基于ARM和GPRS的无线数据通信系统设计

基于ARM和GPRS的无线数据通信系统设计目 录目 录 .I一、设计题目 .1二、设计要求 .1三、设计作用与目的 .2四、所用设备及软件 .24.1 软件 .24.2 硬件 .3五、系统设计方案 .35.1 系统总体设计 .35.2 工作原理 .35.2.1 STM32F103 工作原理 .35.2.2 G600 工作原理 .45.2.3 LCD12864 工作原理 .45.2.4 PS2 键盘工作原理 .5六、系统硬件设计 .56.1 系统整体设计 .56.2 各单元电路设计 .66.2.1 最小系统电路 .66.2.2 PS2 按键输入部分电路 .66.2.3 液晶显示电路 .76.2.4 GPRS 模块电路 .7七、系统软件设计 .87.1 主程序流程设计 .87.2 子程序程设计 .87.3 AT 指令集使用 .10八、实验调试结果 .11九、设计中的问题及解决方法 .12十、设计心得 .13参考文献 .13附录 1：系统总体结构电路原理图 .14附录 2：程序清单 .15基于 RAM 和 GPRS 的无线数据通信系统设计0一、设计题目嵌入式系统是现代科学的多学科互相融合的以应用技术产品为核心，以计算机技术为基础,以通信技术为载体，以消费类产品为对象，引入各类传感器加入，进入 Internet 网络技术的连接，而适应应用环境的产品。嵌入式系统无多余软件,并且以固化态出现，硬件亦无多余存储器，可靠性高，成本低，体积小，功耗少的非计算机系统。因此它包含了十分广泛应用的各种不同类型的设备，嵌入式系统又是知识密集，投资规模大，产品更新换代快,且具有不断创新特征才能不断发展的系统，系统中采用片上系统(SOC 亦称系统芯片)将是其发展趋势。随着现代集成电路的发展，硬件成本的下降、性能的提高、体积的减小、功耗的降低，嵌入式系统在制造工业、过程控制、通信、仪器、汽车、航空航天、军事装备等方面得到了广泛的应用。GPRS 是通用分组无线业务(General Packet Radio Service) 的英文简称，是一种基于GSM 系统的无线分组交换技术，提供端到端的、广域的无线 IP 连接。通俗的讲，GPRS 是一项高速数据处理的科技，方法是以“分组”的形式传送资料到用户手上。虽然 GPRS是作为现有 GSM 网络向第三代移动通信演变的过渡技术，但是它在许多方面都具有显著的优势。越来越广泛的无线数据通信技术的应用，促使无线传输需求的骤增，中国移动适时推出了 GPRS 业务，在一定程度上满足了用户无线接入互联网的需求。GPRS 网不但具有覆盖范围广、数据传输速度快、通信质量高、永远在线和按流量计费等优点，并且其本身就是一个分组型数据网，支持 TCP/IP 协议，无需经过 PSTN 等网络的转接，可直接与 Internet 互通。本文介绍了基于 ARM 的 GPRS 通信系统的设计与实现，包括硬件模块程序设计以及系统软件设计。硬件模块包括 LCD、UART、GPRS 等各功能模块控制程序的设计；系统软件包括数据采集子系统、数据中心子系统软件系统的设计。二、设计要求基于 ARM 的 GPRS 通信系统的设计与实现的设计，包括对基于 ARM 的 GPRS 无线数据通信系统的硬件设计和软件设计。硬件设计主要包括 LCD 显示模块、UART 串口通信模块、GPRS 数据传输模块的硬件设计。系统软件设计包括据采集子系统、数据中心子系统软件系统的等的设计。通过基于 ARM 的 GPRS 通信系统的设计与实现了解 GPRS 传基于 RAM 和 GPRS 的无线数据通信系统设计1输控制协议、SMS 编解码过程。并对系统的进行测试分析测试结果。三、设计作用与目的系统的设计主要利用 STM32 芯片与 G600 芯片完成基于 ARM 和 GPRS 的无线数据通信系统的设计。通过对整个系统的分析与设计，完成从理论知识到实践应用的过度，掌握基于 ARM 的产品设计与开发的相关理念，学会利用嵌入式系统完成简单的电子系统的设计与制作。学会 C 语言的编程应用，培养良好的编程风格，掌握相关的编程或仿真软件的使用。基于 ARM 和 GPRS 的无线数据通信系统的设计，掌握嵌入式系统的设计与常见人机接口电路的设计，懂得简单电子电路的设计，掌握 ARM 内部资源的使用，了解嵌入式系统机的外部结构与内部结构之间的关系，并能编程实现各部分相关功能。四、所用设备及软件 基于 ARM 和 GPRS 的无线数据通信系统的设计，涉及到相关的软件和硬件。4.1 软件系统设计主要使用到的软件有 Keil C51、Protel 99SE 等。Keil C51 是美国 Keil Software 公司出品的 51 系列兼容 单片机 C 语言软件开发系统，与汇编相比，C 语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。Keil 提供了包括 C 编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部分组合在一起。 Protel 99SE 是 ProklTechnology 公司开发的基于 Windows 环境下的电路板设计软件。该软件功能强大，人机界面友好，易学易用，仍然是大中专院校电学专业必学课程，同时也是业界人士首选的电路板设计工具。Protel 99SE 由两大部分组成：电路原理图设计（Advanced Schematic）和多层印刷电路板设计（Advanced PCB） 。其中 Advanced Schematic 由两部分组成：电路图编辑器（Schematic）和元件库编辑器（Schematic Library） 。基于 RAM 和 GPRS 的无线数据通信系统设计24.2 硬件硬件主要用到的是个人计算机及金牛开发板完成。在有完善的理论分析与设计后，制作硬件实物则需要以下硬件支持。STM32 芯片、G600 芯片、电阻、电容、发光二级管、晶振、按键、数码管、万能板、杜邦线、电烙铁、焊锡等。五、系统设计方案5.1 系统总体设计整个设计分为四大模块，系统结构框图如图 1。STM32F103 作为核心控制模块，按键键盘为输入模块，GPRS 模块作为通信模块，LCD 作为显示模块、RS232 与 PC 机相连作为外部控制模块。5.2 工作原理5.2.1 STM32F103 工作原理STM32 系列产品基于超低功耗的 ARM Cortex-M3 处理器内核，采用意法半导体独有的两大节能技术：130nm 专用低泄漏电流制造工艺和优化的节能架构，提供业界领先的节能性能。该系列属于意法半导体阵容强大的 32 位 STM32 微控制器产品家族，该产品家族共有 180 余款产品，全系列产品共用大部分引脚、软件和外设，优异的兼容性为开发人员带来最大的设计灵活性。STM32F103xx 增强型系列使用高性能的 ARM Cortex-M3 32 位的 RISC 内核，工作频率为 72MHz，内置高速存储器(高达 128K 字节的闪存和 20K 字节的 SRAM)，丰富的增强 I/O 端口和联接到两条 APB 总线的外设。所有型图 1 基于 RAM 和 GPRS 的通信系统结构框图RS232 模块LCD 显示PS2 键盘模块GPRS 模块STM32F103基于 RAM 和 GPRS 的无线数据通信系统设计3号的器件都包含 2 个 12 位的 ADC、3 个通用 16 位定时器和一个 PWM 定时器，还包含标准和先进的通信接口：多达 2 个 I2C 和 SPI、3 个 USART、一个 USB 和一个 CAN。选择 STM32F103 芯片作为控制部分的 CPU。STM32F103 具有良好的实时性，性能稳定。5.2.2 G600 工作原理G600 是一款 GPRS 芯片。 G600 内部程序是一个多任务的操作系统来进行调度的，用户程序由内部的程序进行调度。用户程序和 G600 内部程序的接口有一个入口函数完成，该函数为 InitUserInterface，用户必须在这里注册自己的各种处理函数，保证整个系统正常的执行。用户程序本身可以看成是由五个任务组成的。用户事件处理任务 1，SysMsgProcess 。该任务专门处理由 StoreMessage 存储的消息，由 StoreMessage 激活，在没有消息发生的时候挂起等待。只要用 StoreMessage 存储一个消息，在 SysMsgProcess 中就应该增加对该消息的处理过程，否则存储的消息被丢弃。用户事件处理任务 2，UserMsgProcess 该任务专门处理由 StoreUserMessage 存储的消息，由StoreUserMessage 激活，在没有消息发生的时候挂起等待。只要用 StoreUserMessage 存储一个消息，在 UserMsgProcess 中就应该增加对该消息的处理过程，否则存储的消息被丢弃。串口数据接收处理任务，uart_input。该任务专门处理从串口输入的数据，任务的优先级比两个用户事件处理任务要高。G600 命令响应接口， OnReceiveResultCmd ，该函数由 G600 的内部程序在需要返回 AT 命令的时候调用，任务的优先级比前面三个任务高。定时器响应接口函数 ，该函数由用户创建定时器的时候指定，在定时器 timeout 的时候由 G600 内部调度。5.2.3 LCD12864 工作原理带中文字库的 LCD12864 是一种具有 4 位/8 位并行、 2 线或 3 线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体 中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为12864, 内置 8192 个 16*16 点汉字，和 128 个 16*8 点 ASCII 字符 集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示 84 行 1616 点 阵的汉字. 也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶 显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。基于 RAM 和 GPRS 的无线数据通信系统设计45.2.4 PS2 键盘工作原理PS/2键盘履行一种双向同步串行协议。换句话说，每次数据线上发送一位数据并且每在时钟线上发一个脉冲就被读入。键盘可以发送数据到主机，而主机也可以发送数据到设备，但主机总是在总线上有优先权，它可以在任何时候抑制来自于键盘的通讯，只要把时钟拉低即可。从键盘发送到主机的数据在时钟信号的下降沿（当时钟从高变到低）的时候被读取。从主机发送到键盘的数据在上升沿（当时钟从低变到高）的时候被读取。不管通讯的方向怎样键盘总是产生时钟信号。键盘发送的每一数据帧包含1112个位。如果数据位中包含偶数个1,校验位就会置1，如果数据位中包含奇数个1，校验位就会置0，数据位中1的个数加上校验位总为奇数，这就是奇校验。奇校验用来错误检测。数据和时钟线都是集电极开路结构，正常保持高电平。当键盘等待发送数据时它首先检查时钟以确认它是否是高电平，如果不是，那么是主机抑制了通讯。设备必须缓冲任何要发送的数据直到重新获得总线的控制权。键盘有16 字节的缓冲区，如果时钟线是高电平设备就可以开始传送数据。键盘与主机通讯的时序如图1所示，每位数据都在时钟的下降沿被主机读入。六、系统硬件设计6.1 系统整体设计按照系统设计功能的要求，系统由主控模块、PS2 键盘输入模块、LCD12864 显示模块和 GPRS 通信模块共 4 个模块组成。主控芯片使用 STM32F 系列 STM32F103 的 RAM芯片，GPRS 模块是使用 G600 模块推出的一种高性能、低功耗。 显 示 模 块 采 用 普 带 字 库的 12864 液 晶 显 示 屏 。 键 盘 输 入 部 分 采 用 PS2 键 盘 输 入 。 同 时 在 下 载 口 采 用 JTAG 口 。图 1 PS/键盘到主机的通讯时序基于 RAM 和 GPRS 的无线数据通信系统设计5JTAG 具 有 在 线 调 试 功 能 ， 能 方 便 程 序 的 调 试 。6.2 各单元电路设计6.2.1 最小系统电路最小系统包括电源，复位电路，振荡电路。单片机最小系统“最小”就是指一个机能开始独立工作所需的最基本的外部电路。接好晶振，另外值得注意的是在不需要扩展外部，具体电路如图 2 所示。J TAG 口 作 为 下载程序时用。6.2.2 PS2 按键输入部分电路一般情况下键盘输入具有随机性,且实时性较强,为提高实时性,考虑到时钟脉冲总由键盘产生,因此,主机系统可以中断方式支持键码的随机输入。当主机接收到从键盘发来的时钟信号时,即向中断系统发出键盘中断, CPU 响应中断并接收键码。设计中采用 I/O 口模拟 PS2 时序输入。硬件连接图如图 3 所示。图 2 最小系统电路图图 3 PS2 按键输入电路图基于 RAM 和 GPRS 的无线数据通信系统设计6图 5 G600 模块电路图6.2.3 液晶显示电路采用 LCD12864 显示，显示内容多样、直观，采用串行通信控制液晶屏，巩固串口通信的相关只是与应用电路中，液晶屏的 VSS 和 VDD 是屏幕的电源引脚；LED_A 和 LED_K 是屏幕的背光电源引脚；VO 脚是屏幕的背光对比度驱动电压输入端；CS 脚是并行通信的指令/数据选择信号端，串行通信的片选信号端；SID 脚是并行通信的读写选择信号脚，串行通信的数据口；CLK 脚是并行通信的使能信号端，串行通信的同步时钟引脚；PSB 脚是串行通信和并行通信的选择控制脚，高电平时为并行通信，低电平时为串行通信；RET 脚是 12864的复位引脚，低电平有效。如图 4 所示。6.2.4 GPRS 模块电路GPRS 模块实现数据的无线传输，设计中用 G600 芯片实现数据的传输。通过无线网络传送给中据中心子系统的环境参数，该环境参数可能采用短信息的形式通过 GSM 网络传输，也可能以数据包的形式通过GPRS 网络传输，由 GPRS 模块接收，串口传递，传递数据分析模块处理。短消息：包含有由数据采集子系统通过无线网络传送给中据中心子系统的环境参数，由数据分析模块提取出，传递给 PDU/TEXT 解码模块解码。模块中接入一片 SIM 卡用于数据的存储。硬件电路图图 4 PS2 按键输入电路图基于