基于ARM的GPRS無線數(shù)據(jù)終端設計畢業(yè)設計

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1、 山 東 科 技 大 學 本科畢業(yè)設計論文 題 目 基于ARM的GPRS無線數(shù)據(jù)終端設計 學 院 名 稱 山東科技大學 專 業(yè) 班 級 氣工程及其自動化10-4班 學 生 姓 名 學 號 201003201414 指 導 教 師 時間： 2012 年 6月 5 日 摘要 隨著嵌入式系統(tǒng)和GPRS無線網(wǎng)絡的發(fā)展，GPRS無線數(shù)據(jù)終端為工業(yè)生產中的遠距離數(shù)據(jù)傳輸帶來了更佳的傳輸途徑，擺脫了有線數(shù)據(jù)傳輸?shù)木?/p>

2、限性，極大地節(jié)省了后期維護費用，降低了成本，滿足了日益增長的工業(yè)需求。GPRS 無線數(shù)據(jù)終端的研究具有廣泛的意義和良好的商業(yè)前景。 本文主要設計并實現(xiàn)基于ARM的GPRS無線數(shù)據(jù)終端。該系統(tǒng)以ARM7系列微處理器為核心，通過AT指令控制自帶有完整TCP/IP協(xié)議棧的無線數(shù)據(jù)模塊。結合GPRS通信網(wǎng)絡的特點分析無線數(shù)據(jù)傳輸嵌入式系統(tǒng)的設計過程，給出系統(tǒng)的具體實現(xiàn)方案，提出硬件、軟件系統(tǒng)的設計流程、開發(fā)要點和實現(xiàn)過程。 本系統(tǒng)經(jīng)過幾個月的設計制作，較好的完成了 無線數(shù)據(jù)終端的各項功能。 關鍵詞：GPRS；嵌入式；ARM；AT指令；TCP/IP協(xié)議 ABSTRACT

3、With the development of embedded systems and GPRS wireless network, GPRS wireless data terminals has brought a better way of transmission for long-range data transmission in industrial production, getting rid of the limitations of wired data transmission, saving significantly in the later maintenanc

4、e costs , reducing costs and meeting the growing industrial demand. The research of the GPRS wireless data terminal has broad meanings and good business prospects. The paper mainly designs and implements the GPRS wireless data terminal based on ARM. The system depending on ARM7 family microprocesso

5、r can control wireless data module with a complete TCP / IP protocol stack through AT commands. Make an analysis of the design process of the embedded system for wireless data transmission, combined with GPRS communication network characteristics and give a specific system implementation including:

6、the hardware and software design process, development points and the implementation process. The design is completed for several months, implementing various functions of the wireless data terminal. Key words: GPRS; Embedded; ARM; AT command; TCP / IP protocol 目錄 1 緒論 1 1.1 研究背景 1 1.

7、2 通訊方式的現(xiàn)狀 2 1.3 研究具體任務和目的 4 2 系統(tǒng)總體方案設計 6 2.1 系統(tǒng)功能要求 6 2.2 系統(tǒng)組成 6 2.3 系統(tǒng)主要器件選型 7 2.2.1 主控器件的選擇 7 2.2.2 無線模塊的選擇 9 2.3 軟硬件開發(fā)工具選擇 9 2.4 系統(tǒng)語言與模塊化結構 10 2.4.1 AT指令集 10 2.4.2 C語言程序模塊化設計 11 3 硬件電路設計 12 3.1 電源電路設計 12 3.1.1 電源芯片選擇 12 3.1.2 電源電路具體設計 12 3.2 主控外圍電路 14 3.3 串口通信電路 15 3.4 電平轉換電路和部分

8、指示電路 17 3.5 無線模塊外圍電路設計 18 3.5.1 無線模塊插板電路 18 3.5.2 SIM卡電路 19 3.6 存儲模塊電路設計 20 4 軟件程序設計 22 4.1 軟件總體設計主流程 22 4.2 系統(tǒng)初始化 23 4.2.1 系統(tǒng)中斷初始化 23 4.2.2 主頻配置 24 4.2.3 UART初始化 26 4.2.4 定時器初始化 27 4.2.5 I2C初始化與鐵電存儲 28 4.2.6 參數(shù)配置初始化設計 31 4.3 TCP網(wǎng)絡連接 31 4.3.1 TCP/IP簡述 31 4.3.2 TCP連接的建立、維護與拆除 31 4.3.

9、3 系統(tǒng)TCP網(wǎng)絡連接過程 33 4.4 數(shù)據(jù)解析 34 4.5 數(shù)據(jù)的接收緩存處理 35 4.6 上下行數(shù)據(jù)傳輸 36 5 系統(tǒng)調試 37 5.1 硬件調試 37 5.2 軟件調試 38 6 總結與展望 39 6.1 總結 39 6.2 展望 41 參考文獻 43 致謝 45 附錄1 46 附錄2 47 17 1 緒論 1.1 研究背景 計算機與通信技術的不斷發(fā)展，極大地促進了工業(yè)領域及其它領域的自動化和信息化的發(fā)展。以前在工業(yè)領域大多采用由單片機構成的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和PC機通過串行口構成的微機系統(tǒng)，主要是針對于生產過程分布范圍不大、相距不遠的

10、場合，這些系統(tǒng)大多采用RS-232，RS-485或有線MODEM的通信方式，雖然經(jīng)濟實用，但是采用有線的數(shù)據(jù)傳輸方式，在很大程度上限制了應用場合的拓展。隨著企業(yè)生產規(guī)模不斷擴大，不同的生產部門可能在地域上分布極廣，相距遙遠，如電力、鐵路、采礦和石油等，這些部門要對相距遙遠的生產過程進行數(shù)據(jù)傳輸，如果還是沿用有線的傳輸方式，則在技術上和經(jīng)濟上都是不足取的。所以采用無線的方式來進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨缶腿找嫱怀隽恕? 在通信領域中，移動通信(GPRS)網(wǎng)則是這個領域中發(fā)展最積極最活躍最快的分支之一。GPRS(General Packet Radio Service)即通用分組無線業(yè)務，是在現(xiàn)有GSM網(wǎng)絡

11、上開通的一種新型的數(shù)據(jù)傳輸技術，GPRS采用分組交換方式，僅在實際傳送和接收數(shù)據(jù)時才占用無線資源。GPRS理論上可提供高達171.2kb／s的傳輸速率。除了速度上的優(yōu)勢外，GPRS還有“永遠在線"的特點，即用戶可隨時與網(wǎng)絡保持聯(lián)系。另外分組交換接入時間的縮短，能提供快速即時的連接，可大幅度提高一些事務的效率。利用現(xiàn)有的GPRS網(wǎng)絡資源，發(fā)揮網(wǎng)絡覆蓋率高、永遠在線等優(yōu)勢，為現(xiàn)有數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)提供一種便捷的無線傳輸方式。 嵌入式系統(tǒng)是一門交叉學科，其支柱學科包括微電子學科、計算機學科、電子技術學科和對象學科。微電子學科是嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的基礎，對象學科是嵌入式系統(tǒng)應用的歸屬學科，計算機與電子技術學科

12、是嵌入式系統(tǒng)技術發(fā)展的重要保證。美國著名未來學家尼葛洛龐帝在2001年訪華時曾預言，4．5年后，嵌入式智能電腦將是繼PC和Internet之后的最偉大發(fā)明。的確，在當今社會中，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應用于信息家電、移動通訊、手持通信終端、儀器儀表、航空航天以及工業(yè)控制等領域，為人們工作和生活帶來了極大的便利，是當前研究最為熱門的領域之一。 嵌入式系統(tǒng)被定義為：以應用為中心、以計算機技術為基礎、軟件硬件可裁剪、適應應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。它一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶的應用程序等四個部分組成。嵌入式系統(tǒng)以其本身體積小，實時性高

13、，穩(wěn)定性好，支持以太網(wǎng)等優(yōu)點，成為工控領域的新熱點。 如何利用嵌入式系統(tǒng)實現(xiàn)無線終端，并通過GPRS 無線網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸是一個具有實用意義的研究。本課題源自萊蕪一家科技公司，要求設計并實現(xiàn)適用于工業(yè)場合的GPRS無線數(shù)據(jù)終端設計。該終端作為數(shù)據(jù)傳輸終端的載體，有廣闊的市場和良好的商業(yè)前景。 1.2 通訊方式的現(xiàn)狀 隨著電子、計算機及信息科學技術的發(fā)展，通信系統(tǒng)的發(fā)展也非常迅速，目前，數(shù)據(jù)傳輸中主要的通信方式有以下幾種： (1)電話撥號(電話線，專線) 電話撥號主要有利用電話線通信和架設專線通信兩種方式。電話線：就是利用現(xiàn)有的公用電話網(wǎng)為依托，采用調制解調器和公用電話網(wǎng)的交換機系統(tǒng)，

14、在兩個通信實體之間建立起通信通道。專線方式：通信的網(wǎng)絡適合于傳輸數(shù)據(jù)量不大、實時性要求不高的場合。 (2)光纖通信(ADSL) 從現(xiàn)場運行情況來看，利用光纖通信時數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定，抗干擾能力強。這種方式在初期投資時較大，但隨著光通信設備的價格不斷下降，這種方式有可能成為比較實用的現(xiàn)場通信方式。 (3)基于GSM的短消息數(shù)據(jù)傳輸 GSM除語音業(yè)務外，另有基于短消息數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務。短消息限制每次傳送文本字符不超過160個，傳送給移動臺的短消息在用戶識別模塊(SIM)上存儲。與話音的傳輸建立和釋放過程不同，在GSM系統(tǒng)中，短消息是唯一一種不需要建立端到端的業(yè)務通道。由于具備這個特點，即使移動臺己處

15、于電路通信狀態(tài)，還能同時實現(xiàn)短信息業(yè)務。 (4)基于GPRS的分組數(shù)據(jù)傳輸 通用分組無線業(yè)務，是一種新的GSM數(shù)據(jù)傳輸服務，它將數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)包的形式在PLMN(公眾陸地移動電話網(wǎng))內或其他連接到PLMN的外部網(wǎng)絡間傳輸。主要針對突發(fā)性數(shù)據(jù)分組傳送的一種新業(yè)務，與短消息業(yè)務類似，提供兩類業(yè)務點到點業(yè)務和點到多點業(yè)務。多個GPRS用戶可以共享一個無線信道，而一個移動用戶也可以同時利用多個信道，因而GPRS用戶的實際通信速率非常靈活，可以低于l00kbps，也可以高于100kbps。在實際的遠程數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ胖?，如交通管理、電力系統(tǒng)、無線抄表等，可以采用GSM短消息、光纖接入等方式。GSM短消息方

16、式可以實現(xiàn)主動上報；缺點是按條收費，運行費用高，而且在節(jié)假日短消息中心服務器繁忙時延時相當長。光纖通信穩(wěn)定可靠，但是施工成本投入大、擴展性差、設備維護方面不方便。而GPRS通信則避免了以上問題。 1.3 研究具體任務和目的 GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)包括以下幾部分： (1)數(shù)據(jù)采集單元 由8／16位單片機功能電路承擔，完成數(shù)據(jù)采集(針對不同的應用場合，采集的數(shù)據(jù)有所不同)，一般通過RS232／485接口向下位機提供數(shù)據(jù)。 (2)下位機 主要負責監(jiān)測并接收數(shù)據(jù)采集單元提供的數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理，通過加密隧道向上位機傳輸數(shù)據(jù)；同時接收上位機下發(fā)命令，控制數(shù)據(jù)采集單元。應智能化需求，該功能單元

17、由32位微控制器承擔。這是該系統(tǒng)控制功能的核心單元。 (3)加密隧道或透明傳輸 數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ?。傳統(tǒng)為有線方式，對GPRS 無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)而言，則是GPRS無線傳輸隧道。加密是為了保證數(shù)據(jù)安全，不加密時為透明傳輸。 (4)上位機 由PC承擔，負責完成數(shù)據(jù)分析、處理、打印等工作；同時實現(xiàn)遠程控制下位機完成指定任務。該功能模塊由通用計算機系統(tǒng)來完成，可以不歸結為嵌入式系統(tǒng)的范疇。 本文關注的是下位機無線數(shù)據(jù)傳輸功能模塊的實現(xiàn)。通過GPRS網(wǎng)絡登錄已知公網(wǎng)IP，建立網(wǎng)絡連接實現(xiàn)數(shù)據(jù)無線透明傳輸。  2 系統(tǒng)總體方案設計 2.1 系統(tǒng)功能要求 GPRS無線數(shù)據(jù)終端

18、功能有：系統(tǒng)可以在7V- 40V寬電壓范圍供電，也可5V供電；具有232、485兩種通信接口；系統(tǒng)上電初始能夠通過串口對IP地址、網(wǎng)絡端口號等登陸參數(shù)進行配置且掉電參數(shù)非易失；自動登陸網(wǎng)絡建立TCP連接；能夠對下行數(shù)據(jù)進行解析處理完成數(shù)據(jù)的透明傳輸；支持心跳包發(fā)送，保持永久在線。 2.2 系統(tǒng)組成 根據(jù)系統(tǒng)功能要求系統(tǒng)大體分為五部分：電源部分、存儲部分、串口通信部分、系統(tǒng)主控部分、無線通信部分。電源部分為各功能模塊部分提供電源支持，主控部分與存儲部分為主從模式，存儲主要的參數(shù)和相關數(shù)據(jù)。通過串口通信部分完成參數(shù)配置和下位機數(shù)據(jù)交換的任務。主控部分完成數(shù)據(jù)的接受、發(fā)送、校驗、解析等處理

19、，通過和無線模塊的通信完成數(shù)據(jù)的無線透明傳輸。系統(tǒng)框圖如圖3.1所示。電源部分 串口部分 存儲部分 無線模塊 主控部分 圖 3.1 系統(tǒng)框圖 2.3 系統(tǒng)主要器件選型 因為GPRS無線數(shù)據(jù)終端應用于工業(yè)場合，所以對系統(tǒng)中用到的器件提出了比較苛刻的要求。由于工業(yè)環(huán)境一般比較惡劣，噪聲較多，對溫度范圍要求較寬，要使無線數(shù)據(jù)終端能夠在工業(yè)現(xiàn)場穩(wěn)定可靠的運行，所選器件必須考慮上述要求。 2.2.1 主控器件的選擇 作為系統(tǒng)控制核心的微控制器應該選擇工業(yè)級器件，同時要具有低成本、高可靠、靈活的擴展接口等特點。如今，ARM微處理器及技術的應用幾乎已經(jīng)深入到各個領域。采用ARM技術

20、的微處理器現(xiàn)在已經(jīng)遍及各類電子產品、汽車、消費娛樂和無線等市場，尤其是工業(yè)控制領域。從應用的廣泛度考慮，硬件平臺的核心選擇采用ARM微處理器／微控制器系列。這樣，不僅可以獲得良好的技術支持，降低研發(fā)風險，而且可以縮短上市時間，增強產品競爭力。 本文選擇了NXP公司的LPC2132作為系統(tǒng)的主控芯片。NXP公司的ARM內核主控芯片在業(yè)界是非常出色地。LPC2132是基于一個支持實時仿真和嵌入式跟蹤的32/16位ARM7 TDMI-STM CPU的微控制器，并帶有64kB的高速Flash存儲器。128位寬度的存儲器接口和獨特的加速結構使32位代碼能夠在最大時鐘速率下運行。對代碼規(guī)模有嚴格控制的應

21、用可使用16位Thumb模式將代碼規(guī)模降低超過