基于GPRS的无线数据传输嵌入式系统设计.pdf

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1、第3 5 卷第1 8 期计算机工程2 0 0 9 年9 月V 0 1 3 5N o 1 8C o m p u t e rE n g i n e e r i n gS e p t e m b e r2 0 0 9开发研究与设计技术文章编号l1 0 0 0-3 4 2 8(2 0 0 9)1 8-0 2 6 0-0 3文献标识码。A中田分类号tT P 3 9 3基于G P R S 的无线数据传输嵌入式系统设计郭爱煌，李广宇，陈春堆(同济大学电子与信息工程学院，上海2 0 0 0 9 2)蔓：无线数据传输嵌入式系统由数据服务中心和数据终端单元2 部分组成，以A R M 7 系列微处理器为核心，结合通

2、用无线分组业务(G P R S)通信网络的特点，分析无线数据传输嵌入式系统的设计过程，给出系统的具体实现方案，提出硬件、软件系统的设计流程、开发要点和实现过程。实验结果证明，该系统实现基于G P R S 的无线数据传输嵌入式系统的功能。关胡：嵌入式系统；通用无线分组业务；无线数据传输D e s i g no fE m b e d d e dS y s t e mf o rW i r e l e s sD a t aT r a n s m i s s i o nB a s e do nG P R SG U OA i-h u a n g，L IG u a n g-y u，C H E NZ h i-

3、x i o n g(C o l l e g eo fE l e c t r o n i c sa n dI n f o r m a t i o nE n g i n e e r i n g。T o n g j iU n i v e r s i t y,S h a n g h a i2 0 0 0 9 2)|A b s t r a c t T h ee m b e d d e dw i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o ns y s t e mc o n s i s t so fd a t as e r v i c ec c n t e,ra n d

4、d a t at e r m i n a lu n i t T a k i n gA R M 7m i c r o p r o c e s s o ra sc o r ea n dc o m b i n i n gt h eG e n e r a lP a c k e tR a d i oS e r v i c e(G P R S)c o m l l l u n i c a f i o nn e t w o r kc h a r a c t e r i s t i c，t h i sp a p e rf o c u s e so nt h ed e s i g np r o c e s so

5、fe m b e d d e dw i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o ns y s t e m，p r o p o s e st h ei m p l e m e n ts c h e m ei nd e t a i l，a n a l y z e si t sh a r d w a r ec o m p o n e n t,t h es o f t w a r es y s t e md e s i g np r o c e s sa n dd e v e l o p m e n tk e yp r o b l e ma n dr e a l

6、 i z i n gp r o c e s s E x p e r i m e n t a lr e s u l ts h o w st h i ss y s t e mr e a l i z e st h ef u n c t i o no fe m b e d d e dw i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o ns y s t e mb a s e do nG P R S K e yw o r d s le m b e d d e ds y s t e m；G e n e r a lP a c k e tR a d i oS e r v i

7、c e(G P R S)；w i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o n在远程监测、工业监控以及自动抄表等方面，存在零散的分布点很多而每个点设备不多的问题，对这些设备的实时监测及远程数据传输一直是难以解决的难题。随着科技的高速发展，通用无线分组业务(G e n e r a lP a c k e tR a d i oS e r v i c e，G P R S)网络己成为一种可持续利用和开发的资源，嵌入式系统也得到越来越广泛的应用，如何利用嵌入式系统实现无线终端，并通过G P R S 无线网络进行数据传输是一个具有实用意义的研究。1G P R S 的无线

8、数据传输嵌入式系统方案选择1 1G P R S 的无线数据传输系统模型及技术方案1 1 1系统模型以G P R S 网络作为无线数据传输平台，将数据终端单元和数据业务中心作为终端设备接入到G P R S 网络平台中来实现最终用户数据的透明传输。基本模型(图1)数据终端包括了用户设备和数据终端单元2 部分，数据中心则包含了数据中心服务器和数据库。数据业务中心1 基于G P R S 曲无线致据传输系统辏垂1 1 2 技术方案系统为用户提供永远在线、透明数据传输的虚拟专用数据通信网络。在实际应用中点对点的工业监控网络比较少，大多采用中心对多点或者多点间数据传输，所以系统采用中心对多点数据传输模式1

9、2-3 。-2 6 m 一为了让更多的数据采集终端能方便地使用系统，在系统中，数据传输单元(D T U)采用C M N E T 接入，避免了申请固定I P 所带来的繁琐手续，数据中心的接入采用G P R S 接入，只要使用S I M 卡，就能方便地与其他终端单元连接。系统主要有永远在线模式、定时传输模式、中心呼叫模式、数据触发模式和节电模式等。1 2 无线数据终靖模型及技术方案G P R SD T U 与数据中心一起为用户数据提供透明的传输通道，组成虚拟用户专用无线数据网络，实现灵活的点对点的无线组网方式一。J。用户设备可以是各种数据采集设备，也可以是各种移动数据采集设备。G P R SD T

10、 U 一开机就自动附着到G P R S 网络上，并与数据中心建立通信链路，随时收发用户数据设备的数据。D T U 通过串口使用R S 一2 2 3 标准将数据从用户设备中读入，经D T U 做透明数据协议处理后打包，使用A T 命令控制G P R S 模块通过G P R S 网络连接到数据中心或将G P R S 网络中的数据读入D T U，去掉D T U 控制信息后将用户设备控制信息由用户侧返回用户设备。D T U 对用户数据不做处理，为用户数据提供透明传输通道。G P R S 数据通道中断后，D T U切换短信备用通信方式。1 3 数据业务中心设计及实现在基于G P R S 的无线数据传输嵌

11、入式系统中，其数据业务中心通过G P R S 接入网络。数据业务控制采用计算机结合作者筒介：郭爱煌(1 9“一)，男，博士，主研方向：无线宽带网络；李广宇、陈志雄，硕士研究生收稿日期：2 0 0 9 0 5 一1 0E m a i l：t j g a h t o n g j i e A u c n91|l毫移一 万方数据G P R S 数据传输模块的方式(S I M 卡绑定I P)。在计算机端通过控制界面软件控制G P R SD T U 或者其他G P R S 无线移动设备和数据业务中心的通信，处理由用户设备发送过来的数据、短消息和其他信息，并据此及时更新数据库中的信息。2 无线数据传输嵌入式

12、系统硬件2 1 无线数据终靖设计无线数据传输终端的硬件平台用一个A R M 7 T D M I S 的处理器L P C 2 2 1 0 微控制器作为处理器。L P C 2 2 1 0 微控制器是基于一个支持实时仿真和嵌入跟踪的3 2 1 6 位A R M 7 T D M I SC P U。在无线数据终端中，以M a g i cA R M 2 2 0 0 S 教学实验开发平台为核心，并且包括以下模块的设计：(1)J T A G 调试电路。该接口可对芯片内部的所有部件进行访问，通过该接口可对系统进行程序下载、调试、编程等。系统通过J T A G 接1 3 可实现对程序的仿真和对F l a s h

13、的擦写操作。J T A G 接1 2 1 比较简单，将相应引脚引出即可。(2)R S 2 3 2 串行接1 3。用于L P C 2 2 1 0 与用户端进行串行通信。系统采用了R S 一2 3 2 一C 标准，直接与上位机接1 2 1 串口相连接。(3)G P R S 模块电路设计。用来与G P R S 网络进行通信的射频模块。通过G P R S 网络进行通信，数据传输一般需要使用相关G P R S 模块。模块与控制器之间的通信主要通过串口发送A T 命令。硬件连接完成后，在进行G P R S 上网操作之前，首先要对G P R S 模块进行一定的设置。设置通信波特率，以使用A T+I P R=

14、I1 52 0 0 命令，把波特率设为11 52 0 0b i t s 或其他合适的波特率，默认的通信速度为96 0 0b i t s。设置接入网关，经过A T+C G D C O N T=I，“I P”，“C M N E T”，命令设置G P R S接入移动梦网。G T M 9 0 0 一B 是机卡分离的移动终端设备，可外接3 0V的S I M 卡。要臀录到移动网络上，还必须通过S I M 卡接口扩展外部S I M 卡插槽。模块的启动过程包括对S I M 卡进行初始化。仅当插槽内有S I M 卡时初始化才会成功。在P C B 板正下方有抽屉式S I M 卡卡座。把S I M 卡装入S I M

15、 卡抽屉。L P G 接口输出不同的信号给指示灯，能标识模块的不同工作状态，正面的2 个红色指示灯指示模块和S 1 M卡的工作情况。M O D 灯长亮表示模块上电，R U N 灯为L P G信号的直观体现，指示S I M 卡工作状态。图2 是无线数据终端设计的构架示意图。圈2 无线教据终靖设计构架示意图2 2 电气稠试在实验室环境下，本文设计完成了基于嵌入式系统的无线数据终端单元的硬件设计与实现，并通过万用表、调试开发软件对印刷电路板进行了电气测试，电路板的各部分都能够正常工作，为下一步系统软件能够正常运行提供了硬件基础。3 无线数据传输嵌入式系统软件3 1G P R S 终靖工作漉程对于一个

16、完整的嵌入式应用系统，系统的程序设计也是嵌入式系统设计一个非常重要的方面。在编写嵌入式系统应用程序时，采取3 个步骤：(1)确定设计目标。(2)合理配置系统资源。(3)程序设计，调试与优化。系统的主要功能由下载到微处理器的软件来实现。首先在L P C 2 2 1 0 微处理器上移植I _ t C O S-I I，然后在r t c o s-I I 平台上进行应用系统的开发，实现对数据的处理，在终端和控制中心之间进行通信。采用在嵌入式实时操作系统l a C O S I I下编程的方法，I _ t C O S I I 内核为应用程序提供任务管理与调度，利用c o s I I 的占先式多任务调度机制来

17、保证系统的实时性。在实时操作系统下通过多任务调度即可实现R S 一2 3 2数据和中心站的相瓦通信。3 2 嵌入式系统软件开发平台选择A R M 处理器开发嵌入式系统时，选择A D S1 2 作为开发工具。A D S1 2 使用了C o d e W a r r i o rI D E 集成开发环境，并集成了A R M 汇编器、A R M 的C C+编译器、T h u m b 的C C+编译器、A R M 连接器，包含工程管理器、代码生成接口、语法敏感(对关键字以不同颜色显示)编辑器、源文件和类浏览器等。A D S 嵌入式开发环境采用宿主机一目标机的开发模式。A D S 运行于主机端，而J T A

18、 G 实现A D S 与目标机之间的连接。开发时，首先由A D S 编译连接生成目标代码，然后通过仿真器控制目标板实现目标程序的调试，包括将目标代码下载到目标机中，控制程序的运行、调试信息观察等。E a s y J T A G 是连接主机和目标机之间的硬件设备，它实现A D S 与目标机之间的连接。在建立了目标系统的软硬件开发平台后，就可以向基于A R M 的硬件上移植C O S I I 操作系统，在此基础上进行应用软件的开发，继续开发G P R S 功能。3 3p C O S-I I 在A R M 7 上的移植移植过程包括编译常量的设置、数据类型的定义、宏定义以及与操作系统调度相关的函数的编

19、写，使用汇编语言实现的。另外，通过对宏的定义，可以进行适当的裁剪，以减少所需的存储空间。移植I t C O S I I 到一个新的体系结构上需要提供3 个文件：O S C P U H(C 语言头文件)，O S C P U _ A C(C 程序源文件)，O S C P U A A S M(汇编程序源文件)。(1)O S C P U H 的移植。该文件中定义了系统所使用的数据类型，这部分是和所用的编译器相关的，不同的编译器会使用不同的字节长度来表示同一数据类型。(2)O sc p u _ c C 的移植。用C 语言编写6 个操作系统相关的函数。(3)O S C P U A A S M 的移植。用汇

20、编语言编写4 个与处理器相关的函数(O S C P U A S M)。完成上述工作后，I l C O S I I 就可以运行在A R M 处理器上。3 4 应用程序设计3 4 1应用程序总体结构根据系统软件功能的不同和D T U 的技术要求，并结合r t c o s-I I 自身的特点，可对系统主程序进行任务划分，将系统分成告警、节电工作、数据接收、数据发送、短信通信、拨号通信与在线检测、监控等几个主要任务，并分配给不同_ 2 6 l 一 万方数据优先级。程序的结构如图3 所示。熏统I：电或者复位l 硬件及参敬韧始化l=二EI C I O S _ I 盯始化l=二匕l a C O S-n 启动

21、l二二工二二p C 0 5 一内核运f t、管理、调度任务运行控制龠夸嚣旧旧旧旧旧旧怕圈3 程序结构3 4 2 应用模块具体实现(1)系统初始化模块由于操作系统启动时只有初始化任务建立，优先级为1 2，因此该任务在操作系统启动后马上进入运行态。系统初始化模块主要是各个I O 口、串口、S P I 接I Z i 及相应全局变量的初始化。(2)数据接收和发送模块串口接收和发送都是通过串口的接收和发送中断完成的，对于U A R T 定义了1 2 8K B 的接收发送缓冲区。对于串口接收和发送又定义了2 个2B y t e 长度的变量，分别用作接收发送缓冲区地址指针和计数器，另外还定义了一个lB y

22、t e的变量，用作接收发送时延。在接收发送完成中断时延赋值1 0，这个值用于判断串口分组数据接收或者发送是否完成。分组数据接收或者发送完成的标志是在主程序的时延程序中设置的。(3)短信通信模块G P R S 终端在软件设计上根据传输模式分为短信模式和G P R S 模式2 种数据传输方式，通信以G P R S 模式为主，短信为辅。当G P R S 网络出现问题时，可通过短信方式进行数据传输，确保数据传输的稳定性，同时也方便现场维护人员的控制，短信传输采用T E X T 的格式进行发送。(4)拨号通信模块为了应付紧急事件，系统增加了拨号通信功能。目的在于D S C 端管理者可以通过拨号接电话随时

23、联系终端设备管理者。(5)在线检测模块由于采用无线方式通信，易出现掉线情况，因此会降低系统的可靠性。为了保证系统的可靠性，设计实现了在线检测、掉线重拨功能，可确保设备的时刻在线，提高整个系统的可靠性。设计利用I C M P 网络层协议来检测网络通信状况。3 5 系统调试系统的调试环境由宿主机(e PP C 机)和目标板组成。P C机的并I Z I 通过J T A G 仿真器与A R M 硬件平台上的J T A G 接口连接，用于下载和调试程序。首先由A D S 编译连接生成目标代码，然后通过仿真器控制目标板实现目标程序的调试，包括将目标代码下载到目标机中、控制程序的运行、调试信息的观察等。4

24、结束语基于G P R S 的无线数据传输嵌入式系统，为用户提供低成本、高效、可靠的方式连入G P R S 网络，构成双向、对等、实时的数据传输系统，为用户终端安全稳定的运行提供了可靠的保证。与传统的解决方案相比，有较大的优势，广泛适用于信息互传、远程数据采集等，并且有向其他特定场合下的行业应用扩展的前景。参考文献【1】符意德，陆阳嵌入式系统原理及接1 3 技术【M】北京：清华大学出版社，2 0 0 7【2】程娟，平西建集成G P R S 服务的嵌入式车载地理信息系统【J】计算机工程，2 0 0 6，3 2(1 7)：2 4 4-2 4 5【3】刘淼，王田苗，魏洪兴，等基于p C O S 一的嵌

25、入式数控系统实时性分析 J】计算机工程，2 0 0 6，3 2(2 2)：2 2 2 2 2 4【4】L u n d a nM。I g o rD，C u r c i oD O p t i m a l3 G P PP a c k e t-s w i t c h e dS t r e a m i n gS e r v i c e(P S S)o v e rG P R SN e t w o r k s J M u l t i m e d i aT o o l sa n dA p p l i c a t i o n s，2 0 0 7，3 5(3)：2 8 5 31 0 5 1C h i t r eV

26、A，D a i g l eJN P e r f o r m a n c eo fI P-b a s e dS e r v i c e so v e rG P R S J I I E E ET r a n s o nC o m p u t e r,2 0 0 3，5 2(6)：7 2 7 7 4 1 编辑索书志(上接第2 5 9 页)5 结束语本文介绍了一种三维场景漫游系统的架构及各功能模块设计，详细讨论了嵌入式三维的关键技术，为开发具备导航功能的三维地理信息系统提供了技术支持。今后的研究方向为：(1)优化建模方法，进一步提高系统渲染性能；(2)研究移动设备下三维物体的拾取技术，提升场景的互操作

27、性；(3)丰富系统功能，提供更多基于位置的服务，如与服务器交互获得信息、结合G P S 的定位导航为用户提供更多人性化的G I S系统服务。参考文献f l】F r i t s c bD，V o l zS N E X U S：T h eM o b i l eG I SE n v i r o n m e n t C P r o c o ft h e1S tJ o i n tW o r k s h o po nM o b i l eF u t u r ea n dS y m p o s i u mo n2 6 2 一T r e n d sl nC o m m u n i c a t i o n s

28、B r a t i s l a v a，S l o v a k i a：I E E EP r e s s，2 0 0 3【2】J S R 一0 0 0 1 8 4 J a v aS p e c i f i c a t i o nR e q u e s t s1 8 4M o b i l e3 DG r a p h i c sA P If o rJ 2 M E S 2 0 0 5【3 lN u r m i n e nA M o b i l e，H a r d w a r eA c c e l e m t e dU r b a n3 DM a p si n3 GN e t w o r k s C

29、P r o c o ft h e12 t hI n t e r n a t i o n a lC o n f e r e n c eo n3 DW e bT e c h n o l o g y P e r u g i a，I t a l y：A C MP r e s s，2 0 0 7：7-1 6 4 1X iD a p i n g，D uQ i n g y u n R e s e a r c h e so nD y n a m i cO r g a n i z a t i o na n dV i s u a l i z a t i o no fL a r g e s c a l es c e

30、 n e si n3 DW a t e r w a yG I S C P r o c o fI n t e r n a t i o n a lC o n f e r e n c eo nI n f o r m a t i o n a lT e c h n o l o g ya n dE n v i r o n m e n t a lS y s t e mS c i e n c e J i a o z u o，C h i n a：E I AP r e s s，2 0 0 8：1 0 4 l 一1 0 4 5 编辑张帆 万方数据基于GPRS的无线数据传输嵌入式系统设计基于GPRS的无线数据传输嵌入

31、式系统设计作者：郭爱煌，李广宇，陈志雄，GUO Ai-huang，LI Guang-yu，CHEN Zhi-xiong作者单位：同济大学电子与信息工程学院,上海,200092刊名：计算机工程英文刊名：COMPUTER ENGINEERING年，卷(期)：2009,35(18)被引用次数：2次 参考文献(5条)参考文献(5条)1.Chitre V A;Daigle J N Performance of IP-based Services over GPRS外文期刊 2003(06)2.Lundan M;Igor D;Curcio D Optimal 3GPP Packet-switched St

32、reaming Service(PSS)over GPRS Networks2007(03)3.刘淼;王田苗;魏洪兴 基于COS-II的嵌入式数控系统实时性分析期刊论文-计算机工程 2006(22)4.程娟;平西建 集成GPRS服务的嵌入式车载地理信息系统期刊论文-计算机工程 2006(17)5.符意德;陆阳 嵌入式系统原理及接口技术 2007 本文读者也读过(5条)本文读者也读过(5条)1.徐灵飞.林浩冬.XU Ling-fei.LIN Hao-dong 基于DSP的无线数据传输平台设计与实现期刊论文-电讯技术2010,50(10)2.温昕煜 基于EM200的无线数据传输系统设计学位论文20

33、103.王磊.许小琳.WANG Lei.XU Xiao-lin GPRS无线数据传输中服务器端软件的设计和实现期刊论文-测控技术2007,26(11)4.孔文闯.王代华.张志杰.KONG Wen-chuang.WANG Dai-hua.ZHANG Zhi-jie 基于无线数据传输的便携式热电偶测温系统的研究期刊论文-核电子学与探测技术2010,30(8)5.李辉.陈松.蒋志勇.欧阳智辉.LI Hui.CHEN Song.JIANG Zhiyong.OUYANG Zhihui 大秦线重载组合列车800MHz无线数据传输系统及关键技术期刊论文-中国铁道科学2009,30(5)引证文献(4条)引证文献(4条)1.杨孝平.贺德强.苗剑.彭威 基于3G终端机车状态信息传输系统的设计期刊论文-广西大学学报（自然科学版）2011(5)2.聂明新.邹宇.莫奎 基于动态IP的GPRS远程监控系统期刊论文-武汉理工大学学报（信息与管理工程版）2011(5)3.卢珺.程远胜 基于FPGA与ARM9的SSD系统设计的研究期刊论文-计算机与数字工程 2010(8)4.黄世远.杨如辉.郭谋发.杨耿杰.高伟 配电网自动化通信规约转换器的设计期刊论文-电气技术 2010(7)本文链接：http:/