基于CDMA的移動(dòng)無(wú)線(xiàn)數據傳輸系統

 
作者單位： 北方工業(yè)大學(xué) 宋鵬　　北京交通大學(xué) 嚴峰斌  
作者簡(jiǎn)介：
         宋鵬：教授，研究方向為移動(dòng)數據傳輸，軟件無(wú)線(xiàn)電，射頻識別，載波通信。

    嚴峰斌：碩士研究生，主要研究方向為光纖通信。

摘要：介紹一種以C8051F020 MCU為控制核心、結合CDMA業(yè)務(wù)和GPS系統開(kāi)發(fā)的移動(dòng)無(wú)線(xiàn)數據傳輸系統，整個(gè)系統由移動(dòng)終端、CDMA網(wǎng)絡(luò )、Internet網(wǎng)絡(luò )、信息管理中心服務(wù)器四部分組成；重點(diǎn)描述移動(dòng)終端的硬件組成、軟件設計。系統可用于移動(dòng)狀態(tài)下無(wú)線(xiàn)數據傳輸，例如車(chē)輛調度管理，停車(chē)場(chǎng)所和交通監測數據的傳輸，金融系統POS聯(lián)網(wǎng)，氣象站數據采集，各種分布式遙測遙控系統等。實(shí)驗結果表明，本系統應用于各種移動(dòng)場(chǎng)合的數據傳輸是目前最好的選擇。


關(guān)鍵詞：CDMA GPS 數據業(yè)務(wù) C8051F020 ME45

引 言

　　目前，移動(dòng)無(wú)線(xiàn)傳輸數據的方式主要有3種：GSM短消息、GPRS和CDMA。它們的特點(diǎn)比較如下：

　?、?nbsp;移動(dòng)通信網(wǎng)GSM短消息方式。短消息是GSM網(wǎng)所具有的電信業(yè)務(wù)之一。所謂的短消息是指長(cháng)度不超過(guò)160個(gè)字符的文本消息。由于短消息傳輸用的是信令信道，采用存儲轉發(fā)的方式，因此短消息服務(wù)費用低，傳輸延時(shí)不固定，根據當前的短消息業(yè)務(wù)使用情況而定。短消息方式的缺點(diǎn)是數據傳輸速率低、具有延遲性且時(shí)間不定。

　?、?nbsp;GPRS(General Packet Radio Service)，即通用分組無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)，是在現有GSM系統上發(fā)展出來(lái)的一種新的數據承載業(yè)務(wù)。GPRS采用分組交換技術(shù)，按流量計費，高效傳輸高速或低速數據和信令。GPRS理論傳輸速率可達171.2 kbps，實(shí)際傳輸速率大約在40 kbps。中國移動(dòng)2002年5月18日開(kāi)始正式商用GPRS網(wǎng)絡(luò )。

　?、?nbsp;CDMA 1X原意是指CDMA 2000的第一階段，可支持308 kbps的數據傳輸、網(wǎng)絡(luò )部分引入分組交換，可支持移動(dòng)IP業(yè)務(wù)；CDMA 1X是在CDMA IS95系統上發(fā)展出來(lái)的一種新的承載業(yè)務(wù)，目的是為CDMA用戶(hù)提供分組形式的數據業(yè)務(wù)；CDMA 1X理論傳輸速率可達300 kbps，目前的實(shí)際傳輸速率大約在100 kbps左右，可以用于Internet連接、數據傳輸等應用。CDMA 1X無(wú)線(xiàn)數據通信系統的特點(diǎn)是按流量計費，即一直在線(xiàn)，按照接收和發(fā)送數據包的數量來(lái)收取費用，沒(méi)有數據流量的傳遞時(shí)不收費用。

　　第1代移動(dòng)通信系統是模擬式的，已淘汰。第2代移動(dòng)通信系統是數字蜂窩式的，如TDMA的GSM和CDMA的IS95。GPRS和CDMA 1X都是2.5代的移動(dòng)通信系統。中國聯(lián)通公司已經(jīng)擁有了一個(gè)覆蓋全國的CDMA2000 1X網(wǎng)絡(luò )，用于提供1X數據分組業(yè)務(wù)。

　　CDMA 1X與GPRS雖然都是2.5代的移動(dòng)通信系統，但1X網(wǎng)絡(luò )通信速度遠高于GPRS網(wǎng)絡(luò )，而且易于平滑過(guò)渡到3G移動(dòng)通信系統。未來(lái)的第3代移動(dòng)通信系統雖然有幾種模式，但毫無(wú)例外地都是CDMA碼分多址的。

　　CDMA無(wú)線(xiàn)DDN（Digital Data Network）特別適合應用于工業(yè)、商業(yè)和其他諸多領(lǐng)域的移動(dòng)數據傳輸、多點(diǎn)分散的數據傳輸，例如，物流系統的車(chē)輛調度管理，停車(chē)場(chǎng)所和交通監測數據的傳輸，金融系統POS聯(lián)網(wǎng)，氣象站數據采集，電力、水文、供暖、供氣、供水的分布式遙測遙控系統等。

　　本文討論的就是利用CDMA業(yè)務(wù)傳送GPS定位信息的實(shí)例。當然，GPS定位信息只是整個(gè)信息傳輸管理系統的一個(gè)應用，通過(guò)更換不同的數據源模塊可實(shí)現不同的信息傳輸，從而構成不同的信息傳輸管理系統，如遠程抄表系統、水文數據采集系統等等。

1 系統構成

　　如圖1所示，整個(gè)信息傳輸管理系統由移動(dòng)終端、CDMA網(wǎng)絡(luò )、Internet網(wǎng)、信息管理中心服務(wù)器組成。

　　移動(dòng)終端將GPS數據組成CDMA數據分組，通過(guò)CDMA網(wǎng)絡(luò )和Internet網(wǎng)，上傳到信息管理中心服務(wù)器。服務(wù)器應當具備IP地址和電子地圖。

　　信息管理中心也可以通過(guò)Internet網(wǎng)和CDMA網(wǎng)絡(luò )向移動(dòng)終端發(fā)出各種指令。

　　　　　 
　　　　　　　　　　　　　　　圖1基于CDMA的無(wú)線(xiàn)移動(dòng)數據傳輸系統

2 移動(dòng)終端硬件組成

　　移動(dòng)終端的硬件部分主要有CDMA Modem模塊、GPS模塊、MCU及電源四部分，連接關(guān)系如圖2所示。

　　　　　 
　　　　　　　　　　　　　　　　　 圖2移動(dòng)終端硬件組成

　　其中的CDMA模塊為Wavcom公司的ME45。這是一個(gè)具有完整功能的CDMA移動(dòng)通信模塊，通過(guò)串口可以實(shí)現對此模塊的控制和數據傳輸，包括短信和無(wú)線(xiàn)上網(wǎng)等。另外加上模擬部分電路，可實(shí)現話(huà)音通信功能。對ME45的控制用的是AT命令方式。

　　GPS模塊是臺灣Holux公司的GM82 OEM板。它通過(guò)外接天線(xiàn)接收GPS信號，計算出所處位置的地理信息，通過(guò)串口將此信息傳送給MCU。

　　MCU采用新華龍公司代理的C8051F020八位微控制器。選擇此MCU是基于諸多考慮的：首先，是功能強大，幾乎在單片中包容了所有常用的功能；其次，與普通的8051有相同的內核，開(kāi)發(fā)容易，而且支持C語(yǔ)言源程序調試。

　　在此移動(dòng)終端中，采用了如下一些必需的功能部件：

　　首先是它的兩個(gè)硬件串口。這兩個(gè)串口的波特率產(chǎn)生是獨立的，而且不占用芯片的定時(shí)器，使用起來(lái)相當靈活。這兩個(gè)串口分別對GPS模塊和CDMA模塊通信。GPS模塊把位置信息以固定的格式從串口發(fā)出，MCU接收GPS模塊送來(lái)的數據，解析出其中有用的數據進(jìn)行封裝，然后以規定的格式通過(guò)第2個(gè)串口交給CDMA模塊，將數據送上Internet網(wǎng)。

　　其次，128字節的Flash可用于存放一些可設置的參數，如移動(dòng)終端的識別號或IP地址、信息管理中心服務(wù)器的IP地址等。

　　再次，4 KB的SRAM相對其他的8位機來(lái)講是相當大了，可以滿(mǎn)足組幀、數據緩沖的要求。

　　64 KB的Flash可以滿(mǎn)足較大程序量的要求。

　　64 KB的Flash和4 KB RAM的組合可以完成對信息數據的加解密工作，可提供某些特定場(chǎng)合使用。

　　引出了某些I/O口，通過(guò)光電耦合器隔離后引至其他監測點(diǎn)，可以擴展相應的功能。

　　另外，留出了總線(xiàn)擴展口，可擴展64 KB的SRAM，一方面可以用于嵌入實(shí)時(shí)操作系統，另一方面可以用于使用C8051F020的在線(xiàn)自我編程功能來(lái)遠程更新程序。

　　由于用于移動(dòng)設備，需要低功耗器件，而C8051F020工作電壓為3.3 V，功耗很小。

　　設計時(shí)考慮該移動(dòng)終端主要作為車(chē)載應用，所以實(shí)際電路中設計了從點(diǎn)煙器取電的電源電路。

　　移動(dòng)終端利用C8051F020芯片控制實(shí)現，不用另行擴展串口、ROM以及RAM。此硬件結構并不僅僅局限在定位功能上，對于很多數據采集/控制應用也可以滿(mǎn)足要求，只需改變程序結構。正是由于C8051F020的功能強大，使得硬件的組成和結構都變得非常簡(jiǎn)單。

3 移動(dòng)終端軟件設計

　　由于采用了C8051F020作控制器，使得硬件的工作相對簡(jiǎn)單和通用，所以該系統實(shí)現的主要工作集中在軟件的實(shí)現上。

　　利用GPRS上網(wǎng)主要的問(wèn)題是，在系統接入無(wú)線(xiàn)Internet網(wǎng)時(shí)進(jìn)行初始化和對鏈路的控制。若對通信過(guò)程和協(xié)議不熟悉，則做起來(lái)很麻煩；現在已有許多MCU或GPRS Modem已將這些功能嵌入到操作系統中。對CDMA上網(wǎng)，則比較簡(jiǎn)單，通過(guò)撥通服務(wù)商的特定號碼即可。

　　利用CDMA模塊進(jìn)行數據傳輸，既可以采用上網(wǎng)傳輸，也可以采用短消息的方法。下面就短消息方式的數據傳輸軟件流程作一介紹。

　　對于數據源，GPS模塊不斷發(fā)送固定格式的串行數據，MCU利用一串口與之相連。一般MCU對串口數據的接收處理方式有查詢(xún)和中斷兩種。這里采用的方法既不是查詢(xún)也不是中斷，而是命令的方式，MCU根據接收到的不同命令，執行不同的功能。移動(dòng)終端的軟件流程如圖3所示。

　　　　　　　　　　　　 
　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖3移動(dòng)終端軟件流程

　　(1) MCU的初始化

　　單片機的初始化很重要，它關(guān)系到程序能否正確運行。這里主要功能是分配串口引腳，設置系統時(shí)鐘，確定波特率。

　　這里需要重點(diǎn)注意的問(wèn)題是MCU的初始化。C8051 MCU硬件資源相當豐富，但有一些不是能同時(shí)使用的，需要在初始化時(shí)進(jìn)行設定，所以它的交叉開(kāi)關(guān)譯碼表的正確使用非常重要。資料中提供的優(yōu)先權交叉開(kāi)關(guān)分配是有區別的，關(guān)鍵看XBR2特殊功能寄存器中的EMIFLE位的值。串口分配時(shí)只用到4個(gè)引腳，沒(méi)有用到外部存儲器，所以 P0.7、P0.6、P0.5 的功能由交叉開(kāi)關(guān)或端口鎖存器決定，而且EMIFLE的值為“0”，這樣可以保證串口分配不出現錯位。

　　(2) 刪除短消息子程序

　　刪除短消息子程序的作用是清空SIM卡里存入的所有讀過(guò)的短消息，但未讀取的短消息不會(huì )刪除，使每個(gè)新來(lái)的短消息的標號都為“0”。

　　(3) 讀短消息子程序

　　讀短消息子程序的作用是讀取新消息并將短信的內容存儲在內部RAM中，為程序的跳轉提供判斷的依據。例如，如果短信的內容是“###13520479697*”，表示設定短消息發(fā)送號碼；如果需要查詢(xún)車(chē)輛狀況，MCU就會(huì )向卡號為“13520479697”的用戶(hù)發(fā)定位信號。
　　
指令“AT+CMGR=0”表示讀取SIM卡里的標號為0的短信。先把該指令轉換為ASCII碼，然后再串行發(fā)送出去。CDMA模塊就會(huì )執行相應的命令，并將短信內容通過(guò)串行口傳遞給單片機。單片機的串口0的接收標志位RI置位，表示接收到一個(gè)完整的字符，可以從串口寄存器中取走內容。該標志位不能自動(dòng)清零，需要軟件復位，然后進(jìn)行下一個(gè)字節的接收。

　　短信的內容是有長(cháng)度的，通過(guò)設定短信內容的最后一個(gè)字符是否為“*”號來(lái)決定接收停止位。接收時(shí)，判斷串口寄存器。如果接收到的字符為“*”,表示停止接收，則后面接收的信息無(wú)效，將SBUF0的內容存入RAM區。

　　(4) 短消息命令的執行

　　通過(guò)刪除舊短信，讀新短信，存儲新短信的內容，MCU對存入內容檢索、判斷是什么功能命令，然后跳轉到相應的功能程序入口，實(shí)現用戶(hù)所要求的服務(wù)。

　　這里舉兩個(gè)命令說(shuō)明：如“###13520479697*”和“PLACE*”。

　　接收到第1個(gè)命令時(shí)，先檢測“###”，如果符合，則表示后面的數據是要存入Flash中的卡號，需要掉電保存的內容，將其存入128B的非易失性存儲扇區中。掉電后，該號碼不會(huì )丟失。如有語(yǔ)音命令和查詢(xún)定位信息的命令時(shí)，都會(huì )呼叫這個(gè)存入Flash中的號碼。

　　第2個(gè)命令表示接收定位信息。它是以第1個(gè)命令為基礎的，只有第1個(gè)命令執行后，存有了卡號，才能將定位信息發(fā)送出去。當單片機檢測到新短信的內容為“PLACE*”時(shí)，啟動(dòng)定時(shí)器4，通過(guò)串口1，接收GPS定位信號。這時(shí)，接收的信號還不是發(fā)到信息中心，要通過(guò)對導航電文的檢索、提取，最后將有用的時(shí)間、經(jīng)度、緯度信息發(fā)送給設定的號碼。

　　兩個(gè)不同命令短信的執行，功能子程序是分開(kāi)的，但前端的判斷跳轉程序是關(guān)聯(lián)的，所以將兩個(gè)程序合在一起討論。該程序包含對兩個(gè)串口同時(shí)操作，先讀新消息。如果內容有“PLACE*”，則進(jìn)入定位信號的提取。判斷是否有“###”，有則進(jìn)入存儲號碼的功能。

　　 當檢測到“PLACE*”時(shí)，首先啟動(dòng)定時(shí)器4，接收串口1的定位信息。由于GPS信號的定位信息里有些是用不到的，所以接收的信息要加以判斷。如果數據頭是“$GPRMC”，才開(kāi)始接收。接收以A開(kāi)頭，E結尾。存放在0800開(kāi)始的地址空間中，最后把這些內容整合到0900開(kāi)始的地址空間內，串行發(fā)送給CDMA模塊，這樣就完成了定位信息以短消息發(fā)送的目的。

　　如果需要更強大的網(wǎng)絡(luò )功能支持，可以嵌入RTOS內核?，F在有不少操作系統支持C8051F MCU。

結語(yǔ)

　　隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在工業(yè)、商業(yè)和軍事領(lǐng)域中實(shí)時(shí)信息傳送的應用越來(lái)越廣泛，需求量與日俱增。CDMA業(yè)務(wù)的推出，更加推動(dòng)了這一方向的迅猛發(fā)展，無(wú)線(xiàn)移動(dòng)數據傳輸技術(shù)的應用有著(zhù)越來(lái)越廣闊的前景。

　　　　　　　　　　　　　　　　　參考文獻

1 祁玉生，邵世祥. 現代移動(dòng)通信. 北京：人民郵電出版社，2000
2 潘琢金,等. C8051FXXX高速SOC單片及原理及應用. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002
3 GM82 GPS Receiver用戶(hù)指南
4 ME45用戶(hù)指南
5 C8051FXXX用戶(hù)手冊 
 

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