1、山东科技大学毕业设计 山 东 科 技 大 学 本科毕业设计论文 题 目 基于 ARM 的 GPRS 无线数据终端设计 学 院 名 称 山东科技大学 专 业 班 级 气工程及其自动化 10-4班 学 生 姓 名 学 号 201003201414 时间： 2012 年 6 月 5 日山东科技大学毕业设计 1 摘要 随着嵌入式系统和 GPRS无线网络的发展， GPRS无线数据终端为工业生产中的远距离数据传输带来了更佳的传输途径，摆脱了 有线数据传输的局限性 ， 极大地节省了后期维护费用，降低了成本 ， 满足了日益增长的工业需求。 GPRS 无线数据终端的研究具有广泛的意义和良好的商业前景。 本文主要
2、设计并实现基于 ARM的 GPRS无线数据终端。该系统以 ARM7系列微处理器为核心，通过 AT指令控制自带有完整 TCP/IP协议栈的无线数据模块。结合 GPRS通信网络的特点分析无线数据传输嵌入式系统的设计过程，给出系统的具体实现方案，提出硬件、软件系统的设计流程、开发要点和实现过程。 本系统经过几个月的设计制作，较好的完成了 无线数据终端的各项功能。 关键词 ： GPRS；嵌入式； ARM； AT 指令； TCP/IP 协议 山东科技大学毕业设计 2 ABSTRACT With the development of embedded systems and GPRS wireless n
3、etwork, 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 maintenance costs , reducing costs and meeting the growing industrial
4、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 microprocessor can control wireless data module with a complete TCP / IP p
5、rotocol 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: the hardware and software design process, development points
6、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 山东科技大学毕业设计 3 目录 1 绪论 . 1 1.1 研究背景 .1 1.2 通讯方式的现状 .2 1.3 研究具体任务和目的 .3 2 系统总体方案设计 . 5 2.1 系统 功能要求 .5 2
7、.2 系统 组成 .5 2.3 系统主要器件选型 .6 2.2.1 主控器件的选择 .6 2.2.2 无线模块的选择 .8 2.3 软硬件开发工具选择 .8 2.4 系统语言与模块化结构 .9 2.4.1 AT 指令集 .9 2.4.2 C 语言程序模块化设计 .10 3 硬件电路设计 . 11 3.1 电源电路设计 . 11 3.1.1 电源芯片选择 . 11 3.1.2 电源电路具体设计 . 11 3.2 主控外围电路 .13 3.3 串口通信电路 .14 3.4 电平转换电路和部分指示电路 .16 3.5 无线模块外围电路设计 .17 3.5.1 无线 模块插板电路 .17 3.5.2
8、SIM 卡电路 .18 3.6 存储模块电路设计 .19 4 软件程序设计 . 21 山东科技大学毕业设计 4 4.1 软件总体设计主流程 .21 4.2 系统初始化 .22 4.2.1 系统中断初始化 .22 4.2.2 主频配 置 .23 4.2.3 UART 初始化 .25 4.2.4 定时器初始化 .26 4.2.5 I2C 初始化与铁电存储 .27 4.2.6 参数配置初始化设计 .30 4.3 TCP 网络连接 .30 4.3.1 TCP/IP 简述 .30 4.3.2 TCP 连接的建立、维护与拆除 .30 4.3.3 系统 TCP 网络连接过程 .32 4.4 数据解析 .33
9、 4.5 数据的接收缓存处理 .34 4.6 上下行数据传输 .35 5 系统调试 . 36 5.1 硬件调试 .36 5.2 软件调试 .37 6 总结与展望 . 38 6.1 总结 .38 6.2 展望 .40 参考文献 . 41 致谢 . 43 附录 1 . 44 附录 2 . 44 山东科技大学毕业设计 1 1 绪论 1.1 研究背景 计算机与通信技术的不断发展，极大地促进了工业领域及其它领域的自动化和信息化的发展。以前在工业领域大多采用由单片机构成的数据处理系统和 PC 机通过串行口构成的微机系统，主要是针对于生产过程分布范围不大、相距不远的场合，这些系统大多采用 RS-232， R
10、S-485 或有线MODEM 的通信方式，虽然经济实用， 但是采用有线的数据传输方式，在很大程度上限制了应用场合的拓展。随着企业生产规模不断扩大，不同的生产部门可能在地域上分布极广，相距遥远，如电力、铁路、采矿和石油等，这些部门要对相距遥远的生产过程进行数据传输，如果还是沿用有线的传输方式，则在技术上和经济上都是不足取的。所以采用无线的方式来进行数据传输的需求就日益突出了。 在通信领域中，移动通信 (GPRS)网则是这个领域中发展最积极最活跃最快的分支之一。 GPRS(General Packet Radio Service)即通用分组无线业务，是在现有 GSM 网络上开 通的一种新型的数据传
11、输技术， GPRS 采用分组交换方式，仅在实际传送和接收数据时才占用无线资源。 GPRS 理论上可提供高达 171.2kb s 的传输速率。除了速度上的优势外， GPRS 还有 “ 永远在线 “的特点，即用户可随时与网络保持联系。另外分组交换接入时间的缩短，能提供快速即时的连接，可大幅度提高一些事务的效率。利用现有的 GPRS网络资源，发挥网络覆盖率高、永远在线等优势，为现有数据传输系统提供一种便捷的无线传输方式。 嵌入式系统是一门交叉学科，其支柱学科包括微电子学科、计算机学山东科技大学毕业设计 2 科、电子技术学科和对象学科。微电子学 科是嵌入式系统发展的基础，对象学科是嵌入式系统应用的归属
12、学科，计算机与电子技术学科是嵌入式系统技术发展的重要保证。美国著名未来学家尼葛洛庞帝在 2001 年访华时曾预言， 4 5 年后，嵌入式智能电脑将是继 PC 和 Internet 之后的最伟大发明。的确，在当今社会中，嵌入式系统已经广泛应用于信息家电、移动通讯、手持通信终端、仪器仪表、航空航天以及工业控制等领域，为人们工作和生活带来了极大的便利，是当前研究最为热门的领域之一。 嵌入式系统被定义为：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可 靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部
13、分组成。嵌入式系统以其本身体积小，实时性高，稳定性好，支持以太网等优点，成为工控领域的新热点。 如何利用嵌入式系统实现无线终端，并通过 GPRS 无线网络进行数据传输是一个具有实用意义的研究。本课题源自莱芜一家科技公司，要求设计并实现适用于工业场合的 GPRS 无线数据终端设计。该终端作为数据传输终端的载体，有广阔的市场和良好的商业前景。 1.2 通讯方式的现状 随着电子、计算机及信息科学 技术的发展，通信系统的发展也非常迅速，目前，数据传输中主要的通信方式有以下几种： (1)电话拨号 (电话线，专线 ) 电话拨号主要有利用电话线通信和架设专线通信两种方式。电话线：就是利用现有的公用电话网为依
14、托，采用调制解调器和公用电话网的交换机系统，在两个通信实体之间建立起通信通道。专线方式：通信的网络适合于传输数据量不大、实时性要求不高的场合。 山东科技大学毕业设计 3 (2)光纤通信 (ADSL) 从现场运行情况来看，利用光纤通信时数据比较稳定，抗干扰能力强。这种方式在初期投资时较大，但随着光通信设备的价格不断下降，这种方式有可能成为 比较实用的现场通信方式。 (3)基于 GSM 的短消息数据传输 GSM 除语音业务外，另有基于短消息数据传输业务。短消息限制每次传送文本字符不超过 160 个，传送给移动台的短消息在用户识别模块 (SIM)上存储。与话音的传输建立和释放过程不同，在 GSM 系
15、统中，短消息是唯一一种不需要建立端到端的业务通道。由于具备这个特点，即使移动台己处于电路通信状态，还能同时实现短信息业务。 (4)基于 GPRS 的分组数据传输 通用分组无线业务，是一种新的 GSM 数据传输服务，它将数据以数据包的形式在 PLMN(公众陆地移动电话网 )内或其他 连接到 PLMN 的外部网络间传输。主要针对突发性数据分组传送的一种新业务，与短消息业务类似，提供两类业务点到点业务和点到多点业务。多个 GPRS 用户可以共享一个无线信道，而一个移动用户也可以同时利用多个信道，因而 GPRS 用户的实际通信速率非常灵活，可以低于 l00kbps，也可以高于 100kbps。在实际的
16、远程数据传输的通信中，如交通管理、电力系统、无线抄表等，可以采用 GSM 短消息、光纤接入等方式。 GSM 短消息方式可以实现主动上报；缺点是按条收费，运行费用高，而且在节假日短消息中心服务器繁忙时延时相当长。光纤通信 稳定可靠，但是施工成本投入大、扩展性差、设备维护方面不方便。而 GPRS 通信则避免了以上问题。 1.3 研究具体任务和目的 GPRS 无线数据传输 系统包括以下几部分： 山东科技大学毕业设计 4 (1)数据采集单元 由 8 16 位单片机功能电路承担，完成数据采集 (针对不同的应用场合，采集的数据有所不同 )，一般通过 RS232 485 接口向下位机提供数据。 (2)下位机
17、 主要负责监测并接收数据采集单元提供的数据，经过处理，通过加密隧道向上位机传输数据；同时接收上位机下发命令，控制数据采集单元。应智能化需求，该功能单元由 32 位微控制器承担。这是 该系统控制功能的核心单元。 (3)加密隧道或透明传输 数据传输的通道。传统为有线方式，对 GPRS 无线数据传输 系统而言，则是 GPRS 无线传输隧道。加密是为了保证数据安全，不加密时为透明传输。 (4)上位机 由 PC 承担，负责完成数据分析、处理、打印等工作；同时实现远程控制下位机完成指定任务。该功能模块由通用计算机系统来完成，可以不归结为嵌入式系统的范畴。 本文关注的是下位机 无线数据传输 功能模块的实现。
18、通过 GPRS 网络登录已知公网 IP，建立网络连接实现数据无线透明传输。 山东科技大学毕业设计 5 2 系统总体方案设计 2.1 系统 功能要求 GPRS 无线数据终端功能有：系统可以在 7V- 40V 宽电压范围供电，也可 5V 供电；具有 232、 485 两种通信接口；系统上电初始能够通过串口对 IP 地址、网络端口号等登陆参数进行配置且掉电参数非易失；自动登陆网络建立 TCP 连接；能够对下行数据进行解析处理完成数据的透明传输；支持心跳包发送，保持永久在线。 2.2 系统组成 根据系统功能要求系统大体分为五部分：电源部分、存储部分、串口通信部分、系统主控部分、无线通信部分。电源部分为各功能模块部分提供电源支持，主控部分与存储部分为主从模 式，存储主要的参数和相关数据。通过串口通信部分完成参数配置和下位机数据交换的任务。主控部分完成数据的接受、发送、校验、解析等处理，通过和无线模块的通信完成数据的无线透明传输。系统框图如图 3.1 所示。
