基于3G的远程测控系统设计毕业论文.doc

江苏科技大学本科毕业设计（论文）基于3G的远程测控系统设计毕业论文目录第一章 绪论11.1 研究背景11.2 3G网络与终端设备现状11.2.1 3G网络的现状11.2.2 3G移动终端设备发展21.3无线监控系统发展现状及其前景41.4 本文主要工作5第二章 3G移动通信技术的研究72.1 3G移动通信系统介绍72.2 TD-SCDMA系统特性82.2.1 TD-SCDMA系统网络结构82.2.2 TD-SCDMA系统关键技术102.3 3G业务122.4本章小结13第三章 数据采集终端硬件电路设计143.1数据采集终端的总体设计143.2 硬件资源介绍143.2.1 3G 无线调制解调器143.2.2 微处理器163.3 其他主要硬件电路设计193.3.1 供电电路设计193.3.2 JTAG 技术203.3.3 键盘电路设计213.3.4 测温芯片DS18B20223.3.5 RS232 电平转换电路233.4 本章小结24第四章 系统的软件设计2541 系统的总体设计254.1.1 主要软件模块说明254.1.2 软件开发环境254.2 AT 指令254.3 数据采集终端程序设计284.3.1 单片机初始化模块设计284.3.2无线通信模块程序设计294.4 网络通信的实现314.4.1网络进程通信314.4.2 Winsock 介绍324.4.3 Winsock通信机制334.4.4 网络程序设计要点344.5 数据库设计354.5.1 数据库开发平台的选择354.5.2 数据库存取技术354.6 服务器端设计384.6.1 服务器端数据接收软件的功能384.6.2 程序流程分析394.6 本章小结41结语42参考文献44附录4552第一章 绪论1.1 研究背景全球移动通信发展虽然只有短短20年的时间，但已走完了从诞生到全球普遍认可的路程。从技术看，移动通信已经经历了三代发展历程，第一代移动通信从发明蜂窝概念开始，通过频率复用增大了系统容量，实现了语音移动通信；第二代移动通信用数字技术取代模拟技术，增加了数据业务；第三代移动通信的频带利用率更高，每用户比特速率更大，并使移动通信与Internet进一步融合，为移动中的人们提供广泛的基于IP的多媒体业务。移动通信与Internet的融合，为企业、个人提供更便捷的服务，已经成为当今时代信息产业发展的必然趋势。未来移动通信的目标是为每个人提供综合的广带业务，并在业务获得及网络性能上提供前所未有的灵活性。21世纪移动通信的发展，将为人类社会最终实现任何人，在任何地方和任何时候与任何人进行任何信息的个人通信提供了美好前景和可能。随着全球3G牌照发放数量的增加以及原有GSM/GPRS移动网络的优化，新的业务不断涌现，业务应用的广度和深度也不断加强。与2G相比，3G网络系统在带宽方面(特别是无线网的带宽)优势明显。3G系统更好的支持移动多媒体数据业务，使得运营商和内容提供商可以提供内容更为丰富、种类更多的数据增值业务。在语音业务收入比重逐渐减少的情况下，数据增值业务无疑成为运营商提高ARUP值(平均用户收益)和利润的重要途径。根据一项调查资料显示，预计到2008年底全球手机普及率将突破50%，用户的规模将突破30亿大关。预计到2010年全球3G手机用户将达到10亿户。美国In-Stat/MDR公司调查资料显示，2008年中国手机用户将达4.9亿，3G手机用户将达到1.18亿，在这样的市场环境下，移动应用开发便显得尤其重要1。1.2 3G网络与终端设备现状1.2.1 3G网络的现状 到目前为止全球3G用户继续稳步增长。2008年新增用户14亿，和去年同期相比增长67，在全部移动用户中的占比达到111。发达国家的3G用户增速正在提升，2008年新增的3G用户主要来自发达国家和地区。这主要是因为欧美等发达国家的3G市场已经启动了相当长的时间，市场对3G的接受度已经较高，并且3G技术和产业发展已经相当成熟，对3G业务提供和市场的支撑力度大 与此同时，3G网络继续在全球范围内扩展，3G+技术继续担纲拉动3G增长的主要动力。2008年WCDMA商用网络新增45个，HSDPA新增42个，HSUPA新增34个，综合来看，随着HSDPA技术的逐渐成熟，现有的WCDMA网络中，90以上都已经升级到HSDPA。与此同时，2008年cdma2000 1X EVD0商用网络也继续快速增长，是CDMA的主要增长点。1X EVDO Re1.0商用网络全年新增31个，1X EVDO Rev.A网络41个，两者合计占CDMA新增网络总数的735。22009年，中国3G元年，在这一年，我国三大移动通信运营商的3G网络将正式投入商用，中国移动通信领域也将随之步入3G时代。3G时代，倡导多彩生活，科技成果不再只是实验室中的技术，科技将改变我们的生活方式，使我们的生活更加多姿多彩。从总体上来看，3G网络还有巨大的增长空间，未来几年，3G商用网络将保持快速增长的势头。TD-SCDMA是全球三大主流的第三代移动通信技术标准之一，是我国自有知识产权的技术，也是我国首次提出的国际通信技术标准。从1998年6月标准提出到今天，TD-SCDMA经历了“从无到有”、“建立产业链”、“加快终端芯片研发”到“全面验证完善”的四个发展阶段，目前TD-SCDMA的整体产业链已经基本建成。而TD-SCDMA规模网络应用技术试验正进入到最后的关键阶段，有4个系统厂家、4个终端芯片厂家、16款终端获得了实验网试用批文，所有测试验证内容全部完成，并已进入友好用户发放阶段。随着TD-SCDMA试验接近尾声，中国3G发展的脉络也将更加清晰，中国市场是TD-SCDMA成功的关键3。1.2.2 3G移动终端设备发展 到目前为止，手机在人们的生活中所扮演的角色主要还是通话工具，数据业务的应用还十分有限。到了3G时代，对于消费者而言，用手机不再只是打电话这么简单，用户可以使用手机进行网页浏览、电话会议、电子商务等多种信息服务。厂商在对3G手机的定义中，也加入了更多功能元素，比如，诺基亚把3G手机定位为移动商务解决方案的核心，摩托罗托视3G手机为无缝联接的载体，索爱则希望3G手机成为多媒体智能终端，而LG电子给3G手机以更宽泛的定位新一代信息终端。这些整合了更多功能的3G手机除了带给消费者更多的应用体验外，还将给终端厂商和运营商带来丰厚的利润4。 未来3G手机技术会朝着以下几个方面发展:（1）智能化发展趋势具有各种方便的信息服务、强大的商务应用、丰富的多媒体视听功能和无线互联通信能力的智能化终端，受到越来越多消费者的青睐，移动办公、轻松娱乐已经成为公认的未来手机重要的发展方向。（2）多网络融合趋势从目前移动通信市场的发展来看，3G的标准并不统一，再加之2G、2.5G也将与3G在较长的一段时间内共存发展。因此，支持多频段多模式、融合现有技术与网络、有效实现互通互联正是手机生产企业发展必须着重考虑的重要问题。（3）终端设计更具针对性、突出个性化外观设计已经成为了影响人们购买手机的三大重要因素之一。目前，手机制造厂商在不断追求产品功能的强大的同时已经开始考虑用户的消费心理，力求实现手机的小型化、适应通信终端轻薄小巧的发展方向。（4）处理能力更强、存储空间更大3G时代所带来的大量多媒体应用和商务应用，要求3G终端具有更强的处理能力和更大的存储空间。（5）手机软、硬件模块化发展趋势由于手机所承载的移动数据功能越来越多，为减轻终端开发的负担、节省成本，同时支持应用业务发展。手机设备已经出现了硬件及软件架构向通用化发展的动向，大量采用嵌入式操作系统与中间件软件，关键零部件也呈现出标准化发展趋势5。1.3无线监控系统发展现状及其前景SCADA系统即数据采集与监视控制(Supervisory Control And Data Acquisition)系统，是以计算机为基础的监测控制与调度管理自动化系统。它可以对现场运行的设备进行监视和控制，以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等功能。SCADA系统的应用领域很广，它可以应用于电力系统、市政公用、石油、化工、水利等领域的数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域6。SCADA系统在不断完善，不断发展，其技术进步一刻也没有停止过。如今，随着各行业对SCADA系统需求的提高以及计算机技术的发展，对SCADA系统提出了新的要求，概括地说，有以下几点7：SCADA系统与其它系统的广泛集成；远端(受控端)综合自动化；专家系统、模糊决策、神经网络等新技术研究与应用；移动通信技术、面向对象技术、Internet技术的应用。移动通信技术为SCADA系统的数据传输提供了先进的通信手段8，极大地扩大了SCADA系统的应用范围，可以说，目前只要移动通信网络能覆盖到的地方，就有SCADA系统的用武之地。早期远程监控技术是非实时非在线监控方式，而现代远程监控技术是实时在线监控方式，借助于计算机、互联网和通信技术，操作者可以依靠安装在现场的各种传感器及音视频设备，远隔千里便可随时了解现场生产与设备情况，对生产现场进行监控、诊断与控制。远程监控技术的模式是与通信技术的发展密不可分的，伴随着通信技术的发展，出现了三种远程监控模式：1人工远程监控这种方式是通过人工对现场参数及现场运行情况进行记录，然后带回总控室由工程师进行分析推理，这就包含了太多的人为因素，而且无法实现实时在线监控，存在很多弊端，是比较原始的方式。2有线网络远程监控有线网络监控方式是现代远程监控模式，它将现场各个采样点通过通信线连成网。根据通信方式的不同，可以有以太网、光纤网等等，这种方式也是现在广为使用的方式，如现场总线。其最显著特点：是现场的采样设备将各种传感器获取的设备状态信息转变为数字信号后，通过网络传送给远程诊断工程师。远程诊断工程师再利用计算机和现代数字信号处理技术对收到的数字信号进行分析处理，对设备状态进行评估，给出诊断结论并将结果返回给现场人员。由于数字信号远程传输的保真度高，不受时间和空间影响，因此诊断结论可靠性高，可以实现真正意义上的实时在线远程监控与诊断。但是，这种方式在网络铺设上投资巨大，而且受距离限制，各数据点之间的距离越远铺网的投资就要越大，主要是由于需要增设路由器9。3. 无线网络远程监控 无线网络远程监控分为两种：一种是单独构建无线网，另一种是利用公网。进入21世纪，移动通信技术以惊人的速度迅猛发展。无论是CDMA、2.5G还是3G，移动通信的发展目标都是在更好的语音通信之外，向用户提供更加丰富多彩的高速无线数据应用。移动通信技术的进步使得高速的无线数据应用成为可能。可以预见，高速的无线数据应用的发展也将使新的移动通信技术更具吸引力。随着3G网络的成熟，基于无线数据应用的各项服务展现出其独特的魅力。在此基础上，可以利用3G网络的优势进行远程监测。在工业现场布置各种仪表和监测站进行数据采集，通过现场总线把现场采集到的各种信息数据汇总到现场的监控工作站（服务器），远程客户终端可以通过指令主动呼叫，或者接收服务器端的现场数据。因此，工程技术人员可以节省许多人力物力，有序地完成各项维护监控任务，保障整个企业单位安全高效地运行。基于3G的远程监测依仗其前沿的技术和显而易见的优势正逐步发展壮大，具有非常广阔的应用前景10。1.4 本文主要工作本文内容主要分为硬件和软件两大部分。在硬件上主要涉及到嵌入式数据采集模块硬件功能设计、3G无线调制解调器模块和微处理器的选型、电路板设计等。在软件上，一方面是针对TCP/IP协议进行SOCKET编程实现数据的通信，另一方面针对实验板上的温度传感器进行编程实现数据的采集，最终实现数据的实时传输，在线监测。本文主要完成以下任务：1对3G关键技术进行了研究，包括3G技术特点、结构、网络原理、无线通信技术等；2课题硬件电路的设计，包括关键器件的选择和工作原理，以及系统外围电路的设计；3课题的软件设计，包括数据采集终端的程序设计、数据中心的软件和数据库设计等内容。第二章 3G移动通信技术的研究2.1 3G移动通信系统介绍随着全球经济一体化和社会信息化的进程，移动通信业务和移动通信用户呈高速增长的趋势，这使2G系统在系统容量和业务种类上趋于饱和，为了适应移动通信个人化、智能化、多媒体化的需求，代表更先进移动通信技术的3G被越来越多的关注。3G移动通信的基本特征：3G代表了未来移动通信的发展走向，是移动用户发展、移动业务发展的必然趋势。第三代移动通信的基本特征如下11:(1)具有全球范围设计的，与固定网络业务及用户互连，无线接口的类型尽可能少和高度兼容性；(2)具有与固定通信网络相比拟的高话音质量和高安全性；(3)具有在本地采用2Mb/s高速率接入和在广域网采用384kb/s接入速率的数据率分段使用功能；(4)具有在2GHz左右的高效频谱利用率，且能最大程度地利用有限带宽；(5)移动终端可连接地面网和卫星网，可移动使用和固定使用，可与卫星业务存和互连；(6)能够处理包括国际互联网和视频会议、高数据率通信和非对称数据传输的组和电路交换业务；(7)支持分层小区结构，也支持包括用户向不同地点通信时浏览国际互联网的种同步连接；(8)语音只占移动通信业务的一部分，大部分业务是非话数据和视频信息；(9)一个共用的基础设施，可支持同一地方的多个公共的和专用的运营公司；(10)手机体积小、重量轻，具有真正的全球漫游能力；(11)具有根据数据量、服务质量和使用时间为收费参数，而不是以距离为收费参数的新收费机制。2.2 TD-SCDMA系统特性TD-SCDMA是中国自主知识产权、被国际电信联盟批准颁布的第三代移动通信三大主流标准之一,在频谱资源利用率和系统容量等方面较其他两种标准有很大的优势。近几年来，经过相关国内国际企业、研发机构的不懈努力，TD-SCDMA标准完善、技术开发、产品产业化和商业化已取得重大进展。2.2.1 TD-SCDMA系统网络结构伴随芬兰赫尔辛基国际电联（ITU）大会帷幕的徐徐落下，由大唐集团代表中国提出的我国自主知识产权的TD-SCDMA方案完全满足国际电联对第三代移动通信的基本要求，在包括CDMA2000和WCDMA的三种第三代移动通信标准提案中，是唯一采用智能天线技术，也是频谱利用率最高的提案，可以缩短运营商从第二代移动通信过渡到第三代系统的时间，在技术上具有明显的优势。TD-SCDMA系统由无线接入网、核心网和用户终端设备三部分组成。核心受有线网络的技术发展影响很大，在建网初期，该系统的IP业务通过GPRS网关支持节点(GGSN)接入到X.25分组交换机，话音和ISDN业务仍使用原来GSM的移动交换机。待基于IP的3G核心网建成后，将过渡到完全的TD-SCDMA第三代移动通信系统。TD-SCDMA系统由无线接入网、核心网和用户终端设备三部分组成。如图2-1所示：CNIUIUIurRNSRNSRNCRNCIubIubIubIubNode BNode BNode BNode BUuUE图21 TD-SCDMA网络结构Iu接口位于核心网和无线接入网之间，它是一个有线接口。Uu接口在无线接入网和用户设备之间，它是一个无线接口，也称为空中接口。无线接入网UTRAN由一系列通过Iu接口连接到核心网的无线网络子系统(RNS)构成。一个RNS由一个无线网络控制器(RNC)和一个或多Node B组成，Node B为负责在一个或多个小区处理来自或到达UE的无线信号的接收/发送的逻辑节点。Node B与RNC间的接口称为Iub接口，RNC用来分配和控制与之相连或相关的Node B的无线资源。Node B则完成Iub和Uu接口之间的数据流的转换，同时也参与一部分无线资源管理。RNC用于控制UTRAN的无线资源。它通常与一个移动交换中心(MSC)和一个SGSN以及广播域通过Iu接口相连，在移动台和UTRAN之间的无线资源控制(RRC)协议在此终止，它在逻辑上对应于GSM网络中的基站控制器。控制Node B的RNC称为该Node B的控制RNC(CRNC)。CRNC负责对其控制的小区无线资源进行管理。Node B用于完成空中接口与物理层的相关的处理(信道编码，交织，速率匹配，扩频等)。同时它还完成一些如内环功率控制等的无线管理功能。它在逻辑上对应于GSM网络中的基站。UTRAN和CN之间的接口是Iu接口。从Iu的观点看，UTRAN的接入点是RNC。对于任何一个RNC，它和CN间存在三个Iu接口，Iu_CS(面向电路交换域)、Iu_PS(面向分组交换域)、和Iu_BC(面向广播域)。Iu_CS接口为电路型业务接口，与CN中的移动交换中心MSC连接。传输网络层为ATM，以AAL2信元的方式传话音数据信息、以AAL5的方式传输控制平面信息；Iu_PS接口为RNC与核心网C中的分组域处理SGSN/GGSN设备互连的接口；Iu_BC接口提供广播域与RNC的通信，底层为ATM+IP方式。Iub/Iur接口为RNC与Node B/RNC之间的通信接口，其数量一定程度上决定了RNC的容量。Uu接口为UTRAN与UE间的接口，通常称为无线接口。2.2.2 TD-SCDMA系统关键技术作为中国自己提出的3G标准，TD-SCDMA技术的主要突出特点都集中在其无线接入网的无线传输技术中。采用了时分双工、联合检测、智能天线、动态信道分配、上行同步和接力切换等关键技术突出了其网络优越性。下面对其关键技术进行简单介绍:(1)时分双工时分双工模式是TD-SCDMA与FDD系统的根本区别。工作在TDD模式下的TD-SCDMA系统在同一载波上进行上、下行链路传输，而不需要像FDD系统所必须的上、下行对称频谱。除了充分利用频率资源，极大地提高了频谱利用率以外，TDD模式的优势还在于系统可以根据不同的业务类型来灵活调整上、下行转换点，从而提供最佳的业务容量和频谱利用率。(2)联合检测联合检测技术即“多用户干扰”抑制技术，是消除和减轻多用户干扰的主要技术，它把所有用户的信号都当作有用信号处理，这样可以充分利用用户信号的扩频码、幅度、定时、延迟等信息，从而大幅度降低多径多址干扰。与智能天线技术相结合，联合检测技术可以获得更加理想的效果。联合检测技术己经被纳入3G系统的关键技术体系中，但只有TD-SCDMA第一次在CDMA通信系统中采用联合检测技术，实现了智能天线和联合检测技术的有机结合。(3)智能天线智能天线系统由一组天线阵及相连的收发机和先进的数字信号处理算法构成。在发送端，智能天线根据接收到达的信号在天线阵上产生的相位差，提取出终端的位置信息，有效地产生多波束赋形，每个波束指向一个特定终端并自动地跟踪终端移动，从而有效地减少了同信道干扰，提高了下行容量。空间波束赋形的结果使得在保持小区覆盖不变的情况下，极大地降低总的射频发射功率，一方面改善了空间电磁环境，另一方面也降低了无线基站的成本。在接收端，智能天线通过空间选择分集，可大大提高接收灵敏度，减少不同位置同信道用户的干扰，有效合并多径分量，抵消多径衰落，提高上行容量。(4)动态信道分配TD-SCDMA所采用的动态信道分配技术可以实现在时域、空域和码域对无线的灵配置。采用动态信道分配技术使得TD-SCDMA系统能够较好地避免干扰，使信道重用距离最小化，从而高效率地利用有限的无线资源，提高系统容量。此外，通过使用时域地动态信道分配，可以灵活分配时隙资源，动态地调整上、下行时隙的个数，从而灵活地支持对称和非对称的业务。(5)上行同步上行同步是指在上行链路各终端发出的信号在基站解调器处完全同步，它通过软件及物理层设计来实现，这样可以使正交扩频码的各个码道在解扩时完全正交，相互间不会产生多址干扰，克服了异步CDMA多址技术由于每个移动终端发射的码道信号到达基站的时间不同，造成码道非正交所带来的干扰问题，提高了TD-SCDMA系统的容量和频谱利用率，还可以简化硬件电路，降低成本。(6)接力切换接力切换不同于硬切换和软切换，它是基于同步CDMA技术和智能天线的结合技术。当手机用户进行越区切换时，TD-SCDMA系统采用智能天线大致定位用户的方位和距离，基站和基站控制器根据这些方位和距离信息，判断用户现在是否移动到应该切换给另一基站的邻近区域。如果进入切换区，便可通过基站控制器通知另一基站做好切换准备，达到接力切换的目的。接力切换的方式既适用于同频切换也适用于异频切换，而且避免了频繁的切换，大大提高了系统的容量12。采用中国自主知识产权的第三代移动通信标准TD-SCDMA，有利于国内更多的制造商投入3G的开发，将带动我国民族移动通信产业在第三代移动通信技术的群体突破，并赢得抢先进入市场的先机，为未来市场的发展创造宽松的环境，并极大地推动我国移动通信的产业化发展。2.3 3G业务 细数而来，如今业已出现的3G细分与衍生应用已多达千种，但究其本质，所有这些应用都可以归纳为六种3G业务，分别是定位、媒体点播和应用下载、短信息、可视电话、互联网连接和企业网应用。其中互联网和多媒体即时消息虽然算作3G的重要应用，但是它们在2.5G甚至2G网络上已经发展的相当完善，3G只是为用户带来了更多的速度快感而已。目前看来，其余四种应用都要求以大带宽承载能力作为先决条件。(1)定位应用定位应用，就是通过使用A-GPS（增强型全球定位服务）技术，从而为移动终端本身提供高精度的位置信息。在终端用户允许的前提下，运营商可以为该用户提供多种定位衍生业务（包括随身广告、地图指引、移动监护等）。当前，全球很多移动运营商，尤其是3G运营商大都拥有定位衍生应用。例如中国联通推出的定位之星服务U-Map，可以为其用户提供交通、娱乐以及紧急求助等位置相关的信息和服务。(2)媒体点播与应用下载媒体点播是包含类似体育比赛重播、新闻头条、MTV和电影预告、广告等音频和视频内容的流媒体点播或下载服务。应用下载类似于媒体点播中的下载应用，但主要集中于一些手机终端可以执行的应用程序，典型的包括游戏、商用程序、媒体播放工具以及铃声等，例如由中国联通于2003年3月推出的应用下载业务U-Magic。(3)可视电话（或会议）可视电话（或会议）是一种实时视频信息传送应用，允许两个到多个手机用户之间相互实现可视通话或虚拟电话会议。高端的可视电话（或会议）还可以实现二分屏或四分屏通话。可视电话（或会议）需要大量的带宽支持，只有真正的3G运营商才可以提供可视电话（或会议）应用。(4)企业网应用企业网应用是指搭设一个3G移动应用平台，通过这一平台可以提供企业网移动接入并执行企业网内运行的应用。使用移动终端接入企业网络具备其独有的优势，除去可以提高工作效率之外，使用移动终端形成的内外网络连接将具备更高的接入安全性。目前，3G主要将应用聚焦于娱乐与消费领域。真正步入3G时代后，企业类的应用会越来越多。2.4本章小结本章首先介绍了3G移动通信的基本特征、终端结构，然后分析了TD-SCDMA的系统特征，包括TD-SCDMA系统网络结构和关键技术，最后分析介绍了3G时代的无线业务应用。第三章 数据采集终端硬件电路设计3.1数据采集终端的总体设计数据采集终端的设计主要包括两个方面：一方面是数据采集终端的硬件实现，包括各硬件功能模块设计、选型、电路版绘制以及调试等；另一方面是各功能模块的软件实现。3.2 硬件资源介绍3.2.1 3G 无线调制解调器 无线调制解调器选用四川火狐无线科技有限公司的无线猫modem。型号:HF-30T-M 图31 无线调制解调器主要规格/特殊功能：l TDSCDMA MODEMl 基于3G TD-SCDMA网络，采用高性能工业级无线模块，支持短信、CSD数据及拨号上网功能。l MODEM采用工业级标准设计。l 功能特性：o 支持短信、CSD数据及拨号上网功能，使用方便、灵活 o 支持标准RS232接口 o 支持5V-35V宽电压供电 o 抗干扰设计，适合电磁环境恶劣的应用需求 l 无线参数：a) TD-SCDMA：20102025MHz b) GSM：85090018001900 c) UPLINK：128Kbps，DOWNLINK：384Kbpsl 技术指标：a) 接口： i. 标准RS232串口，串口速率110230400bits/s ii. 指示灯：具有电源、ACT及在线指示灯 iii. 天线接口：标准SMA阴头天线接口，特性阻抗50欧 iv. SIM卡接口：3V/1.8V标准的推杆式用户卡接口 v. 电源接口：标准的3芯火车头电源插座b) 供电： i. 外接电源：DC 9V、500mA ii. 宽电压供电：DC 5-35V iii. 通信电流：250mA（9V） iv. 待机电流：20mA（9V） v. 无线模块：采用高性能工业级TD-SCDMA无线模块 vi. 外形尺寸：91x58.5x22mm（不包括天线及固定件） c) 其他参数： i. 工作环境温度：-2565?C ii. 储存温度：-4085?C iii. 相对湿度：95（无凝结）3G 网络本系统采用：外部控制器开发模式13。在该方案下，无线调制解调器嵌入到用户系统中使用，利用外部CPU对模块进行操作控制，调制解调器和微处理器通过串口进行通信，脚本程序下载到外部控制器中运行，如图32所示。SIM系统接 口DCPOWER3GENGINE状态反馈数字通信设备数据终端设备控制命令图32 外部控制器模式3.2.2 微处理器在这套系统中单片机起着很重要的作用，一方面负责下端传感器数据的采集以及对下端数据采集模块的控制信号传输；另一方面还要负责将收到的数据通过3G网络与数据中心通信。近年来，在工业测控领域，国内诸多运用TI公司生产的MSP430系列单片机，其在振荡电路、功耗、软件加密等技术水平上均有很大的优势14。尤其是其低功耗的特点很适合在现场不能频繁更换电源的环境。基于上述需要，本系统最终选用的是TI公司的MSP430F149单片机。MSP430F149单片机的特点(1)低电压、超低功耗首先，MSP430F149单片机的电源电压采用的是1.83.6V低电压。RAM数据保持方式下耗电仅0.1A，活动模式耗电250A/MIPS(MIPS：每秒百万条指令数)，I/O输入端口的漏电流 最大仅50nA15。其次，MSP430F149单片机采用独特的时钟系统设计。其具有两个不同的时钟系统：基本时钟系统和DCO数字振荡器时钟系统，采用高速晶体（最高8MHz）和低速晶体(32768Hz)进行基本时钟模块配置。时钟可以通过指令的控制打开和关闭，从而实现对总体功耗的控制。(2)强大的处理能力MSP430F149单片机为16位的RISC指令(Reduced Instruction Set Computing精简指令集)结构，具有丰富的寻址方式、精简的27条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理方法；有高效的处理速度，在8MHz晶振驱动下，指令周期为125s。这些特点保证了可编制出高效率的源程序。(3)系统工作稳定单片机上电复位后，首先由DCO时钟启动CPU，以保证程序从正确的位置开始执行，保证晶体振荡器有足够的起振及稳定时间，然后软件可设置适当的寄存器的控制位来确定最后的系统时钟频率。如果晶体振荡器在用作CPU时钟MCLK时发生故障，DCO会自动启动，以保证系统正常工作；如果程序跑飞，可用看门狗将其复位。(4)丰富的片内外设MSP430F149单片机有丰富的片内外设。它主要包括以下一些外围模块：看门狗(WDT）、定时器A(Timer A)、定时器B(Timer B)、比较器、串口0(UART0）、串口1(UART1)、硬件乘法器、12位ADC端口和基本定时器。其中看门狗可以使程序失控时迅速复位；比较器进行模拟电压比较，配合定时器可以设计为A/D转换器；定时器具有捕获/比较功能，可用于事件计数、时序发生、PWM等；12位硬件A/D转换器有较高的转换速率，最高可达200kbps，能满足大多数数据采集应用。(5)方便高效的开发环境MSP430F149单片机是FLASH型类型器件。对于FLASH型芯片有十分方便的开发调试环境，因为器件片内有JTAG调试接口，还有可电擦写的FLASH存储器，因此采用先下载程序到FLASH内，再在器件内通过软件控制运行，由JTAG接口读取片内信息供设计者调试使用的方法进行开发。这种方式只需要一台PC机和一个JTAG调试器，而不需要仿真器和编程器。更重要的是，其开发语言兼容C语言，使编程变得相当简单。选用的MSP430F149的接口和JTAG连接如图所示：图3-3 单片机与JTAG连接图3.3 其他主要硬件电路设计3.3.1 供电电路设计1单片机电源电路整个数据采集终端采用5V供电，考虑到硬件系统对电源要有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，因此硬件系统的3.3V电源部分采用TI公司的TPS7333芯片实现。单片机电源电路如图：图34 电源电路为了使3.3V输出电源的纹波小，在输出部分用了一个10F的电容，另外在芯片的输入端也放置一个10F的滤波电容，减小输入端 收到的干扰。3.3.2 JTAG 技术JTAG是一种国际标准测试协议，主要用于芯片内部测试及对系统进行仿真、调试，JTAG技术是一种嵌入式调试技术。目前大多数比较复杂的器件都支持JTAG协议，如ARM、DSP、FPGA器件等，JTAG接口的连接有两种标准，即14针接口和20针接口。通过JTAG接口，可对芯片内部的所有部件进行访问。标准的JTAG接口是4线：TMS、TCK、TDI、TDO，分别为测试模式选择、测试时钟、测试数据输入和测试数据输出16。MSP430F149是FLASH型器件，内建多达60KB容量的FLASH存储器，并具有JTAG调试接口，嵌入了仿真器，可以通过JTAG调试器将编辑好的程序从PC机上直接下载到FLASH内，然后再通过PC机上的软件由JTAG接口读取单片机片内信息，实时监测单片机上运行的程序，甚至可以设置断点加以调试，实施所谓的在线仿真。图35 JTAG 接口电路3.3.3 键盘电路设计键盘是实现人机对话的输入设备，借助键盘可向系统设置参数，发出控制指令等。按键电路设计方法有多种，本系统采用4*4矩阵键盘电路，具体电路如图所示图 36 矩阵键盘电路3.3.4 测温芯片DS18B20DS18B20传感器内部内置A/D，直接输出912位(含符号位)的被测温度值，测温范围为-55+125，测量分辨率最高可达0.0625；每片DS18B20内含64bit经过激光修正的只读存储器ROM，支持单总线技术，既可通过串行口线，也可通过其他I/O口线与微机接口，适配各种单片机或计算机组建测量网络；用户还可以设定非易失性温度报警上下限阈值；一旦测量温度超过此设定值，即可给出报警标志。读取温度值时必须先启动DS18B20开始转换，再读出温度转换值。DS18B20可通过两种方式供电：寄生电源方式和外加电源工作方式。寄生电源方式不需外加电源，当总线(信号线)为高时稳定电源的提供是通过单线上的上拉电阻实现，总线信号为低时则由其内部的电容供电，在此种方式下VDD接地。外加电源工作方式需要外加电源正负极分别接引脚VDD及GND,本系统选用外加电源工作方式，采用此种方式能增强DS18B20的抗干扰能力，保证工作的稳定性。图 37 DS18B20 温度传感器电路3.3.5 RS232 电平转换电路 由于单片机的信号是CMOS电平，而计算机和无线模块的串行口是EIA-RS232C电平，其电平1为-3-25V，电平0为+3+25V，因此要进行CMOS电平和EIA-RS232电平间的相互转换。串口通信的RS232接口采用9针串口DB9，数据的传输只要数据接收和数据发送两根线就能实现。 为实现无线模块的CMOS电平与RS232电平转换，可采用MAX232集成电路芯片，MAX232的数据传输速率大于250Kbps，Three_state=GND，即选择三态输出模式，可减小电流输出。VCC=5V，Vout=2.7V，这样，实现了5V的RxD、TxD与2.7V的RDE、TDE的逻辑电平转换。图 38 串口通信电路3.4 本章小结 本章对数据采集终端的硬件进行了研究，对各主要元器件的选择和应用作了简单介绍，并基于功能需求和硬件特性详细地阐述了电路设计的方法，给出了模块的电路原理图。第四章 系统的软件设计41 系统的总体设计本系统由数据采集终端、3G网络和数据中心三大部分构成。其中，数据采集终端由MSP430F149单片机及外围电路所组成的实验板和无线调制解调器两部分组成。3G通信网络是数据采集终端分站与数据中心分站之间数据传输的桥梁。数据中心是整个数据传输系统的通信核心，主要功能是接收和处理数据采集终端发送来的数据。4.1.1 主要软件模块说明1数据采集终端模块数据采集终端的软件部分可分为：初始化模块、数据采集模块、数据处理模块、无线通信模块等。另外，整个软件还包括3个中断，即定时器中断、键盘中断、串口中断。其中，定时器中断用于DS18B20温度的采集定时；串口中断用于单片机同调制解调器之间数据的收发；键盘中断用于按键识别、处理。2数据中心模块数据中心主要完成以下功能：建立Socket完成对网络中传输数据的监听、接收，在此利用Visual C+通过WinSock接口和MFC WinSock类实现。使用ADO技术实现与数据库的连接，接收的数据自动保存至水情信息数据库。4.1.2 软件开发环境数据采集终端利用MSP430系列单片机配套的开发环境IAR EmbeddedWorkbench开发，它同时支持汇编语言和C语言编写17，本系统采用IARC430语言开发。利用JTAG接口，通过TI公司所带的仿真器FET可以方便地进行程序调试和代码下载。数据中心的操作系统为Windows XP，开发软件为Microsoft Visual C+6.0，网络协议为TCP/IP协议。4.2 AT 指令 AT指令集是从TE(Terminal Equipment)或DTE(Data Terminal Equipment)向TA(Terminal Adapter)或DCE(Data Circuit Terminating Equipment)发送的。通过TA、TE发送AT指令来控制MS(Mobile Station)的功能，与GSM网络业务进行交互18。AT指令集的格式都是以“AT”或“at”开头，“AT”或者“at”前缀必须出现在每一个指令行的开头。AT命令的基本格式为：AT+命令字符及相关设置参数。 这里介绍几种主要的AT指令：(1)AT+CGDCONT：设置PDP上下文该指令的标准格式是：AT+CGDCONT=,pdl,pdN其中，代表帐户序号，取值范围为110，后续的GPRS操作通过该序号进行；代表PDP连接类型，它的类型是IP连接；代表接入点名称，如CMNET代表中国移动。这条命令的典型用法如下：AT+CGDCONT=l,”IP”,”CMNET”(2)AT*E2IPA：激活IP命令该指令允许激活模块的IP程序段，一旦在之前的存储状况下激活，IP连接可以建立，该模块将被赋予一个IP地址。其典型的指令结构为：AT*E2IPA=,其中，代表激活IP环境，该参数为0代表关闭IP环境，为1则代表激活IP环境；参数的取值范围为010，指明需要激活的PDP序号，该参数需要和AT+CGDCONT指令中第一个参数对应。如果GR64连接成功则返回“OK”，否则返回错误码。这条命令的典型用法如下：AT*E2IPA=l，1(3)AT*E2IPO：IP连接/打开命令（建立TCP连接）AT命令总线处于在线数据模式时，该指令能够实现一个新IP连接的初始化，一旦IP连接激活，将返回“CONNECT”，表示已经成功连接。AT指令总线将不再处于数据模式下，原有数据都传输给了远程节点并给出了响应。在此过程中，如果信道出现错误，会给出“NO CARRIER”响应并且关闭此次连接。该指令的典型格式如下：AT*E2IPO=,参数为0时代表建立UDP连接，为1代表建立TCP连接;是一个字符串类型的参数，表示要连接站点的IP地址，取值范围是065535，表示连接的端口号。 (4)返回命令模式在 在线模式当中，如果释放DTR信号，这时调制解调器就会从在线模式转换到命令模式，不过此时还是会继续保持原来建立的连接。进入命令模式后，用户又可以通过串口发送AT命令来查询当前状态或者执行其它的操作。(5)返回在线模式当用户执行完所需的AT命令后，可以使用ATO命令来重新返回到在线模式。如果原来的连接没有因为其它原因中断的话，那么用户可以继续传输数据。响应结果可能是“CONNECT”、“NO CARRIER”或者“ERROR”。(6)关闭连接如果对方释放了当前连接或者因为其它原因中断了当前连接时，GR64会返回到命令模式，并且通过串口返回字符串“NO CARRIER”。也可以通过AT指令来实现关闭IP连接，指令如下：AT*E2IPC：关闭IP连接该命令允许关闭己经建立的IP连接，但是只能在命令模式下使用。如果成功关闭连接，那么直到下一个连接建立起，才有可能重新回到数据模式。其基本格式为AT*E2IPC，返回值为“ERROR”、“OK”、“*E2IPC:”，只是操作完成状态。(7)释放IP当完成数据传输后，用户可以使用AT*E2IPA=0,1来释放之前分配给无线调制解调器的IP地址。4.3 数据采集终端程序设计4.3.1 单片机初始化模块设计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。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：MSP430的基础时钟模块有3个时钟源：LFXT1CLK低频/高频时钟源、XT2CLK高频时钟源、DCOCLK时钟源。基础时钟模块可提供3种时钟信号，分别为ACLK(辅助时钟)、MCLK(主时钟)和SMCLK(子时钟)。为了配合与微处理器的各外部模块的工作频率，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BCSCTL1=0X00;/将寄存器的内容清零BCSCTL1&=(XT2OFF+XTS);/打开XT2，LFTX1选择低频模式BCSCTL2+=SELM1;/MCLK的时钟源为TX2CLK，分频因子为1BCSCTL2+=SELS;/SMCLK的时钟源为TX2CLK，分频因子为l2UART0的初始化：包括对UART0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 Uart0Init(void)P3SEL|=BIT4+BIT5;/P3.4和P3.5被发送模块占用P3DIR|=BIT4;/配置为输出口P3DIR&=BIT5;/配置为输入口UCTL0|=SWRST;/SWRST复位，USART允许UCTL0|=CHAR;/无校验，8位数据位，1位停止位，波特率9600UBR00=0X03;UBR10=0X00;UMCTL0=0X4A;/波特率调整UTCTL0=0X10;/选定ACLK32k晶振位时钟源UCTL0&=SWRST;/SWRST复位，USART允许ME1|=UTXE0+URXE0;/发送及接收模块允许IE1|=URXIE0;/接受中断允许3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。4.3.2无线通信模块程序设计MSP430F149单片机通过串口发送AT命令，控制调制解调器上网登录，建立TCP连接，主要程序如下：while(1)clrbuf();sprintf(SendBuf,%s,AT+CGDCONT=1,);SendBuf13=0X22;sprintf(SendBuf+14,%s,IP);SendBuf16=0X22;SendBuf17=0X2C;SendBuf18=0X22;sprintf(SendBuf+19,%s,CMNET);SendBuf24=0X22;sprintf(Send