（通信与信息系统专业论文）基于gprs和嵌入式μcosⅡ的无线监控系统研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 随着信息技术和数字技术的发展，特别是对i n t e r n e t 和多媒体通信需求 的增长，通信技术的发展主要集中在宽带通信网络和无线通信领域。而g p r s 技术又将互联网等宽带数据网络与无线通信网络连接在一起，g p r s 的应用范 围很广，可以用于开发互联网、用于移动性管理以及无线监控等方面。本文 主要是针对g p r s 在无线监控数据传输方面的应用进行研究。 本文首先对g p r s 技术原理和嵌入式uc 0 s i i 操作系统进行了详尽的 描述和研究，并对无线监控系统的应用现状及发展前景进行了综述，然后给 出了系统在远程抄表上的应用方案，制定了系统实现的功能以及性能指标。 根据给定的应用方案设计了无线监控数据传输系统的模型，并对各个环 节的软硬件关键技术实现进行了研究。课题的主要工作集中在两个方面：一 方面是g p r s 无线收发设备硬件实现，在这一部分涉及到模块硬件功能设计、 无线模块、单片机设备的选型、电路图电路板制作；另一方面是软件，主要 是针对t c p i p 协议进行s o c k e t 编程，以及上位机监控软件的设计，把监控 端上位机做成一个服务器，下位机做成客户端，通过g p r s 网络使客户端应用 程序和服务器应用程序在i n t e r n e t 上建立联接，从而达到互访的目的。最后 对整套系统的性能进行了测试。 该系统己在实验室调试成功，将应用到北京博雅园智能楼宇抄表系统的 优化升级中去。 关键词：g p r s ：无线监控；嵌入式pc o s i i 实时操作系统 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n d d i g i t a lt e c h n o l o g yi n r e c e n ty e a r s ，e s p e c i a l l yw i t ht h el a r g er e q u i r e m e n to f i n t e r n e ta n dm u l t i m e d i a c o m m u n i c a t i o n ，t h em o s tf a s c i n a t i n gt e c h n o l o g i e sa r ef o c u s e do nw i d ea n d c o m m u n i c a t i o nn e t w o r ka n dm o b i l e c o m m u n i c a t i o ni nt h ef i e l do f c o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) c o n n e c tw i d e b a n d ( e g i n t e m e t ) 、v i mw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ，s og p r sc a nb ew i d e l a p p l i e d i n i n t e r a c t ，r e m o t em o b i l em a n a g e m e n ta n dr e m o t ec o n t r 0 1 i nt h i s d i s s e r t a t i o n ，g p r sa p p l i e di nd a t at r a n s f e r o fw i r e l e s sr e m o t e m o n i t o r i n g s y s t e m i sd i s c u s s e di nd e t a i l f i r s tg p r s t e c h n o l o g y a n d i t c o s i ic r a b b e do p e r a t i o n s y s t e m a r e i n t r o d u c e dt h i s p a p e r ；t h e np r e s e n t s t a t u sa n d d e v e l o p m e n tp r o s p e c t s o f w i r e l e s sr e m o t em o n i t o r i n gs y s t e mi s s u m m a r i z e d ；l a s tt h es y s t e m ( g p r s a p p l i e di n d a t at r a n s f e ro fw i r e l e s sr e m o t em o n i t o r i n gs y s t e m ) i s d e s i g n e d ， s y s t e mf u n c t i o n sa n dc a p a b i l i t i e sa r e a l s od e s i g n e d m a i n c o m p l e t e dw o r k s1 n c l u d e ：r e a l i z e g p r st r a n s c e i v e rh a r d w a r e a n ds o f t w a r e t h e p a r t w o r ko fh a r d w a r e i n c l u d e ：d e s i g n f u n c t i o no f h a r d w a r em o d u l e ，s e l e c tq u i p m e n to fw i r e l e s sm o d u l ea n d s i n g l e - c h i p ，d e s i g n a n dr e a l i z ec i r c u i td i a g r a ma n d c i r c u i tb o a r d ；t h e p a r tw o r k o fs o r w a r ei n c l u d e a p p l i e ds o c k e tt e c h n o l o g ya n dt c p i p p r o t o c o l t or e a l i z ec o m m u n i c a t i o n p r o g r a m ；t h ep c c m o n i t o r i n gs o f t w a r ed e s i g n i n t h i ss y s t e mt h ep cu s e a sa s e r v e r , a n dt h es i g l e c h i p u s e sa sac l i e n t t h e yc o m m u n i c a t et h r o u g hg p r s 哈尔滨工程大学硕士学位论文 n e t w o r k i nt h ee n dt h ec a p a b i l i t yo f t h i ss y s t e mi st e s t e d t h i ss y s t e mh a sb e e ns u c c e e di nl a b o r a t o r yt e s t i n g a n dw i l lb e a p p l i e d i nt h e m e t e r c h e c k i n gs y s t e mo f b e i j i n gb o y a i n t e n l l i g e n tb u i l d i n g k e yw o r d s ：g p r s ，w i r e l e s sm o m i t o r i n g ，e m b e d e duc o s i i r e a lt i m e o p e r a t es y s t e m 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献等的 引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已经注明 引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开 发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 日期：2 0 0 3 年1 2 月2 2 目 1 1 课题背景 1 1 1 移动i p 的发展 第1 章绪论 当今世界，在飞快发展的信息领域中，有两支突飞猛进的支柱产业， 即移动通信和i n t e r n e t 。几乎最新的信息、通讯、电子、计算机方面一切 新技术，无不为这两大支柱产业所吸收和采纳。它们的网络覆盖愈来愈大， 主干网、接入网的传输速率越来越快，核心网络设备和终端功能越来越强， 体积愈来愈小，价格大幅度下降。而伴随着二者的飞速发展，这两大领域 也开始迅速融合。移动i p 开始从过去的希望变成现实。事实上，从g s m 移 动蜂窝通讯系统诞生的那一天起，移动通信就具有数据通信能力，主要是 基于9 8 k b i t s 电路型数据业务，如中文短消息服务。在发展数据通信的 过程中，不断采用新技术，增加传输带宽，进一步引进数据业务，尤其是 与i n t e r n e t 相结合的数据业务。移动i n t e r n e t 正是在这时候开始从概念 阶段走上业务发展的前台，成为移动通信的主流发展趋势。 在需求和技术两种驱动力的作用下，全世界范围内涌现出多种移动 i n t e r n e t 技术。通过移动和无线通信系统接入i n t e r n e t 的方式分为两大类， 一是基于蜂窝的接入技术，如c d p d ，g p r s ，e d g e 等。二是基于局域网的技 术，如i e e e 8 0 2 1 1w l a n ，b l u e t o o t h ，h o m e r f 等。总体来说，可以采用的 主要有：m o d e m ，w l a n ，g p r s ，b l u e t o o t h 、m o b i l e i p 以及w a p 等等。尽管它们 解决问题的层面和侧重点有所不同，但着眼点都是相同的：一是连接 i n t e r n e t 的计算机设备( p c 、膝上电脑、笔记本电脑等) 如何实现移动性， 二是便携终端( 蜂窝电话、传呼机、掌上电脑、p d a 等) 如何接入i n t e r n e t 并获取和显示有效信息。实际上，这二者也是相辅相成的，并且己部分成 一；一；一一塑：；墼堡堑堡圭兰堡垒圣一一一； 为现实。 另一方面，网络应用最重要的目标之一就是进行多媒体通信。多媒体 信息主要包括图像、声音和文本三大类，其中视频、音频等信号的信息量 是非常大的而且这些信息的表达方式、输入、输出的要求也各不相同，因 此在多媒体通信中，对这些数据进行有效的表达和适当处理非常重要。为 了满足多媒体通信对带宽的需求，无线通信网络不约而同的将网络传输速 率作为其性能参数中的关键指标。例如g p r s 网络理论上的最大数据传输速 率达1 0 7 2 k b it s ，而3 g 标准则要求提供2 m b i t s 的数据业务，这一速 率还将在日后得到进一步提高。除此之外，多媒体压缩技术的日臻成熟也 为移动多媒体通信的实现提供了技术保证。 g p r s 就是在这种条件下应运而生的，它解决了移动i p 所要解决的问题， 满足了初步的要求。他成为移动i p 的理想解决方案，在向3 g 过渡的过程 中起到很重要的作用。从g p r s 投入商用以来在各个领域得到了广泛的应用， 本文主要就其在无线监控领域的应用进行研究。 1 1 ，2 无线监控系统发展现状及其前景 远程监控技术的出现，是计算机网络技术与故障监控技术相结合的必 然结果。早期远程监控技术是非实时非在线监控方式，而现代远程监控技 术是实时在线监控方式，借助于计算、互联网和通信技术，操作者可以依 靠安装在现场的各种传感器及音视频设备，远隔千里便可随时了解现场生 产与设备情况，对生产现场进行监控、诊断与控制远程监控技术的模式是 与通信技术的发展密不可分的，伴随着通信技术的发展，出现了三种远程 监控模式。 1 人工远程监控 这种方式是通过人工对现场参数及现场运行情况进行记录，然后带回 总控室有工程师进行分析推理，这就包含了太多的人为因素，而且无法实 现实时在线监控，存在很多弊端，这是比较原始的方式。 2 有线网络远程监控 有线网络监控方式是现代远程监控模式，他将现场各个采样点通过通 信线将其连成网。根据通信方式的不同，可以有以太网、光纤网等等，这 神方式也是现在广为使用的方式，如现场总线。其最显著特点是现场的采 样设备将各种传感器获取的设备状态信息转变为数字信号后，通过网络传 送给远程诊断工程。远程诊断工程师再利用计算机和现代数字信号处理技 术对收到的数字信号进行分析处理，对设备状态进行评估，给出诊断结论 并将结果返回给现场人员由于数字信号远程传输的保真度高，不受时间和 空间影响，因此诊断结论可靠性高，可以实现真正意义上的实时在线远程 监控与诊断。但是这种方式在网络铺设上投资巨大，而且受距离限制，各 数据点之间的距离越远铺网的投资就要上升，主要是由于需要增设路由器。 3 无线网络远程监控 无线网络远程监控又分为两种：种是单独构建无线网，另一种是利 用公g s m 。第一种方式由于要自己进行网络构建包括传输设备，中继站，传 输协议制定，工作量比较大。第二种用g s m 网络实现，这类监控的通信方 式是依托遍布全球的g s m 网，它的最大特点是打破了距离的限制，从而可 以实现全国乃至全球漫游监控。这类监控主要是利用g p r s 数据业务通过 i n t e r n e t 进行通信。g p r s 技术传输速度快，永远在线，用g p r s 技术实现 的监控系统，买时性强，安全可靠，按流量计费，比短消息更经济、合理。 利用g p r s 进行远程监控，既避免了开发新的频率资源，又开辟了远程监控 的新领域。该系统具有网络覆盖范围广，系统抗干扰能力强，通信速度快， 通信误码率低等优点，并且，完全利用g p r s 移动通信网络，建设和运行成 本低，。随着g p r s 网络技术的不断发展，构筑在g p r s 网上的远程无线测控 系统必然能与移动通信技术的发展同步，因而具有广阔的前景。 1 1 3 国内外远程自动抄表系统的现状嘲 远程自动抄表系统是不需要人员到达现场，使用计算机技术、通信技 哈尔滨工程大学硕士学位论文 术、网络技术和微电子技术相结合，通过定的网络设备建立通讯联系， 具有高度集成性，集软件、硬件为体，对各种范围内电力用户实时用电 量信息以及各种故障信息数据自动正确采集、传输、统计及综合分析的系 统。具有抄收速度快、计算精度高、抄表同时性好、可直接与营业计算机 联网等突出的优点。采用自动抄表系统可以降低抄表人员的劳动强度、降 低人为因素造成的抄表误差，并能迅速的统计实时线损。 根据电能表的发展趋势，实现自动抄表主要有两种方式一是通过电能 表本身来解决，即是采用i c 卡或电卡式等形式的电能表，用户在售电机上 买电后将卡插入自己的表中即可用电，预先将使用的电量记录在售电机内， 实现先买电后使用：另一种就是利用自动抄表系统来解决。目前，世界上大 多数国家都以后者的发展为主。国外在9 0 年代初，就有了实际应用。据美 国电世界1 9 9 4 年1 0 月号摘要：在1 9 9 4 年初，北美地区安装了3 1 4 0 6 3 块具有自动抄表功能的电能表，其中g e o r g i a 电力公司在1 9 9 3 年内已经装 设了5 0 0 0 0 个车载无线电自动抄表单元：b o s t o n e d i s o n 公司已经装设了 1 7 0 0 0 个固定式和车载无线自动抄表单元：加拿大的q u e b e c 水电局也已经安 装了6 4 0 0 0 个自动抄表单元。 我国远程自动抄表系统的起步比国外晚。2 0 世纪8 0 年代初才开始研究 远程自动抄表系统。但是近年来，国内远程自动抄表技术发展迅速，并形 成了多种自动化抄表方式并存的格局。主站系统结构已从单机、双机系统 发展到网络式的主站系统结构，操作系统也己从d o s 发展到 w i n d o w s 9 5 9 8 n t ，系统功能上也从单纯的抄表功能发展到具有实时线损 统计、用电考核、远程控制、计费及银行联网等功能，有的系统还具有可 以通过实时用电统计监测用户偷电行为的功能。在通信方式上也从单一的 电话拨号方式发展到多种通信方式( 电话、无线电、专线等) 混和应用的局 面。 1 2 课题来源 本课题来源于冶金自动化院的远程无线监控项目，课题的目的是实现 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 现场数据的采集，无线传输，远程监控，报警等功能。课题成果最终将在 博雅园智能楼宇远程抄表系统升级改造中进行检验测试，以替代原有 l o n w o r k 现场总线。 1 3 课题内容 课题内容主要分为硬件和软件两大部分。在硬件上主要是g p r s 无线 m o d e m 的硬件实现，包括g p r s 数传模块以及单片机的选型、无线m o d e m 的 功能设计、音频电路、串口电路接口扩展，用p r o t e l 软件绘制电路板和p c b 板，对电路板进行焊接，以及电路板的调试。在软件上包括数据传输协议 的制定，数据采集模块软件实现，利用s o c k e t 进行t c p i p 协议编程，以 及上位机的服务器应用程序下位机的客户端应用程序的实现。最终实现数 据的实时传输，在线监控。 1 4 本章小结 g p r s 技术作为一种新的无线数据传输技术被广泛地应用到各种领域， 特别是在工业上的应用受到了普遍关注。本章作为引言，综述了国内外g p r s 技术在工业远程数据传输及现场监控应用中的研究现状。根据这些问题的 提出及应用环境的要求制定出论文的研究任务。 第2 章g p r s 网络技术概述 2 1 g p r s 网络结构 g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 是通用分组无线业务的简称。 g p r s 是g s m p h a s e 2 1 规范实现的内容之一，是g s m 网络向第三代移动通信 演进的中间阶段。这一阶段有两点重要意义：一是在g s m 网络中引入分组 交换能力，二是将速率提高到1 0 0 k b i t s 以上。g p r s 网络是搭建在g s m 网 络基础之上的。为了更好的理解g p r s 网络我们首先来看一下g s m 的网络结 构，然后再来说明g p r s 网络是如何在g s m 基础上发展而来的。 2 1 1 g s m 系统结构 g s m 系统是目前世界上最成功的移动通信系统之一。其系统结构如图 2 1 所示： i y m 丑 l i 。r 十一 e t r r t s j j 1d s c i s _ i 子 ih i ，ra i i c l 系y ，。 丑b t s l r s c l 系 暴篪 g s m 络结构图6 哈尔溟工程大学硕士学位论文 说明： m s ：移动台b t s ：基站收发信台 b s c ：基站控制器 m s c ：移动业务交换中心h l r ：归属用户位置寄存器v l r ：访问用户位置寄存 器 e i r ：移动设备标识寄存器a u g 鉴权中心o m c ：操作维护中心 m s 子系统：移动台子系统b s s 子系统：基站子系统n s s 子系统：网络子系统 从图2 1 可以看出，g s m 系统主要由三个相互独立的子系统构成：移 动台( m s ) 、基站子系统( b s s ) 、网络子系统( n s s ) 。基站子系统为移动台 和网络子系统提供了进行信息传输的通路，并对该通路进行管理( 尤其对 无线接口进行管理) 。网络子系统则对通信业务进行管理，负责建立移动台 和相关固定电话网络之间，以及移动台和移动台之间的通信。移动台、基 站子系统、网络子系统组成了g s m 网络的信息传输实体。 1 g s m 移动台( m s ) g s m 移动台包括移动态物理设备( 即手机的裸机) 和s i m 卡两部分。移 动台的类型很多，除了车载台、便携式移动台、还有人们熟悉的手持台一 手机。 2 基站子系统( b s s ) 基站子系统由基站收发信台( b t s ) 和基站控制器( b s c ) 两部分组成， 如图2 1 所示。基站子系统一方面通过b t s 利用无线接口与移动台相连， 负责无线资源的无线发送接收和无线资源的管理；另一方面，通过b s c 和 网络子系统( n s s ) 中的移动业务中心( m s c ) 相连，实现移动用户之间的 通信连接。 3 网络子系统( n s s ) 网络子系统( n s s ) 有六个功能单元组成：( 1 ) 移动业务控制中心( m s c ) 是整个网络子系统的核心。首先，m s c 是交换机，m s c 通过a 接口和其他m s c 或p s t n 建立连接、进行呼叫控制和计费。( 2 ) 访问用户位置寄存器( v l r ) m s c 通常和v l r 集成在一起，v l r 中存放的就是和其集成在一起的m s c 管辖 范围内的用户的相关信息。v l r 负责用户的位置登记和位置信息的更新，m s c 根据用户在v l r 中登记的位置，对其发起寻呼。v l r 中的数据是临时的，h l r 中的数据则是相对固定不变的。但h l r 也有一个临时的数据库，用于存放 哈尔滨工程大学硕士学位论文 用户的当前位置信息，在h l r 中存放用户位置信息的目的是为了方便呼叫 的转接。( 3 ) 归属用户位置寄存器( h l r ) 是g s m 的中央数据库，存储着该 h l r 控制区内所有用户的相关数据。一个m s c v l r 只能对应一个h l r ，但一 个h l r 可以控制一个或者若干个m s c v l r 。( 4 ) 鉴权中心( a u c ) g s m 系统 采取了许多特殊的安全措旌，如用户鉴权、对无线接口上的话音、数据和 信号信息进行加密。a u c 中存储着鉴权算法和加密密钥，用来防止非法用户 接入系统，并保证通过无线接口进行通信的用户数据的安全。( 5 ) 移动设 备标识寄存器( e i r ) e i r 中存储着移动设备的国际移动设备识别码( i m e i ) 。 e i r 中有三种清单：白名单、黑名单、灰名单。a u c 根据m s c 的要求，检查 i m e i 及其状态，并将结果报告m s c ，确保入网设备不是被盗用的或者故障 设备，确保注册用户的安全。( 6 ) 操作维护中心( o m c ) o m c 用于对g s m 系 统进行集中操作与维护，允许远程介入对系统进行运行维护和管理，并提 供和高层网络管理中心之间通信的接口。 2 1 2g s m 的无线接口 g s m 无线接口u m 是g s m 移动台和基站收发站之间的一个开放的接口， 可以兼容不同厂商的移动台和不同运营商的网络，支持移动台的漫游。g s m 无线接口中，从b t s 到移动台为下行传输，从移动台到b t s 为上行传输。 无线接口上的信道根据不同定义可分为物理信道和逻辑信道。 1 物理信道 g s m 将9 0 0 m h z 和1 8 0 0 m h z 频段按f d m a ( 频分复用) 方式划分成许多载 频，再对每个载频进行时分复用，将一个载频划分为8 个时隙，其中的每 一个时隙就是物理信道，它相当于f d m a 中的一个频道。 因此，g s m 系统中的每个载频有8 个物理信道，在一个时隙中发出的信息叫 做一个突发脉冲序列。 2 逻辑信道 b t s 和m s 之间传递着大量的信息，根据传送信息的种类的不同，我们 将信道定义成不同的逻辑信道。逻辑信道可分为两类：业务信道和控制信 道。业务信道( t c h ) ：用于传输用户的话音和数据。控制信道( c c h ) ：用 于传输信令和同步信息，控制信道可分为以下三大类：广播信道、公共控制 信道、专用控制信道。 2 2 基于g s m 的g p r s 网络结构 g p r s 网络构建在g s m 的网络基础之上，为了升级至g p r s ，g s m 网络侧 n s s ( 网络子系统) 需要新增节点s g s n 、g g s n 以及新增节点与其他硬件设各 相连的接口。在b s s ( 基站子系统) 侧，因为g p r s 与g s m 采用相同的基本 调制方式和无线信道传输速率，因此不需改动现有基站无线设备的硬件。 但b s s 设备需要增加新的g b 接口，用于与s g s n 相连，由于g b 接口采用帧 中继，原有b s c 的电路交换设备无法使用，所以需增加相应的硬件设备一 p c u ( 分组控制单元) 。其升级结构如图2 2 所示： 图2 2 基于g s m 的g p r s 网络结构图 数据和信令接口信令接口 二： 新增设备 m s ：移动台b t s ：基站收发信台b s c ：基站控制器 哈尔滨工程大学硕士学位论文 m s c ：移动业务交换中心h l r = 归属用户位置寄存器v l r ：访问用户位置寄存 p c u ：分组控制单元s g s n ：g p r s 业务支持节点g g s n ：g p r s 网关支持节点 p d n ：分组数据网络p l m n ：公共陆地移动网络u m ：g s m 空中接口 g x ：设备间的g p r s 接口 与g s m 相比g p r s 主要新增的设备有三个g g s n 、s g s n 、p c u ： 1 g g s n ( g p r s 网关支持节点，g a t e w a yg p r ss u p p o r tn o d e ) ：是连接g p r s 网络与外部数据网络的节点。对于外部数据网络来说，它是一个路由器， 负责存储已经激活g p r s 用户的路由信息。g g s n 接收移动终端发来的数据， 转发至相应的外部网络，或接收来自外部网络的数据，通过隧道技术传给 相应的s g s n 。另外g g s n 还具有地址分配、计费、防火墙功能。 2 s g s n ( g p r s 业务支持节点，s e r v i n gg p r ss u p p o r tn o d e ) ：主要功能是 对移动终端进行鉴权和移动性管理，建立移动终端到g g s n 的传输通道。接 收从b s s 传来的移动终端分组数据，通过g p r s 骨干网传送给g g s n 或者将 分组发送到同一服务区内的移动终端。 3 p c u ( 分组控制单元，p a c k e tc o n t r o lu n i t ) ：用于分组数据的信道管理 和信道接入控制。 s g s n 和g g s n 两节点可分可合，即他们的功能可以由一个节点来完全实 现，也可以由不同的节点来实现。他们都应有i p 路由功能，并能与i p 路 由器互联。 2 3g p r s 服务质量( o o s ) 描述 q o s 的的定义是：“决定用户对一项服务的满意度的服务性能的集合。” 服务性能参数是决定q o s 的关键，其中最重要的三个性能参数为：传输速 率、准确性、可靠性。g p r s 点到点服务在正常网络运营环境中的q o s 描述 包括以下参数：服务优先级、可靠性、延迟、用户数据吞吐量。这些参数 可由g p r s 用户和g p r s 运营商决定，也可设置为缺省值，缺省值为网络所 能提供的服务能力的最小值。 1 0 1 服务优先级：服务优先级决定了当资源有限时，各种服务占用资源的先 后顺序。如当g p r s 网络出现拥塞时，那些服务的数据包应首先被丢弃。g p r s 中定义了三种优先级：高优先级、一般优先级、低优先级。 2 延迟：电路交换时，连接建立之后，用户数据的延迟时间就是固定的。 但g p r s 网络子系统是一个分组交换网络，数据包可以通过不同的路由，以 存储转发的接力方式传送到目的地，这就使得数据包到达目的地的时间长 短不一。g p r s 网络的时延包括空中接口的时延和网络内部的时延。网络内 部时延包括：无线信道接入时延( 上行) 和无线信道分配时延( 下行) ；无 线信道传输时延( 上下行) ：g p r s 网络传输时延。如表2 1 所示： 表2 1g p r s 网络内部的时延等级 s d u 大小1 2 8 字节1 0 2 4 字节 延迟类别平均传输9 5 传输延平均传输9 5 传输 延迟( s )迟( s )延迟( s )延迟( s ) 1 0 5 1 5( 2 7 2 5 2 5 1 5 7 5 3 5 0 2 5 0 o s t c b s t k p t r = 堆栈指针； 调用用户自定义的o s t a s k s w h o o k ； o s t c b c u r = o s t c b h i g h r d y ： o s p r i o c u r = o s p r i o h i g h r d y ； 得到需要恢复的任务的堆栈指针； 堆栈指针= o s t c b h i g h r d y 一- - ) o c t c b s t k p t r ； 将所有处理器寄存器从新任务的堆栈中恢复出来； 执行中断返回： ) 3 o s in t c t x s w ( ) 中断引起的任务切换函数： v o i do s i n t c t x s w ( v o i d ) o s i n t e x i t ( ) ： 将当前的任务堆栈指针保存到当前任务的o s j c b 中； 0 st c b c u r 一 o s t c b s t k p t r = 堆栈指针； 调用用户定义的o s t a s k s w h o o k ： o s j c b c u r = o s t c b h i g h r d y ； o s p r i o c u r = o s p r i o h i g h r d y ； 得到需要恢复的任务的堆栈指针： 堆栈指针= o s t c b h i g h r d y 一 o s t c b s t k p t r ： 将所有的处理器寄存器从新任务的堆栈中恢复出来； 执行中断返回； 4 o s t i c k i s r ( ) 时钟中断函数的实现： v o i do s t i c k l s r ( v o i d ) 保存处理器寄存器； 调用o s i n t e n t e r ( ) ； 调用o s t i m e t i c k ( ) ； 调用o s i n t e x i t ( ) ： 恢复处理器寄存器： 执行中断返回指令； 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 4 3 c p u 处理函数0 s c p u c c 的实现 c p u 处理函数的实现包括以下几个函数的实现o s t a s k s t k i n i t ( ) ； o s t a s k c r e a t e h o o k ( ) ；o s t a s k d e l h o o k ( ) ；o s t a s k s w h o o k ( ) ： o s t a s k s t a r t h o o k ( ) ；o s t i m e t i c k h o o k ( ) 。在实际应用中，实际 修改的只有o s t a s k s t k i n i t ( ) 函数，其他几个函数需要声明，但不一定要 有实际的内容，可由用户根据实际需求自己定义。 栈顶 栈递增方向 堆栈指针 图3 1 0 传递参数p d a t a 的堆栈初始化结构 o s t a s k s t k i n i t 函数的实现 由于r a b b i t 2 0 0 0 芯片的堆栈是1 6 位宽的，o s t a s k s t k i n i t 将创立一个指向 以字为单位的内存区域的指针，同时要求堆栈指针指向空堆栈的顶端。堆 栈中紧跟的是任务函数的起始地址，返回地址下面是状态字( s w ) ，设置状 哈尔滨工程大学硕士学位论文 态字是为了模拟中断发生以后的堆栈结构。s w 设置为0 0 2 0 2 ，这就使得任 务启动后允许中断发生，如果设为o x 0 0 0 2 ，则禁止中断发生，在这种情况 下，如果中断允许，则所有任务运行期间中断都允许，反之，中断都被禁 止。通过参数p d a t a 向任务传递希望实现的中断状态，如果某个任务禁止 中断，那么在其它任务运行时需要重新开启中断。堆栈中还要留出各个寄 存器的空间。在堆栈初始化工作结束后，o s t a s k s t k i n i t 返回新的堆栈指针 栈顶指针o s t a s k c r e a t e 将指针保存在任务的o s j c b 中。 3 5 本章小结 本章详细讲述了嵌入式系统的发展、定义、分类。并对系统中使用的 u c o s - - i i 实时操作系统做了详尽的讲解，说明了它的运行机理。着重讲述 了任务管理机制、任务调度、任务间通信，并说明了如何将系统移植到系 统中使用的r a b b i t 芯片上。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第4 章系统硬件设计 4 1 引言 在本论文中，主要研究的对象是无线监控系统的实现，其中最主要的 工作是g p r sm o d e m 的硬件实现，这一步工作非常重要，是系统能否正常运 行的前提。这套系统的主要结构是通过一个单片机来控制移动终端完成数 据与i n t e r n e t 的交互。系统硬件的两个主要部件就是移动终端和单片机“， 大体结构如图4 1 所示。 4 2 硬件设备选型 图4 i 硬件系统总体示意图 1 移动终端1 目前，用于工业系统的g p r s 数据传输模块不是很多，主要有西门子公 司于4 月份推出的m c 3 5 和m c 3 5 t ，爱立信新推出两款基于g s 1 8 0 0 以 及8 5 0 1 9 0 0 的双频模块一g m 4 7 和g m 4 8 ，g m 4 7 系列秋季限量预售，年内将 会大批量上市，而g m 4 8 计划将于明年年初大批量上市，另外还有w a v e c o m 公司的w i s m o ，该产品预计2 0 0 3 年初上市，这是一款覆盖g s m g p r s 所有四 频( 8 5 0 9 0 0 1 8 0 0 1 9 0 0 洲z ) 的整合无线模块。目前市场上关于g p r s 的应用 主要使用的是西门子的m c 3 5 模块，该模块结合语音、数据传输、简讯服务 及f a x 等功能，最大传输速率可达8 5 6 k b p s ，并集成天线、r f ，b a s eb a n d 、 快闪内存等组件，并以4 0 个p i n 脚外接，支持r s 一2 3 2 等。根据系统要求 及性能价格比，在本系统中g p r s 模块选用m c 3 5 。而且国内使用 1 1 c 3 5 产品 的居多，在这方面有更为成熟的经验。m c 3 5 的技术参数。7 3 及其性能如表4 1 所列： 表4 1m c 3 5 性能指标及参数 特性说明 特性说明 信息传 软件下 送内容 语音、数据 通过r s 2 3 2 或s i m 口 载功能 电源单电源3 3 v 5 5 v 天线天线连接器连接外部天线 频段 g s m 9 0 0 m t t 和d c s l 8 0 0m l t z 短信息盯，m o ，c b 和p d u 模式 2 w ( g s m 9 0 0 m h zc l a s s4 )工作温度：- 2 0 。c t o4 5 5 6c 发射功率温度范围 1 w ( d c s l 8 0 0 m h zc l a s s1 ) 储存温度：。c 协+ 8 5 9c s i m 卡连接串口通讯波 方式 外接3 0 0 b p s 1 1 5 k b p s 特率 s i m 卡操作自动波特率 电压 3 v 1 8 v4 8 k h p s ，1 1 s k i m p s 范围 工作电 通话模式：3 0 0 m a ( 典型) 语音解 空闲模式：3 5 m a ( 最大)半速、全速、增强型全速 流损耗码标准 省电模式：1 0 0 a ( 最小) r s 2 3 2 ( 指令、数据的双向 模块复位采用a t 指令或掉电复位通讯接口 传送) 可实现( 时钟频率 实时时钟外型尺寸 5 4 5x3 6x6 7 m 3 2 7 6 8 k h z ) 定时器功能 可用a t 命令编程 音频接口 麦克风、耳麦、免提手柄 支持g p r s 业务 从表中我们可以看到，在与m c 3 5 通信时可以使用标准的a t 指令也可 以用r s 2 3 2 。m c 3 5 的工作温度范围满足一般情况下工业现场的要求，而且 尺寸小易于集成。在与远程控制端的通信上可以用短信通信以及语音通信 来作为备用，当g p r s 网络出现问题时，应急采用，语音通信可用作报警， 因为语音有着直接可靠的优点，能够保证报警及时得到应答。 m c 3 5 模块易于集成，它给出了4 0 p i n 引脚易于开发，下面是4 0 个引脚 的说明。 图4 2m c 3 5 内部结构和引脚示意图 从图中可以看到m c 3 5 共有4 0 个引脚，这4 0 个引脚可以分为以下几部 分电源部分、音频部分、通信部分。电源部分包括v b a t t + 、p o w e r 、g r o u n d 、 i g n i t i o n 、p o w e rd o w n 、r t cd o w n 、v d d ，我们的模块供电就是通过v b a t t + 引脚来完成的，通过i g n i t i o n 引脚来启动模块的；音频部分包括e a r p i e c e 、 m i c r o p h o n e 、h fl o u d s p 、h fm i c r o p h o n e ，当如果需要时可以通过这些引 哈尔滨工程大学硕士学位论文 脚进行扩展；通信部分主要有两块s i m 卡部分和r s 2 3 2 部分，对于g p r s 移 动台必须有一个用户识别模块( s i m 卡) ，s i m 卡上包含了所有用户的信息。 个人识别码( p i n ) 可以防止s i m 卡未经授权而使用，每当移动用户开机 时，g p r s 或g s m 系统先要自动鉴别用户的合法性，只有在系统认可之后， 才为该移动用户提供服务。m c 3 5 使用外接式s i m 卡，z i f 连接器上有6 个 引脚作为s i m 卡的接口，s i m 卡上也有6 个引脚分别与它们相对应，具体见 图4 3 所示： 图4 3s i m 卡的引脚图 s i m 卡同m c 3 5 的连接方法：s i m 卡上的c c r s t ，c c i o ，c c c l k ，c c v c c 和c c g n d 通过s i m 卡阅读器与m c 3 5 的同名端直接相连，c o i n 悬空，而m c 3 5 上的c o i n 通过一个3 3 k q 电阻与c c v c c 相连。这种连接方式是由s i m 卡阅读器决定 的。s i m 卡安好以后，再到中国移动申请开通g p r s 数据业务就可以了。这 样，就可以通过g p r s 进行数据传输了。我们在进行扩展时主要应对电源和 通信部分进行扩展。 2 单片机 在这套系统中单片机起着很重要的作用，一方面负责下端采集数据的 接收以及对下端设备的控制信号传输；另一方面还要负责将收到的数据进 行打包通过串口与移动终端进行s o c k e t 通信。因此我们选择的单片机要具 有一般单片机的功能，而且由于无线终端要与i n t e r n e t 进行交互，而移动 终端本身又不具有i p 核，所以在选择单片机时更为主要的一点是单片机中 哈尔滨工程大学硕士学位论文 要内嵌t c p i p 协议栈。系统中涉及数据打包并且进行网络通信，而协议栈 的移植还比较复杂，所以我们应首选自带协议栈的单片机。现在最新的d s p 以及a r m 结构的3 2 位单片机，这些型号都各有各的特点，如c 5 1 系列、z 8 0 系列产品虽然是8 为单片机，但通过扩展内存可以达到1 6 位机的性能。综 合性能和价格以及技术熟悉程度多方面的考虑最终我们选择了z - w o r l d 公 司的r a b b i t 系列单片机中的r c m 2 2 0 0 。 r c m 2 2 0 0 的内部微处理器采用r a b b i t 2 0 0 0 ，r a b b i t 2 0 0 0 是r a b b i t 半 导体公司为嵌入式环境设计的高性能低价位的8 位微处理器，以其c 语言 友好指令集和快速数字处理功能而受到瞩目。r a b b it 2 0 0 0 是一个8 位微处 理器，其外部和内部数据总线都是8 位，但由于它最大限度的使用了外部8 位数据总线，并且具有一套非常简洁的指令系统，其性能远远超过了同类8 位微处理器，甚至可以和1 6 位微处理器相媲美。r a b b it 2 0 0 0 片上的外设包 括5 个8 位并行i 0 端口、4 个串行端口。 图4 4r a b b i t 2 0 0 0 内部结构图 r a b b i t 2 0 0 0