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1、-基于GPRS的远程数据采集与控制系统本科生毕业设计-第 33 页编号 本科生毕业设计基于GPRS的远程数据采集与控制系统Remote data acquisition and control system based on GPRS学 生 姓 名专 业学 号指 导 教 师学 院二一五年六月毕业设计（论文）原创承诺书1本人承诺：所呈交的毕业设计（论文）基于GPRS的远程数据采集与控制系统系统设计，是认真学习理解学校的长春理工大学本科毕业设计（论文）工作条例后，在教师的指导下，保质保量独立地完成了任务书中规定的内容，不弄虚作假，不抄袭别人的工作内容。2本人在毕业设计（论文）中引用他人的观点和研究
2、成果，均在文中加以注释或以参考文献形式列出，对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体均已在文中注明。3在毕业设计（论文）中对侵犯任何方面知识产权的行为，由本人承担相应的法律责任。4本人完全了解学校关于保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交论文和相关材料的印刷本和电子版本；同意学校保留毕业设计（论文）的复印件和电子版本，允许被查阅和借阅；学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存毕业设计（论文），可以公布其中的全部或部分内容。以上承诺的法律结果将完全由本人承担！ 作 者 签 名： 年月 日摘 要远程数据采集传输系统在工业控制领域中有着十分重要的意义。目前我国许多工业场合，尤其是对于
3、一些分散的、无人值守的现场，需要对数据进行定时采集，以便及时了解现场的情况。传统的远程数据采集传输系统的实现方式一般都需要自己建设并维护有线或无线通信网络，投资和维护费用高。设计成本更低，利用组网更方便、通信质量更好的通信方式是本课题研究的目的。论文首先对GPRS网络体系结构和工作原理以及网络协议及其程序实现作了详细的讲解，并且对比了GPRS和GSM网络的通信方式和优缺点。其次，主要对无线模块MC39I和MSP430F149单片机及其外围电路以及监控中心站软件和数据采集终端分站软件进行了重点详细的设计。最后，对设计过程中出现的问题作了总结并提出了解决方案。本研究可用于自来水流量监测系统中，还可
4、以用于煤矿瓦斯含量监测，海水污染情况检测，远程抄表等。因此具有广阔的应用前景。关键词： 数据采集 GPRS MSP430单片机AbstractThe remote data acquisition and transmission system has the important significance in industry control field. In our country，in many industry cases， especially for some distributed and no watcher locale，we need to collect data at
5、 fixed time to know the locale situation in time. The realization mode of the traditional remote monitor control system always is that we construct and maintain the wire or wireless communication network，like this，not only the investment financing but also the financing for maintenance is expensive.
6、 we need the communication mode of which the cost is cheaper and the communication quality is better.First the paper presents detailed explanation of GPRS networks system structure and the communication principle and network protocols with the program code and contrast the communication mode，merits，
7、and shortcoming between GPRS and GSM. Then expatiate on the main hardware MC35Iand microchip MSP430F149 MCU with peripheral circuit and the monitoring center software and the remote monitoring station software in detail. Eventually，we summarize the problems during the system design and put forward t
8、he solution to these problems.This study can be used for water flow monitoring system，can also be used in coalmine gas monitoring，water pollution case detection，remote meter reading，and so on.So it has wide application potential.Keywords： Data acquisition GPRS MSP430 MCU目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1课题
9、背景及研究意义11.2国内外远程数据传输的现状和问题11.3研究的目的和意义2第2章 通信技术32.1移动通信技术的发展概况32.2 GPRS技术32.2.1 GPRS的体系结构32.2.2 GPRS的传输协议模型42.3 GPRS的网络特性5第3章 方案设计73.1系统总体结构设计73.2系统各部分的主要功能73.2.1数据采集终端的功能73.2.2 GPRS无线通信模块的功能83.2.3监控中心的功能83.3 GPRS组网方案的选择8第4章 系统硬件设计114.1硬件电路总体设计114.2微处理器系统设计114.2.1 MSP430F149结构114.2.2 MSP430F149电路设计1
10、24.3 GPRS无线数据传输模块MC391134.3.1 MC39I模块简介134.3.2 MC39I模块接口设计154.3.3 MC391模块的SIM卡接口部分设计164.4串口设计174.5电源电路174.5.1单片机电源电路184.5.2 MC391模块电源电路184.6数据采集模块设计19第5章 系统软件设计205.1系统软件设计基础205.1.1常见AT指令及使用205.1.2短消息的编码方式225.2数据采集终端软件设计245.2.1单片机初始化模块设计265.2.2数据采集模块设计305.2.3存储程序模块设计315.2.4通信系统工作流程355.2.5 MC39I模块的设置与
11、使用365.3监控中心软件设计385.3.1监控管理系统的功能385.3.2监控中心接收远程GPRS终端数据385.3.3 服务器端利用Winsock接收数据39总结与展望41总 结41展 望42参考文献43致 谢44第1章 绪论1.1课题背景及研究意义随着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， RS-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
12、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，可达几十，几百甚至上千公里，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。显然，这种传输手段已显得力不从心，必须采用专门的措施来克服相距遥远造成的困难，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。当今世界己进入了飞速发展的信息时代，信息产业己成为国民经济的主导产业，通信则成为信息产业中发展最为迅速，进步最快的行业。而在通信领域中，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。1.2国内外远程
13、数据传输的现状和问题远程传输主要包括：基于有线的远程传输(包括架设光缆、电缆或租用电信专线、基于公用电话网远程传输、专用线路的远程传输)；基于无线的远程传输(主要是建立专用无线数据传输系统)。其中专线方式和电话线的远程传输应用比较广泛，主要是这两者初期建设的时间短，且在短时间应用期间费用小，线路的维护费也比较低。目前的远程传输系统由于结构复杂、分布距离远，而且要求集成网络中的不同平台，这些问题是有线的方法所难以解决的。随着计算机硬件成本的降低、功能的日益强大，远程传输系统已开始倾向于使用计算机网络系统。目前，计算机网络的传输介质基本上是有线介质，由电缆和光缆构成的有线网络有其本质的缺陷：布线、
14、改线工程量大；线路容易损坏；网络中的各站点不可移动。特别是要把两个相距遥远远程控制站点接入网络时，如果采用电话线路做传输媒体时，具有速率低、误码率高和线路可靠性差的问题；而铺设专用通讯线路时，有布线施工难度大，费用多、耗时长等不足。这些问题都不同程度地制约着远程传输的需求。而计算机无线局域网具有无需布线、安装周期短、后期维护容易、网络用户容易迁移和增加的特点。所以弥补有线网络这一缺陷最迅速和最有效的方法是采用计算机无线通信网络。有线与无线数据传输方式的比较如表1-1所示。表1-1 有线与无线数据传输方式的比较1.3研究的目的和意义如何将分散的数据实时、可靠、便捷的传输是一个关键的技术问题。基于
15、通用分组无线业务的GPRS无线数据传输方式是目前十分适合远程数据传输的一种通讯方式，具有运行成本低、实时性好、可靠性高、不受地域限制等优点。最重要的是GPRS网络是由移动运营商投资，可以节省巨额的网络建设费用，达到环保、节能、资源最大共享的目的，而且免除了网络的日常修改和维护，最大限度地节省了投资。因此利用GPRS无线通信网络实现远程数据传输，可使系统建设及维护成本大大降低。本文设计的系统可用于自来水流量监测，终端具有8路模拟量采集通道，可以采集任何由传感器输出的标准电压信号，通过GPRS将数据准确、快速的传送给上位机软件，上位机可以将数据以图表形式直观地显示出来。在某些应用场合，需要控制设备
16、的状态，比如阀门的开关，因此本系统在扩展功能部分设计了相应的控制电路，主要利用继电器实现。本系统可以用于自来水流量监测，还可以用于煤矿瓦斯含量监测，海水污染情况检测，远程抄表等。节省了大量的时间，方便、快捷，自动化程度大大提高，因此具有广阔的应用前景。第2章 通信技术2.1移动通信技术的发展概况通常移动通信分为三代。第一代移动通信是模拟的无线网络，采用FDMA技术，这种技术存在频谱利用率低、保密性差、容量小、与固定电话网的数字化不匹配等缺点，因而不能满足日益增长的移动通信需求。第二代移动通信系统是数字通信系统，主要还是以语音服务为主。GSM(Global System for Mobile c
17、ommunication)即全球移动通信系统的简称，是在第一代移动通信系统的基础上发展起来的第二代移动通信系统。GSM系统克服了第一代移动通信系统难以满足大量用户的需求的缺陷，同时提供了一定的数据业务功能。GSM系统作为一种面向未来的移动通信系统，真正实现了个人移动性和终端移动性，因此在全球范围内得到了广泛的应用。第三代移动通信系统主要特征是可提供移动宽带多媒体业务。GPRS作为第二代移动通信技术GSM向第三代移动通信的过渡技术，是由英国BT Cellnet公司早在1993年提出的，是GSM Phase2+ (1997年)规范实现的内容之一，是一种基于GSM的移动分组数据业务，面向用户提供移动
18、分组的IP或者X.25连接。2.2 GPRS技术GPRS(General Packet Radio Service)一通用分组无线业务。它是利用“包交换”(Packet-Switched)概念所发展出的一套无线数据传输方式。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，这种新的分组数据信道与当前的电路交换的话音业务信道极其相似。它通过利用GSM网络中未使用的TDMA信道，提供中速的数据传递。GPRS突破了GSM网只能提供电路交换的思维方式，只通过增加相应的功能实体和对现有的基站系统进行部分改造来实现分组交换，这种改造的投入相对来说并不大，但得到的用
19、户数据速率却相当可观。而且，因为不再需要现行无线应用所需要的中介转换器，所以连接及传输都会更方便容易。如此，使用者既可联机上网，参加视讯会议等互动传播，而且在同一个视讯网络上（VRN）的使用者，甚至可以无需通过拨号上网，而持续与网络连接。2.2.1 GPRS的体系结构GPRS是在现有GSM网络中增加GPRS网关支持节点GGSN(Gateway GPRSSupport Node)和GPRS服务支持节点SGSN(Serving GPRS即Support Node)来实现的，使得用户能够在端到端分组方式下发送和接收数据。其体系结构如图2-1所示。图2-1 GPRS的网络结构图2-1中的部分解释说明：
20、TE(设备终端)；MT(移动终端)；PDN(公用数据网)；EIR(设备标识寄存器)；MSC(移动交换中心)；VLR(访问位置寄存器)：GSMC(短消息业务的网关MSC) ； IWMSC(短消息业务的网间MSC)。SGSN的功能：SGSN是英文SERVINGGPRSSUPPORT NODE的缩写。SGSN作为GPRS/TD-SCDMA(WCDMA)核心网分组域设备重要组成部分，主要完成分组数据包的路由转发、移动性管理、会话管理、逻辑链路管理、鉴权和加密、话单产生和输出等功能。功能类同于GSM系统的MSC/VLR(移动交换中心，Mobile switch center/拜访位置寄存器，Visite
21、d Location Register)功能，SGSN不仅处理分组交换中的信令传输，同时也进行数据包的处理和传送。对移动终端进行鉴权和移动性管理，建立移动终端到GGSN的传输通道，接收从BSS (Base Station System)传送的移动终端分组数据，通过GPRS骨干网传给GGSN或者将分组发送到同一服务区内的移动终端。SGSN还可以集成计费网关、边缘网关(负责实现GPRS网络之间的互连)和防火墙的功能。2.2.2 GPRS的传输协议模型移动台(MS)和GPRS之间的分层传输协议模型如图2-2所示。它主要由GT， PLLC和RLC协议分别构成。Um接口是GSM的空中接口。图2-2 传输
22、协议平台Um接口上的通信协议有5层，自下而上依次为物理层、MAC (Medium Access Control)层、LLC (Logical Link Control)层、SNDC (Sub Network Dependant Convergence)层和网络层。RLC/MAC为无线链路控制/媒质接入控制层。LLC层为逻辑链路控制层。网络层的协议目前主要是Phase 1阶段提供的TCP/IP和X.25协议。TCP/IP和X.25协议对于传统的GSM网络设备(如BSS和NSS等设备)是透明的。GTP即GPRS隧道协议，它将用户数据及信令用隧道技术在GPRS网络GSN节点之间传送。2.3 GPRS
23、的网络特性(1)分组交换分组交换的基本过程是把数据先分成若干个小的数据包，可通过不同的路由，以存储转发的接力方式传送到目的端，而组装成完整的数据。分组交换基本上不是实时系统，延时也不固定，但可以使不同的数据传输“共用”传输带宽，有数据时占用带宽，无数据时不占用，从而分享资源。同时分组交换可以提供灵活的差错控制和流量控制，主要是在端到端的高层进行，以减少中间网络低层环节不必要的开销；也可以在网络部分环节上增加控制，提高安全性。（2)频谱效率在GSM无线系统中，采用的是电路交换技术，通信需要建立端到端的连接，通信过程中要独占信道，无线信道资源非常宝贵。每条GSM信道只能提供9.6kbps或14.
24、4kbps传输速率。而采用分组交换的GPRS则可灵活运用无线信道，每一个用户可以有多个无线信道，而同一信道又可以由几个用户共享，从而极大地提高了无线资源的利用率。在理论上，GPRS可以将最多8个时隙组合在一起，给用户提供高达171.2kbit/s的带宽，从14.4k-171k，足足比以前超出了10倍的传输速度，保证了更大数据的传输，更快的因特网接入。由于GPRS用户的数据通信费是以数据量为基础，而不考虑通信时长，所以GPRS用于IP业务的接入将更为用户所接受。GPRS最大的特点就是“永远在线”。只要移动设备打开，就会一直收到信息，这便是它成为了一种理想的数据传输方法的主要原因。第3章 方案设计
25、本课题针对目前远程数据采集传输的需求，依托中国移动通信集团公司的GPRS网络，构建了一个无线的、实时的数据采集传输系统。它以各种需要数据传输的系统为对象，将数据进行采集处理，通过GPRS现代传输通讯技术送到远端监控中心，为管理人员提供数据参考，从而得知远程设备的实时运行情况，实现故障诊断、及时报警和数据分析的功能。3.1系统总体结构设计本系统由数据采集分站、GPRS无线通信网络和监控中心站三大部分构成。其中，数据采集终端分站由MSP430F149单片机及外围电路所组成的采集终端和MC39I无线通信模块两部分组成。数据采集终端安装在现场，通过传感器进行采集并分析、记录采集数据供检测中心查询。GP
26、RS通信网络是数据采集终端分站与监控中心分站之间数据传输的桥梁。通过GPRS网络现场数据能够及时传送到监控中心计算机中，同样监控中心的查询或控制命令也可以通过GPRS网络发送给采集终端。监控中心站主要由监控中心站服务器，企业内部局域网(Intranet)，数据库服务器，打印机等外围设备组成。监控中心软件一方面通过GPRS网络与现场采集终端进行双向通信，另一方面为用户提供一个可视化界面，让用户实时了解现场设备运行状况。系统结构如图3-1所示图3-1 系统结构图3.2系统各部分的主要功能3.2.1数据采集终端的功能(1)参数采集和处理功能。采集现场数据并进行处理。(2)存储一记录功能。记录系统主要
27、参数在上电时对系统初始化。(3)报警功能。在系统供电不足以及现场数据出现异常时发出报警并将信息传送给监控中心。(4)参数设置。在扩展接口部分，现场人员可以通过串口对采集终端进行参数设置。(5)显示功能。在扩展接口部分，现场人员可以通过显示屏查看数据情况。3.2.2 GPRS无线通信模块的功能(1)协议转换：待发数据送至GPRS模块，GPRS模块首先对数据进行TCP/IP协议转换，然后再将其封装成GPRS分组数据包才能发送至GPRS无线基站。同理，GPRS模块接收到的数据包同样需要协议转换才能送至监控终端进行接收处理。(2)数据传输：通过串口向采集终端收发数据，通过GPRS无线通讯方式实现与监控
28、中心站的通讯，完成数据向中心站的传输和接收中心站控制命令的功能。3.2.3监控中心的功能监控中心一方面与数据采集终端双向通信，实时接收从采集终端分站上传的数据和报警信息，并记入数据库供查询；另一方面为管理人员提供一个友好的可视化界面，实时地显示各个参数、报警信息、各项参数统计结果，并能以曲线图或表格等形式表现出来，使得管理人员可直观地了解现场的运行状况。3.3 GPRS组网方案的选择GPRS应用主要有以下几种组网方式：1.公网固定IP方式主机接入公网，具有固定IP地址。在这种方式下，先由终端机发起连接，终端登录GPRS后获得IP地址，将这个IP地址发送给主机。由于终端的IP地址是GPRS内网的
29、IP地址，所以要经过GPRS网络的NAT服务器进行网络地址转换。之后，主机和终端机之间就可以双向通信了，其结构如图3-2所示：图3-2 公网固定IP方式结构图2.公网动态IP+DNS解析方式主机接入公网，但是其IP地址是动态的。这种情况下，DNS(域名系统)。监控点先采用域名寻址方式连接DNS服务器，要借助于公网动态 再由DNS服务器找到主机公网动态IP，建立连接.其结构如图3-3所示。图3-3 公网动态IP方式结构图客户先与DNS服务商联系开通动态域名，此种方式可以大大节约公网固定IP的费用，但采用域名解析服务，提高了用户的使用成本，稳定性也受制于DNS服务器的稳定。其特点是通信速度适中、通
30、信质量较为稳定、网络建设工作量小、通信费用低、适合对通信费用较为敏感的应用场合。此种方案适合小规模应用。3.GPRS专线方式主机使用专线接入GPRS网络。在这种方式下，主机具有GPRS内网的固定IP地址其通信过程和方式1相似。但通信过程发生在GPRS网内，和公网无关。，其结构如图3-4所示：图3-4 专线方式结构图监控中心采用专线多为APN专线，所有点都采用内网固定IP。此种方案客户中心通过一条2M APN专线接入移动公司GPRS网络，移动终端和服务器平台之间采用端到端加密，避免信息在整个传输过程中可能的泄漏。双方采用防火墙进行隔离，并在防火墙上进行IP地址和端口过滤。其特点是：数据安全性好、
31、通信速度快、通信质量稳定、系统初期建设成本高、适合安全性和实时性要求较高的应用场合。主要应用在金融行业无线交易应用方案、移动/联通营业厅应用方案、大型油田检测监控系统应用、环境监测系统应用、电力监测系统应用。在上述三种组网方式中，专线方式在安全性和实时性方面的性能最好，在实际应用中究竟采用何种组网方式比较合适、经济，要根据实际的应用需求来确定。考虑到本系统对安全性、实时性等方面的要求和目前试验条件，可以采用公网静态IP组网方案。在实际运行中，如果需要在实时性和安全性方面获得更好的性能，也以采用APN专线接入组网方式。第4章 系统硬件设计4.1硬件电路总体设计考虑数据采集终端对功能性接口要求较高
32、，而且存在着较大数量的计算任务，论文引入了一种增强型16位单片机MSP430系列单片机。数据采集终端硬件以MSP430F单片机和MC39I模块为核心，配以适当的外围接口电路来完成各项功能，主要包括：GPRS模块接口电路、PC机接口电路、电源电路、数据采集电路、串行存储模块及扩展接口等。数据采集终端分站硬件框图如图4-1所示。图4-1 数据采集终端结构图数据采集终端分站的硬件采用模块化的设计思想，即依据系统的功能、精度和经济技术指标“自顶向下”按系统功能层次把硬件分成若干模块，分别对各部分进行元件选取、设计，最终把各部分统一起来进行整体设计、调试。4.2微处理器系统设计根据以上硬件设计方案，综合
33、考虑存储空间、FLASH存储器及A/D转换等功能从而选择性价比比较高，具有丰富外设功能的低功耗单片机MSP430F149，设计中使用到的其它芯片和器件在满足要求的情况下，尽可能选用低功耗的芯片。4.2.1 MSP430F149结构MSP430系列单片机是一个特别强调超低功耗性能的单片机品种，它适合应用在各种要求极低功耗的场合。MSP430的CPU运行正交的精简指令集，由16位ALU(Arithmetic and Logic Unit)、指令控制逻辑和16个寄存器组成。寄存器中有4个具有特殊用途，即程序计数器R0/PC(Register 0/Program counter)、堆栈指针R1/SP(
34、Stack pointer)、状态寄存器和常数发生器R2/SR/CG 1(Special Register/Constant Generator 1)， R3/CG2。除了CG 1和CG2，所有寄存器都可作为通用寄存器，用所有指令操作。每次访问均需要16位数据总线(MDB即：Memory Data Bus)和访问当前存储器模块所需的地址总线(MAB即：Memory Address Bus)。存储模块由内部模块允许信号自动选中，这样可以减少总的电流消耗。对于MSP430F系列，程序存储器是FLASH型的。在程序设计中，可以将数据安排在程序存储器中，它们可以用字或字节指令方式访问，因此可以实现查表
35、处理等应用。64KB空间顶部的16字(0FFFFhOFFE0h)保留用作复位及中断的向量地址。数据存储器(RAM)与程序存储器相同，存储器的主要功能是存储程序和各种数据，并能在计算机运行过程中高速、自动地完成程序或数据的存取。存储器是具有“记忆”功能的设备，它采用具有两种稳定状态的物理器件来存储信息，这些器件也称为记忆元件。经地址总线(MAB)和数据总线(MDB)与CPU相连。RAM内的数据可以以字或字节宽度访问。由于RAM与程序存储器是经过相同的地址总线和数据总线与CPU相连，因此程序代码可以装入RAM也可以在RAM内运行。这给程序的调试提供了很大的方便。所有指令都有字节操作或字操作形式。但
36、是，对堆栈和PC的操作是按字宽度进行的，寻址时必须对准偶地址。振荡器LFXT 1(Low Frequency Oscillator)是专门为通用的低功耗32768Hz时钟晶振设计的，也可以用一个高速晶振工作。当采用32768 Hz晶振时，除了晶体需要外接以外，所有的模拟元件都集成在片内。如果采用高速晶振，仍需要外接负载电容。MSP430F14x片内还有一个可实现高速晶振的XT2振荡器。除了晶体振荡器外，MSP430系列FLASH型芯片都有一个数控RC振荡器(DCO即：Data Control Oscillation) 。DCO与其它普通的RC(Resistance and Capacitanc
37、e)振荡器不同，它可以实现数字控制及频率的调节。外围模块及CPU的时钟源选择非常灵活。绝大多数外围模块设计成可以用32768 Hz、高速晶振或DCO来工作。CPU可以用DCO工作，也可以用晶振时钟信号运行。4.2.2 MSP430F149电路设计如图4-2所示为单片机部分电路，通过图4-2可以看出，该单片机的接口电路非常简单。在单片机的时钟设计上与其他单片机有一定的区别：MSP430F149单片机采用两个时钟输入，即一个32kHz的时钟型号，另外一个为8MHz的时钟信号。该系统的时钟部分都是采用晶体振荡器实现的。考虑到电源的输入纹波对单片机的影响，在电源的管脚增加一个0.luF的电容来实现滤波
38、，以较少输入管脚处受到的干扰，另外单片机还有模拟电源的输入端，因此在这里需要考虑干扰问题，由于在该系统中的干扰比较小，因此模拟地和数字地共地，并在模拟电源输入管脚增加一个滤波电容以减小干扰。单片机的串口0与GPRS模块接口，串口1与PC进行通信，由于接口电平不同，因此串口1与RS-232芯片进行连接。单片机的P1.2和P1.3管脚与串行存储器进行接口。单片机的部分电路如图4-2所示。图4-2 单片机部分电路4.3 GPRS无线数据传输模块MC391本系统主要采用GPRS模块MC39I通过GPRS网络实现数据采集终端与监控中心的通信，主要采用短消息收发的方式进行数据传输，下面对MC39I模块的功
39、能特点及电路设计做详细介绍。4.3.1 MC39I模块简介MC39I是Siemens公司推出的基于GPRS/GSM网络的无线数据传输模块，它完全兼容MC35模块的功能，能够在GPRS网中完成语音、数据呼叫、网络连接、短消息以及传真的传送，Siemens自己的复用协议基本上可以满足语音/数据复用串口的要求，在GPRS不可用的地区还可以通过GSM短消息传输数据。MC39I无线通信模块主要有以下功能：(1)支持双频GSM/GPRS，无需申请频点，只需一张SIM卡即可。(2)永远在线，即用户可以随时与网络保持联系。(3)按流量计费。按照用户发送和接收的数据包的数量来收取费用，没有数据流量传递时，即使用
40、户挂在网上，也是不收费的。(4)快速登陆，与GPRSA网络建立连接的时间一般是3-5秒，接入互联网的时间是1-3秒。(5)自如切换，GPRS上网不影响正常的通话和接收短信。(6)透明数据传输，用户只需接入或取出数据即可，无需编程。(7)抗干扰设计，GPRS提供四种不同的编程方式，分别提供不同的错误保护能力。MC39I是一个完整的GPRS模块，本身能完成独立的功能。外部有40个管脚，通过一个ZIF(Zero Insertion Force，零阻力插座)连接器引出，从而实现电源连接、指令、数据、语音信号及控制信号的双向传输。为了便于硬件设计，对ZIF连接器的管脚图进行介绍。图4-3为ZIF连接器的
41、管脚图。图4-3 ZIF连接器这40个引脚可以划分为5类，即电源、数据输入输出、SIM卡、音频接口和控制。第1-14脚为电源部分：1一为电源电压输入端Vbatt+， 6-10为电源地GND.11， 12为充电引脚，13为对外输出电压(供外电路使用)，14为ACCU-TEMP接负温度系数的热敏电阻。24-24为SIM卡引脚，分别为CCIN， CCRST， CCIO， CCCLK，CCVCC， CCGND。 33、34为语音接口，用来接电话手柄。15、30、31和32脚为控制部分：15为点火线IGT(Ignition)，当MC39I通电后必须给IGT一个大于100ms的低电平，模块刁能启动，30为
42、RTC， 31为Power Down， 32为SYNC。16-23为数据输/输出，分别为DSR0， RING0， RxD0， TxD0和DCD0。MC39I的数据输入/输出口实际上是一个串行异步收发器，符合ITU-TlRS232接口标准，它有固定的参数：8位数据为和1位停止位，无校验位，波特率在300bps115kbps之间可选，硬件握手信号用RTS0/CTS0，软件流量控制用XON/XOFF， CMOS电平，支持标准AT指令。4.3.2 MC39I模块接口设计经过前面对MC39I模块的介绍，对MC39I模块已经有了深入的了解，因此设计它的接口电路就比较容易了。MC39I模块主要通过串口与单片
43、机进行连接，从而实现单片机对MC39I模块的控制。虽然MC39I模块的串口提供了很多控制线，但由于考虑到设计接口的简单性，并且与单片机的UART进行连接，所以采用两线(TXD， RXD)连接。对MC39I模块通信的控制可以通过软件来实现，采用软件实现控制具有比较灵活的特点，也能很好避免了过多的硬件信号的检测。对于MC39I模块其他管脚在不使用的时候，如果该管脚为输出管脚的话，一般让该管脚悬空，如果为输入管脚，需要将该管脚通过l OK的电阻上拉。由于/IGT为MC39I模块的工作状态控制管脚，所以需要将该管脚上拉，并且将该管脚与单片机进行连接，从而可以通过单片机来控制MC39I模块的工作状态。在
44、设计的时候，需要考虑MC39I模块的电源管脚并联在一起。由于MC39I模块是一个功能完全的模块，因此这里不需要做任何的信号处理和射频处理。接口设计如图4-4所示。图4-4 MC39I模块接口电路由图可以看出，MC39I接口电路设计简单，在进行串口设计时，虽然MC39I模块的串口管脚的工作电平是CMOS电平，单片机的串口管脚的工作电平是竹L电平，但由于单片机的高电平和低电平的逻辑判断电平可以实现与MC39I的管脚进行连接，因此MC39I模块的串口线直接与单片机的串口进行连接。对于MC39I模块的串口管脚中的DTRO和RTSO两个管脚为输入管脚，因此分别通过l0k的电阻将这两个管脚拉高。/IGT为
45、MC39I的工作状态控制管脚，该管脚首先通过一个电阻拉高。平时该管脚为高电平，处于不工作状态；另外单片机的P1.0作为输出口，与MC39I的/IGT管脚进行连接，实现控制MC39I模块的工作，当/IGT管脚输出高电平的时候，MC39I模块不工作；当/IGT管脚输出为低电平的时候，MC39I模块工作。当MC39I模块启动后，/IGT管脚可以是高电平。MC39I的SYNC管脚用来指示GPRS模块的工作状态，连接一个指示灯来指示工作状态。另外，MC39I模块还需要连接SIM卡座，这样刁能够实现一个完整独立的GPRS终端。4.3.3 MC391模块的SIM卡接口部分设计要登录到移动网络上，还必须通过其
46、SIM卡接口扩展外部SIM卡插槽。MC39I模块的个引脚，SIM卡接口符合ISO 7816-3 IC卡标准。MC39I模块的SIM卡接口共有6各个引脚的作用和定义如下：(1)CCRST： SIM卡复位，由基带处理器提供。(2)CCCLK： SIM卡时钟，基带处理器可以设置不同的时钟频率。(3)CCIO：串行数据线，输入和输出。(4)CCIN：检测SIM卡插槽中是否有卡，输入到基带处理器；如果SIM卡在操作过程中SIM卡拔出，SIM卡接口将立即关闭。(5)CCVCC： SIM卡供电电源。(6)CCGND：独立的SIM卡地。MC39I模块的启动过程包括在一秒钟内对SIM卡进行初始化，这个操作过程和
47、CCIN引脚的高低密切相关，如果MC39I启动过程中CCIN引脚为低，模块将尝试初始化SIM卡，在这种情况下，仅当插槽内有SIM卡时初始化才会成功。SIM卡初始化完成后，如果卡不能用或者拨出，模块不会再次查询SIM卡，只能进行紧急通话。因为此处采用的SIM卡插槽没有检测开关，因此MC39I的CC1N引脚连接到CCGND引脚。使用时应特别注意先将SIM卡可靠插入，否则将造成无线通讯失败。SIM卡电路连接方式如图4-5。图4-5 SIM卡电路连接图由图可以看出，SIM卡座只需要直接与MC39I模块的ZIF连接器对应的SIM卡管脚进行连接，只是在需要的地方加电容进行滤波处理。需要注意的是SIM卡接口电路设计时要特别注意EMC(电磁兼容性)问题，应遵循下面两个原则：(1)ZIF连接器引脚和卡引脚之间的总电缆长度不能超过200mm，以满足GSM推荐标准11.10的规范。(2)对SIM卡接口的地进行特殊处理，可为SIM卡单独敷设地铜膜，再通过电容和电感连接到电源地。4.4串口设计该系统实现的串口电路(RS-232电路)主要是与上位机进行通信，实现单片机系统与上位机进行通信处理。由于单片机与上位机进行通信时接口电平不同，因此需要进行接口转换，这里采用SP3220芯片来完成接口电平的转换。