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基于GSM的远程温控单元设计方案1绪论1.1 课题研究的背景1.1.1 温度监控系统的应用前景温度对工农业生产和国防事业均有不同程度的影响12。在水产养殖、粮食存储、无人值班变电站、程控锅炉等工农业应用背景中，都需要远程温度监控功能。粮食在正常储藏过程中3，含水量一般在12%以下是安全状态，不会产生温度突变，一旦粮库进水、结露等使粮食的含水量达到20%以上时，由于粮粒受潮，胚芽萌发，新陈代谢加快而产生呼吸热，使局部粮食温度突然升高，必然引起粮食“发烧”和霉变，并可能形成连锁反应，从而造成不可挽回的损失；电力设备的故障有多种多样，但大多数都伴有发热的现象，一次事故损失巨大；纺织、食品、烟草等工业中，温度过高容易使产品变质，电子仪器也容易出故障；温室栽培和工业生产中，若不控制温度，将严重影响产量和质量。还有很多领域的温度可能较高或较低，人无法靠近或现场无需人力来监控。传统的温度测量方式周期长，不能实时监测，而且测量员必须到现场进行测量和启动功率设备来调整温度，工作效率非常低，且不便于管理。为此人们设计了远程测控系统，将要测量地点的温度信号通过传输系统送到监控站，使得人们坐在办公室里就可以对现场进行监控，又方便又节省人力。但是，传统的温度传输系统大多以有线传输为主4，一旦距离过长，不但增加成本，也会影响数据的有效传输，同时，在恶劣的环境下，有些有线传输几乎是不可能的。此外，有些温度测量经常会变换地点和环境，对传输的灵活度要求很高，如果使用有线传输将带来极大的不便。本文设计了一个无线温度监控系统，它采用无线发射与接收，具有很强的灵活性，解决了上述有线传输所不能实现的问题。随着社会的发展和科学技术的发展，无线温度监控系统在现代工农业生产中，有着广泛的应用前景，它的应用范围将不断的扩大。1.1.2 GSM系统的发展20世纪80年代中期，当模拟蜂窝移动通信系统刚投放市场时，世界上的发达国家就在研制第二代移动通信系统5。其中最有代表性和比较成熟的制式有泛欧GSM(Global System for Mobile communication)，美国的ADC(D-AMPS)和日本的JDC(现在改名为PDC)等数字移动通信系统。在这些数字系统中，GSM的发展最引人注目。1991年GSM系统正式在欧洲问世，网络开通运行。GSM系列主要有gsm900、dcs1800和pcs1900三部分，三者之间的主要区别是工作频段的差异。 蜂窝移动通信的出现可以说是移动通信的一次革命。其频率复用大大提高了频率利用率并增大系统容量，网络的智能化实现了越区转接和漫游功能，扩大了客户的服务范围，但上述模拟系统有四大缺点：各系统间没有公共接口；很难开展数据承载业务；频谱利用率低无法适应大容量的需求；安全保密性差，易被窃听，易做“假机”。尤其是在欧洲系统间没有公共接口，相互之间不能漫游，对客户造成很大的不便。GSM数字移动通信系统源于欧洲。早在1982年，欧洲已有几大模拟蜂窝移动系统在运营，例如北欧多国的NMT(北欧移动电话)和英国的TACS(全接入通信系统)，西欧其它各国也提供移动业务。当时这些系统是国内系统，不可能在国外使用。为了方便整个欧洲统一使用移动电话，需要一种公共的系统，1982年，北欧国家向CEPT(欧洲邮电行政大会)提交了一份建议书，要求制定900MHz频段的公共欧洲电信业务规范。在这次大会上就成立了一个在欧洲电信标准学会(ETSI)技术委员会下的“移动特别小组(Group Special Mobile)”，简称“GSM”，来制定有关的标准和建议书。我国自从1992年在嘉兴建立和开通第一个GSM演示系统，并于1993年9月正式开放业务以来，全国各地的移动通信系统中大多采用GSM系统，使得GSM系统成为目前我国最成熟和市场占有量最大得一种数字蜂窝系统。截至2002年11月，中国手机用户2亿，比2001年年底新增5509.2万。GSM是世界上第一个对数字调制、网络层结构和业务作了规定的蜂窝系统。如今GSM通信系统已遍及全世界，即所谓“全球通”。GSM网是目前国内覆盖范围最广、系统可靠性最高、话机保有量最大的数字移动通讯系统，因此充分利用已有的GSM蜂窝网作为本系统的无线传输网络是一种既有效又经济的手段。1.2 论文研究的主要内容本论文主要实现远程温控单元的设计。要监测的现场的温度信号经过温度传感器转换为电压信号后，使用模数转换芯片将模拟信号转换为数字信号，然后并行送入DSP中，DSP通过串口发送AT指令控制GSM接收监测中心发来的信息并执行相应的操作。整个系统由监测站点的手机控制运行，发送信息实现远程温度监控。本系统的温控模块、A/D转换模块和GSM模块都是通过DSP的外扩接口连接到DSP核心模块。论文中的第二章介绍了GSM系统结构及其短消息业务，并提出远程温控系统的设计方案。第三章介绍了本设计方案实现的硬件平台，并对各模块的原理及结构做了详细说明，最后也简要说明了在PCB布线中需要注意的问题。第四章是对实际的远程温度监控单元电路的功能进行的测试，对结果进行了分析，对其中有问题的地方也提出了一些参考意见。最后是对本论文的总结。432远程温控系统的设计方案2.1 GSM系统2.1.1 GSM系统结构数字蜂窝通信系统是在模拟蜂窝通信系统的基础上发展起来的现代移动通信系统56。这种系统以先进的计算机技术、VLSI技术、数字信号处理技术等为基础，采用全数字化移动通信体制。这种系统具有ISDN（Integrated Services Digital Network）的能力，可以把移动电话、电报、传真、电视、数据通信和计算机通信等多种业务综合在一个系统中完成，而且易于实现数字保密、通信设备的小型化和智能化。自20世纪80年代中期起，欧洲、北美和日本相继发展了数字蜂窝移动通信系统，并先后制定了三种不同标准，如欧洲的GSM、北美的IS-54、日本的JDC，其中，以GSM最为典型，这些系统的共同特点均采用数字话音传输技术。全球移动通信系统（Global System for Mobile communication，简称GSM）是一个复杂的通信系统，由许多单元组成57。一般分为三个相对独立的部分，即移动终端子系统（MS）、基站子系统（BSS）和网络子系统（NSS），如图2-1所示。图2-1 GSM系统组成结构示意图2.1.1.1 移动终端部分（MS）一般也称为移动台，它是GSM网络中用户使用的设备，也是用户和网络连接的唯一设备。它包括以下基本功能：1）以无线方式接入GSM移动网络，完成各种控制功能；2）支持各种基本业务和补充业务；3）间断接收和间断发送；4）对用户数据和信令加密；5）语音编码和解码；6）协助BSS完成自动功率控制（APC）、跳频及各种切换；7）适配用户数据和无线信道的速率；8）支持人机接口（MMI）的各种功能；9）提示呼叫过程。移动台是由它所漫游到的地理区域的一个VLR管理。当有一个对此移动台的呼叫时，HLR查询VLR的当前地址。这样呼叫就可以被送到正确的MSC，并通过BSS与移动台建立无线通路。2.1.1.2 基站子系统（BSS）基站子系统通过无线接口直接与移动台连接，负责无线资源管理和收发信息。基站子系统与网络子系统（NSS）中的移动交换中心（MSC）相连，实现移动用户之间或固定网用户之间的通信。基站子系统由基站收发信台（BTS）和基站控制器（BSC）组成，其主要功能如下：1）协助MSC完成无线信道管理；2）无线信道测量和分配、链路检测、功率控制、跳频监管；3）无线信道资源指示；4）信道编解码、对用户数据和用户单元进行加密；5）码型转换和速率适配；6）完成同一小区内和同一BSC内的切换，执行MSC的指令在BSC间的切换；7）DRX接收、DTX发射；8）空间分集接收。每个小区由几个BTS控制，而几个BTS可由一个BCS管理。这个BCS与它管理的BTS共同构成一个基站子系统（BSS），并与一个移动交换中心（MSC）相连。BSS一方面通过空中接口与移动台接口，另一方面通过PCM信道提供与MSC的接口。BCS与MSC之间的话音信号可以通过16kbps或64kbps的链路传输。2.1.1.3 网络子系统（NSS）网络子系统（NSS）有六个主要组成单元。即移动业务交换中心（MSC）、访问用户位置寄存器（VLR）、归属用户位置寄存器（HLR）、鉴权中心（AUC）、移动设备识别器（EIR）、操作维护中心（OMC）。1）移动交换中心（MSC）：具有号码存储译码、呼叫处理、路由选择、回波抵消和超负荷控制等功能。它可为移动用户提供三类业务：电信业务、承载业务和补充业务。MSC是网络的中心并控制着一个或多个BSS，主要执行交换功能。这种交换功能不仅是用于移动用户之间的呼叫，而且用于移动用户与固定用户（PSTN和ISDN）以及分组交换网用户之间的呼叫，因此MSC是GSM系统与ISDN/PSIN网的互联点。2）访问用户位置寄存器（VLR）：存储着进入其控制区内已登记的移动用户相关信息，并从HLR处获取必要的数据为已登记的移动用户提供建立呼叫接续的必要条件，使MSC能够建立呼入和呼出链路。一旦移动用户离开该控制区则取消移动用户的临时数据。VLR可视为一个动态用户数据库，与HLR进行大量的数据交换。GSM系统的一个重要特性是自动国际漫游，这意味着移动台可以在任何建有GSM系统的国家内的任意地点发出或接收呼叫而无需任何特别操作，这需要移动台更新在GSM网中的位置，而且系统必须能够处理这些信息。处理位置信息是由访问位置寄存器（VLR）和归属用户位置寄存器（HLR）完成。3）归属用户位置寄存器（HLR）：它是GSM的中央数据库，存储着该HLR控制区内的所有移动用户注册信息的相关数据，移动用户重要的静态数据都存储在HLR中，这些数据包括用户的接入能力、申请的业务和补充业务。HLR为每个归属用户存储一个可用的三参数组（RAND/SRES/KC），任何时候都能依照MSC/VLR的请求而提供使用。HLR还包含有当前正管理这个移动台的VLR的信息。当移动台位置改变时，HLR相应进行更新。而且，HLR向MSC提供移动台当前所在的MSC地区的信息（动态数据），使被叫用户能够被立即找到。4）鉴权中心（AUC）：它是GSM系统的安全中心。它采取了一系列措施对用户鉴权，并对无线接口上的话音和数据信号信息加密。在鉴权中心存储着鉴权算法和密钥加密等，存储的这些信息是用来保护空中接口的通信，防止移动台受到侵扰，防止无权用户接入系统。用户的合法识别码是通过鉴权和密码计算确定的，这用于保护用户的信息不被暴露。鉴权信息和密钥存储于AUC的一个数据库，它们不会被非法访问。5）移动设备识别器（EIR）：存储着移动设备的国际移动设备识别码（IMEI），通过检查白色清单、黑色清单或灰色清单这三类表格，确定入网的移动设备不是盗用的或有故障的设备，从而保证注册用户的安全。GSM网络中还有另一种类型的识别码，称为国际移动用户识别码（IMSI），它与设备无关。这个与用户密切相关的信息被存储于SIM卡中，使用户可以在出租车中或其他公共场所进行呼叫，并直接计费。6）操作维护中心（OMC）：操作维护中心的主要任务是对GSM系统进行集中维护与操作，允许实施远程操作维护管理，支持高层维护管理中心（NMC）的接口。GSM是全数字式的蜂窝系统，并且使用了ISDN的一般原理，本身具有传输数据的能力，根据ETSI指定的规范，GSM可提供以下几种数据业务，其中最常见的是PSTN调制解调器和ISDN数据业务。1）PSTN调制解调器数据业务；2）ISDN数据业务；3）专用PAD数据业务；4）分组数据业务；5）短消息业务；6）三类传真业务。随着对高速无线数据业务主要是对Internet业务需求的增长，GSM推出了两种高速移动数据业务：HSCSD（高速电路交换数据业务）和GPRS（通用分组无线业务）。2.1.2 GSM短消息业务随着经济的发展，移动通讯工具的普及，人们日常的交往方式也随着改变。短消息已经成为手机用户最常使用的业务之一78。除了大量使用的手机用户到手机用户的点对点短消息通信业务之外，从短消息服务平台到手机用户的短消息增值服务业务也在快速发展。移动目标监控中心到移动目标定位终端的短消息数据传输就属于这种增值业务。2.1.2.1 短消息服务简介短消息服务（Short Message Service，简称SMS）是通过手机发送和接收有限长度的文本信息的功能。一条短消息可以包含160个英文字母（7-bit编码）或70个非拉丁字母（16-bit编码），如中文汉字或者阿拉伯字等Unicode编码。短消息SMS属于GSM第一阶段的标准，它按照其实现方式可以分为点到点短消息业务和小区广播短消息业务。点到点短消息业务是通过移动业务起始（Mobile Origin，MO）和移动业务终止（Mobile Terminal，MT）将一条短消息从一个实体发送到指定地址的业务，如移动目标的定位信息。而小区广播短消息业务则是指通过发送消息的基站向指定区域中的所有短消息用户发送短消息的业务，如天气预报信息等。2.1.2.2 短消息的网络结构GSM标准中定义的点对点短消息服务使得短消息能在移动台（MS）和短消息服务中心之间传递。一个GSM用户发送短消息时，必须至少在其内容中包含最终地址的识别符和处理这条消息的服务中心号码，然后请求传递。短消息业务的基本网络结构如图2-2所示。图2-2 SMS的网络体系结构其中，短消息业务网络体系结构中的各部分具体功能如下：1）SME：短消息实体（Short Message Entity），它可以接收或改善短消息，位于固定电话系统、移动基站或其他服务中心内。2）SMSC：短消息服务中心（Short Message Service Center），它实质上是运行在服务器上的一个数据库应用程序，其核心进程担负着通过7号信令与移动交换机连接并发送、接收短消息底层编码的任务，它收到一条数据后将其放入数据库中，同时另一个进程试图把这条数据放入发送队列将其发送出去，如果成功，这条信息将被删除以释放数据库空间，但统计信息被保存。如果不成功，则根据设置的时间间隔重发，直到发送成功或过了有效期为止。3）SMS网关（SMCGWMS或SMCGMSC：SMS-Gateway MSC）：接收由SMSC发送的短消息，向HLR查询路由信息，并将短消息传送给接收者所在基站的交换中心。4）HLR：归属位置寄存器（Home Location Register），用于永久存储由SMSC产生的管理用户和服务记录的数据库。SMS网关与HLR之间的协议使前者可以要求HLR搜索可找到的用户地址。它与移动交换中心（MSC）、HLR之间的协议一起，能在移动台因超出覆盖区而丢失报文、随后又找到时，加以提示。5）MSC：移动交换中心（Mobile Switching Center），负责系统切换管理并控制来自或发向其他电话或数据系统的拨叫。6）VLR：访问位置寄存器（Visitor Location Register），含有用户临时信息的数据库。交换中心服务访问用户时需要这些信息。7）SS7：7号信令系统。GSM系统中采用的是CCITT NO.7来完成必要的交换和控制。交换和控制子系统包括MSC、HLR和VLR。采用的CCITT NO.7信令系统是由公共信令网提供的，完成必要的控制功能。短消息（SMS）的优点很明显，主要有以下几点：1）收费低廉。对与消费者而言，资费始终是首要关心的问题。不管是长途还是市内，每发送一条短信息仅0.1元，接收免费，而在移动目标监控服务中，包月短消息费用还不足10元人民币；2）随时随地。短消息和电话不一样，打电话要求接听方同时在另一端，而短消息用户可以随时随地发送短消息，不用担心对方有没有开机，也不用担心对方是不是在服务区，因为短信息是采用存储-转发方式存储在短消息中心，一旦对方开机，短消息就会自动发送；3）能够承载多种数据。短消息有3种模式：块模式、PDU模式和文本模式。其中支持块模式的手机厂商十分少，基本上支持PDU模式和文本模式；4）能够保障传输中的安全。如果用户使用STK（SIM Application Toolkit）卡，那么短消息在发送之前，可以通过STK卡将信息加密后进行传输。在到达目的地后由接收者将信息解密，实现了点到点的信息安全保障。2.1.3 AT指令集AT 即Attention89，AT指令集是从终端设备(Terminal Equipment，TE)或数据终端设备(Data Terminal Equipment，DTE)向终端适配器(Terminal Adapter，TA)或数据电路终端设备(Data Circuit Terminal Equipment，DCE)发送的。通过TA，TE发送AT指令来控制移动台(Mobile Station，MS)的功能，与GSM网络业务进行交互。用户可以通过AT指令进行呼叫、短信、电话本、数据业务、传真等方面的控制。90年代初，AT指令仅被用于Modem操作。没有控制移动电话文本消息的先例，只开发了一种叫SMS Block Mode的协议，通过终端设备(TE)或电脑来完全控制SMS。几年后，主要的移动电话生产厂商诺基亚、爱立信、摩托罗拉和HP共同为GSM研制了一整套AT指令，其中就包括对SMS的控制。AT指令在此基础上演化并被加入GSM0705标准以及现在的GSM0707标准，完全标准化和比较健全的标准。如：对SMS的控制共有3种实现途径：最初的Block Mode；基于AT指令的Text Mode；基于AT指令的PDU Mode。到现在PDU Mode已经取代Block Mode，后者逐渐淡出。GSM模块与计算机之间的通信协议是一些AT指令集，AT指令是以AT作首，字符结束的字符串，AT指令的响应数据包在中间。每个指令执行成功与否都有相应的返回，其他的一些非预期的信息(如有人拨号进来、线路无信号等)，模块将有对应的一些信息提示，接收端可做相应的处理。AT指令集分为十三类：1）一般命令2）呼叫控制命令3）网络服务命令4）安全命令5）电话本命令6）短消息命令7）追加服务命令8）数据命令9）传真命令10）第二类传真命令11）V25-V25命令12）特殊AT命令13）SIM卡工具箱命令本设计中用到以下几条AT指令：AT（测试）、ATE（是否关闭回显）、AT+CMGF（选择信息格式）、AT+CMGS（确认接收到的手机号码）、AT+CMGL（读取未读信息）。当然还可以选用其它的指令进行信息的收发。2.2 远程温控系统结构在现代信息技术飞速发展的今天，报警系统已进入一个高科技、智能化的时代。GSM系统是目前基于时分多址技术的移动通信体制中比较成熟、完善、应用最广泛的一种系统，主要提供话音、短信息、数据等多种业务。短消息是目前利用最广泛的通信方案之一，基于GSM短消息的业务不需要建立拨号连接，只需把待发的消息加上目的地址发送至短消息中心，再由短消息中心转发到最终目标，具有实现简单、通信成本低、频谱利用率高、保密性好等特点。基于GSM短消息功能可以做成传输各种检测、监控数据信号和控制命令的数据通信系统，能广泛用于远程监控、定位导航、个人通信终端等。由于公众GSM网络在全球范围内实现了联网和漫游，建立上述系统不需要再组建专用通信网络，所以具有实时传输数据功能的短消息应用将得到迅速普及。作为一个远程温度的监测和控制装置，应该可以在任何时刻对现场温度信号进行数据采样，能够准确地实现远程的监控。但实际的温度信号并不适合微电子电路系统直接对其进行信号分析和处理，所以首先需要将其变换成适合信号处理系统分析的电信号，这就需要传感器电路，然后将变换后的模拟信号转换成数字信号，送给以后的信号处理分析模块。本设计中对温度信号的采样点数并没有太严格的要求，故采用简单的定时采样即可，如果需要对温度信号的频率进行跟踪，可以使用硬件锁相环来产生精准的采样脉冲。为了满足实时和精确的信号处理和分析，加上现在DSP芯片在信号处理领域内的明显优势，和最近时期它性能的增加成本的下降，使用DSP芯片具有较好的性价比。短消息服务是GSM移动通信系统的补充业务之一，它具有主动发送功能，并且传送的字符内容支持Unicode字符全集。短消息具有收费低廉、随时随地发送、不占用话务信道、用户量大、信息量短等优点，正好适合本系统中发送数据量少的特点。系统设计中需要考虑的技术要求有：1：本系统采集的对象是温度参数，就应该有相应的硬件信号处理部分；2：本系统设计用于解决有线传输的问题，所以选择GSM无线传输模块；3：本系统要求对温度信号实时监控，并且发送报警信息，故要选用高速的A/D和DSP芯片。根据以上的讨论，本论文所设计的无线温控单元电路的总体结构如图2-3：图2-3 系统框图在本系统中，利用DSP强大的数据处理功能进行数据采集和运算，SRAM作为DSP外围的程序空间和数据存储空间，FLASH存储DSP程序代码。在实际的工作环境中，可以通过DSP的JTAG仿真口运行烧写程序，向FLASH烧写进启动代码，由DSP自动加载FLASH中的程序代码，完成自启动。CPLD则为整个系统提供逻辑功能。整个系统的设计思路如下：使用WK模块上的模拟温箱进行控制现场的温度，WK模块上的热敏电阻作为传感器，将温度信号转换为电压信号后送入A/D中，A/D实现实时采样，转换为适合于DSP处理的数字信号，DSP将该电压值换算为实际温度值后定时显示在LCD上；GSM实现远程控制命令的接收和反馈温度值的发送，DSP根据收到的控制命令执行相应的操作，包括反馈当前的温度值，升高、降低现场温度等。由于时间所限，本论文仅仅编写了测试程序来验证硬件电路设计的正确性和合理性。本文提出一种基于GSM短消息的新型远程监控系统，该系统充分利用了GSM无线移动通信网络平台，可以实时、自动、方便、可靠地实现现场温度的远程通信报警和监控，同时也适合于其他远程数据传输和无人值守的场合。3远程温控的硬件平台3.1 DSP结构及硬件电路3.1.1 DSP结构及原理数字信号处理器（Digital Signal Processor）是一种特别适用于实时数字信号处理的微处理器。其主要应用是实时、快速地实现数字信号处理算法。实时处理是指必须在规定的时间内完成对外部输入信号的处理运算。为了快速、实时完成数字信号处理，DSP芯片一般具有下述一些特点10：1）接口方便：DSP系统与其他以现代数字技术为基础的系统或设备都是相互兼容的，与这样的系统接口以实现某种功能要比模拟系统与这些系统接口要容易得多；2）编程方便：DSP系统中的可编程DSP芯片可使设计人员在开发过程中灵活方便地对软件进行修改和升级；3）稳定性好：DSP系统以数字处理为基础，因此具有数字处理的全部优点，受环境温度以及噪声的影响较小，可靠性高；4）精度高：早期DSP字长为8位，后来逐步提高到16位，24位、32位，为防止运算过程中数据溢出，有的累加器长度达到40位。16位数字系统可以达到10-5的精度；5）可重复性好：模拟系统的性能受元器件参数性能变化比较大，而数字系统基本不受此影响，因此数字系统便于测试、调试和大规模生产；6）集成方便：DSP系统中的数字部件有高度的规范性，便于大规模集成；7）硬件配置强：新一代的DSP接口功能愈来愈强，片内具有串口、主机接口（HPI），DMA控制器、锁相环时钟电路产生器等，更易于完成系统设计；8）特殊的DSP指令：在DSP指令系统中，设计了一些的特殊指令。如TMS320C54x中的FIRS和LMS指令，专门用于系数对称的FIR滤波器和LMS算法。当然，数字信号处理也存在一定的缺点。例如，对于简单的信号处理任务，如与模拟交换线的电话接口，若采用DSP则会使成本增加。DSP系统中的高速时钟可能带来高频干扰和电磁泄漏等问题，而且DSP系统消耗的功率也较大。此外，DSP技术更新的速度快，数学知识要求多，开发和调试工具还不尽完善。虽然DSP系统存在着一些缺点，但其突出的优点已经使之在通信、语音、图像、雷达、生物医学、工业控制、仪器仪表等许多领域得到越来越广泛的应用。可编程DSP芯片是一种具有特殊结构的微处理器，为了达到快速数字信号处理的目的，一般都具有10程序和数据分开的总线结构、流水线操作功能、单周期完成乘法的硬件乘法器以及一套适合数字信号处理的指令集，和在片外围电路等硬件，使其可满足电信、测量等众多领域信号实时处理的要求。3.1.1.1 总线结构许多DSP芯片内部采用多总线结构，这样保证了在一个机器周期内可多次访问程序空间和数据空间。如TMS320VC54x片内有8条16位主总线：4条程序/数据总线和4条地址总线，这些总线的功能如下：1）程序总线（PB）传送取自程序存储器的指令代码和操作数；2）3条数据总线将内部各单元（如CPU、数据地址生成器、程序地址生成器、在片外围电路及数据存储器）连在一起。其中，CB和DB传送读自数据存储器的操作数，EB传送写到存储器的数据；3）4条地址总线（PAB，CAB，DAB，EAB）传送执行指令所需的地址。C54x可以利用两个辅助寄存器算术运算单元(ARAU0，ARAU1)在每个周期内产生两个数据存储器的地址。3.1.1.2 哈佛结构早期的微处理器内部大多采用冯诺伊曼结构，其片内程序空间和数据空间是结合在一起的，取指令和取操作数是通过一条总线进行的，即数据总线和地址总线分时复用。而DSP芯片内部采用的是程序空间和数据空间分开的哈佛结构，允许同时取指令和取操作数。哈佛结构是不同于传统的冯诺伊曼结构的并行体系结构，其主要特点是将程序和数据存储在不同的存储空间中，即程序存储器和数据存储器是两个相互独立的存储器，每个存储器独立编址，独立访问。与两个存储器相对应的是系统中设置了程序总线和数据总线两种总线，从而使数据的吞吐率提高了一倍，但其硬件设计比较复杂。而冯诺伊曼结构则是将指令、数据、地址存储在同一存储器中，统一编址，依靠指令计数器提供的地址来区分是指令、数据还是地址，取指令和取数据都访问同一存储器，数据吞吐率低，但其硬件设计比较简单，例如世界上第一台电子管计算机和INTEL的80x86就是使用冯诺伊曼结构。在哈佛结构中，由于程序和数据存储器在两个分开的空间中，因此取指令和执行指令能完全重叠运行。为了进一步提高运行速度和灵活性，TMS320系列DSP芯片在基本哈佛结构的基础上作了改进，即改进的哈佛结构：一是允许数据存放在程序存储器中，并被算术运算指令直接使用，增强了芯片的灵活性；二是指令存储在高速缓冲器(Cache)中，当执行此指令时，不需要再从存储器中读取指令，节约了一个指令周期的时间。3.1.1.3 流水线与哈佛结构相关，DSP芯片广泛采用流水线技术以减少指令执行时间，从而增强了处理器的处理能力。TMS320系列处理器的流水线深度从2-6级不等。也就是说，处理器可以并行处理2-6条指令，每条指令处于流水线上的不同阶段。例如，在三级流水线操作中，取指、译码和执行操作可以独立地处理，这可使指令执行能完全重叠。在每个指令周期内，三个不同的指令处于激活状态，每个指令处于不同的阶段。例如，在第（N）个指令取指时，前一个指令即第（N-1）个指令正在译码，而第（N-2）个指令则正在执行。一般来说，流水线对用户是透明的。3.1.1.4 专用的硬件乘法器乘法速度越快，DSP芯片的性能就越高。在通用的微处理器中，乘法指令是由一系列加法来实现的，故需多个指令周期完成。相比而言，DSP芯片的特征就是有一个专用的硬件乘法器。乘法器能够执行无符号乘法（每个16操作数前面加0），有符号乘法(每个16位操作数都和符号位扩展成17位有符号数)以及有符号数与无符号数相乘运算。乘法器单元中的加法器还包括一个零检测器、舍入器以及溢出/饱和逻辑电路。乘法器一个输入端的数据来自T寄存器、累加器A的高16位、或PB总线传送过来的数据存储器操作数。另一个输入端的数据来自累加器A的高16位、由DB总线和CB总线传送过来的数据存储器操作数以及由PB总线传送过来的程序存储器操作数。乘法器的输出加到加法器的输入端，累加器A或B则是加法器的另一输入端，最后结果送往目的累加器A或B。3.1.1.5 快速的指令周期哈佛结构、流水线操作、专用的硬件乘法器、特殊的DSP指令再加上集成电路的优化设计，TMS320系列处理器的指令周期已经从第一代的200ns降低至现在的20ns以下(TI公司新推出的C6000系列DSP指令周期为3.3ns)。快速的指令周期使得DSP芯片适用于许多具有信号实时处理要求的领域。3.1.2 DSP硬件电路3.1.2.1 核心芯片TMS320VC5409本设计中使用的DSP芯片为TI公司的16位定点芯片TMS320VC5409。除了DSP通用的结构特点以外，它还具有11：16K16位的片上ROM，32K16位的片上双寻址RAM，程序代码的单指令循环和块循环操作，增强程序和数据管理的存储器块搬移指令，可以有32位长字的操作数的指令，条件存储指令，快速中断返回，并行存储和加载的算术指令，拥有丰富的片上外设：软件可编程等待周期发生器（SWWSR）和可编程分区转换逻辑电路（BSCR），片上锁相环时钟发生器，3个多通道缓冲串行口（McBSP），增强的8位并行主机接口（HPI），6通道的DMA控制器。芯片也可在低功耗情况下工作。图3-1 TMS320VC5409功能框图C5409的存储器空间可以分为3个可以单独选择的空间：8M字的程序空间，64K数据空间和64K I/O空间。程序存储器空间存放要执行的指令和执行中所使用的系数表；数据存储器空间存放执行指令所需要的数据；I/O存储空间与存储器映像外围设备向接口，也可以作为附加的数据存储器空间使用。C5409通过位于处理器工作方式状态寄存器中（PMST）的3个状态位可以方便地“使能”或“禁止”程序空间和数据空间的片内存储器。这3个状态位是：MP/MC位（为0，则片内ROM安排到程序空间；为1，片内ROM不安排到程序空间），OVLY位（为0，则片内RAM安排到程序和数据空间；为1，则片内RAM只安排到数据存储空间），和DROM位（为0，则部分片内ROM安排到数据空间；为1，则片内ROM不安排到数据空间），具体的存储器映射如图3-2 所示。图3-2 C5409存储器映射图3-3 C5409核心系统图3-3 为C5409除了芯片电源和地之外的电路连接图（芯片的电源和地的连接见附录），其中A22-A0是DSP的23根地址线，D15-D0是DSP的16根数据线。/ADBUSY是A/D的忙信号，当A/D转换完成时，信号变低，连接到CPLD中的ADBUSY上（在CPLD的内部，ADBUSY连接到C_INT0#(DSP的INT0)上），使用中断方式控制数据的读操作。本DSP使用的是10M的晶振，晶振的输出引脚连接到DSP的X2引脚，X1悬空。CLKMD2，1，0都连接到高电平，表示DSP启动时的运行频率为1/2倍的CLKIN（在本设计中即运行在5M的时钟下），这是因为设计初期，首先验证功能的完整性，待到硬件功能测试完成之后，才花更多的精力考虑运行效率；同时，如果考虑到从FLASH启动程序时，刚开始的时候也应该降低DSP启动时的运行频率，因为刚复位之后需要从外部FLASH读取启动代码到RAM中运行，如果DSP运行速度很快，而FLASH的读写速度比较慢，这样两者之间的速度的不匹配并不会让系统获得好的性能，反而有可能导致程序的错误；应该等到启动代码完全运行起来之后，再更改DSP的时钟使之运行在较高的频率上，才会让整个系统获得较为满意的性能。/DS、/PS、/IS、/MSTRB、/IOSTRB作为控制信号连接到CPLD的引脚上，经过一定的逻辑变换以后作为外部存储器和A/D的片选信号。MP/MC也接到拨码开关上，可选择加载方式。还有READY,EMU0,EMU1,HOLD,NMI,BIO,INT0INT3都加上拉电阻。将定时器的输出信号TOUT作为A/D模块的时钟输入来定时采样，并使用了一个通用IO口XF作为WK模块上模拟温箱的通断控制信号。3.1.2.2 电源电路本设计使用的电源电路是为AD765612提供的，同时也适合本设计使用的A/D芯片ADS7852，ADS7852只需要单一的模拟电压（+5V）。AD7656需要两套供电电源，模拟（9V，+5V）和数字（5V），并且中间不能有干扰。模拟选择器HCF405113需要5V的电源。5409核心11工作在1.8V，I/O口工作在3.3V。电源电路如图3-4 所示：图3-4 采集模块的电源电路图中P8为总电源接口，有12V，5V四种电压。将输入12V和+5V电压，送到AD7656，作为模数转换器核心的供电电源。其中+12V由7805变换后的+5V和-12V由7905变换后的-5V以产生多种供电电源满足模拟部分供电要求。D+5V是数字部分的+5V输入电压，经U6转换成1.8V，作为DSP核心供电电源。同时，设有一个电源指示灯，当VCC供电正常时，LED会亮，以帮助硬件调试。D5V,GND和A5V,AGND之间用磁珠隔离，它们作为AD50的电源。所以模拟地和数字地在设计时是分开的，通过磁珠将模拟地和数字地接在一起，如图中的L。每个输出电压都应该接有100uF或10uF的电解电容和0.01uF的瓷片电容，以滤除高频干扰和电压不稳而引起的电源质量问题。3.1.2.3 CPLD电路在整个设计中，所有的片选、和比较简单的逻辑功能都是由ALTERA可编程逻辑器件EPM7128AETC100完成14。在本设计中引脚分配如图3-5 所示：图3-5 CPLD的引脚分配图CPLD上的TMS、TDO、TCK、TDI是烧写CPLD的JTAG接口引脚。ADCS是对AD765612的片选信号，FLASH_CE#,FLASH_OE#,FLASH_WE#是对SST39VF400A操作信号,RAM_CE#,RAM_OE#,RAM_WE#是对CY7C1041CV33的操作信号，AD_OE和RD是AD7656的操作信号。它们都由A15-A12、/RW、/IOSTRB、/MSTRB、/IS、/DS、/PS和一个GPIO经过逻辑组合后生成的。RW是连接到DSP上的读写信号线，因为FLASH和SRAM需要单独的读写信号，注意的是R/W只是指示方向，而MSTRB才是真正的读写信号。串口1所有信号都接到CPLD中了，它们有两种用途，一种是其中两信号C_BDR1，C_BDX1可和T1OUT，T1IN相连，构成PC机串口。另一种是它们中的5个信号(C_BDR1只能输入，故排除)用作GPIO口输出，控制A,B,C,S_KZ1,S_KZ2。串口2的两信号C_BDX2和 C_BFSX2也用作GPIO口，作为LCD模块的串行数据线和时钟信号。CPLD_XF信号或C_BCLKR2,C_BCLKX2,C_BFSR2它们之一可和ADRST相连，对AD7656进行复位。INOUTCS,INIOCS用在LCD模块中作为74LVC245和74LVC273的使能控制。而BCS0BCS3、BRW和BRE用作DSP挂箱接口的控制。C_INT0是DSP的外部中断0，它与AD7656的ADBUSY相连。FTOUT是DSP的定时器输出。TOUT可以和FTOUT相连，作为AD50的时钟。FREE0FREE10是自由脚，可以和其它的任何信号相连。ECS0是外部模块的片选信号，用于选通GSM模块和温控模块。3.2 AD模块电路温度信号经过温控模块上的传感器电路转换为电压信号后为模拟信号，还需要进一步的转换为适合DSP处理和分析的数字信号，ADS7852是一种高速逐次逼近式A/D转换器，具有8路输入，并行12位输出，内部带2.5V基准电压，转换时间最大只需1.75us，ADS7852只需要单一5V电源供电，使得系统控制更加简单。其封装形式为32脚的TQFP，其中，AIN0AIN8为8路模拟输入，DB0DB11为12位数字输出，A0A2为8路模拟输入的地址选择；Vss为电源电压，VREF为外接参考电压，若不用可接2.2uF和0.1uF去耦电容各一个；AGND和DGND分别为模拟地和数字地，CLK为时钟输入（可以从200KHz到8MHz），BUSY为忙指示输出，CS、RD和WR分别为片选信号、读信号和写信号。图3-6 为设计中的A/D转换电路原理图，与DSP采用并行接口，由于ADS7852为12位并行输出，8位CPU必须分两次才能读入。第一次读低8位，同时将高4位送入外部锁存；第二次通过三态缓冲器将高4位读入。模块上的IN0IN7插孔对应于图中ADIN0ADIN7引脚，模块上的BUSY、CLK插孔分别对应于图中BUSY、CLK引脚，CS7852、CS244插孔分别为ADS7852和74LS244的选通信号，也可通过跳线选择，AOUT0、AOUT1插孔为两个模拟电压输出端，范围为05V，通过电位器K4、K5实现，电位器K1为2.5V参考电压调节端。图3-6 A/D转换电路原理图图3-7 为ADS7852的时序图，其中图（a）为启动与转换时序，图（b）为转换结果输出时序，转换后的数据被输出到并行数据总线上，DSP就可以进行输出电压信号的读操作。在DSP编程时需要注意时序的匹配。图3-7 AD7852时序图3.3 温控模块电路温度控制模块由温度信号采集电路、模拟温箱加热控制电路两部分组成。其中模拟温箱加热控制电路位于铁壳内，其上有AC220V电源接口。本模块中温度信号的采集采用热敏电阻，其阻值随温度的升高而减小。经运放LM358转换为A/D模块可以处理的电压信号。其原理图如图3-8所示： 如图3-8 温度采集电路室温(25)时，R11的阻值为10K。当温度上升到140时，阻值降为几欧。我们假设在此范围内，阻值随温度的变化是线性的。第一级CA358将电压信号放大，第二级CA358为电压跟随器。在实验中,我们假设温度从0变化到100，TEMP_OUT的输出从5V变化到0V,那么在室温(25)条件下,TEMP_OUT的输出近似为3.75V。因此每次实验前，必须调整10K电位器，使当前输出电压值与温度相匹配。对温度的控制是通过双向可控硅BT137控制加热电阻R12的加热时间来实现的。TLP521为直流光电隔离，1、2脚为输入端，3脚为输出端。MC3021为交流光电隔离，1、2脚为输入，4、6脚为输出。J3为220V交流电接口。IN_SYNC为电源端同步信号，OUT_SYNC为负载端同步信号。IN_SYNC、OUT_SYNC主要用于控制可控硅的导通角。其原理图如图3-9所示：铁壳上的POWER指示灯对应于图中D1，LOAD指示灯对应于图中D2，模块上HEAT指示灯对应于图中D4。模块上的HEATER、TEMP_OUT、P_SYNC、L_SYNC插孔分别对应于图中的HEAT（control）、TEMP_OUT、IN_SYNC、OUT_SYNC引脚。图3-9 模拟温箱加热控制电路3.4 GSM模块电路本模块由BENQ公司M22模块及外围接口电路组成。M22模块：1）产品特征三频GSM 模块，支持GSM900/DCS1800/PCS1900执行ETSI GSM Phase 2+的标准类别4（2W 900MHz）类别1（1W 1800/1900MHz）外部 3V SIM2）供电3.2V4.2V DC 1.5A通话时功耗：最小230毫安，最大260毫安待机模式：小于6毫安GPRS通信时：小于250毫安外部尺寸：55.5405.95 mm重量：13g（包括屏蔽的）3）短消息服务包括：点对点的MT&MO，短消息区域广播，回复呼叫信息，附加服务，呼叫转移，多方通话，呼叫限制，电话簿，固定号码呼叫，呼叫等待或保持，呼叫线路认证，记费，红外线SIM数据传输，回声取消，SIM 工具包，SIM 锁，USSD4）基本特征通话或紧急呼叫最高速率，升级最高速率和半速率双音多频功能（DTMF），5）数据特征数据线路异步传输和同步可达14,400 bits/s自动传真group3（class 1&2）通话和传真转换GPRS6）接口单一天线接口（for 900/1800/1900）通过AT指令控制44pin 引脚接口： 电源3V SIM 卡 和SIM卡监测1蜂鸣器输出，1麦克风输入串口接口1扬声器输出RS-232 串口连接支持:AT命令控制 (GSM 07.07 and 07.05)支持的波特率 300115,200 bits/s自动波特率监测(300 tp 38,400 bits/s)外围接口电路外围接口电路由电源、扩展接口电路、超级终端（PC）接口电路、SIM卡接口电路等组成。其原理图如图3-10所示，其中U1为通用异步串行收发器NS16C45015，用于与DSP接口；U2为电平转换芯片MAX3238，构成超级终端（PC）接口电路，实现电平转换及串口通信；J2为SIM卡插座接口，由M22模块控制；RS232为异步串行通信接口，用于直接与PC及通信。图3-10 GSM外围接口电路M22模块是通过一个通用异步串行收发器（UART）NS16C450与PC机相接口，NS16C450提供异步的串行接收数据，在发射机和接收机之间同时进行串/并转换和并/串转换，这些功能对将串行数据流转换成数字系统所需的并行数据流是很有必要的。串行数据流的同步化是通过给传输数据增加起始位和结束位作为数据标志来实现的（面向协议的特征）。给数据标志中还增加了奇偶校验位来保证数据的完整性。奇偶校验位可被数据接收机用来检测任何传输位的错误。这种制作在单晶硅上，并且包含了所有那些功能的电子电路是相当复杂的。NS16C450就是这样的一种高性能的整合体，它被设计为工作在高速、网络共享的环境中。NS16C450内部包含11个检测和控制寄存器，这些寄存器的功能分别为：数据保持寄存器（THR/RHR）、中断状态和控制寄存器（ISR/IER）、线路状态和控制寄存器（LSR/LCR）、调制状态和控制寄存器（MSR/M