基于GPRS的数据传输.doc

毕 业 设 计(论文)GPRS技术在远程传输中的应用与研究 题 目 系 别动力工程系专业班级测控技术与仪器专业07K2班学生姓名王毅指导教师李牡丹二一一年六月华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文）GPRS在远程数据传输中的应用与研究摘要随着计算机和网络技术的迅速发展，基于无线局域网的监控系统和数据传输系统取得了很大的发展，但对于环境恶劣、作业点分散、频发小数据量传输的工业应用，目前的工业监控系统难以满足需要，如何实现远程设备之间的自由通信成为研究的热点。本文简述了当前无线通信技术发展现状，将GPRS无线通信技术和单片机技术相结合，提出适用于工业生产监控的GPRS无线远程监控系统方案。在介绍系统的软硬件开发平台的基础上，设计了一种基于西门子公司的GPRS模块MC39I以及51系列单片机的远程无线数据终端单元，并应用C编程建立了远程监控系统。终端与现场工业设备通过串口相连，在单片机内实现简化的PPP协议，并用单片机驱动GPRS模块MC39I，使其经过GPRS无线网络连接到Internet，最后与Internet上的监控中心电脑建立连接，从而实现工业现场设备与远程监控中心间的可靠数据无线通信。 通过实验调试验证了本系统无线数据传输的有效性。关键字：无线数据传输；MC39I；单片机GPRS data transmission in the remote application and researchAbstractWith the computer and the rapid development of network technology, wireless LAN-based monitoring systems and data transmission system has achieved great development, but for the bad environment, the operating point spread, frequent small amounts of data for industrial applications, the current industrial monitoring is difficult to meet the needs of the system, how to achieve the freedom of communication between the remote device become a research hotspot.This paper describes the current status of wireless communications technology, the GPRS wireless communication technology and microcontroller technology, that are suitable for industrial production monitoring of the GPRS wireless remote monitoring system. Based on introducing the system hardware and software development platform designed a remote wireless data terminal unit based on the GPRS module Siemens MC39I and 51 series of Microcontroller, and the application of C programming to establish a remote monitoring system. Terminals and on-site industrial equipment through the serial port connected to the microcontroller to achieve a simplified PPP protocol and GPRS module with a microcontroller-driven MC39I, so after a GPRS wireless network connection to the Internet, the last with the monitoring center computer on the Internet to establish a connection, in order to achieve industrial site equipment and remote monitoring center of reliable data between the wireless communication. The experiment of the system debugged and verified the effectiveness of the wireless data transmission.朗读显示对应的拉丁字符的拼音字典朗读显示对应的拉丁字符的拼音字典Keywords： Wireless Data Transmission；MC39I；MicrocontrollerII目录摘要IAbstractII1 绪论11.1 课题的研究背景及意义11.2国内外远程数据传输的现状和问题11.3 GPRS技术（公用电话网技术）21.3.1GPRS传输协议模型21.3.2GPRS 技术应用于远程数据传输系统的特点31.3.3GPRS无线通信系统基本原理31.4 本文的主要研究工作42 数据传输系统方案设计52.1 方案设计52.2系统结构52.3系统各部分的主要功能62.3.1 数据采集终端模块功能62.3.2 GPRS无线通信模块功能功能62.3.3 监控中心的功能63系统硬件设计73.1硬件电路总体设计73.2单片机系统设计73.2.1C8051F310概述73.2.2C8051F310最小系统的设计83.3GPRS模块部分电路设计83.3.1MC39I模块简介93.3.2MC39I结构93.3.3GPRS模块与单片机接口电路设计113.4 电源电路设计123.4.1 单片机电源电路123.4.2 MC39I模块电源电路123.5数据采集模块设计134系统软件设计144.1编程语言简介144.2单片机控制GPRS模块程序设计144.2.1主程序设计154.2.2单片机初始化程序设计164.2.3MC39I模块参数设置及拨号174.3 数据采集模块程序设计184.4 存储程序模块设计195调试与分析20结论21参考文献23附录25致谢291 绪论1.1 课题的研究背景及意义随着信息技术的发展, 如何及时准确地获取信息显得越来越重要。在许多远程数据采集系统中，例如水、电、煤气表的自动抄录、IC卡电话机的话费统计等分布式控制系统中，常常需要对众多监测点的数据进行实时采集和监控，同时大部分的监测数据需要实时发送到监测中心的后台服务器进行处理。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PC机通过串行口构成的微机系统，主要是针对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RS-232，或有线Modem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，部分位于山区、乡镇等偏僻地区，而且地理位置分散，无法架设有线网络或远程线路铺设，不便于现场信息处理，这就要求将采集的数据传输到远程的计算机上,再对数据进行处理和分析。因此需要一个高效、廉价的传输系统，将反映各监测点运行状况的数据信息传送给监测中心，并且将监测中心的控制命令传送到各测点上。所以采用无线的方式来进行数据传输的需求就日益突出了。当今世界己进入了飞速发展的信息时代，信息产业己成为国民经济的主导产业，通信则成为信息产业中发展最为迅速，进步最快的行业。而在通信领域中，移动通信(GPRS)网则是这个领域中发展最积极最活跃最快的分支之一。GPRS(General Packet Radio Service)通用分组无线业务12，是在现有的GSM(Global System for Mobile Communications)即全球移动通讯系统34网络上开通的一种新型的数据传输技术，GPRS采用分组交换方式，仅在实际传送和接收数据时才i在现有reei)占用无线资源。利用现有的GPRS网络资源，发挥网络覆盖率高、永远在线等优势，为现有数据传输系统提供一种便捷的无线传输方式。1.2国内外远程数据传输的现状和问题远程传输主要包括:基于有线的远程传输(包括架设电缆、光缆或租用电信专线、基于公用电话网远程传输、专用线路的远程传输)；基于无线的远程传输(主要是建立专用无线数据传输系统)56。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POS终端设备，该设备采用32位嵌入式微处理器，利用该处理器内部集成的104M以太网接口以及两个串口，外加另行扩展的LCD接口、IDE接口的逻辑芯片，构成了一个功能结构紧凑、丰富完善、成本远远低于工控机的POS机终端设备。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5，例如美国航空公司于1995年在达拉斯采用一套名为AirData的无线办理登机手续系统，该系统由SABRE公司开发，采用AT&T的CDPD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Cheek-In柜台，旅客也不必在柜台前大排长龙，通过CDPD(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提高，公司的形象也有所提升。1.3 GPRS技术（公用电话网技术） GPRS(General Packet Radio Service),即通用无线分组业务, 介于第二代和第三代网络之间，是基于GSM 网络上的一种新的数据传输技术。GPRS 采用分组交换方式,仅在实际传送和接收数据时才占用无线资源, 具有较高的数据传输速率。GPRS采用基于分组传输模式的无线IP技术，以一种有效的方式高速传送数据。1.3.1GPRS传输协议模型移动台(MS)和GPRS之间的分层传输协议模型如图1-1所示。它主要由GT，PLLC和RLC协议构成7图1-1 传输协议平台Um接口是GSM的空中接口。Um接口上的通信协议有5层，自下而上依次为物理层、MAC层、LLC层、SNDC层和网络层。RLC/MAC为无线链路控制/媒质接入控制层。RLC负责LL-PDU的拆装与重组，并提供可靠的无线链路。MAC的主要作用是定义和分配空中接口的GPRS逻辑信道，使得这些信道能被不同的移动台共享。LLC层为逻辑链路控制层。它是一种基于高速数据链路规程HDLC的无线链路协议。网络层的协议目前主要是Phase1阶段提供的TCP/IP和X.25协议。TCP/IP和X.25协议对于传统的GSM网络设备是透明的。GTP即GPRS隧道协议，它将用户数据及信令用隧道技术在GPRS网络GSN节点之间传送。1.3.2 GPRS 技术应用于远程数据传输系统的特点GPRS 技术应用于远程数据传输系统,具有以下几个特点:1）可靠性高与SMS短信息方式相比，GPRS采用面向连接的TCP协议通信，避免了数据包丢失的现象，保证数据可靠传输。中心可以与多个采集点同时进行数据传输，互不干扰8。GPRS网络本身具备完善的频分复用机制，具备极强的抗干扰性能。2）实时性强GPRS具有实时在线, 接入速度快的特性，数据传输时延小，并支持多点同时传输，因此GPRS监测数据中心可以在多个监测点之间快速、实时地进行双向通信，很好地满足系统对数据采集和传输实时性的要求。3）应用范围广GPRS网络已经实现全国范围内覆盖，并且扩容无限制，接入地点无限制，能满足山区、乡镇等偏远地区的接入需求。由于环保信息采集点数量众多，分布在全省范围内，在无线GSM/GPRS网络的覆盖范围之内，都可以完成对测点的控制和管理。4）系统建设、运营成本低由于采用GPRS公网平台，无需建设网络，只需安装设备就即可，建设成本低，也免去了网络维护费用。采用GPRS公网通信，全国范围内均按统一费率计费，省去昂贵的漫游费用。GPRS 是一种经济高效的分组数据技术,用户只需在传输数据时按照流量进行付费,大大降低了用户的使用费用，从而实现了系统的低成本通信。5）系统的传输容量大，扩容性能好由于数据采集点数量众多，系统要求能满足突发性数据传输的需要，而GPRS技术能很好地满足传输突发性数据的需要；由于系统采用成熟的TCP/IP通信架构，具备良好的扩展性能，一个监控中心可轻松支持几千个数据采集器的通信接入，从而可以实现与Internet的无缝连接。 1.3.3GPRS无线通信系统基本原理 GPRS是一种基于GSM系统的无线分组交换技术,提供端到端的、广域的无线IP连接。GPRS网是在GSM电话网的基础上增加以下功能实体构成的：SGSN(服务GPRS支持节点)、GGSN(网关GPRS支持节点)、PTMSC(点对多点服务中心)；共用GSM基站，但需进行软件更新；采用新的GPRS移动台；GPRS要增加新的移动性管理程序；通过路由器实现GPRS骨干网互联；GSM网络系统要进行软件更新和增加新的MAP信令和GPRS信令等。GPRS逻辑结构如图1所示9。图1GPRS无线分组网络系统结构图GPRS的基本功能是在移动终端与计算机通信网络的路由器之间提供分组业务。GPRS网络分成两部分，即无线接入部分和核心网络部分。无线接入部分在移动台与基站子系统(BSS)之间传输数据，核心网络部分在BSS和标准通信网络边缘路由器之间中继传递数据。SGSN是服务GPRS支持节点，主要是记录用户移动台当前是否登陆GPRS和当前位置，并且SGSN将数据封装成传输协议，发给GGSN。GGSN是网关GPRS支持节点，主要是起网关和路由作用，它把GSM网络中的GPRS分组数据包进行协议转换，传送到远端的TCP/IP或X.25协议网络。GPRS提供了两种类型的服务:点到点服务( PTP)和点到多点服务( PTM) 10。相对原来的GSM的拨号方式的电路交换数据传送方式，GPRS的分组交换技术具有实时在线、按量计费、高速传输等优点。1.4 本文的主要研究工作随着现代技术的飞速发展，基于无线局域网的监控系统和数据传输系统取得了很大的发展，但对于环境恶劣、作业点分散、频发小数据量传输的工业应用，目前的工业监控系统难以满足需要，如何实现远程设备之间的自由通信成为研究的热点。本论文将GPRS无线通信技术和单片机技术相结合，提出适用于工业生产监控的GPRS无线远程监控系统方案。以C8051F310单片机为微控制器，利用西门子公司的GPRS模块MC39I，使其经过GPRS无线网络连接到Internet，最后与Internet上的监控中心电脑建立连接，并应用C编程建立了远程监控系统，从而实现工业现场设备与远程监控中心间的可靠数据无线通信。设计无线传输系统数据终端单元，完成由各测点向监测中心传送信息的任务。2 数据传输系统方案设计2.1 方案设计目前远程传输主要包括:基于有线的远程传输(包括架设电缆、光缆或租用电信专线、基于公用电话网远程传输、有线电视电缆网远程传输)；基于无线的远程传输(主要是建立专用无线通信传输系统)56。电缆光缆网主要用于环网控制，系统稳定性很好。但专门建设电缆或光缆网进行远程监控设备投资大，工期长，系统性价比太低。公用电话网这种方式随着电话初装费逐步取消，电信资费的下降，优势明显，系统构建简单，维护工作量小。但每月有固定基本费用，且有集中器安装的地点很可能假设电话线比较困难。有线电视电缆网投资较少，系统构建较简单。但该方案要求有线电视网必须是双向系统，需与有线电视部门进行良好的合作与配合，协调工作量大。监测站点的设置与监测范围受到有线电视网的布局制约，特别是随着电力地埋电缆的增加，缺点越来越明显，不具备推广普遍性。无线数据传输通信网，系统构建不受地理和距离限制；投资省，只需在抄表终端上配置有关无线通信模块就可以构建覆盖全球的无线数传网络；没有维护费用；系统工作可靠性高。根据上述对供电企业系统可选用通信方式的分析比较可以看出，随着通信技术的发展，原有的远程数据采集系统采用的通信方式已不能满足供电和用电部门的需要。从务实的角度出发，GPRS作为电能量数据传输系统网络支撑平台，同时综合采用先进安全方案以构建远程数据采集系统是较佳的选择。2.2系统结构本系统由远程数据采集部分、GPRS数据传输部分和监控中心部分三大模块构成。远程终端由传感器组、C8051F310单片机及外围电路所组成的分布式数据采集系统和西门子的MC39I无线通信模块三部分组成。数据采集终端安装在现场，通过各个传感器进行各种状态信息的采集；GPRS通信网络是数据采集终端分站与监控中心分站之间数据传输的桥梁，远程数据传输部分将终端收集的数据按照网络协议发送到GPRS网上，再通过Internet网络传送到监控中心的计算机中，同样监控中心的查询或控制命令也可以通过GPRS网络发送给采集终端。系统结构如图2-1所示。 远程数据终端 n个字节 远程数据终端 图2-1系统结构图1112 2.3系统各部分的主要功能2.3.1 数据采集终端模块功能(l) 参数采集和处理功能。采集现场数据并进行处理。(2) 存储一记录功能。记录系统主要参数在上电时对系统初始化。(3) 报警功能。在系统供电不足以及现场数据出现异常时发出报警并将信息传送给监控中心。(4) 参数设置。在扩展接口部分，现场人员可以通过串口对采集终端进行参数设置。(5) 显示功能。在扩展接口部分，现场人员可以通过显示屏查看数据情况。2.3.2 GPRS无线通信模块功能功能(1) 协议转换:待发数据送至GPRS模块，GPRS模块首先对数据进行TCP/IP协议转换，然后再将其封装成GPRS分组数据包才能发送至GPRS无线基站。同理，GPRS模块接收到的数据包同样需要协议转换才能送至监控终端进行接收处理。(2) 数据传输:通过串口向采集终端收发数据，通过GPRS无线通讯方式实现与监控中心站的通讯，完成数据向中心站的传输和接收中心站控制命令的功能。2.3.3 监控中心的功能监控中心一方面与数据采集终端双向通信，实时接收从采集终端分站上传的数据和报警信息，并记入数据库供查询；另一方面为管理人员提供一个友好的可视化界面，实时地显示各个参数、报警信息、各项参数统计结果，并能以曲线图或表格等形式表现出来，使得管理人员可直观地了解现场的运行状况。3系统硬件设计3.1硬件电路总体设计本系统的硬件电路包括两大部分：监控中心电路及数据采集远程终端部分。其中监控中心主要由监控中心服务器，数据库服务器，企业内部局域网及相应的外围设备组成。本文重点介绍数据采集远程终端部分的硬件系统的设计，对监控中心的硬件结构不做详细的说明。 远程终端的硬件结构根据功能不同可划分为两个子系统：数据采集系统和无线数据传输系统，两个子系统之间由C8051F310单片机控制，实现A/D转换及数据交换。数据采集和传输终端硬件组成框图如图3-1所示。图3-1硬件组成结构图从结构框图中可以看出终端的硬件系统含有5个部分：由C8051F310为MCU的主控部分；基于GPRS的无线传输模块部分；由传感器组及前端运放组成的数据采集部分；以BC7281芯片接口的按键及显示器等外围电路部分；电源部分。3.2单片机系统设计根据以上硬件设计方案，综合考虑存储空间及A/D转换等功能从而选择性价比比较高，具有丰富外设功能的低功耗单片机C8051F310作为微处理器。3.2.1C8051F310概述C8051F310单片机，是完全集成的混合信号片上系统型MCU芯片，是真正能独立工作的片上系统（SOC）15。其系统控制内核是CIP-51微控制器，与MCS-51的指令集完全兼容。C8051F310单片机具有标准8052的所有外设部件，包括一个可编程内部振荡器、一个增强型全双工UART、一个增强型SPI、4个16位的定时/计数器、256字节的内部RAM、128字节特殊功能寄存器、16KB的可在线系统编程的FLASH程序存储器、29个I/O端口、支持14个中断源以及一个10位ADC1617。C8051F310单片机采用流水线结构，机器周期由标准的12个系统时钟周期降为1个系统时钟周期，处理能力大大提高。指令运行速度大幅度提高，70的指令执行是在一个或两个系统时钟周期内完成。处理器最高运行时钟可达25MHz。3.2.2C8051F310最小系统的设计 图3-2所示为单片机最小系统原理图。该单片机使用两个时钟输入，即一个32KHZ时钟型号，另一个是8MHZ。该系统的时钟部分都是采用晶体振荡器实现的。单片机电源采用5V供电，考虑到电源的输入纹波对单片机的影响，在电源的管脚增加一个0.luF的电容来实现滤波，以较少输入管脚处受到的干扰，另外单片机还有模拟电源的输入端，因此在这里需要考虑干扰问题，由于在该系统中的干扰比较小，因此模拟地和数字地共地，并在模拟电源输入管脚增加一个滤波电容以减小干扰。单片机的串口0与GPRS模块接口，串口1与PC进行通信，由于接口电平不同，因此串口1与RS-232芯片进行连接。图3-2 单片机最小系统原理图3.3GPRS模块部分电路设计本系统主要采用GPRS模块MC39I通过GPRS网络实现数据采集终端与监控中心的通信，主要采用短消息收发的方式进行数据传输，下面对MC39I模块的功能特点及电路设计做详细介绍。3.3.1MC39I模块简介MC39I是Siemens公司推出的基于GPRS/GSM网络的无线数据传输模块，它完全兼容MC35模块的功能，能够在GPRS网中完成语音、数据呼叫、网络连接、短消息以及传真的传送，Siemens自己的复用协议基本上可以满足语音/数据复用串口的要求，在GPRS不可用的地区还可以通过GSM短消息传输数据18。MC39I无线通信模块主要有以下功能1920:(1)永远在线，即用户可以随时与网络保持联系。(2)支持双频GSM/GPRS，无需申请频点，只需一张SIM卡即可。(3)按流量计费。按照用户发送和接收数据包的数量来收取费用，没有数据流量传递时，即使用户挂在网上，也是不收费的。(4)快速登陆，与GPRSA网络建立连接的时间一般是3-5秒，接入互联网的时间是1-3秒。(5)透明数据传输，用户只需接入或取出数据即可，无需编程。(6)自如切换，GPRS上网不影响正常的通话和接收短信。(7)抗干扰设计，GPRS提供四种不同的编程方式，分别提供不同的错误保护能力。3.3.2MC39I结构MC39I内部结构主要有：射频区、内部FLASH、SRAM、GSM基带处理器、匹配电源和一个40脚的ZIF插座。内部功能结构如图3-3所示。图3-3 MC39I功能结构图其中，GSM基带处理器是MC39I的核心部件，其作用相当于一个协议处理器，用来处理外部系统通过串口发送的AT指令；匹配电源为处理器及射频部分提供所需电源；射频部分主要实现信号的调制和解调，以及外部射频信号与内部基带处理器之间信号的转换。MC39I通过40脚的ZIF连接器与开发评估板的外围电路连接，从而实现电源连接、指令、数据、语音信号及控制信号的双向传输。外围电路主要包括电源电路、启动与开关电路、SIM卡电路、数据通信电路、指示灯电路等。由于传输数据的承载方式是GPRS网络，故SIM卡是不可或缺的，SIM卡的功能主要是储存数据及在安全条件下完成客户身份鉴权和客户信息加密算法的全过程。为了便于硬件设计，对ZIF连接器的管脚图进行介绍。图3-4为ZIF连接器的管脚图。图3-4 ZIF连接器的管脚图这40个引脚可以划分为5类，即电源、数据输入输出、SIM卡、音频接口和控制。第1一14脚为电源部分:l一5为电源电压输入端Vbatt+，6一10为电源地GND，11、12为充电引脚，13为对外输出电压(供外电路使用)，14为ACCU一TEMP接负温度系数的热敏电阻。24一24为SIM卡引脚，分别为CCIN、CCRST、CCIO、CCCLK、CCVCC、CCGND。33、34为语音接口，用来接电话手柄。15、30、31和32脚为控制部分:15为点火线 IGT(Ignition)，当MC39I通电后必须给IGT一个大于100ms的低电平，模块才能启动，30为RTC，31为 PowerDown，32为SYNC。16一23为数据输沁输出，分别为DSR0、RING0、RxD0、TxD0和DCD0。MC39I的数据输入/输出口实际上是一个串行异步收发器，符合ITU-T/RS232接口标准，它有固定的参数:8位数据为和1位停止位，无校验位，波特率在300bps115kbps之间可选，硬件握手信号用RTS0/CTS0，软件流量控制用XON/OFF，CMOS电平,支持标准AT指令。GPRS模块MC39I的应用电路总体框图如图3-5所示。模块电源主要由开关电源芯片LM2576转换提供：上电时使用IGT引脚启动GSM引擎；通过SP323E将所有的信号线都引至9针串口连接器DB9，这样使用PC机时可以实现调制解调器的全部功能同时将9针串口中的TXD、RXD、DTR和DCD信号直接引出，通过C8051F310单片机直接对MC39I进行操作：使用SYNC引脚控制一个LED可以显示MC39I所处的状态：其他外部接口还包括SMA天线接口、SIM卡座接口等。50天线单片机控制口模块电源/IGT模块MC39IRS232电平转换SYNC状态指示图3-5 模块MC39I应用电路总体结构3.3.3GPRS模块与单片机接口电路设计MC39I模块主要通过串口与单片机进行连接，从而实现单片机对MC39I模块的控制。MC39I无线模块部分的开关机、工作方式、工作状态级工作内容等均由C8051F310单片机控制，它与C8051F310的连接方式如图3-6所示。图3-6MC39I和C8051F310连接图在本设计中，C8051F310通过一个IO引脚P1.0（设置为输出引脚）经9013三极管控制MC39I模块的IGT引脚，从而控制模块的开机过程。/IGT为MC39I的工作状态控制管脚，该管脚首先通过一个电阻拉高。当/IGT管脚输出高电平的时候，MC39I模块不工作；当/IGT管脚输出为低电平的时候，MC39I模块工作。对于MC39I模块其他管脚在不使用的时候，如果该管脚为输出管脚的话，一般让该管脚悬空，如果为输入管脚，需要将该管脚通过10K的电阻上拉。C8051F310与MC39I的数据传输均通过异步串行通讯接口实现这里采用三线制连接，一收一发及地线。MC39I的异步串行接口RXD0、TXD0连接到C8051F310的异步串行口UART0，实现单片机对MC39I发送和接收指令的控制。这里由C8051F310的P1.2引脚（设置为输入引脚）监视MC39I的DSR0引脚，从而监视模块是否处于开机状态（关机时为高，开机时为低）。MC39I模块的串口中DTR0和RTS0两个管脚为输入管脚，因此分别通过10k的电阻将这两个管脚拉高。MC39I的SYNC管脚用来指示GPRS模块的工作状态，连接一个指示灯来指示工作状态。由于MC39I模块的异步串行口工作在CMOS电平(2.65V)，所以在TX和RXD0之间连接一个100欧姆的电阻，起到限制电流的作用。MC39I的2429引脚直接与SIM 卡的对应引脚进行连接，便于检测SIM卡是否插好，以及完成短信发送的功能。3.4 电源电路设计 由于单片机的电压为3.3V，MC39I模块的工作电压为3.6V，因此本系统需要提供3.3V和3.6V的电压。3.4.1 单片机电源电路整个系统采用5V供电。除了MC39I外均采用3.3V电压供电，考虑到硬件统对电源要求具有稳压功能和纹波小等特点，另外也考虑到硬件系统的低功耗等特点，因此该硬件系统的3.3V电源部分采用TI公司的TPS76033芯片实现。电源如图3-7所示。图3-7 电源电路图3.4.2 MC39I模块电源电路MC39I模块电源电路如图3-8所示：图3-8 3.6V电源电路对于MC39I模块可由外部 3.3V-4.8V的单电源供电，在本系统中采用3.6V供电，由于该电源部分的输出电流必须满足输出电流能达到2A，在此采用可调式稳压芯片NATIONAL公司的LP3966-ADJ芯片。该芯片的管脚2为shutdown管脚，在设计时必须通过一个10K的电阻拉高到5V。为了使3.6V输出电源的纹波小，在输出部分用了一个68PF、33uF和0.luF的电容，实现滤波。另外在芯片的输入管脚放置一个68uF的滤波电容，减小输入端受到的干扰。3.5数据采集模块设计在该系统中主要考虑模拟输入前端为传感器，从传感器送来的是标准信号，即4mA-20mA，这样设计具有一定的通用性，只要前端接不同的传感器就可以采集不同的信号源。由于A/D转换基准为电压，也就是参考源为电压，所以A/D转换的是电压，这样需要将电流信号转换成电压信号。如图3-9所示为模拟量采集具体的电路。图3-9 数据采集电路由图可以看出，采集电路通过一个电阻将电流信号转换成电压信号，为了提高采集的精度，需要采用高精度的电阻，这里采用的是精度为1%的电阻。电路中采用二极管作为ESD保护电路，考虑到干扰问题，采用电容进行滤波处理，增加采集电路的抗干扰问题。 以上即为本系统硬件部分的设计，主要介绍了单片机最小系统、GPRS模块、数据采集模块、电源电路几部分电路的设计，给出了原理图和详细地设计步骤并对所用到的单片机进行了详细地介绍，硬件部分是系统的主干，起到至关重要的作用。4系统软件设计 对于一个完整的应用系统出了硬件设计外还必须包括软件部分的设计，系统的主要功能都是由下载到微处理器的软件来实现的，所以系统程序的设计也是系统设计一个非常重要的方面。4.1编程语言简介程序中的所有代码都由C语言编写。C语言是一种面向过程的计算机程序设计语言。它既具有高级语言的特点，又具有汇编语言的特点。它可以作为工作系统设计语言，编写系统应用程序，也可以作为应用程序设计语言，编写不依赖计算机硬件的应用程序2122。因此，它的应用范围广泛，不仅仅是在软件开发上，而且各类科研都需要用到C语言。C语言是一种很有发展前途的高级程序设计语言。具有以下特点：（1）C是中级语言。它把高级语言的基本结构和语句与低级语言的实用性结合起来。C 语言可以像汇编语言一样对位、字节和地址进行操作， 而这三者是计算机最基本的工作单元。 （2）C是结构式语言。结构式语言的显著特点是代码及数据的分隔化，即程序的各个部分除了必要的信息交流外彼此独立。这种结构化方式可使程序层次清晰，便于使用、维护以及调试。C 语言是以函数形式提供给用户的，这些函数可方便的调用，并具有多种循环、条件语句控制程序流向，从而使程序完全结构化。 （3）C语言功能齐全。具有各种各样的数据类型，并引入了指针概念，可使程序效率更高。而且计算功能、逻辑判断功能也比较强大，可以实现决策目的的游戏。 （4） C语言适用范围大。适合于多种操作系统，如Windows、DOS、UNIX等等也适用于多种机型。 4.2单片机控制GPRS模块程序设计远程数据终端软件设计采用模块化设计方法，各模块之间相对独立，每个子程序完成一定的功能，需要时由主程序进行调用，这样不仅便于程序的调试，而且有利于实现功能扩展和程序的修改和移植。系统的软件部分可分为：主程序模块；初始化模块；数据采集模块；数据处理模块；数据存取模块；无线通信模块；定时器中断和串口中断模块等。4.2.1主程序设计在本设计中，主程序的任务首先是完成整个系统的初始化设置和系统自检，在自检结束后，初始化MC39I模块，看能否正常登录GPRS网络，如果GPRS网络能正常登录则系统进入主循环，主程序在主循环中通过查询各功能标志来判断是否需要进入相应的模块进行处理。各个模块在完成各自的任务后通过改变标志的方式通知主程序可以继续执行下一步工作。主程序流程图如图4-1所示。开始单片机初始化系统自检故障处理登录GPRS网络开中断有故障否？GPRS网络正常？数据处理数据采集有数据传输指令？定时采集时间到？数据传输YNNNYYNN图4-1主程序流程图4.2.2单片机初始化程序设计系统的初始化是系统运行的基础部分，它涉及到系统的整体硬件设计，如引脚的初始工作状态、特殊功能寄存器的设置、芯片采用的工作模式等问题。下面主要介绍C8051F310单片机初始化部分，初始化流程图如图4-2所示：关闭看门狗关中断时钟初始化串口0初始化串口1初始化ADC初始化开中断系统上电图4-2单片机初始化流程图当单片机上电开始执行控制程序前，必须先对所有I/O口和其它相关模块及寄存器进行初始化编程，设置成系统需要的工作模式。此部分模块的功能主要是完成对C8051F310单片机系统资源的初始分配，主要包括各变量的初始化，系统时钟的设置，看门狗初始化，串行口的初始化，各I/O端口的初始化等。（1）时钟设置：C8051F复位后默认内部振荡器工作方式，基频为24.5MHz左右，并以此为系统时钟。初始化时，可以对OSCICN内部振荡器控制寄存器的IFCN位编程设置分频值，为了配合与MCU的各外部模块的工作频率，可以通过设置振荡器与时钟控制寄存器相应的标志位，对应程序如下：Void Init_CLK(void)/时钟初始化OSCICN=0x83；/允许使用内部振荡器，并设置内部振荡器的输出不分频（分频值为1）最高频CLKSEL=0x00；/使用内部振荡器（2）看门狗定时器：本系统中看门狗定时器(WDT)的主要功能是避免程序“跑飞”。当程序发生问题时，使系统重新启动。如果WDT超过了设定的定时时间，则发生系统复位。（3）UART0的初始化：包括对UART控制寄存器、发送控制寄存器以及波特率选择寄存器等进行设置，程序如下：Void Init_UART0(void)/串口0初始化P0MDOUT|=0x10；/TxD输出P0MDOUT&=0x20；/RxD输入XBR0=0x01；/硬件UART启用XBR1=0Xc0；/弱上拉关，交叉开关启用SC0N0=0x10；/SCON0：模式1，8位UART，启用RXTMOD|=0x20；/定时器1工作在模式1，8位自动重装TH1=0x96；/TL1=0x96；/波特率设为9600，与MC39I的相一致TR1=1；/打开定时器1ES0=0；（4）ADC初始化：该部分主要完成A/D转换的初始化功能。初始化部分的程序见附录A-1。4.2.3MC39I模块参数设置及拨号MC39I模块的参数设置主要通过标准AT指令集以及西门子公司扩展的一些命令来实现。当MC39I模块接收到AT指令后，将会触发并通过执行模块内部程序完成该指令要求的动作，并返回相应值。MC39I模块参数设置是完成GPRS上网的必要配置工作。本文用到的AT指令如表1所示。表1中AT指令按照先后顺序执行，执行前5条AT指令时，MC39I模块返回“OK”表示指令执行正确，返回“ERROR”表示执行指令的错误。终端每次均对MC39I模块的返回值进行判断，如果正确则继续执行下条指令，否则系统将重新发送AT指令，以确保参数设置的成功。执行ATD拨号指令时，MC39I模块返回“CONNECT”表示物理通道已经成功建立，此时ISP将主动向终端发起PPP协商请求232425。表1AT指令及功能AZZr复位模块ATEOr禁止回传发送信息AT+CGATT=1r附着到GPRS网络AT+CGDCONT=1,IP,CMNETrPDP环境设置AT+CGACT=1r激活GPRSATD*99*1#r拨号MC39I的初始化如下：AT+IPR=38400；此命令用于把波特率设为38400bps，默认值为9600bps。AT+CGDCONT=l，“IP”，“CMNET”；此命令用于设置GPRS接入网关，其中第二个数表示PDP(Packet DataProtocol)类型为：IP或PPP，第三个数表示接入网关为移动梦网，可以是某一特定IP地址。AT+CGCLASS“B”；此命令设置移动终端的类别为B类。移动终端的类别有A、B、C三类，A类是GPRS上网和GSM的语音通信功能可以同时使用；B类是二者不能同时使用，但可以自动切换；C类也不能同时使用，必须人工切换；CG为GPRS模式，CC为GSM模式。AT+CGACT=l；此命令用于激活GPRS功能，以测试GPRS服务是否开通。如果返回0K，则GPRS连接成功；如果返回ERROR，则意味着GPRS连接失败。ATD*99*l#；此命令是拨“*99*l#”登录到GGSN上动态分配到Internet网的IP地址。GPRS模块与网关的通信协议为PPP协议，其中身份验证时用户名、密码都为空。使用PPP协议登录上之后，就可以通过GGSN连接到Internet了。4.3 数据采集模块程序设计模拟量采集模块主要是单片机通过A/D通道采集来自传感器的信号，并将信号进行处理。数据采集的时间间隔则通过定时器A来完成，就是在每次定时器A中断到来时读取A/D采集得到的数据，在读数据之前先停止A/D转换，当读取数据完毕后启动A/D转换。如果得到数据，则设置一个标志位，通知主程序，告诉主程序己经得到新的数据。整个模块采用中断服务程序的结构。如图4-3所示为该模块的程序流程图。是否设置标志启动A/D转换读取数据停止A/D转换定时器A中断到来图4-3 数据采集流程图该模块主要设计A/D转换和定时器A的操作，下面介绍定时器A处理和A/D转换部分:该部分主要完成8通道模拟数据的采集，并且通过定时器A来控制采集的频率，另外也设置一个标志来通知主程序己经获得新的数据，通过全局变量来实现与主处理程序实现数据的交互。这部分程序采用中断服务程序实现，在定时器A里先停止A/D转换，读取数据后启动A/D转换，然后再等待下一次中断的到来。定时器A处理和A/D转换部分的程序参见附录A-2。4.4 存储程序模块设计在本系统中，利用串行存储器存储某些重要数据。单片机通过12C与串行存储器进行接口本系统使用的串行存储器为24LC02B。串行存储器主要有读/写操作，下面分别进行详细介绍。1)写操作:24LC02B的写操作有两种形式:单字节写、可按页写。下面对单字节写、可按页写两种方式分别进行介绍。单字节写是在制定的地址中写入内容。首先单片机发送控制字节，然后发送地址字节，最后输入写的内容。流程图如图4-4所示，程序代码见附录A-3。可按页写是一次写入8个字节。可按页写操作的第一个字节的操作和按字节写操作是一致的。当写完第一个字节后，单片机继续写下一个内容，在写完最后一个字节后，单片机在总线上产生停止信号。需要注意的是:一次最多只能写入8个字节，如果操作多于8个字节，则写入的内容会被覆盖。可按页写的程序流程与单字节写的流程相同，这里不再介绍。2)读操作:24LC02B的读操作有3种形式:当前地址读、随机读和顺序地址读。当前地址读需要知道上次读操作后的地址，因此不具有操作独立性，这里不做介绍。下面对随机读和顺序读分别介绍。随机读可以读任何地址的数据地址数据。首先由单片机发送一个控制字节，然后发送地址数据，最后读出该地址的数据。程序流程图如图4-5，程序代码见附录A-4。顺序读是连续读出多个字节。它的开始操作可随机读是一样的，在读完一个字节后，对24LC02B发送确认(ACK)信号，再继续读下一个字节，当读到最后一个字节的时候，单片机需要在总线上产生停止信号。程序的流程与随机读是相同的，这里不再介绍。写命令启动数据总线发送控制字节等待ACK发送地址字节等待ACK发送数据字节等待ACK停止总线写命令启动数据总线发送控制字节等待ACK发送地址字节等待ACK启动数据总线发送控制字节等到ACK读取数据停止总线成功返回图4-4 单字节写流程图 图4-5