MSC1210的GPRS無線通信系統設計

引 言

近年來,通信技術和網絡技術的迅速發展,特別是無線通信技術的發展,使得電力系統的自動化程度進一步提高。gsm網絡出現后，技術人員很快把gsm模塊嵌入到各種儀表儀器中，如多功能電能表、故障測錄儀、抄表系統和用電負荷監控等，從而使這些儀表儀器具有遠程通信功能。

gprs是在現有gsm系統上發展出來的一種新的數據承載業務,支持tcp/ip協議，可以與分組數據網（internet等）直接互通。gprs無線傳輸系統的應用范圍非常廣泛，幾乎可以涵蓋所有的中低業務和低速率的數據傳輸，尤其適合突發的小流量數據傳輸業務。

本文設計的gprs無線通信模塊，內嵌了tcp/ip協議，采用工業級的gprs模塊，適用于單片機數據采集傳輸系統沒有tcp/ip協議棧，但使用串口通信的情況。

1 gprs通信原理及應用特點

1.1 gprs簡介

gprs是通用無線分組業務（general packet radio system）的縮寫，是介于第二代和第三代之間的一種技術，通常稱為2.5g。gprs采用與gsm相同的頻段、頻帶寬度、突發結構、無線調制標準、跳頻規則以及相同的tdma幀結構。因此，在gsm系統的基礎上構建gprs系統時，gsm系統中的絕大部分部件都不需要作硬件改動，只需作軟件升級。有了gprs，用戶的呼叫建立時間大大縮短，幾乎可以做到“永遠在線”。此外， gprs是以營運商傳輸的數據量而不是連接時間為基準來計費，從而令每個用戶的服務成本更低。

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網絡上引入兩個新的網絡節點： gprs服務支持節點(sgsn)和網關支持節點（ggsn）。sgsn和msc在同一等級水平，并跟蹤單個ms的存儲單元實現安全功能和接入控制，并通過幀中繼連接到基站系統。ggsn支持與外部分組交換網的互通，并經由基于ip的gprs骨干網和sgsn連通。圖1給出了gprs與internet連接原理框圖。

gprs終端通過接口從客戶系統取得數據，處理后的gprs分組數據發送到gsm基站。分組數據經sgsn封裝后，sgsn通過gprs骨干網與網關支持接點ggsn進行通信。ggsn對分組數據進行相應的處理，再發送到目的網絡，如internet或x.25網絡。

若分組數據是發送到另一個gprs終端，則數據由gprs骨干網發送到sgsn，再經bss發送到gprs終端。

2 嵌入式gprs通信系統的實現

2.1 gprs模塊的硬件設計

嵌入式gprs無線通信模塊主要由嵌入tcp/ip的單片機（msc1210y5）、gprs模塊、sim卡座、外部接口和擴展數據存儲器等部分組成。圖2是系統的硬件框圖。

msc1210控制gprs模塊接收和發送信息，通過標準rs232串口和外部控制器（比如數據采集端）進行數據通信。用軟件實現中斷，完成數據的轉發。

2.1.1 單片機模塊

單片機采用美國德州儀器公司最新推出的基于8051內核的msc1210y5。該芯片具有很強的數據處理能力，時鐘頻率為33 mhz，指令運行速度實際上與運行在99 mhz時鐘頻率下的標準8051內核相當。32 kb flash程序存儲器，256 b內部ram和1024 b片上sram，2 kb啟動rom，支持串行和并行的在系統編程。雙數據指針dptr0和dptr1可加快數據塊的移動速度。

其主要實現過程如下：

① 通過at指令初始化gprs無線模塊，使之附著在gpsr網絡上，獲得網絡運營商動態分配的gprs終端ip地址，并與目的終端建立連接。

② 通過串口0擴展max232標準串口和外部控制器（例如數據采集端）連接，外部控制器端接出標準串口，按照約好的協議可很容易利用本設計的控制器進行通信。

③ 復用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個端口分別接到gprs模塊對應的剩余rs232通信口，通過軟件置位完成對mc35的初始化和控制gprs模塊的收發數據。

2.1.2 擴展數據存儲器部分

msc1210的flash存儲器可全部作為flash程序存儲器，也可以全部作為數據flash程序。因為要嵌入實時操作系統和網絡協議，需要一定的空間，因此將其全部用作程序存儲器，而通過74hc573作為地址鎖存器，擴展6264作為外部數據存儲器，8 kb的數據存儲空間足夠程序正常運行。

圖3給出了msc1210與數據存儲器之間的硬件連接圖。

2.1.3 gprs無線數傳模塊

gprs無線模塊作為終端的無線收發模塊，把從單片機發送過來的ip包或基站傳來的分組數據進行相應的處理后再轉發。

gprs模塊采用德國simens公司生產的mc35模塊。mc35模塊主要由射頻天線、內部flash、sram、gsm基帶處理器、匹配電源和一個40腳的zif插座組成。gsm基帶處理器是核心部件，其作用相當于一個協議處理器，用來處理外部系統通過串口發送at指令。射頻天線部分主要實現信號的調制和解調，以及外部射頻信號與內部基帶處理器之間的信號轉換。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將外部電壓轉換成3.3 v工作電壓。

啟動電路由三極管和上電復位電路組成，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。啟動后，15腳信號應保持高電平。

mc35在zif連接器上為sim卡接口預留的引腳數為6個，要注意的是，ccin引腳用來檢測sim卡座是否插有sim卡。當插入sim卡，該引腳置為高電平時，系統方可進入正常工作。

sync引腳有兩種工作模式：一種是指示發射狀態時的功率增長情況，另一種是指示mc35的工組狀態。本設計中使用后一種模式，led熄滅時，表明mc35處于關閉或睡眠狀態；當led為600 ms亮/600 ms熄時，表明sim卡沒有插入或mc35正在進行網絡登陸；當led為75 ms亮/3 s熄時，表明mc35已登陸進網絡，處于待機狀態。

2.2 單片機通信程序設計

軟件中的所有代碼都用c語言編寫,在keil環境中編譯。keil是keil software公司為8051及其兼容產品提供的專門開發工具，它支持在系統調試。keil中c51編譯器很好地集成了rtx多任務實時操作系統，編寫程序時,需在源代碼頭加入“＃incluede rtx51.h”。所有代碼調試通過后經由ti downloader下載到存儲器中。

目前，絕大多數基于gprs網絡應用系統所使用的gprs模塊不支持tcp/ip協議。也就是說，要想工作在相同的網絡層面上,其內部傳輸的數據必須都要采用相同的協議，所以除了利用gprs模塊的功能外，必須在單片機系統中嵌入按tcp/ip和ppp協議標準編寫的程序，從而使設計的終端設備能夠方便的應用gprs數據分組業務。

2.2.1 tcp/ip協議的嵌入

有很多種方法可以完成協議轉換，本設計利用在嵌入式實時操作系統rtx51中移值部分ip和ppp協議來增強系統的可擴展性和產品開發的可延續性。

tcp/ip協議是一個標準協議套件，可以用分層模型來描述。數據打包處理數據時，每一層把自己的信息添加到一個數據頭中，而這個數據頭又被下一層中的協議包裝到數據體中。數據解包處理程序接收到gprs數據時，把相應的數據頭剝離，并把數據包的其余部分當作數據體對待。

考慮到嵌入式系統的特點，本設計采用了系統開銷較小的ip+udp協議來實現gprs通信。主機發送的udp數據報文經gprs通道傳送給gprs通信模塊， gprs通信模塊負責對數據報進行解析，解析后的數據按照一定的波特率串行傳送給用戶終端。

2.2.2 數據處理

數據包在主機和gprs服務器群中傳輸使用的是基于ip的分組，即所有的數據報文都要基于ip包。但明文傳送ip包不可取，故一般使用ppp協議進行傳輸。模塊向網關發送ppp報文都會傳送到internet網中相應的地址，而從internet傳送過來的應答幀也同樣會根據ip地址傳送到gpsr模塊,從而實現采集數據和internet網絡通過gprs模塊的透明傳輸。

要注意的是，gsm網絡無靜態ip地址，故其他通信設備不能向它提出建立連接請求，監控中心必須擁有一個固定的ip，以便監測終端可以在登陸gsm網絡后通過該ip找到監控中心。關于這一點，很容易解決，只需在電信申請相應的服務就可以了。

gprs模塊登陸上gsm網絡后，自動連接到數據中心，向數據中心報告其ip地址，并保持和維護數據鏈路的連接。gprs監測鏈路的連接情況，一旦發生異常，gprs模塊自動重新建立鏈路，數據中心和gprs模塊之間就可以通過i地址通過udp/ip協議進行雙向通信，實現透明的可靠數據傳輸。

3 上位機監控中心的設計

監控中心的功能是實現gprs信息的接收和保存。設計語言采用microsoft公司的visual c++編程語言，c＋＋語言應用靈活，功能強大，并對網絡編程和數據庫有強大的支持。

由于通過gprs，中心監控部分可以直接訪問互聯網，所以監控部分并不需要再設置gprs模塊。中心只需通過中心軟件幀聽網絡，接收gprs無線模塊傳來的udp協議的ip包和發送上位機控制信息，以實現與gprs終端的ip協議通信。接收到的信息要保存到中心的數據庫中,以備查歷史記錄。數據庫采用access,vc編制的界面窗口通過ado訪問access中的數據。需要說明的是，筆者是通過socket接收網絡終端信息的。

socket接口是tcp/ip網絡的api，socket接口定義了許多函數和例程，程序員可以利用它來開發tcp/ip網絡上的應用程序。vc中的mfc類提供了casyncsocket這樣一個套接字類，用它來實現socket編程非常方便。本設計中采用數據報文式的socket，它是一種無連接的socket，對應于無連接的udp服務應用。

casyncsocket類用docallback函數處理mfc消息，當一個網絡事件發生時，docallback函數按照網絡事件類型：fd_rea d、fd_write、fd_accept和fd_connect分別調用onreceive、onsend、onaccept和onconnect函數，驅動相應的事件，完成網絡數據通信過程。

4 結論

本文采用嵌入式tcp/ip協議，通過高速8位單片機實現gprs業務的數據傳輸功能，具有外圍電路少，電路簡單，系統成本低等優點。通過標準rs232串口和外部控制器連接，只需按照預先規定的協議就可互相通信，通用性較強。系統軟件均使用c語言編寫，稍加改動就可以在各種控制器上實現，可移植性也較強。

基于gprs的系統也有一定的缺點，例如，現在的gprs網還不夠穩定，有丟包的現象；主控制器要實現ip協議，使用起來比較復雜；上位機基于互聯網的解決方案保密性較差等。上述問題經過精心設計是可以避免和解決的，所以基于gprs的設計仍具有無可比擬的優勢。