基于GPRS的无线数据采集系统设计

第 1 页 共 56 页 1 1 绪论绪论 目前 我国在水利 电力和天然气等资源的监测中还没有经济实用的自动化数据 采集和传输设备 大部分地方仍然通过人工方式进行数据采集和分析 这种传统方式 既耗费大量的人力物力 又无法避免手工抄写和计算带来的差错 对数据的处理分析 滞后 不能及时发现问题 解决问题 而在对偏远的乡村 山区以及其他恶劣环境下 的数据采集和传输更是十分困难 不能满足工业现代化 自动化的要求 由于上述资 源的监测点在地理位置上分布很广 现有的一些数据传输方法如利用电话线 电力载 波等就存在着诸多的问题 如覆盖范围小 线路维护量大 电力载波上噪声污染导致 通信不可靠等 随着无线通信数字网络的发展 采用 GSM 和 GPRS 无线通信网作为通 信方式为上述问题提供了一个新的解决方案 本文介绍的就是一个采用 GPRS 通信模块利用短消息方式实现远程数据采集的系 统 它可以用于多种遥测系统 完成远端环境 资源信息等数据的采集 1 11 1 系统开发背景系统开发背景 1 1 1 移动通信的飞速发展 在全球数字化浪潮的推动下 CDPT 欧洲邮电管理部门 于 1982 年成立一个 GSM 移动特别小组 开始制定适用于欧洲各国的一种数字移动通信系统的技术规范 经过六年的研究 实践与比较 于 1988 年确定了主要技术规范并指定出实施计划 采 用 TDMA 多址方式的数字通信系统 大大提高了频率利用率 在 1990 年 GSM 开始在 德国 法国 英国和北欧许多国家投入商用运用 而我国于 90 年代中期引入 GSM 技术 1 随着移动通信技术 互连网技术和计算机技术的飞速发展 移动通信已经不在局 限于单纯的话音通信 把移动和 IP 结合起来已经成为不可阻挡的趋势 于是提出了第 三代移动通信系统的概念 其核心是宽带 高速率 多媒体 静止状态下数据速率可 以达到 2Mbps 并且移动通信和因特网在移动环境下提供服务是其主要业务特征 它 将使人们的生活方式发生巨大变化 生活的自由度将会空前增加 现有的第二代移动通信系统到目前为止已经相当成熟 在 1999 年末 我国已经有 移动用户 4000 多万 890 万互联网用户 用户需求带动着网络的发展 运营商在不断 扩展满足需要的同时 也不得不考虑向第三代过渡的问题 同时第三代网络也必须做 到与至少一种第二代网络兼容 于是对现有的第二代移动通信系统进行升级改造 增 第 2 页 共 56 页 加各种新业务 开展数据业务 以变向第三代平滑过渡 例如 GSM 网络上增加一些软 硬件设备 实现 GPRS WAP 等新业务 为用户提供越来越高的数据传输速率 这就 是所谓的 2 5 代技术 也就是二代产品向三代的平滑过渡所采用的一种过渡技术 2 5 代技术中比较有代表的 GPRS 通用分组交换业务 使用户能在端到端分组传输模式下 发送和接受数据 在 GSM 由窄带向宽带演进过程中起到桥梁作用 1 1 2 无线数据采集的发展和优势 在工业控制现场 常常需要采集大量的现场数据 如电压 电流 温度 湿度 气压等 并将这些数据采集模块采集的数据传输到主机进行处理 由主机根据处理的 结果 将控制信号传输给现场执行模块进行各种操作 目前数据的传输基本是基于有 线的网络 如 RS485 CAN 等 这些有线的网络一般具有成本比较高 维护不方便等 缺点 而无线传输相对具有一定的优势 如蓝牙技术的出现和发展极大的推动和扩大 了无线通信的的应用范围 是网络中各种数据和语言设备可以通过极其便携的方式实 现互通互连 实现了个人区域内快速灵活的数据和语音通信 这些无线的网络一般具 有成本低 可靠性高 维护方便等优势 2 采用有线方式 租用静态 IP 目前费用较高约 800 1500 元 月 采用 GPRS 无线方 式 系统流量费用目前有包月制和数据量两种收费方式 按流量计算 0 03 元 K 而包 月制 20 元 月有 1024kByte 流量 可满足目前大多部门的数据采集系统的实际数据量 估计日后费用会逐步降低 无线数据采集与传输的应用范围非常广 涉及行业有电力 水利 公安 交通 石油 安防 金融 环保等 3 中国移动公司在 2002 年 5 月正式开通了通用分组无线 业务 GPRS 网络 GPRS 网络支持 TCP IP 协议并且覆盖面广 比起使用短消息和超 短波无线数传电台进行无线数据传输 GPRS 无论在费用 可靠性和可实施性等方面都 具有很大的优势 3 1 21 2 GPRS业务与业务与GSM短消息业务的概述短消息业务的概述 1 2 1 GPRS 技术的简述 GPRS General Packet Radio Service 是通用分组无线业务的简称 该技术建立 在 GSM 网络的基础上 被称为 2 5 代移动通信技术 它将无线通信与 Internet 紧密结合 GPRS 作为一种先进的 全新的无线网络承载手段 具有独特优势 GPRS 引入分组交 第 3 页 共 56 页 换的传输方式 使用者只有在发送或接收数据期间才占用资源 按实际通信的数据流量 为计费标准 是一种面向使用的计费 计费方式更加科学合理 大幅降低使用成本 GPRS 可提供 115Kbit s 传输速率 最高值为 171 2Kbit s 明显高于其它方式 GPRS 提供快速及时的联接 接入时间小于 1S 大幅提高数据收集及监控效率 而且激 活 GPRS 应用后 将永远保持在线 类似于一种无线专线网络 用户只在发送信息时才申 请无线资源 其他时间保持激活状态 发送信息的时候无需重新连接 IP 数据包通过分 组交换技术被分成若干片段 通过不同的路由以存储转发的方式传送到目的端 再组成 完整的数据 根据移动的网络状况 每数据包传输时间在 1S 左右 并可连续发送 从而 保证实时传输的可靠性 GPRS 支持 Internet 上最广泛使用的 IP 协议和 X 25 协议 提 供了一个完备的基于 TCP IP 协议的通讯解决方案 能提供 Internet 和其它网络的随时 随地全球性无线接入 真正实现移动办公 GPRS 作为一种高速 高效 经济的无线系统 具有网络覆盖范围广 数据带宽宽 适应性强 计价按数据流量计算 实时在线的优点 特别适用于间断的 突发性的或频 繁的 少量的数据传输 也适用于偶尔的大量数据传输 完全满足数据采集及监控的双 向数据信息传输 随着 GPRS 技术在移动通信领域的发展 已经能够实际应用到许多需 要无线数据传输的领域 也为数据采集传输及监控提供了一种新的数据传输通讯方式 1 2 2 GSM 短消息业务的简述 GSM 网络是国内覆盖范围最广 应用最普遍的无线通信网络 4 主要利用其短消息 业务 SMS 实现上述功能 SMS 是通过 GSM 网的控制信道传输用户分组信息的一种增 值服务 经短消息业务中心完成存储和前转功能 特别适合信息量不大的业务数据 它使用 GSM 网的公共控制信道 通话期间不影响短消息的传输 短消息业务的优点是 传输速度快 单个数据传输价格便宜 不占用话音 利用这些特点 及其双向传输的 性能 可方便地实现对于采集站设备的信息采集和远程控制 实现遥控 遥测等 因此 通过 GSM 网的短消息作为一种数据传输模式 具有网络覆盖面广 用户投 资小 运营费用少的优点 对于监控采集点分散 覆盖面广 监控点不固定 实时性 要求较低的监控采集系统具有无可比拟的优势 1 2 3 GPRS 与 GSM 短消息的内在联系 GPRS 业务是否与 GSM 短消息系统相矛盾吗 回答是否定的 在 GPRS 网上使用短 第 4 页 共 56 页 消息系统 其业务持续性是有保证的 用 GPRS 作为短消息发送的载体优点甚多 GPRS 系统有助于克服短消息系统目前数据率低的缺陷 在核心网络先进信令程序的支持下 快速发送分组化短消息数据 短消息发送成功率增加 发送时间减少 由于使用同一 短消息系统 对业务本身以及对用户不会有影响 业务环境不会因网络扩展而受影响 因此 短消息系统和 GPRS 系统可互为补充 短消息系统可提供广泛服务 而且极易获 得 而 GPRS 改善了功能 在 GPRS 模块上利用短消息方式进行数据采集传输可提供短 消息系统叠加 GPRS 系统上的所有优势 1 31 3 课题设计的目的和意义课题设计的目的和意义 数据采集系统是现代测控的基础 用于获取各种现场测量数据 在计算机控制系 统或计算机信息管理系统中 需要采集各种信息并将其送入计算机内进行处理 因此 作为获取信息的重要工具 数据采集系统目前正广泛地用于生产 科研的各个领域 数据采集系统由信息转换 数据通信和信息处理三部分组成 其中数据通信系统是其 中最重要的组成部分 本文对这一部分进行讨论 随着通讯事业的发展 我国已建成了覆盖全国的 GSM 数字蜂窝移动通信网 GSM 网 络中重要发展的 GPRS 网络也已经投入使用 所以 本课题提出并设计了基于 GPRS 网 络通信的无线数据采集系统 采用 GPRS 无线通信方式 实现无线数据采集系统 使得 系统应用更灵活 并且大大降低了成本 本课题的完成对帮助解决利用先进的技术实 现监控系统 对工业测控 环境监测以及国防技术均有相当重要的价值 第 5 页 共 56 页 2 2 系统的整体方案设计系统的整体方案设计 2 12 1 系统要求与功能设计系统要求与功能设计 随着我国在水利 电力 风力等各方面的迅速发展 实行以经济手段为基础的商 业化管理模式和加强动态监视管理已迫在眉睫 传统的计量方式不能满足商业化运营 的需要 采用准确可靠 经济实用的远程数据采集和传输系统是必然趋势 本系统的构建需要满足能完成一些基本的远程数据采集和传输的要求 同时考虑 满足市场发展及经济调度的需求 具备一些开关量的输入输出控制功能和抗干扰能力 根据系统需求 系统需要提供的功能如下 采集功能 对经过传感器和变送器转变的标准电压或电流信号 进行 A D 转换 变成数字化的数据 这些数据可以通过单片机以短消息方式进行 GPRS 远程传送 短消息提交数据功能 可以定时发送或控制中心指定查询 也可为主机轮询方 式 2 22 2 系统设计原则系统设计原则 该系统本着安全 精确 可靠 先进 实用 经济 合理的原则进行设计 在设 计过程中应该把握以下系统设计原则 1 准确性 系统在数据采集 传输 存储等环节均应采取相应措施确保数据的准 确性 具体包括量测值准确 数据时标准确 量纲准确 2 可靠性 系统的数据作为计量依据 必须具有高度的连续性和完整性 万一发 生丢失也必须有弥补的手段 软件要冗余设计 通讯失败要重新进行重试 3 及时性 系统数据需要有一定的及时性 即在一个数据召唤周期内应能将所有 数据传输一次 对于各种异常情况 能在短时间内解决 4 安全性 尽可能确保数据采集和处理中数据不被修改或删除 5 开放性 尽可能提供接入通用设备的硬件 软件接口 允许用不同厂商产品互 相替代 这种替代包括整个系统和组成元件 同时 也要考虑可能的功能扩展 为系 第 6 页 共 56 页 统功能进一步完善提供便利的接口 以便进行二次开发 6 先进性 系统设计尽可能不以降低系统可靠性为代价 真正做到不仅具有当今 先进技术 采用先进的概念 技术和方法 而且具有发展潜力 7 抗干扰性 是系统设计不可缺少的一部分 它包括芯片 器件选择 去耦滤波 印刷电路板布线 通道隔离等 2 32 3 系统的整体方案系统的整体方案 无线数据采集终端由传感器 单片机 GPRS 通信模块等组成 完成环境数据的采 集 处理和传输 中心数据处理模块由 GPRS 通信模块和后台数据库组成 对远端发送 上来的数据进行分析和处理 同时 也要根据需要对远端数据采集模块发出命令 由 远端数据采集模块完成相应的动作 本文将主要阐述远程数据采集终端的实现方案 控制中心的数据库的实现比较简单 不再详述 系统体系结构框图如图 2 1 图 2 1 远程数据采集系统体系结构框图 系统采用 AT89C52 作为控制主芯片 AT89C52 为 ATMEL 推出的兼容 MCS 51 的单 片机 内置 8 字节 Flash ROM 拥有 256 字节 RAM 由于内置 ROM 因此在电路设计上可 以省去外接程序存储器 缩小了 PCB 板的面积 也提高了整个系统的可靠性 由于系统 处理的是短消息字符串 片内 256 字节的 RAM 远远不够用来处理大量的字符串数据 因 此在片外连接了一块静态存储器 6264 拥有 8K 字节容量 就可以满足系统的要求 至于模数转换电路 A D 转换模块是最关键的 一般来说 A D 模块品质的好坏 直接决定了测量单元品质的优劣 对 A D 转换器的选择遵循以下原则 1 根据前向通道的总误差 选择 A D 转换器精度及分辨率 2 根据信号对象的变化率及转换精度 确定 A D 转换速度 保证系统的实时性要 求 3 根据环境条件选择 A D 转换芯片的一些环境参数要求 如工作温度 可靠性等 级 功耗等性能 第 7 页 共 56 页 4 根据计算机的接口特性 考虑如何选择 A D 转换器的输出状态 5 其他 还要考虑到成本 资源 是否是流行芯片等因素 结合上述原则 本系统模数转换电路采用 ADC0809 这块芯片来实现 A D 转换功能 为了扩充电路 系统需要加上一些外围电路 如开关量输入和输出 在其输入通 道中 为了防止外界对控制系统的干扰需要采取一些隔离措施 常用的隔离方法是采 用变压器耦合或光电耦合 变压器耦合器仅限传送交变信号 且体积和功耗大 易产 生电磁干扰 而光电耦合器能传送各种信号 还具有体积和功耗小 抗干扰性能强等 优点 所以 系统采用了光电耦合器 在其输出通道中 为了能控制大功率电器运行 一般要加一个驱动器 同时为防止现场强电磁干扰或工频电压通过输出通道反串到测 控系统 也需要采用通道隔离技术 常用的也是光电隔离技术 因为光信号的传送不 受电场 磁场的干扰 可以有效地隔离电信号 单片机与 GPRS 模块标准接口的连接是通过 RS232 接口连接 RS 232 串行接口是微 机系统中常用的接口 它以串行方式传送数据 是用于数据通信设备 DCE 和数据终 端设备 DTE 之间的串行接口总线 由于 RS232 是早期为促进公用电话网进行数据通 信而制定的标准 其逻辑电平对地是对称的而且是负逻辑 即逻辑 1 电平规定为 5V 15V 之间 逻辑 0 电平规定为 5V 15V 之间 而电子设备广泛使用的集成电 路采用 TTL Transistor Transistor Logic 晶体管 晶体管逻辑 电气标准 TT 电平 的逻辑 1 和 0 分别为 2 4V 和 0 4V 由于 RS 232 和 TTL 各自规定了自己的电 气标准 互不兼容 因此 RS 232 与 TTL 电路接口时需进行电平转换 2 42 4 系统抗干扰措施系统抗干扰措施 抗干扰设计是单片机应用系统设计的重要组成部分 没有良好的抗干扰措施 系 统就无法安全可靠的工作 当然 我们只能通过系统软件 硬件设计尽可能的减少干 扰带来的影响 而不可能完全消除干扰 本系统在抗干扰方面考虑了如下的问题 5 a 电源去耦 在电源线和地线之间并联 47uF 和 0 1uF 两个去耦电容 并联大电 容为了去除低频干扰 并联小电容为了去除高频干扰 b 加宽地线和电源线 加宽后的地线和电源线是信号线的 7 倍 c 所有芯片可靠接地 并且接地线构成环路 d 手工布置元件和布线 连线尽可能短 第 8 页 共 56 页 e 双面板两面的线条尽可能垂直交叉 f 避免来自传感器 测量信号功能模块 控制信号功能信号的干扰 模拟电路通 路通过隔离放大器进行隔离 数字电路通过光电耦合器进行隔离 g 软件设计中采用一些方法抗干扰 如软件数字滤波 去抖动 重复初始化等 本系统采用光电隔离来消除模拟量输入通道中的干扰 3 3 系统的硬件设计系统的硬件设计 3 13 1 系统结构分析与硬件框图系统结构分析与硬件框图 本系统利用 G20 模块实现在 GPRS 网络覆盖区域内的远程数据采集 G20 是 MOTOR 公司推出的 GPRS 无线双频调制解调器 主要为语音传输 短消息发送和数据业务提供 无线接口 G2O 集成了完整的射频电路和 GPRS 的基带处理器 特别适合于开发一些 GPRS 的无线应用产品 如监控 调度 车载和遥控等系统 也可以直接作为终端产品进 行语音和数据的传输 使用范围十分广泛 6 整个系统的工作过程如下 在远端的数据经过传感器 变送器等转变成标准信号 经线形光电隔离后 再通过 A D 转换 转变成数字量 而电耦合器后输入 单片机来 控制开关量输出 输出量通过反向驱动器和光耦合器开关量经光后带动大功率器件工 作 采集的数据和开关量状态通过单片机的主控程序和 GPRS 调制解调器 G20 模块 发送出去 本系统是利用短消息方式发送的 发送的指令编码在短消息中 当从机接 收到主机的短消息后 通过对短消息解码 提取控制命令 执行相应的操作 把操作结果 编码成短消息串并传回主机 主机接收从机发回来的短消息经过解码就可以得知系统的 各种状态信息 硬件结构框图如图 3 1 所示 图 3 1 基于 GPRS 无线数据采集系统结构框图 第 9 页 共 56 页 下面分别对硬件电路的各部分进行说明 3 23 2AT89C52AT89C52 单片机单片机 制造工艺为 CMOS 的 AT89C52 单片机采用的是 40 只引脚的双列直插封装 DIP 方 式 其片内的结构如图 3 2 7 所示 如果按功能划分 它由 8 个部件组成 即微处理器 CPU 数据存储器 RAM 程序存储器 E2PROM I O 口 P0 口 P1 口 P2 口 P3 口 串行口 定时器 计数器 中断系统及特殊功能寄存器 SFR 图 3 2 89C52 单片机片内结构图 一 对各功能部件作进一步的说明 7 1 数据存储器 RAM 片内为 256 个字节 单元 片外最多扩至 64K 字节 2 程序存储器 E2PROM AT89C52 单片机含有 8K 字节的快擦写可编程 擦除存 储器 E2PROM 片内最多可扩至 64K 字节 3 中断系统 具有 6 个中断源 2 级中断优先权 4 定时器 计数器 3 个 16 位的定时器 计时器 具有四种工作方式 5 串行口 1 个全双工的串行口 具有四种工作方式 6 P0 口 P1 口 P2 口 P3 口 为 4 个并行 8 位 I O 口 7 特殊功能寄存器 SFR 共有 21 个 用于对于片内各功能模块进行管理 控 制监视 实际上是一些控制寄存器和状态寄存器 是一个特殊功能的 RAM 区 8 微处理器 CPU 为 8 位的 CPU 且内含一个 1 位 CPU 微处理器 不仅可 处理字节数据 还可进行位变量的处理 二 AT89C52 芯片的主要特性 第 10 页 共 56 页 与 MCS 51 兼容 8K 字节可编程闪烁存储器 寿命 1000 写 擦循环 数据保留时间 10 年 全静态工作 0Hz 24Hz 三级程序存储器锁定 256 8 位内部 RAM 32 可编程 I O 线 三个 16 位定时器 计数器 6 个中断源 可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路 三 AT89C52 芯片的外部引脚功能 如图 3 3 图 3 3 AT89C52 引脚图 VCC 供电电压 GND 接地 P0 口 P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I O 口 每脚可吸收 8 个 TTL 门电流 P0 能够用于外部程序数据存储器 它可以被定义为数据 地址的第八位 第 11 页 共 56 页 P1 口 P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P1 口缓冲器能接收 输出 4 个 TTL 门电流 P1 口管脚写入 1 后 被内部上拉为高 可用作输入 P1 口被外部下拉为低电平时 将输出电流 这是由于内部上拉的缘故 在 FLASH 编 程和校验时 P1 口作为第八位地址接收 P2 口 P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P2 口缓冲器可接收 输 出 4 个 TTL 门电流 当 P2 口被写 1 时 其管脚被内部上拉电阻拉高 且作为 输入 并因此作为输入时 P2 口的管脚被外部拉低 将输出电流 这是由于内部 上拉的缘故 P3 口 P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I O 口 可接收输出 4 个 TTL 门电流 当 P3 口写入 1 后 它们被内部上拉为高电平 并可用作输入接口 另外 被外部拉低的 P3 口将用上拉电阻输出电流 IIL P3 口也可作为 AT89C52 的一些特殊功能口 如下所示 P3 0 RXD 串行输入口 P3 1 TXD 串行输出口 P3 2 INT0 外部中断 0 P3 3 INT1 外部中断 1 P3 4 T0 计时器 0 外部输入 P3 5 T1 计时器 1 外部输入 P3 6 WR 外部数据存储器写选通 P3 7 RD 外部数据存储器读选通 P3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号 RST 复位输入 当振荡器复位器件时 要保持 RST 脚两个机器周期的高电平时 间 ALE PROG 当访问外部存储器时 地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的 地位字节 在 FLASH 编程期间 此引脚用于输入编程脉冲 在平时 ALE 端以不变 的频率周期输出正脉冲信号 此频率为振荡器频率的 1 6 因此它可用作对外部输 出的脉冲或用于定时目的 然而要注意的是 每当用作外部数据存储器时 将跳 过一个 ALE 脉冲 如想禁止 ALE 的输出可在 SFR8EH 地址上置 0 此时 ALE 只 有在执行 MOVX MOVC 指令是 ALE 才起作用 另外 该引脚被略微拉高 如果微处 理器在外部执行状态 ALE 禁止 置位无效 PSEN 外部程序存储器的选通信号 在由外部程序存储器取指期间 每个机 器周期两次 PSEN 有效 但在访问外部数据存储器时 这两次有效的 PSEN 信号将 不出现 第 12 页 共 56 页 EA VPP 当 EA 保持低电平时 则在此期间外部程序存储器 0000H FFFFH 不管是否有内部程序存储器 注意加密方式 1 时 EA 将内部锁定为 RESET 当 EA 端保持高电平时 此间内部程序存储器 在 FLASH 编程期间 此引脚也用于施 加 12V 编程电源 VPP XTAL1 反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入 XTAL2 来自反向振荡器的输出 AT89C52 单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除 100 次 该器件采用 ATMEL 高密 度非易失存储器制造技术制造 与工业标准的 MCS 51 指令集和输出管脚相兼容 由于 将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中 AT89C52 是一种高效微控制器 且对开发设备的要求很低 从而使开发时间也大大缩短 AT89C 单片机为很多嵌入式控 制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案 有利于小型化设计 3 33 3 模拟量输入通道模拟量输入通道 3 3 1 A D 转换芯片 ADC0809 ADC0809 采用双列直插式封装 共有 28 条引脚 各管脚的功能分四组简述如下 6 1 模拟信号输入 IN0 IN7 IN0 IN7 为八路模拟电压输入线 加在模拟开关上 工作时采用时分割的方式 轮流进行 A D 转换 2 地址输入和控制线 地址输入和控制线共 4 条 其中 ADDA ADDB 和为地址所 寸允许输入线 用于选择 IN0 IN7 上哪一路模拟电压送给比较器进行 A D 转换 ALE 为 地址锁存允许输入线 高电平有效 当 ALE 线为高电平时 ADDA ADDB 和 ADDC 三条地 址线上地址信号得以锁存 经译码器控制八路模拟开关通路工作 3 数字量输出及控制线 11 条 START 为 启动脉冲 输入线 上升沿清零 下降沿启动 ADC0809 工作 EOC 为转换结束输出线 该线高电平表示 AD 转换已结束 数字量已锁入 三态输出锁存器 D0 D7 为数字量输出线 D7 为最高位 ENABLE 为 输出允许 线 高电平时能使 D0 D7 引脚上输出转换后的数字量 4 电源线及其他 5 条 CLOCK 为时钟输入线 用于为 ADC0809 提供逐次比较所 需 一般为 640kHz 时钟脉冲 Vcc 为 5V 电源输入线 GND 为地线 VRef 和 VRef 为 参考电压输入线 用于给电阻网络供给标准电压 VRef 常和 VDD 相连 VRef 常接 地 ADC0809 芯片性能特点 是一个逐次逼近型的 A D 转换器 外部供给基准电压 单通 第 13 页 共 56 页 道转换时间 116us 分辨率为 8 位 带有三态输出锁存器 转换结束时 可由 CPU 打开三 态门 读出 8 位的转换结果 有 8 个模拟量的输入端 可引入 8 路待转换的模拟量 ADC0809 的数据输出结构是内部有可控的三态缓冲器 所以它的数字量输出信号线 可以与系统的数据总线直接相连 内部的三态缓冲器由 OE 控制 当 OE 为高电平时 三 态缓冲器打开 将转换结果送出 当 OE 为低电平时 三态缓冲器处于阻断状态 内部数据 对外部的数据总线没有影响 因此 在实际应用中 如果转换结束 要读取转换结果 则 只要在 OE 引脚上加一个正脉冲 ADC0809 就会将转换结果送到数据总线上 在本系统中 ADC0809 在电路中的连接如图 3 4 所示 在模拟量之前加入滤波电路是为了使采集数据 更加准确 对于模拟输入通道 还需要采用一些消除干扰的措施 9 这点将在下一小 节提到 图 3 4 ADC0809 在电路中的连接部分 3 3 2 模拟量输入通道的光电隔离 所谓对于模拟量输入 由于模拟信号的电压或电流是连续变化信号 其信号幅度 在任何时刻都有定义 因此 对其进行处理就较为复杂 在进行信号放大 滤波 量 化等处理过程中需要考虑干扰信号的抑制 转换精度及线性等诸多因素 为了对模拟量输入通道消除干扰 一般需要加入线形光电隔离 对于模拟量输入 通道 光电隔离有两种方法 模拟量侧隔离和数字量侧隔离 即在 A D 转换之前或之 后接入光电隔离器 或选择对管 采用互补电路 以提高线性度 另外 由于模拟量输入信号一般都要经过放大后才能进行 A D 转换 因此可以采 用兼有放大和隔离功能的隔离放大器 隔离放大器的输出端与输出端在电气上完全隔 离 所用的隔离方法有变压器隔离和光电隔离两种 在本系统中采用的是光电隔离放 大器 ISO100 ISO100 是美国 B B 公司生产的一种小型廉价光电隔离放大器 它将发光 第 14 页 共 56 页 二极管的光分为两路 一路送输出端 另一路反馈到输入端 构成负反馈 以提高放 大器的精度 线性度和温度稳定性 ISO100 的工作电源为 18V 隔离电压为 2500V 输入电流为 1A 输出电压 Vout RiIn 改变 R 即能改变增益 当输入为电压量 应串联电阻 Rin 使输入电流在要 求范围内 ISO100 构成的热电偶放大器的连接图如图 3 5 所示 可见 ISO100 使用非常方便 只需要外加少量的元件即可 值得注意的是 输入和输出部分必须使用两组独立的电 源 图 3 5 ISO100 的应用 3 43 4 开关量的输入输出通道开关量的输入输出通道 所谓开关量输入 8 是指输入信号为状态信号 如继电器的吸合与断开 光电门 的导通和截止等 其信号电平只有两种 即高电平和低电平 对于这类信号 只需经 放大 整形和电平转换等处理 就可直接送入计算机系统 1 开关量输入部分设计 对于各种开关量 如光电开关 接近开关 按钮开关等 的输入信号经光电隔离 TLP521 4 后 接合适的下拉电阻 可以直接连接到单片机上 输入高电平时 读入 的为 1 输入低电平时 读入为 0 在开关量的输入输出通道中 为了防止现场强电磁干扰或工频电压通过输出或通 道反串到测控系统 采用光电隔离技术 10 因为光信号的传送不受电场 磁场的干扰 可以有效地隔离电信号 光电耦合输入电路如图 3 6 所示 第 15 页 共 56 页 图 3 6 光电耦合输入电路图 2 开关量输出部分设计 对电机 制动器等控制的开关量的输出 其输出驱动电路是采用反相驱动器 MC1413 该器件逻辑图见下图 3 7 所示 MC1413 有较强的驱动能力 并且有内部保护二极管 可以直接驱动继电器和电磁 阀 本系统中开关量输出可以用于控制接触器 灯泡 功率大的器件运行等 由于 MC1413 不能直接驱动一些交流接触器等 因此利用继电器作为测控系统输出到输出驱 动器之间的中间级执行机构 通过中间继电器输出 可完成从低压直流到高压交流的 过渡 如图 3 8 所示 经 MC1413 后 直流部分给继电器供电 而其输出部分直接与所 需要的任务器相连 图 3 7 MC1413 内部结构图 第 16 页 共 56 页 图 3 8 经 MC1413 以后的电路部分 从上图可以看出 当继电器输出时 输入与输出端有一定的隔离功能 但由于采 用电磁吸合方式 在开 关瞬间 触点容易产生火花而引起干扰 所以从反相驱动器 MC1413 输出的开关量信号 再经过光电耦合电路和继电器后输出 尽可能地减少了干 扰 在交流高压等场合使用 触点也容易氧化 由于继电器的驱动线圈有一定的电感 在关断瞬间可能会产生较大的电压 因此在对继电器的驱动电路上常常反接一个保护 二极管用于反向放电 开关量输入输出部分电路在系统中设计如图 3 9 所示 图 3 9 开关量输入输出部分电路 3 53 5 扩展外部存储器电路扩展外部存储器电路 考虑到系统的实用性和二次开发性 系统需要加一外部数据存储器 9 来保存由 外部输入到单片机系统的数据 而随机存储器作为一种使用方便的数据读写存储器 在 计算机应用系统中有着广泛的应用 SRAM 的典型芯片有 2KB 的 6116 8KB 的 6264 以及 第 17 页 共 56 页 32KB 的 62256 其中 6264 芯片应用最为广泛 Intel 6264 是 8K 8 SRAM 单一的 5V 电源 所有的输入端和输出端都与 TTL 电 路兼容 它的电路原理图逻辑符号如图 3 10 所示 其中 CS 为片选信号 OE 为输出 允许信号 WE 写信号 A0 A12 为 13 根地址线 D0 D7 为 8 位数据线 图 3 10 SRAM6264 在系统中的扩展电路与单片机连接如图 3 11 所示 图 3 11 SRAM6264 与 AT89C52 的连接原理图 3 63 6 RS 232RS 232 串行通讯电路串行通讯电路 RS 232 电路是单片机采集电路部分与 GPRS 调制解调器之间的接口电路 8 单片 机就是利用 RS 232 串口通讯向 GPRS MODEM 发送 AT 指令 以控制 GPRS MODEM 完成数 据的远距离无线传输 12 RS 232 是美国电子工程师协会正式公布的串行总线标准 也是目前最常用的串行 第 18 页 共 56 页 接口标准 主要用来实现计算机与计算机之间 计算机与外设之间的数据通讯 RS 232 串行通讯是全双工的 可以同时接受和发送 它的逻辑 1 是 5V 15V 逻辑 0 是 5V 15V RS 232 串行接口总线适用于设备之间的通讯距离不大于 15m 并 且传输速率最大为 20Kbps 由于 RS 232 和 TTL 各自规定了自己的电气标准 互不兼 容 因此 RS 232 与 TTL 电路接口时需进行电平转换 这里简单介绍一种电平转换 单电源 RS 232 电平转换集成电路 MAXIM 公司出品 MAX 系列单电源供电 RS 232 接 收发送器可大大简化 RS 232 电平转换电路 它具有功耗低 通信速率高 封装形式多 单一电源供电 外接器件少等特点 它由充电泵电压变换器 驱动器 发送器 和接 收器三个部分组成 1 5V 到 10V 双充电泵电压变换器 5V 到 10V 的变换是由一种专利产品双充电泵电压变换器 见图 3 12 完成的 第一个充电泵电压变换器的电容器 C1 被充上 5V 电压 输出滤波电容器 C3 上也充有 5V 电压 输出电压 V 为 10V 第二个充电泵电压变换器用电容器 C2 将 10V 反相为 10V 保存 10V 在 V 输出滤波电容器 C4 上 在停机方式下 V 通过一个 1K 的内部下拉电阻连接到 VCC 同时 V 通过一个 1K 的 内部上拉电阻连接到地 图 3 12 电压变换器电路 2 RS 232 发送器 发送器的输入为 TTL CMOS 电平 输出 RS 232 电平 当 MAX 系列的电压倍增器 CPE 的工作电压为 5V 而 RS 232 接受端负载为 5K 时 发送器的输出电压为 8V 左右 空载时输出电压从 V 0 6 V 之间变化 发送器的输入端内置 40 的上拉电阻 当输入端悬空时 被上拉到 Vcc 经反相器 输出端为低电平 上拉电阻耗电为 15uA 所以悬空时的功耗最低 第 19 页 共 56 页 3 RS 232 接收器 接受器输入为 RS 232 电平 输出为 TTL CMOS 电平 不使用的接受器输入 输出 端可以悬空 其输入端内置 5K 的下拉电阻 当输入端悬空时 被下拉至地 经反相器 输出为高电平 如图 3 13 所示的典型工作电路 正常工作时对 C1 C4 的电容类型要求不是很高 例如 MAX202 需要 0 1uF 的电容 而 MAX232 需要 1uF 的电容 在所有的情况下 10uF 以 内的电容均可使用 图 3 13 MAX 232 引脚图 本系统选用 MAX232 芯片实现 TTL 与 232 电平之间的转换 与接口电路相连的一侧 是 AT89C52 单片机 另一侧是 GPRS MODEM 由它们来实现数据的无线传输 系统的 RS 232 串行通讯电路如图 3 14 所示 图 3 14 RS 232 串口电路原理图 第 20 页 共 56 页 3 73 7 G20G20 通信模块电路通信模块电路 3 7 1 G20 模块接口简单说明 本系统无线数据传输模块使用摩托罗拉公司的 G20 GPRS 无线模块 10 通过拨号的 方式登陆中国移动的 GPRS 网络 11 GPRS 无线通讯网络是在 GSM 网络的基础上构建的 由 GSM 的电路交换过渡到了分组交换 支持 TCP IP 协议 理论最高速率可达 171Kbps GPRS 网络很适合数据量少的 瞬时性的环保数据的无线传输 CPU 模块通过 集成的 RS 232 与 G20 接口 因为 CPU 模块串口与 G20 模块串行接口间电平不一致 需 加电平转换电路 RS 232 与 G20 模块连接线路 图 3 15 图 3 15 G20 模块的 USB 接口连接 在系统中主要使用 G20 模块传输数据 在数据通信中 用于接受和发送数据的设 备称为数据终端设备 DTE Date TerminalEquipment 用来连接 DTE 与数据通信网络 的设备称为 DCE Date CommunicationsEquipment 3 7 2 G20 开发版的使用说明 一 开发器功能介绍 标准的 RS232 接口 标准的 USB 接口 LED 指示灯显示功能 HEADSET 语音功能 宽范围直流电压输入 第 21 页 共 56 页 两种可选择的上电方式 两种可选择的 RS232 连接方式 两种可选择的 SIM 卡检测方式 可供调试的 70PIN DIP 插座 二 连接器示意图 如图 3 16 定义及说明 图 3 16 G20 开发板连接器示意图 J103 USB 插座 方口 USB 插座 可直接连接通用 USB 线缆 J104 RS232 插座 可直接连接标准九针串口线缆 一对一 J105 IGN 选择 跳线连接为 IGN 上电方式 J106 耳机插座 可插入标准的耳机线缆 作为模拟音频的接口 J201 电源输入插座 可接入 5 42V 的标准直流稳压电源 里正外负 J301 J302 MCU 选择 用跳线连接 用于单片机三线串口通讯 SW102 ON OFF 按钮 在不选择 IGN 上电方式时 采用该按钮上 下电 SW201 电源开关按钮 插入电源后 按此按钮可为开发板加电或断电 三 指示灯定义 1 电源指示灯部分 P ON 电源开关指示灯 2 G20 指示灯部分 RST G20 模块复位指示灯 正常闪亮 表示模块正常上电 IGN IGN 上电方式指示灯 灯亮 表示 IGN 方式上电 第 22 页 共 56 页 S R SIM 卡复位指示灯 正常闪亮 表示 SIM 卡正常上电 RFT RF 发射指示灯 RF 工作时闪亮 GPRS GPRS 覆盖指示灯 3 USB 指示灯部分 UVC USB 电源指示灯 UD USB D 指示灯 4 RS232 指示灯部分 RXD 数据接收指示灯 TXD 数据发送指示灯 CTS 清除发送指示灯 RTS 请求发送指示灯 DTR DTE 准备好指示灯 DSR DCE 准备好指示灯 DCD 载波检测指示灯 RI 振铃指示灯 四 技术指标 输入电压 7 42VDC 平均输入电流 500 Ma 阻抗 16 欧姆 频响范围 18 20000 Hz 灵敏度 108 总谐波失真小于 1 工作温度 40 85 度 存储温度 65 160 度 3 83 8系统整体设计原理图系统整体设计原理图 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date 17 Jun 2007Sheet of File C Program Files D esign E xplorer 99 SE E xamples M yDesign1 ddbDrawn By EA VP 31 X1 19 X2 18 RE SE T 9 RD 17 WR 16 INT 0 12 INT 1 13 T0 14 T1 15 P10 T 1 P11 T 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 P17 8 P00 39 P01 38 P02 37 P03 36 P04 35 P05 34 P06 33 P07 32 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 PSEN 29 AL E P 30 TX D 11 RX D 10 89C52 12 34 56 78 910 1112 1314 1516 1718 1920 2122 2324 2526 2728 AD C0809 1 2 3 4 5 6 7 8 位位位位位 CO N8 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 10uf CA P 10uf CA P 10uf CA P 10uf CA P 10uf CA P 10uf CA P 10uf CA P 10uf CA P GN D 5V NO R U NO R D0 1 D1 2 D2 3 D3 4 D4 5 D5 6 D6 7 D7 8 CE 9 IE 11 Q0 12 Q1 13 Q2 14 Q3 15 Q4 16 Q5 17 Q6 18 Q7 19 74LS273 GN D A0 12 A1 11 A2 10 A3 9 A4 8 A5 7 A6 6 A7 5 A8 27 A9 26 A10 23 A11 25 A12 4 NC 28 VCC 29 CE 22 OE 24 WE 31 GN D 1 D0 13 D1 14 D2 15 D3 17 D4 18 D5 19 D6 20 D7 21 U AD C7802BN 28 5V CA P 1 1 RR IN 2 8 CA P 6 CA P 2 5 CA P 1 3 CA P 2 CA P 2 4 RT OUT 2 7 R OU T2 9 T IN2 10 T IN1 11 R OU T1 12 RR IN 1 13 RT OUT 1 14 GN D 15 VCC 16 MA X232 1 6 2 7 3 8 4 9 5 J DB9 GN D C3 1uf C4 1uf C7 1uf C5 1uf GN D C6 1uf GN D 1 2 3 45 6 7 8 S 位位位位位 116 A1K 116 A1K 116 A1K 116 A1K 1 2 3 4 5 6 位位位位位 CO N6 OU TCO M IN MC1413 OU TCO M IN MC1413 OU TCO M IN MC1413 OU TCO M IN MC1413 5V IN1O1 GN DG1 IN2O1 GN DG2 IN3O3 GN DG3 IN4O4 GN DG4 JP CO N6 GN D GN D 5V GN D 5V R 1K C 10UF 位位位位位位位 SW PB R1 10K GN D C C VCC 第 23 页 共 56 页 图 3 17 系统整体设计原理图 4 4 系统的软件设计系统的软件设计 单片机系统除了必要的硬件支持外 还需要进行软件设计 由于使用的单片机是 MCS 51 系列的单片机 所以 所有的软件选择用汇编语言进行的 4 14 1 通信协议通信协议 GPRS 通信模块 G20 内嵌 TCP IP 协议 以下是 TCP IP 协议的简单介绍 12 这部分简要介绍一下 TCP IP 的内部结构 为讨论与互联网有关的安全问题打下基础 TCP IP 协议组之所以流行 部分原因是因为它可以用在各种各样的信道和底层协议 例如 T1 和 X 25 以太网以及 RS 232 串行接口 之上 确切地说 TCP IP 协议是一 组包括 TCP 协议和 IP 协议 UDP User Datagram Protocol 协议 ICMP Internet Control Message Protocol 协议和其他一些协议的协议组 TCP IP 整体构架概述 TCP IP 协议并不完全符合 OSI 的七层参考模型 传统的开放式系统互连参考模型 是一种通信协议的 7 层抽象的参考模型 其中每一层执行某一特定任务 该模型的目的 是使各种硬件在相同的层次上相互通信 这 7 层是 物理层 数据链路层 网路层 传 输层 话路层 表示层和应用层 而 TCP IP 通讯协议采用了 4 层的层级结构 每一层 都呼叫它的下一层所提供的网络来完成自己的需求 这 4 层分别为 应用层 应用程序间沟通的层 如简单电子邮件传输 SMTP 文件传输协议 FTP 网络远程访问协议 Telnet 等 传输层 在此层中 它提供了节点间的数据传送服务 如传输控制协议 TCP 用户数据报协议 UDP 等 TCP 和 UDP 给数据包加入传输数据并把它传输到下一层中 这一层负责传送数据 并且确定数据已被送达并接收 互连网络层 负责提供基本的数据封包传送功能 让每一块数据包都能够到达目 的主机 但不检查是否被正确接收 如网际协议 IP 第 24 页 共 56 页 网络接口层 对实际的网络媒体的管理 定义如何使用实际网络 如 Ethernet Serial Line 等 来传送数据 TCP IP 中