基于ARM的GPRS無線數(shù)據(jù)終端設(shè)計畢業(yè)設(shè)計

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1、 山 東 科 技 大 學(xué) 本科畢業(yè)設(shè)計論文 題 目 基于ARM的GPRS無線數(shù)據(jù)終端設(shè)計 學(xué) 院 名 稱 山東科技大學(xué) 專 業(yè) 班 級 氣工程及其自動化10-4班 學(xué) 生 姓 名 學(xué) 號 201003201414 指 導(dǎo) 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(luò)的發(fā)展，GPRS無線數(shù)據(jù)終端為工業(yè)生產(chǎn)中的遠(yuǎn)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(hù)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(shè)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(jié)合GPRS通信網(wǎng)絡(luò)的特點分析無線數(shù)據(jù)傳輸嵌入式系統(tǒng)的設(shè)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(shè)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(shè)計制作，較好的完成了 無線數(shù)據(jù)終端的各項功能。 關(guān)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(wù)和目的 4 2 系統(tǒng)總體方案設(shè)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(jié)構(gòu) 10 2.4.1 AT指令集 10 2.4.2 C語言程序模塊化設(shè)計 11 3 硬件電路設(shè)計 12 3.1 電源電路設(shè)計 12 3.1.1 電源芯片選擇 12 3.1.2 電源電路具體設(shè)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(zhuǎn)換電路和部分

8、指示電路 17 3.5 無線模塊外圍電路設(shè)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(shè)計 20 4 軟件程序設(shè)計 22 4.1 軟件總體設(shè)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(shè)計 31 4.3 TCP網(wǎng)絡(luò)連接 31 4.3.1 TCP/IP簡述 31 4.3.2 TCP連接的建立、維護(hù)與拆除 31 4.3.

9、3 系統(tǒng)TCP網(wǎng)絡(luò)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(diào)試 37 5.1 硬件調(diào)試 37 5.2 軟件調(diào)試 38 6 總結(jié)與展望 39 6.1 總結(jié) 39 6.2 展望 41 參考文獻(xiàn) 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(jī)與通信技術(shù)的不斷發(fā)展，極大地促進(jìn)了工業(yè)領(lǐng)域及其它領(lǐng)域的自動化和信息化的發(fā)展。以前在工業(yè)領(lǐng)域大多采用由單片機(jī)構(gòu)成的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和PC機(jī)通過串行口構(gòu)成的微機(jī)系統(tǒng)，主要是針對于生產(chǎn)過程分布范圍不大、相距不遠(yuǎn)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(jì)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(yīng)用場合的拓展。隨著企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，不同的生產(chǎn)部門可能在地域上分布極廣，相距遙遠(yuǎn)，如電力、鐵路、采礦和石油等，這些部門要對相距遙遠(yuǎn)的生產(chǎn)過程進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，如果還是沿用有線的傳輸方式，則在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上都是不足取的。所以采用無線的方式來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨缶腿找嫱怀隽恕? 在通信領(lǐng)域中，移動通信(GPRS)網(wǎng)則是這個領(lǐng)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(wù)，是在現(xiàn)有GSM網(wǎng)絡(luò)

11、上開通的一種新型的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，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(dá)171.2kb／s的傳輸速率。除了速度上的優(yōu)勢外，GPRS還有“永遠(yuǎn)在線"的特點，即用戶可隨時與網(wǎng)絡(luò)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(wù)的效率。利用現(xiàn)有的GPRS網(wǎng)絡(luò)資源，發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)覆蓋率高、永遠(yuǎn)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(xué)科，其支柱學(xué)科包括微電子學(xué)科、計算機(jī)學(xué)科、電子技術(shù)學(xué)科和對象學(xué)科。微電子學(xué)科是嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的基礎(chǔ)，對象學(xué)科是嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的歸屬學(xué)科，計算機(jī)與電子技術(shù)學(xué)科

12、是嵌入式系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的重要保證。美國著名未來學(xué)家尼葛洛龐帝在2001年訪華時曾預(yù)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(dāng)今社會中，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)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(lǐng)域，為人們工作和生活帶來了極大的便利，是當(dāng)前研究最為熱門的領(lǐng)域之一。 嵌入式系統(tǒng)被定義為：以應(yīng)用為中心、以計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計算機(jī)系統(tǒng)。它一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶的應(yīng)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(lǐng)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(luò)進(jìn)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(shè)計并實現(xiàn)適用于工業(yè)場合的GPRS無線數(shù)據(jù)終端設(shè)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(jī)及信息科學(xué)技術(shù)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(shè)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(diào)制解調(diào)器和公用電話網(wǎng)的交換機(jī)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(luò)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(qiáng)。這種方式在初期投資時較大，但隨著光通信設(shè)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(wù)外，另有基于短消息數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)。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(wù)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(wù)。 (4)基于GPRS的分組數(shù)據(jù)傳輸 通用分組無線業(yè)務(wù)，是一種新的GSM數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，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(nèi)或其他連接到PLMN的外部網(wǎng)絡(luò)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(wù)，與短消息業(yè)務(wù)類似，提供兩類業(yè)務(wù)點到點業(yè)務(wù)和點到多點業(yè)務(wù)。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(yuǎn)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(wù)器繁忙時延時相當(dāng)長。光纖通信穩(wěn)定可靠，但是施工成本投入大、擴(kuò)展性差、設(shè)備維護(hù)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(wù)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(jī)功能電路承擔(dān)，完成數(shù)據(jù)采集(針對不同的應(yīng)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(jī)提供數(shù)據(jù)。 (2)下位機(jī) 主要負(fù)責(zé)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(jī)傳輸數(shù)據(jù)；同時接收上位機(jī)下發(fā)命令，控制數(shù)據(jù)采集單元。應(yīng)智能化需求，該功能單元

17、由32位微控制器承擔(dān)。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(jī) 由PC承擔(dān)，負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)分析、處理、打印等工作；同時實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制下位機(jī)完成指定任務(wù)。該功能模塊由通用計算機(jī)系統(tǒng)來完成，可以不歸結(jié)為嵌入式系統(tǒng)的范疇。 本文關(guān)注的是下位機(jī)無線數(shù)據(jù)傳輸功能模塊的實現(xiàn)。通過GPRS網(wǎng)絡(luò)登錄已知公網(wǎng)IP，建立網(wǎng)絡(luò)連接實現(xiàn)數(shù)據(jù)無線透明傳輸。  2 系統(tǒng)總體方案設(shè)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(luò)端口號等登陸參數(shù)進(jìn)行配置且掉電參數(shù)非易失；自動登陸網(wǎng)絡(luò)建立TCP連接；能夠?qū)ο滦袛?shù)據(jù)進(jìn)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(guān)數(shù)據(jù)。通過串口通信部分完成參數(shù)配置和下位機(jī)數(shù)據(jù)交換的任務(wù)。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(yīng)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(yīng)該選擇工業(yè)級器件，同時要具有低成本、高可靠、靈活的擴(kuò)展接口等特點。如今，ARM微處理器及技術(shù)的應(yīng)用幾乎已經(jīng)深入到各個領(lǐng)域。采用ARM技術(shù)

20、的微處理器現(xiàn)在已經(jīng)遍及各類電子產(chǎn)品、汽車、消費娛樂和無線等市場，尤其是工業(yè)控制領(lǐng)域。從應(yīng)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(shù)支持，降低研發(fā)風(fēng)險，而且可以縮短上市時間，增強(qiáng)產(chǎn)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(nèi)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(jié)構(gòu)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(yán)格控制的應(yīng)

21、用可使用16位Thumb模式將代碼規(guī)模降低超過