分别连接至ULIN 收发器TH8080的R和T引脚上，通过TH8080形成LIN信号，将信号线通过DB9接 口引到网关外部和LIN网络通讯使用。AT91SAM7A3内部集成了 了三个UART 口，我们使用UART1口和GPRS模块通讯，使用UART2作为外部RS232接口用来 配置网关参数，由于和GPRS模块通讯需要握手信号，所以我们使用PA6、 PA7、 PA18、 PA19、 PA20、 PA21六个IO口来作UART1的RTSO、 CTSO、 RINGO、 DTRO、 DCDO、 DSRO六个信号线接口。 RS232口不需要握手信号，所以我们只用UART2 的RX2和TX2收发数据即可，但是由于该RS-232口用来和外部通讯，所以需要使 用MAX232来作为该232接口的收发器。如图4所示，SIM卡插座用来和GPRS模块直接相连，包括对SIM卡的供电都 由GPRS模块来提供，不再对其单独供电。如图所示，SIM插座一共有8个引脚， 其中CCVCC用来供电，直接和GPRS模块的CCVCC引脚连接，GND接地，CCIO 为串行数据线，控制数据的发送和接收，CCDET1和CCDET2用来检测SIM是否 插入在插座，CCDET1用来供电，当有SIM插入插座时CCDET2接通为高电平， 没有SIM插入为低电平，CCDET2和GPRS模块的CCIN引脚相连，CCCLK为GPRS 模块设置SIM卡的时钟信号线，CCRST为SIM卡复位信号线。如图5所示，我们选用的GPRS模块为西门子公司的MC35，该模块提供了一 个ZIF 40针的通讯接口，其中l、 2、 3、 4、 5引脚供电；6、 7、 8、 9、 IO引脚接 地；11、 12引脚用来连接备用电池；15引脚的IGT和31引脚的PD信号线用来控制 GPRS模块的启动和停止工作，这两个引脚和AT91SAM7A3的IO口相连，16到23 引脚的8路信兮线和AT91 SAM7A3的UART1相连接，通过AT91 SAM7A3向MC35 模块发送AT指令来控制模块的工作；32引脚的SYNC为同步信号，通过该信号控 制GPRS LED指示灯的闪烁情况。33到40引脚的8路信号线用来连接语音手柄， 因为我们没有用到语音手柄，所以这几路信号线悬空就可以了 。在轨道交通领域，机车、轻轨等一般只能提供DC24V供电，所以该网关设 计的工作电压为DC24V，然而由于网关内部芯片的工作电压是DC5V和DC3.3V， 所以在网关内部要进行电压转化。对于外部接入的DC24V电源通过ZUS 152405 模块转化为DC5V， DC5V又通过AS1117M3-3.3V模块转化为3.3V，整个系统使 用DC5V和DC3.3V工作。
权利要求
1、一种基于ARM7 CPU核的GPRS-LIN网关及其通讯方法，包括电源模块，指示灯模块和SIM卡插座接口模块，其特征在于还包括由AT91SAM7A3构成的CPU模块和GPRS通讯模块，CPU模块和GPRS通讯模块由电源模块直接供电，GPRS通讯模块则与SIM卡插座接口模块相连接；其中所述的CPU模块内嵌了剪裁的TCP/IP协议栈并集成了三个UART口，LIN控制器通过RDX0和TXD0口分别与LIN收发器TH8080的R和T引脚相连，通过其内电路形成LIN信号并由DB9标准端口引到网关外部和LIN网络通讯使用；所述的UART口中有UART1和UART2，UART1通过六个I/O口为GPRS通讯模块提供电源和AT指令信号；UART2则作为外部接口连接MAX232收发器，通过DB9标准端口和外部通讯，用来配置网关参数。
2、 根据权利要求1所述的基于ARM7CPU核的GPRS-LIN网关，其特征在 于所述的GPRS模块由MC35芯片构成，模块中有ZIF40针通讯接口 ，其中的1 5脚供电，6 10脚接地，15脚的IGT和31引脚的PD信号线用于控制GPRS 模块的启动和停止，并且和CPU模块的I/O 口相连；16 23脚的8路信号线与 CPU模块的UART1 口相连接，并通过CPU模块向MC35模块发送AT指令， 来控制模块的工作；32脚的SYNC为同步信号，用以控制GPRSLED指示灯的 闪烁。
3、 一种基于ARM7CPU核的GPRS-LIN网关的通讯方法，包括在CPU核 中内嵌裁减后的TCP/IP协议栈软件，其通讯过程包括系统初始化，执行事件循 环体并查询有否事件发生的步骤，其特征在于还包括(1) 一旦事件队列非空，则读取事件标志字并依其类型进行置位的步骤；(2) 当事件为接收到IP数据包时则(a) 调用子程序，由IP协议解包的步骤；(b) 判断并选择UDP和/或TCP协议解包的步骤；(c) 通过LIN转发出去的步骤； 当事件为转发LIN数据时则执行(d) 调用子程序，判断并选择UDP和域TCP协议打包的步骤；(e) 由IP协议打包的步骤；(f) 发送到GPRS模块的步骤；(3)当子程序处理完毕，中断程序令程序自动回到消息循环中的步骤。
全文摘要
本发明公开了一种基于ARM7 CPU核的GPRS-LIN网关，以西门子工业级的MC35为GPRS通讯模块，以AT91SAM7A3为CPU模块，由于该CPU内部集成了LIN、UART等通讯接口且内部FLASH、RAM资源丰富，在不需要扩充资源的情况下就可以内嵌TCP\IP协议栈，实现了GPRS无线网络和LIN工业现场总线的网络的控制连接，避免了电路的复杂性，在降低成本的同时，也增强了其抗干扰的能力。
文档编号H04L12/66GK101267407SQ200810010968
公开日2008年9月17日 申请日期2008年4月9日 优先权日2008年4月9日
发明者蔡景荣, 谢步明, 马晨普 申请人:谢步明