毕业设计（论文）-基于GPRS技术的广域网数据传递的设计与实现.doc

基于GPRS技术的广域网数据通讯的设计与实现信息工程大学毕业设计（论文）报告（地方学生）课题名称 基于GPRS技术的广域网数据通讯的设计与实现 学 生 姓 名 周游 所在院、系（队） 理学院三大队一队 专 业 电子科学与技术 学 号 20066204002 申请学位级别 工学学士 指导教师单位 电子信息工程系 指导教师姓名 张强 技 术 职 务 讲师 二一 年 六 月基于GPRS技术的广域网数据通讯的设计与实现摘 要本文简单介绍了西门子公司GPRS专用模块MC35i的功能原理，阐述了GPRS网络的基本架构和通讯流程，重点设计并实现了一套基于MC35i的GPRS通讯实验电路和使用TCP/IP协议的广域网通讯程序，最后通过实验验证了本文所述方案的正确性。关键词：MC35i GPRS TCP/IP VB The design and realization of the Internet data communication based on the GPRS technologyAbstract This paper briefly introduces the function of MC35i ,the specialized GPRS model produced by Siemens,focusing on the basic structure and the communicating process of the GPRS Network , and completes a whole set of the relevant circuit which can be used to realize the GPRS communication function of MC35i and the VB program based on TCP/IP , ending with an example of client-server experiment simply to prove the correctness of the above.Key Words: MC35i GPRS TCP/IP VB 目 录摘要（1）第一章 引言（4）第二章 系统方案设计（6）2.1 硬件方案设计 （6）2.2 软件方案设计（12）第三章 实验验证（19）3.1 电源部分实验验证（19）3.2 电平转换部分实验验证（20）第四章 结论（24）致谢（25）参考文献（26）第1章 引言GPRS（General Packet Radio Service)技术位于第二代（2G）和第三代（3G）移动通讯技术之间。它通过利用GSM网络中未使用的TDMA信道，提供中速的数据传递，突破了GSM网只能提供电路交换的思维方式，而且不再需要现行无线应用所需要的中介转换器，所以连接及传输都会更方便容易。拥有高速数据传输、永远在线、仅按数据流量计费等突出优点1。且用途广泛，可普遍应用于工业数据传输，设施远程监控，个人或家庭对应用设备的远程控制等。GPRS终端通过接口从客户系统取得数据，处理后的GPRS分组数据发送到GSM基站。分组数据经SGSN（服务GPRS支持节点）封装后，SGSN通过GPRS骨干网与网关支持接点GGSN进行通信。GGSN对分组数据进行相应的处理，再发送到目的网络，如Internet或X.25网络。PPP（Point to Point Protocol）协议是一种点对点串行通信协议。具有处理错误检测、支持多个协议、允许在连接时刻协商IP地址、允许身份认证等功能，在 TCP/IP 协议集中，它是一种用来同步调制连接的数据链路层协议，位于OSI 模式中的第二层。PPP 封装提供了不同网络层协议同时在同一链路传输的多路复用技术。PPP 封装精心设计，能保持对大多数常用硬件的兼容性2。 研究内容：1）GPRS网络架构与通信流程；2）MC35i模块的使用与接口电路设计；3）MC35i模块AT指令集的使用；4）工作电流具有较大峰值条件下电源的设计、制作与测试；5）RS232电平与TTL电平转换的实现。第二章 系统方案设计2.1硬件方案设计2.1.1硬件系统基本原理本设计通过使用MC35i模块，实现了客户端计算机经由GPRS网络联结至广域网，访问服务器并得到返回信息的通信流程。由于MC35i模块对配置电路有一定要求，故根据其具体标准将硬件分为三个模块：电平转换模块、GPRS配置模块、电源模块。图2-1 全系统硬件框图2.1.2 MC35i简介 图2-2 MC35i原理图图2-3 MC35i实物图 MC35i是西门子公司推出的一款GPRS模块，用于实现MS的语音，短消息通信和GPRS上网等功能，该片具有功耗低，工作稳定，相对用户来说较为透明等优点，而且拥有强大的AT指令集，以确保各项功能的顺利实现。 如图2-1所示，MC35i模块主要由以下几部分组成：RF Power Amplifier（射频功率放大部分）、RF Section（射频部分）、Baseband Controller（基带控制部分）、Measuring Network(测量网络)、ASIC（集成电源管理）、Memory（存储器）、SRAM（静态RAM）、接口部分。2.1.3 MC35i接口模块此模块主要负责SIM卡与MC35i模块的通信，MC35i模块与上位机（客户端）的通信以及通过74HC14完成模块的0-3V逻辑电平与TTL电平间的相互转换。图2-4 MC35i接口模块原理图如图，接口模块通过40针ZIF接口为MC35i模块供电和进行数据传递，其引脚按功能可分为供电、串口连接、基准电平、启动关闭、SIM卡连接、语音通信，工作指示七类，分别介绍如下：1至5脚：为其电源引脚；6至10脚：为其接地引脚；11、12脚：NC13脚：基准电平引脚，为接口模块中的一片74HC14供电（如图2-4示）。此片74HC14负责将串口中经SP3238转换得到的TXD（Transmit Data 发送数据）、DTR（Data Terminal Ready 数据终端准备）、CTS（Clear to Send 清除发送）等TTL电平经过两次逻辑“非”运算转化为0-3V逻辑电平。15脚：为其启动引脚，在上电后需将此引脚拉低至少100mS，模块方可启动。上图中未画出。16至23引脚：串口连接引脚。联结至上位机的标准RS232串口。24至29引脚：SIM卡连接引脚。30脚：备用电池连接引脚。31脚：紧急关机引脚，本设计中未使用。32脚：工作指示引脚，芯片进行注册或传递数据时，此引脚上所接的发光二极管将闪烁。33至40引脚：语音通信引脚，本设计中未使用。2.1.4 电源模块由于MC35i模块在进行数据通信时电流峰值将会达到2A左右，普通78系列稳压器此时将会进入短路保护，故考虑采用集成开关稳压调节器。又由于MC35i模块的电压为4.1V，故需采用输出电压可调型的稳压调节器，综上，选择LM2596-ADJ型集成开关稳压调节器。其原理电路如下图所示LM2596-ADJ是一款典型的降压型开关稳压调节器。允许的最大输入电压为40V，可以驱动工作电流为3A的负载。LM2596-ADJ共有五个引脚，如图25所示。图2-5 LM2596-ADJ引脚图五个引脚分别是： VIN：开关稳压调节器的电源输入端。此输入端引入的输入电压经芯片内部开关管的开关动作，从 Output端输出一定占空比的脉冲，经滤波电路滤波后产生输出电压。同时，此输入端引入的输入电压也用于集成芯片内部的供电。 Ground：电源地。 Output：脉冲输出端。输入电压经芯片内部开关晶体管的开关动作，产生出具有一定占空比的脉冲，由此输出端输出。 FB：Buck开关稳压电路输出电压的反馈输入端，LM2596通过对输出电压的检测，自动调节输脉冲的占空比D，保持输出电压的稳定。ON/OFF：控制芯片的工作和关闭。当此引脚接有逻辑低电平时，芯片处于工作状态；而将此引脚接逻辑高电平时，芯片处于关闭状态。此引脚提供了对电源的逻辑控制【3】。电源设计电路如图26所示： Cin为输入端滤波电容，用以平滑输入电压；D1为肖特基二极管，在输出端起续流作用，当电源关断时，电感中储存的能量可以经D1迅速释放，防止感应电压过高，击穿器件；L为输出滤波电感；Cout则选择滤波特性好的钽电容，用作输出端滤波。 计算公式为： 公式（2-1） 公式（2-2）图2-6 电源模块原理电路图由图2-4可知，由于在模块电源端口设计有保护二极管1N5408，考虑二极管正向导通压降，依公式（2-2）最终确定电源部分输出电压值为4.65V，各元件值如下Cin 470 F, 50V,铝电解电容Cout 470 F, 35V,钽电容D1 40V 肖特基型二极管1N5825L1 100 mHR1 1k, 1%Cff 依据数据手册选择为100pF陶瓷电容R2 2.6k, 1% 2.1.5 电平转换模块由于电源部分的供电电压为4.6V电源，故要求电平转换部分能够在4.6V电压下工作。又由图2-4可知，电源转换部分需提供尽可能多的转换通道，以完成模块16至23脚与上位机串口之间的电平转换。综上，选择Sipex公司的SP3238多通道RS232电平转换芯片。该片可工作于3V至5.5V供电电压下，仅需外加四个0.1uF的极性电解电容即可进行四通道最高速率达250kbit/s的电平转换。 图2-7 SP3238引脚图2.2软件方案设计2.2.1 软件方案设计简介为完成广域网中的数据传递，要求本设计所使用的开发工具必须能够使用TCP/IP协议进行通信。符合此要求的开发工具有Microsoft Visual Basic ，Microsoft Visual C+等，它们都具有强大的控件组以确保各项功能的顺利实现。出于使程序尽可能简洁的考虑，使用VB6.0作为本设计的开发工具。重点使用其Winsock控件本设计中客户端与服务器程序充当两点，进行点对点通信。程序流程图如下： 图2-8 程序流程图其中，服务器架设于广域网上，而客户端则位于GPRS网络中。广域网使用的是TCP/IP协议，GPRS网络则使用GSM的空中接口，即Um接口。Um接口上的通信协议有5层，自下而上依次为物理层、MAC层（MAC Mdium AccessControl）层、LLC（Logical Link Control）层、SNDC（Subnetwork DependantConvergence）层和网络层。网络层的协议目前主要是TCPIP和L25协议4。2.2.2 具体程序服务器端： 图2-9 服务器界面Dim newInstanceIndex As Integer 定义整型变量newInstanceIndexPrivate Sub Form_Load() newInstanceIndex = 0 对newInstanceIndex进行初始化End Sub Private Sub Command1_Click() Winsock1.Protocol = sckTCPProtocol 以TCP方式进行通信 Winsock1.LocalPort = 2000 设置服务器通信程序的端口号 Winsock1(0).Listen 等待客户端连接请求 Text1.Text = 已开始监听 服务器端口开始监听End Sub Private Sub Winsock1_Close(Index As Integer) Winsock控件的close事件 Unload Winsock1(Index) Text1.Text = Index & 断开与服务器的链接! End SubPrivate Sub Winsock1_ConnectionRequest(Index As Integer, ByVal requestID As Long) 使用Winsock控件的ConnectionRequest事件 newInstanceIndex = newInstanceIndex + 1 变量自加一，为此次请求分配一个新的socket线程 Load Winsock1(newInstanceIndex) Winsock1(newInstanceIndex).Accept requestID 使用Winsock控件的Accept 方法，建立连接 Text1.Text = newInstanceIndex & 接收到连接请求，已连接 服务器工作状态栏显示“接收到连接请求，已连接”End Sub “Private Sub winsock1_DataArrival(ByVal bytesTotal As Long) Dim rx As String Dim tx As String Winsock1.GetData rx Text2.Text = rx 显示接收到的数据 If ckAutoReply.Value = 1 Then tx = 服务器 & Winsock1.LocalIP & : & Winsock1.LocalPort & 收到来自： & Winsock1.RemoteHostIP & : & Winsock1.RemotePort & 的数据请求。内容为 & rx Winsock1.SendData tx Text1.Text = 已回复握手信息 自动回复 End IfEnd SubPrivate Sub Command2_Click() Winsock1(newInstanceIndex).SendData Text2.Text Text1.Text = 已回复握手信息 手动回复End Sub客户端：图2-10 客户端界面Private Sub Command1_Click() Winsock1.Protocol = sckTCPProtocol 以TCP方式进行通信 Winsock1.RemoteHost = Text1.Text 设置远程服务器IP地址 Winsock1.RemotePort = 2000 设置远程服务器通信程序端口号，与服务器端相同 Winsock1.Connect 与服务器端建立连接End SubPrivate Sub Winsock1_Connect() Text2 = 远程主机连接成功！Command3.Enabled = TrueCommand2.Enabled = TrueCommand1.Enabled = FalseEnd SubPrivate Sub Command2_Click() Dim dx As String dx = Text2.Text Winsock1.SendData dxEnd SubPrivate Sub winsock1_DataArrival(ByVal bytesTotal As Long) Dim rx As String Winsock1.GetData rxText2.Text = rx 显示接收到的数据End SubPrivate Sub Command3_Click()Winsock1.Close Command3.Enabled = False Command2.Enabled = False Command1.Enabled = TrueEnd SubPrivate Sub cmdExit_Click() End 退出客户端End Sub2.2.3 MC35i的AT指令集简介MC35i模块具有强大的AT指令集，保证模块可顺利并稳定的完成语音通话，短消息收发，GPRS通信等各项功能，在本设计中仅涉及其中部分，介绍如下：AT+CGACT=,.此指令为PDP上下文（分组数据协议上下文）激活指令，只有在激活PDP后，模块的GPRS功能才可以使用。欲完成激活，需将的值设为“1”。为PDP上下文标识符，默认为“1”AT+IPR=为欲设置波特率 此指令用于设置模块与客户端通信使用的波特率，MC35i模块可以在波特率300bps至230400bps下运作。且可进行自动比特率调整以支持下列波特率：4800，9600，19200，38400，57600，115200， 230400 bps.AT+CGDCONT=1,”IP”,”CMNET”此条指令用于初始化MC35i模块，指令原型为AT+CGDCONT=,其中为PDP上下文标识符，可选择“1”或“2”中的一位，本设计中为“1”，规定了数据的封装协议，在本设计中选择为IP（Internet Protocol）以满足GPRS网络层的协议要求。规定了接入网络名称，本设计中因SIM卡使用的是中国移动的手机卡，故指令为“CMNET”（China Mobile NET)。2.2.5 客户端上位机的设置 由于GPRS模块对于客户端上位机相当于新添加的一个调制解调器，故需首先设置MODEM随后需为其设置对应的拨号连接，电话号码设置为“*99*1#”（此号码为中国移动GPRS连接公网使用的固定号码）。并设置拨号属性中的协议类型为TCP/IP协议。第三章 实验验证3.1 电源部分实验验证为验证本设计中电源部分可以满足MC35i模块对于供电电流的要求，特设计验证实验如下：项目电压（V）电流（A）是否正常工作已工作五分钟4.651.01是已工作十分钟4.661.02是已工作十五分钟4.671.05是注：设置的输出电压为4.65V，输出电流为1A。负载为46.5大功率滑动变阻器。测量工具为FLUKE 17B型万用表，室温为28摄氏度。精度依万用表精度。3-1 电源模块测试实物图3.2 电平转换部分实验验证 为验证本设计中电平转换部分可以满足MC35i模块对于电平的要求，特设计验证实验如下：使用同原理电平转换芯片MAX3232搭接实验电路，在上位机运行串口调试助手，通过示波器分别观察上位机输出的RS232电平信号与经过转化后可被模块识别的0-3V逻辑电平信号。3-2 电平转换模块测试原理图3-3 未经转换的上位机RS2