Embedded AT: начало работы с технологией интеграции пользовательского ПО в GSM/GPRS-модуль SIM800/SIM800H

Введение

Рис. 1. Модули SIMCom (вид сверху и снизу):
сверху — SIM800H;
снизу — SIM800

Embedded AT (далее — EAT) — проприетарная технология интеграции пользовательского программного Си-кода с ядром модуля SIM800H/SIM800. EAT позволит в некоторых случаях избавиться от внешнего микроконтроллера в конечном устройстве, что сэкономит место на печатной плате, упростит процесс ее комплектации, сборки, проверки и в итоге удешевит бюджет изделия в целом. Данная статья будет полезна схемотехникам и программистам — разработчикам М2М-устройств, таких как:

• автомобильные ГЛОНАСС/GPS-терминалы;
• автомобильные охранно-поисковые системы;
• персональные трекеры;
• охранные системы;
• счетчики газа, воды и электричества;
• концентраторы и модемы систем сбора данных и т. д.

Технические характеристики модулей SIM800 и SIM800H. Отличия от 900-й серии

Общая особенность модулей SIM800 и SIM800H — наличие встроенного блока Bluetooth и интерфейса SD-карты, а также более высокий класс GPRS (Class 12), что означает на практике более высокую скорость передачи Upload. Для сравнения в таблице 1показаны основные технические характеристики популярного сегодня модуля SIM900R и модулей SIM800 и SIM800H. Как видно, существуют две версии SIM800 — с памятью программ 32 и 64 Мбит. 32-мегабитовая версия SIM800 программно поддерживает либо Bluetooth, либо EAT. Это относится и к SIM800H. 64-мегабитовая версия SIM800 поддерживает Bluetooth и EAT одновременно, что делает эти модули более универсальными.

Примечание:*СПО (здесь и далее) — специализированное программное обеспечение.

Важно отметить, что модуль SIM800 является частично совместимым по выводам с SIM900R. Оба модуля имеют одинаковые размеры и торцевые контакты для пайки. В таблице 2показаны отличия в распиновке модулей SIM800 и SIM900R. Если данные отличия не коррелируют с дизайном платы на базе SIM900R, то можно сказать, что SIM800 и SIM900R в большей степени взаимозаменяемы. Единственные вопросы возникают с выводами 2 и 53 при установке SIM800 на плату для SIM900R. В SIM800 допускается не подключать землю на выводе 2, если остальные выводы земли подключены. Вывод ANT_BT допускается подключать на землю, если не применяется функция Bluetooth, даже в версиях программного обеспечения (ПО), поддерживающих Bluetooth (если блок Bluetooth отключен, AT+BTPOWER = 0).

У пользователей модулей SIM900R, возможно, возникнет вопрос — совместимы ли программно модули SIM800 и SIM800H с SIM900R и не придется ли переписывать ранее отлаженный код. Модули серии 800х разработаны с учетом архитектуры и принципов работы 900-й серии. Да, в 800-й серии имеются АТ-команды, свойственные только ей, но бóльшая часть команд полностью совпадает с системой команд 900-й серии. К примеру, те, кто использует в модулях SIM900R функции, TCP/IP, voice/data call и SMS, не заметят разницы в поведении модулей SIM900R, SIM800 и SIM800H. Но поскольку применение модулей SIM800 и SIM800H обуславливается, скорее, наличием в них дополнительных функций, то доработка кода все же будет неизбежна и вопрос о программной совместимости лежит в плоскости удобства и легкости освоения 800-й серии.

Общие сведения об Embedded AT

Как было сказано, EAT позволяет интегрировать Си-код пользователя в программный код модуля. Эта возможность обеспечивается архитектурой специальной версии ПО модуля (стандартное ПО не поддерживает EAT). Принцип взаимодействия пользовательского кода и ядра ПО модуля схематически изображен на рис. 2.

Рис. 2. Структура взаимодействия пользовательского кода и ядра ПО модуля

Для взаимодействия пользовательского Си-кода с ядром ПО модуля от SIMCom Wireless Solutions предоставляются API (Application Programming Interface, «программный интерфейс приложения»), которые дают доступ к ресурсам модуля, таким как:

• 1,5 Mбайт памяти программы и данных;
• 500 кбайт оперативной памяти;
• 29 GPIO, 5 GPIO с функцией прерывания;
• 16 таймеров;
• 1 SPI;
• 1 PWM;
• 2 UART;
• 1 USB;
• 1 ADC;
• интерфейс клавиатуры 5×5;
• системные API.

Полный список доступных ресурсов и API зависит от версии СПО с поддержкой EAT.

Разработчик должен знать, что в EAT для локальных переменных выделяется максимум 50 кбайт памяти, при этом размер необходимого объема памяти должен быть предопределен. Это следует учитывать при написании собственных Си-функций.

Минимальный код EAT

Рассмотрим пример минимального пользовательского Си-кода:

{

            EatEvent_st event;

            while(1)

            {

                        eat_get_event(&event);

                        switch(event.event)

                        {

                                   ...

                        }

            }

}

Здесь app_main — это точка входа, с которой начинается пользовательская программа, а eat_get_event — интерфейс для получения событий от ядра ПО модуля. Пользовательский код выполняется в цикле while и должен вызывать API-функции, параллельно отслеживая события, которые посылает ядро.

Обычно программисту приходится работать с платой, на которой отдельно стоят GSM-модуль и микроконтроллер (MCU), управляющий GSM-модулем при помощи АТ-команд [2]. А в случае с EAT у него возникнет вопрос, как слать GSM-модулю команды и как обрабатывать его ответы. На рис. 3 показан пример, поясняющий, как это можно реализовать в EAT по аналогии с классической архитектурой (раздельный MCU и GSM-модуль).

Рис. 3. Принцип работы классической архитектуры (слева) и EAT (справа)

Видно, что пользовательское ПО по отношению к ядру EAT следует рассматривать как ПО внешнего MCU. Все, что изменится при миграции ПО из внешнего MCU в GSM-модуль, — это синтаксис обращения к ядру EAT и интерпретация результатов. Для пояснения принципа обработки АТ-команды ядром приведен пример простейшего кода:

void app_main(void)

{

            …

            Eat_modem_write(“AT+CSQ\r”,strlen(“AT+CSQ\r”)); // Шлем АТ-команду

            while(TRUE)

            {

                        eat_get_event(&event);

                        switch (event.event)

                        {

                                   case EAT_EVENT_MDM_READY_RD: // При получении ответа от модуля получим индикатор события EAT_EVENT_MDM_READY_RD

                                   {

                                               Progress(); // обрабатываем ответ модуля

                                   }

                                   case …

                        }

            }

}

Таймеры EAT

Многие программы имеют нелинейный алгоритм исполнения последовательности действий, и для реализации такого поведения программ применяют таймеры, встроенные в MCU. В EAT также реализованы два типа таймеров — программный (eat_timer_start) и аппаратный (eat_gpt_start) (рис. 4).

Рис. 4. Пояснение разницы между программным и аппаратным таймерами

Когда программный таймер переполняется, ядро пошлет пользовательскому ПО сообщение «EAT_EVENT_TIMER». Пользовательское ПО должно его «отловить» в цикле главной функции app_main. А когда переполнится аппаратный таймер, ядро вызовет callback-функцию. При этом важно, чтобы код внутри callback-функции имел короткий цикл исполнения. Недопустимо, чтобы в ней были заключены блокирующие события, такие как режим сна, ожидание освобождения семафора, работа с памятью и т. п.

Внешние интерфейсы EAT

Рассмотрим примеры работы с некоторыми внешними интерфейсами, такими как GPIO, SPI и UART (например, в SIM800H). В таблице 3 приведены расположения выводов модуля SIM800H с указанием соответствующих ролей: PIN No и Pin name — схемотехнический номер и название выводов модуля, EAT pin name и EAT function — программное название вывода и ее функция.

Как видно, многие выводы модуля имеют универсальное назначение. Так, вывод 69 в EAT может быть настроен как GPIO, источник внешнего аппаратного прерывания или вывод PWM. Далее покажем на примерах запись/чтение логических уровней порта и обработку прерываний.

Пример 1 (запись логических уровней):

eat_pin_set_mode(EAT_PIN69_UART1_DTR,EAT_PIN_MODE_GPIO); // Настроить вывод 69 как вывод GPIO

eat_gpio_setup(EAT_PIN69_UART1_DTR,EAT_GPIO_DIR_OUTPUT, EAT_GPIO_LEVEL_HIGH); // Вывести на вывод 69 высокий логический уровень

eat_gpio_setup(EAT_PIN69_UART1_DTR,EAT_GPIO_DIR_OUTPUT, EAT_GPIO_LEVEL_LOW); // Вывести на вывод 69 низкий логический уровень

Пример 2 (чтение логического уровня):

eat_pin_set_mode(EAT_PIN69_UART1_DTR,EAT_PIN_MODE_GPIO); // Настроить вывод 69 как вывод GPIO

eat_gpio_setup(EAT_PIN69_UART1_DTR, EAT_GPIO_DIR_INPUT,0); // Настроить вывод 69 как вход

eat_gpio_read(EAT_PIN69_UART1_DTR); // вернет значение EAT_GPIO_LEVEL_LOW или EAT_GPIO_LEVEL_HIGH

Пример 3 (прерывание):

void test_handler_int(EatInt_st *interrupt) // объявляем обработчик прерывания

{

            if(interrupt->level)

            {

                        //ветка программы, когда уровень на выводе 69 высокий

            }else

            {

                        //ветка программы, когда уровень на выводе 69 высокий

            }

}

eat_pin_set_mode(EAT_PIN69_UART1_DTR,EAT_PIN_MODE_EINT); // Настроить вывод 69 как источник прерываний

eat_int_setup(EAT_PIN69_UART1_DTR, EAT_INT_TRIGGER_RISING_EDGE, 10, test_handler_int); // Прерывания по нарастающему фронту с игнорированием эффекта «дребезга» на контакте в 100 мс. При срабатывании прерывания будет вызываться callback-функция test_handler_int.

 
 

Если вместо callback-функции ввести значение «NULL», то ядро будет сообщать о событии «EAT_EVENT_INT», которое нужно будет «отловить» в цикле функции app_main.

Выводы 33, 34, 74, 75 могут быть настроены на функцию SPI. Поддерживается: трех- и четырехпроводной SPI; тактовый сигнал 13/26/52 МГц, слова в 8/9/16/24/32 бита. Ниже приведены API-функции для работы с SPI:

• eat_spi_init (EAT_SPI_CLK_13M, EAT_SPI_4WIRE,EAT_SPI_BIT8, EAT_FALSE, EAT_TRUE) — настройкаSPI-интерфейса.
• eat_spi_write (data, len, is_command) — запись: <data> — указательнамассивданных; <len> — длинаданных; <is_command> — признакC/D («0» — данные, «1» — команда);
• eat_spie_read (data, len) — чтение: <data> — указатель на массив для входящих данных; <len> — длина читаемых данных.

Модуль SIM800H поддерживает два порта UART. Оба могут быть настроены в режимы AT port/Debug port и Data mode. AT port предполагает работу с UART как с портом, по которому можно осуществлять управление модулем при помощи АТ-команд, как со стандартным GSM-модулем. Debug port позволяет снимать диагностическую информацию, которая поможет отследить проблемы, связанные с работой ядра и пользовательского кода. При этом важно учесть, что эти два режима не могут быть назначены UART-порту дважды в одном коде программы. Они должны быть назначены только один раз при инициализации программы.

Data Mode — наверное, самый интересный режим для пользователя, поскольку он дает доступ ко внешним (по отношению к модулю) устройствам. В этом режиме через порт UART можно посылать и принимать данные любого формата. Этот режим не может быть назначен порту, если ранее ему был назначен режим AT port или Debug port.

Рассмотрим API-функции для работы с UART:

• eat_uart_open (EAT_UART_NULL) — отменить ранее назначенный режим AT port или Debug port.
• eat_uart_open (EAT_UART_1) — открытьпорт
• eat_uart_write (EAT_UART_1,buffer, len) — послатьданныеизмассиваbuffer длиной
• eat_uart_read (UART,*buffer, len) — прочитатьданныедлинойlen изUART вмассив Функция возвращает реальную длину прочитанных данных.

Для применения этих API-функций нужно понимать принцип работы с UART-портом. Его хорошо поясняет рис. 5. Пользовательское ПО (APP) шлет данные в буфер UART-порта (2 кбит), которые будут высланы вовне из порта UART и ждет (если нужно) ответных данных, приходящих извне в порт UART, отслеживая индикатор события EAT_EVENT_UART_READY_RD в цикле функции app_main. Когда индикатор сообщает о приходе данных, они должны быть прочитаны пользовательским ПО из буфера UART.

Рис. 5. Принцип работы с портом UART

Прочие API-функции

Выше по тексту был приведен не полный перечень примеров применения API-функций. Актуальный список API-функций и соответствующую документацию для того или иного ПО модуля следует запрашивать у службы технической поддержки [2] или официального представителя компании SIMCom Wireless Solutions. По запросу будут высланы примеры Си-кодов и демо-проект Eclipse для интеграции в среду разработки.

Отладочное средство

Рис. 6. Отладочное средство SIM800H-EVM для модуля SIM800H

Рассмотрим, при помощи каких средств и в какой последовательности можно будет скомпилировать код в бинарный файл, записать его в память модуля и отладить в реальности на примере SIM800H.

Для первичного изучения EAT и отладки кода может помочь отладочный набор SIM800H-EVM (рис. 6). В его состав входит все необходимое: основная плата, модуль SIM800H на мезонине, сетевой адаптер питания, антенна GSM, кабель USB-RS232 с переходником и CD-диском с USB-драйвером, USB-кабель, аудиогарнитура.

Запись ПО в модуль осуществляется посредством UART- или USB-порта. Для этих целей существуют специальные утилиты и драйвер USB для ОС Windows. Более удобным и предпочтительным способом записи ПО в модуль будет применение USB-порта, поскольку UART удобно использовать для отладочных целей или он может быть задействован в целевом приложении, скажем, для работы с каким-нибудь датчиком.

В конечной плате USB-интерфейс должен быть подключен, как показано на рис. 7.

Рис. 7. Схема подключения USB-интерфейса

После подключения модуля к порту USB и установки USB-драйвера (поддерживаются OS Windows 98SE/ME/2000/XP/Vista/7) он должен определиться в диспетчере устройств как MTK USB Port (COMXX) (XX — произвольный номер COM-порта). Для работы USB-интерфейса не обязательно запускать модуль сигналом POWER KEY, главное, чтобы на вывод модуля Vbat было подано питающее напряжение.

Программное обеспечение для разработки EAT-приложений

Определившись с аппаратной частью, можно приступать к установке и настройке ПО для разработки EAT-приложений, которое можно запросить у локального дистрибьютора или у службы технической поддержки SIMCom Wireless Solutions [2].

При подготовке данной статьи применялся следующий набор программных продуктов:

• RealView Development Suite v3. 1 сосредойразработкиEclipse [1];
• SIM800H_EAT_140516_ECLIPSE, пример проекта под среду Eclipse [2];
• 01, программа для записи ПО в память программ модуля [2];
• 1032, USB-драйвервиртуальногоCOM-порта[2].

После того как среда Eclipse будет установлена, можно воспользоваться готовым примером проекта, импортировав его, как показано на рис. 8.

Рис. 8. Импорт примера проекта

После нажатия кнопки Finish (рис. 8д) нужно очистить проект (рис. 9).

Рис. 9. Очистка проекта

После всего проделанного вы увидите окно проекта (рис. 10). Теперь код примера проекта можно модифицировать и компилировать при помощи интерфейса среды разработки.

Рис. 10. Окно среды разработки Eclipse с загруженным примером проекта

Окно среды разработки имеет несколько внутренних окон, имеющих различное назначение. Основным является окно текстового редактора, в котором собственно и пишется Си-код программы. Кстати, надо отметить, что редактор умеет классифицировать текст по содержанию и окрашивать его участки в различные цвета, автоматически выделять начало и конец функций и т. д. Это значительно упрощает процесс написания кода и анализ его текста.

Левее от текстового редактора расположен навигатор по проекту, в котором «под рукой» у программиста структура всех файлов, причастных к проекту, включая исходные файлы, бинарный файл ядра, документация, результаты компиляции и проч. Здесь же можно найти руководство программиста с подробным описанием архитектуры EAT и доступных API-функций модуля.

Подробнее о работе Eclipse можно ознакомиться на сайте www.eclipse.org/platform, а мы покажем, как создать свое ПО и записать его в модуль.

Для компиляции кода нужно пройти по меню Project->Build All, при этом в нижнем консольном окне не должно быть ошибок компиляции, иначе компилятор не создаст результат проекта — бинарный файл EAT, который можно записать в модуль.

Запись бинарного файла EAT в память программ модуля

Для загрузки бинарного файла EAT в модуль потребуется программа SIMCom_SIM800H_EAT_flash_Tool (рис. 11).

Рис. 11. Окно программы SIMCom_SIM800H_EAT_flash_Tool для загрузки бинарного файла EAT в GSM-модуль

Модуль SIM800H позволяет загружать ПО через интерфейс USB или UART. В качестве интерфейса для загрузки пользовательского ПО выберем USB. Для этого настроим соответствующим образом программу SIMCom_SIM800H_EAT_flash_Tool.exe, пройдя по меню Options->USB Download/Readback. Также потребуется стереть содержимое FAT-модуля, а для этого пройдем по меню Options->Format FAT (Auto)->Format FAT->OK.

Укажем путь к пользовательскому ПО, к файлу SIM800H32_EAT.cfg, нажав кнопку Scatter/Config File. Он должен быть расположен в директории, где расположен проект (указывался при создании проекта), а в данном примере путь такой: C:\Documents and Settings\Administrator\workspace\SIM800H_EAT_140516_ECLIPSE\core\SIM800H32_EMBEDDEDAT\. Окно программы при этом должно выглядеть так, как на рис. 12.

Рис. 12. Окно программы SIMCom_SIM800H_EAT_flash_Tool после настройки

Далее:

• Готовим отладочное средство (см. рис. 6), подав питание 5 В от сетевого адаптера, предварительно установив переключатели POWER в состояние «ON», DOWNLOAD — в состояние «OFF».
• Подключаем SIM800H к ПК через кабель USB, при этом потребуется установка USB-драйвера виртуального COM-порта MS_USB_ComPort_Driver_exe_v1.1032.
• Устанавливаем переключатель POWER в состояние «OFF», а DOWNLOAD — «ON».
• Нажимаем в окне программы кнопку Download.
• Переводим переключатель POWER обратно в состояние «ON», при этом начнется процесс загрузки ПО, по окончании которого появится окно (рис. 13).

Рис. 13. Окно программы SIMCom_SIM800H_EAT_flash_Tool после успешной загрузки пользовательского ПО в модуль

Теперь ресурсы модуля SIM800H находятся в полном распоряжении пользовательского кода. После того как пользовательский код будет полностью отлажен и протестирован «в полях», у разработчика возникнет вопрос, как организовать массовое производство устройств с модулем SIM800H. Первой мыслью будет производить загрузку ПО в модуль на производстве после монтажа модулей на плату, но есть и другой вариант. Компания SIMComWireless Solutions предоставляет возможность по предварительной договоренности производить и поставлять через локальных дистрибьюторов модули с загруженным на заводе пользовательским ПО. Такая модель работы возможна при условии подписания соответствующего соглашения о неразглашении, которое в большей степени защищает разработчика ПО от несанкционированного распространения интеллектуальной собственности, что для SIMCom Wireless Solutions является важным аспектом в работе с клиентами по всему миру.

В данной статье было подробно рассказано о технологии Embedded AT, которая открывает для разработчика новые возможности для миниатюризации и удешевления текущих разработок с применением GSM-модулей сотовой связи. В статье не только объясняются теоретические идеи технологии Embedded AT, но и детально на практических примерах показан порядок работы с сопутствующим программным обеспечением для создания пользовательского ПО и его загрузки в GSM-модуль SIM800H. Следуя указаниям, приведенным в данной статье, разработчик сможет максимально быстро начать работу и оценить удобство и функциональность такого решения, как Embedded AT.