（电力电子与电力传动专业论文）gprs无线数据传输终端研究与设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 | 页 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp o w e rs y s t e ma u t o m a t i o n ，t h ei n t e g r a t i o nb e t w e e nm o t o r a n dc o m m u n i c a t i o ni s i n c r e a s i n g ，t h ew a yo fd a t am o n i t o ri sa l s oc h a n g i n g t h e m o n i t o rt a r g e ta n dm o n i t o rt e r m i n a lo ft r a d i t i o n a lm o t o rm o n i t o rm o d ea r ef i x e d ，n o o n ec a nf r e em o v e f o rl o n e l ya n dr e m o t ep l a c e ，m o n i t o rc a n tb er e a l i z e de a s i l y , s o t r a d i t i o n a lm o n i t o rm o d eh a sb e e nu n a b l et om e e tt h en e e d so ft h ed e v e l o p m e n to f p o w e rs y s t e ma u t o m a t i o n g p r si s b a s e do np a c k e t s w i t c h ，i to n l yo c c u p i e s w i r e l e s sr e s o u r c ew h e nt h e r eh a v ed a t at r a n s f e ra n dr e c e i v e w i r e l e s sd a t a t r a n s m i s s i o ns y s t e mb a s e do ng p r sc a nr e a l i z el o n g - d i s t a n c ed a t at r a n s m i s s i o n ，a n d t h i sm o d ei sv e r ye a s ya n df l e x i b l ef o rc o m b i n i n gn e t w o r k w i t ht h ep o p u l a r i t yo f i n t e m e tt e c h n o l o g ya n dd e v e l o p m e n to fg p r sc o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g y , g p r s n e t w o r kc o m m u n i c a t i o nw i t hl o w e r p r i c e a n d a l w a y s o np e r f o r m a n c e h a s i m m e a s u r a b l ed e v e l o p a b l ef o r e g r o u n d w i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o na l s oh a sw i d e l y a p p l i c a t i o ni nt h ef u t u r e i nt h i sp a p e r , t h ec h a r a c t e r i s t i ca n da p p l i c a t i o no fg p r st e c h n o l o g ya n dt r a n s p o r t p r o t o c o l o fg p r sw e r ei n t r o u d u c e da t f i r s t ，t h e nam e t h o do fw i r e l e s sd a t a t r a n s m i s s i o nb a s e do ng p r sw a sp r o p o s e d t h es y s t e mm a i n l yr e a l i z e dg p r sd a t a t r a n s m i s s i o nc o n n e c t i n gt oi n t e m e tb yg p r sa n dd a t ae x c h a n g eb e t w e e nd a t a t e r m i n a la n dm o n i t o rc e n t e r i nt h ef i r m w a r es o l u t i o n ，ar a b b i t 2 0 0 0m c uw i t h e m b e d d e dt c p i ps o f t w a r ew a ss e l e c t e da st h ec o n t r o lm o d u l e ，s i m10 0w a su s e da s t h ew i r e l e s sm o d u l e t h er a b b i t 2 0 0 0m c u ，w h i c hi sd e s i g n e db yt h ea m e r i c a n z w o r l dc o m p a n y , i ss p e c i a l l yd e s i g n e df o ri n t e r n e te m b e d d e ds y s t e m i t sag o o d s o l u t i o nt ot h es t o r a g es p a c e ，o p e r a t i n gs p e e d ，n e t w o r kc o m m u n i c a t i o na n dp r o g r a m d e v e l o p m e n ti s s u e s t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g nf o rt h i ss y s t e mw e r ei n t r o d u c e di nt h i sp a p e r t h e h a r d w a r ed e s i g nw a sc o m p o s e do fam e m o r ye x t e n s i o no fc o n t r o lu n i t ，ai n t e r f a c e c i r c u i tw i t hw i r e l e s sm o d u l ea n dp e r i p h e r yc i r c u i t s o f t w a r ed e s i g nw h i c hw a s p r o g r a m m e db yd y n a m i ccl a n g u a g e ，w a sc o m p o s e do fp p pp r o t o c o l a n dd a t a t r a n s m i s s i o n o nt h eb a s i so fr e a l i z i n gd a t at r a n s m i s s i o n ，t h eu d pa n dt c pm o d e w e r ec o m p a r e d ，a n dt h e na p p r o p r i a t er e m o t em o t o rm o n i t o rw a ss e l e c t e d k e yw o r d s ：g p r s ；u d p ；t c p ；r a b b i t 2 0 0 0 ；t r a n s m i s s i o nt e r m i n a l 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 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，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将 本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密囹，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：毒一咱 指导老师签名： 日期：口暗6 0日期：) ，寸尹占、 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进 行研究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本 文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 本文选用了r a b b i t 2 0 0 0 和s m lo o 模块作了无线传输终端的 硬件设计，对无线数据传输分别采用了u d p 和t c p 方式进行了 实现，并对两者的传输结果进行了比较，选择了u d p 数据传输方 式作为电机远程监控的数据传输方案。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 研究背景及研究意义 随着工业技术的发展，在信息化和网络化的今天，各个行业对信息化和网 络化提出了较高的要求，对信息化的认识从单纯的数字化提升到数字化与网络 化、无线化统一的高度l l j 。 随着电力系统自动化技术的发展，电机与通信的结合日益紧密，数据监控 方式也在发生着变化。传统的电机监控的实现方式有以下几种t 铺设光纤或电 缆，采用数传电台，租用运营商专用线路等【l 。6 】。铺设光纤或电缆属于有线数据 传输方式，受布线的局限较大，增加或减少一个被监控对象都不太容易。尤其 是在环境恶劣、偏远的地方，由于人员缺乏，不利于布线，并且电机大多放置 在室外，布置有线的i n t e r n e t 连接成本高，线路受外界环境的影响较大，易老 化，一旦由于线路损坏而不能及时监测电机的运行状况，会造成很大的经济损 失。对于后两种方式需要自己建设或租用运营商专线，维护和建设费用比较高。 对于大多企业和集体来说，是不太现实的1 6 ，4 酬。 传统的电机监控手段的监控者和被监控对象都是固定的，无论任何一端都 无法随意移动；并且针对偏僻、偏远地域监控不容易的实现。因此，传统的远 程监控方式无法满足电力系统日益发展的要求。 针对这种情况，本文提出了一种基于g p r s 的无线传输终端系统，利用 g p r s 无线传输，需要借助i n t e m e t 公网作为传输媒介，系统移放便利，受地 域的影响较小，只要是有移动网络的地方都可以使用，而且成本低，可以替代 有线的监控系统，因此是一种有效的远程监控系统，该监控方案的基本思想是： 通过微控制器驱动g p r s 模块，经过g p r s 无线网络连接到i n t e r n e t 实现数据 传输。该无线传输终端可以方便的应用于电机的远程监控中，即把采集到的电 机运行数据，通过g p r s 无线传输终端，传送到监控中心。 这种方案的优点在于： 1 覆盖面广，适用于偏远的地区。 2 无线上网，适用于可移动的目标。 3 使用专用的微控器，实现简单，成本低。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 4 安装简便，维护方便，很好的解决了电机远程无线监控的问题，在灵 活性等方面比有线通讯存在更多的优越性。 5 便于系统的功能升级，可以在系统上加入视频和语音监控。 将移动通信技术应用于电机的远程监控，对于提高工作效率，减少人员和 降低经济损失，都有重要的意义。 1 2 国内外研究现状 国内外监控技术多样化，目前常用的无线监控方法有蓝牙监控【4 5 1 ，利用g s m 的s m s 短消息业务实现远程监控，以及利用g p r s 网络的无线远程监控。 蓝牙协议是一种较流行的短距离无线通信协议。蓝牙工作频率为2 4 g h z 频段，开放性高，采用跳频技术，受干扰小。无线收发器之间无需调整方向， 中间可以有阻挡物，不需有直接视距，只要距离到达一定程度( 视周围环境而定， 1 0 m 1 0 0 m ) 便可自动发现对方，建立连接并进行数据的传输。在数据传输过程中 对收发器的位置状态没有特别要求，并且可以移动，只要不超过信号有效距离 即可，不要求苛刻的传输条件，实用性高。它主要应用在短距离无线应用的场 合，例如无线终端，医疗设备等。对于远距离的数据传输是不适用的。 g s m 全名为：g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s t ，中文为全球移 动通讯系统，俗称”全球通”，是一种起源于欧洲的移动通信技术标准，是第二 代移动通信技术，其开发目的是让全球各地可以共同使用一个移动电话网络标 准，让用户使用一部手机就能行遍全球。我国于2 0 世纪9 0 年代初引进采用此 项技术标准，此前一直是采用蜂窝模拟移动技术，即第一代g s m 技术( 2 0 0 1 年1 2 月3 1 日我国关闭了模拟移动网络) 。2 0 世纪8 0 年代中期，当模拟蜂窝移 动通信系统刚投放市场时，世界上的发达国家就在研制第二代移动通信系统。 其中最有代表性和比较成熟的制式有泛欧g s m ，美国的a d c ( d a m p s ) 和日 本的j d c ( 现在改名为p d c ) 等数字移动通信系统。在这些数字系统中，g s m 的 发展最引人注目。1 9 9 1 年g s m 系统正式在欧洲问世，网络开通运行。g s m 系 列主要有g s m 9 0 0 、d c s l 8 0 0 和p c s l 9 0 0 三部分，三者之间的主要区别是工作 频段的差异。蜂窝移动通信的出现可以说是移动通信的一次革命。其频率复用 大大提高了频率利用率并增大系统容量，网络的智能化实现了越区转接和漫游 功能，扩大了客户的服务范围，但上述模拟系统有四大缺点：各系统间没有公 共接口；很难开展数据承载业务；频谱利用率低无法适应大容量的需求；安全 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 保密性差，易被窃听，易做“假机”。尤其是在欧洲系统间没有公共接口，相互 之间不能漫游，对客户造成很大的不便。目前我国主要的两大g s m 系统为 g s m 9 0 0 及g s m l 8 0 0 ，早期来看，g s m 9 0 0 发展的时间较早，使用的较多，反 之g s m l 8 0 0 发展的时间较晚。物理特性方面，前者频谱较低，波长较长，穿 透力较差，但传送的距离较远；而后者的频谱较高，波长较短，穿透力佳，但 传送的距离短1 2 。j 。 s m s 是短信息服务的简称，它通过g s m 模块发送和接收有限长度的文本 信息。文本信息可以是中文、英文字符和数字的组合。s m s 属于g s m 第一阶 段( p h a s e1 ) 的标准。目前s m s 已经被集成到了很多网络标准中，不仅仅是 在g s m 网络标准中，在其它移动网络如c d m a 、t d m a 、p h s 等移动网络都 支持s m s ，这使得s m s 成为一项非常普及的移动数据业务。利用s m s 短消息 业务实现远程监控有以下几个优点【3 6 j ： 1 收费低廉。对于消费者而言，资费始终是首要关心的问题。不管是长 途还是本地，每发送一条短信息仅0 1 元，而且接收免费。 2 随时随地。短信息和电话不一样，打电话要求接听方同时在另一端， 而短信息用户可以随时随地发送短信息，不用担心对方是不是在服务 区，因为短信息是采用存储一转发方式存储在短信息中心，只要设置 了对方的号码，就可以给对方发送短消息。 3 能够承载多种数据。短信息有3 种模式：块模式、p d u 模式和t e x t 模 式。其中支持块模式的厂商十分少。特别值得一提的是，通过p d u 编 码的短信息内容可以是文字、声音或图像。随着s m s 的升级版本增强 型短消息服务( e m s ：e n h a n c e dm e s s a g es e r v i c e ) 和多媒体短信业务 ( m m s ：m u l t i m e d i am e s s a g es e r v i c e ) 的出现，短信息将能够支持更 丰富多彩的数据。 4 能够保障传输中的安全；短信息在发送之前，可以通过s t k 卡 将信息加密后进行传输。在到达目的地后由接收者将信息解密，实现 了点到点的信息安全保障。 但同时g s m 短信息业务也有较大的缺点：存在延迟，没有达到真正的“实 时 ：传输的数据量有限，s m s 的消息长度只有1 6 0 个字节，对数据量较大的 系统，只能分成几条短信息进行传输，进一步增加了延迟时间。只是对于数据 量较小、实时要求不高的监控系统，s m s 的延迟才能够在系统延迟允许的范围 内。而在电机的远程监控中，数据量虽然不是很大，但是对于系统的实时性要 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 求较高，采用s m s 短消息的方式不能满足要求l z 引。 随着i n t e m e t 技术的推广，i p ( 互联网协议) 技术在通信网络中正占据着越 来越重要的地位，已经成为未来的发展方向。p 技术是基于分组的，分组交换 方式是采用长度一定、结构统一的数据分组作为数据传输的基本单位。每个分 组头带有地址、序号校验码等信息，在通信之前不需要为通信双方提供一条独 占的链路，节约带宽，而且由于采用存储转发机制，即时某些节点发生故障， 数据仍然可以到达目的地，提高了通信的可靠性l l l 。 g p r s 在g s m 的系统上解决了移动通信技术与p 技术的结合i l 之】。g p r s 是g s mp h a s e + 2 阶段引入的内容。随着通信技术的发展，g s m g p r s 网络通信 以其更加低廉的价格和永远在线的性能有着不可估量的发展前景。无论是2 5 g 还是3 g ，发展目标都是在更好的语音通信之外，向用户提供丰富多彩的高速无 线数据应用。 由于g p r s 采用分组交换方式，它大大地提高了无线信道和核心网络的使 用效率。g p r s 理论上可提供高达1 7 1 2k b i 撼的传输速率，这意味着通过便携 式电脑，g p r s 用户能和i s d n 用户一样快速地上网浏览，同时也使一些对传 输速率敏感的移动多媒体应用成为可能。除了速度上的优势外，g p r s 还有“永 远在线箨p 的特点，印用户可随时与网络保持联系。另外分组交换接入时闻缩 短为少子1 秒，能提供快速即时的连接，可大幅度提高远程监控的效率【l 矧。 尽前国内外对于网络利用嵌入式系统实现远程数据采集和设备终端远程 监控逐渐成为人们研究的热点。基于g p r s 的远程无线监控已在某些行业中得 到应用，比如远程无线抄表系统等【5 叭。但对于将g p r s 无线传输终端应用于电 机远程监控中的研究还较少。 1 3 本文研究的主要内容 本文主要研究g p r s 无线传输终端的实现，应用于电机的远程监控中，主 要研究内容如下： 首先在查阅大量文献的基础上，介绍了g p r s 网络的特点、工作原理及协 议基础，在此基础上，介绍了g p r s 无线传输终端的组成、功能、特点及其应 用。 然后提出了g p r s 无线传输终端的硬件设计方案，选择适用的芯片，设计 中选用r a b b i t 2 0 0 0 作为控制模块，g p r s 模块选用s i m l 0 0 ，介绍了两者的性能 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 和特点，并且介绍了各部分的电路设计。 最后深入分析g p r s 的数据传输协议，包括t c p i p 协议和p p p 协议，研 究了协议的模型，以及t c p 、u d p 数据传输协议。在此基础上，设计了g p r s 无线数据传输终端的软件部分，介绍了软件平台d y n a m i cc 以及a t 指令，给 出了系统的软件流程图。对于数据的传输分别采用了两种方法实现，一是采用 u d p 实现，一是采用t c p 实现。并且在调试环境中，对两种传输方案的调试 结果进行比较，选择适用于电机远程监控的传输方案。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章g p r s 网络技术概述 2 。 g p r s 概述及应用 g p r s 是通用分组无线业务( g e n e r a lp a e k e tr a d i os e r v i c e ) 的英文简称，是 在现有g s m 系统上发展出来的种新的承载业务，目的是为g s m 用户提供分 组形式的数据业务。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 帧结构疆l 。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，因此现有的基站子系统 ( b s s ) 从一开始就可提供全面的g p r s 覆盖。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。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。g p r s 理论带宽可达 1 7 1 2 k b s ，实际应用带宽大约在4 0 - 1 0 0 k b s ，在此信道上提供t c p 1 p 连接， 可以用于i n t e m e t 连接、数据传输等应用。使用g p r s 技术实现数据分组发送 和接收，用户永远在线且按流量计费，迅速降低了服务成本弘j 。 嵌入式g p r s 无线通信模块借助于移动通信运营商的无线通信网络，组成 虚拟的专用数据网络来传输用户数据，具有网络覆盖范围广、传输可靠、扩容 性好、组网灵活、建设周期快、运营成本低等优点。系统的建设成本也极为低 廉，中心站只需要添置一台接西服务器帮透信数据线路，终端站只需要添置一 个嵌入式g p r s 无线通信模块就能组建完整的数据采集和控制系统。另外，嵌 入式g p r s 无线通信模块采用透明的数据传输与协议转换，便于用户进行二次 开发，应用到不同的系统中。 g p r s 无线数据传输系统应用范围相当广泛，几乎所有中低速率的数据传 输业务都可以应用，如城市配电网络自动化、自来水、煤气管道自动化、商业 p o s 机、i n t e m e t 接入、个人信息、股票信息、金融、交通、公安等。除了支持 传统的互联网应用，g p r s 也可使无线终端支持b z b ，b z c 的电予商务和电子 支付、股票交易、银行转帐等应用。g p r s 同样可以应用于公司内部网 ( i n t r a n e t ) ，基于i p 的远程l a n 接入，使无线终端成为l a b 的延伸 1 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 2 2g p r s 的特点 g s m 系统发展到现在，己成为全球最大的移动通信系统，能基本满足当前 移动通信中语音通信的需求。但是，g s m 系统存在其固有的问题，首先是容量 不足和频谱利用率不高，造成频率资源紧张；而且只能提供9 6 k b s 的数据传输 速率，对高速数据传输无能为力，无法满足日益增长的对移动多媒体通信的巨 大需求。g p r s 乍为g s m 网络的享 充，很大程度上解决了g s m 系统存在的闻 题。g p r s 的主要特点有以下几点： l 。g p r s 采用分组交换技术，分组交换的基本过程是把数据先分成若于个 小的数据包，可通过不同的路由，以存储转发的接力方式传送到目的 端，而组装成完整的数据。分组交换基本上不是实时系统，延时也不 固定，但可以使不同的数据传输“共用 传输带宽：有数据时占用带 宽，无数据时不占用，从而分享资源。同时分组交换可以提供灵活的 差错控制和流量控制，主要是在端到端的高层进行，以减少中闻网络 低层环节不必要的开销；也可以在网络部分环节上增加控制，提高安 全性。另外通过设置服务等级等手段，可以有效的控制和分配延时、 带宽等性能，所以分组交换非常适用于数据应用。 2 提供更高的数据传输速度，改变了以往单一面向文本的数据应用，使 得包括图片、语音和视频在内的多媒体业务成为现实。g p r s 手机用户 可以随时收发电子邮件，发送彩色数码相片及大容量档案，以及网上 游戏。 3 “永远在线的特点，即用户可以随时与网络保持联系。比如用户访 问互联网时，点击某个网页，手机就在无线信道上发送和接受数据， 主页下载到本机后，没有数据传送时，手机释放所有的无线频道给其 他的用户使用，但网络和用户之间还保持着逻辑上的连接，当用户再 次点击时，立冀向网络请求无线频道用来传送数据。 4 通信费用低。g p r s 是根据用户传输的数据量而不是上网时间来计算 的。 5 实时性好。与短消息服务比较，系统没有时延，能很好的满足系统对 数据采集和传输实时性的要求。 6 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。g p r s 网本 身就是个分组型数据网，支持t c p i p 、x 2 5 协议，无需经过p s 烈 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 等网络的转接，直接与分组数据网( t p 网或x 2 5 网) 互通，接入速度仅 几秒，快于电路型数据业务。 7 支持p 协议和x 2 5 协议。 g p r s 支持因特网上应用最广泛的m 协议和x 2 5 协议。而且由于g s m 网 覆盖面广，使得g p r s 能提供i n t e m e t 和其它分组网络的全球性无线接入【赘。 2 。3g p r s 的工作原理 g p r s 是在现有g s m 网络上的升级。g p r s 网络是基于现有的g s m 网络 实现的。为了实现g p r s ，需要在现有g s m 网络中增加一些节点( 如图2 1 ) ， 同时对g s m 系统中的相关部件进行软件升级。三个主要部分是s g s n ( g p r s 业务支持节点) 、g g s n ( g p r s 网关支持节点) 和p c u ( 分组控制单元) ，s g s n 、 g g s n 有时有合称为g s n ( g p r s 支持节点) 3 1 。 图2 1g p r s 网络参考模型 移动终端( m s ) ：包括移动物理设备( 例如手机的裸机) 和s i m 卡两部分。 基站子系统( b s s ) ：基站子系统由基站收发信台( b t s ) 和基站控制器( b s c ) 两部分组成。基站子系统一方面透过b t s 利用无线接口与移动台相连，负责信 息的无线发送接收和无线资源的管理：另一方面，通过b s c 和网络子系统中的 移动业务交换中心( m s c ) 相连，实现移动用户之间以及移动用户和固定电话网 络用户之间的通信连接。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 移动业务控制中心( m s c ) ：m s c 是网络子系统的核心。m s c 是交换机， 具有号码存储、呼叫处理、路由选择、回波抵消和超负荷控制等功能。 g p r s 业务支持节点( s g s n ) ：主要功能是对移动终端进行鉴权和移动性管 理，建立移动终端到g g s n 的传输通道，接收从b s s 传送来的移动终端分组数 据，通过骨干网传送给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 还可集成计费网关、边缘网关( 负责实现不同g p r s 网络之间的互联) 和 防火墙的功能。 g p r s 网关支持节点( g g s n ) ：是连接g p r s 网络与外部数据网络的节点。 对于外部数据网络来说，它就是一个路由器，负责存储已经激活的g p r s 用户 的路由信息。g g s n 接收移动终端发送来的数据，转发到相应的外部网路，或 接收来自外部数据网络的数据，通过隧道技术，传送给相应的s g s n 。另外 g g s n 还可以具有地址分配、计费、防火墙功能。 s g s n 和g g s n 两节点可分可合，即它们的功能既可以由一个物理节点全 部实现，也可以由不同的物理节点来实现。它们都应有m 路由功能，并能与口 路由器互联。 在基于p 的互联网络中，路由器用来分隔各个不同的子网。g p r s 网络中， g g s n 承担了类似路由器的工作，使g p r s 的特性对外部数据网来说是不可见 的。移动终端就像g p r s 子网中的普通主机，通过d 地址来识别【l 】【4 1 。如图 2 2 所示。 图2 - 2 将g p r s 网络看作p 子网 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 2 4g p r s 无线数据传输终端 g p r s 无线传输终端是无线传输系统的核心组成部分，主要是实现将现场 采集到的数据传输到监控中心。 2 4 1g p r s 无线传输系统的组成 基于g p r s 网络数据传输系统组成如图2 3 所示，该系统主要融受控设备、 g p r s 无线数据终端、g p r s 网络、i n t e r n e t 和远程控制中心四个部分构成。 受控设备卜 岬忡 八八 i g n 受控设簧卜 控p g筝 。数 制 r pe 据 模 s r r 块 模 sn 中 块 露 j e 心 蕈 阏 i7 受控设备，卜 一 vu 图2 3g p r s 无线传输系统 远程控制中心由p c 机及数据通信模块完成，接收无线数据终端传输的参 数，控制中心对传输终端发送操作命令。 无线传输终端接收控制参数和命令并传送给受控设备，同时将所接收到的 受控设备的应答数据或操作受控设备的操作结果及状态信息回送给控制中心， 控制中心存储无线传输终端发来的信息，以备操作维护人员的查询，对监控终 端进行及时有效的操作，使无线传输终端正常运行。 从用户终端到控制中心的传输过程如下： 1 g p r s 无线终端通过串口从用户终端中读取现场设备数据。 2 。数据经g p r s 终端处理露，以g p r s 分组数据的形式通过g s m 基站发 送到g p r s 服务支持节点s g s n 。 3 。s g s n 与g p r s 网关支持节点( g g s n ) 进行通讯，g g s n 对分组的数据 进行相应的处理，再发送到连在i n t e r n e t 上的远程控制中心。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 同理，控制中心发送数据到用户终端，是将标识有终端地址的数据包发送 到g g s n ，再转发到s g s n ，继而传送到g p r s 终端，再通过串口发给现场设 备。 2 4 2g p r s 无线传输终端的功能 g p r s 无线传输终端主要可实现以下几个功能： 1 数据传输功能 g p r s 终端内嵌t c p i p 协议，它可以把数据实时的传送到控制中心，控制 中心也可以下达控制命令到g p r s 终端。 2 远程升级功能 g p r s 终端设备具有远程自动维护功能，当有新版本的软件出现时，可以 立即远程升级，让用户立即享受到新功能带来的愉悦。 3 实时在线功能 g p r s 网络的特点就是“永远在线”，用户只有在发送或接收数据时才占用 资源，g p r s 终端以传输数据量计费，而不是以传送的时间计费。 2 。4 。3g p r s 无线传输终端的特点 为适应监控系统发展的要求，实施无线监控的设备必须具备操作方便、可 靠性高、兼容性强等基本性能。 1 操作方便 软件方面：设计的模块具有自诊断、自恢复功能、远程模块的在线下载与 升级功能。 硬件方面：采用分散、灵活的数据采集模块，可以使系统的配置与组合非 常方便、灵活。 2 可靠性 无线监控系统是一个对安全性、可靠性要求很高的系统，为保证其工作正 常，各种告警信息与反馈数据等必须准确、及时地上报监控中心。 3 可扩充性 可实现监测点的平滑扩容，一旦有大量新的监测点需要进行监控，可通过 增加数据采集器的方式实现监测网点数目的平滑扩容。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 2 4 4g p r s 无线传输终端的应用 g p r s 无线数据终端主要由g p r s 无线通信模块及微控制器两个件组成， 应用范围广泛，几乎所有远程数据传输业务都可以应用，不受地理环境、气候、 时间限制且能进行存储和历史查询等诸多优，因此在我国工业自动化和其它领 域的应用将会越来越广泛。 基于g p r s 的无线数据传输终端可用于下列任何需要远程无线传数据的应 用场合： l ，电机远程监控； 2 电、火、煤气自动抄表系统； 3 安全监控系统； 莲。环保监测系统； 5 交通监控系统等等【9 1 。 2 5 本章小结 本章主要是对g p 袋s 通用分缓无线鲎务的概述，主要介绍了g p r s 的基本 工作原理以及g p r s 无线数据传输终端的特点等。g p r s 作为g s m 的扩展，嵌 入式g p r s 无线遭信模块借助于移动通信运营商的无线通信网络，组成虚拟的 专用数据网络来传输用户数据，具有网络覆盖范围广、传输可靠、扩容性好、 组网灵活、建设周期快、运营成本低等优点。使得g p r s 无线数据传输系统有 着越来越为广泛的应用，发展也缀迅速，可以应用于几乎所有中低速率的数据 传输。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 第3 章数据终端硬件电路设计 3 1 系统的总体设计 在硬件设计中，没有包含对于电机的数据采集部分，只设计了数据传输终 端部分。系统的整体设计如图3 1 所示： 图3 1 系统硬件设计框图 参考了r a b b i t 2 0 0 0 和s i m l 0 0 的使用手册等资料，设计了g p r s 终端的硬 件电路，终端主要由以下几个部分组成： 1 中央控制部分采用r a b b i t 半导体公司的工业级芯片r a b b i t 2 0 0 0 作为 微处理器。该处理器具有丰富的接口资源，配合其软件开发平台 d y n a m i cc 可实现在想的编程、调试和仿真。保证了终端的良好性能， 也方便软件的升级。 2 g p r s 模块选用的是s m c o m 推出的g s m g p r s 双频模块s i m l 0 0 ， s i m 是当前性价比较高的一款g p r s 模块，它集成了完整的射频电路 和g s m 基带处理器，适合于开发一些g p r s 无线应用产品。同时它 提供了功能完备的系统接口，用户只需投入少量的研发费用，在较短 的时间内，就可以集成自己的应用系统。s i m l 0 0 可以与r a b b i t 2 0 0 0 以标准的串口方式相连。 3 存储扩展区。包括f l a s h 存储扩展和s r a m 存储扩展，f l a s hm e m o r y 拟采用a t m e l 的a t 2 9 c 0 2 0 ( 5 v ，2 5 6 k ) 存储器，该存储器除作为程 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 序存储区外，d y n a m i cc 支持r a b b i t 2 0 0 0 在其内部开辟出4 k 作为用 户数据存储区，用于存储非易失的设置参数。终端掉电后数据不会丢 失。s 涨数据存储区选用c y 的c y 6 2 1 2 8 b ( 5 v ，1 2 8 k ) 芯片， 主要用于动态数据的交换、缓存等功能，用于提高r a b b i t 2 0 0 0 的运行 速度。 4 程序下载接豳，提供d y n a m i cc 环境下程序的下载，调试及仿真接 蜀。参考r a b b i t 公司提供的下载电龉设计而成。 3 1 。1r a b b i t 2 0 0 0 微处理器 r a b b i t 2 0 0 0 ( 如图3 2 ) 是r a b b i t 半导体公司专门为应用于中小型控制器而 设计的8 位微处理器。r a b b i t 2 0 0 0 使用简便，其硬件及软件界面都最大程度的 实现了方便和简洁，运算速度在8 位总线微处理器中处于领先地位。它和z 8 0 系列微处理器有相似的结构和高度的兼容性，但性能有很大的提高。具有多达 4 0 个通用i o 引脚。内建圈历、时钟、看f j 狗、定时器、多级中断、双d m a 通道。对于8 位总线的微处理器，r a b b i t 具有很高的计算速度。这对予实时操 作系统是极为重要的。对于r a b b i t 2 0 0 0 ，传统的微处理器硬件和软件的开发已 被简化，不再需要在线仿真。用一根接口电缆把p c 串行口和基于r a b b i t 2 0 0 0 的目标系统连接起来就即可实现软件的开发。r a b b i t 2 0 0 0 具有4 个串行端团， 具有很强的组网通信能力。它能精确地产生脉冲和边沿，可实现多优先级中断。 图3 - 2r a b b i t 2 0 0 0 的结构图 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 处理器速度和功耗在程序控制之下，在处理器持续执行指令的时候，能使用超 低功耗模式实现计算和执行逻辑检测，为实现低功耗设计提供了方便。 r a b b i t 2 0 0 0 微处理器需要一种创新的c 语言( d y n a m i cc ) 系统的支持，z w o r l d 公司给r a b b i t 2 0 0 0 提供软件开发工具，缩短了使用者的开发周期。它很容易使 硬件和软件接口尽可能的简洁和智能。r a b b i t 2 0 0 0 是一个8 位总线的微处理器， 同时它的指令集紧凑放置和内存接口的设计，允许内存的最大利用，因此 r a b b i t 2 0 0 0 具有突出的计算速度和优秀的浮点运算能力。为了方便r a b b i t 2 0 0 0 的使用者，简化了微处理器硬件和软件的开发。不需要在线仿真程序，软件开 发是通过连接个人计算机串口和r a b b i t 目标系统的简单接口电缆完成的，减小 了软件设计的难度【l 删。 3 1 2r a b bit 2 0 0 0 微处理器主要性能 r a b b i t 2 0 0 0 微处理器主要性能如下l l l 】： 1 1 0 0 引脚p q f p 封装。工作电压范围2 7 v _ 5 v 。时钟频率可达3 0 m h z ： 2 工用级适用的电压波动为1 0 ，温度范围为4 0 至u + 8 5 。商用级适用 的电压波动为5 ，温度范围为0 到7 0 ； 3 为c 程序留有1 m 字节的空间，最多可写5 万多行程序代码； 4 具有四个级别的中断优先级，使得在实际工作中对关键应用能够做到 快速响应。一个完整的中断程序可在小于4 l as 的时间内执行完成； 5 访问i o 设备可通过使用带有i o 前缀的存储器存取指令来完成。因而， 与专用i o 指令集的处理器相比，访问i o 设备更加快捷、简便； 6 系统硬件设计简单。总共可有6 个静态存储器芯片( 比如r a m 和f l a s h e p r o m ) 直接与微处理器连接而不需要额外的译码逻辑。通过使用并行 i o 口线作为高位地址线；还可处理更多的存储器。每一次存储器访问 需要两个时钟周期。在2 4 m h z ，r a b b i t 2 0 0 0 微处理器无等待状态下， 存储器存取时间为7 0 n s 。多数i o 设备也可实现无译码逻辑的直接连 接； 7 存储器读取周期为两个时钟周期长度。清晰的存储器和i o 读写逻辑能 够完全避免相互冲突的可能。外围i o 设备通常使用可编程接口作为 i o 芯片、i o 读选通信号或i o 写选通信号等来实现无译码逻辑接口。 内置时钟倍频分频器允许使用降频方式工作以减少高频辐射； 8 通过一个串口或一个并口对从端口进行访问，r a b b i t 2 0 0 0 可以被冷启 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 动。这意味着闪存里可以没有任何内容，也可以在没有任何现存的程序 和b i o s 的情况下随时重写程序； 9 共有4 0 条并行i o 口线。其中一些i o 口线是与定时器同步的，这就 允许在硬件和软件联合控制之下产生精确地时钟沿和脉冲； 1 0 共有4 个串行口，a 、b 、c 和d 。这4 个串行端口都可以工作在异步 模式下，其中a 和b 两个串行口还可以工作在同步模式下。通信波特 率可以很高，在异步操作时为时钟速度的1 3 2 ，同步操作时，使用1 6 的外部时钟速度或1 4 的内部时钟速度。在异步工作方式时，r a b b i t 2 0 0 0 支持发送标志字节来标记一个消息帧的开始。标志字节有9 比特而不 是8 比特：额外的一位比特在前8 位比特之后，用以标记一个消息帧 的开始。通过串行口a 可以对r a b b i t 2 0 0 0 进行冷启动，3 2 7 6 8 k h z 晶 振在冷启动时为串口a 提供时钟频率； 1 1 从端口方式允许r a b b i t 2 0 0 0 作为智能外设从属于一个主处理器。8 位从 端口有6 个8 位寄存器，分两对进行双向通信，独立的选通脉冲和中 断信号用来控制从端口上下行通信。如果时钟信号和复位信号都与主 处理器共用，那么只需要一个r a b b i t 2 0 0 0 微处理器和一个r a m 芯片就 可以构成一个完整的从系统； 1 2 内置电池供电的时间日期时钟部件，使用一个外置3 2 7 6 8 k h z 晶振。 时间日期时钟也可用于提供每4 8 8l as 一次的周期性中断； 1 3 很多定时器和计数器( 共6 个) 可用于产生中断、波特率发生和计数器工 作。内置主时钟振荡器使用的是一个外部晶体，也可以使用陶制谐振 器。典型的晶体振荡器频率范围在1 8 m h z 到2 9 5 m h z 之间。系统时 钟允许倍频或8 分频，来动态改变工作速度或降低功耗。为定时器提 供的时钟是独立的，以保证当处理器时钟分频或倍频时不