数据终端设备与无线通信模块之间串行通信链路复用协议（TS27.010）在嵌入式系统上的开发【转】1. ＴＳ２７．０１０协议介绍 2. Ｗａｖｅｃｏｍ ＧＳＭ／ＧＰＲＳ模块Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ协议介绍 3. Ｌｉｎｕｘ下串口通信系统的组成 4. Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ协议的实现

<a href="http://blog.csdn.net/hellolwl/article/details/6164449#t0">协议介绍</a>

<a href="http://blog.csdn.net/hellolwl/article/details/6164449#t1">模块协议介绍</a>

<a href="http://blog.csdn.net/hellolwl/article/details/6164449#t2">1            命令包格式</a>

<a href="http://blog.csdn.net/hellolwl/article/details/6164449#t3">2            数据包格式</a>

<a href="http://blog.csdn.net/hellolwl/article/details/6164449#t4">下串口通信系统的组成</a>

<a href="http://blog.csdn.net/hellolwl/article/details/6164449#t5">协议的实现</a>

<a href="http://blog.csdn.net/hellolwl/article/details/6164449#t6">1            协议实现时的考虑</a>

<a href="http://blog.csdn.net/hellolwl/article/details/6164449#t7">2            的实现方案</a>

<a href="http://blog.csdn.net/hellolwl/article/details/6164449#t8">3            复用协议特殊情况的处理</a>

关键词： TS27.010 串行链路复用 GPRS移动终端 嵌入式 Linux

随 着移动通信技术的迅速发展，具备无线通信功能的移动终端也迅速发展起来。这些移动终端支 持普通的话音、短消息等业务，随着ＧＰＲＳ网络覆盖的迅速扩大，越来越多的手持／车载移动终端也开始支持ＧＰＲＳ上网业务。如何在一个终端设备上整合这些 业务，这是许多移动终端设备开发者面对的问题。笔者在开发一款车载移动终端过程中，采用了３ＧＰＰ的ＴＳ ２７．０１０协议，成功地整合了这些业务。

在常用的ＧＳＭ／ＧＰＲＳ通信模块中（如Ｓｉｅｍｅｎｓ的ＭＣ３５、ＷａｖｅＣｏｍ的 Ｑ２４００等），只能通过一个普通９针的异步串口

与终端设备ＴＥ（Ｔｅｒｍｉｎａｌ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ）进行通信。ＴＥ和ＭＳ

?穴Ｍｏｂｉｌｅ Ｓｔａｔｉｏｎ

?雪需要通过这个串口交换各种类型的数据

，例如：语音、传真、数据、ＳＭＳ、ＣＢＳ、电话号码本的维护、电池状态、ＧＰＲＳ、ＵＳＳＤ等。 如何在一个串口上同时支持这么多的业务？例如，在数据通信过程中，怎样发送或接收ＳＭＳ？为了解决这些问题，３ＧＰＰ提出了一个协议

——ＴＳ２７．０１０

协议（Ｔｅｒｍｉｎａｌ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｔｏ Ｍｏｂｉｌｅ Ｓｔａｔｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ

Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）。有了Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ，即使在数据连接过程中，也可以发送ＳＭＳ。其它业务组合也可以同时进行。例如，数字语音和ＳＭＳ同时发

送。Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ的存在使得一个完整的系统能够根据需要进行划分。

３ＧＰＰ

的Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ设计非常灵活，并且独立于ＭＳ／ＴＥ平台，已有的应用程序不需要改动即可工作。在设计Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ时，特别考虑到采用

电池供电的设备的需求，所以包含了省电模式控制等很重要的功能，并且Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ本身在运行时也尽量使用最小的功耗和内存。

Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ 基于ＩＳＯ的ＨＤＬＣ标准设计

，

工作于有多种选项的单模式下。但是Ｂａｓｉｃ

Ｏｐｔｉｏｎ并不遵从ＨＤＬＣ。在基本选项模式下，Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ没有透明机制，也没有错误恢复功能。但是在高级选项（Ａｄｖａｎｃｅｄ

Ｏｐｔｉｏｎ）模式下，使用ＨＤＬＣ的透明机制，且Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ有一个方便的再同步机制，能够在ＤＣ１／ＤＣ３（ＸＯＮ／ＸＯＦＦ）流控打开的

链路上工作，且包含了错误恢复功能。

３ＧＰＰ的Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ依赖于一个控制信道。在这个控制信道上，ＴＥ和ＭＳ交换控制信息，例如参数协商、节电控制信息、流控信息等。Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ是一个可选项，如果支持这个功能，就应使用ＡＴ＋ＣＭＵＸ命令激活它。

Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ为ＴＥ和ＭＳ在一个起始／停止模式的、具有分帧功能的串行链路上传 输数据流提供了一套机制。图１给出了不同的协议层及其功能示意。Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ层负责将数据按字节流的方式传输

，不再进行进一步的组帧；如果数据 需要按一定结构传输，就需要增加一个会聚层来完成这些功能。

Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ为ＴＥ上的进程和ＭＳ上相对应的进程提供了一条虚连接，这样ＴＥ和ＭＳ上的进程就可以通过这条虚连接通信。例如，ＴＥ上的ＳＭＳ应用程序可以通过一条Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ通道与ＭＳ上的ＳＭＳ处理程序连接起来。

ＴＳ２７．０１０规范使用８ｂｉｔ字符的ｓｔａｒｔ－ｓｔｏｐ传输模式，两个 Ｍｕｌｉｔｐｌｅｘｅｒ实体间的通信使用了规定的帧格式。ＴＥ和ＭＳ之间的每个信道称为一条数据链路连接ＤＬＣ（Ｄａｔａ Ｌｉｎｋ Ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ）

，这些ＤＬＣ被依次独立地建立起来。每个ＤＬＣ都可以有自己的流控机制。

Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ有三种工作模式：Ｂａｓｉｃ、Ａｄｖａｎｃｅｄ ｗｉｔｈｏｕｔ ｅｒｒｏｒ ｒｅｃｏｖｅｒｙ和Ａｄｖａｎｃｅｄ ｗｉｔｈ ｅｒｒｏｒ ｒｅｃｏｖｅｒｙ

。这三种模式特点如下：

·Ｂａｓｉｃ：长度标识代替ＨＤＬＣ的透明机制；使用与ＨＤＬＣ不同的标志字；不能用于具有ＸＯＮ／ＸＯＦＦ流控的链路；从同步丢失状态中恢复需要更长的时间。

·Ａｄｖａｎｃｅｄ ｗｉｔｈｏｕｔ ｅｒｒｏｒ ｒｅｃｏｖｅｒｙ：遵从ＩＳＯ／ＩＥＣ１３２３９的异步ＨＤＬＣ过程；可以用于具备ＸＯＮ／ＸＯＦＦ流控的链路上；可以更快地从失同步状态恢复。

·Ａｄｖａｎｃｅｄ ｗｉｔｈ ｅｒｒｏｒ ｒｅｃｏｖｅｒｙ：使用了ＨＤＬＣ的错误恢复过程。

笔者选用了Ｗａｖｅｃｏｍ的Ｑ２４０３Ａ，这是一款Ｅ－ＧＳＭ／ＧＰＲＳ ９００／１８００的双频模块。这个模块支持大部分常用的ＡＴ命令，但不支持标准的ＴＳ２７．０１０协议。为了能够数据／命令复用，Ｗａｖｅｃｏｍ定义了自己的ｍｕｌｔｉｐｌｅｘ协议。

Ｗａｖｅｃｏｍ的复用协议允许一条串行链路上同时进行两个会话（即虚连接）：一个ＡＴ命令的会话和一个数据通信的会话。ＡＴ＋ＷＭＵＸ＝１将激活模块的复用模式。在这种模式下，ＡＴ命令和数据都被封装成数据包。通过包头，可以区分是数据包还是ＡＴ命令包。

ＡＴ命令包帧格式如图２所示。第一个字节（０ｘＡＡ）用于标识这是一个命令包，第二个字节 是ＡＴ命令长度的低八位。第三个字节由两部分组成：低３位是ＡＴ命令长度的高３位；高３位用于标识一个ＡＴ命令。ＡＴ命令的最大长度可以为２０４７字节。 校验和

?穴ｃｈｅｃｋｓｕｍ

?雪是包中所有字节（包括头和ＡＴ命令）之和对２５６取模。

数据包各个字段（除ｐａｃｋｅｔ ｔｙｐｅ外）意义与ＡＴ命令包相同，其帧格式如图３所示。数据包有以下几种类型：

·Ｔｙｐｅ＝０

——ＤＡＴＡ 包：这个包是发送到无线链路上或者从无线链路上接收到的数据

·Ｔｙｐｅ＝１

——ＳＴＡＴＵＳ包：这个包给出了ＳＡ、ＳＢ、Ｘ和中断条件编码的信息。

状态包的长度总为１字节。任何一个状态（除了ｂｒｅａｋ）改变时，所有的状态位都要发送出去。缺省情况下，所有的状态位都是关闭的（因此ＤＴＲ、ＲＴＳ都是关闭的），所以在打开复用开关准备传送数据之前，一定要发送一个状态包。

·Ｔｙｐｅ＝２

——ＲＥＡＤＹ包：这个包表示发送ＲＥＡＤＹ包的一方可以接收数据了。包中没有数据，所以长度字段为０。

·Ｔｙｐｅ＝３

——ＢＵＳＹ 包：这个包表示发送ＲＥＡＤＹ包的一方忙，无法接收数据。包中没有数据。

要在Ｌｉｎｕｘ系统上实现ＴＳ２７．０１０协议，就必须了解Ｌｉｎｕｘ下串口驱动软件模块的结构。

图４不但给出了

Ｌｉｎｕｘ ｋｅｒｎｅｌ中串口通信模块的组成结构，还形象地表示出了数据是如何在用户和硬件接口之间流动的（笔者使用Ｌｉｎｕｘ

２．４．１９的内核）。从图４可以看到串口通信模块可在逻辑上分为三层：ＴＴＹ层、ｌｉｎｅ

ｄｉｓｃｉｐｌｉｎｅ层和底层驱动层。ＴＴＹ层是用户空间和内核空间的桥梁，用户程序和内核需要通过ｔｔｙ层交换数据；Ｌｏｗ－ｌｅｖｅｌ

ｄｒｉｖｅｒ则负责硬件的交互，它对硬件进行控制和读写操作；ｌｉｎｅ

ｄｉｓｃｉｐｌｉｎｅ层是整个串行通信模块中最灵活、设计最巧妙的一层，它要为一个串行口的使用定下数据交互的

“规程

”，

在Ｌｉｎｕｘ内核中已经存在了许 多ｌｉｎｅ ｄｉｓｃｉｐｌｉｎｅ，例如ＰＰＰ、ＳＬＩＰ、ＴＴＹ等。缺省使用ＴＴＹ ｌｉｎｅ

ｄｉｓｃｉｐｌｉｎｅ。可以根据需要将ｌｉｎｅ ｄｉｓｃｉｐｌｉｎｅ替换成Ｌｉｎｕｘ已经定义的ｌｉｎｅ

ｄｉｓｃｉｐｌｉｎｅ结构，甚至替换为自己的ｌｉｎｅ ｄｉｓｃｉｐｌｉｎｅ结构。

在图４中，向硬

件接口写数据的过程是显而易见的。但是，用户程序从硬件读取数据的过程却要

复杂一些，这是因为硬件与用户空间之间没有直接的联系。解决的办法就是使用缓冲技术，硬件接收数据存储于ｋｅｒｎｅｌ

ｂｕｆｆｅｒ中，等待用户程序请求这些数据；如果用户程序请求数据时，这个ｂｕｆｆｅｒ是空的，那么用户程序就会被挂起，直到ｂｕｆｆｅｒ中有数据时，它

才被唤醒。实际上，ＴＴＹ相关的缓冲是由两级构成的：一个

“常规

”ｂｕｆｆｅｒ（数据等待着ｌｉｎｅ ｄｉｓｃｐｌｉｎｅ取走，缺省情况下传到用户空间）和一个

“ｆｌｉｐ

”ｂｕｆｆｅｒ（硬件驱动函数将底层进来的数据尽可能快地存入这个缓冲，而不必考虑并 发存取问题，因为这个ｂｕｆｆｅｒ是每个硬件驱动专有的）。ｆｌｉｐ ｂｕｆｆｅｒ由两个物理的缓冲实现，并被交替地写入，这样中断处理函数就会总有一个缓冲可用。

Ｌｉｎｕｘ下串

口软件的这种分层结构虽然增加了复杂性，但是它带来的好处是多方面的。第

一，串口模块更加灵活，在为新的串口硬件编写驱动程序时，只需修改和增加最底层的软件即可；第二，上层应用程序可以根据需要改变ｌｉｎｅ

ｄｉｓｃｉｐｌｉｎｅ的处理软件，在使用ＰＰＰ、ＳＬＩＰ等协议进行拨号连接时，都需要将原有的ｌｉｎｅ

ｄｉｓｃｉｐｌｉｎｅ替换为ＰＰＰ或者ＳＬＩＰ协议本身的ｌｉｎｅ ｄｉｓｃｉｐｌｉｎｅ

?鸦第三，可以根据需要，在层与层之间加入一层自己的处理软件。事实上，笔者在实现Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘ协议时正是这样做的。

在实现

ＴＳ２７．０１０协议时，基于以下考虑：第一，使用串口的上层应用程序不需要改动。

这一点很重要，因为系统中有许多用户程序使用串口进行通信。如果需要对它们进行改动，那么由此付出的代价显然是不值得的。在这一点上，尤其需要特别考虑

ＰＰＰ软件，因为在Ｌｉｎｕｘ下通过ＧＰＲＳ上网必须使用ＰＰＰ协议进行拨号。ＰＰＰ存在于用户空间和内核空间两个地方，用户空间的ｐｐｐｄ应用程序完成

拨号连接的管理功能；内核空间的ｐｐｐ协议软件实现ＰＰＰ包的组帧／分帧等核心功能。ＰＰＰ定义了自己的ｌｉｎｅ

ｄｉｓｃｉｐｌｉｎｅ模块，且到此为止，往下就不再有ＰＰＰ相关的软件模块（参看图４的分层结构）。第二，尽可能多地实现ＴＳ２７．０１０协议。虽然这个

协议的内容很丰富，但是由于Ｗａｖｅｃｏｍ通信模块只支持有限的几种格式，并且帧头部分还略有不同。这样实现起来就存在许多困难，只能在保证实现

Ｗａｖｅｃｏｍ复用协议并可靠工作的前提下，尽量实现ＴＳ２７．０１０协议，以便于以后硬件和软件的升级。

正是基于以上两点考虑，决定将这个协议的实现放在Ｌｉｎｅ ｄｉｓｃｉｐｌｉｎｅ和Ｌｏｗ－ｌｅｖｅｌ ｄｒｉｖｅｒ两层之间，参看图５。这样，不需要对Ｌｉｎｕｘ的ＴＣＰ／ＩＰ协议栈软件和ＰＰＰ软件作任何修改，就可以在复用模式下实现原有的无线上网功能。

图５给出了ＭＵＸ模块的函数调用和数据流程。ＴＴＹ Ｌａｙｅｒ、ｌｉｎｅ ｄｉｓｃｉｐｌｉｎｅ和ｓｅｒｉａｌ ｄｒｉｖｅｒ是Ｌｉｎｕｘ ｔｔｙ设备文件系统在内核中已有的三层，在前一节已经介绍。

正如笔者在实现

ＴＳ２７．０１０协议时所考虑的，为了不影响上层应用程序，ＭＵＸ必须支持

标准的Ｌｉｎｕｘ系统调用，如ｗｒｉｔｅ（）、ｒｅａｄ（）、ｉｏｃｔｌ（）等。ｗｒｉｔｅ（）如果成功，则返回发送的字节数；如果失败则返回－１，并将

ｅｒｒｎｏ（Ｌｉｎｕｘ系统下一个全局变量，用户接口可以根据这个值判断错误类型）置为合适的值。正如图５所示，ｗｒｉｔｅ

?穴

?雪并不是将数据直接发送 出去，要发送的数据首先按照ＴＳ２７．０１０协议的要求（笔者使用Ｗａｖｅｃｏｍ模块，它有自己的协议要求）组成ＭＵＸ帧

?熏然后根据数据的优先级排队， 优先级高的数据首先被发送。

同样，对设备

／ｄｅｖ／ｍｕｘＮ（０＜Ｎ＜Ｍ）的标准的Ｌｉｎｕｘ调用ｒｅａｄ（）也不是

由ＭＵＸ直接支持的。ＭＵＸ不会知道一个用户应用程序何时读设备／ｄｅｖ／ｍｕｘＮ（０＜Ｎ＜Ｍ）。ｒｅａｄ（）功能由ＭＵＸ的上层（主要是ＴＴＹ层）支

持。ＭＵＸ根据ＴＳ２７．０１０协议（或者Ｗａｖｅｃｏｍ协议）将物理链路上接收到的ＭＵＸ包解封装，然后将纯数据发送到设备／ｄｅｖ／ｍｕｘＮ（０＜Ｎ

＜Ｍ）的读缓冲区中。如果设备／ｄｅｖ／ｍｕｘＮ（０＜Ｎ＜Ｍ）没有足够的读缓冲空间，ＭＵＸ就会将数据放到自己的接收缓冲区中。

ＴＳ２７．０１０协议时，考虑到Ｗａｖｅｃｏｍ协议的特殊情况，在完全实现

Ｗａｖｅｃｏｍ复用功能的同时，尽可能多地实现ＴＳ２７．０１０协议。由于Ｗａｖｅｃｏｍ只能同时支持两个虚连接，所以这里的Ｍ＝２。其中，

／ｄｅｖ／ｍｕｘ０用于ＡＴ命令，作为控制信息通道；／ｄｅｖ／ｍｕｘ１用于ＰＰＰ连接，作为数据通道。作为Ｗａｖｅｃｏｍ复用协议的一个严重缺陷，从图

２、图３的帧结构可以看到，从串行链路提交来的数据只能区分出是ＡＴ

ｃｏｍｍａｎｄ数据还是ＤＡＴＡ数据，而无法确定链路的信息，即无法确定数据是ｍｕｘ０接收，还是ｍｕｘ１接收。为了解决这个问题，笔者在实现时，将底层

提交的数据同时送给ｍｕｘ０和ｍｕｘ１（如果这两个设备都已经打开）。但是考虑到软件的效率和数据的可靠性，在向上层提交数据时，有以下两点例外：第一，

ｍｕｘ１是ＰＰＰ专用的，在ＰＰＰ没起来之前，ｍｕｘ１可以作为ＡＴ命令通道，但是ＰＰＰ连接成功后（ＰＰＰ的ｌｉｎｅ

ｄｉｓｃｉｐｌｉｎｅ已经替换掉了缺省的ＴＴＹ ｌｉｎｅ

ｄｉｓｃｉｐｌｉｎｅ），它将不再接收ＡＴ命令，所以此时底层提交的ＡＴ命令帧不会送给ｍｕｘ１

?鸦第二，ｍｕｘ０作为ＡＴ命令通道，将不接收ＰＰＰ数 据，所以在ＰＰＰ连接成功后，不会把０ｘ７Ｅ开始和０ｘ７Ｅ结束（ＰＰＰ的帧同步标志字节）的ＤＡＴＡ帧发送到ｍｕｘ１。

ＧＰＲＳ网络作

为一种过渡性质的２．５Ｇ网络，覆盖日益广泛。由于它的速率高、实时性好、

费用低廉等诸多优势，日益被手持／车载等移动终端设备采用。在使用ＧＰＲＳ网络传输数据的同时，这些设备也必须能支持普通的无线业务，如语音、短消息等。

ＴＳ

２７．０１０协议很好地解决了这些业务的复用问题。笔者开发的这套Ｌｉｎｕｘ上的ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ软件实现了这些功能，使得移动终端能够在ＰＰＰ

连接不断开的情况下，可以打出／接听电话、发送／接收短消息。

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