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MSC1210的GPRS無線通信系統(tǒng)設計

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作者:單片機與嵌入式系統(tǒng)應用 時間:2006-10-31 來源:武漢大學 周靜 舒乃秋 裴春明 收藏
引言

近年來,通信技術(shù)和技術(shù)的迅速發(fā)展,特別是通信技術(shù)的發(fā)展,使得電力系統(tǒng)的自動化程度進一步提高。GSM出現(xiàn)后,技術(shù)人員很快把GSM模塊嵌入到各種儀表儀器中,如多功能電能表、故障測錄儀、抄表系統(tǒng)和用電負荷監(jiān)控等,從而使這些儀表儀器具有遠程通信功能。

是在現(xiàn)有GSM系統(tǒng)上發(fā)展出來的一種新的數(shù)據(jù)承載業(yè)務,支持TCP/IP協(xié)議,可以與分組數(shù)據(jù)網(wǎng)(Internet等)直接互通。傳輸系統(tǒng)的應用范圍非常廣泛,幾乎可以涵蓋所有的中低業(yè)務和低速率的數(shù)據(jù)傳輸,尤其適合突發(fā)的小流量數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務。

本文設計的通信模塊,內(nèi)嵌了TCP/IP協(xié)議,采用工業(yè)級的GPRS模塊,適用于單片機數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)沒有TCP/IP協(xié)議棧,但使用串口通信的情況。

1 GPRS通信原理及應用特點

1.1 GPRS簡介

GPRS是通用無線分組業(yè)務(General Packet Radio System)的縮寫,是介于第二代和第三代之間的一種技術(shù),通常稱為2.5G。GPRS采用與GSM相同的頻段、頻帶寬度、突發(fā)結(jié)構(gòu)、無線調(diào)制標準、跳頻規(guī)則以及相同的TD-MA幀結(jié)構(gòu)。因此,在GSM系統(tǒng)的基礎上構(gòu)建GPRS系統(tǒng)時,GSM系統(tǒng)中的絕大部分部件都不需要作硬件改動,只需作軟件升級。有了GPRS,用戶的呼叫建立時間大大縮短,幾乎可以做到“永遠在線”。此外,GPRS是以營運商傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量而不是連接時間為基準來計費,從而令每個用戶的服務成本更低。

1.2基本工作原理

GPRS是在原有的基于電路交換(CSD)方式的GSM上引入兩個新的網(wǎng)絡節(jié)點:GPRS服務支持節(jié)點(SG-SN)和支持節(jié)點(GGSN)。SGSN和MSC在同一等級水平,并跟蹤單個MS的存儲單元實現(xiàn)安全功能和接入控制,并通過幀中繼連接到基站系統(tǒng)。GGSN支持與外部分組交換網(wǎng)的互通,并經(jīng)由基于IP的GPRS骨干網(wǎng)和SGSN連通。圖1給出了GPRS與Internet連接原理框圖。

GPRS終端通過接口從客戶系統(tǒng)取得數(shù)據(jù),處理后的GPRS分組數(shù)據(jù)發(fā)送到GSM基站。分組數(shù)據(jù)經(jīng)SGSN封裝后,SGSN通過GPRS骨干網(wǎng)與支持接點GGSN進行通信。GGSN對分組數(shù)據(jù)進行相應的處理,再發(fā)送到目的網(wǎng)絡,如Internet或X.25網(wǎng)絡。

若分組數(shù)據(jù)是發(fā)送到另一個GPRS終端,則數(shù)據(jù)由GPRS骨干網(wǎng)發(fā)送到SGSN,再經(jīng)BSS發(fā)送到GPRS終端。

2 嵌入式GPRS通信系統(tǒng)的實現(xiàn)

2.1 GPRS模塊的硬件設計

嵌入式GPRS無線通信模塊主要由嵌入TCP/IP的單片機(Y5)、GPRS模塊、SIM卡座、外部接口和擴展數(shù)據(jù)存儲器等部分組成。圖2是系統(tǒng)的硬件框圖。

控制GPRS模塊接收和發(fā)送信息,通過標準RS232串口和外部控制器(比如數(shù)據(jù)采集端)進行數(shù)據(jù)通信。用軟件實現(xiàn)中斷,完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。

2.1.1 單片機模塊

單片機采用美國德州儀器公司最新推出的基于8051內(nèi)核的Y5。該芯片具有很強的數(shù)據(jù)處理能力,時鐘頻率為33MHz,指令運行速度實際上與運行在99MHz時鐘頻率下的標準8051內(nèi)核相當。32KB Flash程序存儲器,256 B內(nèi)部RAM和1024 B片上SRAM,2 KB啟動ROM,支持串行和并行的在系統(tǒng)編程。雙數(shù)據(jù)指針DPTR0和DPTRl可加快數(shù)據(jù)塊的移動速度。

其主要實現(xiàn)過程如下:

①通過AT指令初始化GPRS無線模塊,使之附著在GPSR網(wǎng)絡上,獲得網(wǎng)絡運營商動態(tài)分配的GPRS終端IP地址,并與目的終端建立連接。

②通過串口0擴展MAX232標準串口和外部控制器(例如數(shù)據(jù)采集端)連接,外部控制器端接出標準串口,按照約好的協(xié)議可很容易利用本設計的控制器進行通信。

③復用P1.2和P1.3,也就是串口1分別和GPRS模塊的TXD0和RXD0連接,P1口的其他6個端口分別接到GPRS模塊對應的剩余RS232通信口,通過軟件置位完成對MC35的初始化和控制GPRS模塊的收發(fā)數(shù)據(jù)。

2.1.2 擴展數(shù)據(jù)存儲器部分

MSC1210的Flash存儲器可全部作為Flash程序存儲器,也可以全部作為數(shù)據(jù)Flash程序。因為要嵌入實時操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡協(xié)議,需要一定的空間,因此將其全部用作程序存儲器,而通過74HC573作為地址鎖存器,擴展6264作為外部數(shù)據(jù)存儲器,8KB的數(shù)據(jù)存儲空間足夠程序正常運行。

圖3給出了MSC12lO與數(shù)據(jù)存儲器之間的硬件連接圖。

2.1.3 GPRS無線數(shù)傳模塊

GPRS無線模塊作為終端的無線收發(fā)模塊,把從單片機發(fā)送過來的IP包或基站傳來的分組數(shù)據(jù)進行相應的處理后再轉(zhuǎn)發(fā)。

GPRS模塊采用德國Simens公司生產(chǎn)的MC35模塊。MC35模塊主要由射頻天線、內(nèi)部Flash、SRAM、GSM基帶處理器、匹配電源和一個40腳的ZIF插座組成。GSM基帶處理器是核心部件,其作用相當于一個協(xié)議處理器.用來處理外部系統(tǒng)通過串口發(fā)送AT指令。射頻天線部分主要實現(xiàn)信號的調(diào)制和解調(diào),以及外部射頻信號與內(nèi)部基帶處理器之間的信號轉(zhuǎn)換。匹配電源為處理器基射頻部分提供所需的電源。MC35外圍電路如圖4所示。

AS2815將外部電壓轉(zhuǎn)換成3.3V工作電壓。

啟動電路由三極管和上電復位電路組成,模塊上電后,為使之正常工作,必須在15腳加至少為100 ms的低電平信號。啟動后,15腳信號應保持高電平。

MC35在ZIF連接器上為SIM卡接口預留的引腳數(shù)為6個,要注意的是,CCIN引腳用來檢測SIM卡座是否插有SIM卡。當插入SIM卡,該引腳置為高電平時,系統(tǒng)方可進入正常工作。

SYNC引腳有兩種工作模式:一種是指示發(fā)射狀態(tài)時的功率增長情況,另一種是指示MC35的工組狀態(tài)。本設計中使用后一種模式,LED熄滅時,表明MC35處于關(guān)閉或睡眠狀態(tài);當LED為600 ms亮/600 ms熄時,表明SIM卡沒有插入或MC35正在進行網(wǎng)絡登陸;當LED為75 ms亮/3 s熄時,表明MC35已登陸進網(wǎng)絡,處于待機狀態(tài)。

2.2 單片機通信程序設計

軟件中的所有代碼都用C語言編寫,在Keil環(huán)境中編譯。Keil是Keil Software公司為8051及其兼容產(chǎn)品提供的專門開發(fā)工具,它支持在系統(tǒng)調(diào)試。Keil中C51編譯器很好地集成了RTX多任務實時操作系統(tǒng),編寫程序時,需在源代碼頭加入“#incluede rtx51.h”。所有代碼調(diào)試通過后經(jīng)由TI Downloader下載到存儲器中。

目前,絕大多數(shù)基于GPRS網(wǎng)絡應用系統(tǒng)所使用的GPRS模塊不支持TCP/IP協(xié)議。也就是說,要想工作在相同的網(wǎng)絡層面上,其內(nèi)部傳輸?shù)臄?shù)據(jù)必須都要采用相同的協(xié)議,所以除了利用GPRS模塊的功能外,必須在單片機系統(tǒng)中嵌入按TCP/IP和PPP協(xié)議標準編寫的程序,從而使設計的終端設備能夠方便的應用GPRS數(shù)據(jù)分組業(yè)務。

2.2.1 TCP/IP協(xié)議的嵌入

有很多種方法可以完成協(xié)議轉(zhuǎn)換,本設計利用在嵌入式實時操作系統(tǒng)RTX51中移值部分IP和PPP協(xié)議來增強系統(tǒng)的可擴展性和產(chǎn)品開發(fā)的可延續(xù)性。

TCP/IP協(xié)議是一個標準協(xié)議套件,可以用分層模型來描述。數(shù)據(jù)打包處理數(shù)據(jù)時,每一層把自己的信息添加到一個數(shù)據(jù)頭中,而這個數(shù)據(jù)頭又被下一層中的協(xié)議包裝到數(shù)據(jù)體中。數(shù)據(jù)解包處理程序接收到GPRS數(shù)據(jù)時,把相應的數(shù)據(jù)頭剝離,并把數(shù)據(jù)包的其余部分當作數(shù)據(jù)體對待。

考慮到嵌入式系統(tǒng)的特點,本設計采用了系統(tǒng)開銷較小的IP+UDP協(xié)議來實現(xiàn)GPRS通信。主機發(fā)送的UDP數(shù)據(jù)報文經(jīng)GPRS通道傳送給GPRS通信模塊,GPRS通信模塊負責對數(shù)據(jù)報進行解析,解析后的數(shù)據(jù)按照一定的波特率串行傳送給用戶終端。

2.2.2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)包在主機和GPRS服務器群中傳輸使用的是基于IP的分組,即所有的數(shù)據(jù)報文都要基于IP包。但明文傳送IP包不可取,故一般使用PPP協(xié)議進行傳輸。模塊向發(fā)送PPP報文都會傳送到Internet網(wǎng)中相應的地址,而從Internet傳送過來的應答幀也同樣會根據(jù)IP地址傳送到GPSR模塊,從而實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)和Internet網(wǎng)絡通過GPRS模塊的透明傳輸。

要注意的是,GSM網(wǎng)絡無靜態(tài)IP地址,故其他通信設備不能向它提出建立連接請求,監(jiān)控中心必須擁有一個固定的IP,以便監(jiān)測終端可以在登陸GSM網(wǎng)絡后通過該IP找到監(jiān)控中心。關(guān)于這一點,很容易解決,只需在電信申請相應的服務就可以了。

GPRS模塊登陸上GSM網(wǎng)絡后,自動連接到數(shù)據(jù)中心,向數(shù)據(jù)中心報告其IP地址,并保持和維護數(shù)據(jù)鏈路的連接。GPRS監(jiān)測鏈路的連接情況,一旦發(fā)生異常,GPRS模塊自動重新建立鏈路,數(shù)據(jù)中心和GPRS模塊之間就可以通過I地址通過UDP/IP協(xié)議進行雙向通信,實現(xiàn)透明的可靠數(shù)據(jù)傳輸。

3 上位機監(jiān)控中心的設計

監(jiān)控中心的功能是實現(xiàn)GPRS信息的接收和保存。設計語言采用Microsoft公司的Visual C++編程語言,C++語言應用靈活,功能強大,并對網(wǎng)絡編程和數(shù)據(jù)庫有強大的支持。

由于通過GPRS.中心監(jiān)控部分可以直接訪問互聯(lián)網(wǎng),所以監(jiān)控部分并不需要再設置GPRS模塊。中心只需通過中心軟件幀聽網(wǎng)絡,接收GPRS無線模塊傳來的UDP協(xié)議的IP包和發(fā)送上位機控制信息,以實現(xiàn)與GPRS終端的IP協(xié)議通信。接收到的信息要保存到中心的數(shù)據(jù)庫中,以備查歷史記錄。數(shù)據(jù)庫采用Access,VC編制的界面窗口通過AD()訪問Access中的數(shù)據(jù)。需要說明的是,筆者是通過Socket接收網(wǎng)絡終端信息的。

Socket接口是TCP/IP網(wǎng)絡的API,Socket接口定義了許多函數(shù)和例程,程序員可以利用它來開發(fā)TCP/IP網(wǎng)絡上的應用程序。VC中的MFC類提供了CAsyncSocket這樣一個套接字類,用它來實現(xiàn)Socket編程非常方便。本設計中采用數(shù)據(jù)報文式的Socket,它是一種無連接的
Socket,對應于無連接的UDP服務應用。

CAsyncSocket:類用DoCallBack函數(shù)處理MFC消息,當一個網(wǎng)絡事件發(fā)生時,DoCallBack函數(shù)按照網(wǎng)絡事件類型:FD_READ、FD_WRITE、FD_ACCEPT和FD_CON-NECT分別調(diào)用OnReceive、OnSend、OnAccept和OnCon-nect函數(shù),驅(qū)動相應的事件,完成網(wǎng)絡數(shù)據(jù)通信過程。

4 結(jié)論

本文采用嵌入式TCP/IP協(xié)議,通過高速8位單片機實現(xiàn)GPRS業(yè)務的數(shù)據(jù)傳輸功能,具有外圍電路少,電路簡單,系統(tǒng)成本低等優(yōu)點。通過標準RS232串口和外部控制器連接,只需按照預先規(guī)定的協(xié)議就可互相通信,通用性較強。系統(tǒng)軟件均使用C語言編寫,稍加改動就可以在各種控制器上實現(xiàn),可移植性也較強。

基于GPRS的系統(tǒng)也有一定的缺點,例如,現(xiàn)在的GPRS網(wǎng)還不夠穩(wěn)定,有丟包的現(xiàn)象;主控制器要實現(xiàn)IP協(xié)議,使用起來比較復雜;上位機基于互聯(lián)網(wǎng)的解決方案保密性較差等。上述問題經(jīng)過精細設計是可以避免和解決的,所以基于GPRS的設計仍具有無可比擬的優(yōu)勢。

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