MSC1210的GPRS無(wú)線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 GPRS通信原理及應(yīng)用特點(diǎn)

1．1 GPRS簡(jiǎn)介

GPRS是通用無(wú)線分組業(yè)務(wù)(General Packet Radio System)的縮寫，是介于第二代和第三代之間的一種技術(shù)，通常稱為2．5G。GPRS采用與GSM相同的頻段、頻帶寬度、突發(fā)結(jié)構(gòu)、無(wú)線調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)、跳頻規(guī)則以及相同的TD-MA幀結(jié)構(gòu)。因此，在GSM系統(tǒng)的基礎(chǔ)上構(gòu)建GPRS系統(tǒng)時(shí)，GSM系統(tǒng)中的絕大部分部件都不需要作硬件改動(dòng)，只需作軟件升級(jí)。有了GPRS，用戶的呼叫建立時(shí)間大大縮短，幾乎可以做到“永遠(yuǎn)在線”。此外，GPRS是以營(yíng)運(yùn)商傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量而不是連接時(shí)間為基準(zhǔn)來(lái)計(jì)費(fèi)，從而令每個(gè)用戶的服務(wù)成本更低。

1．2基本工作原理

GPRS是在原有的基于電路交換(CSD)方式的GSM網(wǎng)絡(luò)上引入兩個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)：GPRS服務(wù)支持節(jié)點(diǎn)(SG-SN)和網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn)(GGSN)。SGSN和MSC在同一等級(jí)水平，并跟蹤單個(gè)MS的存儲(chǔ)單元實(shí)現(xiàn)安全功能和接入控制，并通過(guò)幀中繼連接到基站系統(tǒng)。GGSN支持與外部分組交換網(wǎng)的互通，并經(jīng)由基于IP的GPRS骨干網(wǎng)和SGSN連通。圖1給出了GPRS與Internet連接原理框圖。

GPRS終端通過(guò)接口從客戶系統(tǒng)取得數(shù)據(jù)，處理后的GPRS分組數(shù)據(jù)發(fā)送到GSM基站。分組數(shù)據(jù)經(jīng)SGSN封裝后，SGSN通過(guò)GPRS骨干網(wǎng)與網(wǎng)關(guān)支持接點(diǎn)GGSN進(jìn)行通信。GGSN對(duì)分組數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理，再發(fā)送到目的網(wǎng)絡(luò)，如Internet或X.25網(wǎng)絡(luò)。

若分組數(shù)據(jù)是發(fā)送到另一個(gè)GPRS終端，則數(shù)據(jù)由GPRS骨干網(wǎng)發(fā)送到SGSN，再經(jīng)BSS發(fā)送到GPRS終端。

2 嵌入式GPRS通信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2．1 GPRS模塊的硬件設(shè)計(jì)

嵌入式GPRS無(wú)線通信模塊主要由嵌入TCP／IP的單片機(jī)(MSC1210Y5)、GPRS模塊、SIM卡座、外部接口和擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器等部分組成。圖2是系統(tǒng)的硬件框圖。

MSC1210控制GPRS模塊接收和發(fā)送信息，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)RS232串口和外部控制器(比如數(shù)據(jù)采集端)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。用軟件實(shí)現(xiàn)中斷，完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。

2．1．1 單片機(jī)模塊

單片機(jī)采用美國(guó)德州儀器公司最新推出的基于8051內(nèi)核的MSC1210Y5。該芯片具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，時(shí)鐘頻率為33MHz，指令運(yùn)行速度實(shí)際上與運(yùn)行在99MHz時(shí)鐘頻率下的標(biāo)準(zhǔn)8051內(nèi)核相當(dāng)。32KB Flash程序存儲(chǔ)器，256 B內(nèi)部RAM和1024 B片上SRAM，2 KB啟動(dòng)ROM，支持串行和并行的在系統(tǒng)編程。雙數(shù)據(jù)指針DPTR0和DPTRl可加快數(shù)據(jù)塊的移動(dòng)速度。

其主要實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：

①通過(guò)AT指令初始化GPRS無(wú)線模塊，使之附著在GPSR網(wǎng)絡(luò)上，獲得網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商動(dòng)態(tài)分配的GPRS終端IP地址，并與目的終端建立連接。

②通過(guò)串口0擴(kuò)展MAX232標(biāo)準(zhǔn)串口和外部控制器(例如數(shù)據(jù)采集端)連接，外部控制器端接出標(biāo)準(zhǔn)串口，按照約好的協(xié)議可很容易利用本設(shè)計(jì)的控制器進(jìn)行通信。

③復(fù)用P1．2和P1．3，也就是串口1分別和GPRS模塊的TXD0和RXD0連接，P1口的其他6個(gè)端口分別接到GPRS模塊對(duì)應(yīng)的剩余RS232通信口，通過(guò)軟件置位完成對(duì)MC35的初始化和控制GPRS模塊的收發(fā)數(shù)據(jù)。

2．1．2 擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器部分

MSC1210的Flash存儲(chǔ)器可全部作為Flash程序存儲(chǔ)器，也可以全部作為數(shù)據(jù)Flash程序。因?yàn)橐度雽?shí)時(shí)操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，需要一定的空間，因此將其全部用作程序存儲(chǔ)器，而通過(guò)74HC573作為地址鎖存器，擴(kuò)展6264作為外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，8KB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間足夠程序正常運(yùn)行。

圖3給出了MSC12lO與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器之間的硬件連接圖。

2．1．3 GPRS無(wú)線數(shù)傳模塊

GPRS無(wú)線模塊作為終端的無(wú)線收發(fā)模塊，把從單片機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的IP包或基站傳來(lái)的分組數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理后再轉(zhuǎn)發(fā)。

GPRS模塊采用德國(guó)Simens公司生產(chǎn)的MC35模塊。MC35模塊主要由射頻天線、內(nèi)部Flash、SRAM、GSM基帶處理器、匹配電源和一個(gè)40腳的ZIF插座組成。GSM基帶處理器是核心部件，其作用相當(dāng)于一個(gè)協(xié)議處理器．用來(lái)處理外部系統(tǒng)通過(guò)串口發(fā)送AT指令。射頻天線部分主要實(shí)現(xiàn)信號(hào)的調(diào)制和解調(diào)，以及外部射頻信號(hào)與內(nèi)部基帶處理器之間的信號(hào)轉(zhuǎn)換。匹配電源為處理器基射頻部分提供所需的電源。MC35外圍電路如圖4所示。

AS2815將外部電壓轉(zhuǎn)換成3.3V工作電壓。

啟動(dòng)電路由三極管和上電復(fù)位電路組成，模塊上電后，為使之正常工作，必須在15腳加至少為100 ms的低電平信號(hào)。啟動(dòng)后，15腳信號(hào)應(yīng)保持高電平。

MC35在ZIF連接器上為SIM卡接口預(yù)留的引腳數(shù)為6個(gè)，要注意的是，CCIN引腳用來(lái)檢測(cè)SIM卡座是否插有SIM卡。當(dāng)插入SIM卡，該引腳置為高電平時(shí)，系統(tǒng)方可進(jìn)入正常工作。

SYNC引腳有兩種工作模式：一種是指示發(fā)射狀態(tài)時(shí)的功率增長(zhǎng)情況，另一種是指示MC35的工組狀態(tài)。本設(shè)計(jì)中使用后一種模式，LED熄滅時(shí)，表明MC35處于關(guān)閉或睡眠狀態(tài)；當(dāng)LED為600 ms亮／600 ms熄時(shí)，表明SIM卡沒(méi)有插入或MC35正在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)登陸；當(dāng)LED為75 ms亮/3 s熄時(shí)，表明MC35已登陸進(jìn)網(wǎng)絡(luò)，處于待機(jī)狀態(tài)。

2．2 單片機(jī)通信程序設(shè)計(jì)

軟件中的所有代碼都用C語(yǔ)言編寫，在Keil環(huán)境中編譯。Keil是Keil Software公司為8051及其兼容產(chǎn)品提供的專門開(kāi)發(fā)工具，它支持在系統(tǒng)調(diào)試。Keil中C51編譯器很好地集成了RTX多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，編寫程序時(shí)，需在源代碼頭加入“#incluede rtx51.h”。所有代碼調(diào)試通過(guò)后經(jīng)由TI Downloader下載到存儲(chǔ)器中。

目前，絕大多數(shù)基于GPRS網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)所使用的GPRS模塊不支持TCP／IP協(xié)議。也就是說(shuō)，要想工作在相同的網(wǎng)絡(luò)層面上，其內(nèi)部傳輸?shù)臄?shù)據(jù)必須都要采用相同的協(xié)議，所以除了利用GPRS模塊的功能外，必須在單片機(jī)系統(tǒng)中嵌入按TCP／IP和PPP協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)編寫的程序，從而使設(shè)計(jì)的終端設(shè)備能夠方便的應(yīng)用GPRS數(shù)據(jù)分組業(yè)務(wù)。

2．2．1 TCP／IP協(xié)議的嵌入

有很多種方法可以完成協(xié)議轉(zhuǎn)換，本設(shè)計(jì)利用在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTX51中移值部分IP和PPP協(xié)議來(lái)增強(qiáng)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的可延續(xù)性。

TCP／IP協(xié)議是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議套件，可以用分層模型來(lái)描述。數(shù)據(jù)打包處理數(shù)據(jù)時(shí)，每一層把自己的信息添加到一個(gè)數(shù)據(jù)頭中，而這個(gè)數(shù)據(jù)頭又被下一層中的協(xié)議包裝到數(shù)據(jù)體中。數(shù)據(jù)解包處理程序接收到GPRS數(shù)據(jù)時(shí)，把相應(yīng)的數(shù)據(jù)頭剝離，并把數(shù)據(jù)包的其余部分當(dāng)作數(shù)據(jù)體對(duì)待。

考慮到嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用了系統(tǒng)開(kāi)銷較小的IP+UDP協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)GPRS通信。主機(jī)發(fā)送的UDP數(shù)據(jù)報(bào)文經(jīng)GPRS通道傳送給GPRS通信模塊，GPRS通信模塊負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)報(bào)進(jìn)行解析，解析后的數(shù)據(jù)按照一定的波特率串行傳送給用戶終端。

2．2．2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)包在主機(jī)和GPRS服務(wù)器群中傳輸使用的是基于IP的分組，即所有的數(shù)據(jù)報(bào)文都要基于IP包。但明文傳送IP包不可取，故一般使用PPP協(xié)議進(jìn)行傳輸。模塊向網(wǎng)關(guān)發(fā)送PPP報(bào)文都會(huì)傳送到Internet網(wǎng)中相應(yīng)的地址，而從Internet傳送過(guò)來(lái)的應(yīng)答幀也同樣會(huì)根據(jù)IP地址傳送到GPSR模塊，從而實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)和Internet網(wǎng)絡(luò)通過(guò)GPRS模塊的透明傳輸。

要注意的是，GSM網(wǎng)絡(luò)無(wú)靜態(tài)IP地址，故其他通信設(shè)備不能向它提出建立連接請(qǐng)求，監(jiān)控中心必須擁有一個(gè)固定的IP，以便監(jiān)測(cè)終端可以在登陸GSM網(wǎng)絡(luò)后通過(guò)該IP找到監(jiān)控中心。關(guān)于這一點(diǎn)，很容易解決，只需在電信申請(qǐng)相應(yīng)的服務(wù)就可以了。

GPRS模塊登陸上GSM網(wǎng)絡(luò)后，自動(dòng)連接到數(shù)據(jù)中心，向數(shù)據(jù)中心報(bào)告其IP地址，并保持和維護(hù)數(shù)據(jù)鏈路的連接。GPRS監(jiān)測(cè)鏈路的連接情況，一旦發(fā)生異常，GPRS模塊自動(dòng)重新建立鏈路，數(shù)據(jù)中心和GPRS模塊之間就可以通過(guò)I地址通過(guò)UDP／IP協(xié)議進(jìn)行雙向通信，實(shí)現(xiàn)透明的可靠數(shù)據(jù)傳輸。

3 上位機(jī)監(jiān)控中心的設(shè)計(jì)

監(jiān)控中心的功能是實(shí)現(xiàn)GPRS信息的接收和保存。設(shè)計(jì)語(yǔ)言采用Microsoft公司的Visual C++編程語(yǔ)言，C++語(yǔ)言應(yīng)用靈活，功能強(qiáng)大，并對(duì)網(wǎng)絡(luò)編程和數(shù)據(jù)庫(kù)有強(qiáng)大的支持。

由于通過(guò)GPRS．中心監(jiān)控部分可以直接訪問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)，所以監(jiān)控部分并不需要再設(shè)置GPRS模塊。中心只需通過(guò)中心軟件幀聽(tīng)網(wǎng)絡(luò)，接收GPRS無(wú)線模塊傳來(lái)的UDP協(xié)議的IP包和發(fā)送上位機(jī)控制信息，以實(shí)現(xiàn)與GPRS終端的IP協(xié)議通信。接收到的信息要保存到中心的數(shù)據(jù)庫(kù)中，以備查歷史記錄。數(shù)據(jù)庫(kù)采用Access，VC編制的界面窗口通過(guò)AD()訪問(wèn)Access中的數(shù)據(jù)。需要說(shuō)明的是，筆者是通過(guò)Socket接收網(wǎng)絡(luò)終端信息的。

Socket接口是TCP／IP網(wǎng)絡(luò)的API，Socket接口定義了許多函數(shù)和例程，程序員可以利用它來(lái)開(kāi)發(fā)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)上的應(yīng)用程序。VC中的MFC類提供了CAsyncSocket這樣一個(gè)套接字類，用它來(lái)實(shí)現(xiàn)Socket編程非常方便。本設(shè)計(jì)中采用數(shù)據(jù)報(bào)文式的Socket,它是一種無(wú)連接的
Socket，對(duì)應(yīng)于無(wú)連接的UDP服務(wù)應(yīng)用。

CAsyncSocket：類用DoCallBack函數(shù)處理MFC消息，當(dāng)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)事件發(fā)生時(shí)，DoCallBack函數(shù)按照網(wǎng)絡(luò)事件類型：FD_READ、FD_WRITE、FD_ACCEPT和FD_CON-NECT分別調(diào)用OnReceive、OnSend、OnAccept和OnCon-nect函數(shù)，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的事件，完成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信過(guò)程。

4 結(jié)論

本文采用嵌入式TCP／IP協(xié)議，通過(guò)高速8位單片機(jī)實(shí)現(xiàn)GPRS業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)傳輸功能，具有外圍電路少，電路簡(jiǎn)單，系統(tǒng)成本低等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)RS232串口和外部控制器連接，只需按照預(yù)先規(guī)定的協(xié)議就可互相通信，通用性較強(qiáng)。系統(tǒng)軟件均使用C語(yǔ)言編寫，稍加改動(dòng)就可以在各種控制器上實(shí)現(xiàn)，可移植性也較強(qiáng)。

基于GPRS的系統(tǒng)也有一定的缺點(diǎn)，例如，現(xiàn)在的GPRS網(wǎng)還不夠穩(wěn)定，有丟包的現(xiàn)象；主控制器要實(shí)現(xiàn)IP協(xié)議，使用起來(lái)比較復(fù)雜；上位機(jī)基于互聯(lián)網(wǎng)的解決方案保密性較差等。上述問(wèn)題經(jīng)過(guò)精細(xì)設(shè)計(jì)是可以避免和解決的，所以基于GPRS的設(shè)計(jì)仍具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。