（通信与信息系统专业论文）车载can网络的gprs传输设计与研究.pdf

摘要 随着网络时代的来临，网络技术已经深入到我们生活的每个方面，网络技 术在汽车上的应用已经成为汽车电子发展的一个重要趋势和方向。车载网络的 主流标准c a n 网络的在汽车电子技术中得到越来越多的应用，它解决了车身控 制器件间的通信问题。同时也解决了由于车身控制器件增多后产生的车身布线 长度加长、运行可靠性降低、故障维修难度增大的问题。近年来，国内对车载 c a n 网络的研究与应用也可以得到加强。 在解决了车身内的数据通信问题后，接下来要解决的就是如何将车况信息发 送到远端的数据服务中心，以实现数据服务中心对车辆状况的监控以及记录。 因为汽车位置的不确定性，不可能通过有线的方式连接到i n t e m e t 上，而g p r s 作为一种比较成熟的无线数据传输技术，恰好可以弥补上述缺点。通过加装 g p r s 模块，中国移动的无线网络就可以实现和i n t e m e t 的无线连接。由于 g p r s 网络所具有的永远在线，以及按流量收费的特点，可以以相对较低的成本 实现车辆长时间的无线通信，从而为车身c a n 网络的数据传输提供了一个准确、 实时、永远在线的信息上报通道。 本文实现了一种基于g p r s 无线网络来传输车况信息的数据传输系统。首 先从目前车载控制网络的研究背景，发展状况以及g p r s 无线网络的应用领域 和特点出发，根据车载网络以及g p r s 网络自身的特点，提出了一套从车身c a n 节点数据的采集车身c a n 网络传输数据采集中心- g p r s d t u 发送 数据服务中心接收的系统方案，并根据各个模块的功能需求以及器件成本 完成硬件选型和方案设计。 然后以c a n 数据流的顺序分别详细介绍了c a n 节点、数据采集中心、 g p r s d t u 的软硬件设计，完成了整个方案的具体实现，实现了车身c a n 数据 从采集到发送的过程。 最后在远端上位机数据服务中心编写接收程序成功获得通过g p r s 网络传 输的c a n 数据，并根据接收结果给出分析结论。 关键字：数据采集中心，c a n 网络，g p r s 无线网络，g p r s d t u ，数据服 务中心 a b s t r a c t w i t ht h ea d v e n to ft h ei n t e r n e ta g e ，n e t w o r kt e c h n o l o g y h a ss t r e t c h e di n t oe v 叫 嬲p e c to fo u rl i v e s i na u t o m o t i v ea p p l i c a t i o n sv e h i c l ee l e c t r o n i c sd e v e b p m e n t h 弱 b e c o m e 趾i m p o r t a n tt r e n da n dd i r e c t i o n c a rn e t w o r k sm a i ns t a n d a r d sc a n n e 铆o r kt e c l l i l 0 1 0 9 yh a sm o r ea n dm o r ea p p l i c a t i o n si nt h ev e h i c l e e l e c t r o n i c s ，w h i c h h a sr e s o l v e dt h ep r o b l e mo fc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nv e h i c l e s c o n t r o ld e v i c ea n d s 0 1 v et h ep r o b l e mo ft h ei n c r e a s i n gw i r i n gl e n g t ho f t h eb o d y ，d e c r e a s i n go p e r a t l o n 。s r e l i a b l e m u c hm o r ed i f f i c u l t yi nf a i l u r er e p a i ra f t e rc a r sb o d y c o n t r o ld e v l c ea d d i n g i i lr e c e n ty e a r s ，d o m e s t i cr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o n so fa u t o m o t i v ec a n n e t w o r kh a s b e e ns t r e n g t h e n e d a 触rr e s o l v i n gt h ep r o b l e mw i t h i n t h ed a t ac o m m u n i c a t i o n si nt h ev e h i c l eb o d y t l l ep r o b l e m 釉c hs h o u l db es o l v e di sh o w t os e n dv e h i c l ec a n i n f o r m a t i o nt oa r e m o t ed a t as e r v i c ec e n t r e ，i no r d e rt oh e l pd a t a c e n t r es e r v i c e sm o n i t o r i n ga n d r e c o r d i n gs t a t u so fv 锄c l e s b e c a u s el o c a t i o n o ft h ev e h i c l ei su n c e r t a i n ，i ti sn o t p o s s i b l ec o n n e c t i n gt o t h ei n t e r n e tt h r o u g hc a b l e b u tg p r s ，a sam o r em a m r c w i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y ，c a nm a k eu pt h o s e s h o r t c o m i n g sa b o v e t h r o u g hs e t t i n gt h em o d u l eo fg p r s ，c h i n a m o b i l e sw i r e l e s sn e 俩o r kc a l lc o 皿e c t w i t hw i r e l e s si n t e m e t b e c a u s et h eg p r sn e t w o r k i sa l w a y s o n ，a sw e l la sc h a r g e sb y m ef l o w v c h i c l el o n g w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nc a l lb ea c h i e v e da t ar e l a t i v e l yl o w c o s ts oa st op r o v i d ea 1 1a c c u r a t e ，r e a l - t i m e ，f o r e v e ro n l i n ei n f o r m a t i o nc h a n n e l t ot h e c a r sb o d yc a nn e t w o r k sd a t at r a n s m i s s i o n t h i sp a p e rm a k e sas y s t e mo fd a t aa c q u i s i t i o na n dt r a n s m i s s i o nt o m et r u e ， w h i c ht r a l l s m i t sv e h i c l e si n f o r m a t i o nt h r o u g hag p r sw i r e l e s sn e t w o r k f i r s t , f r o m t h cc 岍e n ta u t o m o t i v ec o n t r o ln e t w o r k sr e s e a r c hb a c k g r o u n d ，d e v e l o p m e n t a n d t 1 1 e a p p l i c a t i o a s a n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fg p r sw i r e l e s sn e 研o r k ，邪w e l l a s a c c o r d i n gt h ev “c l en e t w o r ka n dg p r sn e t w o r ki t s o w nc h a r a c t e r i s t l c s ，ip u t f o 州a r das y s t e mp r o j e c t ：f r o mt h ev e h i c l e sb o d yc a n n o d ed a t ac o l l e c t i o n c a n i i n e t w o r kt r a n s m i s s i o n d a t aa c q u i s i t i o nc e n t e r g p r s d t u s e n d i n g d a t as e r v i c e c e n t r e sr e c e i v i n gs y s t e ms o l u t i o n s ，a n di na c c o r d a n c ew i t ht h ef u n c t i o no fe a c h m o d u l e ，a sw e l la sa c r o d d i n gt h ed e v i c ec o s t st os e l e c td e v i c et h e nc o m p l e t et h e w h o l es p e c i f i cp r o g r a m m e d e s i g n t h e ni ti n t r o d u c e si nd e t a i li nt h eo r d e ro fc a n d a t af l o wf r o mc a nn o d e s d a t a c o l l e c t i o nc e n t r e s ，g p r s d t uh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g n ，c o m p l e t e dac o n c r e t e r e a l i z a t i o no ft h ee n t i r ep r o g r a m m e ，t h er e a l i z a t i o no ft h ec a nd a t af r o mt l l eb o d v s e n tt ot h ea c q u i s i t i o n p r o c e s s f i n a l l y , r e m o t ep cd a t as e r v i c e sn e t w o r kr e c e p t i o np r o c e d u r e sp r e p a r e db yt h e c e n t r et h r o u g hs u c c e s s f u lg p r sn e t w o r kt r a n s m i s s i o nb o d yc a n d a t a ，a n dg i v e st h e r e s u l t so ft h er e c e i v i n gc o n c l u s i o n s k e yw o r d s ：d a t aa c q u i s i t i o nc e n t e r ，c a nn e t w o r k ，g p r sw i r e l e s sn e t w c i r k g p r s d t u ，d a t as e r v i c ec e n t r e i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的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。尽我所知，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，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 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做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：三导师签名： m i n o r n u m ，d e v ) ； 所以当m q ( 中断请求) 产生时，i s r ( 中断服务例程) 运行。向系统注册c a n 设备的中断处理函数为：$ 3 c 2 4 1 0i s rm c p 2 5 1 5 ( ) 。 在中断服务程序$ 3 c 2 4 1 0i s rm c p 2 5 1 5 ( ) 中，首先读取m c p 2 5 1 5 中 c a n s t a t 状态寄存器的中断代码i c o d ，根据i c o d 的值来识别中断事件。 c a n s t a t i c o d ( 中断代码) 位的编码反映等待处理的中断源。如果同时 发生多个中断，i n t 引脚将保持低电平状态直至m c u 复位所有中断。 c a n s t a t i c o d 位将反映当前等待处理的优先级最高的中断代码。中断源之间 存在内部优先级，i c o d 编码值越低，其中断优先级越高。一旦优先级最高的 中断条件被清除，i c o d 位将反映等待处理的次高优先级中断( 如果存在) 的 代码。i c o d 位仅反映那些其c a n 矾t e 中断使能位置1 的中断源。 发送处理，当3 = i c o d = 5 时，i s r 实现发送处理。在两种情况会被执 行，其一是在此时处理的。就是发送中断响应中，如果当前有发送任务，通过 发送缓冲区记录标志确定空的发送缓冲区并向其中填发送帧，然后启动发送； 还有一个发送处理在下面的接收中断响应中，在接收处理完后如果有发送任务 且有发送缓冲区空，会处理发送任务。通过这样在两处处理发送，可以起到多 个发送、接收缓冲区可用，提高了通信效率。需要指出的是m c p 2 5 1 5 对c a n 总线的数据发送没有限制，m c u 将数据发送到m c p 2 5 1 5 的发送缓冲区，然后 使用r t s 命令来开启发送。 接收处理当i c o d = 6 或7 时，i s r 进入接收处理。需要根据i c o d 的值 来确定当前是哪个接收缓冲区的数据准备好，可以读取。接收帧处理过程中首 先读取帧的d 值，确定当前帧的数据是从哪个节点发送来的，并且通过过滤匹 配，然后再根据节点把帧中数据字段的数据存放在相应的位置。 错误处理当i c o d = 0 时，i s r 进入错误处理。引起错误处理的原因很多， 需要访问错误标志寄存器e f l g 来确定具体错误类型，并做出相应的处理。 ( 4 ) 缓冲区操作函数 m c p 2 5 1 5 内部设有发送缓冲器t x b 0 2 ，接收缓冲器r x b 0 ，r x b l 。为了 4 0 武汉理工大学硕士学位论文 提高收发效率，在驱动中开辟软件缓冲区，大小可以根据需要设置，将大量数 据经过软件缓冲区后再进行处理。在操作软件缓冲区时，采用生产者消费者模 型，分别设定数据存入与读出的指针，并且利用m e m c o p y 函数完成对帧数据的 操作。比如读取数据时，首先在操作模式下将m c p 2 5 1 5 中某个地址的r x b 数 据读入一个数组，经过一些必要判断，再将此数组中的数据由m e m c o p y 函数传 入指定的软件缓冲区。硬件缓冲与软件缓冲间一次传递一帧数据。 5 2 2m c p 2 5 1 5 应用程序设计 在驱动程序完成后，我们需要编写应用程序来完成具体的功能实现。本课 题由于是一个基于c a n 数据接收，g p r s d t u 连接模块的平台，因此在应用程 序编写时，考虑到两个个模块间数据通信过程，必须要使用一种安全便捷的数 据传输方式。传统的应用程序编写，是将这两个模块分割开来，分别用两个进 程来实现的多任务操作。 我们知道，在l i n u x 系统下，启动一个新的进程必须分配给它独立的地址空 间，建立众多的数据表来维护它的代码段、堆栈段和数据段，这是一种”昂贵” 的多任务工作方式【2 9 1 ，需要很大的资源开销，并不适用于大型项目的应用软件 开发。因此本课题采用的是l i n u x 下的多线程编程。这也是本课题在创新性上做 的一点尝试。 使用多线程的理由之一是和进程相比，它是一种非常”节俭”的多任务操作方 式【3 0 1 。运行于个进程中的多个线程，它们彼此之间使用相同的地址空间，共 享大部分数据，启动一个线程所花费的空间远远小于启动一个进程所花费的空 间，而且，线程间彼此切换所需的时间也远远小于进程间切换所需要的时间。 使用多线程的理由之二是线程间方便的通信机制。对不同进程来说，它们 具有独立的数据空间，要进行数据的传递只能通过通信的方式( 口c 进程间通 信) 进行【3 l 】，这种方式不仅费时，而且很不方便。线程则不然，由于同一进程 下的线程之间共享数据空间，所以一个线程的数据可以直接为其它线程所用， 这不仅快捷，而且方便。当然，数据的共享也带来其他一些问题，有的变量不 能同时被两个线程所修改，这就需要实现锁机制等。 具体到本课题，通过使用多线程的编程技术，就解决了以往c a n 模块与 g p r s d t u 连接模块，进程间实现时数据通信可靠性低，通信难度大，程序执行 效率低的问题。另外由于本平台具有一定的扩展性，将来会实现车载g p s ，车 4 1 武汉理工大学硕士学位论文 载娱乐平台等功能，如果需要添加相应的应用程序，只需要在主进程中添加相 应的线程，并对线程间的操作做一些设置。通过使用多线程编程无疑大大的降 低了程序对资源的消耗，使得程序在实现上更加流畅，程序的可扩展性也得到 了充分的体现。 l i n u x 系统下的多线程遵循p o s i x 线程接口，称为p t h r e a d 。编写l i n u x 下 的多线程程序，需要使用头文件p t h r e a d h ，连接时需要使用库l i b p t h r e a d a 。 c a n 部分的应用程序，程序流程图如图5 7 所示： 图5 7c a n 模块应用程序流程图 在应用程序中创建了一个线程s e n d 专门负责发送数据，再在主线程中接收 数据到一个m c p c a n d a t a 结构体中。m c p c a n d a t a 定义如下： t y p e d e f s t r u c tm c p c a n _ d a t a u n s i g n e di n tb u f n o ； u n s i g n e di n ti d t y p e ； u n s i g n e di n ti d ； u n s i g n e di n td a t a l e n ； c h a rd a t a 9 ； c a n 消息d 数据长度 数据内容 4 2 武汉理工大学硕士学位论文 m c p c a n _ d a t a ； 开启发送线程如下： r e t = p t h r e a d _ c r e a t e ( & i d ，n u l l ，( v o i d 木) s e n d ，& d a t a _ s e n d ) ； 这里使用到了线程创建函数p t h r e a d，线程创建函数第一个参数为指create 向线程标识符的指针；第二个参数用来设置线程属性，如果为空指针表示将生 成默认属性的线程；第三个参数是线程运行函数的起始地址，最后一个参数是 运行函数的参数。创建线程成功后，新创建的线程则运行参数三和参数四确定 的函数，原来的线程则继续运行下一行代码。 p t h r e a d 库中还有大量的a p i 函数，其定义放在p t h r e a d t y p e s h 中。 发送线程入口函数s e n d 编写如下： v o i ds e n d ( v o i d 木a r g ) s t r u c tm c p c a n d a t a 木d a t a g r a m p t r = ( s t r u c tm c p c a n _ d a t a 木) a r g ； w h i l e ( 1 ) s l e e p ( 2 ) ； w r i t e ( f d ，d a t a g r a m p t r ， s i z e o f ( s t m c tm c p c a n _ d a t a ) ) ； ) ) 在s e n d 线程中对打开的设备描述符进行w r i t e 操作，在主线程中对该设备描 述符进行r e a d 操作。因为在驱动中已经考虑到了互斥，所以线程中没有做并发 处理。 另外需要指出的是，在通过m c p 2 5 1 5 将c a n 数据读出后并存放在类型为 m c p c a nd a t a 的全局结构体d a t ar e c e i v e 后，下节将要介绍的的串口应用程序便 可从该结构体中将c a n 数据通过串口向g p r s d t u 发送了。 5 2 3 数据采集中心串口编程 串行口是计算机一种常用的接口，具有连接线少，通讯简单的特点，得到 广泛的使用。常用的串口是r s 一2 3 2 c 接口( 又称e i ar s 2 3 2 o ，它是在1 9 7 0 年由美国电子工业协会( e i a ) 联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端生产 厂家共同制定的用于串行通讯的标准。它的全名是“数据终端设备( d t e ) 和数据 4 3 武汉理工大学硕士学位论文 通讯设备( d c e ) 之间串行二进制数据交换接口技术标准”。 本课题采用的是使用s b c 2 4 1 0 x 提供的u a r t 串口与g p r s d t u 的串口相 连实现串口数据通信的方式。g p r sd t u 在设计上将串口设计成“透明转换 的方式，因此在完成硬件连接后，对于数据采集中心而言需要将自己的串口设 备的波特率和数据格式要和d t u 中的配置相匹配。需要对该芯片的串口做相应 的软件编程以适应g p r sd t u 的串口传输速率。 r s 2 3 2 的常用通讯参数包括：串口号、波特率、数据位、奇偶检验、停止位、 数据流控制等【3 2 1 。 在l i n u x 中，除了上述串口参数外，还可以对串口进行很多设置，串口的设 置主要是设置t e r m i o s 结构的成员，该结构定义在t e r m i o s h 中 s t r u c tt e r m i o u n s i g n e ds h o r te _ i f l a g ：产输入模式标志位木木 u n s i g n e ds h o r tc _ o f l a g ； 严输出模式标志位木 u n s i g n e ds h o r tc _ c f l a g ； 产控制模式标志位木! u n s i g n e ds h o r tc _ l f l a g ；严局部模式标志位拳 u n s i g n e dc h a r cl i n e ；严线性规程木木 u n s i g n e dc h a r cc c n c c ；严指明用于控制的特殊字符 ) ； t e r m i o s 是一个较复杂的数据结构，并且包含许多不常用的串口配置选项。 比较好的解决方法是：读取当前串口的t e r m i o s ，根据新的要求改写t e r m i o s ，然后 用改写过的t e r m i o s 重新配置串口；在程序结束时，恢复系统原来的t e r m i o s 。 需要注意的是，不能直接初始化t e r m i o s 结构，而应用位运算( a n d ，o r 和n o ) 设置或清除所有的标志位。 对串口的操作函数如表5 1 ： 表5 - 1 串口函数操作表 函数 描述 t c g e t a t t r t c s e t a t t r 获取设置终端属性( t e r m i o s 结构) c f g e t i s p e e d c f s e t i s p e e d获取设置输入波特率 c f g e t o s p e e d c f s e t o s p e e d获取设置输出波特率 t c d r a i n 等待所有输出被传送 t c f l o w 暂停传送或接收 t c f l u s h 丢弃队列中尚未传送或接收的数据 t c s e n d b r e a k 发送b r e a k 字符 t c g e t p g r p t c s e t p g r p获取设置前台进程组i d 武汉理工大学硕士学位论文 串口编程的基本流程如图5 - 8 所示： o p e n 函数打开设备文件 + 使用t c g e t a t t r 函数获取当前设备方式 + 设置t e r m i o s 成员 使用c 6 e t i s p e e d 和c f s e t o s p e e d 函数设置通信波特率 + 使用t c g e t a n r 函数设置设备工作力式 + 使用r e a d 和w r i t e 函数读写串口终端数据 在程序中使用t c f l u s h ，t c d r a i n ，t c s e n t b r e a k 等函数对端 口上的数据进行适当的控制 输入输出完毕，用c l o s e 关闭串口 图5 8 串口编程流程图 各类串口参数的具体详细含义请参看有关串口编程资料，本文采取的是串 口设置为输入输出波特率为11 5 2 0 0 b p s ，数据位为8 b i t ，偶校验，硬件流控制位， 这些参数都定义在t e r m i o s 结构类型中，通过设定该结构体的值，便可实现对串 口各项参数的控制。 有两点需要指出，第一本课题串口设置采用了定参数的方式，是由于本课 题的串口是用来连接在一个可以方便设置串口参数的g p r s d t u 上，因此可以 在对端设置串口参数以适应开发板端的串口参数。 第二，串口部分的应用程序也是通过上节的m a i n ( ) 函数中，开启一个串口的 线程来实现通信。本串口通信的目的就是将c a n 控制器m c p 2 5 1 5 接收的c a n 数据通过串口发送到g p r s d t u 中，并从g p r s d t u 中接收数据传到c a n 控制 器m c p 2 5 1 5 中。因此串口的发送缓冲区s b f h 就是c a n 线程中的接收全局结构 体d a t ar e c e i v e ，而串口的接收缓冲区r b u f 就是c a n 线程中的发送全局结构体 d a t a s e n d 。 结合图5 8 的流程图，本课题完成串口通信编程需要如下几个步骤3 7 】： ( 1 ) 打开串口 打开串口与打开文件类似，同样使用o p e n 函数。t t y s o 对应的是c o m l ， 4 5 武汉理工大学硕士学位论文 f d 2 0 p e n ( d e v t t y s 0 ”，o _ r d w r i q n o c t t y ) ： ( 2 ) 设置串口通信参数 串口通信参数指的是波特率、数据位、奇偶校验位和停止位，主要涉及到 t e r m i o s 结构体，具体实现部分代码如下： s t r u c tt e r m i o so p t ； 产定义指向t e r m i o s 结构类型的指针o p t * t c g e t a t t r ( f d ，& o p t ) ； 严获得串口指向t e r m i o s 结构的指针，i c f s e t i s p e e d ( & o p t ，b 11 5 2 0 0 ) ； 产指定输入波特率，l1 5 2 0 0 b p s 宰 c f s e t o s p e e d ( & o p t ，b 11 5 2 0 0 ) ； 产指定输出波特率，11 5 2 0 0 b p s * o p t c _ c f l a g & = 一c s i z e ； 严屏蔽其他标志位木 o p t c _ c f l a g l = c s 8 ； 严将数据位修改为8 b i t 木 o p t c _ c f l a g & = - - , p a r e n b ； 产指定偶校验木 o p t c _ c f l a g & = - - - p a r o d d o p t cc f l a g & = - - 4 2 r t s c t s ； 产指定为硬件流控制位宰 t c s e t a t t r ( f d ，t c a n o w ，& o p t ) ； 产将修改后的t e r m i o s 数据设置到串口，i ( 3 ) 读写串口 读写串口是通过使用r e a d 函数和w r i t e 函数实现的，在l i n u x 中，对设备的 读写类似与对文件的读写。 s ! e n - - - w f i t e ( f d ，s b u f , s e n dl e 吣； * s b u f 是发送缓冲区，s e n dl e n 是待发 送的字节数，sl e n 为实际发送字节数木 r， 是接收缓冲区，是预接收的_ l e n - - r e a d ( f d r b u f , r e a dl e n ) ；* r b u fr e a dl e n 字节数，rl e n 为实际接收字节数木 ( 4 ) 关闭串口 在完成对设备文件的读写操作后，调用c l o s e 函数关闭该文件描述符： c l o s e ( f d ) ； 武汉理工大学硕士学位论文 第6 章g p r sd t u 硬件设计与软件设计 本系统借鉴在无线通信领域广泛应用的g p r s d t u ，提出了将g p r s d l l j 作 为传输车况信息的车载控制网络的传输终端方案。本章给出了g p r s d t u 的软硬 件设计方法，以及其上位机数据服务中心的接收数据的软件设计，通过模拟车 载c a n 节点发送c a n 信息完成系统测试与分析。 6 1g p r s 数据传输系统的接入方式 g p r s 无线数传产品( d t u ) 可以方便的实现远程、无线、网络化的通信 方式，所以在众多领域都可以得到应用，比如电力系统自动化、工业监控、交 通管理、气象、环境监控、金融证券、煤矿、石油等行业。但是各个行业的应 用方式不尽相同，特别是组网方式有很大差别。在实际应用中d t u 通常作为一 道桥梁，为两个需要通信的设备搭建了一个完全透明的数据通道。这两个设备 可以是任意两个具有异步串口( u a r t ) 的设备，通常的应用是多个d t u 设备 与一台作为数据中心的p c 机构成一个分布式数据采集系统，各种信息数据被现 场的d t u 设备上传到数据服务中心。 g p r s 数据传输系统的接入方式分两端，一端是g p r s d t u 的接入方式，一 端是数据服务中心的接入方式【3 3 1 。 对于g p r s d t u 的接入方式而言，目前，中国移动g p r s 网络用户可以选 择c m n e t ( c h i n am o b i l ei n t e m e t ) 和a p n ( a c c e s sp o i n tn a m e ，接入点名称) 两个 网络接入，c m n e t 通常用于公众用户接入i n t e m e t ，a p n 针对相关行业用户使 用。a p n 用户通常在一个组内，需要设定用户名和密码，具有更好的安全性， 适用于行业用户。此外，a p n 用户可以申请绑定移动内网的固定口地址，但 a p n 需要向中国移动申请。对于车载g p r s d t u 而言，d t u 没有必要去申请一 个固定p 地址，从经济角度考虑，本课题d t u 终端选择c m n e t 的接入方式。 数据服务中心的接入有多种方式，组网形式的选择主要由业务数据量、时 延、可靠性要求、数据保密性、网络状况决定。根据车载g p r s d t u 的特点以 及传输数据的需求，数据服务中心采用了数据中心申请固定的公网i p ，这样既 具有固定的d 地址，方便车载g p r s d t u 设定目标地址，减少了经常更改的麻 烦，而费用又相对较低。 4 7 武汉理工大学硕士学位论文 6 2g p r s d t u 硬件设计 6 2 1g p r s d t u 硬件总体设计及选型 前面介绍了g p r s d t u 可以应用于很多领域，但用于车载g p r s d l u 有自 己的特点： 1 低功耗。车载系统的电源是由车上1 2 v 直流电经降压处理后提供的，由于 蓄电池容量有限，因此输出功率不可能很大，这就要求g p r s 模块是低功耗的。 2 尺寸小。本系统是安装在汽车驾驶室内，空间有限，因此要求各个组成部 分的体积尽可能小。 3 抗震性能好。由于车辆在行驶过程中颠簸震动较多，因此要求g p r s 模 块有较好的抗震性。 对于车载g p r s d t u 而言，有时需要修改配置参数，如果与数据采集中心 共用m c u ，就需要将这个系统与配置参数的p c 相连，通过p c 串口来设置相应 的串口，十分不方便。而采用相对独立的单m c u 作为g p r s d t u 的m c u 就避 免了上述的问题。因此本课题在设计的时候将g p r s d t u 单独使用了一个单片 机作为m c u 。在配置参数需要修改的时候，只需要将已经做为单板的g p r s d t u 部分取下，通过p c 进行串口设置即可，方便携带。 如图6 - 1 为g p r s d t u 的设计结构图： 图6 1g p r s d t u 的设计结构图 4 8 武汉理工大学硕士学位论文 各硬件部分主要功能如下： ( 1 ) c p u 及存储器主要功能： 由于系统中的c p u 主要起的作用是解析a t 指令，使a t 命令这些对g p r s 的控制信号对于用户端来说相当于是透明的。同时c p u 能接收串口中断，这样 在产生串口中断时可以进行参数配置。对该c p u 的处理能力要求并不高，但需 要具有存储介质，这样g p r s d t u 的参数才能得以记录，省去了另外使用存储 芯片的成本。本系统采用的是c 8 0 51 f 3 4 0 ，该芯片有6 4 kf l a s h m e m o r y ，5 3 7 6 b y t e sr a m ，存储空间相当充裕。它带有两个u a r t ，可以方便地实现系统中的 和g p r sm o d u l e 连接和与上位机的连接。 本课题中的存储器用于存储以及读取系统各类参数，以及协议参数各类参 数，g p r sd t u 将数据中心的p 地址及端口号，串口的波特率等都保存在内部 的永久存储器件内( 一般为f l a s h 或e e p r o m 等) 。一旦上电，就自动按照设 置好的参数进行工作。 ( 2 ) g p r sm o d u l e ，天线接口，s i m 卡接口 这3 个部分组合起来实现了g p r s 网络的通信功能，主要实现信号的调制 和解调，向数据中心注册动态口地址和s i m 卡号。其中g p r sm o d u l e 内部封 装了p p p 拨号协议以及t c p i p 协议栈。 对于g p r sm o d u l e 的选择来说，现在随着自带协议栈的型号越来越多且价 格渐与普通g p r s 模块趋同，故普通g p r s 模块已变得无多少实用价值了，故 一般情况下应选择自带协议栈的型号，这样可以省去由m c u 完成协议解析的过 程。本系统采用的是g r 4 7 ，它是属于s o n ye r i c s s o n 新一代的移动通信g s m 模 块，支持s m s 、语音呼叫、数据传输，内嵌t c p i p 协议栈。 ( 3 ) 电源处理 电源控制系统，用于控制电源的通断，以实现自动心跳保持永久在线。g p r s 通信网络的特点之一就是支持g p r s 终端设备永久在线，这就要求d t u 包含了 上电自动拨号，采用心跳包保持永久在线，支持断线自动重连，自动拨号等特 点。 ( 4 )串行接口 串行接口提供串口数据双向转换功能，g p r sd t u 提供了串行通信接口， 而且g p r sd t u 在设计上将串口设计成“透明转换 的方式，也就是说g p r sd t u 可以将串口上的原始数据转换成t c p i p 数据包进行传送，而不需要改变原有的 4 9 武汉理工大学硕士学位论文 数据通信内容。另外在进行参数设置时也是通过串口与配置参数的p c 连接获得 相应参数的。 6 2 2g p r sm o d u l eg r 4 7 g r 4 7 是s o n ye r i c s s o n 公司生产的一款双频段g s m 9 0 0 g s m = 1 8 0 0 的通信 模块。在此模块基础上，可进行g p r s 数据传输，具有支持短消息服务等功能。 采用3 6 v 电压供电；对外可提供多种接口，如天线接口、模拟音频接口、异步 串行接口、s i m 卡接口等，也支持1 2 c 通信；内部集成了t c p i p 协议栈，因此 采用此芯片会大大降低微控制器编程工作的难度。 目前的g p r sm o d u l e 的种类很多，g r 4 7 独特的优势是：传输大量数据并始 终保持连接，根据相关统计资料表明，它的掉线几率是同类模块最小的。这也 本系统最终选择该模块的原因。 g r 4 7 的主要特剧3 4 】： ( 1 ) 工作频段为g s m 9 0 0 18 0 0 m h z ，满足g s m p h a s e 2 + 标准。 ( 2 ) 内嵌t c p 口协议，大大方便了应用开发。 ( 3 ) 工作温度为3 7 5 ，满足工业控制的需求。 ( 4 ) 属b 类g p r s 模块，即可用于g p r s 分组业务和g s m 话音业务，但 两者不能同时工作，需人工切换。 ( 5 ) 内置a d 转换、d a 转换和实时时钟等子模块，满足一些扩展应用。 ( 6 ) 支持3 v 和5 v 的s m 卡，不支持1 8 v 的s i m 卡，所以使用前要先确 认s i m 卡类型是否正确。 图6 2 所示为g r 4 7 的内部实时操作系统( r t o s ) 及外部硬件接口框图。控制 器位于g r 4 7 的内部，运行实时操作系统。r t o s 给用户提供了g s m 处理程序， a t 指令通道函数，t c p p 协议，u a r t 、i o 口、1 2 c 、s p i 总线等外部接口 的驱动函数及一些其它的应用函数。微控制器在后台运行，所以并不影响模块 的g s m 功能。用户将应用程序以脚本的形式下载到模块的f l a s h 中，模块使 用了一个解释器，解释器从f l a s h 中读入脚本，并且逐行解释，使之执行所需 功能。g r 4 7 的外部有3 个串口，其中串口1 作a t 指令通道或程序下载用，串 口2 主要用于调试程序，串口3 为通用2 3 2 口，可以连接其它外部设备，另外 还有1 2 c 、s p i 总线和8 根i o 线。 5 0 武汉理t 大学硕士学位论文 串口l a t 指令通道 串c 1 2串口3 调试程序用 u a r t 图6 - 2g r 4 7 模块框图 g r 4 7 模块有两种开发方式【3 5 1 ：一种是内部脚本方式，即直接利用模块开 放的c p u 和系统资源，将包含数据服务中心的网络参数数据的脚本放到模块的 c p u 中运行。模块通过u a r t 3 与外部的数据终端通信。另一种是外部控制器方 式，将模块嵌入到用户的系统中使用，外挂处理器对其进行操作控制控制程序 在外部微控制器中运行，微处理器向g r 4 7 的u a r t l 发送a t 命令控制其工作， 然后仍然使用u a r t l 与外部的数据终端通信。 对本系统而言，由于g p r s d t u 在完成后，可能需要由用户改换数据中心 的网络参数，如果使用编写脚本的方式，用户使用不是很方便，因此采用了第 二种方式，通过c 8 0 5 1 f 3 4 0 来完成配置方式时由配置p c 机发出的a t 控制命令 的解析。如果用户在使用时不改变运行参数，c 8 0 5 1 f 3 4 0 将默认使用上次存在片 上f l a s h m e m o r y 中的运行参数进行发送a t 控制命令，如果改变参数将使用由 p c 发过来的参数发送a t 控制命令。 6 2 3g p r s d t u 硬件设计图 本系统中g r p s d t u 部分的硬件连接相对简单，由于采用的是g r 4 7 嵌入到 系统中的方式，并未直接使用其u a r t 3 作为通信通道。对于g r 4 7 来说，主要 5 1 武汉理工