（检测技术与自动化装置专业论文）基于gprs的嵌入式数据采集系统设计.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 随着通信技术的发展，无线通信网络在工业数据传输中的应用日益增多。目前在工 业数据传输领域大多采用有线的通信方式进行，虽然经济实用，但在很大程度上限制了 应用场合的拓展。随着嵌入式系统的大力推广，嵌入式产品也在迅速发展且应用到各个 领域。为了使远距离的数据采集传输实现更灵活方便，“基于g p r s 的嵌入式数据采集 系统”就是在这样一个要求下提出并且实现的。 此系统是以$ 3 c 2 4 1 0 芯片作为核心处理器来构建硬件平台，以嵌入式l i n u x 系统 作为软件资源的核心，高性能的硬件支持了基本接口功能和操作系统的运行，通过g p r s 模块m c 3 9 i 来完成无线数据的传输。 本文首先对远程数据通信的现状及发展前景进行了综述，然后对g p r s 技术和嵌入 式系统进行了详尽的分析和研究，给出了基于g p r s 的嵌入式数据采集系统的实现方案。 在分析各个模块功能实现原理的基础上，完成相应的硬件电路设计，并完成整个系统电 路板的设计。对b o o t l o a d e r 的作用特点进行分析，选用u b o o t 作为此系统的b o o t l o a d e r ， 并完成到此硬件平台的移植；根据实际需要，最终选用嵌入式l i n u x 作为平台的操作系 统，把l i n u x 系统移植到此硬件平台。编写g p r s 驱动程序，完成模块的初始化和管理， 针对p p p 协议实现p p p 拨号，针对t c p i p 协议进行s o c k e t 编程实现数据的通信。 综合嵌入式l i n u x 技术和g p r s 来实现特定场合的数据采集、传输是一个非常有前 景的选择，此系统可广泛用于燃气、油田、电力等部门。 关键词：g p r s ；嵌入式系统；数据采集；l i n u x 大连理工大学硕士学位论文 e m b e d d e dd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e do ng p r s a b s tr a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y t h ew i r e l e s sn e t w o r ki sa p p l i e d i nt h ed a t at r a n s m i s s i o no ft h ei n d u s t r ym o r ea n dm o r e a tp r e s e n t ，t h ew a yo fw i r e d c o m m u n i c a t i o nt ot r a n s m i td a t ah a sb e e nm o s t l yu s e di nt h ef i e l do fi n d u s t r y ，t h o u g hv e r y e c o n o m i c a la n dp r a c t i a l ，w i r e dd a t at r a n s i m i s s i o nh a sl i m i t e di t sa p p l i c a t i o np r o s p e c t st o a l a r g ee x t e n t w i t ht h ee n e r g e t i c a le x t e n s i o no ft h ee m b e d d e ds y s t e m e m b e d d e dp r o d u c t s d e v e l o pr a p i d l ya n dh a v eb e e na p p l i e dq u i t em a n yf i e l d s i n o r d e rt om a k et h er e m o t ed a t a a c q u i s i t i o na n dt r a n s m i s s i o nm o r ef l e x i b l ea n dc o n v e r n i e n t ，t h ee m b e d d e dd a t aa c q u i s i t i o n s y s t e mh a s e do ng p r si sp r e s e n t e da n di m p l e m e n t e du n d e rt h i sr e q u i r e m e n t n l i ss y s t e mu s e s $ 3 c 2 4 1 0c h i pa sk e m e lp r o c e s s o rt oc o n s t r u c tt h eh a r d w a r ep l a t f o f i n n 掂e m b e d d e dl i n u xi sc h o s e da st h ek e m e lo fs o f t w a r er e s o u r c e h i g h - p o w e r e dh a r d w a r e s u p p o r t sb a s i ci n t e r f a c e sf u n c t i o na n dt h en m n i n go fo p e r a t es y s t e m a n dt h em c 3 9 im o d u l e i su s e dt ot r a n s m i tt h ew i r e l e s sd a t a f i r s t p r e s e n ts t a t u sa n dd e v e l o p m e n tp r o s p e c t so fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na r e s u m m a r i z e dt h i sp a p e r t h e ng p r st e c h n o l o g ya n de m b e d d e ds y s t e ma r ei n t r o d u c e d t h e p r o j e c tt h a te m b e d d e dd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mi sb a s e do ng p r si sg i v e n b yd e t a i l e d l y a n a l y z i n gt h ef u n c t i o n a lr e a l i z a t i o nt h e o r yo fe v e r ym o d u l e ，t h ep a p e rp r e s e n t st h eh a r d w a r e c i r c u i t sd e s i g n t h e nt h ep c bo fs y s t e mi s d e s i g n e d 1 1 1 ef u n c t i o na n dc h a r a c t e ro f b o o t l o a d e ra r ea n a l y z e d a n du b o o tt h a ti sc h o s e da sb o o t l o a d e ro ft h i s s y s t e m i s e x p l a n t e dt ot h eh a r d w a r ep l a t f o r m a c c o r d i n gt ot h en e e do f p r a c t i c e ，l i n u xs y s t e mi sc h o s e d a so p e r a t i n gs y s t e ma n de x p l a n t e dt ot h eh a r d w a r ep l a t f o r m t h ed r i v e ro fg p r sm o d u l e w h i c hi n i t sa n dt a k e sc h a r g eo ft h em o d u l ei sc o d e d p p pp r o t o c o li su s e dt or e a l i z ep p pd i a l a p p l i e ds o c k e tt e c h n o l o g ya n dt c p i pp r o t o c o lt or e a l i z ed a t ac o m m u n i c a t i o n t h e r e f o r e ，u n d e rt h ee x i s t i n gt e c h n i q u ec o n d i t i o n , c o m p r e h e n s i v i n ge m b e d d e dl i n u x t e c h n i q u ea n dg p r sn e t w o r kt oc o l l e c ta n dt r a n s m i td a t ai np a r t i c u l a rs i t u a t i o ni sac h o i c e w h i c hh a sf o r e g r o u n dv e r ym u c h 1 1 l i ss y s t e mc a nb ew i d e l yu s e di ng a s ，o i l ，e l e c t r i c sa n d o t h e rd e p a r t m e n t s k e yw o r d s ：g p r s ：e m b e d d e ds y s t e m ：d a t aa c q u i s i t i o n ；l i n t l x 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名硷运 导师签名：堑童垒 卑年旦月4 日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题背景 1 1 1 远程数据通信的发展 计算机与通信技术的不断发展，极大地促进了工业领域及其它领域的自动化和信息 化的发展。以前在工业领域大多采用由单片机构成的数据处理系统和p c 机通过串行口 构成的微机系统，主要是针对于生产过程分布范围不大、相距不远的场合，这些系统大 多采用r s 2 3 2 、r s - 4 8 5 、有线m o d e m 或以太网的通信方式，虽然经济实用，但是采 用有线的数据传输方式，在很大程度上限制了应用场合的拓展。随着企业生产规模不断 扩大，不同的生产部门可能在地域上分布极广、相距遥远，可达几十、几百甚至上千公 里，如电力、铁路、采矿和石油等，这些部门要对相距遥远的生产过程进行数据传输， 如果还是沿用有线的传输方式，则在技术上和经济上都是不足取的。显然，这种传输手 段已显得力不从心，必须采用专门的措施来克服相距遥远造成的困难，所以采用无线的 方式来进行远程数据传输的需求就日益突出了。 在工业控制领域，无线远程数据通信常用的方法有三种：( 1 ) 低压电力线载波，( 2 ) 无线电台，( 3 ) 利用现成的移动通信网络。低压电力线载波数据传输可利用现有四通八 达的电力网，无需布线，安装使用比较方便。但是，在电力线上搭载高频或低频调制信 号，非常困难，因为对于低压电力线上的干扰特性，阻抗变化及信号衰减情况，很难找 到一个较为明确的解析式或数字模型加以描述，对通信系统的设计提出了很高的要求， 是影响通信质量的主要技术障碍，再加上我国电力网污染严重，真正推广还有相当的困 难；而无线电台组成的数据传输网络独占一个频率资源。 随着g p r s c d m a 网络技术的逐步成熟，利用现成的移动通信网络，无线数据相关 应用已经成为当前的热点应用，特别是对于电力、电信、石油、水利、地质、和交通行 业中场所不圃定的应用场合，由于有线网络的架设受到种种条件的限制，采用基于 g p r s c d m a 的无线网络技术，具有不可比拟的优势。 1 1 2 国内外远程数据通信的现状和问题 远程通信主要包括：基于有线的远程通信( 包括架设光缆、电缆或租用电信专线、 基于公用电话网远程通信、专用线路的远程通信) 、基于无线的远程通信( 主要是建立专 用无线数据通信系统) 【l 】。其中专线方式和电话线的远程通信应用比较广泛，主要是这两 者初期建设的时间短，且在短时间应用期间费用小，线路的维护费也比较低。随着传输 基于g p r s 的t g , x , 式数据采集系统设计 系统规模的不断扩大，现场环境越来越复杂，需要传输的目标形式也越来越多样化，对 驱动器和用户接口的需求越来越高，同时传输系统的结构也变得越来越分散化。目前的 远程传输系统由于结构复杂、分布距离远，而且要求集成网络中的不同平台，这些问题 是有线的方法所难以解决的。随着计算机硬件成本的降低、功能的日益强大，远程传输 系统己开始倾向于使用计算机网络系统。目前，计算机网络的传输介质基本上是有线介 质，由电缆和光缆构成的有线网络有其本质的缺陷：布线、改线工程量大；线路容易损 坏：网络中的各站点不可移动。特别是要把两个相距遥远远程控制站点接入网络时，如果 采用电话线路做传输媒体时，具有速率低、误码率高和线路可靠性差的问题：而铺设专用 通讯线路时，有布线施工难度大、费用多、耗时长等不足。这些问题都不同程度地制约 着远程传输的需求。而计算机无线局域网具有无需布线、安装周期短、后期维护容易、 网络用户容易迁移和增加的特点。所以弥补有线网络这一缺陷最迅速和最有效的方法是 采用无线通信网络。 【l 】 表1 1 有线与无线数据传输方式的比较 t a b 1 1 c o m p a r eo f w i r ea n dw i r e l e s st r a n s m i s s i o n 利用网络进行远程数据通信始于上世纪8 0 年代初，特别是随着网络带宽的发展和稳 定性提高，通过网络进行远程数据传输越来越现实和可行。基于网络的远程数据传输系 统是以计算机为核心，结合多媒体编程技术、计算机网络通信技术以及自动控制技术构 建的传输系统。其优点就是体现在远距离传输方面，适用于银行、邮电、电力、水电、 教育、交通、公安、大型公共设施、大型仓库及军事基地等场所。在国外对无线网络及 嵌入式系统的研究已达到很高的水平，例如美国航空公司于1 9 9 5 年在达拉斯采用一套名 为a i r d a t a 的无线办理登机手续系统，该系统由s a b r e 公司开发，采用a t & t 的c d p d 无 线移动数据通讯网络。通过此系统，航空公司不必有固定的c h e c k - i n 柜台，旅客也不必 在柜台前大排长龙，通过c d p d ( 蜂窝数字分组数据网) 网络，航空公司地勤人员可以在 机场内的任何地方为旅客办理登机手续，资料来回处理时间仅需2 至6 秒，如此航空公司 可以为旅客提供更高品质的服务，节省固定柜台的昂贵租金，同时旅客的满意度也大幅 大连理工大学硕士学位论文 提高，公司的形象也有所提升。国内现在无线网络及嵌入式系统的设计也初有成果，例 如合肥华恒科技有限公司开发的金融电子p o s 终端设备，该设备采用3 2 位嵌入式微处理 器，利用该处理器内部集成的1 0 0 m 以太网接口以及两个串口，外加另行扩展的l c d 接 口、i d e 接口的逻辑芯片，构成了一个功能丰富完善、结构紧凑、成本远远低于工控机 的p o s 机终端设备。 目前困扰研究基于网络的远程数据通信的问题 2 1 主要是有三个，即系统的传输效率 问题、可靠性问题和安全性问题。由于网络传输中存在延时，这样就会造成系统的滞后， 更严重的是造成系统的不稳定，使远程传输失效，所以必须解决传输的效率问题。对于 基于无线网络的远程传输系统，传输时间是决定系统传输效率的主要的因素，因而必须 合理有效的设计和选择一定的网络传输协议，以达到缩短总的消耗时问的目的，从而改 善系统的传输效率。而传输系统的可靠性取决于传输介质与传输方式等因素。另外，基 于网络的远程数据传输通常要通过大型的公共网络传输数据包，而数据包在传输过程中 可能会遭受被窃听、篡改或受重播攻击等威胁，因此安全问题也不可忽视。 1 1 2 数据通信方式的选择 随着电子、计算机及信息科学技术的发展，通信系统的发展也非常迅速，从有线到 无线，从话音到数据、图像，从局域到广域等，有非常多的通信网络和通信方式应用于 数据传输系统中。目前，数据传输中主要的通信方式有以下几种1 3 4 i ： ( 1 ) 无线电通信 无线电通信系统利用公共频段进行数据传输，通信通道和通信设备具有投资小、维 护简单的特点。但由于城市内部高大建筑的遮挡，使其传输距离受到了一定的限制，因 此它适合用于分布半径不大、数量不多的中小城市的数据传输。 ( 2 ) 有线通信( 电话线，专线) 有线通信主要有利用电话线通信和架设专线通信两种方式。电话线：就是利用现有的 公用电话网为依托，采用调制解调器和公用电话网的交换机系统，在两个通信实体之间 建立起通信通道。专线方式：通信的网络适合于传输数据量不大、实时性要求不高的场合。 ( 3 ) 光纤通信 从现场运行情况来看，利用光纤通信时数据比较稳定，抗干扰能力强。这种方式在 初期投资时较大，但随着光通信设备的价格不断下降，这种方式有可能成为比较实用的 现场通信方式。 “) 蜂窝移动通信方式【7 】 一3 一 基于g p r s 的嵌入式数据采集系统设计 对于远程数据传输，因为有距离、环境、成本、实时性要求等因素的影响，无线电 通信、有线通信、光纤通信都属于专用移动通信网，由某一部门独立建设和使用，一般 都只能在某一特定区域或部门内使用，覆盖范围受限。因而从应用范围和经济角度来说， 它们都不可取。 蜂窝移动通信方式利用频率复用技术有效地实现了频率资源的利用，而且在全国范 围内，网络覆盖率高。所以，充分利用现有的蜂窝网实现无线数据传输业务是一种既有 效又经济的手段。 基于g s m 的短消息数据传输 g s m 除语音业务外，另有基于短消息数据传输业务。短消息限制每次传送文本字符 不超过1 6 0 个，传送给移动台的短消息在用户识别模块( s i m ) 上存储。与话音的传输建立 和释放过程不同，在g s m 系统中，短消息是唯一一种不需要建立端到端的业务通道。由 于具备这个特点，即使移动台己处于电路通信状态，还能同时实现短信息业务。 基于g p r s 的分组数据传输 g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 通用分组无线业务，是在现有g s m 系统上发展 出来的一种新无线数据传输业务。它将数据以数据包的形式在p l m n ( 公众陆地移动电话 网) 内或其他连接到p l m n 的外部网络间传输。主要针对突发性数据分组传送的一种新业 务，与短消息业务类似，提供两类业务点到点业务和点到多点业务。多个g p r s 用户可 以共享一个无线信道，而一个移动用户也可以同时利用多个信道，因而g p r s 用户的实 际通信速率非常灵活，可以低于1 0 0 k b p s ，也可以高于1 0 0 k b p s 。 g p r s 允许用户在端到端分组转移模式下发送和接收数据，而不需要利用电路交换 模式的网络资源。g p r s 永远在线，按流量计费，从而提供了一种高效、低成本的无线 分组数据业务。特别适用于间断的、突发性的和频繁的、少量的数据传输，也适用于偶 尔的大数据量传输。作为数据通信网络媒介，g p r s 可以实现跨省市区全国性的数据双 向实时通信。此外，g p r s 通信还具有保密性高、可靠性高、抗干扰能力强等特点，保 证了数据传输的准确性和稳定性，并提供双方完备的通信协议，使用户在此通信平台上 的开法简单易行。 基于c d m a 的分组数据传输 c d m a 又称为码分多址，由美国高通公司最先开发出来，是为现代移动通信网和未 来多媒体时代的大容量、高质量、综合业务、软切换、国际漫游等要求而设计的一种移 动通信技术。 c d m a 技术是第三代移动通信的发展方向和潮流，为迎合这种通信潮流，各大电信 公司和组织向国际电信联盟i t u 提交了多种标准。其中以中国的t d s c d m a 、爱立信为 4 大连理工大学硕士学位论文 酋的欧洲w c d m a 和美国高通公司的c d m a 2 0 0 0 三个标准是最有优势的标准，都有可能 成为未来第三代移动通信系统的主流标准，主宰未来的移动市场。目前，国内只有中国 联通建立了3 g 网络使用的是c d m a 2 0 0 0 1 x 技术，且目前还没有开发出专门用于数据传 输的模块。 因此，本文研究基于g p r s 技术的数据传输。只要在设计中，考虑今后网络升级问 题，也就便于以后终端升级为传输速率更高的c d m a 网络终端。 1 2 本文研究的内容及重点 课题内容主要分为硬件和软件两大部分。在硬件上主要是基于a r m 平台的嵌入式 数据采集模块的硬件实现，在这一部分涉及到嵌入式数据采集模块硬件功能设计、g p r s 模块和微处理器的选型、电路板设计以及调试等。在软件上主要是b o o t l o a d e r 和l i n u x 内核的移植，设计m c 3 9 i 模块的驱动程序以及p p p 拨号和针对t c p i p 协议进行编程， 实现数据的通信。 全文的结构如下： 第l 章：简要的介绍远程数据采集传输的必要性及现状，分析了目前的远程数据采 集传输的几种方式，提出建立基于g p r s 的嵌入式数据采集系统的意义。 第2 章：介绍g p r s 及嵌入式系统的基础知识及发展概况。 第3 章：论述了3 2 位a r m 处理器的主要结构和特点，利用$ 3 c 2 4 1 0 微处理器和 m c 3 9 ig p r s 无线模块完成嵌入式多功能系统硬件平台的设计。 第4 章：详细阐述嵌入式l i n u x 系统的开发，完成u b o o t 和l i n u x 内核在a r m 平 台s 3 c 2 4 1 0 上的移植。 第5 章：着重介绍g p r s 数据传输的实现，包括模块的驱动以及模块注册网络建立 t c p i p 连接与数据包收发的软件部分的编写。 最后，对整个工作进行了总结，并提出对未来的工作展望。 一5 一 基于g p r s 的嵌入式数据采集系统设计 2g p r s 及嵌入式系统概述 2 1g p r s 概述 g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 是通用分组无线业务的简称，它作为第二代移动 通信技术g s m 向第三代移动通信的过渡技术，是由英国b tc e l l n e t 公司早在1 9 9 3 年提出 的，是g s mp h a s e 2 + ( 1 9 9 7 年) 规范实现的内容之一，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m 或者x 2 5 连接。 2 1 1g p r s 的体系结构 g p r s 是利用“包交换”( p a c k e t s w i t c h e d ) 概念所发展出的一套无线数据传输方式。 采用与g s m 相同的频段、频带宽度、突发结构、无线调制标准、跳频规则以及相同的 t d m a 帧结构，这种新的分组数据信道与当前的电路交换的话音业务信道极其相似。 g p r s 是在g s m 系统基础上引入新的部件而构成的无线数据传输系统，它采用分组交 换技术，能兼容g s m 网络并在网络上更加有效的传输高速数据和信令。g p r s 是在现有 g s m 网络中增加g p r s 网关支持节点g g s n ( g a t e w a yg p r ss u p p o r tn o d e ) 和g p r s 服务支 持节点s g s n ( s e r v i n gg p r ss u p p o r tn o d e ) 来实现的，使得用户能够在端到端分组方式下 发送和接收数据。 系统原理闱如图2 1 所示。 图2 1g p r s 系统原理图 f i g 2 1p r i n c i p l ed i a g r a mo f g p r ss y s t e m 图2 1 中的部分解释说明：b t s ( 基站收发系统) ；b s c ( 基站控制器) ；p d n ( 公用数 据网) ；p c u ( 分组控制单元) ；m s c ( 移动交换中心) ；g g s n ( 网关支持节点) ；s g s n ( g p r s 服务支持节点) 。 大连理工大学硕士学位论文 s g s n 的功能：功能类同于g s m 系统的m s c n l r ( 移动交换中心，m o b i l e sw i t c h c e n t e r 拜访位置寄存器，v i s i t e dl o c a t i o nr e g i s t e r ) 功能，s g s n 不仅处理分组交换中的信 令传输，同时也进行数据包的处理和传送。对移动终端进行鉴权和移动性管理，建立移 动终端至t j g g s n 的传输通道，接收从b s s ( b a s es t a t i o ns y s t e m ) 传送的移动终端分组数据， 通过g p r s 骨干网传给g g s n 或者将分组发送到同一服务区内的移动终端。s g s n 还可以 集成计费网关、边缘网关( 负责实现g p r s 网络之间的互连) 和防火墙的功能。 g g s n 的功能：在g p r s 数据网中的地位很类同于传统g s m 网中的g m s c ( 网关移动 交换中心) 的地位：负责产生数据业务的原始计费数据。g g s n 是连接g p r s 网络与外部 数据网络的节点。接收传输终端的数据及路由并传送至l j i n t e r n e t ，或者将数据通过选择 g p r s 网内的传输通道，传给相应的服务支持节点( s g s n ) ，再由s g s n 将数据通过基站系 统传给传输终端。从而完成终端与中心的通信。另外g g s n 还可具有地址分配、计费、 防火墙功能。 2 1 2g p r s 的传输过程 g p r s 网络是在现有g s m 网络中增j j i g g s n 和s g s n 来实现的，使得用户能够在端到 端分组方式下发送和接收数据，不需要使用电路交换模式下的任何网络资源，从而可以 自主运营。 在图2 1 所示结构中，用户设备通过串行或无线方式连接到g p r s 终端上，g p r s 终 端与g s m 基站通信，但与电路交换式数据呼叫不同，g p r s 分组是从基站发送到g p r s 服务支持节点( s g s n ) ，而不是通过移动交换中心( m s c ) 连接到语音网络上，s g s n 与 g p r s 网关支持节点( g g s n ) 进行通信，g g s n 对分组数据进行相应的处理，再发送到目 的网络，如i n t e m e t 或x 2 5 网络。其具体的数据传输流程为： ( 1 ) g p r s 终端通过串行接口从用户设备中读出用户数据； ( 2 ) 处理后以g p r s 分组数据的形式发送到g s m 基站； ( 3 ) 分组数据经s g s n 封装后，发送到g p r s 骨干网； 若分组数据是发送到另一g p r s 终端，则先发送到目的s g s n ，再经b s s 发送到另一 g p r s 终端；若分组数据是发送到外部网络( 如i n t e m e t ) ，则将分组数据包经g g s n 进行 协议转换后，发送到外部网络。 2 1 3g p r s 传输协议模型 移动台( m s ) 和g p r s 之间的分层传输协议模型【9 】如图2 2 所示。它主要由g t p 、l l c 和r l c 协议分别构成。 基于g p r s 的嵌入式数据采集系统设计 u m 接口是g s m 的空中接口。u m 接口上的通信协议有5 层，自下而上依次为物理层、 m a c ( m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 层、l l c ( l o g i c a ll i n kc o n 舡d 1 1 层、s n d c ( s u b n c t w o r k d e p e n d a n tc o n v e r g e n c e ) 层和网络层。 r l c m a c 为无线链路控制媒质接入控制层。i 也c 负责l l p d u 的拆装与重组，并 提供可靠的无线链路。m a c 的主要作用是定义和分配空中接口的g p r s 逻辑信道，使得 这些信道能被不同的移动台共享。g p r s 的逻辑信道共有3 类，分别是公共控制信道、分 组业务信道和g p r s 广播信道。 l l c 层为逻辑链路控制层。它是一种基于高速数据链路规程h d l c 的无线链路协议。 应用 叫x 2 5i p ，x2 5 s n d cr g t p s n d c g t p u u cp t c pu d p t c p r l c j 越粤 b s s g p 伊伊 m a cn e t w o r kn e t w o * k n d w o r l ( l 2 l 2 $ , a v i c es e f 斑es a ? 矾c e g s m g 嗣v il l b i sl i b i sl ll 1 g bo n b s ss o s l q 图2 2g p r s 传输协议模型 f i g 2 2 p r o t o c o lm o d e lo f g p r ss y s t e m 网络层的协议目前主要是p h a s e l 阶段提供的t c p d p 和x 2 5 协议。t c p i p 和x 2 5 协议 对于传统的g s m 网络设备( 如b s s 和n s s 等设备) 是透明的。 g t p o p g p r s 隧道协议，它将用户数据及信令用隧道技术在g p r s 网络g s n 节点之间 传送。 2 1 4g p r s 的特点及其应用 ( 1 ) g p r s 的特点f l o 1 1 j 8 一 大连理工大学硕士学位论文 g p r s 是g s mp h a s e2 + 引入的非常重要的内容之一，与g s m 电路交换相比，g p r s 非常重要的优点是引入了分组交换能力。利用g p r s 进行数据传输具有：“永远在线”、 “按流量计费”、“快捷登录”、“高速传输”、“自如切换”等优点i l ”。 接入范围广 g p r s 是在现有的g s m 网上升级，可充分利用全国范围的电信网络，可以方便、 快速、低成本的为用户数据终端提供远程接入网络的部署。 高速传输 传输速率高，数据传输速度可达到5 7 6 k b i t s ，最高可达到l1 5k b i t s 一1 7 1 2k b i t s ， 是常用有线m o d e m 理想速率的两倍，是当前g s m 网络中电路数据交换业务速度的十几 倍，下一代g p r s 业务的速度甚至可以达到3 8 4 k b i t s ，完全可以满足用户应用需求。 快捷登陆 接入时间短，g p r s 接入等待时间短，可快速建立连接，平均耗时为两秒。 永远在线 提供实时在线功能。“实时在线”，或叫“永远在线”，即用户随时与网络保持联 系，即使没有数据传送，终端还一直与网络保持联系，这将使访问服务变得非常简单、 快速。 按流量计费 用户只有在发送或接收数据期间才占用无线资源，用户可以一直在线，计费方式是 按照用户接受和发送数据包的数量，没有数据流量传递时，用户即使挂在网上也是不收 费的。 切换自如 用户在进行数据传送时，不影响语音信号的接收。数据业务和语音业务的切换有两 种方式：自动和手动，具体形式依据不同终端而定。 ( 2 ) g p r s 的应用 g p r s 技术是目前解决移动通信信息服务的一种较为完善、己从应用实验到正式推 广的业务。由于g p r s 技术具有以上的优势，主要的应用领域有： 实现移动上网。g p r s 移动终端，可实现诸如收发e m a i l 、图像发送、w w w 浏览 等功能。 无线接入。g p r s 可以给智能电话、掌上电脑等设备提供高达1 7 1 2 k b s 的无线接 入速率，而目前最快的无线接入速度只有1 9 2 k b s 。这大大拓宽了无线接入带宽。 g p r s 电子支付。随着g p r s 网安全保障的不断提高，g p r s 电子商务、g p r s 电 子银行都将会引入到移动通信网中来。 基于g p r s 的嵌入式数据采集系统设计 基于w a p 的应用。通过g p r s 可使基于w a p 的业务应用的开发变得更加容易， 其w a p 业务应用可兼容各种g p r s 终端。 以g p r s 承载业务为基础的网络应用。v p n 业务通过与企业内部i n t r a n e t 互通，使 用户能无线接入内部局域网，实现移动办公等。 车辆调度和工业遥信、遥测、遥控。 7 随着g p r s 网络的逐渐完整和应用技术的不断成熟，使用g p r s 网络进行无线数据的 传输，其前景会越来越广。 2 2 嵌入式系统介绍 2 2 1嵌入式系统及其特点 对于什么是嵌入式系统，从不同的角度有不同的定义。广义地讲，凡是不用于通用 目的的可编程计算机设备，就可以是嵌入式计算机系统。狭义上而言，嵌入式系统是指 以应用为核心，以计算机技术为基础，软硬件可裁减，对功能、可靠性、成本、体积和 功耗严格要求的专用计算机系统。“嵌入性”，“专用性”，“计算机系统”是嵌入式 系统的三个基本要素。 嵌入式系统与通用计算机系统相比，具有如下一些主要特点1 1 2 j ： ( 1 ) 嵌入式系统通常是面向特定应用的。嵌入式c p u 与通用型的最大不同就是嵌入 式c p u 大多工作在为特定用户群设计的，系统中它通常都具有低功耗、体积小、集成度 高等特点，能够把通用c p u 中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入 式系统设计趋于小型化、移动能力大大增强、和网络的藕合也越来越紧密。 ( 2 ) 嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣去除冗余，力争在同 样的硅片面积上实现更高的性能，这样可能在对处理器的选择面前更具有竞争力。 ( 3 ) 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品同步 进行。因此嵌入式系统产品一旦进入市场具有较长的生命周期。 ( 4 ) 为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯 片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中。 ( 5 ) 嵌入式系统本身不具备自举开发能力，即使设计完成以后，用户通常也是不能 对其中的程序功能进行修改的，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。 2 2 2 嵌入式系统应用 目前，随着信息化、智能化、网络化的发展，嵌入式技术全面展开，嵌入式系统已 经广泛应用于通信、工控、家电、汽车等领域。 大连理工大学硕士学位论文 己经有大量的8 ，1 6 ，3 2 位嵌入式微控制器在应用中，成为提高生产效率和产品质 量、减少人力资源的主要途径，如制药工业过程控制、电力系统、电网安全、电网设备 监测、石油化工系统等。随着计算机技术的不断发展，嵌入式c p u 以及与之配套的操 作系统性能的不断提升，其应用领域也不断扩大，许多新型应用的不断涌现，汽车、电 视、电话及游戏机的芯片都需要操作系统和应用程序，这为嵌入式系统提供了更广阔的 发展舞台。 伴随着以计算机技术、通信技术为主的信息技术的快速发展和互联网的广泛应用， 3 c ( c o m p u t e r ，c o m m u n i c a t i o n , c o n s u m e r ) 合一的趋势已初露端倪，3 c 合一的必然产物 就是信息电器【9 1 。在信息电器领域内，嵌入式软件必然成为重要成员，嵌入式操作系统 也将成为软件业的宠儿。同时，计算机己显示出微型化和专业化的趋势，这将是嵌入式 操作系统的另一应用领域。 嵌入式系统在办公设备，建筑物设计，制造和流程设计，医疗，监视，卫生设备， 交通运输，通信，金融银行等系统中有着广泛的应用。 2 2 3 嵌入式系统的现状 后p c 时代，嵌入式系统将拥有最大的市场。目前在世界范围内嵌入式系统带来的工 业年产已超过1 万亿美元。据赛迪呼叫中心合作开展的调查显示，目前从事嵌入式开发 的软件企业占到了3 0 左右，计划从事开发的企业占到了1 4 。尽管还没有从事该领域 开发的公司占到了大多数，但我国国内的嵌入式软件市场已处于整体启动阶段。国内嵌 入式软件市场未来的发展重点在于对应用范围的拓展，而手持设备、信息家电和工业控 制则是近期市场的三大热点。展望未来，明天的嵌入式系统将会比今天的更便宜、更小 巧、更可靠、更高效而且更智能化。 近年来微电子技术迅猛发展，处理器增长速度也随之加快，嵌入式系统领域发生了 翻天覆地的变化。特别是网络的普及，嵌入式与互联网成为最热门的技术。现在，可以 使嵌入式系统具备网络功能，并将它们与i n t e m e t 或企业内联网连接起来。这种特性增 强了嵌入式系统多方面的实用性。 2 2 4 嵌入式系统的发展趋势 美国著名的未来学家尼葛洛庞帝在1 9 9 9 年访华时曾预言，4 至5 年后嵌入式系统 将是继p c 和i n t e m e t 之后最伟大的发明。如今几年过去了，现实的发展也验证了这个预 言的正确性。现在嵌入式系统正处于高速发展阶段，未来几年，这种发展和竞争将愈演 愈烈。将嵌入式系统的应用按照市场领域划分，可以分为： ( 1 ) 消费类电子产品； 基于g p r s 的嵌入式数据采集系统设计 ( 2 ) 控制系统和工业自动化； ( 3 ) 数据无线通信； ( 4 ) 汽车电子及医疗设备： 目前一些先进的p d a 在显示屏幕上已实现汉字写入、短消息语音发布，日用范围 也将日益广阔。对于企业专用解决方案，如物流管理、条码扫描、移动信息采集等，这 种小型手持嵌入式系统将发挥巨大的作用。在自动控制领域，不仅可以用于a t m 机、 自动售货机、工业控制等专用设备，和移动通信设备、g p s 、娱乐相结合，嵌入式系统 同样可以发挥巨大的作用。 由于嵌入式系统越来越追求数字化、网络化和智能化，要达到上述“三化”要求， 整个系统必须是开放的、提供标准的a p i ，并能方便的与众多第三方的软硬件沟通。 嵌入式操作系统是在多种硬件平台上发展起来的，随着嵌入式系统的广泛应用，信 息交换、资源共享机会增多，由此相关的标准问题也日渐突出，如何建立相关的标准成 为业界关注的问题。 大连理工大学硕士学位论文 3 嵌入式系统硬件设计 数据采集模块硬件平台包括最重要的核心处理器和其他外围元件电路。本系统选用 的是韩国三星电子公司推出的一款基于a r m 9 2 0 t 内核的s 3 c 2 4 1 0 嵌入式微处理器，因 其较低的价格和强大的性能而受到众人的青睐，开发商多的这一特点可以为用户提供更 多的技术支持。本章首先介绍了a r m 微处理器；然后介绍了a r m 中的一种- - $ 3 c 2 4 1 0 的特性和功能；接着介绍了此数据采集硬件平台的硬件整体构架；最后介绍了外围功能 模块、各种通讯接口、人机交互设备的硬件设计。本章内容为后续的模块软件开发提供 了可靠的硬件平台，使得该平台能满足各种数据采集设备所需的采集、存储记录、人机 交互、通讯等通用性要求。 3 1 嵌入式微处理器 3 1 1 a r m 处理器介绍 ( 1 ) a r m - - a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s l l 3 l a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) ，既可以认为是一个公司的名字，也可以认为是对 一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。1 9 9 1 年a r m 公司成立于英国剑 桥，主要出售芯片设计技术的授权。目前，采用a r m 技术知识产权f i p ) 核的微处理器， 即我们通常所说的a r m 微处理器，已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络 系统、无线系统等各类产品市场，基于a r m 技术的微处理器的应用约占据了3 2 位r i s c 微处理器7 0 以上的市场份额，a r m 技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面。 a r m 公司是专门从事基于r i s c 技术芯片设计开发的公司，作为知识产权供应商， 本身不直接从事芯片生产，靠转让设计许可由合作公司生产各具特色的芯片，世界各大 半导体生产商从a r m 公司购买其设计的a r m 微处理器核，根据各自不同的应用领域， 加入适当的外围电路，从而形成自己的a r m 微处理器芯片进入市场。目前，全世界有几 十家大的半导体公司都使用a r m 公司的授权，因此既使得a r m 技术获得更多的第三方 工具、制造、软件的支持，又使整个系统成本降低，使产品更容易进入市场被消费者所 接受，更具有竞争力。 ( 2