摘要 以GSM网络为数据无线传输网络,设计一个基于GPRS数据传输的通信终端。通过在单片机系统中嵌入PPP和TCP/IP协议,实现端到端的GPRS分组业务功能。文中还详细介绍MSC1210单片机与GPRS模块通信接口的硬件和软件实现。

关键词 GPRS 无线通信 MSC1210

引言

　　近年来,通信技术和网络技术的迅速发展,特别是无线通信技术的发展,使得电力系统的自动化程度进一步提高。GSM网络出现后,技术人员很快把GSM模块嵌入到各种仪表仪器中,如多功能电能表、故障测录仪、抄表系统和用电负荷监控等,从而使这些仪表仪器具有远程通信功能。

　　GPRS是在现有GSM系统上发展出来的一种新的数据承载业务,支持TCP/IP协议,可以与分组数据网（Internet等）直接互通。GPRS无线传输系统的应用范围非常广泛,几乎可以涵盖所有的中低业务和低速率的数据传输,尤其适合突发的小流量数据传输业务。

　　本文设计的GPRS无线通信模块,内嵌了TCP/IP协议,采用工业级的GPRS模块,适用于单片机数据采集传输系统没有TCP/IP协议栈,但使用串口通信的情况。

1  GPRS通信原理及应用特点

1.1  GPRS简介

　　GPRS是通用无线分组业务（General Packet Radio System）的缩写,是介于第二代和第三代之间的一种技术,通常称为2.5G。GPRS采用与GSM相同的频段、频带宽度、突发结构、无线调制标准、跳频规则以及相同的TDMA帧结构。因此,在GSM系统的基础上构建GPRS系统时,GSM系统中的绝大部分部件都不需要作硬件改动,只需作软件升级。有了GPRS,用户的呼叫建立时间大大缩短,几乎可以做到“永远在线”。此外, GPRS是以营运商传输的数据量而不是连接时间为基准来计费,从而令每个用户的服务成本更低。

1.2  基本工作原理

　　GPRS是在原有的基于电路交换（CSD）方式的GSM网络上引入两个新的网络节点： GPRS服务支持节点(SGSN)和网关支持节点（GGSN）。SGSN和MSC在同一等级水平,并跟踪单个MS的存储单元实现安全功能和接入控制,并通过帧中继连接到基站系统。GGSN支持与外部分组交换网的互通,并经由基于IP的GPRS骨干网和SGSN连通。图1给出了GPRS与Internet连接原理框图。

图1  GPRS与Internet连接原理图

　　GPRS终端通过接口从客户系统取得数据,处理后的GPRS分组数据发送到GSM基站。分组数据经SGSN封装后,SGSN通过GPRS骨干网与网关支持接点GGSN进行通信。GGSN对分组数据进行相应的处理,再发送到目的网络,如Internet或X.25网络。

　　若分组数据是发送到另一个GPRS终端,则数据由GPRS骨干网发送到SGSN,再经BSS发送到GPRS终端。

2  嵌入式GPRS通信系统的实现

2.1  GPRS模块的硬件设计

　　嵌入式GPRS无线通信模块主要由嵌入TCP/IP的单片机（MSC1210Y5）、GPRS模块、SIM卡座、外部接口和扩展数据存储器等部分组成。图2是系统的硬件框图。

图2  GPRS通信系统原理框图

　　MSC1210控制GPRS模块接收和发送信息,通过标准RS232串口和外部控制器（比如数据采集端）进行数据通信。用软件实现中断,完成数据的转发。

2.1.1  单片机模块
　　单片机采用美国德州仪器公司最新推出的基于8051内核的MSC1210Y5。该芯片具有很强的数据处理能力,时钟频率为33 MHz,指令运行速度实际上与运行在99 MHz时钟频率下的标准8051内核相当。32 KB Flash程序存储器,256 B内部RAM和1024 B片上SRAM,2 KB启动ROM,支持串行和并行的在系统编程。双数据指针DPTR0和DPTR1可加快数据块的移动速度。
　　其主要实现过程如下：
　　①  通过AT指令初始化GPRS无线模块,使之附着在GPSR网络上,获得网络运营商动态分配的GPRS终端IP地址,并与目的终端建立连接。
　　②  通过串口0扩展MAX232标准串口和外部控制器（例如数据采集端）连接,外部控制器端接出标准串口,按照约好的协议可很容易利用本设计的控制器进行通信。
　　③  复用P1.2和P1.3,也就是串口1分别和GPRS模块的TXD0和RXD0连接,P1口的其他6个端口分别接到GPRS模块对应的剩余RS232通信口,通过软件置位完成对MC35的初始化和控制GPRS模块的收发数据。

2.1.2  扩展数据存储器部分
　　MSC1210的Flash存储器可全部作为Flash程序存储器,也可以全部作为数据Flash程序。因为要嵌入实时操作系统和网络协议,需要一定的空间,因此将其全部用作程序存储器,而通过74HC573作为地址锁存器,扩展6264作为外部数据存储器,8 KB的数据存储空间足够程序正常运行。
　　图3给出了MSC1210与数据存储器之间的硬件连接图。

图3  MSC1210与数据存储器的连接

2.1.3  GPRS无线数传模块
　　GPRS无线模块作为终端的无线收发模块,把从单片机发送过来的IP包或基站传来的分组数据进行相应的处理后再转发。
　　GPRS模块采用德国Simens公司生产的MC35模块。MC35模块主要由射频天线、内部Flash、SRAM、GSM基带处理器、匹配电源和一个40脚的ZIF插座组成。GSM基带处理器是核心部件,其作用相当于一个协议处理器,用来处理外部系统通过串口发送AT指令。射频天线部分主要实现信号的调制和解调,以及外部射频信号与内部基带处理器之间的信号转换。匹配电源为处理器基射频部分提供所需的电源。MC35外围电路如图4所示。

图4  GPRS通信模块电路原理

　　AS2815将外部电压转换成3.3 V工作电压。
　　启动电路由三极管和上电复位电路组成,模块上电后,为使之正常工作,必须在15脚加至少为100 ms的低电平信号。启动后,15脚信号应保持高电平。
　　MC35在ZIF连接器上为SIM卡接口预留的引脚数为6个,要注意的是,CCIN引脚用来检测SIM卡座是否插有SIM卡。当插入SIM卡,该引脚置为高电平时,系统方可进入正常工作。
　　SYNC引脚有两种工作模式：一种是指示发射状态时的功率增长情况,另一种是指示MC35的工组状态。本设计中使用后一种模式,LED熄灭时,表明MC35处于关闭或睡眠状态;当LED为600 ms亮/600 ms熄时,表明SIM卡没有插入或MC35正在进行网络登陆;当LED为75 ms亮/3 s熄时,表明MC35已登陆进网络,处于待机状态。

2.2  单片机通信程序设计

　　软件中的所有代码都用C语言编写,在Keil环境中编译。Keil是Keil Software公司为8051及其兼容产品提供的专门开发工具,它支持在系统调试。Keil中C51编译器很好地集成了RTX多任务实时操作系统,编写程序时,需在源代码头加入“#incluede rtx51.h”。所有代码调试通过后经由TI Downloader下载到存储器中。

　　目前,绝大多数基于GPRS网络应用系统所使用的GPRS模块不支持TCP/IP协议。也就是说,要想工作在相同的网络层面上,其内部传输的数据必须都要采用相同的协议,所以除了利用GPRS模块的功能外,必须在单片机系统中嵌入按TCP/IP和PPP协议标准编写的程序,从而使设计的终端设备能够方便的应用GPRS数据分组业务。

2.2.1  TCP/IP协议的嵌入
　　有很多种方法可以完成协议转换,本设计利用在嵌入式实时操作系统RTX51中移值部分IP和PPP协议来增强系统的可扩展性和产品开发的可延续性。
　　TCP/IP协议是一个标准协议套件,可以用分层模型来描述。数据打包处理数据时,每一层把自己的信息添加到一个数据头中,而这个数据头又被下一层中的协议包装到数据体中。数据解包处理程序接收到GPRS数据时,把相应的数据头剥离,并把数据包的其余部分当作数据体对待。
　　考虑到嵌入式系统的特点,本设计采用了系统开销较小的IP+UDP协议来实现GPRS通信。主机发送的UDP数据报文经GPRS通道传送给GPRS通信模块, GPRS通信模块负责对数据报进行解析,解析后的数据按照一定的波特率串行传送给用户终端。

2.2.2  数据处理
　　数据包在主机和GPRS服务器群中传输使用的是基于IP的分组,即所有的数据报文都要基于IP包。但明文传送IP包不可取,故一般使用PPP协议进行传输。模块向网关发送PPP报文都会传送到Internet网中相应的地址,而从Internet传送过来的应答帧也同样会根据IP地址传送到GPSR模块,从而实现采集数据和Internet网络通过GPRS模块的透明传输。
　　要注意的是,GSM网络无静态IP地址,故其他通信设备不能向它提出建立连接请求,监控中心必须拥有一个固定的IP,以便监测终端可以在登陆GSM网络后通过该IP找到监控中心。关于这一点,很容易解决,只需在电信申请相应的服务就可以了。
　　GPRS模块登陆上GSM网络后,自动连接到数据中心,向数据中心报告其IP地址,并保持和维护数据链路的连接。GPRS监测链路的连接情况,一旦发生异常,GPRS模块自动重新建立链路,数据中心和GPRS模块之间就可以通过I地址通过UDP/IP协议进行双向通信,实现透明的可靠数据传输。

3  上位机监控中心的设计

　　监控中心的功能是实现GPRS信息的接收和保存。设计语言采用Microsoft公司的Visual C++编程语言,C＋＋语言应用灵活,功能强大,并对网络编程和数据库有强大的支持。

　　由于通过GPRS,中心监控部分可以直接访问互联网,所以监控部分并不需要再设置GPRS模块。中心只需通过中心软件帧听网络,接收GPRS无线模块传来的UDP协议的IP包和发送上位机控制信息,以实现与GPRS终端的IP协议通信。接收到的信息要保存到中心的数据库中,以备查历史记录。数据库采用Access,VC编制的界面窗口通过ADO访问Access中的数据。需要说明的是,笔者是通过Socket接收网络终端信息的。

　　Socket接口是TCP/IP网络的API,Socket接口定义了许多函数和例程,程序员可以利用它来开发TCP/IP网络上的应用程序。VC中的MFC类提供了CAsyncSocket这样一个套接字类,用它来实现Socket编程非常方便。本设计中采用数据报文式的Socket,它是一种无连接的Socket,对应于无连接的UDP服务应用。

　　CAsyncSocket类用DoCallBack函数处理MFC消息,当一个网络事件发生时,DoCallBack函数按照网络事件类型：FD_REA D、FD_WRITE、FD_ACCEPT和FD_CONNECT分别调用OnReceive、OnSend、OnAccept和OnConnect函数,驱动相应的事件,完成网络数据通信过程。

4  结论

　　本文采用嵌入式TCP/IP协议,通过高速8位单片机实现GPRS业务的数据传输功能,具有外围电路少,电路简单,系统成本低等优点。通过标准RS232串口和外部控制器连接,只需按照预先规定的协议就可互相通信,通用性较强。系统软件均使用C语言编写,稍加改动就可以在各种控制器上实现,可移植性也较强。

　　基于GPRS的系统也有一定的缺点,例如,现在的GPRS网还不够稳定,有丢包的现象;主控制器要实现IP协议,使用起来比较复杂;上位机基于互联网的解决方案保密性较差等。上述问题经过精心设计是可以避免和解决的,所以基于GPRS的设计仍具有无可比拟的优势。

参考文献

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2  邓宏彬,等.MSC121X系统级单片机原理及应用. 北京：机械工业出版社,2004
3  吴兵,等.GPRS网络应用系统中的协议转换.单片机与嵌入式系统应用,2004（6）
4  黄承安,等.微控制器的GPRS无线上网. 单片机与嵌入式系统应用, 2003（12）

周静  硕士研究生;舒乃秋 教授,博导;
裴春明  硕士研究生;研究方向为电力系统电气设备在线监测技术的研究。
刘敏  高级工程师,主要从事测控自动化方面的研究。