基于ARM的GPRS通信系统设计.doc

1、 第 页 I 摘要 本文介绍了基于 S3C2410 的 GPRS 通信系统的设计与实现，包括硬件模块程序设计以及系统软件设计。硬件模块程序包括 ADC、键盘、 LCD、 UART、 GPRS 等各功能模块控制程序的设计；系统软件包括数据采集子系统、数据中心子系统软件系统的设计，其中详细介绍了系统的数据流图分析、程序结构设计过程。本文还简单介绍了 GPRS 传输控制协议、 SMS 编解码过程。最后还简单介绍了本系统的系统测试方法、测试过程以及测试结果。 关键词 ： S3C2410,GPRS,SMS 第 页 II 目录 1 绪论 . 1 1.1 课题背景及意义 . 1 1.2 课题研究的国内外发展

2、及现状 . 1 1.3 课题研究的主要内容 . 1 2 硬件平台简单说明 . 1 2.1 硬件系统结构图 . 2 3 各模块程序设计 . 2 3.1 异步串口通信控制程序 . 2 3.2 LCD 显示控制程序 . 3 3.3 键盘控制程序 . 4 3.4 ADC 数据采集控制程序 . 4 4 系统软件设计 . 5 4.1 系统数据流图分析 . 5 4.1.1 数据采集子系统数据流图分析 . 6 4.1.2 数据中心子系统数据流图分析 . 7 4.2 系统程序结构设计 . 9 4.2.1 数据采集子系统程序结构设计 . 9 4.2.2 数据中心子系统程序结构设计 . 11 6 结论 . 13 参

3、考文献 . 14 附录：文中出现的部分英文缩写说明 . 错误 !未定义书签。 第 页 1 1 绪论 1.1 课题背景及意义 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 网不但具有覆盖范围广、数据传输速度快、通信质量高、永远在线和按流量计费等优点，而且其本身就是一个分组型数据网，支持 TCP/IP 协议，可以直接与 Internet互通。因此， CPRS 在无线上

4、网、环境监测便携型、交通监控、移动办公等行业中具有无可比拟的性价比优势。 1.2 课题研究的国内外发展及现状 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

5、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。 1.3 课题研究的主要内容 介绍了基于 S3C2410 的 GPRS 通信系统的设计与实现，包括硬件模块程序设计以及系 统软件设计。硬件模块程序包括 ADC、键盘、 LCD、 UART、 GPRS 等各功能模块控制程序的设计；系统软件包括数据采集子系统、数据中心子系统软件系统的设计，其中详细介绍了系统的数据流图分析、程序结构设计过程。本文还简单介绍了 GPRS 传输控制协议、 SMS 编解码过程。最后还简单介绍了本系统的系统测试方法、测试过程以及测试结果。 2 硬件平台简单说明 本系统硬件平台根据英蓓特公司的 Embest ED

6、UKIT-III 实验教学平台所设计，该教学平台是一款功能强大的 32 位嵌入式开发板，采用三星公司以 ARM7为内核的微处 理器 S3C44B0X 和以 ARM9 为内核的微处理器 S3C2410X，具有 JTAG调试等功能。 S3C2410 内部集成了 ARM 公司 ARM920T 处理器核，资源丰富，带第 页 2 独立的 16KB 的指令 Cache 和 16KB 数据 Cache， LCD 控制器、 RAM 控制器、 NAND闪存控制器、 3 路 UART、 4 路 DMA、 4 路带 PWM 的 Timer、并行 I/O 口、 8 路 10位 ADC、触摸屏接口、 IIC 接口、 I

7、IS 接口、 2 个 USB 接口控制器、 2 路 SPL，主频最高可达 200MHz。本系统设计主要是对 ADC、键盘、液晶显示屏、无线通信模块的控制 1。 2.1 硬件系统结构图 硬件系统的结构如图 2.1 所示。 G S M / G P R S收发电路板 S I M 卡S 3 c 2410天线RS 2 3 2 键盘L C D存储器G S M / G P R S收发电路板 S I M 卡天线S 3 c 2410 RS 2 3 2G P R S / G S M网络数据采集传感器 ( 8 路 )执行机构图 2.1 硬件系统结构图 3 各模块程序设计 由于硬件平台采用英蓓特公司的 Embest

8、EDUKIT-III 实验教学平台，所以该系统的设计主要是软件的设计，下面分别介绍各个主要功能模块的控制程序的设计 4。 3.1 异步串口通信控制程序 串口通信程序的主要包括初始化与 UART 传输相关的 I/O 口，设置 UART 相关控制寄存器，中断入口函数设置，往串口发送数据，从串口读入数据，和从串口读字符 串等。处理器与 GPRS 模块间是通过 UART 通信的，所以异步串口通信控制程序是该系统程序设计最重要的模块程序之一，其流程图如图 3.1 所示。 第 页 3 开始端口初始化寄存器设置中断入口函数设置发送数据 ？接收数据 ？写数据到发送缓冲区发送缓冲区空 ？ 接收到数据 ？读接收缓

9、冲区的数据延时发送数据 接收数据返回图 3.1 异步串口通信程序流程图 3.2 LCD 显示控制程序 LCD 显示控制程序主要包括 LCD 应用初始化函数，汉字显示函数，其中前两个参数为显示 x， y 坐标，第三个参数表示显示颜色，第四个参数是指向要显示的汉字的指针； 字符显示函数，其参数同汉字显示；矩形显示函数，图形显示函数。系统数据处理结果最终要在 LCD 上显示 出来， LCD 显示是人机接口设计的重要内容之一。 LCD 显示控制程序的流程图如图 3.2 所示。 开始端口初始化寄存器设置清屏汉字显示L C D 显示打开字符显示返回矩形显示图形显示图 3.2 LCD 显示控制程序流程图 第

10、 页 4 3.3 键盘控制程序 键盘控制程序主要是 IIC 通信程序的设计，通过控制 ZLG7290 来读取键值。包括初始化函数，读取键值函数，字符显实函数（用于显示按键值）；其中初始化函数主要实初始化端口、 IIC 串口通信相关寄存器设置、中断寄存器设置、中断入口函数设置。键盘也是人机接口设计的重要内容之一，其程序流程图如图 3.3 所示。 开始键盘初始化置标值位为 0标值位等于 0 ？返回Y置标志位为 0读键值键值等于 0 ？Y键值转换 按下退出键 ？ LC D 显示系统退出Y在 L C D 上显示按下的键值NNN图 3.3 键盘控制程序流程图 3.4 ADC 数据采集控制程序 ADC 控

11、制程序是为了掌握 S3C2410 处理器的 A/D 转换功能，利用 S3C2410集成的 A/D 转换模块，把分压值转换为数字信号，并送数码管显示。 AD 转换是数据采集子系统的核心程序之一，整个系统的数据源即来自 AD 转换，它的程序流程图如图 3.4 所示。 开 始数 码 管 初 始 化数 码 管 显 示 全 8A D C 寄 存 器 设 置启 动 A D 转 换读 A D 转 换 结 果返 回数 据 转 换把 数 据 送 数 码 管 显 示A D 转 换 完 ？NY图 3.4 ADC 数据采集程序流程图 第 页 5 4 系统软件设计 系统软件主要包括 3 部分：程序代 码、与软件相关的说

12、明文档以及软件所处理的数据。数据是整个软件处理的对象，所以本系统系统软件的设计是从数据着手 5。 4.1 系统数据流图分析 当数据在软件系统中移动时，它将被一系列“变换”所修改。数据流图描绘数据从输入移动到输出的过程中所经过的变化，他没有任何具体物理部件，只描述数据在软件中流动和被处理的逻辑过程。 本系统数据源点是数据采集终端 AD 转换器，经无线网络 (GSM/GPRS)传给数据控制中心上位机 LCD 显示， LCD 即为系统的数据终点，其基本系统模型如图4.1 所示。 A D CA D CA D CA D CG P R S 数据处理系统环境参数环境参数环境参数环境参数液晶显示器( L C

13、D )环境参数信息图 4.1 基于 ARM 的 GPRS 设计与实现基本系统模型 经进一步分解，可把系统划分为数据采集子系统和数据中心子系统两部分。其中数据采集子系统的数据源点是各采集终端的 AD 转换器，终点是 GSM/GPRS无线网络，如图 4.2 所示；数据中心子系统数据源点是 GSM/GPRS 无线网络，终点是数据中心液晶显示器 (LCD)，如图 4.3 所示。即数据采集终端的数据终点通过无线网络后变成数据中心的数据源点 。 A D C n 数据采集子系统 n 无线网络( G S M / G P R S )环境参数 S M S /数据包无线网络( G S M / G P R S )数据

14、中心子系统 n液晶显示器( L C D )S M S /数据包 环境参数信息图 4.2 数据采集子系统系统模型 第 页 6 A D C n 数据采集子系统 n 无线网络( G S M / G P R S )环境参数 S M S /数据包无线网络( G S M / G P R S )数据中心子系统液晶显示器( L C D )S M S /数据包 环境参数信息图 4.3 数据中心子系统系统模型 下面分别介绍各子系统的数据流图。 4.1.1 数据采集子系统数据流图分析 在数据采集子系统中，环境参数经 AD 转换后存储。为了采集数据的精确，先采取多次样值，去除坏值后，再对剩下的数据进行数字滤波处理，得

15、出比较精确的环境参数。现在得出的环境参数还是原始的整型二进制代码，首先要根据处理器的 ADC 规律把二进制代码转换为对应的电压值，再根据传感器特性把电压值转换为对应的环境参数，如温度、湿度等。在上面工作都完成之后，由于 GPRS 模块的特性，要把环境参数值转换为对应的 ASCII 码，这样方便传输。根据以上分析，可得出数据采集子系统数据流图如图 4.4 所示。 A D C nAD转换环境参数存储数组 环境参数( 模拟量 )环境参数( 数字量 、 电压 、 整型 )数据分析环境参数( 数字量 、 电压 、 整型 )数据处理比较精确的电压值( 整型 )串口传输环境参数的对应值( 浮点型 、 A S

16、 C I I 码 )G P R S 模块发送A S C I I 码 、 AT 指令无线网络( G S M / G P R S )短消息 / 数据包A S C I I 码图 4.4 数据采集子系统数据流图 对图中各数据流说明： 环境参数 (模拟量 )：经传感器采集后的环境参数，为模拟量的电压值。 环境参数 (数字量、电压、整型 )：模拟量的电压值经 AD 转换后存储在寄存器中，此时的环境参数为整型的二进制代码，经读取后存储。 比较精确的电压值 (整型 )： AD 转换有可能出现误差，所以必须进行多次采样，经分析 后得出比较接近实际参数的值。 环境参数的对应值 (浮点型、 ASCII 码 )：参数

17、经分析后，还是整型的二进制第 页 7 代码，需要根据处理器 AD 转换器的参考电压及位数转换为浮点型的电压值，再根据传感器的特性转换为对应环境参数的实际值。为了方便传输和数据中心解码，还要将转换后的值再转换成对应的 ASCII 码，方便数据的传输。 ASCII 码、 AT 指令： GPRS 模块采用 AT 指令控制，在数据传输前，需要先通过 AT 指令进行一系列初始化过程，然后再把数据的 ASCII 码通过串口给 GPRS模块。 短消息 /数据包： GPRS 模块解析 AT 指令、建 立连接后就把环境参数值、手机号码、发送时间等以短消息 (GSM 网络 )或数据包 (GPRS 网络 )的方式传

18、送到无线网络。 对数据流图中各处理说明： AD 转换：负责采集、存储环境参数。 数据分析：读取 AD 转换存储的参数，经比较除去与实际情况完全不符或与其他数据相差较大的值，再滤波，得出比较精确的参数，供数据处理用。 数据处理：取分析后的数据，根据处理器输入参考电压 (3.3V)、 ADC 位数 (10位 )把二进制整型代码转为电压值。根据传感器的电压 环境参数的对应关系，求出环境参数具体值，再转换为 ASCII 码，为传输做准备。 串口传输： GPRS 模块与处理器通过串口连接，所有数据、指令都是通过串口交换， AT 指令是处理器与 GPRS 模块的软件接口。 GPRS 模块发送： GPRS

19、模块解析 AT 指令后，将串口发送过来的数据通过无线网络发送。 4.1.2 数据中心子系统数据流图分析 GPRS 模块接收到无线网络传输的数据后，首先分析是短消息还是数据包。如果是短消息，则采用 PDU/TEXT 解码分离出短消息数据中心号、发送 方手机号、发送时间、发送内容等，经处理后提取出有用的信息，存储、送 LCD 显示，必要时还可发出报警信号；如果是 PPP 数据包，先提取出数据包的协议域，在取出数据报的信息，采用 PPP 数据帧解码规则分离出发送方号码、环境参数内容、参数发送的时间 (数据包信息域协议自己规定 )，经处理提取出有用的信息，存储、送 LCD 显示，必要时还可发出报警信号

20、。根据以上分析，可得出数据中心子系统数据流图如图 4.5 所示。 第 页 8 无线网络( G S M / G P R S )接收数据短消息 /数据包分析数据短消息 /数据包P D U /TEX T解码短消息处理存储发送号码 、消息内容 、发送时间 LC D地点参数时间P P P数据帧解码数据包手机卡编号 、参数内容 、发送时间 显示地点参数时间图 4.5 数据中心子系统数据流图 对图中各数据流说明： 短消 息 /数据包：包含有由数据采集子系统通过无线网络传送给中据中心子系统的环境参数，该环境参数可能采用短信息的形式通过 GSM 网络传输，也可能以数据包的形式通过 GPRS 网络传输，由 GPR

21、S 模块接收，串口传递，传递数据分析模块处理。 短消息：包含有由数据采集子系统通过无线网络传送给中据中心子系统的环境参数，由数据分析模块提取出，传递给 PDU/TEXT 解码模块解码。 发送号码、消息 /参数内容、发送时间：由发送号码为发送方的手机号，消息 /参数内容包括环境参数内容，发送时间环境参数采集或 /和传输的时间。 手机卡编号：在数据 包方式发送中每一个处理器为其上的手机卡编的号码，与其所处地点唯一对应。 地点、参数、时间：地点是数据采集模块所处的位置，由发送号码或手机卡编号唯一确定，参数即数据采集模块采集点的环境参数，时间环境参数采集或 /和传输的时间。 数据包：包含有由数据采集子

22、系统通过无线网络传送给中据中心子系统的环境参数，由数据分析模块提取出，传递给 PPP 数据帧解码模块解码。 对图中各处理说明： 接收数据：接收无线网络传输的短消息或数据报，由 GPRS 模块和串口联合完成。 分析数据：分析串口接收的数据是短消息还是数据包，调用相应解码模 块。 PDU/TEXT 解码：解码经过分析的字符串，提取出短信中包含的发送方手机号码、消息内容、发送时间等。 PPP 数据帧解码：解码经过分析的字符串，提取出数据包中包含的手机卡编号、环境参数内容、发送时间等。 处理存储：把手机号或手机卡编号与其所处的位置对应起来并存储 (如果不是自己设定的号则丢弃收到的数据 )，存储收到的环境参数信息以及接收的时间。