GPRS数据传送服务的无线通信控制器设计

摘要:gprs数据传送服务作为gsm网络的一种新业务,已得到越来越多的系统运营商和系统开发商的重视。以gsm网络作为数据无线传输网络,可以开发出多种前景极其乐观的各类应用。本文提出一个基于gprs数据传送服务的通信控制器的设计,并详细阐述该控制器的实现原理。
引言
能用分组无线业务gprs(general packet radio service)是在现有的gsm系统上发展出来的一种新的承载业务,目的是为gsm用户提供分组形式的数据业务。基于这种业务的各种应用也蓬勃发展起来。以gsm网络作为数据无线传输网络,可以开发出多种前景极其乐观的各类应用,如无线数据的双向传送、无线远程检测和控制等。典型的应用有:工业控制、环境保护、道路交通、商务金融、移动办公、零售服务等等。
gprs允许用户在端到端分组转移模式下发送和接收数据,需不需要利用电路交换模式的网络资源;从而提供了一种高效、低成本的无线分组数据业务,特别适用于间断的、突发性的和频繁的、少量的数据传输,也适用于偶尔的大数据量传输。
本文设计的gprs无线通信控制器(以下简称控制器),内嵌了tcp/ip协议栈,采用工业级的gprs模块;适用于主机没有tcp/ip协议栈,但使用串口通信的情况,例如单片机数据采集传输系统。
1 gprs网络数据的收发
终端设备通过串行方式接到控制器上并与gsm基站通道,但与电路交换或数据呼叫不同。gprs数据分组是从基站发送到sgsn节点,而不是通过移动交换中心msc连接到语音网络上。sgsn与网关支持节点ggsm进行通信。ggsn对分组数据进行相应的处理,再发送到目的网络,如internet或x.25网络,见图1。来自internet、标识有移动台地址的ip包,由ggsn接收,再转发到sgsn,继而传送到移动台上。
控制器工作时,用户上位系统向控制器发送工作指令和数据,数据由ip模块进行了tcp/ip协议转换,打成ip数据包,再由mc35模块以gprs数据包的形式发送到sgsn。
由于gprs网络工作方式是以ip地址导址为基础的,所以目标服务器端并非接入控制器与终端设备进行连接,只需要简单接入internet,并具备公网分配的ip地址即可。同时,因为gprs终端产品本身由网络提供商动态地分配ip地址,在未进入连接待机状态时,其本身是不具备ip地址的(在连接中,模块的ip地址为移动骨干网内局域网ip,无法被公网服务器解析,动态分配的制度使获取比ip地址无意义)。因此在服务器与终端尚未建立连接前,目标服务器难以(可将短信转换为命令内容)对终端设备及控制器进行控制。必须先将控制器进行相应初始化,并由设备终端主动向服务器发送数据,进行连接。
2 控制器内部的硬件实现
控制器内部由四部分构成:嵌入tcp/ip的单片机系统、mc35模块、电源部分和外部接口部分。
在设计时,考虑到双串口性能和高速的全静态cmos设计,嵌入式单片机系统选用***winbond的w77e58芯片作为mcu模块的处理器芯片。它是高速的、与mcs-51指令兼容的、没有多余指令周期的微控制器,在相同时钟频率下,运行同样的指令要比传统的8051快1.5~3.0倍。它完全是静态cmos设计,工作电压为4.5v~5.5v,有32kb的片内程序rom,内部有1kb sram,最高时钟频率可达40mhz;有双指针、双串口,13个中断源,3个16位定时器。单片机w77e58通过串口1直接与mc35模块相连接,完成对mc35模块的初始化和基于gprs业务的数据收发功能;同时串口2扩展max232标准串口与其它嵌入式系统或pc机进行数据交换。图2是系统的硬件框图。
mc35模块是西门子公司生产的gsm双频gsm900/gsm1800无线模块。它支持2种操作模式:一种是电路交换数据模式csd,支持语音、数据、sms和fax业务;一种是分组交换模式gprs,采用多时隙,支持cs1-cs4编码。两者最大的区别是,gprs传输数据时不需要再拨号。2种模式的选择通过at指令来实现。mc35模块提供40线的zif接口方式。
电源部分为单片机系统和gprs模块提供合适的电源。外部接口部分包括一个8脚数据接口、sma(射频同轴连接器)天线接口、sim(subscriber identity module,用户识别)卡座接口。表1是各引脚的详细说明。
表1 外部接口引脚说明
功能 名称 引脚号 i/o 信号电平 注 释
强制复位 rst 1 i/o 当模块处于空闲或数据传输状态时,该引脚下拉至0.45v以下(需至少0.1ma的下拉能力),持续3.5s可使系统复位。该引脚同时还作为系统看门狗信号输出,可据此监视系统工作状态fout,min=0.16hz fout,max=1.53hz 正常情况下,该引脚处于看门狗信号输出状态并且输出电流很微弱(0.01ma),因此必须使其处于高阻状态;不得有外部上下拉电路
rs232 rxd 2 i 该组引脚系标准rs232电平信号,可直接与pc机连接 如果连接pc机上internet网,则需要使用cts和rts,其它通信方式示不需要这两个引脚
txd 3 o
cts 4 o
rts 5 i
sggnd 8 0 sggnd是rs232信号地,在模块内部与gnd相连
rs485 a 6 i/o 该组引脚系标准rs485电平信号,模块内部已加120匹配电阻 模块内部光电隔离电路
b 7
为使控制器运行稳定可靠,对其看门狗电路进行了精心设计。
3 控制器的软件接口
在本设计中,需要利用tcp/ip协议来完成gprs业务数据的打包和解包。由于w77e58资源有限,怎样在有限的资源上完成必需的功能,就是嵌入式tcp/ip协议实现的关系所在,也就是合理地简化协议。
tcp/ip协议是一个为广域网(wan)设计的标准协议套件,可以用一个分成四个层次的模型来描述:数据链路层、互联网层、传输层和应用层。其分层模型及协议如表2所列。
表2 tcp/ip协议结构
应用层 http、telnet、fit、smtp、snmp
传输层 tcp、udp
互联网层 ip、arp、rarp、icmp、igmp
数据链路层 ethernet、x.25、slip、ppp
应用层(application)负责处理特定的应用程序细节,在本系统中只实现http协议。
传输层(transport)主要为2台主机上的应用程序提供端到端的通信。tcp协议是为2台主机提供高可靠性的数据通信,这里采用tcp传输控制协议。
互联网层(internet)的功能是寻址、定址、数据打包和安排路径。internet所有的数据都以ip数据报格式传输,其最大特别是提供不可靠的和无连接的数据包传送服务。在gprs业务中,每一次链接都会具体分配一个ip地址,因此用arp/rarp协议完成ip地址与物理地址的映射(即地址解析),用icmp协议判断网络是否连通。
数据链路层(link)的任务是把要发出的帧送到线路中去,把要接收的帧从线路中取出来。gprs业务是采用ip over ppp实现数据终端的接入。这部分功能由单片机控制mc35模块,采用ppp协议实现。
数据打包处理程序处理数据时,每一层都把自己的信息添加到一个数据头中,而这个数据头又被下一层的协议包装到数据体之中。数据解包处理程序接收到gprs数据时,把相应的数据头剥离,并把数据包的其余部分当作数据体对待。
在应用要求高的场合,通常需要支持完事的tcp/ip协议族,而在嵌入式系统中也是可以做到的;但是,考虑到成本和具体的应用场合,没有必要包括所有的tcp/ip协议族。可以看到,采用tcp/ip协议需要对它进行合理的裁剪,以满足小rom系统的情况。
系统在利用mc35模块的gprs业务浏览http等功能之前,必须先激活gprs网的pdp连接。单片机通过正确的at指令和gprs命令集对mc35模块进行初始化和数据的接收发送,其工作流程如图3所示。
单片机上电复位后,首先对max232进行初始化,完成与外接模块协商处理,如波特率、是否有奇偶校验等。接着,通过串口1对mc35模块进行初始化,检查诸如sim卡情况、gprs网络覆盖情况、信号情况等。接下来,进行中断扫描,监控是否有数据到来。有关数据时,如果是外部数据,就启动数据打包处理过程;如果是gprs数据,就启动数据解包处理过程。如果没有数据,系统则进入节电模式。在数据打包处理过程中,如果检测到系统的信号不好,网络连接不畅通,或者不是gprs网络覆盖区,将进行数据发送缓存处理,同时将数据放进发送队列等待发送。
结语
本文采用嵌入式tcp/ip协议,在高速的8位微控制器上实现了对mc35模块的控制,并实现了gprs业务的数据传输功能;具有外围器件少、电路简单、系统成本低等优点。本文设计的gprs无线通信控制器,自2002年1月份起,在广东省东莞市的环保污水综合处理系统中使用至今,运行效果良好,实践证明,产品工作稳定、可靠。

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