（农业电气化与自动化专业论文）gprs数据终端及在基站动力环境系统中的应用.pdf

摘要 无线实时数据采集在军事，工业，科研等各个领域都有着非常广泛的需求和应用，其主 要功能是通过无线的方式将不同地理位置的数据，实时地传送到控制中心，同时，也能够反 过来控制和操作远程的设备或仪器。传统的远距离数据传输方式中，有线方式虽然速度快、 稳定可靠，但是在不同的地形架设和布线的成本相当昂贵，不适合在复杂多变的环境下进行 数据采集：无线方式中，卫星通信虽然具有覆盖范围广，不受绝大多数环境影响，不过通信 费用非常高，不适合大面积使用和推广；而传统的g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l e c o m m u n i c a t i o n ，全球移动通信系统) 数据传输方式，属于第二代移动通信技术，虽然基本能 够实现数据传输，但是传输速率不高( 3 0 0 b p s 到9 6 k b p s ) 、网络延迟大，而且信道的利用 率也比较低，要实现实时数据采集所花费代价较大。 针对传统方式的不足，中国移动推出了基于第2 5 代移动通信技术g p r s ( g e n e r a lp a c k e t r a d i os e r v i c e ，通用无线分组业务) 的数据业务，它采用基于分组的方式，让数据包尽可能地 到达目的地。通过应用高速分组数据技术，大大提高了传输信道的利用率g p r s 将无线数 据传输速度从目前的9 6 0 0 b p s 提高到1 1 2 0 0 0 b p s 。g p r s 作为一种新的无线通信技术，当前大 多数的应用都是在无线上网等商业用途上。 本文阐述了g p r s 无线数据终端的功能及应用，然后对d s p 微处理器及嵌入式操作系统 # c o s i i 进行了详尽的描述和研究，接着是g p r s 终端的软硬件设计和实现，最后对系统的 整体功能进行了测试。该终端的硬件设计，主要包括微处理器芯片的选型、m 2 3 通讯模块的 接口设计、存储器单元及串口电路设计等。软件上主要包括：# c o s i i 在t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 上 的移植、系统任务的划分及各个功能模块的具体实现。软件采用的方案可以描述为：嵌入式 操作系统+ 应用程序，应用程序在# c o s i i 的基础上开发。将应用程序分解成多任务，简化 了应用系统软件设计，提高了系统的可靠性。 本课题实现的g p r s 无线数据终端，内嵌t c p i p 协议，可以通过g p r s 网络连接到互 联网，数据传输实时性强，为用户提供透明的数据传输通道。在电力自动化、环保、交通监 控等领域获得了广泛的应用，特别适用于移动环境，难于布线的场所和边远地区 关键词：g p r s ；t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ；# c o s i i ；无线数据终端；远程监控 t h eg p r sd a t at e r m i n a la n di t sa p p l i c a t i o n s i np o w e r e n v i r o n m e n t a l s y s t e mo fb a s es t a t i o n a b s t r a c t w i r e l e s sr e a l t i m ed a t aa c q u i s i t i o ni sw i d e l yd e m a n d e da n da p p l i e di na l e a so f m i l i t a r ya f f a i r s ， i n d u s t r y , s c i e n t i f i cr e s e a r c h ，e t c i tm a i n l yw o r k sl i k et h i s ：d a t af r o md i v e r s eg e o g r a p h i cl o c a t i o n s a r et r a n s m i t t e dt ot h ec o n t r o lc c n t e rb yw i r e l e s sm e a n si nr e a lt i m e ；m e a n w h i l e ，r e m o t ed e v i c e so r i n s t r u m e n t sc a nb ea l s oc o n t r o l l e da n do p e r a t e d w i t hr e g a r dt ot h et r a d i t i o n a lr e m o t ed a t a t r a n s m i s s i o n ，b o t hw i r ea n dw i r e l e s sm o d e sh a v et h e i rm e r i t sa n dd e m e r i t s a st ot h ew i r em o d e t o om a n yc o s t so fe r e c t i o na n dw i r i n g0 1 1v a r i o u sl a n d f o r m so u t w e i g ht h em e r i t so fb e i n gs p e e d y , s t a b l e , a n dr e f i a b l e ，w h i c hi s ，t h e r e f o r e , n o ts u i t a b l ef o rc o m p l e xe n v i r o n m e n t s a st ot h ew i r e l e s s o n e ，h i g hc h a r g ef o rc o m m u n i c a t i o n so u t w e i g ht h em e r i t so fw i d e - r a n g es a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o n s f l e eo f - m o s te n v i r o n m e n t a li m p a c t s ，w h i c hi s ，t h e r e f o r e ，n o ts u i t a b l ef o ru s ea n dp r o m o t i o nt ov a s t a c r e a g e s o nt h eo t h e rh a n d t h ed a t at r a n s m i s s i o nm o d eo ft r a d i t i o n a lg s m ( g l o b a ls y s t e mf o r m o b i l ec o m m u n i c a t i o n ) r e m a i n sw i t ht h es e c o n dg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y a l t h o u g hg s mi sq u a l i f i e df o rd a t at r a n s m i s s i o n ，i ti s0 fl i m i t e dt r a n s m i s s i b i l i t y ( 3 0 0 b p at o 9 6 k b p s ) , l a r g en e t w o r kd e l a y - t i m e ，l o wc h a n n e la v a i l a b i l i t y ，a n dh i g hc o s t so fi m p l e m e n t i n g r e a l - t i m ed a t at r a n s m i s s i o n s a i m i n ga g a i n s td e m e r i t so fc o n v e n t i o n a lm o d e sm e n t i o n e da b o v e ，c h i n am o b i l eh a v eb r o u g h t f o r w a r dt h ed a t as e r v i c eo fg 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 ) b a s e do nt h e2 5 “g e n e r a t i o n m o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y i ta d o p t sap a c k e t - b a s e dm a n n e r , w h i c ht r i e st ot r a n s m i td a t a p a c k e t st od e s t i n a t i o n s b ya p p l y i n gh i g hs p e e dp a c k e td a t at e c h n i q u e ，t h ea v a i l a b i l i t yo f t r a n s m i s s i o nc h a n n e l si sg r e a t l yi n c r e a s e d n eg p r si n c r e a s e sw i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i b i l i t yf r o m c u r r e n t9 6 0 0b p st o1 1 2 0 0 0b i a s a sak i n do fn o v e lw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , i ti s c u r r e n f l ya p p l i e dt oc o m m e r c i a lp u r p o s e ss u c ha st h ew i r e l e s si n t e r a c ts u r f i n g h 岫p a p e r , f u n c t i o n sa n da p p l i c a t i o n so fg p r sw i r e l e s sd a t at e r m i n a la r ef i r s t l yi n t r o d u c e d a n dt h e n ，d s p i g i h a ls i g n a l p r o c e s s o r ) a n de m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m z c o s i ia r e c l a b o r a t e da n ds t u d i e d h a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r er e a l i z a i o no fg p r st e r m i n a la r ep r e s e n t e d a f t e r w a r d , a n df i n a l l y , t h ei n t e g r a ls y s t e mi st e s t e d a sf o rt h eh a r d w a r ed e s i g n ，i tm a i n l yc o n s i s t s o f c h i p s e l e c t i o n o f t h e m i c r o p r o c e s s o r , i n t e r f a c e d e s i g n o f m 2 3 c o m m u n i c a t i o n m o d u l e ，d e s i g n s o f m e m o r yu n i t sa n dp a r a l l e lp o r tc i r c u i t , e t c a sf o fs u f t v a r er e a l i z a t i o n i tm a i n l yc o n s i s t so f t r a n s p l a n t i n g 比c o s - i i i n1 m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ，t h e p a r t i t i o n o fs y s t e mt a s k s 。a n dt h ec o n c r e t e i m p l e m e n t a t i o no fa l lt h ef h n c t i o n a lm o d u l e s 1 n h es o f t w a r es c h e m ec 柚b ed e s c r i b e da s ：e m b e d d e d o p e r a t i n gs y s t e mp l u sa p p l i c a t i o np r o g r a m ；t h ea p p l i c a t i o np r o g r a mi sd e v e l o p e do nt h eb a s i so f m c o s - i i p a r t i t i o n i n gt h ea p p l i c a t i o np r o g r a mi n t om u l t p l et a s k sh a ss i m p l i f i e di t s s o f t w a r e d e s i g n ，a n dh a si m p r o v e ds y s t e mr e t i a b i l i t y t h eg p r sw i r e l e s sd a t at r a n s r a l s s i o ni m p l e m e n t e di nt h ep r o j e c th a se m b e d d e dt c p i p ( t r a n s m i s s i o nc o n t r o 】p r o t o c o l i n t e m e tp r o t o c 0 1 ) 。w h i c he n a b l e st h ec o n n e c t i o nw i t ht h ei n t e r n e t v i ag p r sn e t w o r k d a t at r a n s m i s s i o nb yt h i sw a yi sh i g h l yr e a l t i m ea n ds u p p l i e st r a n s p a r e n t c h a n n e l st ou s e r s i th a sb e e nw i d e l ya p p l i e di nf i e l d so fe l e c t d cp o w e ra u t o m a t i o n ，e n v i r o n m e n t p r o t e c t i o n ，t r a f f i cs u p e r v i s i o na n dm o n i t o r i n g ，e t c ，e s p e c i a l l yi nm o b i l es e t t i n g s ，d i f f i c u l t - t o - w i r e s i t e s ，a n db a c k c o u n t r yd i s t r i c t s k e yw o r d s ：g p r s , t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ；c o s i i ；w i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o n ；r a m o t es u p e r v i s i o na n d m o n i t o r i n g c a n d i d a t e ：c h a nz h i d o n g s p e c i a l i t y ：a g r i c u l t u n le l e c t r i z a t i o na n da u t o m a t i z a t i o n s u p e r v i s o r ：p r o l o u y a n gb i n l i n 研究生学位论文独创声明和使用授权书 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，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过的研究成果，也不包含未获得 ( 壁! 纽遣直墓丝盂要挂剔岜盟的：奎拦互窒2 或其他教育机构的学位或证 书使用过的材料。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：隔惠东日期；卅年月，日 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，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。 本人授权学校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，可以 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解 密后适用本授权书) 学位论文作者签名：简，各寺， 日期；印年月日 导师签名：融竹，武球吼叩；月日 1 引言 1 1 研究目的及意义 嵌入式系统一般指非p c 系统，它是以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可 裁减，适应对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统( j e r e m yb e n t h a m ， 2 0 0 3 ) 。典型的嵌入式系统开发一般由两部分组成：以微处理器或者微控制器为核心的硬件 设计和基于嵌入式应用的实时操作系统的软件开发。 随着现代集成电路的发展，硬件成本的下降、性能的提高、体积的减小、功耗的降低， 嵌入式系统受到工程师们的青睐，在制造工业、过程控制、通信、仪器、汽车、船舶、航空、 航天、军事装备、消费类产品等方面得到了广泛的应用。其应用数量将会远远超过了各种通 用计算机系统。 网络技术的发展，使得i n t e m e t 已经成为社会的基础设施之一，是信息流通的重要渠道， 也是地球上最大、最普及的网络系统( m i r os a m e kp h d2 0 0 4 ) 。如果各种嵌入式终端也能 够接入i n t e m e t ，则可以方便，快捷、低廉地在世界上的任何一个地方通过网络进行过程控制 和信息发布。另外它还有以下优点：不需要专用的通信线路，可以利用现成的全球网络；通 过网络能传输包括图像在内的任何数据信号，而且协议是标准的、公开的。 随着国民经济的持续发展，在工业监控系统、智能仪器、安防系统等领域都存在大量的 嵌入式系统，如何将这些嵌入式系统接入i n t e m e t 网，以便人们能够远程获得这些电子设备 的信息并控制它们的运行，己成为一个技术热点问题。 无线数据通信的应用越来越广泛，促使无线传输需求的骤增，中国移动适时推出了g p r s 业务，在一定程度上满足了用户无线接入互联网的需求。g p r s 网不但具有覆盖范围广、数 据传输速度快、通信质量高、永远在线和按流量计费等优点。而且其本身就是一个分组型数 据网，支持t c p i p 协议，无需经过p s t n ( p u b l i cs w i t h c h e dt e l e p h o n en e t w o r k ，公共交换电 话网) 等网络的转接，可直接与i n t e m e t 网互通。因此g p r s 业务在无线上网、环境监测， 交通监控、移动办公等行业中具有无可比拟的性价比优势 目前，在远程设备监测、工业监控以及自动抄袭等方面，存在许多分布点零散，每个点 设备不多的问题，对这些设备的实时监测及远程数据传输一直是难以解决的难题。但随着科 技的高速发展，g p r s 网络已成为一种可持续利用和开发的资源，嵌入式系统也越来越得到 广泛的应用，如何利用嵌入式系统实现无线终端，并通过g p r s 无线网络进行数据传输是一 个非常热门而且很有实用意义的研究。 1 2 无线监控系统的国内外发展状况 远程测控技术在现代科学技术、工业生产和国防等诸领域中的应用十分广泛。测控技术 的现代化，己被公认为科学技术和生产现代化的重要条件和明显标志。随着计算机技术、通 信技术和电子技术的飞速发展，在现代远程测控领域中，各种先进的测控技术、测控设备和 远程通信手段层出不穷( 孙先逵，秦岚，2 0 0 6 ) 。 目前应用比较广泛、技术比较成熟的远程测控系统主要有以下几大类： 1 应用专线的远程测控系统 对于测控距离较短，通信数据量大、通信频繁且实时性、可靠性和保密性要求都很高的 远程分布式测控系统，一般采用自行架设专线( 如电缆) 来作为数据传输的通道。 系统主站( 测控中心p c 机) 通过扩展的多个串行口及m o d e m ，与各地的多个子站相连。 子站( 或主站) 发送的数据通过串行口送给本地m o d e m 进行调制之后，通过专线传输给远 方m o d e m ，远方m o d e m 将收到的信号解调为数字信号，通过串行口送给主站( 或子站) 的 p c 机，从而实现集中管理。这种网络技术的关键是如何建立主站和各个子站之间的通信协 议，以保证整个系统的实时性和避免冲突的产生，可以采用“快速巡查”或“定点查询”的 方法来解决这一问题。这种远程测控系统在水利、电力、交通、工业等领域的应用十分广泛， 比如说铁路沿线行车信号灯的监控，水电站发电机组的监控，都可以采用这种测控网络来实 现。 2 利用公用电话网的远程测控系统 在通信不是很频繁、通信数据量较小、实时性和保密性要求不高的场合，可以租用公用 电话网，采用拨号方式建立临时连接的方式来实现远程测控。采用这种测控系统可以降低系 统的硬件成本、缩短建网周期，实现高速高效的目的。 该系统中的每个子站只需要定时采集被控对象的状态数据，并保存在自己的数据库中： 主站则只能在屏幕上面按状态数据库所保存的最新数据显示各测控对象的状态。当需要检测 远方测控对象的状态或对其执行操作时，主站从自己的数据库中找到对应子站的电话号码， 通过拨号方式向子站发出“握手信号”，相应的子站接收到“握手信号”后执行摘机命令， 从而建立起主站和子站之间的通信渠道。由于这种测控系统的实时性和保密性都比较差，因 此只用在一些了解远方测控对象的运行状态和提前预防事故的场合。 3 采用光纤通道的远程测控系统 利用光缆传输测量与控制数据，可以充分发挥光缆传输的稳定性好、抗干扰能力强、传 输容量大等优点。 在这种系统中，光纤收发器的主要作用是进行电光、光电转换，并可以直接接收串行口 的控制信号，有些光纤收发器还兼具有以太网接入功能。考虑到系统的高稳定性和高可靠性， 在设计过程中必须慎重选择串行接口和光纤收发器。这种测控系统的投资较高，但由于其抗 干扰和抗雷击能力强，并且通信质量优越，因此在广播电视站以及通信站发射机的远距离不 问断监控中得到广泛应用 4 基于i n t e m e t i n t r a n e t 的远程测控系统 2 测控系统以计算机为中心、以网络为核心的特征日益明显。使用i n t e r n e t i n t r a n e t 的远程 测控系统，人们从任何地点，在任何时刻获取到测量信息( 或数据) 的愿望成为现实。 实现该系统必须解决许多关键性问题，比如数据传输的可靠性、准确性和实时性；另外 网络数据库的连接和更新不仅应是动态的、实时的，而且要有高的编程效率和很好的兼容性； t c p i p 协议和现场总线协议的兼容性，真正达到数据畅通无阻；同时网络的安全性也是一个 不容忽视的环节。基于i n t e m e t i n t r a n e t 的网络化测控系统适用于异地或者远程控制和数据采 集、故障监测、报警等等，其应用范围十分广泛 5 基于无线通信的远程测控系统 对于工作点多、通信距离远、环境恶劣且实时性和可靠性要求比较高的场合，可以利用 无线电波来实现主控站与各个子站之间的数据通信，采用这种远程测控方式有利于解决复杂 连线，无需铺设电缆或光缆，降低了环境成本。 这种远程测控系统的关键是要使射频模块的接收灵敏度和发射功率足够高( 可以采用专 业无线电台来替代射频模块) 。以扩大站点间的距离，同时还需要考虑无线电波波段的选择； 无线通信调制解调器已经有许多比较成熟的产品，可以根据实际需要来选择。基于无线通信 的远程测控技术的应用领域十分广泛，比如说智能小区的保安系统、油井远程监测系统等均 可以采用这种技术来实现，还有航空航天上使用的无线电跟踪测轨、遥测、遥控系统，是这 种技术的典型应用。 目前远程监控技术的主流是应用i n t e m e t 技术，在t c p w 协议和w w w 规范的支持下， 合理组织软件结构，使工作人员通过访问网络服务器来迅速获取自己权限下的所有信息并及 时做出响应将来，嵌入式系统的发展会越来越迅速，越来越成熟，这项新技术迟早必将用于 远程监控系统上，是监控系统未来发展方向之一。嵌入式监控系统可以使信息实现本地化处 理，改善服务器性能，可以使每一个设备具备上网与服务功能，即每一个设备都可以独立进 行服务，从而大大提高监控的质量和范围( 朱文凯，陶波，何岭松，2 0 0 2 ) 1 3 本课题所研究的主要内容及特点 本文结合当今g p r s 技术和嵌入式技术，设计实现了一套具有高可行性和高性价比的 g p r s 终端方案，利用g p r s 网络实现无线数据传输。该g p r s 无线数据终端提供一个r s 2 3 2 接口，可以将从终端设备上的r s - 2 3 2 串行口异步数据，通过g p r s 网络、互联网，发送到 远程控制中心进行处理。反之。控制中心也可以将数据发送到g p r s 无线数据终端。该数据 终端不仅完成了中国移动g p r s 无线网络的接入。同时也提供对外部采集的数据协议封装。 网络传输的功能，与数据终端相连的远端主机也可通过相应软件进行远程控制。 本课题开发的g p r s 无线数据终端，是以t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 微处理器为中心，通过驱动g p r s 通信模块，经过g p r s 无线网络连接到i n t e r n e t 实现无线上网。 g p r s 终端的功能主要由嵌入到t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 微处理器上的软件实现，采用的方案可以 描述为：嵌入式操作系统+ 应用程序。在该方案中引入了嵌入式操作系统z c o s i i ，即在嵌 入式系统上首先安装并运行操作系统肛c o s i i ，使基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 微处理器嵌入式系统 3 的g p r s 无线数据终端能够在网络中进行数据传输。 引入嵌入式操作系统能够把线程管理调度、线程问通信、内存管理等系统功能以函数调 用的方式提供给用户，使用户能够将精力放在应用程序的开发上，有助于软件通用化和模块 化设计，缩短软件产品的研制周期，改善了软件的性能，提高了系统的可靠性，增强了软件 的可扩展性和产品开发的可延续性。 4 2g p r s 网络技术概括 g p r s 是g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e 的缩写，中文意思是通用分组无线业务( 文志成， 2 0 0 4 ) 。g p r s 是由英国b t c e u n e t 公司早在1 9 9 3 年提出的，是g s m p h a s e 2 + ( 1 9 9 7 年) 规范 实现的内容之一，是一种基于在g s m 网络之上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。 g p r s 在现有的g s m 网络基础上叠加了一个新的网络，同时在网络上增加一些硬件设 备和软件升级，形成了一个新的网络逻辑实体，提供端到端的、广域的无线i p 连接。g p r s 采用分组交换技术，每个用户可同时占用多个无线信遭，同一无线信道又可以有多个用户共 享，资源被有效的利用。g p r s 技术1 6 0 k b p s 的高速传送速度几乎能让无线上网达到公网i s d n 的效果，实现“随身携带互联网”。利用g p r s ，数据实现分组发送和接收，用户永远在线而 且按流量、时间计费，迅速降低了服务成本。 通俗的讲，g p r s 是一项高速数据处理的科技，它以分组交换技术为基础，在移动用户 和数据网络之间提供一种链接，给移动用户提供高速无线碑和x 2 5 服务，用户通过g p r s 可以在移动状态下使用各种高速数据业务，包括收发e - m a i l 、进行i n t e m e t 浏览等。 2 1 g p r s 的发展状况及应用 g p r s 是在g s m 系统的基础上引入新的部件而构成的无线数据传输系统。它使用分组交 换技术，能兼容g s m 并在网络上更加有效地传输高速数据和信令。在移动用户和数据网络 之间提供一种连接，给移动用户提供高速无线i p 和x 2 5 分组数据接入服务。g p r s 允许用 户在端到端分组传输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，它可以让多个用户共享某些固定的信道资源。 g p r s 特别适用于间断的、突发性的或频繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量 传输，具有“实时在线”、“按量计费”、“快捷登录”、“高速传输”、“自如切换”的 优点。 我们一般是把移动通信的发展分为三个阶段，简称为三代。第一代就是模拟的无线网络； 第二代是数字无线通信网络，如g s m 和c d m a 第三代是分组型无线通信网络，也就是3 g 。 我们所说的g p r s 是界于第二和第三代技术之间的一种技术，我们一般称其为2 5 g 。但这并 不意味着g p r s 仅仅是一个过渡产品，相反g p r s 是第二代向第三代网络演进的一个非常重 要、不可或缺的一个步骤和里程碑。因为g p r s 较之g s m 在数据的传输上产生了由电路交 换到分组交换这样一个质的飞跃，对于移动互联网和数据业务有了一个很大的促进，在现阶 段3 g 的道路尚不是很清晰，技术发展与市场需求都不是很成熟的情况下，g p r s 在未来1 5 年将成为移动数据业务的最主要的承载方式。g p r s 的引入将可以大大延长g s m 系统的生 存周期，同时为3 g 的发展奠定基础 5 目前，g p r s 应用的行业非常广泛，主要包括： 1 电力监测监控与抄表数据传输； 2 远程监控和远程数据采集( 如环境保护、水文、气象、自来水，移动基站、城市热网、 城市路灯等) ： 3 防空警报； 4 车辆追踪和调度系统； 5 其他无人值守工业遥测、遥控等。 2 2g p r s 的特点 g s m 系统发展到现在，已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 话音通信的需求。但是，g s m 系统存在其固有的问题： 1 容量不足和频谱利用率不高，造成频率资源紧张； 2 只能提供9 6 k b p 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( 特别是无线因特网接入) 的巨大社会需求。g p r s 系统的引入，很大程 度上解决了g s m 系统存在的问题。g p r s 的主要特点： 1 覆盖范围广，可以移动，接入地点无限制，能满足跨地区的接入需求。 2 g p r s 采用分组交换技术，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。数据传输速率高，理论传输速率1 7 1 k b p s ，实际传输速率4 0 k b p s 。 3 系统的传输容量大，扩容无限制。 4 通信费用低。租用专线或电话线进行连接，实现基于数据流量、业务类型及服务质量 等级( q o s ) 的计费功能，计费方式更加合理，用户使用更加方便。 5 实时性好。与短消息服务比较，系统无时延，可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 网本身就是一个分 组型数据网，支持t c p f i p 及x 2 5 协议，无需经过p s t n 等网络的转接，直接与分组数据网 ( 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。 2 3g p r s 的网络工作原理 g p r s 利用“包交换”( p a c k e t - - s w i t c h e d ) 的概念发展起来的一套无线传输方式。所谓 “包交换”就是将d a t a 封装成许多独立的封包，再将这些封包一一传送出去，形式上有点类 似邮局中的寄包裹。其作用在于只有当有资料需要传送时才会占用频宽，而且可以以传输的 资料量计价，这对广大用户来说是较合理的计费方式因为像i n t c m e t 这类的数据传输大多 数的时间频宽是闲置的。 g p r s 网络是基于现有的g s m 网络来实现的在现有的g s m 网络中需增加一些节点， 6 如g g s n ( g a t e w a yg p r ss u p p o r t i n gn o d e ，g p r s 网关支持节点) 和s g s n ( s e w i n gg s n ， g p r s 服务支持节点) ，如图2 5 所示，g s n 是g p r s 网络中最重要的网络节点( k o r h o n e n ， 2 0 0 1 ) 。g s n 具有移动路由管理功能，它可以连接各种类型的数据网络，并可以连到g p r s 寄存器。g s n 可以完成移动终端和各种数据网络之间的数据传送和格式转换。g s n 可以是 一种类似于路由器的独立设备，也可以与g s m 中的m s c 集成在一起。g s n 有两种类型： 一种为s g s n ( s e r v i n gg s n 。服务g s n ) 。另一种为g g s n ( g a t e w a yg s n ，网关g s n ) ， s g s n 是为移动终端( m s ) 提供业务的节点( 即g b 接口由s g s n 支持) 在激活g p r s 业 务时，s g s n 建立起一个移动性管理环境，包含关于这个移动终端( c m s ) 的移动性和安全 性方面的信息。s g s n 的主要作用就是记录移动台的当前位置信息，并且在移动台和s g s n 之间完成移动分组数据的发送和接收。 图2 - 5 g p r s 系统结构图 f i g 2 - 5t h es t r u c t u r a ld i a g r a mo fg p r ss y s t e m g g s n 通过配置一个p d p 地址被接入到分组数据。它存储属于这个节点的g p r s 业务用 户的路由信息，并根据该信息将p d u 利用隧道技术发送到m s ( m o b i l e s t a t i o n ，移动台) 当 前的业务接入点，即s g s n 。g g s n 可以经g c 接口从h l r ( h o m el o c a t i o nr e g i s t e r ，归属 用户位置寄存器) 查询该移动用户当前的地址信息。g g s n 主要是起网关作用，它可以和多 种不同的数据网络连接，如i s d n 和l a n 等。另外，g g s n 又被称作g p r s 路由器。g g s n 可以把g s m 网中的g p r s 分组数据包进行协议转换，从而把这些分组数据包传送到远端的 i n t e r a c t 或x 2 5 网 g p r s 工作时，通过路由管理来进行寻址和建立数据连接，而g p r s 的路由管理表现在 以下三方面：移动终端发送数据的路由建立；移动终端接收数据的路由建立；以及移动终端 处于漫游时数据路由的建立 对于第一种情况，当移动终端产生了一个p d u ( p a c k e td a t au n i t ，分组数据单元) ，这 个p d u 经过s n d c 层处理，称为s n d c 数据单元。然后经过l l c 层处理为l l c 帧通过空 中接口送到g s m 网络中移动终端所处的s g s n 。s g s n 把数据送到g g s n 。g g s n 把收到的 消息进行解装处理，转换为可在公用数据网中传送的格式，最终送给公用数据网的用户为 了提高传输效率，并保证数据传输的安全，可以对空中接口上的数据做压缩和加密处理。 在第二种情况中，一个公用数据网用户传送数据到移动终端时，首先通过数据网的标准 7 一b 。曩 协议建立数据网和g g s n 之间的路由。数据网用户发出的数据单元，通过建立好的路由把数 据单元p d u 送给g g s n 。 而g g s n 再把p d u 送给移动终端所在的s g s n 上，g s n 把p d u 封装成s n d c 数据单元， 再经过l l c 层处理为l l c 帧单元，最终通过空中接口送给移动终端。 第三种情况是个数据网用户传送数据给一个正在漫游的移动用户。这种情况下的数据 传送必须要经过归属地的g g s n ，然后送到用户a 端。 8 3 嵌入式实时操作系统pc 0 s - i i 简介 3 1uc 0 s - i i 操作系统分析 3 ，1 。1 嵌入式实时操作系统简介 实时含有立即、及时之意。如果操作系统能使计算机系统及时响应外部事件的请求，并 能及时控制所有实时设备与实时任务协调运行，且能在一个规定的时间内完成对事件的处 理。那么这种操作系统就是一个实时操作系统。 用于嵌入式系统，对系统资源和多个任务进行管理，且具有高可靠性、良好的可裁剪性 等优良性能的，为应用程序提供运行平台和实时服务的微型系统软件叫做嵌入式实时操作系 统。 目前，嵌入式操作系统主要都以。微内核”为主，其他诸如窗口系统界面、文件管理模 块、通信协议等还要由开发人员自己设计或者外购。大多数嵌入式操作系统主要提供三项服 务来辅助应用程序设计人员。它们分别是： 1 内存管理。内存管理主要是动态内存的管理。当应用程序的某一部分需要使用内存时， 可利用操作系统所提供的内存分配函数来获得足够的内存空问；一旦使用完毕，可调用系统 提供的释放内存的函数，把曾经使用的内存空间还给系统，这样就使内存可以重复利用。 2 多任务管理。嵌入式实时操作系统应该提供丰富的多任务管理函数，以使程序设计人 员设计多线程的应用程序。通常，嵌入式实时操作系统都会提供良好的任务调度机制，控制 任务的启动、运行、暂停和结束等状态通常这些调度算法是满足实时性要求的，也就是能 使任务运行时的每个动作都会在一个严格要求的时间内执行完毕。 3 外围资源管理。一个完整的嵌入式应用程序，除了系统本身的微处理器、内存之外， 还必须有多种外围设备的支持，例如键盘、显示装置、通信端口及外接的控制器等。这些外 围设备都是系统中的各个任务可能用到的资源。由于资源有限，因此揉作系统必须对这些资 源进行合理的调度和管理，才能保证每个要使用资源的任务在运行时可获得足够的资源( 任 哲，2 0 0 5 ) 3 1 2 嵌入式实时操作系统发展现状 1 1 r 行业从来不是一个平静的世界，面对嵌入式系统的巨大应用领域和诱人的前景，世界 上各大软件开发公司、厂商甚至个人都纷纷开发出各具特色的嵌入式操作系统。 目前比较常见的嵌入式操作系统有w i n d r i v e r 公司的v x w o r b 、p s o s ，微软公司的 9 w i n d o w sc e ，o n x 公司的q n xo s ，在手持设备嵌入式操作系统中三分天下的p l a m 、w i n c e 、 e p o c 等，但是使用这些商业操作系统实需要高昂的费用的。面对这种情况，一些组织和个 人也开发了一些免费的、源码开放的操作系统，在互联网发布，其中比较有名的是i t c l i n u x 和g c o s 。i i ( 任哲，2 0 0 5 ) 。 3 1 3 嵌入式实时操作系统uc 0 s i i 简介 # c o s i i 是由j e a n j l a b r o s s e 于1 9 9 2 年编写的一个嵌入式多任务实时操作系统。最早这 个系统叫做z c o s ，后来经过近1 0 年的应用修改，在1 9 9 9 年j e a nj l a b o s s e 推出了i t c o s i i ， 并在2 0 0 0 年得到了美国联邦航空管理局对用于商用飞机的、符合r t c ad o 1 7 8 1 3 标准的认 证，从而证明i c o s i i 具有足够的稳定性和安全性。 # c o s i i 是用c 语言和汇编语言编写的。其中绝大部分代码都是用c 语言编写的，只 有极少部分与处理器密切相关的的代码是用汇编语言编写的，所以用户只要作很少的工作就 可把它移植到各类8 位、1 6 位和3 2 位嵌入式处理器上。 由于g c o s i i 的构思巧妙，结构简洁精练，可读性很强，同时又具备了实时操作系统 的全部功能，所以虽然它只是一个内核，但非常适合初次接触嵌入式实时操作系统的学生、 嵌入式系统开发人员和爱好者学习，并且通过适当地扩展之后，还可应用到实际系统中去。 g c o s i i 的系统结构如图3 - 1 所示。 p c o s - i i ( 处理器无关) 0 s _ c o r e c o s 一脏1 0 x c o s 一班疆c 0 s _ q c 0 s $ e m c o s _ t a s k c 0 5 一t i i e c 软件 硬件 图3 - 1g c o