CN101119345B - 基于arm7cpu核的gprs-can网关及其通讯方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于ARM7CPU核的GPRS-CAN网关及其通讯方法，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CAN、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，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。

Description

基于ARM7CPU核的GPRS-CAN网关及其通讯方法

技术领域

本发明涉及基于GPRS无线网络和CAN工业现场总线的网络控制，主要涉及到一种基于ARM7CPU的用于从工业现场远程数据采集并无线传输的新型GPRS-CAN网关。

背景技术

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，出于成本和通信性能的考虑，CAN总线在工业现场总线中占有很大的比重，尤其是在铁路机车、轻轨、地铁等轨道交通领域，CAN总线的应用尤其广泛。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ARM7CPU设计出一种低成本、高性能的GPRS-CAN网关。

CAN是英文Controller Area Network的缩写，即控制器局域网，是国际上应用最广泛的现场总线之一。CAN最初出现在80年代末的汽车工业中，由德国Bosch公司最先提出。当时，由于消费者对于汽车功能的要求越来越多，而这些功能的实现大多是基于电子操作的，这就使得电子装置之间的通讯越来越复杂，同时意味着需要更多的连接信号线。提出CAN总线的最初动机就是为了解决现代汽车中庞大的电子控制装置之间的通讯，减少不断增加的信号线。于是，他们设计了一个单一的网络总线，所有的外围器件可以被挂接在该总线上。1993年，CAN已成为国际标准ISO11898(高速应用)和ISO11519(低速应用)。

CAN是一种多主方式的串行通讯总线，基本设计规范要求有高的位速率，高抗电磁干扰性，而且能够检测出产生的任何错误。当信号传输距离达到10Km时，CAN仍可提供高达50Kbit/s的数据传输速率。CAN协议的2.0A版本规定CAN控制器必须有一个11位的标志符。同时，在2.0B版本中规定，CAN控制器的标志符长度可以是11位或29位。遵循CAN2.0B协议的CAN控制器可以发送和接收11位标识符的标准格式报文或29位标识符的扩展格式报文。如果禁止CAN2.0B，则CAN控制器只能发送和接收11位标识符的标准格式报文，而忽略扩展格式的报文结构，但不会出现错误。

由于CAN总线具有很高的实时性能，因此，CAN已经在汽车工业、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160Kbps。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。从而提供了一种高效、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。

ARM7CPU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，1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。由于该CPU带有串行CAN2.0B控制器和UART口，对于实现GPRS-CAN网关提供了条件。

发明内容

本发明针对目前存在的问题，研发了一种兼容性高、设计新颖、灵活性强用于远程数据传输的GPRS-CAN网关。本发明的技术解决方案是这样实现的：

一种基于ARM7CPU核的GPRS-CAN网关，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模块内嵌了剪裁版TCP/IP协议栈和集成了两个独立的CAN控制器与三个UART口，CAN控制器通过CANRX0和CANTX0口分别与CAN收发器SN65HVD230的R和T引脚相连，通过其内电路形成CANH和CANL两路差分信号并由DB9标准端口引到网关外部和CAN网络通讯使用；所述的UART口中有UART0和UART2，UART0通过六个I/0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。

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。

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。

一种使用权利要求1中基于ARM7CPU核的GPRS-CAN网关的通讯方法，包括在ARM7CPU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属于接收到IP数据包或转发CAN数据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CAN转发出去的步骤；或

当事件为转发CAN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。

与现有技术相比较，本发明的优点在于：

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。

附图说明

图1无线监控系统工作原理图；

图2GPRS-CAN网关结构图；

图3ARM7及CAN、RS-232接口电路；

图4SIM卡插座接口电路；

图5GPRS模块接口电路；

图6DC24V转DC5V接口电路；

图7DC5V转DC3.3V接口电路；

图8GPRS-CAN网关通讯过程流程图。

在图中：1、地面监视终端，2、防火墙，3、Internet服务器，4、CGSN网关，5、天线，6、GPRS-CAN网关，7、电源模块，8、GPRS模块，9、SIM卡，10、CPUAT91SAM7A3，11、CAN控制器，12、RS-232口，13、LED指示灯模块。

具体实施方式

如图1-图7所示的基于ARM7CPU核的GPRS-CAN网关，其特征在于包括高档CPU控制器AT91SAM7A3，GPRS模块及外围电路，旨在实现CAN和GPRS数据流的交互，将工业现场的CAN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CAN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CAN网络，完成对CAN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IP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CAN网络和GPRS网络间进行数据转发，同时完成协议转化。由于AT91SAM7A3内部集成CAN控制器，所以AT91SAM7A3可以通过与其相接的CAN收发器完成CAN网络数据的收发，另外AT91SAM7A3另外一个重要的功能则是完成TCP\IP数据包的打包和解包。具体地说：

如图1所示，GPRS-CAN网关的工作过程是从机车或现场总线的CAN网络中采集数据，然后经过GPRS-CAN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Internet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-CAN网关采集来的数据，同样也可以将指令下传到CAN网络中。

如2图所示，GPRS-CAN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、CAN通讯口、RS-232通讯口、LED指示灯部分，包括电源指示灯POWER LED、CAN指示灯CAN 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-CAN网关的核心部件，AT91SAM7A3要将从CAN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CAN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-CAN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-CAN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。

CAN通讯口主要用来将AT91SAM7A3接入CAN网络，从CAN网络中接收数据和往CAN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-CAN网关通讯，完成对GPRS-CAN网关一些运行参数的配置。

LED指示灯部分用来指示出GPRS-CAN网关的工作状态，当GPRS-CAN网关正常供电，POWER LED指示灯会发亮；当从CAN网络收发数据的时侯CAN LED指示灯会闪烁；GPRS LED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，ARM7CPU AT91SAM7A3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内部集成了两路独立的CAN控制器，这里我们用到的是CAN0口，CANRX0和CANTX0分别连接到CAN收发器SN65HVD230的R和T引脚上，通过SN65HVD230形成CANH和CANL两路差分信号线，将这两路信号线通过DB9接口引到网关外部和CAN网络通讯使用。AT91SAM7A3内部集成了了三个UART口，我们使用UART0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UART0的RTS0、CTS0、RING0、DTR0、DCD0、DSR0六个信号线接口。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1、2、3、4、5引脚供电；6、7、8、9、10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路信号线和AT91SAM7A3的UART0相连接，通过AT91SAM7A3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ZUS152405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。

Claims (4)

1.一种基于ARM7CPU核的GPRS-CAN网关，包括电源模块(7)，指示灯模块(13)和SIM卡插座接口模块(9)，其特征在于还包括由AT91SAM7A3构成的CPU模块(10)和GPRS通讯模块(8)，CPU模块(10)和GPRS通讯模块(8)由电源模块(7)直接供电，GPRS通讯模块则与SIM卡插座接口模块(19)相连接；其中所述的CPU模块内嵌了剪裁的TCP/IP协议栈和集成了两个独立的CAN控制器(11)与三个UART口，CAN控制器通过CANRX0和CANTX0口分别与CAN收发器SN65HVD230的R和T引脚相连，通过其内电路形成CANH和CANL两路差分信号并由DB9标准端口引到网关外部和CAN网络通讯使用；所述的UART口中有UART0和UART2，UART0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-CAN网关，其特征在于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。

3.根据权利要求1所述的基于ARM7CPU核的GPRS-CAN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。

4.一种使用权利要求1中基于ARM7CPU核的GPRS-CAN网关的通讯方法，包括在ARM7CPU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属于接收到IP数据包或转发CAN数据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CAN转发出去的步骤；或

当事件为转发CAN数据时则：

(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。

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