（生物医学工程专业论文）基于gsm网络的远程监控系统设计与实现.pdf

东北大学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t u pt on o w , t h eg s m ( 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 、n e t w o r kw o r k s v e r yw e l l b yu t i l i z i n gi t si n c r e m e n ts e r v i c e s m s ( s h o r tm e s s a g es e r v i c e ) ，w ec a d t r a n s m i tb o t hc h i n e s ea n de n g l i s hm e s s a g e su s i n gag s mm o d u l ew i t h o u ta n yo t h e r t e r m i n a le q u i p m e n t a c c o r d i n gt og s ms t a n d a r d ，o n es h o r tm e s s a g ec a l lc o n t a i n14 0 b y t e sb ym a x i m u m s o ，t h e r ei saw a yt or e a l i z er e m o t ec o n t r o lo rs m a l la m o u n td a t a a c q u i s i t i o nb yu s i n gs m s t oc o n v e ys m a l la m o u n to f d a t a a n da tt h es a n l et i m e ，w ec a l l r e a l i z er e a l - t i m ec o n t r o lt h a ts m sc a n n o td o t h e ym a k et h ec o n t r o lm o r e a g i l i t y c u r r e n t l y , i nd o m e s t i ca u t o m a t i ci n s p e c t i o nf i e l d ，e s p e c i a l l yi n e n v i r o n m e n t a l s u p e r v i s i n g ，t h es y s t e mc o n n e c t i o nt y p ei so n l yb a s e do nc a b l ec o n n e c t i o na l w a y s ， w h i c hi se a s i l yr e s t r i c t e db yw o r k i n gc o n d i t i o n s s o i ti sab e t t e rm e t h o do fl o n g d i s t a n c ec o m m u n i c a t i o na n dw i l dc o m m u n i c a t i o nt ob u i l daw i r e l e s sd a t a t r a n s m i t t i n g p l a t f o r mb yu s i n gs m s e s p e c i a l l y , i ti sv e r yc o n v e n i e n tt or e a l i z et h ea p p l i c a t i o nt h a ti s l e s sd a t a ，b u tm o r ep o i n t i nt h i sp a p e r ，an e w l yd e v e l o p e dc o m b i n a t i o no fs m sm o d u l ea n dm o d e mm o d u l e w i r e l e s ss m a l la m o u n td a t at r a n s f e rs y s t e mb a s e do l lg s ma n dp s t nn e t w o r ki s i n t r o d u c e d c o m b i n e dw i t hm o d e mm o d u l e ，t h es y s t e mc a r tw o r kr e l i a b l yb yu t i l i z i n g s m so fg s mn e t w o r ki nr e m o t ec o n t r o la n dd a t et r a n s f e rw i t hl o wo p e r a t i o nc o s t i t c a nb eu s e di nm a n yf i e l d ss u c ha se n v i r o n m e n t a ls u p e r v i s i n g ，r e a l t i m er e m o t ec o n t r o l ， a u t o m a t i cm e t e r r e a d i n g ，e t c k e yw o r d s e m b e d d e ds y s t e m ，r e a l t i m er e m o t ec o n t r o l ，g s m ，p s t n , m c u i i i 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成 果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也 不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名 岛午舜 目 期：w s 1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规 定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论 文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期： 签字日期： 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 g s m ( g 1 0 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 ) 作为全球性的移动通信标准， 在全球1 6 0 多个国家中广为分布，全球用户数达到4 7 5 亿( 截至到2 0 0 1 年的二月 底) ，预计在2 0 0 6 年初可突破1 7 亿用户。同样，g s m 在中国也取得了长足的发 展，1 9 8 9 年，中国出现第一个g s m 用户，在随后的短短的十几年里，中国移动 和中国联通已逐步建立了覆盖广、通信质量高、业务品种丰富、服务水平一流的 移动通信网路，使中国成为世界上网络规模和用户规模最大的移动通信市场，国 内现有g s m 手机用户2 3 亿，目前仍以每月5 0 0 多万的新增用户不断增长，使中 国成为全球最大的移动通讯消费市场，其中，中国移动占有7 5 的用户，成为世界 上仅次于v a d a f o n e 的第二大运营商。目前g s m 网络的覆盖范围已遍及全国各地 村镇。另外，中国移动电话的普及率不到2 0 。在欧美发达国家，移动电话普及 率达到5 0 以上，北欧一些国家甚至可以达到7 0 ，相比之下，中国移动通信的 发展还只是在热身阶段。中国移动用户的强劲增长为中国的g s m 网络的更广的覆 盖和更好的服务提供了市场支持。 1 1问题的提出 作为一项技术的产生与发展，其目的无非是为了人类与自然界的发展，为了人 类短期的或长远的需求。毫不例外，远程监控接口技术的研究，也就是为人类与 各种设备之间相互传递信息，提供一种更加便捷的，有效的途径。现在看来无论 国内还是国外已经开始了对这项技术的研究，随着科技的发展，这一科学必将要 引起人们的注目。 人机交互的过程实际上是信息通过不同的途径在人与机器之间的传递过程。通 常，人机交互的过程多种多样，例如人们通过人体感觉系统，从计算机或其它多 媒体设备上获取信息，把它与人们当前的思考内容相结合，并分析，得出结论。 再传递到计算机上。计算机通过一定的外设，获取信息，进行适当的操作。 随着计算机、通信、自动控制、微电子等技术的发展，大量智能控制芯片和智 能传感器的不断出现，并随着在传感器、通信和计算机领域所取得的巨大成就是 人们对系统的综合性能尤其是其安全性能提出了越来越高的要求：希望能对系统 设备的工作状况进行实时的检测和控制，并在此基础上实现设备的智能维护( s m a r t m a i n t e n a n c e ) f l 】。对企业自动化的设备而言，对其工作状况进行远程监测和控制，不 东北大学硕士学位论丈 第一章绪论 仅可以方便设备管理者随时了解设备的工作状态，设备出现异常时主动报警，便于 及时维修，而且还可以拓宽设备的服务范围，提高工作性能，延长使用寿命。这一目标 的实现对控制网络在开放性、互连性、分散性等方面提出了更高的要求。 近几年来，科学技术的发展突飞猛进，人们对外部客观世界的研究越来越深入， 对设备产品的要求越来越高。对设备的远程监测和控制逐步被提了出来，并且目 前国内外对此领域已经有一些研究。然而，真正考虑到我国现实情况并相应采取 适当技术进行开发还处于起步阶段。 1 2目前远程监控的发展现状 目前，国内已有许多机构采用远程监控系统，监控系统将遥测、遥控、遥讯技 术应用于各个方面测控管理系统。郑州市市政工程管理处与启东计算机厂合作， 研制开发的污雨水泵站计算机监控系统，采用分布式控制技术和无线通讯的方式， 统一调配全市污雨水的排放，汛期社会效益非常突出。 在众多的控制领域中，远程监控已成为一种重要而且便利的控制技术。如果利 用现有的通用通讯技术和设备，无疑将大大提高遥控系统的便利性，并迅速降低 成本。 由于现代网络技术的飞速发展，使得通过网络进行各种事物的操作成为可能； 浏览器技术和网络技术为现在各行各业的发展提供了一条新路，已经成为今后发 展趋势。国外在这方面的研究及推广已经证明了此项技术的可行性。 1 3 现存的系统 i i 前的远程监控系统的设计五花八门，距离从几米到几千千米几乎都能够实 现。这些系统一般包括以下几个部分，即特定信号的采集、记录、预处理、远传 和显示，每一个部分都有不同的实现方法。一套完整的系统，通常都要包括相应 的硬件和软件，来完成系统所需要执行的功能。 对于远程监控系统的设计，要综合考虑很多重要的因素。其中有五点是非常 重要的： 1 1 学习这个系统需要花费多长时间： 2 、系统执行的速度怎么样； 3 1 用户会出现多少错误以及错误的类型是什么； 4 、用户对于这个系统所学到的操作知识能记忆多久，一个小时、一天或者一 4 1 用户对于这个系统所学到的操作知识能记忆多久，一个小时、一天或者一 2 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 个星期之后还能记住多少； 5 ) 用户是否喜欢使用系统的这些不同的功能，他们的主观感受怎么样。 然而，目前多数的设计还不能很好的考虑到用户的感受，而是单纯从科学研 究的角度出发。这些设计基本上满足了以下这样四点要求： 第一点，操作人员可以获得预期的执行效果：第二点，最少的技术要求，最 短的训练时间；第三点，系统具有预期的可靠性；第四点，在系统的设计中进行 一些标准化设计1 2 1 。 目前，人们研究的远程监控系统多种多样，还很难对这些系统进行严格的分 类。通常，人们会按照所使用的数据传输方式的不同，将远程监控系统分为以下 几类。 1 ) 基于r s 一2 3 2 4 8 5 标准实现的近距离通讯； 2 ) 基于工业现场总线标准的中距离通讯； 3 ) 基于工业以太网和i n t e m e t 的远距离通讯； 4 ) 基于g s m 网络的远距离通讯； 1 3 1 基于r s 2 3 2 4 8 5 标准实现的近距离通讯 r s 2 3 2 脾8 5 这两种标准总线出现较早，技术成熟，应用也相当广泛。 目前r s 2 3 2 是p c 机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口。r s - 2 3 2 被定 义为一种在低速率串行通讯中增加通讯距离的单端标准。r s 2 3 2 采取不平衡传输 方式，即所谓单端通讯，收、发端的数据信号是相对于信号地1 3 】。实现起来简单， 只需要三条线即可完成通信功能；其不足之处是带负载能力差、通讯范围小 只有十几米，很难满足一般集散控制系统的需要。对于范围较小的数据传输可以 说是一种很好的实现方式。 r s 4 8 5 标准采有用平衡式发送，差分式接收的数据收发器来驱动总线，接收 器的输入电阻不小于1 2 k q ；驱动器能输出士7 v 的共模电压；输入端的电容小于 5 0 p f ；在节点数为3 2 个，配置了1 2 0 q 的终端电阻的情况下，驱动器至少还能输 出电压1 5 v ( 终端电阻的大小与所用双绞线的参数有关) ；接收器的输入灵敏度为 2 0 0 m v 。l 3 1 1 4 1 1 6 1 因为r s 一4 8 5 的远距离、多节点( 3 2 个) 以及传输线成本低的特性，使得r s 一4 8 5 成为工业应用中数据传输的首选标准。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 - 3 2 基于工业现场总线标准的中距离通讯 目前出现了共有三十多种牌号的现场总线及其系统，并且都称是真正的现场 总线，可应用于各种领域。实际上，市场上的现场总线应分为标准和非标准两种。 1 标准现场总线是符合i e c ( 国际电工技术委员会) 现场总线协议模型框架， 具有近似标准数字信号制的现场总线产品，这些主要有i e c 6 1 1 5 8 、f f ( 基金会现 场总线) 、l o n w o r k s 、p r o t i b u s 、w o r l d f i p 现场总线。适用于过程控制、制造自动 化和楼宇自动化等。 2 非标准现场总线，其余的现场总线都可看作是非标准现场总线，它们大多 具有专用标准，适于专用领域。不会向国际标准靠拢。 无论是标准还是非标准的现场总线，其技术特点基本相同： 首先，现场总线数据传输的及时性和系统响应的实时性：一般地讲，过程控 制系统的响应时间要求为o 0 1 o 5 s ，制造自动化系统的响应时间是o 5 2 s ，i t 网络的响应时间为2 6 s ，因此在i t 大部分使用中，实时性是可以忽略的。 其次，现场总线强调在恶劣环境下数据传送的完整性、可靠性：现场总线具 有在粉尘、高温、潮湿、振动、酸( 碱) 腐蚀，特别是电磁和无线电干扰等的工 业环境长时间、连续、可靠、完整传送数据的能力【5 。能够抗工业电网的浪涌、失 波、跌落和尖峰干扰等。在可燃或易爆场合，还要求现场总线具有本质安全性能。 数字化，可互操作性，分散性，可靠性、可维护性和经济性是工业现场总线 注重的方面。这些特点使得工业现场总线的应用基本集中在大型，价值不菲的工 业生产中，例如输电、铁路运输、地铁、化工、空间技术、汽车制造等 “。 1 1 3 3 基于工业以太网和i n t e m e t 的远距离通讯 随着以太网技术在i n t e r n e t 上的成功，它也逐步进入传统的工业控制领域。在 各种专用于工控的现场总线协议争夺市场的同时，已经有人预言以太网将是最后 的赢家。在各大公司纷纷推出其以太网计划后，这个进程被大大加快了。 将以太网技术应用到工业底层网络中有以下好处： 1 其高速，大容量的特性适应不断增长的信息要求。 2 可以做到与上层信息管理层或决策层的无缝连接。 3 设备和软件成本大幅下降。 4 以太网技术相对普及，人才成本下降。【8 j j 这里开发的嵌入式远程监控系统就是充分利用以太网技术和嵌入式系统的特 4 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 点，搭建的数据传输系统，可以应用于工控现场，智能大厦等多种领域。该系统 体积小，可以放入机顶盒，控制面板，智能仪表等设备中，从而实现i n t e r n e t 无处 不在【l o 】。 1 3 4 基于g s m 网络的远距离通讯 g s m ( 全球移动通信系统) ，于1 9 9 4 年被确定为我国选用的标准。它采用电 路交换数据( c s d ) 方式传送数据，由下述子系统构成：交换子系统( s s s ) 、基 站子系统( b s s ) 、移动台( m s ) 与操作维护子系统( o m s ) 。由于现在g s m 已 得到了广泛的应用，发展己比较成熟，为研究远程监控接口技术提供了基础。 随着o s m 技术的发展和g s m 网络的普及，g s m s m s 模块可广泛用于遥控、 遥测、工业数据采集系统、防盗报警、交通运输监控管理、广告信息发布等工业 领域和智能家庭仪器等民用产品【l l 】。可以说只要g s m 网络能覆盖的地方都可以实 现。目前这方向还处于发展阶段，但可以预见随着研究的深入，对于数据量不 大，基站数量多的场合，这种实现方法将成为首选。 1 4 本系统的结构组成与工作原理 系统结构如图1 1 所示： 多 n ，多 肖磊，e ! j 幢靛 筚雏章备锢 图1 1 系统结构框图 f i g1 1s t r u c t u r ev i e wo fs y s t e m - 5 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 系统构成及工作原理： 监控计算机，数据库服务器构成管理前台，首先监控计算机通过r s 2 3 2 串行 接口与上位g s m 模块通信，通过短信方式向下位g s m 模块发送指令。下位g s m 模块接受到指令后，把指令通过单片机串口传送给下位m c u ，m c u 根据指令内 容跳转到相应分支程序，发送相应的数据采集指令。采集完毕后，下位m c u 通过 短信方式，把采集数据或者监测端状态等信息发往上位g s m 模块，上位g s m 模 块再把接受到的短信信息通知给监测计算机。监测计算机接受到短信信息后，通 过监测软件和数据库管理程序，做出相应的反馈动作，到达远程监控目的。 1 5 本课题的工作 本课题提出了一个新的远程监控解决方案，通过对设备多种信号的采集、处 理和远传以及命令的接收，实现异地对设备监视和控制，从而辅助设备维护人员 对设备进行实时监控。对于设备运行环境艰困，不宜人员到达的场合非常适用。 本课题完成的任务主要有这些： 数据采集部分： 传感器信号经a i d 转换后，由下位单片机控制，通过接口电路，通过下位g s m 模块发送到上位g s m 模块。图1 2 是原理框图。 图1 2 数据采集结构框图 f i g1 2 s t r u c t u r ev i e wo f s a m p l e 数据传输部分： 数据传输包括m o d e m 模块之间的数据传输与g s m 模块之间的短信传输。 - 6 - 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 原理框图如图1 3 所示： 图1 3 数据传输框图 f i g1 3s t r u c t u r ev i e wo f d a t at r a n s m i s s i o n 计算机监控程序与数据库管理实现 计算机监控程序用v c + + 6 0 编写，并采用a c c e s s 做数据库服务器。实现计 算机监控界面与数据库管理； ， 东北大学硕士学位论文第二章系统硬件电路设计 第二章系统硬件电路设计 此系统硬件由三部分组成：信号采集部分；以单片机为主的控制以及远传部 分；键盘及显示部分。 具体结构如图2 1 所示，而远传部分又可细分为单片机主控电路、数据存储单 元、s m s 接口单元、d t m f 信号发生电路、调制解调电路。下面几节将详细说明 其中主要部分。 图2 1 系统硬件结构框图 f i g2 1s t r u c t u r ev i e wo fs y s t e mh a r d w a r e 2 1 控制及远传部分电路设计 这一节将介绍系统中的以微控制器a t 8 9 s 5 2 为核心的控制及远传电路部分。 微控制器a t 8 9 s 5 2 芯片是a t m e l 公司5 1 系列微控制器之一。这一部分中，首先将 介绍核心芯片a t 8 9 s 5 2 。接下来将介绍数据存储部分。最后，将介绍基于g s m 网 东北大学硕士学位论文 第二章系统硬件电路设计 络和p s t n 网络的通信模块。 2 1 1 微控制器芯片a t 8 9 s 5 2 介绍 微控制器在现代的系统中得到了广泛的应用，尤其在一些智能测量控制系统中， 它有着无比优越的优势。因为无论从价格上，还是其使用的难易程度上，它都有 着目前不可超越的地方。在远程监控系统的研究中，低端的数据采集通讯过程使 用了a t m e l 公司的a t 8 9 s 5 2 芯片。在目前的远程监控系统中，所应用的为控制芯 片多种多样，包括a r m ，d s p 等等。这主要是利用这类芯片的快速处理能力。由 于本系统的数据处理是在上位的p c 机上完成的。所以低端不要求有太高的数据处 理能力。 2 1 2 微控制器芯片的发展及其使用 由于微电子技术的飞跃发展，近二十年来单片微型机得到了充分的发展。各大 公司几乎都生产各自的单片微型机。在我们国家，使用的最多的是i n t e l 系列的产 品。其中有早期的m c s 5 l 系列单片机，5 1 系列单片机的内部外设非常的丰富，使 得一些常用的外设，在片内就可以得到殡决。其控制功能强大，指令数达到了1 1 1 条。m c s 5 1 单片机可以算是非常成功的产品，它的强大的控制功能和超强的稳定 性以及低廉的价格使得这一系列单片机或其兼容的单片机直到现在仍是各种应用 的主流( 1 2 。 5 l 系列单片机得到广泛应用的另外一个原因是，有着很多与它相关的开发工 具。比如说，i n t e l 的汇编语言编译器，以及p l m 语言，还有现在得到广泛应用的 f l a n k l i n c 的c 语言编译器l j9 1 。有着这几种不同方式的编程语言，使得我们原有的 一些为其它控制器而设计的程序可以得到利用，而只需通过很小的修改就可以在 它上面运行。从目前使用的一些经验上来说，效率最高的仍然是汇编语言。 至于硬件的开发环境，可以使用硬件仿真器，也可以使用一些厂商提供的软 件仿真器。像e a s h c k 、w a v e 等的公司生产的硬件仿真器，有较好的性能。 在不具备硬件仿真器条件的情况下，也可以使用像w a v e 公司提供的软件仿真器。 2 1 3 微控制器芯片的体系结构 a t 8 9 s 5 2 的内部结构如图2 - 2 所示 2 ”。在芯片的内部，有一个8 位的总线。 东北大学硕士学位论文 第二章系统硬件电路设计 它把c p u 单元与其它的控制单元、外设、芯片的端口等连接起来。形成了内部的 数据通路。在c p u 单元中包括了一个a l u 单元、一个微控制电路、2 6 字节的专 用寄存器( s f r ) 和5 1 2 字节的内部r a m 存储器，它们构成了微处理器的核心单 元。在芯片的内部，数据和程序是以8 位的方式工作的。 图2 2a t 8 9 s 5 2 的内部结构图 f i g2 2i n s i d es t r u c t u r ev i e wo f a t 8 9 s 5 2 a t 8 9 s 5 2 是一个低功耗，高性能c m o s8 位单片机，片内含4 kb y t e s i s p ( i n s y s t e mp r o g r a m m a b l e ) 的 反复擦写1 0 0 0 次的f l a s h 只读程序存储器，器件 采用a t m e l 公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准m c s 5 l 指令系统 及8 0 c 5 1 引脚结构，芯片内集成了通用8 位中央处理器和i s p f l a s h 存储单元，功 能强大的微型计算机的a t 8 9 s 5 2 可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解 决方案。 在c p u 单元的外部，有一些外围的辅助装置和一些内部外设i 1 8 ，主要有以下 1 0 东北大学硕士学位论丈 第二章系统硬件电路设计 的一些设备单元： 振荡器和时钟发生器 3 个1 6 位可编程定时，计数器 3 2 个双向i o 口 全双工u a r t 串行中断口线 看门狗( w d t ) 电路 2 个外部中断源 8 k 可反复擦写p 1 0 0 0 次) i s p f l a s hr o m 2 5 6 x 8 b i t 内部r a m 3 级加密位 此外，a t 8 9 s 5 2 设计和配置了振荡频率可为0 h z 并可通过软件设置省电模式。 空闲模式下，c p u 暂停工作，而r a m 定时计数器，串行口，外中断系统可继续 工作，掉电模式冻结振荡器而保存r a m 的数据，停止芯片其它功能直至外中断激 活或硬件复位。同时该芯片还具有p d i p 、t q f p 和p l c c 等三种封装形式，以适 应不同产品的需求。 由以上可见，a t 8 9 s 5 2 微控制器的内部外设是很丰富的，一般的要求都可以从 内部的外设得到满足。也是由于这个原因，其构成的系统一般比较简洁。许多 设备，都是使用该芯片内部的外设，大大的简化了系统的构成，也提高了系统的 可靠性。 在芯片内部的外设与外部信号连接时，一般都使用多功能口。他们在通常的情 况下是作为数据输入输出口使用的。需要的话也可以复用其特殊功能。4 0 脚芯片 的d i p 封装的引脚图如图2 3 所示： 东北大学硕士学位论文 第二章系统硬件电路设计 p 1 0 p i ，1 p 1 2 p 3 p 1 4 ( m o s i ) p 15 ( 醛 s 0 ) p 1 e ( s c k ) p 7 r s t e r ) ) p 3 0 f r x 0 i p 31 孵嘞p 3 2 4 孵t ) p 3 , 3 f r o p 3 4 f r n p * 3 5 毋罹 p 。8 d 罚l p 3 , 7 ) 盯 l 2 x r a g n d u j4 0 23 9 33 8 4 3 7 53 6 63 5 73 4 8 3 8 9a 2 03 t 1 ，3 0 1 22 9 1 32 9 j 42 7 1 59 6 1 6 2 5 t 72 4 1 8 船 1 92 2 2 02 t 图2 3a t 8 9 s 5 2 的d i p 4 0 封装引脚图 f i g2 3a t 8 9 s 5 2p a c k a g ep i n s 在图中，一个引脚提供不同的功能，是通过在两个不同的功能定义之间，加 一个括号表示出来的。如图中的第1 1 号引脚( t x d ) p 3 1 ，表示它可以做数字输 入口p 3 1 ，也可以做内部串行口控制器的数据发送端t x d 。其它的多功能口，其 使用的原理基本相同。 2 1 4 微控制器a t 8 9 s 5 2 的编程语言 在5 1 系列的微控制器上使用的语言有三种，一是汇编语言，还有p l m 语言， 另外是c 语言。p l m 语言和c 语言属于高级语言，用这两种语言开发的优点是快 发周期短，可移植性高，但这两种语言的执行速度和稳定性不如汇编语言好。拒 编语言基本上与单片机的指令系统完全对应。 5 1 系列微控制器的汇编语言有两种寻址方式，即直接寻址和间接寻址 20 1 。而 这两种方式寻址使用的操作数有7 种基本的寻址方式。它们分别是：寄存器直接 寻址、直接寻址、立即数寻址、寄存器间接寻址、变址寻址、相对寻址和位寻址0 3 1 。 在我们使用汇编语言的时候，必需符合以下的一些寻址方式： 寄存器直接寻址指的是对选定的8 个工作寄存器r 0 r 7 进行操作，也就是 一1 2 东北大学硕士学位论文第二章系统硬件电路设计 操作数在寄存器中，因此指定了寄存器就得到了操作数，寄存器寻址的指 令中以寄存器的符号来表示寄存器。 直接寻址指的是指令中操作数直接以单元地址形式出现。直接寻址方式只 能使用8 位二进制地址，因此这种寻址方式仅限于内部r a m 进行寻址。 低1 2 8 位单元在指令中直接以单元地址的形式给出。对于特殊功能寄存器 可以使用其直接地址进行访问，还可阱以它们的符号形式给出，只是特殊 功能寄存器只能用直接寻址方式访问，而无其它方法。 立即数寻址就是把操作数直接在指令中给出，即操作数包含在指令中，指 令操作码的后面紧跟着操作数，一般把指令中的操作数称为立即数，因此 而得名。为了与直接寻址方式相区别，在立即数前加上“# ”号。 寄存器间接寻址方式是指寄存器中存放的为操作数的地址，也即操作数是 通过寄存器指向的地址单元得到的，这便是寄存器间接寻址名称的由来。 寄存器间接寻址方式可用于访问内部r a m 或外部数据存储器。访问内部 r a m 或外部数据存储器的低2 5 6 字节时，可通过r 0 和r 1 作为间接寄存 器。然而有必要指出，内部r a m 的高1 2 8 字节地址与专用积存器的地址 是重叠的，所以这种寻址方式不能用于访问特殊功能寄存器。 外部数据存储器的空间为6 4 k b ，这时可采用d p t r 作为间址寄存器进 行访问 变址寻址是以d p t r 或p c 作为基址寄存器，以累加器a 作为变址寄存器， 将两寄存器的内容相加形成1 6 位地址形成操作数的实际地址。 相对寻址方式是为了程序的相对转移而设计的，是以p c 的内容为基址， 加上给出的偏移量作为转移地址，从而实现程序的转移。转移的目的地址 可参见如下表达式： 目的地址= 转移指令地址+ 转移指令字接数+ 偏移量 值得注意的是，偏移量是有正负号之分的，偏移量的取值范围是当前p c 值的1 2 8 + 1 2 7 之间。 在m c s 5 1 单片机中，r a m 中的2 0 h 一2 f h 字节单元对应的位地址为 0 0 h - - 7 f h ，特殊功能寄存器中的某些位也可进行为寻址，这些单元既可 1 3 东北大学硕士学位论文 第二章系统硬件电路设计 以采用字节方式访问它们，也可采用位寻址的方式访问它们。 以上是汇编语言用于寻址的几种操作数的类型。在一条指令中，通过不同的 寻址组合，来得到我们需要的操作。当然，它们之间也不是任意组合的，必须符 合一定的条件。 2 1 5 数据存储器的选取 由于考虑到下位机之记录少量设备数据以及上一次由上位机传来的控制命 令，总数据存储量不超过5 0 0 字节，同时要保证在掉电情况下数据的完整性，因此 采用x i c o r 公司的串行e 2 p r o m 器件x 2 5 0 4 5 对数据进行存储，同时实现看门狗功 能。x 2 5 0 4 5 具有低功耗、供电电压范围大( 2 7 5 5 v ) 、片内偶然性写保护、高可 靠性等特点： 数据存储器的接法如图2 4 所示。 v e c 图2 4x 2 5 0 4 5 的电路连接图 f i g2 4s c h e m a t i cv i e wo f x 2 5 0 4 5 这里介绍一下主要引脚的用途： s o 以及s 1 分别是串行数据的输出和输入引脚 s c k 是串行传输的时钟信号引脚，此引脚信号的变化影响数据的输出以及 输入 r s t 引脚是看门狗电路的输出端，当x 2 5 0 4 5 长时间接收不到单片机的输 入信号时，x 2 5 0 4 5 会向此引脚输出复位电平，从而使单片机复位。 1 4 东北大学硕士学位论文第二章系统硬件电路设计 2 1 6 基于g s m 网络的通信模块t c 3 5 t c 3 5 是s i e m e n s 公司推出的新一代无线通信g s m 模块，可以快速安全可靠 地实现系统方案中的数据、语音传输、短消息服务( s h o r tm e s s a g es e n r i c e ) 和传真。 模块的工作电压为3 3 5 5 v ，可以工作在9 0 0 m h z 和1 8 0 0 m h z 两个频段，所在 频段功耗分别为2 w ( 9 0 0 m ) 和1 w ( 1 8 0 0 m ) 。模块有a t 命令集接口，支持文本 和p d u 模式的短消息、第三组的二类传真、以及2 4 k ，4 8 k ，9 6 k 的非透明模式。 此外，该模块还具有电话簿功能、多方通话，漫游检测功能，常用工作模式有省 电模式、i d l e 、t a l k 等模式。通过独特的4 0 引脚的z i f 连接器，实现电源连接、 指令、数据、语音信号、及控制信号的双向传输。通过z i f 连接器及5 0 q 天线连 接器，可分别连接s i m 卡支架和天线。 图2 , 5t c 3 5 功能框图 f i g2 5s t r u c t u r ev i e wo f t c 3 5 t c 3 5 模块的结构框图如图2 5 所示，主要由g s m 基带处理器、g s m 射频模 块、供电模3 ( a s i c ) 、闪存、z i f 连接器、天线接口六部分组成。作为t c 3 5 的核 。1 5 - 东北大学硕士学位论文第二章系统硬件电路设计 心，基带处理器主要处理g s m 终端内的语音、数据信号，并涵盖了蜂窝射频设备 中的所有的模拟和数字功能。在不需要额外硬件电路的前提下，可支持f r 、h r 和e f r 语音信道编码。 t c 3 5 模块的正常运行需要相应的外围电路与其配合。t c 3 5 共有4 0 个引脚， 通过z i f 连接器分别与电源电路、启动与关机电路、数据通信电路、语音通信电 路、s i m 卡电路、指示灯电路等连接。如图2 6 所示。 图2 6t c 3 5 的外围电路连接图 f i g2 , 6s c h e m a t i cv i e wo f t c 3 5 电源电路分为充电电池和稳压电源模块两部分：充电电池主要为整个系统提 供3 6 v 工作电电压，同时产生m a x 3 2 3 8 所需要的高电平；t i 公司的三端电源模 块u a 7 8 0 6 将外部+ 1 2 v 直流电源转换为+ 6 v ，连到z i f 连接器的1 1 、1 2 引脚， 在充电模式下，为t c 3 5 提供+ 6 v 、5 0 0 m a 的充电电压。 启动电路由开漏极三极管和上电复位电路组成。模块上电1 0 m s 后( 电池电压 须大于3 v ) ，为使之正常工作，必须在1 5 脚似g t ) 加时长至少为l o o m s 的低电平 信号，且该信号下降沿时间小于l m s 。启动后，1 5 脚的信号应保持高电平。图2 7 所示，为启动电路产生的信号，从中可以看出1 0 m s 的延时和l o o m s 的低电平。 1 6 东北大学硕士学位论文第二章系统硬件电路设计 图2 7t c 3 5 的启动信号降沿 f i g2 7 + f c 3 5t i m i n g s 数据通信电路主要完成短消息收发、与p c 机通信、软件流控制等功能。t c 3 5 的数据接口采用串行异步收发，符合i t u - t r s - 2 3 2 接口电路标准，工作在c m o s 电平( 2 6 5 v ) 。数据接口配置为8 位数据位、1 位停止位、无校验位，可以在3 0 0 b p s 1 1 5 k b p s 的波特率下运行，支持的自动波特率为4 8 k b p s 1 1 5 k b p s ( 1 4 4 k b p s 和 2 8 8 k b p s 除外) 。t c 3 5 模块还支持r t s 0 c t s 0 的硬件握手和x o n x o f f 的软件流 控制。 数据通信电路以t i 公司的m a x 3 2 3 8 芯片为核心，实现电平转换及串口通信 功能。t i 公司的m a x 3 2 3 8 芯片供电电压为3 5 5 v ，符合t i a e i a - 2 3 2 - f 和i t u v 2 8 标准。具有独特的* 1 5 k v 人体静电保护措施，兼容5 v 逻辑输入，内含3 路接 收、5 路发送串行通信接口，最大数据传输速率可达2 5 0 k b p s 。该芯片的最大特点 是，在串行口无数据输入的情况下，可以灵活的进行电源管理，即当f o r c e o n ( 1 3 脚) 为低电平、f o r c e o f f ( 1 4 脚) 为高电平时，a u t o p o w e r d o w np l u s 功能有效。在 正常运行模式下，约3 0 秒事件内若芯片在接收和发送引脚没有检测到有效信号， 将自动进入p o w e r d o w n 模式，此时耗电l u a 。如果f o r c e o n 和y ，f o r c e o f f 引 脚均为高电平，那么a u t o p o w e r d o w np l u s 功能失效。在a u t o p o w e r d o w np l u s 功 能有效的时，如果检测到接收或发送引脚有信号输入，该芯片自动被激活，转入 正常工作状态。如果任一接收通道的输入电压高于2 7 v 或小于- 2 7 v ，或者位于 1 7 东北大学硕士学位论文 第二章系统硬件电路设计 一o 3 v o 3 v 的时间小于3 0 u s ，贝i i n v a l i d ( 1 5 脚) 引脚为高电平( 数据有效) 。如果 所有接收通道的输入电压位于一0 3 v o3 v 的时间大于3 0 u s ，u i n v a l i d ( 1 5 脚1 引脚为低电平( 数据无效) 。 该芯片的以上特性，满足了t c 3 5 作为移动终端的3 路接收、5 路发送电路连 接要求。在m a x 3 2 3 8 与z i f 连接器相应引脚连接时，要注意发送、接收引脚连接 正确。m a x 3 2 3 8 还需要连接4 个o 1 u f 的电容配合，才能完成电平转换功能。t c 3 5 模块通过r s 2 3 2 接口各引脚输出的信号有r x d 0 、c t s 0 、d s r 0 、d c d 0 、r i n g 0 ， 输入的信号为t x d 0 、r t s 0 、d t r 0 。 由于t c 3 5 的接口电路使用了9 针串口的全部引脚，使t c 3 5 可以获得d t r 0 、 d s r 0 、d c d 0 和r i n g o 控制信号。信号r i n g 0 用来向蜂窝设备指示接收到 u n s o l i c i t e d r e s u l tc o d eg n r c ) 。通过a t 指令，可以设置t c 3 5 的不同运行模式。 由于t c 3 5 的g s m 基带处理器内集成了音频滤波、a d c 、d a c 、语音合成等 部分，所以模块语音接口的外围电路连接相对简单。t c 3 5 有两个语音接口，每个 接口均有模拟麦克输入和模拟耳机输出。为了适合不同的外设，模块共有6 种语 音模式，可通过指令a t s n f s 选择。第一个语音接口的默认配置为v o t r o n i c h h s i 3 0 3 v 1 i 0 手持话筒，语音模式为l ( 默认) 、4 、5 ，其中模式1 参数固定。 第二个语音接口为头戴式耳机和麦克设置，语音模式为2 、3 、6 。 为了防止从麦克风和耳机导线引入高频干扰，影响t c 3 5 的正常运行。设计电 路时，在麦克风、耳机、以及手持听筒的插孔处都接有电感。此外，考虑到静电 保护的因素，所有语音信号输入端都通过电容与g n d 耦合。 基带处理器集成了一个与i s o7 8 1 6 3 i c c a r d 标准兼容的s i m 接口。为了适合 外部的s i m 接口，该接口连接到主接口( z i f 连接器) 。在g s m l l 1 1 为s i m 卡预留 5 个引脚的基础上，t c 3 5 在z i f 连接器上为s i m 卡接口预留了6 个引脚，所添加 的c c i n 引脚用来检测s i m 卡支架中是否插有s i m 卡。当插入s i m 卡，该引脚置 为高电平，系统方可进入正常工作状态。但是目前移动运营商所提供的s i m 卡均 无c c i n 引脚，所以在设计电路时将引脚c c i n 与c c v c c 相连。 在设计中为s i m 卡布线时，发现了一个值得引起注意问题：如果将s i m 卡的 第四脚c c g n d 直接与印刷电路板的g n d 相连，不作任何信号的隔离保护，则通 话时音量很小。考虑到设计中的电磁兼容和静电保护等因素，为了达到最佳的通 话效果，采用在s i m 支架下，即印刷电路板的顶层敷设一层铜隔离网，该层敷铜 与s i m 卡的c c g n d 引脚相连，c c g n d 和电路板的g n d 之间通过两个并联的电 容和电感耦合。此举为s i m 卡构成了一个隔离地，屏蔽了其他信号线对s l i m 卡的 - 1 8 。 东北大学硕士学位论文 第二章系统硬件电路设计 干扰。再进行语音通话时，话音清晰。 由s i e m e n s 公司的g s m 模块t c 3 5 及其外围电路构成的移动终端，可以很好 的完成短消息收发、数据和语音通信。 2 1 7 基于p s t n 网络的通信模块 基于p s t n 网络的通讯模块由m o d e m 芯片m s m 7 5 1 2 b 以及d t m f 信号发 生芯片h t 9 2 0 0 组成。接线如图2 8 所示： 图2 8m s m 7 5 1 2 b 与h t 9 2 0 0 接线图 f i g2 8s c h e m m i cv i e wo f m s m 7 5 1 2 b 与h t 9 2 0 0 数据通信在远程测控系统中占有重要位置，目前较为灵活实用的方法是利用 数据调制解调