基于ARM11 平台的串口转WiFi/GPRS 双网模块设计*

2013-12-22 06:04李文峰顾敦清

电子器件 2013年1期

李文峰，顾敦清

(西安科技大学通信与信息工程学院，西安710054)

随着计算机、通信和网络技术的高速发展，无线通信技术在不同行业和领域中已广泛应用，在大型的煤矿、油田和工业自动化、数据采集与监视系统中构建智能化、网络化的信息化平台来提升工作效率和管理水平已是必然要求。但是具有RS232 串行接口的数据采集终端和智能仪器设备无法实现快速的网络接入和数据共享，不能满足自动化设备集中式管理。

针对这种问题，本文设计了一种基于ARM11 平台的双网模块;通过该模块我们可以利用无线网络实现串口数据迅速联网和转发，当自己组建的WLAN网的信号无法覆盖到所有区域时，我们可以自动切换到GPRS 网络，实现无盲区的信息联网和共享。以WLAN 网络作为优先网络，当WLAN 网络的信号低于某个值时，系统实现自动网络切换，转到GPRS 网上。这样我们就可以实现双网的优势融合。

1 模块的总体设计

1.1 模块数据传输示意图

根据上述具体需求和目标，结合实际应用提出串口转WiFi/GPRS 数据双网模块数据传输原理示意图，如图1 所示。

数据源为工业自动化和数据采集系统中RS232串口上所要传输的数据。数据传输终端在设计时，考虑到数据采集终端即插即用的快速网络接入，设计RS232 串口，以便与原有数据采集系统连接，提供透明的传输通道，可以在不对原有系统进行改造的基础上，将各种工业自动化和数据采集系统接入到一个统一的平台上。

图1 双网模块数据传输原理图

1.2 系统硬件设计

系统硬件部分主要包括核心处理器，WiFi 无线模块，GPRS 无线模块，RS232 串口，存储部分，可扩展接口，电源和时钟，其硬件组成框图如图2 所示。

图2 硬件组成结构框图

(1)S3C6410 核心处理器

S3C6410 是一个16/32 bit RISC 微处理器，旨在提供一个具有成本效益、功耗低，性能高的应用处理器解决方案，像移动电话和一般的应用。它为2.5G和3G 通信服务提供优化的H/W 性能，S3C6410 采用了64/32 bit 内部总线架构;该64/32 bit 内部总线结构由AXI、AHB 和APB 总线组成。它还包括许多强大的硬件加速器，像视频处理，音频处理，二维图形，显示操作和缩放。

在本次的模块设计方案中，S3C6410 核心处理器是起到控制和数据处理作用的。作为控制器，它主要是起到对网络信号的检测以及双网工作的软切换作用。在数据处理方面，它可以将串口接收来的数据进行解包、分组，然后将其进行打包成所需要的数据格式。

(2)WiFi 无线模块及其接口设计

WiFi 无线模块，我们采用USI 公司的WM－GMR－09，该模块的内核是Marvell 88W8686。它包含嵌入式高性能兼容ARM11 的处理器Marvell Ferocean;此处理器的工作频率为128 MHz，兼容ARM9 32 bit 指令集，具有32 bit 位宽的数据线。该模块有两种类型的HOST 接口，分别是SPI 和SDIO 两种接口。

采用这种模块，我们可以从硬件上完全分离了WiFi 主机与控制层，这样大大简化了我们的设计。所以在设计时，我们只要在系统控制层上做出一个HOST 接口的驱动，这样就可以实现对WiFi 模块的控制。在本次设计中，我们用的是SPI 接口实现WiFi 模块和核心模块的无缝连接;SPI 接口包括两根数据线、一根时钟线以及一根片选信号线。

(3)GPRS 模块及其接口设计

我们采用的GPRS 通信模块是SIM900A，该模块带有屏蔽罩，而且集成度非常高、体积也很小。它无需专用的通信接口来与主机相连，普通的I/O 口即可实现通信。核心处理器通过AT 指令来控制GPRS 模块。SIM900A 集成了完整的射频电路和GSM 的基带处理器，适合于开发一些GSM/GPRS 的无线应用产品，如移动电话、PDA、PCMCIA 无线MODEM 卡、USB 无线MODEM、无线POS 机、无线抄表、无线数据传输单元，无线公用电话、无线商务电话、监控、调度、车载、遥控、远程测量、定位和导航等系统和产品，应用范围十分广泛。SIM900A 模块为用户提供了功能完备的系统接口，用户只需投入少量的研发费用，在较短的研发周期内，就可集成到自己的应用系统中。

(4)电源模块设计

电源模块主要分两部分来设计，一部分是给核心模块进行供电的电路，一部分是给两个无线模块进行供电的电路。对于S3C6410 的核心模块主要有两种数字电，分别是1.8 V 和3.3 V;而对于两个无线模块，SIM900A 需要4 V 来进行供电，WM－GMR－09 则需要3.3 V 来进行供电。所以整个电路设计中，我们需要用到3 种电。我们以5 V 的电源作为输入，则需要3 种类型的DC－DC 电路来实现电平的转换。因为模块SIM900A 要求的电流比较大(峰值为2 A)，所以建议用能承受大电流的转换芯片，例如EUP7967 系列。

1.3 系统软件设计

从系统软件框图可以看出，系统软件可分为嵌入式Linux 操作系统和应用程序两大部分。其中，嵌入Linux 操作系统主要包括设备驱动程序、Linux内核、文件系统;应用程序主要包括以下模块:WiFi通信程序、GPRS 通信程序、网络检测和自动切换程序。在正常通信状态下，默认为WiFi 网络进行通信，当检测到无WiFi 网络时，开始切换网络使用GPRS 通信。系统软件的组建框图如图3 所示。

图3 系统软件框图

双网模块和PC 之间通过串口通信的方式对模块进行配置，在VC + +集成开发环境中，利用Windows 下的串行通信编程的ActiveX 控件设计完成了配置软件。GPRS 和WIFI 软件流程图如图4、图5 所示。

图4 GPRS 通信软件流程图

图5 WIFI 通信软件流程图

MSComm 控件通过串行端口传输和接收数据为应用程序提供串行通信功能。提供了两种处理通信问题的方法:一是事件驱动法，主要是利用OnComm事件捕获并处理这些通信时间，也可以检查和处理通信错误;二是查询法，在这种情况下，每当应用程序执行完一个串口操作后，将查看MSComm 控件的CommEvent 属性以确定执行结果或者检查某一事件是否发生。GPRS 与WIFI 模式配置软件界面如图6、图7 所示。

图6 GPRS 模式配置软件界面

图7 WiFi 模式配置软件界面

2 测试

依据上述测试方案，接下来将按照以下步骤进行具体测试，图8 为测试现场照片。

图8 测试现场

(1)双网模块参数配置

先运行双网模块配置软件“cfgWiFi－GPRS”，再给模块上电，看到“状态”框为彩色滑动条时，分别对WiFi 和GPRS 模块所要用到的参数进行配置，WiFi 的相关参数参考无线路由器的有关配置，具体配置如图9 和图10 所示。

图9 WiFi 参数配置

图10 GPRS 参数配置

(2)在无WiFi 网络覆盖区域，通过给计算机串口发送测试数据“data from WiFi_mode”，在数据服务中心使用TCP/UDP Sockett 调试工具进行数据接收和发送，数据服务中心的测试数据“data from server”，测试结果如图11 和图12 所示。

(3)在有WiFi 网络覆盖的条件下，通过给计算机串口发送数据“data from GPRS_mode”，在数据服务中心使用TCP/UDP Sockett 调试工具进行数据接收和发送，数据服务中心的测试数据为“data from server”，心跳包数据位“GD—Heart”。测试结果如图13 和图14 所示。

从以上3 项测试的过程和结果可以看出，本次课题设计的双网模块实现了串口到WiFi/GPRS 数据的转换，可以使串口设备快速接入WiFi 和GPRS网络，在恢复网络故障后，能实现网络重新连接，具有较好的可靠性。