（电力电子与电力传动专业论文）无线监控系统中gprs数据终端的研究与实现.pdf

西华大学硕士学位论文 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 ，无线监控，a r m ，p c o s i i ，t c p i p i i 西华大学硕士学位论文 s t u d ya n di m p l e m e n t a t i o no fg p r s w i r e l e s sd a t e t e r m i n a l si nam o n i t o r i n gs y s t e m p o w e re l e c t r o n i c sa n de l e c t r i c a ld r i v e g r a d u a t e ：x u y u a n s u p e r v i s o r ：w a n g p i n g g p r sw i r e l e s sn e t w o r kh a sb e e nl i n k e dw l t l lt h ei n t e r n e ta n db e c o m ea r e s o u r c eo fs u s t a i n a b l eu s e da n dd e v e l o p e d a sg p r sn e t w o r kw i t hs t r o n g r e a l t i m e ，l o wc a p i t a lc o s t s ，l a r g es y s t e mc a p a c i t y , h i g hd a t at r a n s f e rr a t e ，a n dl o w c o s to fc o m m u n i c a t i o n s ，g p r sc o m m u n i c a t i o n sa p p l i e dt om o n i t o r i n gs y s t e mh a s g r e a ts i g n i f i c a n c e b e c a u s e o fl o wc o n s u m p t i o na n d s t r o n gp e r f o r m a n c e c h a r a c t e r i s t i c s ，t h ee m b e d d e ds y s t e mi sw i d e l yu s e di nt e l e c o m m u n i c a t i o n s ， i n d u s t r i a lc o n t r o la n do t h e ra r e a s t h i st h e s i sh a ss t u d y i n go i lg p r sw i r e l e s s m o n i t o r i n gs y s t e m ，b u i l tam o n i t o r i n gs y s t e m ，u s e dt h ee m b e d d e ds y s t e m sa n dt h e g p r sn e t w o r k ，d e s i g n e da n di m p l e m e n t e dt h eg p r sw i r e l e s sd a t at e r m i n a l si na m o n i t o r i n gs y s t e m t h et e r m i n a lt o o kt h ea t 9 1s a m 7 a 3m i c r o p r o c e s s o ra st h e c e n t e r , 丽t l ld r i v i n gg p r sm o d u l eo fc o m m u n i c a t i o n ，c o n n e c t e dt ot h ei n t e r a c tb y g p r sw i r e l e s sn e t w o r k , a c h i e v e dd a t at r a n s m i s s i o ni nam o n i t o r i n gs y s t e m f i r s t l yt h et h e s i si n t r o d u c e dc h a r a c t e r i s t i ca n dp r i n c i p l eo fg p r sn e t w o r k ， c o n s t r u c t e dam o n i t o r i n gs y s t e mi n c l u d e du s e rt e r m i n a l s ，g p r sd a t at e r m i n a l s ， t r a n s m i s s i o nn e t w o r k s ( g p r sn e t w o r k sa n dp u b l i cd a t an e t w o r k ) ，r e m o t ec o n t r o l c e n t r a l ，t h e nl e a d st ok e yi s s u e s ：t h er e a l i z a t i o no fg p r sw i r e l e s sd a t at e r m i n a l s e l a b o r a t e dt h ef u n c t i o na n da p p l i c a t i o no fg p r sw i r e l e s sd a t at e r m i n a l ，f o l l o w e d b yh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no fg p r st e r m i n a l t h i st e r m i n a l s h a r d w a r ed e s i g nm a i n l yi n c l u d e st h ec h o i c eo fm i c r o p r o c e s s o rc h i p ，t h ei n t e r f a c e d e s i g no fm 2 3m o d u l eo fc o m m u n i c a t i o n ，t h ec i r c u i td e s i g no fm e m o r ym o d u l e s a n ds e r i a lp o r ta n ds oo n t h es o f t w a r em a i n l yi n c l u d e st h et r a n s p l a n to fi t c o s - i i ! i i 西华大学硕士学位论文 o na t 91s a m 7 a 3 ，t h er e a l i z a t i o no ft c p i ps t a c kw h i c hi n c l u d i n gp p p , i p , u d pa n d s oo n t h ed i v i s i o no fs y s t e mt a s ka n dt h es p e c i f i cr e a l i z a t i o no fe a c hf u n c t i o n m o d u l e t h es o f t w a r ep l a na d o p t e dc a nb ed e s c r i b e da sa ne m b e d d e do p e r a t i n g s y s t e 玎什t c p i ps t a c k + a 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 m w a s d e v e l o p e do nt h eb a s i so fj - t c o s - i ia n dd i v i d e di n t om u f t i t a s k ，w h i c hs i m p l i f i e d t h es o f t w a r ed e s i g no fa p p l i c a t i o ns y s t e ma n di m p r o v e dt h er e l i a b i l i t yo fs y s t e m t h e nt h e s i sd e s i g n e da n dr e a l i z a t i o no fr e m o t ed a t ac e n t e r s ss o f t w a r ei nt h e m o n i t o r i n gs y s t e m ，a n dt h ef u n c t i o n so fg p r sd a t at e r m i n a l sw e r et e s t e d f i n a l l y , t h et h e s i ss u m m a r i z e dt h ew o r ka n dp u t sf o r w a r di m p r o v e m e n tm e t h o da n d p r o s p e c t s t h eg p r sw i r e l e s s d a t at e r m i n a lh a sr e a l i z e di n t h i st o p i c ，e m b e d d e di n t c p ps t a c k ，c a nc o n n e c tt ot h ei n t e r n e tt h r o u g hg p r sn e t w o r k ，a n dr e a l - t i m ed a t a t r a n s m i s s i o ni ss t r o n g ，w h i c hp r o v i d e st h et r a n s p a r e n td a t a t r a n s m i s s i o nc h a n n e lf o r u s e r sa n dh a v eaw i d er a n g eo fa p p l i c a t i o n si nt h e p o w e ra u t o m a t i o n ， e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ，t r a n s p o r t a t i o nm o n i t o r i n ga n do t h e ra r e a s ，p a r t i c u l a r l y a p p l i c a b l et ot h em o b i l ee n v i r o n m e n t ，w i r e l e s ss i t e sa n d r e m o t ea r e a s k e y w o r d s ：g p r s ，w i r e l e s sm o n i t o r ，a r m ，j ，t c o s - i i ，t c p i p i v 西华大学硕士学位论文 声明 本人申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。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其它人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西华大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所作的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师的指导下取得的，论文 成果归西华大学所有，特此申明。 作者签名： 徐彩啄 导师签名： 如口5 年占月弓日 研年占月歹日 西华大学硕士学位论文 1绪论 1 1 研究背景及意义 嵌入式系统是继i t 网络技术之后，又一个新的技术发展方向。嵌入式系 统是指以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁减，适应于应用系统 对功能、可靠性、成本、体积、功耗等有严格要求的专用计算机系统。典型的 嵌入式系统开发一般由两部分组成：以嵌入式微处理器为核心的硬件开发和以 嵌入式操作系统为基础的应用软件开发。随着后p c ( p o s t p c ) 时代的到来，信 息技术和网络技术不断的高速发展，嵌入式系统广泛地运用到科学研究、工程 设计、军事技术、各类产业以及人们的日常生活中【l 】。 网络技术的发展，使得i n t e m e t 己经成为社会的基础设旌之一，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。近年来，移动通信技术 和i n t e m e t 技术获得了极大的发展，尤其是以g s m g p r s c d m a 技术为代表 的无线通信技术的发展更是引人关注。在过去的几十年中，移动通信产业和互 联网产业成为全球最具有活力的产业，二者的结合使得人们能够随时随地获得 语音、文本、图像等各种信息服务，因此无线互联成为未来信息传输的发展趋 势。在我国信息化进程全面推进过程中，各行业对信息化也提出了较高的要求， 对信息化的认识也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。随着国民经济的持续发展，在环境监测、工业控制、智能交通、移动办公、 物流现代化及金融等领域都存在大量的传统非p 终端设备，如何将这些传统 非口终端设备接入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，己成为一个技术的热点问题。 无线数据传输随着i n t e m e t 网络的不断发展应用范围越来越广泛，中国移 动推出的g p r s 业务在一定程度上解决了无线接入互联网的问题。g p r s 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、突发的和频繁 的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大量数据传输。g p r s 具有覆盖范围广、 数据传输速度快、通信质量好、永远在线和按流量计费等优点。因此采用g p r s 技术的数据终端平台在环境监测、交通监控、移动办公等行业中具有无可比拟 的性价优势【2 j 。 西华大学硕士学位论文 g p r s 无线通信技术和嵌入式操作系统都是当前正处于飞速发展的两种前 沿技术，具有较强的工程实践价值。 1 2 论文目标 嵌入式系统及无线通信技术是当今电子科技发展的两大潮流。本文对基于 g p r s 的无线监控系统进行研究，构建了一个无线监控系统，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 数据终 端，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 数据通信终端。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。 本课题研究的目标是把g p r s 技术应用到嵌入式系统中，为目前传统监控 系统提供无线网络传输的一种方式。 1 3 论文研究内容和主要工作 本文介绍了基于g p r s 的无线监控系统；基于a r m 和p c o s i i 的嵌入式 系统及t c p 口协议栈的实现；介绍了g p r s 终端的硬件设计，并深入论述了 基于嵌入式系统的g p r s 终端的软件设计：提供了一种可靠性高、实用、且具 有很大发展空间的g p r s 数据终端的实现方案。 本课题的主要工作如下： ( 1 ) 简单介绍了课题的背景、主要目标、及所做的主要工作等。 ( 2 ) 主要是无线监控系统的总体介绍和g p r s 终端的总体设计方案。首先 介绍了g p r s 原理和特点，接着是无线监控系统结构构建，最后是g p r s 数据 终端的实现，阐述了g p r s 无线数据终端的功能、实现g p r s 终端的关键技术、 实现方案以及主控制器与操作系统的选择。 ( 3 ) 主要是g p r s 终端的硬件设计，并介绍了该终端各硬件单元的具体实 现，包括a t 9 1s a m 7 a 3 微处理器芯片、m 2 3 通讯模块、存储器单元、串口电 2 西华大学硕士学位论文 路及j t a g 接口单元等。 ( 4 ) 主要是g p r s 终端的软件设计与实现。本章是本课题要实现的重点内 容，首先介绍了肛c o s i i 系统内核的结构特点，并实现了l a c o s i i 在 a t 9 1s a m 7 a 3 上的移植。然后在嵌入式操作系统g c o s i i 上进行软件开发， 实现了t c p i p 协议栈，包括p p p 、i p 、u d p 等协议，并按功能将系统划分为 拨号、数据通讯、短消息通讯、在线检测、参数配置等任务，实现了任务在r t c o s i i 上的运行。 ( 5 ) 主要是远程数据中心的设计和g p r s 数据终端功能的测试。首先介绍了 基于g p r s 网络通讯的远程数据中心的设计。中心站的核心是p c 机，软件使用 v c + + 6 0 编写，主要完成数据的接收、指令的发送和数据的显示。接着对g p r s 数据终端进行了测试，并根据测试结果对g p r s 数据终端进行了分析。 ( 6 ) 总结与展望。 3 西华大学硕士学位论文 2 系统总体结构与终端的设计方案 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 ，通用分组无线业务) 是在现有的g s m 移动通信系统基础上发展起来的一种移动分组数据业务，是g s m 网络向第三 代移动通信演进的第一步，这一步有两点重要意义：一是在g s m 网络中引入 分组交换能力，二是将速率提高到1 0 0 k b i t s 以上【1 0 1 。 通过在g s m 数字移动通信网中引入分组交换的实体组成g s m g p r s 网 络，实现以分组方式进行的数据传输，同时，尽量减少对g s m 网络的改动。 g p r s 可以看作是在原有的g s m 电路交换系统的基础上进行的业务扩充：新 增的网络实体对g s m 数据进行旁路，支持移动用户利用分组数据移动终端接 入i n t e m e t 或其他分组数据网络，原g s m 网络完成语音功能。 2 1 1g p r s 特点 g p r s 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 传输以及自如切换等优点： ( 1 ) 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。 ( 2 ) 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。 ( 3 ) 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。 ( 4 l 永远在线 4 西华大学硕士学位论文 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。 ( 5 ) 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。 ( 6 ) 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 切换有自动和手动两种方式，具体形式依据不同终端而定。 2 1 2g p r s 系统的基本原理u 训 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。系统原理如图2 - 1 所示。 f l 薛1 g p r ss y s t e ms c h e m a t i c a 图2 1g p r s 系统原理图 其中： s g s 悯p r s 业务支持节点； p c u 一分组控制单元； ，g g s 焖p r s 网关支持节点； p d n 一分组数据网。 5 西华大学硕士学位论文 g p r s 采用与g s m 相同的频段、相同的频带宽度、相同的突发结构、相 同的无线调制标准、相同的跳频规则以及相同的t d m a 帧结构。因比在g s m 基础上构建g p r s 系统时，g s m 系统中的绝大部分部件都不需要做硬件改动， 只需作软件升级。 构建g p r s 系统的方法是： ( 1 ) 在g s m 系统中引入三个主要组件，这三个主要组件是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 又合称为g s n ( g p r s 支持节点) ； ( 2 ) 对g s m 系统中的相关部件进行软件升级。 2 1 3g p r s 网络的应用 以g p r s 为基础的无线数据系统有很广泛的应用，g p r s 网主要为用户提 供突发性的数据业务，g p r s 可以分为面向个人用户的横向应用和面向集团用 户的纵向应用两种。 对于横向应用，g p r s 可以提供网上冲浪、e m a i l 、文件传输、数据库查 询、增强型短消息等业务。 对于纵向应用，g p r s 可提供以下几类应用： ( 1 ) 运输业：车辆及智能调度； ： ( 2 ) 金融、证券和商业：无线p o s 、无线a t m 、自动售货机、流动银行等； ( 3 ) p t m 业务可以完美的支持股市动态、天气预报、交通信息的实时发 布； ( 4 ) 公共安全业：随时随地接入远程数据库； ( 5 ) 遥测、遥感、遥控：如气象、水文系统收集数据，对灾害进行遥测报 警； ( 6 ) 提供v p n ( 虚拟专用网) 业务，使企业员工能够随时随地与总部保持联 系，降低公司建设自己的广域网的费用。 基于g s m g p r s 网络的实时数据无线监控系统可广泛用于遥控、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。一些典型应用如下： 6 西华大学硕士学位论文 ( 1 ) 车辆状态远程监控( 车辆位置时间，运动方向速度监控，远程控制车 辆中的设备) ，车辆丢失的查找和监控等； ( 2 ) 煤气天然气，电力等能源系统设备及网络的远程监控； ( 3 ) 高楼大厦多种关键设备的集中监控，连锁商店等的远程监控：大厦内 各种资料的传输，连锁商店的集中监控； ( 4 ) 交通自动化应用：收费站的资料上报，集装箱的位置( g p s ) 时间和流 动情况的远程监控； ( 5 ) 自动化工厂机器和设备的远程监控：在自动化生产线上，一般由可编 程逻辑控制器控制，可对之进行远程监控。关键的机器和设备事关产品的质量 和生产线的安全，对此类设备工作参数可实现远程监控； ( 6 ) 水库大坝、水闸、供水系统等的远程监控：河流、湖泊、海潮的水位 变化，水流量状态等关系到灾害的发生和人民生命财产安全，水质的变化对供 水系统和人们的生活影响很大，对此可以实现远程实时监控； ( 7 ) 对人有害环境下的远程监控：化工厂周围的空气质量的远程监控，噪 声严重区域的噪声远程监控和噪声抑制；地震测试点的资料上传，气象监测点 的资料上传。 总之，无线监控系统还有很多方面的应用，随着g p r s 网络的进一步完善， 这些方面的应用将越来越广泛。 2 2 无线监控系统的结构构建 无线监控系统主要由采集控制模块( 或用户终端) 、g p r s 无线数据终端、 传输网络( g p r s 网和公共数据网) 、远程控制中心四个部分构成。监控中心可 根据用户需求，扩展成多级监控网络，一个一级监控中心可同时管理几个二级 监控中心。g p r s 无线数据终端通过r s 2 3 2 串口与采集控制模块( 或用户终 端) 相连。传输网络主要是指承担数据传输任务的g p r s 网络，这里是指公共 数据网网络。控制中心和g p r s 数据终端之间的通讯采用g p r s 网络，用户手 机和g p r s 数据终端之间的通讯采用g s m 网络短消息的形式。 7 西华大学硕士学位论文 f i 醇2t h es t r u c t u r eo ft h ew i r e l e s sm o n i t o r i n gs y s t e m 图2 2 无线监控系统结构图 在无线监控系统中，g p r s 数据终端所起的作用是配合远程控制中心对现 场的仪器设备进行数据采集和监控。从用户终端到控制中心的数据传输过程 为： ( 1 ) g p r s 数据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 终端处理后，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 m e t 上的远程控制中心； 相反，控制中心也可以发送数据到用户终端，将标识有终端地址的i p 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。g p r s 数据终端还可以通过短消息渠道给用户手机发送简单现场 数据，同时用户还可以发送远程控制指令给g p r s 数据终端，再通过串口发给 现场设备。 西华大学硕士学位论文 2 3g p r s 数据终端的实现 2 3 1g p r s 数据终端的功能要求 根据g p r s 数据终端在监控系统中所起的作用，我们可以提出对g p r s 数 据终端的功能要求。 本论文实现的g p r s 数据终端，以微处理器为中心，通过驱动g p r s 通信 模块，经过g p r s 网络连接到i n t e r a c t 实现无线上网。g p r s 具有以下功能： ( 1 ) 数据传输功能：g p r s 数据终端内嵌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 ) 短信传输功能：g p r s 数据终端具有短信传输功能，可以与用户手机 进行短信通讯。同时，在g p r s 网络出现故障时，可以自动通过短信进行报警 等，确保通信传输的稳定性。 ( 3 ) 远程升级功能：g p r s 数据终端设备具有远程自维护功能，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。 ( 4 ) 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 数据终端以传输数据量计费，而不是以传送 的时间计费。 g p r s 数据终端除了简单的数据收发功能外，还可以分析监控中心发来的 指令，执行诸如数据采集、报警等功能。由于在g p r s 终端留有一个r s 2 3 2 的串口，g p r s 终端可以设定有两种工作模式：非透明模式和透明模式。当处 于非透明模式时，数据通过嵌入式单片机系统与g p r s 模块通讯。当处于透明 模式时，数据可以透过单片机系统直接与g p r s 模块通信。这两种通信模式的 切换是通过软件来实现的。这两种模式的存在为用户提供了充分的使用自由。 当上位机系统不包含t c p i p 协议栈时( 例如常见的8 b i t 单片机系统) ，可以使用 非透明模式方便的访问i n t e m e t 资源；当上位机系统包含t c p i p 协议栈时( 例 如常见的p c 机) ，可以使用透明模式拨号访问i n t e r n e t 资源，这种用法相当于 一个有线调制解调器拨号到i s p 的方式。 9 西华大学硕士学位论文 2 3 2 实现g p r s 数据终端的关键技术【1 刀 3 5 】 1 ) g p r s 模块设置 在硬件连接完成后，要实现微处理器控制g p r s 模块上网，必须先对g p r s 模块进行一系列的设置。微处理器与g p r s 模块之间使用a t 命令进行通讯， 遵循“a tc o m m a n ds e tf o rg s mm o b i l ee q u i p m e n t ( m e ) ( g s m0 7 0 7v e r s i o n6 4 0 r e l e a s e1 9 9 7 ) 协议规范。例如：设置移动终端的类别、接入网关，测试终端 是否已经附着到g p r s 网络上等，主要的设置工作有： ( 1 ) 通信波特率。可以使用a t + p r - 3 8 4 0 0 & w 命令，把波特率设置为 3 8 4 0 0 b p s 或其它合适的波特率，默认的通信速度为9 6 0 0 b p s 。- ( 2 ) 网关。通过a r + c g d c o n t - 1 ，“i p ”，“c m n e t 命令设置g p r s 接 入网关为移动梦网，若是设置成其它网关可以接入不同的v p n 网。 ( 3 ) 设置移动终端的类别。通过a t + c g c l a s s = “b ”设置移动终端的类 别为b 类，即同时监控多种业务，但只能运行一种业务，即在同一时间只能使 用g p r s 上网，或者使用g s m 的语音通信。 ( 4 ) 测试g p r s 服务是否开通。使用筒r + c g a c t = 1 ，1 命令激活g p r s 功 能。如果返回o k ，则g p r s 连接成功；如果返回e r r o r ，则意味着g p r s 失败，这时应检查一下g p r s 业务是否开通，g p r s 模块、天线是否安装正确 等问题。 2 ) 数据的传输【1 s 】 g p r s 网络物理层提供了数据传输的途径，需要一种数据链路层的协议对 上层即网络层协议进行封装。中国移动采用了p p p 协议作为数据链路层使用的 协议。p p p 协议的实现将在后面讲述，在此不做讨论。使用p p p 拨号时，接入 电话号码为“囊9 9 树宰1 挣”，用户名和密码都为空。开始p p p 拨号后，不断的轮 循p p p 状态机的状态，当状态为o p e n e d 时，表示p p p 协商成功、连接建立， 可以使用g p r s 网络进行基于t c p u d p 的数据传输。 由于通过g p r s 拨号上网的终端连接上的是中国移动的g p r s 内网，它获 得的i p 地址属于g p r s 内网地址，初始状态下，数据中心不能直接用这个p 地址主动与终端设备进行通讯，所以通讯过程一般为： ( 1 ) 终端设备通过p p p 拨号登录g p r s 网络，获得g p r s 内网的口地址； 1 0 西华大学硕士学位论文 ( 2 ) 终端设备使用数据中心服务器的i n t e r n e t 上的i p 地址与数据中心建立 t c p 连接，这时t c p 握手请求的口封包通过g p r s 内网与i n t e m e t 连接的网 关路由至数据中心； ( 3 ) 数据中心收到握手请求后，发送的同步响应报文经过上述g p r s 网关 的n a t 转换递交到终端设备； ( 4 ) 完成握手后，连接建立，开始数据传输。 在短消息数据传输时，微处理器通过串口使用相应的a t 命令控制g p r s 模块进行短消息的发送和接收。短消息传输有两种方式：一种是文本方式，即 该方式下可发送由可见字符表示的文本信息；一种为p d u 方式，在该方式下， 二进制数据以一定的编码规则被发送。由于p d u 方式有表示范围宽、传输效 率高的优点，所以终端采用p d u 方式进行短消息数据的发送。主要的命令和 步骤有： ( 1 ) a t + c m g f = 0 ，设置短消息发送方式为p d u 方式； ( 2 ) a t + c m g s = “要发送数据编码前长度 ，使能短消息发送； ( 3 ) 等待接收到g p r s 模块发回的“ 响应后，向串口写入编码后的要发 送数据，以 z 结束。 其他相关的a t 命令请参阅文献。 3 ) 可靠性的保证 由于g p r s 网络目前存在掉包率偏高、经常掉线、链路不稳定的特点，终 端在设计时采取了以下几点措施保证数据传输的稳定性： ( 1 ) 当通讯过程中，t c p 重传次数大于3 次时，认为g p r s 网络出错，如 果具有短信备份功能，切换到短信发送的工作模式。切换时，首先向g p r s 模 块发送斗卜+ ”命令，从在线传输模式切换到在线命令模式以响应短信发送的a t 命令。在短信工作模式下，每隔一段时间，开始p p p 拨号，若拨号成功，则将 工作模式切换回使用g p r s 网络传输。若不具备短消息备份功能，则将终端重 新启动【3 9 1 。 ( 2 ) 为了保证永远在线，避免在应用环境中由于链路空闲而被服务器强制 断连，设备提供心跳功能，主动发送心跳数据，维持链路。具体做法是：设置 一个心跳中心( 可与数据中心使用相同的服务器) ，终端每隔一段时间向心跳中 西华大学硕士学位论文 心发送称为心跳的特定u d p 报文，该报文不包含有意义的数据，仅表示模块 在线。当中心一段时间后收不到心跳信息时，可知模块己经脱离g p r s 网络， 此时工作人员可以通过拨打终端电话的形式，将传输终端软复位，本工作过程 为远程唤醒。远程唤醒的设置为用户提供了更为完善的使用功能。 2 3 3g p r s 数据终端的实现方案 实现g p r s 数据终端可以有两套方案考虑：第一套为“单片机+ g p r s 调制 解调器 ，此方案虽然硬件成本较低，但功能比较有限，在协议的开发和支持 上都有一定的难度；第二套方案为“嵌入式c p u + g p r s 模块 ，此方案虽然硬 件成本稍高，需要嵌入式c p u 芯片来支持嵌入式操作系统，但可以实现丰富协 议接口，便于移植和向高端系统应用升级，更加便于数据采集与传输的实现。 鉴于g p r s 无线技术和a r m 嵌入式微处理器的发展，本文将采用第二套方案。 本课题实现的g p r s 数据终端，是以微处理器为中心，通过驱动g p r s 通信 模块，经过g p r s 无线网络连接至u i n t c m e t 实现无线上网。 g p r s 数据终端的功能主要由嵌入到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+ t c p i p 协议栈+ 应用程序。在该方案中引入了嵌 入式操作系统，即在嵌入式系统上首先安装并运行操作系统i t c o s i i ，然后运 行t c p i p 协议栈，从而实现嵌入式t c p i p ，使基于a t 9 1s a m 7 a 3 微处理器嵌入 式系统的g p r s 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、线程间通信、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。 2 3 4 主控制器和操作系统的选择 上面我们介绍了g p r s 数据终端的实现方案，提出了微处理器加操作系统 的设计方案，下面我们就来介绍一下本文实现的数据终端中微处理器和操作系 统的选择。 1 ) 微处理器的选择 1 2 西华大学硕士学位论文 实现g p r s 数据终端，首先要考虑的就是c p u 的选择，本文实现的g p r s 数 据终端要求体积小，功耗低，性能强。a t m e l3 2 位a t 9 1 s a m 7 a 3 处理器是a t m e l 3 2a r mr i s c 处理器中的一员，集成了a r m 7 t d m i a r m t h u m b 处理器， 极限条件下( 1 6 5 v ，8 5 0c ) 高达6 0m h z ，正好能满足我们的要求，同时片上有 2 5 6 k 字节的高速f l a s h 和3 2 k 字节的s r a m ，为我们进行存储器的扩展节约 了成本。片上包括两个2 0 bc a n 控制器，以及一整套使外设组件数量最少的功 能单元，为我们以后进行功能扩展提供了条件。除此之外，集成的片上功能主 要有： 2 5 6 k 字节的片内高速f l a s h 存储器，共1 0 2 4 页，每页2 5 6 字节。在最 坏的条件下可以3 0m h z 的速度进行单时钟周期访问：预取( p r e f e t c h ) 缓冲器 可以实现t h u m b 指令的优化，使处理器以最快的速度执行指令；页编程时间为 6m s ，包括页自动擦除，全片擦除时间为1 51 1 1 8 ；1 0 ，0 0 0 次的写寿命，1 0 年数 据保持能力，扇区锁定功能，f l a s h 安全锁定位。 3 2 k 字节的片内高速s r a m ，可以在最高时钟速度下进行单时钟周期 访问操作。 存储器控制器( m c ) ，嵌入式f l a s h 控制器，异常中断( a b o r t ) 状态及未对 齐( m i s a l i g n m e n t ) 检测存储保护单元。 电源管理控制器( p m c ) ，可以通过软件进行电源优化，包括慢速时钟 模式( 低至5 0 0h z ) ，空闲( i d l e ) 模式，标准模式和备份模式，四个可编程的外 部时钟信号。 先进的中断控制器( a i c ) ，可以单独屏蔽的、具有8 个优先级的向量式 中断源；四个外部中断源和一个快速中断源，可以防止虚假( s p u r i o u s ) 中断。 复位控制器( r s t c ) ，上电复位，提供复位源信息以及给外部电路使 用的复位信号。 时钟发生器( c k g r ) ，低供耗r c 振荡器，3 到2 0 m h z 的片上振荡器 和一个p l l 。 调试单元( d b g u ) ，2 线u a r t ，支持调试通讯通道中断。 周期性间隔定时器( p i t ) ，2 0 位可编程的计数器，加上1 2 位的间隔 计数器。 西华大学硕士学位论文 时间窗看门狗( w d t ) ，1 2 位受预设值( k e y ) 保护的可编程计数器；为 系统提供复位或中断信号；当处理器处于调试状态或空闲模式时可以停止计数 器。 实时定时器( r t t ) ，3 2 位自由运行的具有报警功能的计数器，时钟来源 于片内r c 振荡器。 两个并行输输出控制器( p i o ) ，6 2 个可编程的复用i o ，每个i o 最多 可以支持两个外设功能；输入电平改变时，每个i o 都可以产生中断可以独立。 编程为开漏输出、使能上拉电阻以及同步输出。 三个通用的同步异步收发器( u s a r t ) ，独立的波特率发生器，i r d a 红 外调制解调，支持i s 0 7 8 1 6t 0 t 1 智能卡，硬件握手信号，支持r s - 4 8 5 。 两个主从串行外设接口( s p i ) ，8 至u 1 6 位可编程的数据长度，4 个片选 线。 三个3 通道的1 6 位定时器计数器( t c ) ，3 个外部时钟输入端，每个通 道有两个多功能i o 引脚；倍速p w m 发生功能，捕捉波形模式，递增递减计 数。 两个同步串行控制器( s s c ) ，每个接收器和发送器都具有独立的时钟和 帧同步信号；支持f s ，支持时分多址；支持3 2 位数据传输的高速连续数据流 功能。 2 ) 操作系统选择 在操作系统的选择上，首先需要考虑的是存储空间的问题，由于存储空间 有限，我们需要选择一个占用空间小的操作系统。同时根据终端功能要求，需 要一个执行效率高，实时性能优良并且针对新处理器的移植相对简单的实时操 作系统，而实时操作系统i t c o s i i 正好符合我们的要求，而且r t c o s i i 免费 公开源代码，具有可剥夺实时内核，其内核提供任务调度与管理、时间管理、 任务间同步与通信、内存管理和中断服务等功能。l x c o s i i 主要有以下特点： 公开源代码：i - t c o s i i 的源代码全部公开，并且可以从有关出版物从 网上下到。关于代码的注解非常详尽，这样使系统变的非常透明，很容易把系 统移植到不同的硬件平台上。 可移植性强：p c o s i i 的绝大部分源代码是用a n s i c 写的，可移植性 1 4 西华大学硕士学位论文 强。而与微处理器的硬件那部分是用汇编语言，已经压缩到最低程度，便于移 植到其他处理器。 可固化：t t c o s i i 是为嵌入式应用设计的，这就意味着，只要开发者 有固化手段( c 编译、连接、下载和固化) ，j _ t c o s i i 可以嵌入到产品中去。 可裁减：可以只使用g c o s i i 中应用程序需要的那些系统服务。也就 是说某产品可以只使用很少几个i _