基于ARM和GPRS的無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、收稿日期:2008-07作者簡介:耿新民(1949,男,副教授,研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。基于ARM 和GPRS 的無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)耿新民1,孫錦中2(1.上海電力學(xué)院,上海200090;2.上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院,上海200072摘要:介紹一種嵌入式系統(tǒng)利用GPRS 技術(shù)進(jìn)行無線通信的設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)中采用SamSung 公司的ARM7CPU 控制GPR S m o 2de m 來接入Inte rne t ,實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸。文中描述了系統(tǒng)的硬件構(gòu)成和PPP 協(xié)議以及精簡的TCP /IP 協(xié)議的軟件實(shí)現(xiàn)。該設(shè)計(jì)能廣泛應(yīng)用于無線抄表,遠(yuǎn)程監(jiān)控領(lǐng)域,具有較高實(shí)用價(jià)值。關(guān)鍵詞:GPR S ;AR

2、M;嵌入式系統(tǒng);無線通信中圖分類號(hào):TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B 文章編號(hào):1006-2394(200901-0044-02D esign ofW ireless C o mm un ication Syste m Based on ARM and G PR SGE NG X in 2m in 1,S UN Ji n 2z hong2(1.Shangha iUniversity of E l ectric Po wer ,Shanghai 200090,Chi na ;2.School ofM echatronics and Au t o m ati on ,Shanghai University

3、 ,Shanghai 200072,Chi naAbstr act :A design f or wireless co mmun icati o n by GPRS technol o gy i n e mbedded syste m is introduced .The design use AR M7CP U of Sa mSung to controlGPRSmode m f or i n ter net connection .The hardware str ucture and soft w are proto 2cols such as PPP and TCP /I P are

4、 descri b ed .The design can be used i n w ireless data collection and long 2distance moni 2tori n g .It has h i g h practical value .K ey w ord s :GPRS ;AR M;e mbedded syste m;w ireless co mmun ication1 系統(tǒng)工作原理及設(shè)計(jì)要點(diǎn)1.1 系統(tǒng)工作原理GPRS 網(wǎng)絡(luò)主要由在GS M 基站中新增加的GPRS 業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)組成,并通過GPRS 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)與Internet 的互聯(lián)。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,要與I

5、nter net 交互信息的數(shù)據(jù)端先通過GPRS mode m 與當(dāng)?shù)谿S M 基站中的GPRS 業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線通信,并進(jìn)入GPRS 網(wǎng)絡(luò),然后通過GPRS 網(wǎng)關(guān)與I nter net 進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。如圖1所示,微處理器AR M 芯片通過串行接口連接到GPRS mode m 上,此時(shí)ARM 芯片通過發(fā)送AT 指令就可以與GPRSmode m 進(jìn)行通信,GPRS 通過路由管理來進(jìn)行尋址和建立數(shù)據(jù)連接,通過ATD 撥號(hào)過程、PPP 協(xié)商過程、TCP 連接過程之后就連接上Interne,t 這樣ARM 芯片借助GPRS 就可以訪問Internet 了。圖1 GPR S 接入Internet 系統(tǒng)模

6、型1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)在本系統(tǒng)中,設(shè)計(jì)的關(guān)鍵有二:一是ARM CPU 與GPRSmode m 的連接,即數(shù)據(jù)端的串行數(shù)據(jù)經(jīng)AR M CPU 的串口發(fā)送到GPRS mode m 上;二是在嵌入式系統(tǒng)中編寫基于GPRS 通信的PPP 協(xié)議和精簡的TCP /IP 協(xié)議應(yīng)用程序。PPP 用于在串行鏈路上封裝I P 數(shù)據(jù)包,I P 是I nter net 互連的基礎(chǔ),兩者都是必須的。TCP 是網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)運(yùn)輸層協(xié)議,具有較高的可靠性和成熟的流量控制。2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2.1 硬件器件的選擇本設(shè)計(jì)中,微處理器采用Sa mSung 公司的S3C44B0X 芯片,它是基于ARM7T D M I 內(nèi)核的32位高速處理

7、器,具有高性能、高實(shí)時(shí)性,低成本等特點(diǎn),適合本系統(tǒng)的開發(fā)。同時(shí)為S3C44B0X 芯片配置了一片SS T39VF160(容量為8MB 的FL AS H 和一片HY57V641620(容量為8MB 的S DRA M ,分別用于存儲(chǔ)程序和做系統(tǒng)內(nèi)存用。為了使系統(tǒng)具有較好的人機(jī)互動(dòng)性,還在S3C44B0X 外圍配置了一塊觸摸屏(型號(hào)#44#儀表技術(shù) 2009年第1期為L RH 9J515XA S TN /B W 和4*4矩陣鍵盤,在觸摸屏上可顯示數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕缑?反饋數(shù)據(jù)傳輸成功或失敗的信息。GPRS mode m 模塊選用S KY WORKS 公司的Z TG201。它采用S KY WO RKS 的射

8、頻解決方案(RF ,接收器靈敏度:-108dBm ,支持C MUX ,支持S MS(收、發(fā)和GPRS 同時(shí)在線,內(nèi)置TCP /I P 協(xié)議棧,提供更多的引腳100個(gè),能夠很好的滿足本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。2.2 系統(tǒng)硬件平臺(tái)的搭建本無線通信系統(tǒng)是由S3C44B0X 芯片、S S T39VF160、HY57V641620、4*4鍵盤,LCD 、GPRSM ode m 組成,系統(tǒng)框圖如圖2所示。S3C44B0X 通過總線擴(kuò)展與SS T39VF160和HY57V641620相連,通過自帶的專用LCD 控制器與LCD 相連,通過中斷的方式來控制鍵盤,通過串口與GPRSM ode m 相連。圖2 系統(tǒng)硬件平臺(tái)

9、框圖3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)該無線通信系統(tǒng)的大致工作流程:(1物理過程。在對(duì)GPRS Mode m 模塊進(jìn)行參數(shù)設(shè)置后,AR M 利用AT 指令通過GPRSMode m 撥號(hào)。正確反饋及應(yīng)答后,一條物理通道即GPRS 信道就在系統(tǒng)中的GPRSMode m 和GPRS 網(wǎng)絡(luò)之間建立起來。(2數(shù)據(jù)過程。PPP 協(xié)議將原始的GPRS 物理層連接改造成無差錯(cuò)的數(shù)據(jù)鏈路,系統(tǒng)將遠(yuǎn)程登錄Inter 2ne,t 并得到GPRS 網(wǎng)關(guān)分配的I P 地址。(3網(wǎng)絡(luò)過程。利用I P 協(xié)議作為網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議,經(jīng)過I P 路由選擇可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與連在Internet 的終端進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。(4傳輸過程。選擇TCP 作為傳輸層協(xié)議,為數(shù)

10、據(jù)傳輸提供面向連接的可靠服務(wù)。在通訊過程中,ARM 與Z TG201的數(shù)據(jù)通信格式有兩種:AT 指令和PPP 幀。AT 指令格式表示從串口發(fā)送的所有數(shù)據(jù)都發(fā)送給了GPRS 模塊,PPP 幀格式表示從串口發(fā)送的所有數(shù)據(jù)都透明的發(fā)送給了G GS N 。無線通信系統(tǒng)的應(yīng)用程序在E mbest I D E 集成開發(fā)環(huán)境中用C 語言編寫完成,主要包括以下幾個(gè)部分。3.1 串口通信程序設(shè)計(jì)串口程序主要向GPRS Mode m 發(fā)送AT 指令和等待GPRSM ode m 的反饋信息,從而完成對(duì)GPRS Mo 2de m 的設(shè)置和測(cè)試以及GPRSMode m 撥號(hào)操作。首先通過AT 指令接口函數(shù)(ATCo m

11、mand(測(cè)試模塊是否正常及進(jìn)行必要的設(shè)置,接著發(fā)送AT +CGDCO NT =1,/I P 0,/C MNET 0對(duì)接入的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供商進(jìn)行初始化,然后再發(fā)送AT DT *99*1#進(jìn)行連接,若能收到對(duì)方返回的連接成功信號(hào)/CON 2NECT 0,CPU 就發(fā)送一個(gè)鏈路控制協(xié)議(L CP的請(qǐng)求幀,以強(qiáng)迫進(jìn)入PPP 協(xié)議協(xié)商階段,協(xié)商完成后,撥號(hào)就成功了。此后,數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收都是PPP 幀,GPRS 工作模式進(jìn)入無線連接狀態(tài),不再響應(yīng)AT 命令,直到斷開連接為止。3.2 網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議程序設(shè)計(jì)(1PPP 協(xié)議。PPP 協(xié)商過程是系統(tǒng)接入Inter 2net 的關(guān)鍵,由于PPP 協(xié)商屬于Requ

12、est 2ans wer 的方式,即用戶終端向I SP 發(fā)起請(qǐng)求(request,I SP 按照請(qǐng)求內(nèi)容作回應(yīng)(ans wer,因此可以采用不建立完整的PPP 協(xié)議狀態(tài)機(jī)的方法,用最快的方式完成撥號(hào)過程。本設(shè)計(jì)的最簡PPP 協(xié)議內(nèi)容如下:鏈路控制協(xié)議(L CP配置選項(xiàng)內(nèi)容:02選項(xiàng)(轉(zhuǎn)(2TCP /I P 協(xié)議棧。本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)的TCP /I P 協(xié)議棧不支持UDP 協(xié)議,I C MP 協(xié)議只支持其中的echo 協(xié)議(響應(yīng)PI N G 命令,提供類似MFC 的CSock 2et 的套接字接口,有主動(dòng)和被動(dòng)建立連接功能。其中,TCP 協(xié)議的所有操作都是基于Socket 套接字來完成,當(dāng)需要建立一個(gè)

13、新的連接時(shí),初始化一個(gè)新的Socke,t 連接成功則保存Socke,t 否則釋放Socket 。請(qǐng)求、建立和關(guān)閉等過程的進(jìn)行由套接字Socket 中的函數(shù)指針調(diào)用來實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)接入I n ter net 流程圖如圖3所示。3.3 LCD 、鍵盤程序設(shè)計(jì)S3C44BOX 上自帶LCD 控制器,可支持多種顯示模式,可以編輯友好的人機(jī)界面。本設(shè)計(jì)中LCD 部分的子程序包括初始化Lcd _Init(voi d ,位圖顯示voi d Bit m apV ie w (I N T16U x ,I N T16U y。鍵盤部分的子程序包括鍵盤中斷程序、按鍵識(shí)別程序及鍵值顯示程序。(下轉(zhuǎn)第58頁#45#2009年第

14、1期 儀表技術(shù)應(yīng)用研究也非常深入。3.5電力檢測(cè)元件的研究由于電力元件或者電力設(shè)備多為高電壓、大電流,因此如何解決隔離、提高傳感器的耐壓、提高它們的使用壽命等研究也迫在眉睫。目前針對(duì)電力系統(tǒng)特點(diǎn)的電流傳感器、電壓傳感器、紅外測(cè)溫等研究也有學(xué)者關(guān)注,有些已經(jīng)產(chǎn)品化,主要用于電力設(shè)備的保護(hù)、測(cè)量和故障濾波等。也有學(xué)者通過超聲、紅外成像、震動(dòng)等原理對(duì)設(shè)備進(jìn)行故障診斷的研究。3.6電力信號(hào)處理的研究基于小波的微觀信息的提取和合成功能,有論著專門討論了關(guān)于小波分析在電力系統(tǒng)的應(yīng)用。很多人工智能,例如神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、模糊算法、專家系統(tǒng)及螞群算法都有成功的仿真研究,得出了很多有益的結(jié)果。3.7故障診斷的研究故障

15、診斷的研究一直是很多學(xué)者關(guān)注的研究方向,但是其實(shí)用研究還不深入。主要研究思路包括:基于故障模型和基于信號(hào)處理兩種。利用強(qiáng)迫濾波器對(duì)隱藏在信號(hào)殘差序列中某些故障的敏感性來處理電力系統(tǒng)中常見的故障,是很多論文闡述的觀點(diǎn),其研究成果也得到了比較廣泛的應(yīng)用;很多保護(hù)裝置大多基于這個(gè)原理。由于多源故障信息處理在克服數(shù)據(jù)攝動(dòng)、對(duì)象模型參數(shù)變化較大的魯棒性而得到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注,也有這方面的專著出版;有學(xué)者預(yù)測(cè)或許這是解決大系統(tǒng)故障診斷最有效的方法,其應(yīng)用研究正在深入進(jìn)行;所采用的數(shù)學(xué)方法有統(tǒng)計(jì)推斷、估計(jì)理論、粗糙集理論和各種融合技術(shù)等。3.8自恢復(fù)的研究自恢復(fù)的研究在民用技術(shù)中比較少,但是在航空電源中正在

16、進(jìn)行;采用軟件冗余和硬件冗余的方法提高電力設(shè)備可靠性,特別是逆變部分的自恢復(fù)電路和控制方法的研究對(duì)于提高設(shè)備的可靠性有著深遠(yuǎn)的意義。例如在對(duì)多電池充電的管理系統(tǒng)中,對(duì)于充電不均勻的各電池的自投入和自退出的研究就屬于該項(xiàng)技術(shù)。4展望隨著對(duì)電力電子設(shè)備的廣泛深入研究,其內(nèi)涵一定有多種說法,但是無論哪種都必然沿著智能、高效、高性價(jià)比方向發(fā)展。目前風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電應(yīng)用研究的進(jìn)展對(duì)電力電子技術(shù)的研究內(nèi)涵有所擴(kuò)展,航空電源的研究也迫使很多基于仿真的研究必須考慮實(shí)踐中面臨的復(fù)雜化問題。因此,人工智能、信息融合等基本信息的處理也必然會(huì)有機(jī)的融入到電力電子技術(shù)中來。參考文獻(xiàn):1王兆安,黃俊.電力電子技術(shù)(第4版M.機(jī)械工業(yè)出版社,2003.2趙良炳.現(xiàn)代電力電子技術(shù)基礎(chǔ)M.清華大學(xué)出版社,2000.(許雪軍編發(fā) (上接第45頁 圖3系統(tǒng)接入Inte rnet流程圖4總結(jié)本文設(shè)計(jì)的基于ARM與GPRS的無線通信系統(tǒng),主要是通過ARM控制串口與GPRS模塊進(jìn)行通信,在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中,包含了PPP協(xié)議和精簡的TCP/I P 協(xié)議,這樣通過GPRS模塊使嵌入式系統(tǒng)接入I neter2 ne,t能進(jìn)行網(wǎng)上數(shù)據(jù)交換。目前這種技術(shù)被廣泛的應(yīng)用于無線抄表,遠(yuǎn)程監(jiān)控領(lǐng)域,具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。參考文獻(xiàn):1田澤.嵌入式