GPRS发送与接收.docx

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GPRS发送与接收

第2章　GPRS无线收发模块的工作原理

在无线通讯监控领域，对其他无线通讯方式而言，GPRS有着不可比拟的优势，基于GPRS的无线数据采集监控系统是目前来说比较稳定、先进的无线监控系统，它具有周期短、数据传输速率快、监控覆盖范围广、通信费用低、通信服务质量安全可靠等特点。

本文研究的系统中，GPRS模块选用SIMCOM公司的SIM300，该模块内备TCP/IP协议栈，使用方便，而且集成了完整的射频电路和GSM的基带处理器，非常适合开发GSM/GPRS的无线应用产品，如移动电话、无线数据传输业务、远程测量等，应用范围十分广泛。

2.1　SIM300模块简介

该设计中的GPRS采用SIM300通讯模块，此模块是一款体积小巧、即插即用、可工作于三个频段的GSM模块，它集成了电源电路、SIM卡电路、串口TTL/RS232电平转换电路；而且可以小尺寸和低功耗实现语音、SMS、数据和传真信息的高速传输；集成了PAP协议，可供PPP连接使用；内备强大的TCP/IP协议栈，可以直接利用它实现无线上网；支持包交换广播控制信道，无限制的辅助服务数据支持，使用起来方便，且可以大大缩短开发周期[11]。

此外，SIM300模块可与任何带有UART串行通信接口的控制器进行通信。

GPRS鉴于其优良性能，已成为多种无线应用的理想之选，可被应用到无线公话等WLL应用，车载应用、远程抄表、安全监测、遥控遥测等M2M应用，以及手持通讯设备，无线网络终端等应用领域。

还可以通过HyperTerminal（超级终端）对其提供的AT指令进行交互操作。

SIM300模块的主要参数如下：

使用9V单电源供电，可工作于EGSM900M,DCS1800M,PCS1900M三个频段，上行速率为85.6kbps，下行速率为42.8kbps，通过标准的UART接口进行通信，通信速率可设置为2.4kbps,4.8kbps,9.6kbps,14.4kbps等。

2.2　SIM300模块的接口及功能

SIM300模块既可与单片机通过UART串行接口进行通讯，也可与PC机通过RS232相连进行通讯，但在选择与单片机还是PC机进行通讯前，需提前配置好SIM卡座旁的配置跳线。

其主要接口如下：

（1）IM300模块和单片机的连接

SIM300模块左侧的J4是其和单片机的接口，接口定义如表2-1所示。

表2-1SIM300的接口定义

PinNo.

功能

SIM300模块的电源输入，一般为9V

备选复位信号输入

MICIN语音输入

SPKOUT语音输出

串行数据接口RXD

串行数据发送口TXD

GND

其中Pin2~Pin5均可以作为SIM300模块的复位信号输入，且可以通过在背面焊接选择电阻来选择一脚作为SIM300的复位信号输入口，此处选择的是Pin5引脚。

Pin8和Pin9可以直接和单片机UART接口的Rx和Tx相连，系统中采用的是凌阳SPCE061A单片机，其Rx和Tx引脚分别和IOB7和IOB10共用。

Pin6和Pin7引脚分别为语音输入和输出引脚。

在使用单片机控制SIM300模块时，需配置好相应的跳线，且使单片机的UART接口的TXD（IOB10）和RXD（IOB7）分别与SIM300的RXD和TXD短接，以便使单片机和SIM300通信。

（2）SIM300模块和PC机的连接

SIM300模块提供了一个九针的标准RS232接口用以和PC机直接通信，在配置好跳线后，使PC机的TXD和RXD分别与SIM300的RXD和TXD短接，以便使PC机和SIM300通信。

此外，在模块的左下角有一个天线接口，将SIM300模块与单片机或PC机连接完毕后，还需将天线接至接口上，并且将SIM卡安装至SIM卡座内。

在通信前，SIM300模块需要先启动才可以通过串口发送AT指令来控制数据收发，启动可以分为软件启动和手动启动两种方式。

本设计中采用手动方式启动，按下ON/OFF按键大约两秒钟之后松开，可看到显示灯闪烁，模块即被启动。

　单片机与GPRS模块的通讯原理

本文研究的核心内容是单片机与GPRS模块的通信问题，解决此问题的主要途径是，单片机通过UART串口向GPRS模块发送AT指令以控制通讯模块的数据收发。

AT指令是设置GPRS模块参数，并对其进行操作的指令集，每条AT指令执行完毕后，GPRS模块都会返回应答信号以示命令发送成功或失败。

　单片机UART串行接口的控制及原理

在SPCE061A单片机中，异步传送是通过一个通用异步收发器UART实现的，UART提供了一个全双工标准接口，用于完成单片机与外设之间的串行通信。

借助于IOB口的特殊功能和UARTIRQ7中断，可以同时完成UART接口接收和发送数据的过程。

此外，UART还可以缓冲地接收数据，即可以在读取缓存器内的数据之前接收新的数据。

P_UART_Data（7023H）单元用做接收和发送数据的缓存，向该单元写入数据，可以将要发送的数据送入缓存器；从该单元读取数据可以将接收到的数据从缓存器读出。

使用UART模块进行通信时，须事先将引脚IOB7和IOB10分别设置为输入和输出状态。

然后通过设置P_UART_BaudScalarLow（7024H）和P_UART_BaudScalarHigh（7025H）单元来指定所需波特率。

同时，再设置P_UART_Command1（7021H）单元的第6、7位以激活UARTIRQ7中断，并决定中断是由TxRDY还是RxRDY信号触发，或者由二者共同触发。

而设置P_UART_Command2（7022H）单元的第6、7位可以激活UART的Tx、Rx引脚功能。

当单片机通过串口接收或发送一个字节数据时，P_UART_Command2（7022H）单元的第6、7位被置“1”，且同时触发UARTIRQ7中断。

无论UARTIRQ7中断是否被激活，UART的接收/发送功能都可以由P_UART_Command2（7022H）单元的第6、7位控制。

在任意时刻读取P_UART_Command2（7022H）单元的内容都将自动清除UARTIRQ7中断标志。

以下将分别介绍各控制单元的意义及功能。

（1）P_UART_Command1（写）（7021H）

P_UART_Command1单元为UART控制端口，如表2-2所示。

该单元的第2、3位控制数据的奇偶校验功能；第6、7位控制UARTIRQ7中断，若第6位为“1”，则中断由TxRDY信号触发，即数据发送完毕将产生UARTIRQ7中断，若第7位为“1”，则中断由RxRDY信号触发，即数据接收完毕将产生UARTIRQ7中断。

如果该单元的第5位为“1”，则所有UART控制寄存器、状态寄存器将恢复为系统默认值00H。

表2-2P_UART_Command1单元

RxlntEn

TxlntEn

I_Reset

—

Parity

P_Check

—

（2）P_UART_Command2（写）（7022H）

该单元写入时可以控制UART数据的发送/接收端口，第6、7位分别控制着数据发送和接收引脚的允通/禁止，如表2-3所示。

表2-3UART写入设置

RxPinEn

TxPinEn

—

1：

允通接收引脚

0：

禁止接收引脚

1：

允通发送引脚

0：

禁止发送引脚

—

此时IOB7和IOB10必须分别被设置为输入和输出引脚，分别作为Rx和Tx。

当发送引脚被允通时，IOB10输出引脚将自动被置为高电平。

（3）P_UART_Command2（读）（7022H）

P_UART_Command2单元为UART状态信息，如表2-4所示。

第7位是RxRDY标志位，当接收到数据时，该标志位被置“1”，读P_UART_Data单元将清除该标志位；第6位是TxRDY标志位，当通过写入本单元第6位为“1”来允通发送引脚后，该标志位被置为“1”，表示发送器的数据缓存器为空，已准备好可以发送写入P_UART_Data单元的数据。

向P_UART_Data单元写入数据可以清除TxRDY标志位。

P_UART_Command2单元的第3~5位是传输错误标志位，如果在传输过程中发生错误，相应位将被置成“1”，读P_UART_Data单元的数据将清除错误标志位。

表2-4UART读出设置

RxRDY

TxRDY

—

1：

数据已接收完毕

0：

未接收到数据

1：

数据发送已准备好

0：

数据发送未准备好

1：

存在帧错误

0：

无帧错误

1：

存在溢出错误

0：

无溢出错误

1：

存在奇偶校验错误

0：

无奇偶校验错误

—

（4）P_UART_Data（读/写）（7023H）见表2-5。

表2-5P_UART_Data单元

数据

（5）P_UART_BaudScalarLow（读/写）（7024H）和P_UART_BaudScalarHigh（读/写）（7025H）

此两单元组合控制数据的传输速率（波特率），如表2-6所示。

表2-6常用波特率值

波特率（b/s）

高字节

低字节

波特率（b/s）

高字节

低字节

2400

14H

00H

9600

05H

00H

4800

0AH

00H

115200

00H

6BH

（6）异步通信的字符格式

在异步传送方式中，字符的发送是随机进行的，所以，对接收方来讲，就要判断是否有字符发送过来，何时是一个新字符的开始。

因此，进行异步通信时必须对传送的字符规定一定的格式，1个字符的传送占用1帧数据，1帧数据一般由4部分组成：

起始位、数据位、奇偶校验位和停止位，如表2-7所示。

表2-7异步通信字符格式

起始位

数据位

奇偶校验位

停止位

1位

5~8位

1位

1~2位

起始位：

为逻辑“0”信号，占1位，用来通知数据设备1个新字符的开始。

数据位：

紧跟在起始位后的是5~8位数据，异步传送通常规定低位在前，高位在后。

奇偶校验位：

紧跟在数据最后一位之后，占1位，奇偶校验时根据协议置“1”或置“0”。

停止位：

为逻辑“1”信号，可占用1或2位，接收到停止位时，表示1帧数据结束，同时为接收下一帧数据做好准备。

异步通信时，收发双方需达成协议：

一是规定字符格式，即采用几位数据，是否用奇偶校验位，有几位是停止位；二是规定波特率。

异步通信按字节格式和波特率传送数据，硬件只有两条线：

即发送线和接收线，因而电路简单、实现方便。

但由于数据帧中插入了起始位，校验位和停止位等附加位以实现同步，从而降低了有效数据的传送效率。

　AT指令集简介

GPRS模块与单片机的通信主要是通过UART串口发送AT指令来实现。

AT指令是专门用来控制GPRS模块的指令集，SIM300模块支持标准的AT指令集。

GPRS的数据传输有短信模式和数据模式，本文设计的系统主要以数据模式为主，短信模式为辅，采用不同的模式将用到不同的AT指令，常用的AT指令如表2-8所示。

表2-8常用AT指令

AT指令

指令功能

ATE1\r\n

开回显

ATV1\r\n

以OK方式显示

AT+IPR=9600\r\n

设置通信的波特率为9600Hz

AT+CMGF=1\r\n

以英文方式发送

AT+CMGF=0\r\n

以中文方式发送

AT+CMGS=””

将信息发送到手机号为“”的手机上

AT+CNMI=2,1\r\n

设置短信提示

AT+CMGR=1\r\n

读取指定1里的内容

AT+CGDCONT=1,”IP”,”CMNET”\r\n

定义PDP移动场景

AT+CGATT=1\r\n

激活PDP，获得IP地址

AT+CIPCSGP=1,”CMNET”\r\n

设置模块连接方式为GPRS连接，接入点为”CMNET”

AT+CIPSTART=”TCP”,”124.79.108.80”,

”6000”\r\n

建立连接，SERVER的IP地址为124.79.108.80，端口号为6000

AT+SEND>（要发送的内容）

发送数据

AT+CIPCLOSE\r\n

关闭TCP连接

AT+CIPSHUT\r\n

关闭移动场景

以上指令在发送成功后将返回OK，若发送不成功则返回ERROR。

　GPRS以短信模式传输数据的原理

采用短信模式传输数据的无线数据传输系统，就是将监控终端采集到的信息，经前端放大滤波电路及单片机处理后，形成实时数据帧，由内置手机SIM卡的通信模块通过短信网或GPRS无线数据通道，以无线方式发送至监控中心的短信网关或数据服务器，并下载到控制电脑的显示平台，实现数据统计、操作控制等远端遥调、遥测、遥控功能[12]。

短信模式的传输机制如图2-1所示。

图2-1短信组网结构图

监控终端将采集到的信息经过短信协议封装，与SIM卡号、监控中心号、短信服务中心（SMSC）号一起通过GSM/CDMA模块发给SMSC，SMSC根据监控中心号码通过短信点对点协议（SMPP）发给相应的短信网关（SMG），SMG在通过SGIP1.2/CMPP3.0协议把信息发送到通信服务器，最后下载到监控中心的显示平台，实现数据监测。

而当监控中心发送命令帧到监控终端时，通信服务器发送短信至SMG，SMG根据接收到的监控终端SIM卡号码将短信发给SMSC,SMSC再发给监控终端，继而实现远程监控。

　GPRS以数据模式传输数据的原理

所谓数据模式即采用TCP/IP协议的方式进行监控终端与监控中心的通信，具体通讯过程如下：

监控终端将采集到的信息通过RS232接口与GPRS数据传输单元（GPRSDTU）相连，GPRSDTU的内置嵌入式处理器对数据进行集中处理、协议封装后转换为GPRS分组，通过BTS发送到GPRS服务支持节点（SGSN），SGSN根据监控中心IP地址，通过GPRS隧道协议（GTP）发送分组到相应的GPRS网关支持节点（CGSN），CGSN对分组数据进行处理后发送到Internet上的通信服务器并下载到监控中心的显示控制平台[12]。

来自监控中心的命令帧，首先被分装成IP包，由GGSN接收，再通过GTP转发到SGSN，最后由BTS传送到监控终端。

数据模式的传输机制如图2-2所示

图2-2GPRS组网结构图

　本章小结

本章主要研究了GPRS（SIM300）模块的接口功能,与单片机通信的基本原理，UART串口各控制单元的意义，以及通信中常用的AT指令及其功能，以短信模式和数据模式传输数据的原理，为后续的软硬件设计打好理论基础。

第3章　数据采集传输系统的硬件电路设计

本文的主要任务分为硬件和软件两部分，本章主要研究硬件电路的设计，包括监控终端的放大滤波电路，单片机与GPRS模块以及LCD液晶显示模块的连接等。

　系统的总体框图及其工作原理

基于GPRS的无线数据采集与传输系统由监控终端和监控中心两部分组成。

系统的总体框图如图3-1所示。

图3-1系统基本框图

监控终端由数据采集设备、LCD液晶显示和GPRS数据传输单元三部分组成，数据采集设备负责现场数据的采集，然后由LCD液晶显示并由GPRS数据传输单元通过GPRS网络传输到监控中心。

系统前端的多路传感器可以是温度传感器或湿度传感器等，在系统的实现过程中,由于条件所限，通过传感器采集的信号由信号源代替。

系统的工作过程为，数据采集端接收来自监控中心的命令帧，根据命令帧中的地址来选通相应的信号输入，随后将信号进行放大、滤波，以使其质量得到改善。

经放大、滤波的信号再输入到单片机中进行A/D转换后，一方面单片机控制LCD液晶显示器，将采集到的信号波形显示出来，另一方面，单片机通过UART串口向GPRS无线收发模块发送AT指令控制其将数据发送到监控中心，监控中心将接收到的数据显示并加以分析，以便及时了解远程监测点的现场状况，做出相应调整。

以上即为系统的整体工作流程。

3.2　系统前端放大滤波电路的设计

本系统所要监测的数据主要通过各类传感器（如温度传感器、湿度传感器等）来采集，采集到的信号由于带有干扰噪声，传输到监控中心后将与实际相差很大，另外信号的强度过小也会产生误差，因此信号采集后需要通过一定的放大滤波电路加以调整，以使监控中心接收到比较准确的数据。

本文主要采用双运放双电源的低通滤波电路来实现信号的调理，如图3-2所示。

图3-2双运放双电源的低通滤波电路

本电路采用的是MC4558运算放大器，该放大器适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式。

它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合[13]。

该电路可分为两部分，其中前一部分为反相比例运算放大电路，放大倍数可用R1/R2来计算，而且可以通过改变R1和R2的阻值来适当调整放大倍数，以使信号的幅值适合A/D转换的范围；后一部分为一阶有源低通滤波电路，其功能是滤除信号中的噪声。

截止频率可通过

）来计算，同样，调整R、C的值可以改变截止频率。

采集的信号通过此电路后送入A/D转换电路进行模数转换，该电路与A/D转换电路的连接部分可通过电解电容耦合，前一端接正极，一般为1~10uf。

3.3　SPCE061A单片机的接口说明

本设计中采用的是凌阳SPCE061A单片机，它具备了现代单片机的大部分优点。

SPCE061A主要包括输入/输出端口、定时器/计数器、数模和模数转换、串行设备输入输出、通用异步串行接口和复位等部分。

其主要接口的定义如表3-1所示。

表3-1SPCE061A的主要引脚描述表

IOA[15:

双向I/O口，可设置为输入或输出

IOA[6:

]

可与ADCLine_In输入共享

IOB[15:

双向I/O口，可设置为输入或输出

IOB7

可用作通用异步串行数据接收引脚Rx

IOB10

可用作通用异步串行数据发送引脚Tx

3.4　GPRS模块与单片机的连接说明

本文研究的核心部分是单片机与GPRS模块的串口通讯，模块的硬件连接框图如图3-3所示。

由图可以看出，单片机与GPRS的接口非常简单，几乎不需要任何附加硬件逻辑电路，二者的主要连线为将单片机的IOB7和IOB10分别于与GPRS模块的Tx和Rx相连，此外注意将两模块的地线短接，两模块的供电电源分别为4.5V和9V。

图3-3SPCE061A单片机与GPRS模块的连接框图

3.5　LCD液晶显示模块的接口电路及参数

本设计中的液晶显示器选用凌阳科技的SPLC501芯片作为LCD驱动和控制器，为128

64点阵图形液晶显示器。

基本参数有显示模式、显示格式、输入数据等。

此模块可以方便的和SPCE061A单片机连接，可进行字符显示，汉字显示及图形显示，因此可应用于需要图形、文本显示的系统中。

本设计中，液晶显示器主要用于显示采集到的信号波形，所以SPLC501液晶模组是非常合适的选择。

SPLC501液晶模块提供了液晶显示器的接口，及其所需的复位电路等，并把对液晶模块的接口引出，方便使用，此外还提供有背光、电源指示灯。

下面将详细介绍SPLC501液晶模块接口电路及参数，其中接口电路原理图如图3-4所示,各个引脚的定义如表3-2所示。

图3-4SPLC501液晶模块接口电路原理图

表3-2SPLC501液晶模块接口引脚定义表

接口引脚名

说明

CS1

片选端，低电平有效

RES

复位引脚

数据命令选择引脚

R/W

6800系列MPU的读/写信号

6800系列MPU的时钟信号使能引脚

DB0~DB7

8位数据总线

端口输出电压

C86

C86=’H’则选择6800MPU系列

串、并行时序选择

本文中SPLC501液晶显示模块与61板的连接如图3-5所示。

液晶模块的电源由61板提供，模块上的VR、C86、PS跳线短接到V3端以选择6800的时序；61板I/O端口电平选择3.3V输出（即J5跳线把Vio和3V短接起来）；DB0~DB7对应的与IOA8~IOA15连接，控制线CS1、AO、R/W和EP分别与61板的IOB9、IOB4、IOB5、IOB6相连。

图3-5SPLC501液晶显示模块与61板的连接

数据采集与传输系统的实物图如图3-6所示，总电路图如附录5所示。

图3-6数据采集传输系统实物图

3.6　本章小结

本章主要研究了无线数据采集与传输系统中的SPCE061A单片机控制模块、SPLC501液晶显示模块和GPRS无线收发模块三个主要模块的接口原理及连接方式。

第4章　数据采集传输系统的软件设计

对于一个完整的应用系统，系统的程序设计也是一个非常重要的方面，本文在硬件连接完成的基础上将进行软件的设计。

软件设计包括驱动程序设计和应用程序设计两部分，由于凌阳单片机以及LCD液晶显示器中已给出基本驱动程序，所以主要任务是编写应用程序。

系统应用程序的主要功能是完成远程数据的采集与传输，采用模块化编程，各功能模块以子函数的形式编写，在主函数中直接调用各子函数，此方法的好处是缩短了软件开发周期，易于程序的修改和移植。

此外，监控终端的所有程序代码都由C语言编写，软件开发平台是unSPIDE2.0.0，监控中心的程序编写语言使用C++，软件开发平台是VisualC++6.0。

　软件开发总体流程图

系统软件的设计主要分为三部分：

单片机与GPRS模块的串行通信、LCD液晶显示和GPRS模块通过GPRS网络与监控中心通信。

软件主要实现的功能包括系统的初始化（微处理器的初始化、A/D转换的初始化、LCD液晶显示器的初始化以及CPRS无线收发模块的初始化）和系统的应用程序等。

无线数据采集传输系统的数据传输方式有短信模式和数据模式两种，而前者又包含三种模式：

Block模式、Text模式和PDU（ProtocolDataUnit协议数据单元）模式，其中Block模式已逐渐被PDU模式所取代[14]。

虽然基于短信模式和数据模式的数据传输方式和过程不同，但软件设计中，只是使用的AT指令有所区别，主函数总体流程仍然相同，系统监控终端的主函数流程如图4-1所示。

　系统各单元的详细流程

由系统的总体流程可知，监控终端的软件程序主要包括四个子函数：

接收命令帧子函数Rec_commd（）,A/D转换子函数AD_Ctrl（）,LCD液晶显示子函数LCD_Ctrl（）以及发送数据帧子函数Data_Send（）。

本小节将分别详细介绍各函数的流程。

图4-1系统软件流程图

4.　A/D转换的流程图及说明

系统中，A/D模数转换功能采用中断函数的方式实现，输入的测试信号频率为0.5Khz，由采样定理

可知当采样频率为1Khz，即可还原出原信号波形。

本文采样频率选为32Khz，液晶显示器显示出与实际波形误差较小的信号波形。

A/D转换采用

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