无线数据采集系统设计.doc

无线传输数据采集系统设计 目 录引言 （一）GPRS技术特点 1.1 GPRS概述 1.2 基于GSM的GPRS网络结构1.3 GPRS网络传输协议1.4 GPRS的数据传输1.5 GPRS的移动性管理1.6 GPRS的功能和业务1.7 GPRS的技术优势（二）终端设计2.1 终端构成2.2 数据终端(GPRS DTU)的接入2.3 TCP/ IP协议分析2.4 A/D转换器的选择2.5 嵌入式芯片及系统2.5.1 什么是嵌入式系统2.5.2 嵌入式系统的结构2.5.3 嵌入式处理器分类与现状2.5.4 嵌入式操作系统一览2.5.5 Linux作为嵌入式操作系统的优势2.5.6 嵌入式系统的开发工具平台2.6 GPRS无线数据传输模块的选择（三）系统方案3.1 数据中心接入方式3.2 系统网络传输模型3.3 程序流程（四）应用范围无线传输数据采集系统设计摘要：利用GPRS通信技术在中低速率数据传输方面的突出优势，设计实现了一套具有高可行性和高稳定性的GPRS无线数据传输系统方案。该方案具有通用性，可应用于工控、金融和交通等行业。关键字：GPRS 嵌入式 无线传输 网络模型引言无线传输方式主要有以下几种：（1）基于专用无线传输芯片（包括蓝牙芯片）的方式，这种方式特点是针对特定应用设计，通用性差，覆盖范围小；（2）专用频段的短波电台方式，这种方式存在采集速度慢、并行性差、覆盖范围小、通信盲区多、中继通信设备的维护工作量大等缺点;(3)采用GSM/GPRS网络，该网络提供三种无线传输方式，一是拨号点对点方式，该方式采用电路交换技术，资源利用率低，按时间计费；二是短消息SMS方式，短消息方式传输容量小，可靠性和实时性差；三是GPRS方式，它覆盖范围广、标准网络接口、网络带宽大等优点，适用于较大范围的数据采集系统。本论文设计将采用基于GSM/GPRS网络的无线传输方式。 GPRS技术介绍1.1 GPRS概述GPRS,“通用分组无线业务”(General Packet Radio Service)，是在GSM系统的基础上建立的移动网络系统。它使用分组交换技术，能兼容GSM并在网络上传输高速数据。GPRS在传统的GSM网络中引入了3个新的组件：PCU(分组控制单元Packet Control Unit)，SGSN(GPRS服务支持节点Serving GPRS Support Node)和GGSN(GPRS网关支持节点Gateway GPRS Support Node). GPRS通信具有以下多个特点适合突发性、频繁的小流量数据传输；通信速率高，最高可达115.2Kb/s；按量计费，节省资源；“永远在线”，用户随时与网络保持联系，保证数据传输的实时性:接入速度快，只需23秒钟；GPRS支持Internet上应用最广泛的IP协议和X.25协议，能提供Internet和其它分组网络的全球性无线接入；GPRS利用现有的GSM网络资源，覆盖面广，没有空间与视距限制;通信终端设备简单，易维护；系统扩容方便，无需铺设线路，浪费钱财与人力。随着GPRS技术的发展，它在中低速率数据传输上的突出优势日渐凸显出来，使得它的行业应用开始进入高度发展阶段。1.2基于GSM的GPRS网络结构GPRS网络可以在现有移动通信网络如GSM等基础上做适当修改而成，现以基于GSM的GPRS为例进行阐述。（1） 网络构成由于GPRS支持分组通信，因而必须在GSM基础上增加支持分组业务的节点GSN(GPRS Support Node)以构成GPRS网络。GPRS网络中的GSN分为两种:SGSN (Service GSN)和GGSN (Gateway GSN )。其中SGSN为GPRS的业务支持节点，主要完成对MS(移动台)的鉴权、加密和移动性管理，并对MS送来的分组进行封装；GGSN是GPRS网与外部数据网互联的第一个节点，起网关作用，负责存储已经激活的GPRS业务用户的路由信息，并完成GPRS网中的分组数据包与外部数据网之间的协议转换。由于GPRS采用原GSM的无线信道，其TDMA(时分多址)帧结构、GMSK(高斯最小频移键控)调制方式、频谱配置和200kHz载频间隔等都与GSM相同，因而不需改动原GSM的基站硬件设备(但软件需作相应升级以支持新的逻辑信道即多信道组合结构和新的编码方式)；但由于原来的BSS(基站子系统)只支持电路交换方式，如果要把数据分组引入到SGSN则必须增加相应的硬件设备PCU(分组控制单元)，PCU可集成于BSC(基站控制器)中，也可独立设置。当然原GSM网络中的HLR(归属位置寄存器)等也需作适当的软件升级，以支持GPRS的用户数据和路由信息。（2） 新增接口定义由于新增加了硬件设备PCU, SGSN, GGSN，因而也产生了许多新的接口，分别定义如下：Gb接口：PCU与SGSN之间的接口。Gn/Gp接口：SGSN与GGSN之间的接口，当SGSN与GGSN位于不同的PLMN(地面移动式公用网络)时为Gp，否则为Gn 。Gi接口：GGSN与外部数据网之间的接口。Gd接口：SGSN与SMS-GMSC(短消息业务的网关MSC) /SMS-IWMSC(短消息业务的网间MSC)之间的接口。Gr接口：SGSN与HLR之间的接口。Gs接口：SGSN与MSC (移动交换中心)/VLR(访问位置寄存器)之间的接口。Gc接口：GGSN与HLR之间的接口。Ga接口：GGSN/SGSN与CGF(计费网关)之间的接口。Gf接口：SGSN与EIR(设备标识寄存器)之间的接口。（3） GPRS网络结构图 在GSM网络基础上改进而成的GPRS网络结构如图1所示。 图1.2.1 GPRS网络结构在GSM分组无线服务中，SGSN主要负责为在其服务区域的移动台收发数据包，此外还负责为数据包选路、移动管理、逻辑链路管理、验证和收费。SGSN中的本地寄存器存储所有已注册的GPRS用户的位置信息(如当前小区标志，当前VLR地址)和用户注册信息(如IMSI，用于分组数据网的地址)。GGSN主要功能是在公共数据网和GPRS PLMN之间转发数据分组。它将从SGSN收到的GPRS数据包转化成适合的分组数据协议(PDP)格式，并把它们发送到相应的公共数据网。当相反方向通信时，将接收到的公共数据网的数据包的PDP地址转化成目前用户的GPRS地址格式，再将它们转发到正在为此移动台服务的SGSN中，最后由SGSN发送到移动台。因此GGSN中保存了正在为用户提供服务的SGSN地址和用户注册信息。除了选路和数据传输功能外，GGSN和SGSN还收集收费统计数据，同时为了能为任何位置的移动台提供路由功能，它们还具有处理信令的功能。一般来说，一台GGSN可作为多台SGSN访问外部分组数据网的接口，为了把分组传送到不同的分组数据网，一台SGSN可将这些分组选路到不同的GGSN。图1.2.1显示了新网络结点与GSM各网络间的接口。由图可以看出SGSN通过Gb接口与BSC相连。用户数据和信令通过Gn和Gp接口在GSN之间传送。如果SGSN和GGSN位于同一个PLMN中，它们通过Gn接口互连;如果二者位于不同的PLMN，则通过Gp接口互连。当移动台从一个SGSN服务区移动到另一个SGSN服务区时，两个SGSN通过Gn和Gp接口交换用户注册信息(当前移动台首次向网络注册时，SGSN可能通过Gf接口查询移动台的IMEI，以确定移动台的合法性)。而GGSN结点通过Gi接口与X. 25网和Internet相连。HLR中除了保存用户注册信息外，还保存每一个移动台当前正在使用的SGSN地址及PLMN中每一个GPRS用户的PDP地址。当SGSN需要这些信息时，通过Gr接口与HLR交换这些信息。例如SGSN向HLR报告移动台的当前位置，及当移动台向新SGSN注册，HLR向新SGSN发送用户注册信息等就是通过Gr接口进行的。此外，为了使得GPRS分组交换业务和传统的电路交换业务有效地融合在一起，将MSC/VLR的功能扩展，与SGSN之间通过Gs接口交换信息。如综合GPRS路由区域(RA)更新和GSM位置(LA)更新及GPRS业务和GSM业务的同时激活，还有当利用电路交换执行传统的GSM业务时，通过SGSN传送寻呼请求，将大大节省空中资源。为了通过GPRS系统交换短信息业务(SMS), SGSN通过Gd接口短信息网关移动交换中心(SMS-GMSC)互连。1.3 GPRS网络传输协议 GPRS是在GSM的基础上发展起来的，但二者具有不同的传输方式，即分组交换方式和电路交换方式。这是通过二者不同的协议结构实现的。GPRS系统像大多数系统一样，传输平面由分层的协议结构组成，提供用户信息传递，采用信息传递控制过程，例如，流量控制、差错检测、差错纠正和错误恢复等。传输平面独立于网络子系统平台。在GPRS中使用如图1.3.1所示的传输平面。 传输平面具体包括： GPRS隧道协议( GTP)：该协议在GPRS骨干网内部的GPRS支持节点采用隧道方式传输用户数据和信令，GTP对信令消息和用户数据N-PDU添加GTP协议头，封装成G-PDU之后，在SGSN和GGSN之间传送。 传输可靠数据链路的协议和传输不可靠数据链路的协议。TCP提供流量控制、对损失和被破坏的GTP分组数据单元的保护。UDP提供对被破坏的GTP分组数据单元的保护。IP：GPRS骨干网协议，用于用户数据和控制信令的路由选择。子网汇聚协议(SNDCP)：它能实现对外部网络数据单元的透明传输。SNDCP还有一个数据压缩功能以提高信道效率。SNDCP有acknowledged和unacknowledged两种数据传递方式。在unacknowledged方式下，发端N-PDU在被传递给LLC层之后立即删除;收端SNDCP实体负责检出丢失的SN-PDU，如有可能，还负责丢弃重复的SN-PDU，将SN_ PDU进行重组、解压缩，重新构成N_ PDU后递交给SNDCP的用户。在acknowledged方式下，SN-PDU实体将缓存N-PDU，直到组成该N-PDU的所有SN-PDU被正确接收。 逻辑链路控制(LLC)：该层负责提供加密的高可靠性逻辑链路。 中继(relay)：在基站子系统，该功能在Um和Gb接口中继LLC分组数据单元。在SGSN中该功能在Gb和Gn接口之间中继符合PDP分组数据单元。 基站子系统GPRS协议(BSSGP)：这一层在BSS和SGSN之间传递与路由、Qos有关的信息。BSSGP并不执行差错纠正。 网络业务(NS)：这一层传输BSSGP协议数据单元，它建立在BSS和SGSN之间帧中继连接的基础之上，可以穿越帧中继交换节点网络。 RLC/MAC：这一层包含两个功能，一是无线链路控制功能，RLC负责LL-PDU的拆装和重组，并提供可靠的无线链路；二是媒质接入控制功能，MAC控制无线信道的接入信令过程，请求和允许以及将LLC帧映射成GSM物理信道。 GSM RF：空中无线接口。在发送方，它对上层的RLC/MAC block进行数据编码、交织、经波形调制后以突发Burst)的结构发送出去;接收方则进行相反的过程，即波形解调、解交织、实现差错检测和校正的解码。 图 1.3.1 GPRS协议结构Um接口Um接口的物理层沿用原GSM的物理链路和射频结构。Um接口的数据链路层由LLC(逻辑链路控制)和RLC(无线链路控制)、MAC(媒体接入控制)3个子层组成。 MAC子层允许多个MS共享一个公共的传输媒体，该媒体可能由几个物理信道组成。对于MS发起的接入，MAC对同时试图占用相同的传输媒体的多个MS发生的冲突进行裁决；对终止于MS的接入，MAC进行排队和调度。 MAC子层也可以让一个MS同时使用多个物理信道(TDMA帧的多个时隙)。正是由于这一点，才使GPRS的传输带宽得以成倍增加。 RLC子层完成LLC PDU的分段与重组，及其确保传送(对没有正确传送的PDU进行选择性重发)与非确保传送。 LLC子层通过不同的SAPI(业务接入点标识符)向多个相邻上层实体(如SNDCP)提供服务，完成1个或多个逻辑链路连接，在每个逻辑链路上进行PDU的按序发送、差错检测和纠正、流量控制等功能，与LAPD (D信道链路接入程序)原理相似。另外还具有加密功能。 Um接口的网络层指IP, X.25等网络层协议。由于分组网络的多样性，不同网络层协议使用LLC服务的方式必然不同，为了屏蔽具体的网络层协议对数据链路层的影响，定义了SNDCP(子网相关会聚协议)子层，将网络层协议映射到LLC层(通过不同的NSAPI向不同的网络层协议提供服务)，并提供压缩、复用功能，使下层协议不因GPRS连接不同的分组网而修改。Gb接口 包括2层，L1bis为物理层;L2包括NS(网络服务)子层和BSSGP(基站系统GPRS协议)子层。NS子层通过帧中继(FR)的虚连接(VC)在BSS和SGSN之间按序传送BSSGP PDU，并提供网络拥塞指示和恢复功能。NS包括子网服务(如FR)和网络服务控制两个实体，其中前者与Gb接口的传送网络有关，而后者则独立于具体子网。BSSGP在 BSS与SGSN之间通过BSSGP虚连接传送与选路及QOS相关的信息。此外，BSS节点中的中继(Relay)在RLC/MAC与BSSGP之间提供缓存和参数映射。Gn/Gp接口 Gn/Gp接口通过GTP协议( GPRS隧道协议)传送分组数据，需可靠传送的数据通过TCP承载，否则由UDP承载。此外，SGSN中的Relay完成SNDCP协议与GTP协议的映射。Gi接口Gi接口所采用的协议应与具体外部PDN(分组数据网)保持一致。如果PDN为X.25网，则Gi接口应支持X.25协议;如果PDN为IP网，则Gi接口应支持IP协议。1.4 GPRS的数据传输在移动管理上下文和PDP上下文建立之后，就可以在移动台和外部数据网络之间传输数据了。移动台和外部数据网络之间传输的数据为PDP协议数据单元(PDU), PDP PDU在移动台和GGSN之间传输时，是以N-PDU的形式传输的，每个N-PDU最大为1500字节。如果比1500字节小，可以正常传输，如果比1500字节长，则传输时必须将其分段，如果不支持分段功能，就只能将其丢弃。GGSN和SGSN之间，PDP PDU经过封装后，利用隧道协议传输，GTP PDU头中有GSN的地址，便于寻址。GTP PDU的头部还包括隧道标示，用于唯一地标示一个PDP上下文。SGSN之间，PDP PDU利用SDNCP协议传输，在这里PDP上下文通过临时逻辑链路标示(TLLI)和网络层接入点标示(NASPI)来唯一标示。如图1.4.1所示： 图1.4.1 用户数据传输过程GPRS支持外部网络与移动台之间的透明传输，在数据传输时，在移动台、SGSN，GGSN中把数据包封装起来，根据移动台、SGSN、GGSN中的PDP Context选择路由传输数据包。GPRS骨干网内GSN之间的封装协议与SGSN与移动台之间的封装协议完全不同。GPRS骨干网内GSN利用GPRS隧道协议对IP或X. 25分组进行封装，然后将GTP协议数据单元插入TCP PDU或UDP PDU中，而TCP PDU或UDP PDU又是封装在I P PDU中进行传输。在IP和GTP PDU头部分别包含GSN地址的隧道端点标识符(TID)，用它们来唯一地确定GSN地址和PDP Context，从而正确地将数据包传输到目的地。也就是说，GGSN和SGSN之间通过IP地址选路，利用GTP协议对数据封装。在GSN内部，根据TID区分不同的数据流。在SGSN和移动台之间传输数据包，PDP PDU被封装在SNDCP协议数据单元中传输，利用临时逻辑链路标识(TLLI)和网络服务访问点标识符(NSAPI)唯一确定PDP Context。在数据传输过程中，GGSN和SGSN保存接收到的PDU直至这些PDU被发送到下一个结点或者超时丢弃。此外，GGSN和SGSN还分别把从SNDCP和Gi接口收到的PDP PDU加上相应的序列号。在把PDP PDU传送到SNDCP之前SGSN还可能对PDP PDU重新排序，GGSN则可能把PDP PDU传送到Gi接口之前对PDP PDU重新排序。为了支持GPRS用户漫游，SGSN并不关心隧道中传输的PDP类型，可以传输SGSN并不支持的PDP类型的数据包。网络层的用户应用数据在GPRS传输平台上的数据封装流程如下图1.4.2所示。接下来详细描述一下PDU数据在Um接口的传输过程。 从N-PDU到SN-PDU外部数据网络协议数据单元N-PDU在GPRS网络内部的透明传输的功能是由SNDCP完成的，具有不同到达地址(PDP地址)的某种类型的多个N-PDU，既可以按地址动态分配不同的NSAPIS网络服务接入点)，也可以按PDP类型都被分配使用同一个NSAPI，每个NSAPI的N-PDU发送序列号独立编制，一个N-PDU可能会被拆装成几个SN PDU，利用LLC层的服务传送出去。从SN-PDU到LL-PDU 图1.4.2 数据封装流程LLC层通过不同的服务访问节点(SAPI)为Layer 3提供服务。这里为用户数据(SN-PDU)提供服务的SAPI有四种，分别具有不同的LLC控制参数，可以满足不同Qos的数据应用。LLC将来自不同的SAPI(服务接入点)的高层数据单元封装成LL-PDU，以Acknowledged mode或Unacknowledged mode方式发送出去。数据逻辑链路建立后，发送端就可以开始发送LL-PDU了。发端在送出一个LL-PDU的同时开启一个LLCtimerT200, T200计时满，如果发端还未收到接收方法来的肯定确认，则表明该次LL-PDU传送失败;发端将在此重发该LL-PDU，重传次数不能超过预先设定的最大重传次数N200。经过N200次发送后，如果该LL-PDU仍未发送成功，则表示链路失败。1.5 GPRS的移动性管理(1) GPRS的移动性管理 移动性管理(GMM)是无线网络的重要环节，它的功能是实现对移动终端的位置管理，能够将MS的当前位置报告给网络。移动性管理是GPRS会话管理(SM)的基础。要执行会话管理，首先需要执行移动性管理。 GPRS移动管理和现有GSM系统移动管理非常相似，都是用于跟踪一个移动台在PLMN网内的当前位置。不同的是，GPRS引用了一个新的和位置有关的概念：路由区域(RA)。路由区域由一个或多个小区(cell)组成，路由区域的范围不能比定位区域(LA)大，也就是说，路由区域包含在定位区域，最大可以和其所在的定位区域一样大。路由区域可以被认为是一个IP子网。 下面将分析移动台如何向GPRS网络注册及外部分组数据网(PDN)如何知道移动台的存在，接着分析数据分组如何在移动台与外部网之间选路及网络如何跟踪移动用户。 移动管理状态GPRS定义了三种移动管理状态:IDLE, STANDBY, READY。某个时刻，MS总处于其中一种状态下，如下图1.5.1所示：: 图1.5.1 移动管理状态转移模型 当移动台还未开机或者没有进行GPRS连接(Attach)时，处于IDLE状态;当移动台正在进行数据传输时，处于READY状态；移动台已完成GPRS连接，但是没有传输数据时，处于STANDBY状态。三种移动管理状态之间的相互转移依赖于事件激活或者超时，当移动台处于STANDBY状态时，SGSN知道移动台所在的路由区域；当移动台处于READY状态时，SGSN知道移动台所在的小区(cell) 。 1IDLE状态 当用户的手机处于关机状态时，它处于IDLE状态，网络移动台此时所在的位置一无所知。用户开机以后，移动台所做的第一件事是执行Attach连接，完成以后，移动台处于READY状态。此时，移动台可以收发端消息:如果网络中实现了VLR和SGSN之间的接口，用户还可以通过SGSN接收电路交换业务的寻呼消息;但是这时用户还不可以上网浏览，也不能从外部网络收发数据包，因为此时用户和外部网络之间还没有可用的PDP上下文，移动台尚未建立与外部数据网络的连接。 2 READY状态 GPRS Attach过程已经执行过了，移动台和SGSN之间的移动管理上下文也己经建立，网络知道此时移动台在哪个小区中(定位精确到小区)。移动台可以接收和发送数据，如果移动台要向外部IP网络发送数据，还需要激活一个PDP上下文。SGSN无需进行寻呼就可以随时向移动台传送数据，移动台也可以随时向SGSN发送数据。 移动台可以“激活”或者“去激活”PDP上下文。在READY状态下，移动台只有在发送或接收数据时才占用无线资源，移动台采用非连续的传输方式。用户进入READY状态之后，启动一个定时器，当该定时器超时时，移动台从READY转移到STANDBY状态。3 STANDBY状态 移动管理上下文已经建立(即己经执行了GPRS连接过程)，网络知道此时在哪个路由区域(定位精确到路由区域)。一旦移动台发送数据或接收数据，移动管理状态就转移到READY状态。移动台可以通过SGSN接收电路交换服务的寻呼信息。此时还不能进行数据传输(一旦进行数据传输，就不是STANDBY状态，而是READY状态了)。 STANDY状态中有一个移动台可达定时器，从移动台进入STANDY状态起，该定时器开始计时，如果定时器超时，网络就可以执行“去连接”过程，移动台进入IDLE状态，移动管理上下文被删除。 Attach过程 任何用户要获取GPRS网络提供的服务，首先就必须让网络端知道这个用户的存在，也就是用户必须向网络中的SGSN注册。网络验证用户是否被授权，将HLR中的用户注册信息拷贝到SGSN中，并为用户分配一个分组临时移动用户标识(P-TMS I ),该过程叫做GPRS Attach过程。 如果用户同时使用电路交换业务和分组交换业务，可执行组合GPRS/IMSI Attach过程。图1.5.2显示了Attach过程。Attach过程因移动台的状态的不同可分为几种情况： 1移动台首次激活attach。移动台首先向SGSN提出attach请求，SGSN从归属位置寄存器取得所需的验证和加密参数，对移动台进行验证并对数据的加密方式进行初始化，同时还进行设备校验。然后SGSN向HLR发送“update location”消息，消息中包含SGSN地址及IMSI。接着HLR向SGSN发送包含用户注册信息的“Insert Subscriber Data”消息，通知SGSN为此移动台建立MM Context. SGSN验证该RA是否允许移动台Attach，如果允许，则为移动台建立MM Context(如IMSI, P-MSI, 路由区(RA), SGSN地址等)，并向HLR发送应答消息“Insert Subscriber Data Ack”。否则发回“拒绝”消息。HLR收到应答消息后，为移动台建立MM Context(如IMSI, MSISDN, SGSN地址等)，随后向SGSN发送“Update Location Ack”消息。上述一系列过程称为路由区域(RA)更新过程(RA: Route Area由区域操作员定义的一组小区，包含于LA内)。 2移动台去激活GPRS，为移动台提供服务的SGSN发生改变。在这种情况下， SGSN收到请求后，可能会忽略安全和设备校验。路由更新过程中，除了建立移动管理环境，HLR还通知原来的SGSN删除关于移动台的路由信息。3 移动台同时激活GPRS服务和GSM服务。在类似上面情况的过程之后，还要执行位置区域（LA）更新过程。经过这一过程，移动台和SGSN之间就建立了逻辑链路控制环境，其中包括临时逻辑链路标识(TLLI)。这时，移动台就可以与SGSN协商数据分组的路由环境(PDP Context)。 图1.5.2 GPRS ”ATTACH” 过程去连接Detach过程 如果GPRS用户希望结束一个连接，则启动GPRS“去连接”过程，GPRS“去连接”过程将移动管理状态置为IDLE，同时删除SGSN和移动台中的移动管理上下文。当ATANDBY状态的定时器超时，也会隐式执行GPRS“去连接”过程。（2）GPRS的会话管理GPRS会话管理是指GPRS移动台和外部数据网之间的连接控制管理。PDP上下文有两种状态：ACTIVE和INAVTIVE，它们之间的相互转换关系如图1.5.3所示： 图1.5.3 PDP上下文状态激活成功注册到GPRS网络后，为了与外部网络交换数据分组，移动台需要申请一个或多个PDN地址(如果PDN为IP网络，则为IP地址)，该地址成为PDP地址，每一次会话都要建立PDP Context，用来描述会话特性。PDP Context中包括PDP类型(例如IPV4)，分配给移动台的PDP地址(例如2)，请求的QOS，及其为访问外部数据网提供接口的GGSN的地址等。PDP Context分别保存在移动台、SGSN及GGSN中。当PDP Context处于激活状态，移动台对外部网络来讲是可见的，此时移动台能接收和发送数据分组。GGSN将PDP和IMSI两种地址作映射，从而使GGSN可在移动台和外部数据网之间转发数据分组。 PDP地址有静态分配和动态分配两种方法。静态地址是由用户本地PLMN网络管理员分配，而动态地址是在激活PDP Context时，由用户本地PLMN网络管理员或访问网络管理员负责分配。动态地址的分配，PDP Context激活及去激活均由GGSN负责。本地网络管理员决定移动台最终使用哪一种地址。PDP Context的建立过程如图1.5.4所示： 图1.5.4 PDP上下文激活过程移动台向网络发送“ACTIVATE PDP Context Request”消息，通知SGSN移动台要建立PDP Context。如果要求分配动态PDP地址，则将消息中的PDP地址域保留为空。随后执行通常的安全验证功能。如果允许移动台接入，SGSN则向相应的GGSN发送“Create PDP Context Request”消息，收到消息后，GGSN在其内部创建PDP Context, GGSN就是利用此中的信息为外部网络和SGSN之间的数据分组传输提供路由功能。随后GGSN向SGSN发送“Create PDP Context Response”应答消息。如果用户要求分配动态PDP地址，则在此消息中包含新分配的PDP地址。GGSN更新其内部的PDP Context并向移动台发送应答消息。1.6 GPRS的功能和业务目前GPRS只提供有QoS(服务质量)机制的点到点(PTP)业务。GPRS支持基于标准数据协议的应用以及与IP, X.25等数据网络的互联，可为两个移动用户之间、移动用户与外部PDN(分组数据网)终端之间提供数据传送能力。因而可以为终端用户提供诸如WWW浏览、Email信箱等服务。 此外，GPRS业务可以与原来GSM的电路交换业务并存，将一部分信道用于GSM的电路交换业务，另一部分用于GPRS业务(GPRS的信道带宽在通信过程中还可动态调整)。与此相对应，MS终端也有3种类型:A类终端(同时提供电路交换和分组交换功能)、B类终端(交替提供电路交换和分组交换功能)、C类终端(纯电路交换终端或纯分组交换终端)。 对原来GSM支持的点到点短消息服务(SMS), GPRS同样支持，且比GSM的功能更强 (如最长消息长度比GSM要大)，称为增强的SMS (E-SMS) 。GPRS网主要为用户提供突发性数据业务，特别适合于频繁小数据量的应用和非频繁传送大量数据，能快速建立链接，无建链时延，其业务主要具有以下特点：(1)GPRS能以可变的比特率提供数据连接，且具有较高的带宽效率。GPRS提供的速率取决于所采用的编码方案。由于能在一个频率上提供全部8个业务信道，其最大数据吞吐量可高达171kb / s;(2 )GPRS主要采用分组交换技术，特别适合于不连续的、突发性的或频繁的、少量数据传送，也适用于偶尔的大数据传送;(3 )GPRS用户的呼叫建立时间大为缩短，且任何呼叫只须建立一次。与电路交方式相比，GPRS重新接入的延迟很短，提高了网络资源的利用效率;(4) 同现有的GSM电路交换方式相比，GPRS的分组交换方式大大降低了每比特成本，业务费率更低廉;(5)GPRS用户可以保持与数据网络的连接，不必在每次想发数据时都进行拨号连接，其费用只须按数据传送量支付;(6)GPRS可以提供灵活的计费方式。如按数据流量、按连接时长或按月租等方式计费;(7 )GPRS能够和GSM共存于同一网络中提供话音和数据业务，最大限度地扩展了GSM业务，为广泛的数据业务提供支持。1.7 GPRS的技术优势（1）资源利用率高 GPRS首先在GSM网络中引入了分组交换传输模式，使原来采用电路交换模式的GSM传输数据方式发生了根本性的变化。对于电路交换模式，在整个连接期间，用户无论是否传送数据都将独自占有无线信道，在会话期间，许多应用往往有不少空闲时段，如上Internet浏览，收发E-mail等。对于分组交换模式，用户只有在发送或接收数据期间才占用资源，这意味着多个用户可高效率地共享同一无线信道，从而提高了资源的利用率。GPRS用户的计费以通信的数据量为主要依据，GPRS用户可能连接的时间长达数小时，却只需支付相对低廉的连接费用。（2）传输速率高通过同时使用8个时隙,GPRS理论上可获得的最大数据传输速率为171. 2kbit/s,这是当前固定电信网络速度(56. 2kbit/s)的3倍，GSM网络中电路数据交换业务速度(CSD, 9. 6kbit/s)的10倍。这意味着在数年内，通过便携式电脑，GPRS用户能以与ISDN用户一样快的速度上网浏览，同时也使一些对速率敏感的移动多媒体应用成为可能。（3）接入时间短分组交换接入时间缩短，少于1秒。在首次建立连接后，可以在其有效覆盖范围内实现即时收发数据，一旦有需求就可以立即发送或接收信息，不需要再拨号建立连接，可大幅度提高一些事务(如信用卡核对、远程监控等)的效率，并可使已有的Internet应用(如E-mail、网页浏览等)操作更加便捷、流畅。（4）支持IP协议和X. 25协议，推动移动和数据网络的融合GPRS支持Internet上应用最广泛的IP协议和X. 25协议。越来越多的公司将Internet作为职员访问公司Intranet的媒介，因此支持IP协议显得尤为重要。由于存在大量的分组数据网(PDN)，支持X. 25协议可使己存在的X. 25应用能在GSM网络上继续使用。由于GSM网络覆盖面广，所以它能提供Internet和其它分组网络的全球性无线接入。GPRS加强了移动和数据网络的融合 。 终端设计2.1 终端构成当前，绝大多数基于GPRS网络应用系统所使用的GPRS模块为法国Wavecom公司的wismo系列和德国Siemens公司的S系列等。这些GPRS模块都通过RS232接口和外部进行数据传输，且支持多种传输速率。例如:MC35是Siemens公司生产的GPRS调制解调器，它提供RS232数据口，用AT指令进行控制。MC35的主要特征如下：支持语音、数据传输、短消息、传真业务；三种语音编码方式(FR/EFR/HR)；四种数据传输模式CS-1,CS-2, CS-3, CS-4下行速率最大为85. 6Kbit/s,上传速率最大为21. 4Kbit/s；提供RS232全双工数据口；使用AT指令进行控制。但这些模块都有一个缺点，那就是不支持TCP/IP协议，也就是在其内部传输的数据必须符合TCP/IP协议的要求，这就为GPRS模块的使用造成了一些障碍。现在，一些公司为了适应市场要求，也制造了一些协议转换模块，功能仅限于数据透明的传输，保证数据的完整性；但在以后的维护中却增加了一些麻烦，并且一些内部的结构是不能公开的，当用户升级或增加新的功能时，就不得不增加费用。现在，有几种方式可以实现协议转换的功能。其中可以使用Dragonball, ARM这种高级一些的微处理器，配合uClinux等类Linux的嵌入式操作系统，则可以较容易地实现TCP/IP协议。这种解决方法比较适合系统应用范围小且性能要求比较高的场合，但成本较高。当然，也可以使用x86体系的CPU和主板，这样编写软件会更方便。通过地址锁存器外接RAM和ROM分别作为程序存储器和数据存储器，由软件编程分层实现TCP/IP协议;但为了节省成本，在功能比较单一的情况下，可以考虑使用单片机实现IP协议，这时可以使用u C/OSII或RTX51等简单的操作系统，以降低难度。如果操作系统占用大量的存储资源，又想进一步节省成本，可以不使用操作系统，而用编程直接实现部分IP协议栈。本系统数据采集终端采用 ADS7815+ X86CPUMC35的方式。这种方式的优点是软件编写会很方便，价格介于使用Dragonball、ARM这种高级一些的微处理器和使用单片机之间，终端原理框图如下： 图2.1.1 终端系统原理图2.2数据终端(GPRS DTU)的接入目前，GPRS网络用户可以选择CMNET和APN两个网络接入。CMNET通常用于公众用户接入Internet, APN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，适用于电力行业用户，并且AP N用户可以申请固定IP地址。2.3 TCP/ IP协议分析TCP/IP协议结构如下表所示： 将TCP/IP协议应用到嵌入式系统是实现与远程数据终端进行数据通信的关键。在嵌入式系统中应用TCP/IP协议是为了完成数据采集和数据传输，而不是网页浏览、文件传输功能，因此系统设计时不需要实现所有的TCP/IP协议，只需要实现IP协议、ARP协议和UDP协议。 TCP/IP由多层协议堆叠而成。在TCP/IP协议堆叠中，协议间的交谈只发生在同一层的相同协议之间。实际的数据流动则是由源层依序传至最底层，之后通过传输介质送抵对方的最底层，再依序至目标层。每一层将数据传至下一层之前会先于其数据区块的前端附加一称作表头(header)的控制信息，此表头记录了该数据块相对于该层的特性及信息。每一层会将上一层传来的数据和表头一同视为上层的数据，并附加该层的表头之后再送至下一层。这个过程称之为数据封装(encapsulation)。当数据送抵对方时也会发生解封装(decapsulation)动作，即每一层从下一层收到数据之后，先剥去该层的表头，之后再将剩余的部分送至上一层。嵌入式系统不仅要对接收到的数据进行解封装、分析，还要能将需要发送到Ethernet上的响应数据封装打包，因此必须熟悉各种协议数据报文格式。Ethernet数据帧格式 Ethernet帧的长度是可变的，但都大于64字节，小于1518字节，它包括头部、数据和尾部三部分。8字节的前导用于帧同步，CRC域用于帧校验。目的地址和源地址是指网卡的物理地址(MAC地址)，具有唯一性。互联网络协议(IP ) IP是互联网络协议(Internet Protocol)的简称。IP协议定义了一种高效、不可靠和无连接的传输方式，它提供尽力发送(best effort)服务，把数据从源端发送到目的端。IP报文是IP协议的基本处理单元。传输层的数据交给IP协议后，IP协议要在前面加上一个IP报文头，用于控制IP协议对数据的转发和处理等。IP报文是由报头(控制部分)和数据部分组成。IP报文包括20字节的固定部分和变长的选项部分。20个字节的固定部分包括IP协议的版本号、IP报文长度、服务类型、报文总长度、标识符、片位移、报文生存时间、头部校验以及源端IP地址和目的端IP地址。地址解析协议(ARP) 在Ethernet上运行的IP协议，把需要发送的数据封装后，要交给数据链路层发送。Ethernet上使用6字节的MAC地址，每一个网卡上使用的MAC地址是由网卡的生产厂商设置的，和该接口上的IP地址没有对应的关系。IP层协议只知道要发送的下一站主机和路由器的IP地址，那么链路层如何决定下一站主机的MAC地址呢?在Ethernet上，使用地址解析协议ARP协议来实现IP地址到MAC地址的动态转换。值得注意的是，ARP不是IP协议的一部分，它不包括IP头，而是直接放在Ethernet数据帧的数据部分。并且，在Ethernet中定义了一种新的类型来标志ARP包。ARP Request(ARP请求)和ARP Response (ARP响应)类型都是0X0806。 ARP报文格式包括硬件类型、协议类型、头长度、协议地址长度、操作、源端物理地址、源端协议地址、目的物理地址和目的协议地址。用户数据报协议(UDP) 传输控制协议TCP和用户数据报协议UDP都是传输层协议。TCP协议提供面向连接的、端到端的可靠服务。在嵌入式系统中，不建立端到端的连接，只是将数据报送上网络，或者从网上接收数据报。而UDP协议提供无连接服务，它不对要发送的数据进行缓冲，直接把从应用层收到的数据加上UDP头发送出去，能够保留各个消息之间的边界，并且UDP不会把应用层多次发送的数据合并成为一个包发送出去。这对于编写简单的请求/响应模式的应用是很方便的，而且利用UDP协议对传输速率也没有太大的影响。故选择UDP协议为应用进程提供数据传输服务。UDP协议的数据报格式包括源端口、目的端口、消息长度、校验和。2.4 A/D转换器的选择每一种A/D转换器生产厂家都给我们提供了产品性能指标，包括静态特性、动态特性和接口特性选择A/D转换器的一般考虑输入模拟信号的性质与A/D转换器的选择和使用关系最为复杂。对于缓慢变化的含有常模噪声的信号，应优先选用双斜式A/D转换器。对采样信号最宜使用逐次逼近式A/D转换器。如果信号源是高内阻的，则所选A/D转换器应有很高的输人阻抗，否则，由于信源内阻的分压作用，将降低输入信号的精度，转换精度也就无法保证。通常应选用那些包含输入放大器的A /D转换器或在A/D转换器之前另外设置信号放大器，以提供低阻信号输出。若信号迭加在一个共模电压上，就应先用差动放大器进行预处理，对共模电压充分抑制后再进行A/D转换。若要求很高的共模抑制比，则应使用仪用放大器。对共模电压充分抑制后再进行A/D转换。如果输入模拟信号的变化范围与A/D转换器标准的输入范围不吻合，为充分发挥A/D转换器的分辨率，应对输入信号进行放大或偏移处理。如输入信号动态范围很宽，而要求在整个范围取得相同的转换精度，则需先对输入信号进行对数压缩，再进行通常的(线性)A/D转换，或直接用对数式A/D转换器。A/D转换器输出接口特性也是选择时应该考虑的一个重要因素。当需要A/D转换器与微处理器接口时，应优先选择与所用的微处理器兼容的A/D转换器。速度与分辨率的关系目前的高速A/D最初是按速度和分辨率进行分类的。转换器的速度是指A/D能够进行转换的取样速率或每秒的取样数量。对于高速A/D来说，速度以百万取样每秒MPS)为计量单位。分辨率是指转换器能够复制的位数精度，分辨率越高，则结果越精确。分辨率以位来计量。目前市场上的高速A/D的分辨率为816位，速度为2 4Gsps。速度和分辨率始终是一对矛盾。分辨率的增加通常会导致可实现速度的降低。误差参数一旦确定了合适的速度/分辨率组合，设计师仍然能够从市场上的几百种A/D中选出最合适的一个。对终端应用更为深入的了解将揭示对附加性能的要求。用于评定A/D的最常用性能参数如下 信噪比(SNR) 信号与噪声加失真之和之比 (S INAD) 无寄生动态范围(SFDD 差分线性误差(DNL或DLE) 积分线性误差(INL或I LID 有效位数(ENOB) 增益误差 功耗ADS7815采用CMOS工艺制造，最高采样率为250KHZ;输入信号范围：/-2.5v;电源电压：5v;典型功耗：200mw(最大250mw);工作温度：2585;封装形式：28脚表面安装，非常适合于体积小、功耗低的数据采集系统。2.5 嵌入式芯片及系统2.5.1 什么是嵌入式系统嵌入式系统被定义为:以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。嵌入式计算机在应用数量上远远超过了各种通用计算机，一台通用计算机的外部设备中就包含了510个嵌入式微处理器，键盘、鼠标、软驱、硬盘、显示卡、显示器、网卡、Modem、声卡、打印机、扫描仪、数字相机、USB集线器等均是由嵌入式处理器控制的。在制造工业、过程控制、通讯、仪器、仪