msc1210的gprs無(wú)線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1、MSC1210 的 GPRS 無(wú)線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)引言近年來(lái) ,通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展,特別是無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展 ,使得電力系統(tǒng)的自動(dòng)化程度進(jìn)一步提高。GSM 網(wǎng)絡(luò)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(cè)錄儀、抄表系統(tǒng)和用電負(fù)荷監(jiān) 控等，從而使這些儀表儀器具有遠(yuǎn)程通信功能。GPRS 是在現(xiàn)有 GSM 系統(tǒng)上發(fā)展出來(lái)的一種新的數(shù)據(jù)承載 業(yè)務(wù) ,支持 TCP/IP 協(xié)議，可以與分組數(shù)據(jù)網(wǎng)( Internet 等) 直接互通。 GPRS 無(wú)線傳輸系統(tǒng)的應(yīng)用范圍非常廣泛，幾乎 可以涵蓋所有的中低業(yè)務(wù)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(wù)。本文

2、設(shè)計(jì)的 GPRS 無(wú)線通信模塊，內(nèi)嵌了 TCP/IP 協(xié)議，采 用工業(yè)級(jí)的 GPRS 模塊，適用于單片機(jī)數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)沒(méi) 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(yīng)用特點(diǎn)1.1 GPRS 簡(jiǎn)介GPRS 是 通 用 無(wú) 線 分 組 業(yè) 務(wù) ( 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 o GPRS采用與GSM相同的頻段、頻帶寬度、 突發(fā)結(jié)構(gòu)、 無(wú)線調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)、 跳頻規(guī)則以及相同的 TDMA 幀結(jié)構(gòu)。因此，在GSM系統(tǒng)的基礎(chǔ)上構(gòu)建 GPRS系統(tǒng)時(shí)，GSM 系統(tǒng)中的絕大部分部件都不需要作硬

3、件改動(dòng)，只需作軟件升 級(jí)。有了 GPRS，用戶的呼叫建立時(shí)間大大縮短，幾乎可以 做到永遠(yuǎn)在線”。此外，GPRS是以營(yíng)運(yùn)商傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量而 不是連接時(shí)間為基準(zhǔn)來(lái)計(jì)費(fèi)，從而令每個(gè)用戶的服務(wù)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網(wǎng)絡(luò) 上引入兩個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)：GPRS服務(wù)支持節(jié)點(diǎn)（SGSN）和網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn)（GGSN ）。SGSN和MSC在同一等級(jí)水平， 并跟蹤單個(gè)MS的存儲(chǔ)單元實(shí)現(xiàn)安全功能和接入控制，并通 過(guò)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

4、接原理框圖。GPRS終端通過(guò)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(guò)GPRS骨干網(wǎng)與網(wǎng)關(guān)支持接點(diǎn)GGSN進(jìn)行通信GGSN對(duì)分組數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理，再發(fā)送到目的網(wǎng)絡(luò)，如Internet 或 X.25 網(wǎng)絡(luò)。若分組數(shù)據(jù)是發(fā)送到另一個(gè)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(shí)現(xiàn)2.1 GPRS模塊的硬件設(shè)計(jì)制趙嵌入式GPRS無(wú)線通信模塊主要由嵌入 TCP/IP的單片機(jī) （MSC1210Y5 ）、GPRS 模塊、SIM 卡座、外部接口和擴(kuò) 展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器等部分組成。圖

5、2是系統(tǒng)的硬件框圖。siw+JitGSPRS 権塊MSC1210 控制 GPRS模塊接收和發(fā)送信息，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn) RS232串口和外部控制器（比如數(shù)據(jù)采集端）進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。 用軟件實(shí)現(xiàn)中斷，完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。單片機(jī)模塊單片機(jī)采用美國(guó)德州儀器公司最新推出的基于8051內(nèi)核的MSC1210Y5。該芯片具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，時(shí)鐘頻率為33 MHz，指令運(yùn)行速度實(shí)際上與運(yùn)行在 99 MHz時(shí)鐘頻 率下的標(biāo)準(zhǔn)8051內(nèi)核相當(dāng)。32 KB Flash程序存儲(chǔ)器，256B內(nèi)部RAM 和1024 B片上SRAM，2 KB啟動(dòng)ROM，支持 串行和并行的在系統(tǒng)編程。雙數(shù)據(jù)指針DPTR0和DPTR1可加快數(shù)據(jù)塊的移動(dòng)速

6、度。其主要實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下： 通過(guò)AT指令初始化GPRS無(wú)線模塊，使之附著在GPSR網(wǎng)絡(luò)上，獲得網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商動(dòng)態(tài)分配的GPRS終端IP地址，并與目的終端建立連接。 通過(guò)串口 0擴(kuò)展MAX232標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)串口，按照約好 的協(xié)議可很容易利用本設(shè)計(jì)的控制器進(jìn)行通信。 復(fù)用P1.2和P1.3，也就是串口 1分別和GPRS模塊的 TXDO和RXDO連接，P1 口的其他 6個(gè)端口分別接到 GPRS 模塊對(duì)應(yīng)的剩余RS232通信口，通過(guò)軟件置位完成對(duì) MC35 的初始化和控制GPRS模塊的收發(fā)數(shù)據(jù)。擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器部分MSC1210的Flash存儲(chǔ)器可全部作為

7、 Flash程序存儲(chǔ)器， 也可以全部作為數(shù)據(jù) Flash程序。因?yàn)橐度雽?shí)時(shí)操作系統(tǒng) 和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，需要一定的空間，因此將其全部用作程序存儲(chǔ) 器，而通過(guò)74HC573作為地址鎖存器，擴(kuò)展6264作為外部 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，8 KB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間足夠程序正常運(yùn)行。圖3給出了 MSC1210與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器之間的硬件連接圖。PflOF2.5ALEFSESisSAS-A13AL(tim00ZCZIil 1DCC |Q-«QlERD2.1.3 GPRS無(wú)線數(shù)傳模塊GPRS無(wú)線模塊作為終端的無(wú)線收發(fā)模塊，把從單片機(jī)發(fā)送 過(guò)來(lái)的IP包或基站傳來(lái)的分組數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理后再轉(zhuǎn) 發(fā)。GPRS模塊采用德國(guó)Sime

8、ns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(gè) 40腳的ZIF插座組成。GSM基帶處理 器是核心部件，其作用相當(dāng)于一個(gè)協(xié)議處理器，用來(lái)處理外 部系統(tǒng)通過(guò)串口發(fā)送 AT指令。射頻天線部分主要實(shí)現(xiàn)信號(hào) 的調(diào)制和解調(diào)，以及外部射頻信號(hào)與內(nèi)部基帶處理器之間的 信號(hào)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D VRATT加n屋e曲握切Ji醴AS2815將外部電壓轉(zhuǎn)換成 3.3 V工作電壓。啟動(dòng)電路由三極管和上電復(fù)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(hào)

9、 啟動(dòng)后，15腳信號(hào)應(yīng)保持高電平。MC35在ZIF連接器上為SIM卡接口預(yù)留的引腳數(shù)為 6個(gè)， 要注意的是，CCIN引腳用來(lái)檢測(cè)SIM卡座是否插有SIM卡 當(dāng)插入SIM卡，該引腳置為高電平時(shí)， 系統(tǒng)方可進(jìn)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(shí)的功率 增長(zhǎng)情況，另一種是指示 MC35的工組狀態(tài)。本設(shè)計(jì)中使用 后一種模式，LED熄滅時(shí)，表明MC35處于關(guān)閉或睡眠狀態(tài)； 當(dāng)LED為600 ms亮/600 ms熄時(shí)，表明SIM卡沒(méi)有插入或 MC35正在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)登陸；當(dāng)LED為75 ms亮/3 s熄時(shí)，表明MC35已登陸進(jìn)網(wǎng)絡(luò)，處于待機(jī)狀態(tài)。2.2單片機(jī)通信程序設(shè)計(jì)軟件中的所有代

10、碼都用 C語(yǔ)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(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，編寫程序時(shí) ,需在源代碼頭加入 “ incluede rtx51.h ”。 所 有 代 碼 調(diào) 試 通 過(guò) 后 經(jīng) 由 TI Downloader 下載到存儲(chǔ)器中。目前，絕大多數(shù)基于 GPRS 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)所使用的 GPRS 模塊不支持 TCP/IP 協(xié)議。也就是說(shuō)，要想工作在相同的網(wǎng) 絡(luò)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

11、片機(jī)系統(tǒng)中嵌入按 TCP/IP 和 PPP 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)編寫的程序，從而使設(shè)計(jì)的終端設(shè) 備能夠方便的應(yīng)用 GPRS 數(shù)據(jù)分組業(yè)務(wù)。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(shè)計(jì)利用在嵌入式實(shí)時(shí) 操作系統(tǒng) RTX51 中移值部分 IP 和 PPP 協(xié)議來(lái)增強(qiáng)系統(tǒng)的 可擴(kuò)展性和產(chǎn)品開發(fā)的可延續(xù)性。TCP/IP 協(xié)議是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議套件，可以用分層模型來(lái)描述。 數(shù)據(jù)打包處理數(shù)據(jù)時(shí)，每一層把自己的信息添加到一個(gè)數(shù)據(jù) 頭中，而這個(gè)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(shí)， 把相應(yīng)的數(shù)據(jù)頭剝 離，并把數(shù)據(jù)包的其余部分當(dāng)作數(shù)據(jù)體對(duì)待。考慮到嵌入

12、式系統(tǒng)的特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用了系統(tǒng)開銷較小的 IP+UDP 協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn) GPRS 通信。主機(jī)發(fā)送的 UDP 數(shù)據(jù)報(bào) 文經(jīng) GPRS 通道傳送給 GPRS 通信模塊， GPRS 通信模塊 負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)報(bào)進(jìn)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(jī)和 GPRS 服務(wù)器群中傳輸使用的是基于 IP 的 分組，即所有的數(shù)據(jù)報(bào)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(jìn)行傳輸。模塊向網(wǎng)關(guān)發(fā)送 PPP 報(bào)文都會(huì)傳送到 Internet 網(wǎng)中相應(yīng)的地址， 而從 Internet 傳送過(guò)來(lái)的應(yīng)答幀也同樣會(huì)根據(jù) IP 地址傳送到 GPSR

13、 模塊 , 從而實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)和 Internet 網(wǎng)絡(luò)通過(guò) GPRS 模塊的透明傳 輸。要注意的是， GSM 網(wǎng)絡(luò)無(wú)靜態(tài) IP 地址，故其他通信設(shè)備不 能向它提出建立連接請(qǐng)求，監(jiān)控中心必須擁有一個(gè)固定的 IP ，以便監(jiān)測(cè)終端可以在登陸 GSM 網(wǎng)絡(luò)后通過(guò)該 IP 找到監(jiān) 控中心。關(guān)于這一點(diǎn)，很容易解決，只需在電信申請(qǐng)相應(yīng)的 服務(wù)就可以了。GPRS 模塊登陸上 GSM 網(wǎng)絡(luò)后，自動(dòng)連接到數(shù)據(jù)中心，向 數(shù)據(jù)中心報(bào)告其 IP 地址，并保持和維護(hù)數(shù)據(jù)鏈路的連接。GPRS 監(jiān)測(cè)鏈路的連接情況，一旦發(fā)生異常， GPRS 模塊自 動(dòng)重新建立鏈路，數(shù)據(jù)中心和 GPRS 模塊之間就可以通過(guò) I 地址通過(guò) UDP

14、/IP 協(xié)議進(jìn)行雙向通信，實(shí)現(xiàn)透明的可靠數(shù)據(jù) 傳輸。3 上位機(jī)監(jiān)控中心的設(shè)計(jì)監(jiān)控中心的功能是實(shí)現(xiàn) GPRS 信息的接收和保存。 設(shè)計(jì)語(yǔ)言 采用Microsoft公司的Visual C+編程語(yǔ)言，C + +語(yǔ)言應(yīng)用 靈活，功能強(qiáng)大，并對(duì)網(wǎng)絡(luò)編程和數(shù)據(jù)庫(kù)有強(qiáng)大的支持。由于通過(guò) GPRS ，中心監(jiān)控部分可以直接訪問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)，所以 監(jiān)控部分并不需要再設(shè)置 GPRS 模塊。中心只需通過(guò)中心軟 件幀聽網(wǎng)絡(luò)， 接收 GPRS 無(wú)線模塊傳來(lái)的 UDP 協(xié)議的 IP 包 和發(fā)送上位機(jī)控制信息，以實(shí)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(kù)中,以備查歷史記錄。數(shù)據(jù)庫(kù)采用 Access

15、,VC 編制的界面窗口通過(guò) ADO 訪問(wèn) Access 中的數(shù)據(jù)。需要說(shuō)明的是，筆者是通過(guò) Socket 接收 網(wǎng)絡(luò)終端信息的。Socket 接口是 TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)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(lái)開發(fā) TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)上的應(yīng) 用程序。VC中的MFC類提供了 CAsyncSocket這樣一個(gè)套 接字類，用它來(lái)實(shí)現(xiàn) Socket 編程非常方便。本設(shè)計(jì)中采用 數(shù)據(jù)報(bào)文式的 Socket ，它是一種無(wú)連接的 Socket ，對(duì)應(yīng)于 無(wú)連接的 UDP 服務(wù)應(yīng)用。CAsyncSocket 類用 DoCallBack 函數(shù)處理 MFC 消息， 當(dāng)一 個(gè)網(wǎng)絡(luò)事件發(fā)生時(shí)， DoCallBack 函數(shù)按照網(wǎng)絡(luò)事件類型： FD_REA D 、FD_WRITE 、FD_ACCEPT 和 FD_CONNECT 分別調(diào)用 OnReceive 、OnSend 、 OnAccept 和 OnConnect 函數(shù)，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的事件，完成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信過(guò)程。4 結(jié)論本文采用嵌入式 TCP/IP 協(xié)議，通過(guò)高速 8 位單片機(jī)實(shí)現(xiàn) GPRS 業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)傳輸功能，具有外