实现高效的GPRS驱动程序

Posted 2020-09-09 啊哈彭

1. 引言

    用过几款GPRS模块，也从淘宝上买过多个GPRS模块，一般的都会送一个驱动程序和使用demo，但是代码质量都较低。

    回头看了下几年前使用的GPRS代码，从今天的角度来看，也就是买模块赠送一个免费demo的那种水平，甚是汗颜。

    GPRS模块驱动主要是串口驱动，其本质是字符串处理，本文就从对比下几种常见的驱动方式。

 

2. 版本1--初学者的驱动

    思路：

　　1. 串口接收使用中断，收到数据放到全局buffer。

　　2. 发送前清空接收buffer。

　　3. 拼接字符串，然后从串口发送出去。

　　4. 设定一个等待时间，然后while(1)不停的查看接收buffer里面是否有需要的字符串出现，即是否得到需要的响应。

　　5. 初始化过程使用一个简单的状态机轮转，一步通过再进行下一步。

   下面是一个我曾经用过的例子，问题很明显：

　　1. 难维护，函数耦合度太高，简单的堆功能，功能模块没有划分。

　　2. 低效，发送需要CPU停下来一个一个字符的发送，接收还要延时一段时间等待GPRS模块回复足够多的数据。

　　3. 接收buffer只是简单的共享全局变量，没有双buffer切换也没有读写互斥。

　　   比如每次发送前清空buffer然后发送命令，用来判别此次接收都是对本次发送的命令的响应。

　　4. 不能精细控制，AT指令响应检查全部放到一个函数里面处理，必然造成有些AT响应的回复无法区分对应哪个指令。

 

网络连接的驱动：

...// 这一句是嵌在应用户代码中
while(gprs_start==0)       //未连接
{
    gprs_start=gprs_conduct();
}
......

//---------------------------------------------------------
//函数名称：void gprs_connect(void)
//函数功能：配置socket
//输入参数：无
//返回参数：返回0 表示还没完成注册，返回1表示完成所有连接
//---------------------------------------------------------
uint8_t gprs_connect(uint8_t *ascData, uint8_t len)
{
    uint8_t num,GPRS_Connect=0;
    char strBuf[20];
    memset(strBuf,0x00,sizeof(strBuf));
    
    if (gprs_mgr.stat == GPRS_GET_CSQ)                // 查询信号强度
    {
        if (gprs_get_csq() > 15)
            gprs_mgr.stat = GPRS_WAIT_REGNET;
            delay_ms(1000);
            printf("gprs_mgr.stat = GPRS_GET_CSQ");

    }
    else if (gprs_mgr.stat == GPRS_WAIT_REGNET)        // 等待注册到网络
    {
        if (!gprs_reg_network())
            gprs_mgr.stat = GPRS_CONFIG_PARA;
            delay_ms(2000);
            printf("gprs_mgr.stat = GPRS_WAIT_REGNET");
    }
    else if (gprs_mgr.stat == GPRS_CONFIG_PARA)        // 配置通信参数
    {
        if (!gprs_config_para())
            gprs_mgr.stat = GPRS_CONFIG_SOCKET;
            delay_ms(1000);
            printf("gprs_mgr.stat = GPRS_CONFIG_PARA;");
    }
    else if (gprs_mgr.stat == GPRS_CONFIG_SOCKET)    // 配置socket
    {
        if (!gprs_config_socket())                    //0 sucess
            gprs_mgr.stat = GPRS_DATA_RW;
        else                                          //不成功可能由于服务器端口被占用，
        {
            gprs_send_cmd("AT%IPCLOSE=1\r\n");
            for(num=0;num<5;num++)
            {
                delay_ms(1000);
            }
        }
        delay_ms(1000);
        printf("gprs_mgr.stat = GPRS_CONFIG_SOCKET;");

    }
    else if (gprs_mgr.stat == GPRS_DATA_RW)            // 数据读写
    {
        GPRS_Connect=1;
        sprintf(strBuf,"AT+CIPSEND=%d\r\n",len+4);
        gprs_send_cmd(strBuf);
        gprs_write_data(ascData);
        delay_ms(1000);
        printf("GPRS_DATA_RW;");
        gprs_send_cmd("AT+CIPCLOSE\r\n");
        printf("disconnect grps;");
        gprs_mgr.stat = GPRS_GET_CSQ;
    }
    return     GPRS_Connect;
}

发送函数，串口输出加上查询式解析：

//---------------------------------------------------------
// 函数名称：uint8 gprs_send_cmd(char* pcmd)
// 函数功能：gprs命令字发送函数
// 输入参数： pcmd,要发送的命令
// 返回参数：
//           0   ,命令发送成功
//           1   ,命令发送失败
//---------------------------------------------------------
uint8_t gprs_send_cmd(char* pcmd)
{
    uint16_t i;
    uint8_t ret=0, *GSM_ReturnInfo;        
    memset(GSM_info, 0, sizeof(GSM_info));      // 清除串口缓冲区
    GSM_Info_CNT=0;                             // 清除串口接收计数
    debug_print(pcmd);                         //发送的命令，调试输出                   

    while(*pcmd)                              // 发送命令
    {
        while(USART_GetFlagStatus(GPRS_USART, USART_FLAG_TXE)==0);
        USART_SendData(GPRS_USART, *pcmd++); 
    }

    delay_ms(1000);    
    GSM_ReturnInfo=GPRS_Get_Info();
    for (i = 0; i < 15; i++)                  //15s 等待
    {
        delay_ms(500);

        if (strstr(GSM_ReturnInfo, "OK"))            // 命令发送成功
        {
            ret = 0;
            break;
        }
        else if (strstr(GSM_ReturnInfo, "CONNECT"))
        {
            ret = 0;
            break;
        }
        else if (strstr(GSM_ReturnInfo, "ERROR"))    // 命令发送失败
        {
            ret = 1;
            break;
        }
        else
            ret = 1;
        
        delay_ms(500);
    }
    debug_print(GSM_ReturnInfo);                            // 打印调试信息

    return ret;
}

 

3. 版本2--有模块化思想的驱动

　　大体流程和第一种差别不大，但是在几个关键点上有巨大改进，比如函数的模块化和中断的使用。

　　1. 发送和接收都用中断提高效率，不再使用查询方式。

　　2. 拼凑发送字符串处理和串口数据发送过程分开。

　　3. 初步的异常处理，如断线重连、重启等。

   比上一版本进化很多，但是也有问题：

　　1. 模块已经划分，但是在逻辑层次上区分不明显，如下面例子中的发送的AT指令的响应处理，就和发送函数混在一起。

　　2.全局变量问题，比如记录GPRS模块当前状态标识，可以多处进行修改。

 

比较独立的功能做一定的提取，比如注册网络、SIM卡检查等功能函数封装起来。

uint8_t gprs_reg_network(void)
{
    uint8_t ret, *uart_buf;

    ret = gprs_send_cmd("AT+CGREG?\r\n");
    if (ret == 0)                                //命令发送成功
    {    
        uart_buf = get_gprs_rsp();

        ret = 1;
        if (strstr(uart_buf, "+CGREG: 0,5"))    // 已注册,本地网
            ret = 0;
        if (strstr(uart_buf, "+CGREG: 1,5"))    // 已注册,本地网
            ret = 0;    
        if (strstr(uart_buf, "+CGREG: 0,1"))    // 已注册,漫游
            ret = 0;
        if (strstr(uart_buf, "+CGREG: 1,1"))    // 已注册,漫游
            ret = 0;
        return ret;
    }
    else
        return 1;
}

或者接收响应的buffer不使用全局变量，而在发送函数参数中直接传入接收数组指针。

int　gprs_check_sim(void)
{
    int err = 0;
    int retry = 0；
    char rsp_buf[100];
    
    do{
        err = gprs_send_atcmd("AT+CPIN?\r\n",rsp_buf,"+CPIN:");
        if(strstr(rsp_buf,"+CPIN: READY")== 0){
            GPRS_Status = IN_NO_SIM;
            break ;
        }if(retry++ > 2){
            err = E_TIMEOUT ;
            break ;
        }
    }while(err != E_OK);
    
    return err ;
}

 

4. 版本3--按逻辑层次划分功能

　　分两个层次来实现需求，先是逻辑层次划分功能，然后在具体是实现层次按照功能单一原则编码。

　　该方法可以用在产品中，驱动代码的思路清晰，高效且易维护。

　　1. 使用RTOS来，提升CPU利用率，尤其是等待AT指令回复的过程中，系统可以执行其他任务。

　　2. GPRS操作的本质是写字符串（发AT指令），然后读回复的字符串（读指令响应），那么可以从这个角度来设计驱动。

      3. 屏蔽硬件细节，在写GPRS驱动和逻辑处理的过程中，硬件读写都抽象成一个字符处理函数。

 

例1：查询SIM卡，发送AT指令，然后等待接收响应字符串。

函数接口就负责填充期待的字符串，如果指定时间内没等到字符串出现就认为出错，具体怎么发出去怎么收到回复都是更加底层的处理。

具体的响应由SIM800_WaitResponse函数来处理，该函数自动匹配指定字符串，参数500是超时时间，如果匹配成功会提前退出，否则等待500ms然后回复超时。

由于使用的Free RTOS，那么该函数不是阻塞性的，不会影响CPU执行其他的任务。如果模块很快响应了指令，那么还可以提前结束超时等待。

/*******************************************************************************
* Function Name  : SIM800_Check_SIM
* Description    : None
* Input          : None
* Output         : None
* Return         : 1-OK, 0-NG
* Attention      : None
*******************************************************************************/

uint8_t SIM800_Check_SIM(void)
{ 
　　uint8_t rtn = 0;

　 SIM800_SendATCmd("AT+CPIN?\r\n");
   if (SIM800_WaitResponse("+CPIN: READY", 500)){
   　　rtn = 1;
　　}

   return rtn;
}

例2：注册GSM网络，发送AT指令，然后等待接收响应字符串。

有些指令回复参数种类较多，如果写成上面的形式可能比较臃肿，可以把接收到的数据先放到buffer，然后从中搜索需要的字符。

SIM800_ReadResponse完成这个功能，但该函数要一直等待直至最大超时时间。

/*******************************************************************************
* Function Name  : SIM800_GsmCheck
* Description    : 检查是否注册到GSM网络
* Input          : None
* Output         : None
* Return         : 1—OK, 0-NG
* Attention      : None
*******************************************************************************/
uint8_t SIM800_GsmCheck(void)
{
    uint8_t rtn = 0;

    SIM800_SendATCmd("AT+CREG?\r\n");
    SIM800_ReadResponse(gprs_rsp_buffer, sizeof(gprs_rsp_buffer), 500);
    if (strstr(gprs_rsp_buffer, "+CREG: 0,1") != NULL)
    {
        rtn = 1;    
    }
    else if (strstr(gprs_rsp_buffer, "+CREG: 0,5") != NULL)
    {
        rtn = 1;
    }
    else rtn = 0;
    
    vTaskDelay(200);
    return rtn; 
}

例3：AT指令的发送，不需要等待硬件的响应，启动硬件发送标识即可，具体发送由中断或DMA去操作，代码更加高效。

剩下的发送和接收都是CPU硬件操作，在这一层次CPU并不识别数据的含义，仅是把数据从串口输出或读入。

/*******************************************************************************
* Function Name  : SIM800_SendATCmd
* Description    : None
* Input          : _ucaBuf
* Output         : None
* Return         : None
* Attention      : 向GSM模块发送AT命令。 命令需要自己加上<CR>字符
*******************************************************************************/
void SIM800_SendATCmd(const uint8_t *_ucaBuf)
{
    SIM800_PrintRxData(_ucaBuf);
    gprs_msg.msgPtr =  (uint8_t *)(_ucaBuf);
    gprs_msg.maxLen = strlen(_ucaBuf);
    gprs_msg.length = 0;
    Gprs_UART_TX(ON);
}

/*******************************************************************************
* Function Name  : Gprs_UART_TX_Mode
* Description    : Configure uart TX irq on/off
* Input          : None
* Output         : None
* Return         : None
* Attention         : 1=ON, 0=OFF.
*******************************************************************************/
void Gprs_UART_TX(uint8_t flag)
{
    if(ON == flag)
    {
        UART_Tx_IRQ_Enable(TRUE);
    }
    else if(OFF == flag)
    {
        UART_Tx_IRQ_Enable(FALSE);
    }
}

 例4：如果模块已经连接到服务器，那么需要应用数据的发送。

常见的过程分3步：

1）应用数据预处理打包；

2）GPRS模块发送数据可能需要一个特殊的指令来启动，作用是告诉模块，下面发过来的是用户数据，不是控制字了；

3）启动数据包发送（实际是初始化发送过程逻辑控制相关的标志和启动硬件发送标志）。

下面驱动函数处理了用户数据的发送，在发送AT+CIPSEND后，2s内收到">" 回复就可以开始发送数据。

/*******************************************************************************
* Function Name  : SIM800_Send
* Description    : None
* Input          : gprs_package
* Output         : None
* Return         : None
* Attention      : None
*******************************************************************************/
uint8_t SIM800_Send(uint8_t  *gprs_package)
{
    uint8_t cmd[20]="AT+CIPSEND\r\n"; //启动数据发送AT指令
    uint8_t write_len;
    uint8_t rtn = 0;
    
    write_len  = strlen(gprs_package); 
    if(write_len>1500){
        DEBUG_PrintRxData("Data length error"); 
        return 0;
    }
        
    SIM800_SendATCmd(cmd);
    if (SIM800_WaitResponse(">", 2000) == 0) // 启动发送应用数据失败
    {
        DEBUG_PrintRxData("CIPSEND failed");
        return 0;
    }
    
    SIM800_SendPackage(gprs_package, write_len);// 开始接收收据
    if (SIM800_WaitResponse("SEND OK", 5000)){
        DEBUG_PrintRxData("get SEND OK");
        return 1;
    }
    else{
        DEBUG_PrintRxData("not get SEND OK");
        return 0;
    }
}

/*******************************************************************************
* Function Name  : SIM800_SendPackage
* Description    : None
* Input          : 待发送的数据的指针和数据长度
* Output         : None
* Return         : None
* Attention      : None
*******************************************************************************/
void SIM800_SendPackage(const uint8_t *_ucaBuf, uint8_t len)
{
    SIM800_PrintRxData(_ucaBuf);
    gprs_msg.msgPtr =  (uint8_t *)(_ucaBuf);
    gprs_msg.maxLen = len;
    gprs_msg.length = 0;
    Gprs_UART_TX(ON);
}