（信号与信息处理专业论文）基于GPRS的草原生态远程监测系统的研究.pdf

内蒙古大学2 0 0 6 级l ：学硕士论文 基于g p r s 的草原生态远程监测系统的研究 摘要 随着社会的发展，科技水平的进步，生产自动化水平的提高，数据采集技 术在生产、生活中的应用越来越广泛，为人们提供了更有效的现场监控手段， 保证了生产、生活的安全、高效和方便。 基于g p r s 技术的远程监测系统运用了g p r s 无线网络传输技术，利用已有 移动通信g s m 无线网络实现数据传输，具有覆盖面广，无需增加传输设备和线 路的特点。特别适用于草原生态远程监测系统。 系统的数据采集终端由d s p 为中心的控制电路、图像采集模块、温度传感器、 湿度传感器、风速传感器以及g p r s 网络通信模块组成。其中图像数据压缩模块 采用j p e g 压缩编码技术，对静态图像进行压缩编码，较大地减少了网络传输的 数据量，节省了网络资源，提高了图片的传输速度。为了满足系统的要求，我 彦 们应用g m 8 1 2 5 芯片对d s p 进行串口扩展。为了解决设计中的高速率数据处理与 数据采集、存储和传输速度匹配问题，系统硬件结构采用了d s p + 7 4 l v c 4 2 4 5 a 的 方案，各子功能由d s p 的片内外设模块完成，提高了系统整体性能，用户可以 随时随地用p c 机登陆i n t e r n e t 网络，实现实时数据的远端采集与监测。 关键词：d s p ；g p r s ；远程监测；数据采集 内蒙占人学2 0 0 6 级工学硕十论文 r e s e a r c ho ft h eg r a s s l a n d e c o l o g i c a lr e m o t emo n i t o r i n g s y s t e mb e s e do ng p r s a b s t r a c t t e c h n o l o g yo fd a t ac a p t u r e h a sb e e nu s e di nm a n yf i e l d s a l o n gw i t ht h e d e v e l o p i n go fs c i e n c ea n da u t o m a t i z a t i o nt e c h n o l o g y i tp r o v i d e sm o r ee f f e c t i v e i n s p e c t o ri n d u s t r ya n dm a k e sh u m a n l i f es a f e ra n dm o r ec o n v e n i e n t a d v a n c e dt e c h n o l o g yo fg p r sw i r e l e s sn e t w o r kt r a n s m i s s i o ni sa p p l i e di nt h e r e m o t ew i r e l e s sd a t ac a p t u r es y s t e mb a s e do ng p r st e c h n o l o g y d a t ao fi m a g ec a r lb e t r a n s m i t t e dt h r o u g hw i r e l e s sn e t w o r ko fg s mi ne x i s t e n c e t h es y s t e mc a nb eu s e di n m o s to c c a s i o n sw i t h o u ts p e c i a le q u i p m e n t s ，s p e c i a l l yi nt h eo c c a s i o nt h a tn e t w o k r w i t hc a b l ec a nn o tb ep a v e d d a t ac a p t u r et e r m i n a lo ft h ew h o l es y s t e mi sc o m p o s e do fc o n t r o lc i r c u i tb a s e do n d s p ，i m a g es a m p l i n gm o d u l e ，t e m p e r a t u r ea n dh u m i d t ys e n s o r , w i n ds p e e ds e n s o r 内蒙古人学2 0 0 6 级j ：学硕士论文 a n dg p r sn e t w o r kt r a n s m i s s i o nm o d u l e i m a g e sa r ec o m p r e s s e da n de n c o d e dw i t h j p e gs t a n d a r db yh a r d w a r et or e d u c et h et r a n s m i s s i o nq u a n t i t yo fi m a g ed a t a i n o r d e rt om e e tt h es y s t e mr e q u i r e m e n t s ，w ea p p l yg m 812 5t os e r i a le x p a n s i o nb y d s p t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s pa n d7 4 l v c 4 2 4 5 ad e v i c ei su s e di ns y s t e mh a r d w a r e t h i ss t r u c t u r ec a nc o n n e c tt h eh i g hs p e e dp a r to fd a t ap r o c e s s ，d a t am e m o r ya n dd a t a c a p t u r ew i t ht h el o ws p e e dp a r to fd a t at r a n s m is s i o n m o d u l e sw i t hg e n e r a ls t a n d a r d i n t e r f a c ea r eu s e di nt h ed a t ac a p t u r es y s t e m v a r i o u ss u b f u n c t i o n si sc o m p l e t e d t h r o u g hd s pi n c h i pp e r i p h e r a lm o d u l e t h ep e r f o r m a n c ei si n c r e a s e dw i t ht h er e d u c e o fs y s t e mc o m p l i c a t i o n u s e r sc a nc a p t u r et h ed a t ao ft h ea c t u a ls c e n e ，a n dc a na l s o i n s p e c ta n dc o n t r o li tr e m o t e l yw h e n e v e ra n dw h e r e e v e r k e y w o r d s ：d s p ；g p r s ；r e m o t e m o n i t o r i n g ：d a t ac a p t u r e 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除本文已 经注明引用的内容外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得凼苤直太堂及 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：指导教师签名：乏趁 日 期：揖! 么正 日 在学期间研究成果使用承诺书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：内蒙古大学有权将学位论文的全 部内容或部分保留并向国家有关机构、部门送交学位论文的复印件和磁盘，允许编入有关数据库进行检索， 也可以采用影印、缩印或其他复制手段保存、汇编学位论文。为保护学院和导师的知识产权，作者在学期 间取得的研究成果属于内蒙古大学。作者今后使用涉及在学期间主要研究内容或研究成果，须征得内蒙古 大学就读期间导师的同意；若用于发表论文，版权单位必须署名为内蒙古大学方可投稿或公开发表。 学位论文作者签名： 日期： 指导教师签名： 日 内蒙古大学2 0 0 6 级工学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 草原生态环境的现状 近几年，随着内蒙古草原生态环境持续恶化引发的水土流失加剧、草原鼠虫害暴发、沙 尘暴频发等一系列草原生态安全问题的出现，草原保护和综合治理得到社会各界的广泛关注 1 1 。加强草原生态保护和建设对于促进内蒙古畜牧业和农村经济社会和谐发展，保障生态安 全、食物安全具有重要的战略意义。 内蒙古草原总面积近8 8 万平方公里，居我国五大草原之首【2 1 。广袤的草原是内蒙古1 4 0 0 万农牧民赖以生存的基础，也是内蒙古以及我国“三北 地区的天然生态屏障，又是我国最 大的天然牧场和畜牧业生产基地，其毛、绒、肉、乳、皮等畜产品在国内市场举足轻重。 建国以来，内蒙古在治理和遏制草原退化、沙化、碱化，改善生态环境方面做出了艰巨 努力，积累了许多成功的经验，取得了阶段性成果。但由于受自然条件和经济发展等因素影 响，内蒙古草原生态环境仍呈整体恶化的趋势，建设速度赶不上退化速度。草原生态“局部 治理，总体恶化 的局面未能得到有效遏制。目前，内蒙古9 0 的可利用天然草原不同程度 地退化，草原综合生产能力急剧下降，草畜矛盾十分突出，其结果是水土流失严重，鼠虫害 严重，沙尘暴频繁发生，从而引发一系列生态问题，影响了畜牧业经济发展【l 】。 1 2 草原生态监测的研究现状 传统意义上的草原生态监测【3 1 ，科研人员要定期到草原的监测点去采集图像、湿度、温度 等数据，再回实验室对数据进行分析和总结，最终得出结论。内蒙古草原分布广泛，大多地 处交通不便的地区，这样给研究人员采集数据带来了一定的难度。另外这就使科研周期加长， 研究广度有了很大的局限性。 3 s 技术的应用为科学研究提供了极大的方便。3 s 技术是遥感r s ( r e m o t es e n s i n g ) 、地 理信息系统g i s ( g e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m ) 、全球定位系统g p s ( g l o b a lp o s iti o n i n g 内蒙古大学2 0 0 6 级工学硕士学位论文 s y s t e m ) 三种技术的总称【4 1 ，即利用g i s 的空间查询、分析和综合处理能力，r s 的大面积获 取地物信息特征的能力，g p s 快速定位和获取数据准确的能力，三者有机结合形成一个系统， 实现各种技术的综合【5 】，并且是空间技术、传感器技术、卫星定位与导航技术和计算机技术、 通信技术相结合，多学科高度集成的对空间信息进行采集、处理、管理、分析、表达、传播 和应用的现代信息技术，广泛的应用于农业、牧业、矿业等方面的生态系统检测 6 1 。3 s 技术 在草原生态监测中的应用主要包括【3 】：草原分类和制图；草原生产力的遥感和估产；草原生 态评价；草原生态监测和预警；草原资源与生态保护建设工程的监测与评价。 早在2 0 世纪9 0 年代，农业部有关部门就运用3 s ( r s 、g i s 、g p s ) 技术与地面调查相结合 的方法，进行草原监测。监测草地退化的原因，在哪些地区是以气候的变异为主，在哪些地 区是以不合理的放牧利用为主；即使是气候变异造成的草地退化，也需要对不合理的放牧利 用是如何加剧草地退化的，要有定性、定位、定量的了解【7 l 。 1 3 草原生态监测的实际意义 目前内蒙古许多草地外界干扰强度超出了系统内部的调节能力和自我修复能力 1 1 ，系统 结构发生变化，功能紊乱，出现退化，失去平衡，生态系统处于受损状态，成为受损生态系 统。其具体表现包括：植被覆盖度降低，生产力下降，物种减少；土壤结构改变，养分降低， 水土流失趋于严重；系统对外界环境的变化敏感，抗干扰能力降低。 但是值得注意的是，人们已经意识到了这些问题，并且已经开始重视草原生态监测的工 作，本课题的主要目的就是从草原生态系统监测的实际意义出发，针对草原生态学研究，为 从事草原生态研究的科研人员提供草原生态状况的实时数据，并且对迸一步进行草原生态环 境的保护和改善提供一定的依据，因而具有重要的科学研究意义和社会经济价值 2 内蒙古人学2 0 0 6 级工学硕士学位论文 第二章系统的总体设计 2 1 系统的组成 草原生态监测系统主要包括三个部分：数据采集终端、数据传输网络和数据监测中心。 如图3 1 所示： 图2 1 系统结构 f i g 2 1 t h ea r c h i t e c t u r eo fs y s t e m 数据采集终端包括图像采集部分和温度传感器、湿度传感器及风速传感器数据采集部分， 图像采集部分采用c 3 2 8 串口j p e g 压缩模块，直接就可以将图像进行j p e g 压缩，湿度和风速 3 内蒙古大学2 0 0 6 级工学硕士学位论文 传感器等的模拟数据经过d s p 的a d c 模块进行a d 转换，温度数据直接通过d s p 的i o 接口 模块进行采集即可。 整个系统的数据传输部分由g p r s 模块、g p r s 网络和i n t e r n e t 网络组成，实现网络传输 功能。数据采集终端是通过g p r s 模块与g p r s 网络进行无线连接的，g p r s 模块与数据采集设 备部分的接口是通用异步串行接口( u a r t ) 。 数据监测中心也包括硬件和软件部分，硬件为一台能接入i n t e n r e t 的电脑，软件为控制 中心监控程序，电脑的网络状态无特殊要求，广域网、局域网，固定i p 、动态i p 等等均能 适用于本系统【引1 9 1 。数据监测中心在采集数据方面与数据采集终端达成了一定的协议。正常 工作时数据采集终端定时向监测中心发送数据：当监测中心需要实时采集数据的时候，就会给 采集终端相应的命令，采集终端经过识别之后将所需的数据采集发送到数据监测中心。 2 2 系统实现的功能要求 系统的设计目标是通过数据采集终端采集数据，经过g p r s i n t e r n e t 网络传输，最终由数 据监测中心实现远程监测。 1 、数据采集终端实现对数据的高精度采集和安全的存储，能将采集到的数据准确的传 回数据控制中心； 2 、图像数据采集的接入采用r s 2 3 2 的传输方式； 3 、各传感器的数据是通过d s p 的片内外设进行采集的； 4 、采用g s m g p r s 网络、i n t e r n e t 网络与控制中心进行通信。 5 、由于d s p 只有一个异步串行接口( s c i ) 故而需对其进行串口扩展才能满足系统的要 求； 6 、由于d s p 内部的数据实际存储空间只有2 5 3 k b i t ，不能满足系统设计的需要，需 进行存储器扩展； 7 、系统应具有现场抗干扰能力【8 1 ； 8 、运行环境：- 1 0 - 一3 0 。 4 内蒙古大学2 0 0 6 级工学硕士学位论文 2 3 系统工作过程 1 、用户终端设备采集数据并对数据进行处理，比如将模拟信号转化为数字信号、对数据进 行格式化等等【9 l ： 2 、处理后的数据经过串口发送到g p r s 模块上； 3 、g p r s 模块将接收到的数据打包成i p 包，包含的数据中心i p 地址和端口号； 4 、通过g p r s 空中接口将数据发送到g p r s 网络； 5 、数据通过g g s n 接入i n t e r n e t 网络； 6 、数据通过i n t e r n e t 各网关和路由器到达监测中心； 7 、监测中心将i p 包解包，将数据恢复出来。 内蒙古大学2 0 0 6 级工学硕士学位论文 第三章d s p 芯片 3 1d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 概述 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 数字信号处理器是t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 平台下的一种定点d s p 芯片，它提供了低成 本、低功耗、高性能的处理能力。 美国t i 公司的t m s 3 2 0 系列包括：定点、浮点、多处理器数字信号处理器和定点d s p 控制器。 t m s 3 2 0 系歹i d s p 的体系结构专为实时信号处理而设计，该系歹o d s p 控制器将实时处理能力和控 制器外设功能集于一身，为控制系统应用提供了一个理想的解决方案。下列特性使得t m s 3 2 0 系列成为很多处理应用的理想选择1 0 1 ： 灵活的指令集 内在的操作灵活性 高速的运算能力 改进的并行结构 有效的成本 t i 公司的一系歹i j d s p 产品已经成为当今世界上最有影响力的d s p 芯片。t i 公司已经成为世 界上最大的d s p 芯片供应商，其市场占全世界份额的的近5 0 【1 1 l 。其所生产的t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系 列是定点d s p 芯片，主要面向控制领域，目前主推t m s 3 2 0 c 2 4 x 和t m s 3 2 0 c 2 8 x 。t m s 3 2 0 c 2 4 x 提供 2 0 - - - 4 0 m i p s 的运算速度，内部集成了p w m 、f l a s h 等许多工业控制领域所需的资源，性价比较 高。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 数字信号处理器是t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 平台下的一种定点d s p 芯片，它提供了低成 本、低功耗、高性能的处理能力。本设计采用t i 公司的数字信号处t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 作为系统的 主控芯片。芯片引脚如图3 1 所示： 6 内蒙古大学2 0 0 0 级工学硕l 学位论文 囤3i m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 芯片引脚困 f i g31t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a d s pc h i p p i n d i a g r a m l f 2 4 0 7 ad s p 是t i 公司推出的一款低价格、商性能的定点d s p 芯片。l f 2 4 0 7 a 是针对控制应 用而设计的，它集成了高性能的d s p 内核和片内外设于一个芯片内，是传统的微控单元与昂贵 的多片设计的一款廉价替代品。l f 2 4 0 7 a 的运行速度可达| u 4 0 m i p s ( 每秒4 0 0 0 万条指令) ，其速 度远超过了传统的1 6 位微处理器眦1 。在t m s 3 2 0 系列d s p 的基础上，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 有以下一些 特点； 基于高性能静态c m o s 技术，使得供电电压降为3 3 v ，减少了控制器的功耗；4 0 m i p s 的执行速度使得指令周期缩短到2 5 n s ，从而提高了控制器的实时控制能力： 基于t m s 3 2 0 c 2 x x 的c p u 核，保证f l f 2 4 0 7 ad s p 代码和t m s 3 2 0 系，d d s p 代码兼容： 片内高达3 2 k 字的f l a s h 程序存储器，高达l _ 5 k 字的数据程序r a m ，5 4 4 字的双口 r a m ( d r a m ) 和2 k 字的单口r a m ( s r a m ) ： 内蒙古大学2 0 0 6 级t 学硕士学位论文 两个事件管理器模块e v a 和e v b ，每个包括1 6 位通用定时器；8 个1 6 位的脉宽调制( p w m ) 通道。它们能够实现：三相反相器控制；p w m 的对称和非对称波形；当外部引脚 p d p i n t x 出现在低电平时快速关闭p w m 通道；可编程的p w m 死区控制以防止上下桥臂 同时输出触发脉冲；3 个捕获单元；片内光电接口电路；1 6 通道a d 转换器。事件管 理器模块适用于交流感应电机、无刷直流电机、步进电机、多级电机和逆变器。 可扩展的外部存储器总共1 9 2 k 字：6 4 字程序存储器，6 4 k 数据存储器，6 4 k 字i o 寻址 空间； 看门狗定制器模块； 1 0 位a d 转换器最小转换事件为5 0 0 n s ，可选择由两个事件管理器来触发两个8 通道输 入a d 转换器或一个1 6 通道输入的a d 转换器； 控制器局域网c a n 模块； 异步串行通信接口( s c i ) 模块； 1 6 位的同步串行外设接口( s p i ) 模块； 基于锁相环的时钟发生器； 高达4 0 个可单独编程或复用的通用输入、输出引脚( g p i o ) ： 5 个外部中断( 电机驱动保护、复位和两个可屏蔽中断) ； 电源管理包括3 种低功耗模式，并且能独立将外设器件转入低功耗模式。 3 2t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的存储器 t m s 3 2 0 l f l c 2 4 0 x a 具有1 9 2 k 字的可寻址存储器空间 1 3 1 ：6 4 k 字程序空间、6 4 k 字数据空间 和6 4 k 字i o 空间，一些芯片还通过扩展页增加地址空间。片内存储器的结构和容量根据芯片 的型号有所区别，一般包含随机存取存储器( r a m ) 、只读存储器( r o m ) 和f l a s h 型存储器。 对于以l f 为前缀的d s p 芯片具有f l a s h ，而以l c 为前缀的芯片没有f l a s h 。其中r a m 又分为单存 取r a m ( s a r a m ) 和双存取r a m ( d a r a m ) ，d a r a m 和s a r a m 可以被配置为数据存储器或者程序数 据存储器。 程序存储器和数据存储器的配置取决于m p m c 的电平和c n f 位的配置。首先，m p m c 弓i 脚 决定程序指令是从片内f l a s h r o m 还是从外部存储器读起。为低电平时器件工作在微控制器方 式，此时片内f 1 a s h r o m 被使能，上电后芯片从片内程序存储器读取复位矢量；如果被配置为 内蒙古大学2 0 0 6 级工学硕士学位论文 高电平。芯片工作在微处理器方式，芯片上电后直接从外部读取程序指令。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的d a r a m 被分为3 个块：b o 、b l 和b 2 块，b o 艮i 可以是程序存储器也可以是数 据存储器而其它两个只能配置为数据存储器。c n f 位是状态寄存器s t l 的第1 2 位，它决定了d a r a m 被配置在片内还是片外，c n f 为0 时，b o 块被映射到片外存储空间；为1 时，该d a r a m 被映射为片 内存储空间。 3 3 数字输入输出模块( i 0 ) t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 有多达4 1 个通用、双向的数字i o ( g p i o ) 引脚，其中大多数都是基本功 能和一般i 0 复用引脚，l f 2 4 0 7 a 的大多数引脚都可用来实现其他功能。数字i 0 端口模块 采用了一种灵活的方法，以控制专用i o 和复用i 0 引脚的功能，所有i o 和复用引脚的功 能可通过9 个1 6 位控制寄存器来设置，这些寄存器可分为两类【1 4 】： i o 口复用控制寄存器( m c r x ) ：用来控制选择i 0 口作为基本功能方式或一般i o 引 脚功能； 数据和方向控制寄存器( p x d a t d i r ) ：当i o 口用作一般i 0 弓1 脚功能时，用数据和方向控 制寄存器可控制数据和到双向t l o z j l 脚的数据方向，这些寄存器直接和双向i o 王j i 脚相连。 图3 2 给出了i 0 复用引脚见图，从图上可以看出一些寄存器单元的配置对应于实际i o 引脚的内部结构之间的联系。 我们以i o p a 口举例说明一下。 图3 2i o 引脚复用简图 f i g 3 2 i op i nm u l t i p l e x i n gd i a g r a m 9 内蒙古人学2 0 0 6 级工学硕士学位论文 先设置i 0 口复用控制寄存器a ( m c r a ) 1 41 31 2 l ll o98 7s 43 o r w or w _ or w _ or w _ o r w o r 跹or wor wo 洼。r 一坷读，w t 可写j w 复位辱的袋 弓i 功黛选辱 位 位鲍名蓦 篝率班钯m c r a 8 = 1 ) 一麓i i l ) i - i l m c r a n d ) o m c r 九09 c t t x b 1 0 p a o lm c r a 1 s c i r x dh 妒 l z m c r 2x l 料l ! o 妒 2 3 艇a 队3c a p z q e p !h ) p 3 4 m c r a i c a p 2 q e p 2自a 4 s蜡c r 九sc a p 3 k 撑，a s n m c r 九6p w m l 孢 6 7 m c r 九7f w m 2 1 0 p 7 l 为功匏j 告撵 位 位的名舞 纂奉功健f m c r 气n 1 ) 一般i f 0l i ( m c r 九f = o ) 巷 融c r 丸8l ，w m 3l o p 葑0 9m e 免 9p w m i i o l ，b l l om c r a 1 诤p w m 5l a 糟2 nm c r a 。i ip w m 61 0 p 髓 1 2 m c r 气1 2下1 】，w m ，。r l c m l ji c 唾，b 4 1 3m c r 九1 3t 2 p w m 1 1 c m l 1 0 p b 5 l m c 敏a 1 4砌r i a 科 6 1 5m c r a 1 i t c l k i n al 窃，b 7 如果m c r a x = l ，实现的就是基本功能；若m c r a x = 0 ，实现的就是一般的i 0 口功能。比 如m c r a = o x 0 0 0 3 ，就可以知道m c r a 1 5 到m c r a 2 都是一般的i o 口功能，而只有m c r a 1 和 m c r a o 是基本功能，选择s c i r x 和s c i t x 也就是选择了异步串行口接收数据引脚和异步串行 口发送数据引脚。 对于其它的i 0 口复用输出寄存器先要搞清楚对应的是那些i o 口然后再行设置，这里 就不做介绍。 1 0 内蒙古人学2 0 0 6 级工学硕士学位论文 接下来再看看i o 口数据和方向寄存器 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 总共有6 个数据和方向控制寄存器( p x d a t d i r ) ，当i o 口用作一般i o 引脚功能时，用数据和方向控制器，可控制数据和到双向i o 引脚的数据方向。这些寄存器 直接和双向i o 引脚相连。当i 0 用作基本功能时，这些寄存器的设置对相应的引脚无影响。 端口a 数据和方向控制寄存器( p a d a t d i r ) i sl 1 ：i 1 2i ll o9 8 ia 7 d l kla 6 d i rla d i rf a d l 冀 la 3 d i r !a 2 u i rla 1 1 ) 墩i a e d i r l r w 一9 r w _ or _ 哪r w 0r w 0r w og w _ 0 r w _ o 7s5432l o l - 0 p 7l l p a 6 l i f p a 5 i l o p a 41 ( ) l ， 5 f k 澎a 2 l l o p a i l o p a 0 l r w ir w 二。卜r w + r w 毒r l r w 知r w r w 二。圣- | i = 十麓| 复巧的萤褶翱瘟谢豹袄老骞黑r t i f 渎wt 回叮，0 一簋传霸的绽 位1 5 - 8a n r 0 配鼍相峻的弓l 狮为输入方式 l 配震籀窿豹霉湃为箱i l i 方式 位7 一, - 0k ，p a n 。 如果a d 墩一o 姆弓i i m 为飧人万式： 0 凛相应引辫的藏为低毫甲 l 落栩应铂拇豹值为病屯擎 如果a n d f r = 】睁弓 辫为慧也方式， 0 置翘应鹩霉i 一使其赣她_ 勾祗电平 l 设置朔庭的哼| 并捷箕输出为商电乎 比如p a d a t d i r = o x o f f 0 ，就表示i o p a 7 到i o p a 4 是为输入高电平，而i o p a 3 到i o p a 2 为输 出低电平，因为i o p a i 和i o p a o 实现的是基本功能所以i o 口数据和方向寄存器对它的功能 没有任何影响。 如果i 0 端口用作一般i o 来用，则在对端口初始化时就必须对数据和方向控制寄存器 进行设置，规定其为输入还是为输出。由于其它端口的数据和控制寄存器的设置方法与端口 a 相同，在这里就不做重复介绍。 3 4 模数转换模块( a d o ) 3 4 1 模数转换模块a d c 特性 内蒙古大学2 0 0 6 级工学硕十学位论文 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的模数转换模块a d c 具有以下特性【l 0 1 带内置采样和保持( s h ) 的1 0 位模数转换模块a d c 。 多达1 6 个的模拟输入通道( a d c i n o a d c i n l 5 ) 。 自动排序的能力。一次可执行最多1 6 个通道的“自动转换 ，而每次要转换的通道都 可通过编程来选择。 两个独立的最多可选择8 个模拟转换通道的排序器( s e q l 和s e q 2 ) 可以独立工作在 双排序器模式。或者级连之后工作在一个最多可选择1 6 个模拟转换通道的排序器模 式。 在给定的排序方式下，4 个排序控制器( c h s e l s e q n ) 决定了模拟通道转换的顺序。 可单独访问的1 6 个结果寄存器( r e s u l t 0 r e s u l t l 5 ) 用来存储转换结果。 多个触发源可以启动a d 转换： 软件：软件立即启动( 用s o cs e q n 位) ； e v a ：事件管理器a ( 在e v a 中有多个时间源可以启动a d 转换) ； e v b ：事件管理器b ( 在e v b 中有多个时间源可以启动a d 转换) ： 外部：a d c s o c 引脚。 灵活的终端控制允许在每一个或每隔一个序列的结束时产生中断请求。 排序器可工作在启动停止模式，允许多个按时间排序的触发源同步转换。 e v a 和e v b 可各自独立地触发s e q i 和s e q 2 ( 仅用于双排序器模式) 。 采样和保持获取时间窗口有单独的预定标控制。 内置校验模式。 内置自测试模式。 3 4 2a d c 模块工作原理 l f 2 4 0 7 a 内部有一个1 0 位的模数转换器a d c ，该模块对1 6 路模拟输入信号进行采样保 持和a d 转换，通道的转换顺序可以编程选择。l f 2 4 0 7 a 的a d c 可以达到3 7 5 n s 以内的转换 速度，可以直接用于电动机或运动控制场合【1 3 】。 a d c 模块中有两个独立的8 个状态的排序器( s e q l 和s e q 2 ) ，这两个排序器也可以级联 成一个1 6 状态的排序器( s e o ) 在这两种工作方式下，模拟输入引脚的输入经过排序器排序， 1 2 内蒙古大学2 0 0 6 级t 学硕士学位论文 由多路选择器选择出要转换的通道，送入a d 转换部分进行转换，转换结果存入结果寄存器 ( r e s u l t n ) 中1 1 3 1 。 一个完整的a d c 转换过程一般分为5 个阶段：启动时序同步，采样，转换，结束转换， 序列转换完成后设置标志位。 启动a d 转换有三种方式： 软件触发。通过a d c t r l 2 的s o cs e q n 位置来实现。 事件管理器触发。利用e v a 和e v b 中的事件如定时器上溢、下溢、周期中断和比较中断事 件的发生来启动。 外部引脚a d c s o c 。这是个复用引脚( 与x i n t 2 复用) 作为a d c 的转换触发源，通过边沿 跳变来启动转换，而边沿的极性是可以控制的。 1 3 内蒙古人学2 0 0 6 级j = 学硕士学位论文 第四章g p r s 技术 4 1g p r s 技术概述 g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e v r i c e ) 即通用分组无线业务，它是在现有g s m 系统技 术的基础上引入新的部件而构成的一种新的无线传输系统，g p r s 在移动终端与计算机通信网 络的路由器之间提供了分组传递业务。g p r s 是第二代移动通信技术g s m 向第三代移动通信( 3 g ) 的过渡技术【i5 1 ，也有人称之为2 5 g 。它是由英国b tc e l l e n t 公司早在1 9 8 3 年提出的，是 g s mp h a s e 2 + 标准的实现内容之一，是一种基于g s m 的移动分组数据业务，面向用户提供移动 分组的i p 或者x 2 5 连接【1 6 l 。 4 2g p r s 的发展状况 在通信技术发展的历程中，初期阶段主要用固定有线网络来传输语音，随着社会发展和 通信技术的进步许多国家有线网络数据通信业务己经超过了话音业务。随着无线通信技术的 发展，它的职能已经不仅仅是传输话音业务。最近几年，许多国家在g s m 网络上短消息业务 的极大成功，说明移动数据通信的市场具有极大的潜力。正如话音经历了从第一代、第二代 发展到第三代移动通信一样，移动通信技术也在更新换代，从第一代，第二代g s m 发展到现 在进入实用阶段的2 5 代g p r s 技术和部分地区已经投入商用的3 g 通信技术【1 7 j ，并且第四代 移动通信系统即4 g 的最新技术也在实验室悄然进行当中o s 。 第三代移动通信技术的发展与逐步应用，必将驱使无线数据业务的迅速增长与发展。在 广泛使用的第二代移动通信系统中，g s m 是目前使用最广的，其网络遍布1 3 0 个国家，具有 近2 0 0 个运营商。g p r s 的现状已经非常成熟，目前，全世界己有1 0 0 多个运营商开通了商用 系统、试商用系统或实验系统【l9 1 。较为著名的有英国的b tc e l l n e t 、德国的t m o b i l e 、中 国香港的s m a t o n e 、中国台湾的t s l 以及法国、西班牙、葡萄牙、芬兰、捷克、丹麦、比利 时、意大利、俄罗斯、澳大利亚、新加坡、菲律宾等国家和地区的运营商1 2 0 1 。从1 9 9 9 年开 1 4 内蒙古大学2 0 0 6 级t 学硕士学位论文 始，英国的b tc e l l e n t ，荷兰的t e l f o t r 、中国香港的s m a t o n e 等多个国家和地区的运营商， 纷纷在其g s m 网基础上大力发展g p r s 。2 0 0 1 年各运营商有了非常大的发展，2 0 0 2 年已经进 入商用化。 在中国随着移动通信网络覆盖范围的不断扩大和用户数量的不断增加，中国移动通信公 司和中国联通也都争相推出新业务。如语音信箱、移动秘书、短消息、手机银行、w a p 上网 等业务。其中短信息价格低廉、方便实用深受用户喜爱，业务量激增：而w a p 业务实际应用却 并不理想。w a p 业务采用的是g s m 电路交换数据( c s d ) 方式，速率低，不能满足用户实际的需 要。 随后中国移动采用了新的g p r s 技术，使无线通信的速度得到了大幅度的提高。使用户可 以以移动方式上网浏览网络和下载上传数据。g p r s 的传输速度比传统的拨号上网要快很多， 而且具有“永远在线”特点，而且按流量收费没有数据流量的传递时，客户即使在线，也不 收费。目前g p r s 的覆盖范围已经非常广，用户数量也在急剧增加。 4 3g p r s 的应用 g p r s 网主要为用户提供突发性的数据业务【2 l 】，g p r s 对于个人用户主要提供无线上网、 e - m a l i 、文件传输、车辆定位、静动态图像、远程局域网接入、家庭自动化等业务。对于集 团用户，g p r s 可提供以下几类应用：车辆及智能调度、无线p o s 、无线a t m 、自动售货机、流 动银行、遥测、遥感、遥控如气象、水文系统收集数据，对灾害进行遥测和报警、远程操作 等。 目前，g p r s 数据传输终端在工业上许多领域得到了较好的应用，特别是工作环境恶劣、 地理位置偏僻、无人值守场所，如电力调控控制、水利工程施工、草原生态监测、水情水文 监测【2 2 1 、气象数据采集等领域对g p r s 数据传输终端有了更高的要求。数据传输的实时性与 可靠性成了设计远程数据采集系统的关键。 4 46 p r s 的特点 ( 1 ) g p r s 采用分组交换技术【2 3 1 ，高效传输高速或低速数据和信令，优化了对网络资源和 无线资源的利用。 1 5 内蒙古大学2 0 0 6 级t 学硕士学位论文 ( 2 ) 定义了新的g p r s 无线信道，且分配方式十分灵活：g p r s 采用与g s m 同样的无线调制 标准、同样的频带、同样的突发结构同样的跳频规则以及同样的t d m a 帧结构。区别在于，g p r s 系统可以将t d m a 帧的一些时隙动态地安排给g p r s 用户，这些时隙被称为分组数据信道 ( p d c h ) 。每个t d m a 帧可分配l 到8 个无线接口时隙。时隙能为活动用户所共享，且向上链路 和向下链路的分配是独立的。通过在一条p d c h 上复用多个用户，或一个用户也可以占用多个 p d c h ，g p r s 有效地共享了无线资源，提高了无线资源的使用效率。 ( 3 ) 支持中、高速率数据传输，可提供9 0 5 1 7 1 2 k b t i s 的数据传输速率( 每用户) 。g p r s 采用了与g s m 不同的信道编码方案，定义了c s - 1 、c s - 2 、c s - 3 和c s - 4 四种编码方案【2 4 l 。 ( 4 ) g p r s 网络接入速度快，提供了与现有数据网的无缝连接。 ( 5 ) g p r 支持基于标准数据通信协议的应用，可以和i p 网、x 2 5 网互联通信。g p r s 网络 具有包交换网络的结构，该网络具有对移动台的管理功能和无线接入功能。从用户角度看， g p r s 网络就相当于一个i n t e m e t 网络的子网，g p r s 网络内的移动台就相当于该子网内的主机。 当g p r s 提供i p 服务时，网络会安排一个i p 地址集，这些地址可以动态或静态地分配给移动 终端，从而实现与基于i p 协议的固定主机通讯。支持特定的点到点和点到多点服务，以实现 一些特殊应用如远程信息处理。g p r s 也允许短消息业务( s m s ) 经g p r s 无线信道传输。g p r s 骨 干网之间可以提供终端的漫游服务。 ( 6 ) g p r s 的设计使得它既能支持间歇的爆发式数据传输，又能支持偶尔的大量数据的传 输。它支持四种不同的q o s 级别。g p r s 能在0 5 1 秒之内恢复数据的重新传输。g p r s 的计 费一般以数据传输量为依据。 ( 7 ) 在g s mp l m n 中，g p r s 引入两个新的网络节点：一个是g p r s 服务支持节点( s g s n ) ，它 和m s c 在同一等级水平，并跟踪单个m s 的存储单元，实现安全功能和接入控制。节点s g s n 通过帧中继连接到基站系统。另一个是g p r s 网关支持节点g g s n ，g g s n 支持与外部分组交换 网的互通，并经由基于i p 的g p r s 骨干网和s g s n 连通。 ( 8 ) g p r s 的安全功能同现有的g s m 安全功能一样。身份认证和加密功能由s g s n 来执行。 其中的密码设置程序的算法、密钥和标准与目前g s m 中的一样，不过g p r s 使用的密码算法是 专为分组数据传输所优化过的。g p r s 移动设备( m e ) 可通过s i m 访问g p r s 业务。 ( 9 ) 蜂窝选择可由一个m s 自动进行，或者基站系统指示m s 选择某一特定的蜂窝。m s 在 重选择另一个蜂窝或蜂窝组( 即一个路由区) 时会通知网络。 ( 1 0 ) 为了访问g p r s 业务，m s 会首先执行g p r s 接入过程，以将它的存在告知网络。在m s 和s g s n 之间建立一个逻辑链路，使得m s 可进行如下操作：接收基于g p r s 的s m s 服务、经由 1 6 内蒙古大学2 0 0 6 级工学硕士学位论文 s g s n 的寻呼、g p r s 数据到来通知。 ( 1 1 ) 为了收发g p r s 数据，m s 会激活它所想用的分组数据地址。这个操作使m s 可被相应 的g g s n 所识别，从而能开始与外部数据网络的通信。 ( 1 2 ) 用户数据在m s 和外部数据网络之间透明地传输，它使用的方法是封装和隧道技术： 数据包用特定的g p r s 协议信息打包并在m s 和g g s n 之间传输。这种透明的传输方法缩减了 g p r sp