基于ARM和GPRS的无线通信系统设计

1、收稿日期:2008-07作者简介:耿新民(1949,男,副教授,研究方向为计算机网络应用。基于ARM 和GPRS 的无线通信系统设计耿新民1,孙锦中2(1.上海电力学院,上海200090;2.上海大学机电工程与自动化学院,上海200072摘要:介绍一种嵌入式系统利用GPRS 技术进行无线通信的设计。在设计中采用SamSung 公司的ARM7CPU 控制GPR S m o 2de m 来接入Inte rne t ,实现无线数据传输。文中描述了系统的硬件构成和PPP 协议以及精简的TCP /IP 协议的软件实现。该设计能广泛应用于无线抄表,远程监控领域,具有较高实用价值。关键词:GPR S ;AR

2、M;嵌入式系统;无线通信中图分类号:TP39 文献标识码:B 文章编号: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 系统工作原理及设计要点1.1 系统工作原理GPRS 网络主要由在GS M 基站中新增加的GPRS 业务节点组成,并通过GPRS 网关节点实现与Internet 的互联。在本系统设计中,要与I

5、nter net 交互信息的数据端先通过GPRS mode m 与当地GS M 基站中的GPRS 业务节点进行无线通信,并进入GPRS 网络,然后通过GPRS 网关与I nter net 进行数据交互。如图1所示,微处理器AR M 芯片通过串行接口连接到GPRS mode m 上,此时ARM 芯片通过发送AT 指令就可以与GPRSmode m 进行通信,GPRS 通过路由管理来进行寻址和建立数据连接,通过ATD 拨号过程、PPP 协商过程、TCP 连接过程之后就连接上Interne,t 这样ARM 芯片借助GPRS 就可以访问Internet 了。图1 GPR S 接入Internet 系统模

6、型1.2 系统设计要点在本系统中,设计的关键有二:一是ARM CPU 与GPRSmode m 的连接,即数据端的串行数据经AR M CPU 的串口发送到GPRS mode m 上;二是在嵌入式系统中编写基于GPRS 通信的PPP 协议和精简的TCP /IP 协议应用程序。PPP 用于在串行链路上封装I P 数据包,I P 是I nter net 互连的基础,两者都是必须的。TCP 是网络数据运输层协议,具有较高的可靠性和成熟的流量控制。2 系统硬件设计2.1 硬件器件的选择本设计中,微处理器采用Sa mSung 公司的S3C44B0X 芯片,它是基于ARM7T D M I 内核的32位高速处理

7、器,具有高性能、高实时性,低成本等特点,适合本系统的开发。同时为S3C44B0X 芯片配置了一片SS T39VF160(容量为8MB 的FL AS H 和一片HY57V641620(容量为8MB 的S DRA M ,分别用于存储程序和做系统内存用。为了使系统具有较好的人机互动性,还在S3C44B0X 外围配置了一块触摸屏(型号#44#仪表技术 2009年第1期为L RH 9J515XA S TN /B W 和4*4矩阵键盘,在触摸屏上可显示数据传输的界面,反馈数据传输成功或失败的信息。GPRS mode m 模块选用S KY WORKS 公司的Z TG201。它采用S KY WO RKS 的射

8、频解决方案(RF ,接收器灵敏度:-108dBm ,支持C MUX ,支持S MS(收、发和GPRS 同时在线,内置TCP /I P 协议栈,提供更多的引脚100个,能够很好的满足本系统的设计要求。2.2 系统硬件平台的搭建本无线通信系统是由S3C44B0X 芯片、S S T39VF160、HY57V641620、4*4键盘,LCD 、GPRSM ode m 组成,系统框图如图2所示。S3C44B0X 通过总线扩展与SS T39VF160和HY57V641620相连,通过自带的专用LCD 控制器与LCD 相连,通过中断的方式来控制键盘,通过串口与GPRSM ode m 相连。图2 系统硬件平台

9、框图3 系统软件设计该无线通信系统的大致工作流程:(1物理过程。在对GPRS Mode m 模块进行参数设置后,AR M 利用AT 指令通过GPRSMode m 拨号。正确反馈及应答后,一条物理通道即GPRS 信道就在系统中的GPRSMode m 和GPRS 网络之间建立起来。(2数据过程。PPP 协议将原始的GPRS 物理层连接改造成无差错的数据链路,系统将远程登录Inter 2ne,t 并得到GPRS 网关分配的I P 地址。(3网络过程。利用I P 协议作为网络层协议,经过I P 路由选择可实现系统与连在Internet 的终端进行数据交换。(4传输过程。选择TCP 作为传输层协议,为数

10、据传输提供面向连接的可靠服务。在通讯过程中,ARM 与Z TG201的数据通信格式有两种:AT 指令和PPP 帧。AT 指令格式表示从串口发送的所有数据都发送给了GPRS 模块,PPP 帧格式表示从串口发送的所有数据都透明的发送给了G GS N 。无线通信系统的应用程序在E mbest I D E 集成开发环境中用C 语言编写完成,主要包括以下几个部分。3.1 串口通信程序设计串口程序主要向GPRS Mode m 发送AT 指令和等待GPRSM ode m 的反馈信息,从而完成对GPRS Mo 2de m 的设置和测试以及GPRSMode m 拨号操作。首先通过AT 指令接口函数(ATCo m

11、mand(测试模块是否正常及进行必要的设置,接着发送AT +CGDCO NT =1,/I P 0,/C MNET 0对接入的网络服务提供商进行初始化,然后再发送AT DT *99*1#进行连接,若能收到对方返回的连接成功信号/CON 2NECT 0,CPU 就发送一个链路控制协议(L CP的请求帧,以强迫进入PPP 协议协商阶段,协商完成后,拨号就成功了。此后,数据的发送和接收都是PPP 帧,GPRS 工作模式进入无线连接状态,不再响应AT 命令,直到断开连接为止。3.2 网络通信协议程序设计(1PPP 协议。PPP 协商过程是系统接入Inter 2net 的关键,由于PPP 协商属于Requ

12、est 2ans wer 的方式,即用户终端向I SP 发起请求(request,I SP 按照请求内容作回应(ans wer,因此可以采用不建立完整的PPP 协议状态机的方法,用最快的方式完成拨号过程。本设计的最简PPP 协议内容如下:链路控制协议(L CP配置选项内容:02选项(转(2TCP /I P 协议栈。本系统中设计的TCP /I P 协议栈不支持UDP 协议,I C MP 协议只支持其中的echo 协议(响应PI N G 命令,提供类似MFC 的CSock 2et 的套接字接口,有主动和被动建立连接功能。其中,TCP 协议的所有操作都是基于Socket 套接字来完成,当需要建立一个

13、新的连接时,初始化一个新的Socke,t 连接成功则保存Socke,t 否则释放Socket 。请求、建立和关闭等过程的进行由套接字Socket 中的函数指针调用来实现。系统接入I n ter net 流程图如图3所示。3.3 LCD 、键盘程序设计S3C44BOX 上自带LCD 控制器,可支持多种显示模式,可以编辑友好的人机界面。本设计中LCD 部分的子程序包括初始化Lcd _Init(voi d ,位图显示voi d Bit m apV ie w (I N T16U x ,I N T16U y。键盘部分的子程序包括键盘中断程序、按键识别程序及键值显示程序。(下转第58页#45#2009年第

14、1期 仪表技术应用研究也非常深入。3.5电力检测元件的研究由于电力元件或者电力设备多为高电压、大电流,因此如何解决隔离、提高传感器的耐压、提高它们的使用寿命等研究也迫在眉睫。目前针对电力系统特点的电流传感器、电压传感器、红外测温等研究也有学者关注,有些已经产品化,主要用于电力设备的保护、测量和故障滤波等。也有学者通过超声、红外成像、震动等原理对设备进行故障诊断的研究。3.6电力信号处理的研究基于小波的微观信息的提取和合成功能,有论著专门讨论了关于小波分析在电力系统的应用。很多人工智能,例如神经元网络、模糊算法、专家系统及蚂群算法都有成功的仿真研究,得出了很多有益的结果。3.7故障诊断的研究故障

15、诊断的研究一直是很多学者关注的研究方向,但是其实用研究还不深入。主要研究思路包括:基于故障模型和基于信号处理两种。利用强迫滤波器对隐藏在信号残差序列中某些故障的敏感性来处理电力系统中常见的故障,是很多论文阐述的观点,其研究成果也得到了比较广泛的应用;很多保护装置大多基于这个原理。由于多源故障信息处理在克服数据摄动、对象模型参数变化较大的鲁棒性而得到国内外学者的关注,也有这方面的专著出版;有学者预测或许这是解决大系统故障诊断最有效的方法,其应用研究正在深入进行;所采用的数学方法有统计推断、估计理论、粗糙集理论和各种融合技术等。3.8自恢复的研究自恢复的研究在民用技术中比较少,但是在航空电源中正在

16、进行;采用软件冗余和硬件冗余的方法提高电力设备可靠性,特别是逆变部分的自恢复电路和控制方法的研究对于提高设备的可靠性有着深远的意义。例如在对多电池充电的管理系统中,对于充电不均匀的各电池的自投入和自退出的研究就属于该项技术。4展望随着对电力电子设备的广泛深入研究,其内涵一定有多种说法,但是无论哪种都必然沿着智能、高效、高性价比方向发展。目前风力发电、太阳能发电应用研究的进展对电力电子技术的研究内涵有所扩展,航空电源的研究也迫使很多基于仿真的研究必须考虑实践中面临的复杂化问题。因此,人工智能、信息融合等基本信息的处理也必然会有机的融入到电力电子技术中来。参考文献:1王兆安,黄俊.电力电子技术(第4版M.机械工业出版社,2003.2赵良炳.现代电力电子技术基础M.清华大学出版社,2000.(许雪军编发 (上接第45页 图3系统接入Inte rnet流程图4总结本文设计的基于ARM与GPRS的无线通信系统,主要是通过ARM控制串口与GPRS模块进行通信,在系统软件设计中,包含了PPP协议和精简的TCP/I P 协议,这样通过GPRS模块使嵌入式系统接入I neter2 ne,t能进行网上数据交换。目前这种技术被广泛的应用于无线抄表,远程监控领域,具有较高的实际应用价值。参考文献:1田泽.嵌入式