GPRS數據傳送服務(wù)的無(wú)線(xiàn)通信控制器設計

摘要：GPRS數據傳送服務(wù)作為GSM網(wǎng)絡(luò )的一種新業(yè)務(wù)，已得到越來(lái)越多的系統運營(yíng)商和系統開(kāi)發(fā)商的重視。以GSM網(wǎng)絡(luò )作為數據無(wú)線(xiàn)傳輸網(wǎng)絡(luò )，可以開(kāi)發(fā)出多種前景極其樂(lè )觀(guān)的各類(lèi)應用。本文提出一個(gè)基于GPRS數據傳送服務(wù)的通信控制器的設計，并詳細闡述該控制器的實(shí)現原理。

關(guān)鍵詞：通用分組無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù) TCP/IP協(xié)議 協(xié)議棧

引言

能用分組無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)GPRS（General Packet Radio Service）是在現有的GSM系統上發(fā)展出來(lái)的一種新的承載業(yè)務(wù)，目的是為GSM用戶(hù)提供分組形式的數據業(yè)務(wù)?；谶@種業(yè)務(wù)的各種應用也蓬勃發(fā)展起來(lái)。以GSM網(wǎng)絡(luò )作為數據無(wú)線(xiàn)傳輸網(wǎng)絡(luò )，可以開(kāi)發(fā)出多種前景極其樂(lè )觀(guān)的各類(lèi)應用，如無(wú)線(xiàn)數據的雙向傳送、無(wú)線(xiàn)遠程檢測和控制等。典型的應用有：工業(yè)控制、環(huán)境保護、道路交通、商務(wù)金融、移動(dòng)辦公、零售服務(wù)等等。

GPRS允許用戶(hù)在端到端分組轉移模式下發(fā)送和接收數據，需不需要利用電路交換模式的網(wǎng)絡(luò )資源；從而提供了一種高效、低成本的無(wú)線(xiàn)分組數據業(yè)務(wù)，特別適用于間斷的、突發(fā)性的和頻繁的、少量的數據傳輸，也適用于偶爾的大數據量傳輸。

本文設計的GPRS無(wú)線(xiàn)通信控制器（以下簡(jiǎn)稱(chēng)控制器），內嵌了TCP/IP協(xié)議棧，采用工業(yè)級的GPRS模塊；適用于主機沒(méi)有TCP/IP協(xié)議棧，但使用串口通信的情況，例如單片機數據采集傳輸系統。

1 GPRS網(wǎng)絡(luò )數據的收發(fā)

終端設備通過(guò)串行方式接到控制器上并與GSM基站通道，但與電路交換或數據呼叫不同。GPRS數據分組是從基站發(fā)送到SGSN節點(diǎn)，而不是通過(guò)移動(dòng)交換中心MSC連接到語(yǔ)音網(wǎng)絡(luò )上。SGSN與網(wǎng)關(guān)支持節點(diǎn)GGSM進(jìn)行通信。GGSN對分組數據進(jìn)行相應的處理，再發(fā)送到目的網(wǎng)絡(luò )，如Internet或X.25網(wǎng)絡(luò )，見(jiàn)圖1。來(lái)自Internet、標識有移動(dòng)臺地址的IP包，由GGSN接收，再轉發(fā)到SGSN，繼而傳送到移動(dòng)臺上。

控制器工作時(shí)，用戶(hù)上位系統向控制器發(fā)送工作指令和數據，數據由IP模塊進(jìn)行了TCP/IP協(xié)議轉換，打成IP數據包，再由MC35模塊以GPRS數據包的形式發(fā)送到SGSN。

由于GPRS網(wǎng)絡(luò )工作方式是以IP地址導址為基礎的，所以目標服務(wù)器端并非接入控制器與終端設備進(jìn)行連接，只需要簡(jiǎn)單接入Internet，并具備公網(wǎng)分配的IP地址即可。同時(shí)，因為GPRS終端產(chǎn)品本身由網(wǎng)絡(luò )提供商動(dòng)態(tài)地分配IP地址，在未進(jìn)入連接待機狀態(tài)時(shí)，其本身是不具備IP地址的（在連接中，模塊的IP地址為移動(dòng)骨干網(wǎng)內局域網(wǎng)IP，無(wú)法被公網(wǎng)服務(wù)器解析，動(dòng)態(tài)分配的制度使獲取比IP地址無(wú)意義）。因此在服務(wù)器與終端尚未建立連接前，目標服務(wù)器難以（可將短信轉換為命令內容）對終端設備及控制器進(jìn)行控制。必須先將控制器進(jìn)行相應初始化，并由設備終端主動(dòng)向服務(wù)器發(fā)送數據，進(jìn)行連接。

2 控制器內部的硬件實(shí)現

控制器內部由四部分構成：嵌入TCP/IP的單片機系統、MC35模塊、電源部分和外部接口部分。

在設計時(shí)，考慮到雙串口性能和高速的全靜態(tài)CMOS設計，嵌入式單片機系統選用臺灣Winbond的W77E58芯片作為MCU模塊的處理器芯片。它是高速的、與MCS-51指令兼容的、沒(méi)有多余指令周期的微控制器，在相同時(shí)鐘頻率下，運行同樣的指令要比傳統的8051快1.5～3.0倍。它完全是靜態(tài)CMOS設計，工作電壓為4.5V～5.5V，有32KB的片內程序ROM，內部有1KB SRAM，最高時(shí)鐘頻率可達40MHz；有雙指針、雙串口，13個(gè)中斷源，3個(gè)16位定時(shí)器。單片機W77E58通過(guò)串口1直接與MC35模塊相連接，完成對MC35模塊的初始化和基于GPRS業(yè)務(wù)的數據收發(fā)功能；同時(shí)串口2擴展MAX232標準串口與其它嵌入式系統或PC機進(jìn)行數據交換。圖2是系統的硬件框圖。

MC35模塊是西門(mén)子公司生產(chǎn)的GSM雙頻GSM900/GSM1800無(wú)線(xiàn)模塊。它支持2種操作模式：一種是電路交換數據模式CSD，支持語(yǔ)音、數據、SMS和FAX業(yè)務(wù)；一種是分組交換模式GPRS，采用多時(shí)隙，支持CS1-CS4編碼。兩者最大的區別是，GPRS傳輸數據時(shí)不需要再撥號。2種模式的選擇通過(guò)AT指令來(lái)實(shí)現。MC35模塊提供40線(xiàn)的ZIF接口方式。

電源部分為單片機系統和GPRS模塊提供合適的電源。外部接口部分包括一個(gè)8腳數據接口、SMA（射頻同軸連接器）天線(xiàn)接口、SIM（Subscriber Identity Module，用戶(hù)識別）卡座接口。表1是各引腳的詳細說(shuō)明。

表1 外部接口引腳說(shuō)明

為使控制器運行穩定可靠，對其看門(mén)狗電路進(jìn)行了精心設計。

3 控制器的軟件接口

在本設計中，需要利用TCP/IP協(xié)議來(lái)完成GPRS業(yè)務(wù)數據的打包和解包。由于W77E58資源有限，怎樣在有限的資源上完成必需的功能，就是嵌入式TCP/IP協(xié)議實(shí)現的關(guān)系所在，也就是合理地簡(jiǎn)化協(xié)議。

TCP/IP協(xié)議是一個(gè)為廣域網(wǎng)（WAN）設計的標準協(xié)議套件，可以用一個(gè)分成四個(gè)層次的模型來(lái)描述：數據鏈路層、互聯(lián)網(wǎng)層、傳輸層和應用層。其分層模型及協(xié)議如表2所列。

表2 TCP/IP協(xié)議結構

應用層（application）負責處理特定的應用程序細節，在本系統中只實(shí)現HTTP協(xié)議。

傳輸層（transport）主要為2臺主機上的應用程序提供端到端的通信。TCP協(xié)議是為2臺主機提供高可靠性的數據通信，這里采用TCP傳輸控制協(xié)議。

互聯(lián)網(wǎng)層（Internet）的功能是尋址、定址、數據打包和安排路徑。Internet所有的數據都以IP數據報格式傳輸，其最大特別是提供不可靠的和無(wú)連接的數據包傳送服務(wù)。在GPRS業(yè)務(wù)中，每一次鏈接都會(huì )具體分配一個(gè)IP地址，因此用ARP/RARP協(xié)議完成IP地址與物理地址的映射（即地址解析），用ICMP協(xié)議判斷網(wǎng)絡(luò )是否連通。

數據鏈路層（link）的任務(wù)是把要發(fā)出的幀送到線(xiàn)路中去，把要接收的幀從線(xiàn)路中取出來(lái)。GPRS業(yè)務(wù)是采用IP Over PPP實(shí)現數據終端的接入。這部分功能由單片機控制MC35模塊，采用PPP協(xié)議實(shí)現。

數據打包處理程序處理數據時(shí)，每一層都把自己的信息添加到一個(gè)數據頭中，而這個(gè)數據頭又被下一層的協(xié)議包裝到數據體之中。數據解包處理程序接收到GPRS數據時(shí)，把相應的數據頭剝離，并把數據包的其余部分當作數據體對待。

在應用要求高的場(chǎng)合，通常需要支持完事的TCP/IP協(xié)議族，而在嵌入式系統中也是可以做到的；但是，考慮到成本和具體的應用場(chǎng)合，沒(méi)有必要包括所有的TCP/IP協(xié)議族?？梢钥吹?，采用TCP/IP協(xié)議需要對它進(jìn)行合理的裁剪，以滿(mǎn)足小ROM系統的情況。

系統在利用MC35模塊的GPRS業(yè)務(wù)瀏覽HTTP等功能之前，必須先激活GPRS網(wǎng)的PDP連接。單片機通過(guò)正確的AT指令和GPRS命令集對MC35模塊進(jìn)行初始化和數據的接收發(fā)送，其工作流程如圖3所示。

單片機上電復位后，首先對MAX232進(jìn)行初始化，完成與外接模塊協(xié)商處理，如波特率、是否有奇偶校驗等。接著(zhù)，通過(guò)串口1對MC35模塊進(jìn)行初始化，檢查諸如SIM卡情況、GPRS網(wǎng)絡(luò )覆蓋情況、信號情況等。接下來(lái)，進(jìn)行中斷掃描，監控是否有數據到來(lái)。有關(guān)數據時(shí)，如果是外部數據，就啟動(dòng)數據打包處理過(guò)程；如果是GPRS數據，就啟動(dòng)數據解包處理過(guò)程。如果沒(méi)有數據，系統則進(jìn)入節電模式。在數據打包處理過(guò)程中，如果檢測到系統的信號不好，網(wǎng)絡(luò )連接不暢通，或者不是GPRS網(wǎng)絡(luò )覆蓋區，將進(jìn)行數據發(fā)送緩存處理，同時(shí)將數據放進(jìn)發(fā)送隊列等待發(fā)送。

結語(yǔ)

本文采用嵌入式TCP/IP協(xié)議，在高速的8位微控制器上實(shí)現了對MC35模塊的控制，并實(shí)現了GPRS業(yè)務(wù)的數據傳輸功能；具有外圍器件少、電路簡(jiǎn)單、系統成本低等優(yōu)點(diǎn)。本文設計的GPRS無(wú)線(xiàn)通信控制器，自2002年1月份起，在廣東省東莞市的環(huán)保污水綜合處理系統中使用至今，運行效果良好，實(shí)踐證明，產(chǎn)品工作穩定、可靠。