3gpp无线通信设计,GPRS无线通信模块设计

近年来，通信技术和网络技术的飞速发展，特别是无线通信技术的发展，进一步提高了电力系统的自动化程度。GSM网络出现后，技术人员迅速将GSM模块嵌入到各种仪器中，如多功能电能表、故障录波器、抄表系统、电力负荷监测等，从而使这些仪器具有远程通信功能。

GPRS是在现有的GSM系统上发展起来的一种新的数据承载业务，它支持TCP/IP协议，可以直接与分组数据网络(Internet等)进行通信。).GPRS无线传输系统应用广泛，几乎可以覆盖所有的中低速率业务和低速率数据传输，特别适合突发的小流量数据传输业务。

本文设计的GPRS无线通信模块内嵌TCP/IP协议，采用工业级GPRS模块，适用于单片机数据采集传输系统没有TCP/IP协议栈，而是采用串行通信的场合。

1 GPRS通信原理及应用特点1.1 GPRS简介

GPRS是通用分组无线系统的缩写，是介于第二代和第三代之间的技术，通常称为2.5G，GPRS采用与GSM相同的频段、带宽、突发结构、无线调制标准、跳频规则以及相同的TD-MA帧结构。因此，在GSM系统的基础上构建GPRS系统时，GSM系统中的大部分组件在硬件上不需要改变，只需要在软件上进行升级。有了GPRS，用户的通话建立时间大大缩短，几乎可以“一直在线”。此外，GPRS是根据运营商传输的数据量而不是连接时间来收费的，因此使得每个用户的服务成本更低。

1.2基本工作原理

GPRS是在原有的基于电路交换(CSD)的GSM网络中引入两个新的网络节点：GPRS业务支持节点(SG-SN)和网关支持节点(GGSN)。SGSN和MSC是同级的，跟踪单个MS的存储单元实现安全功能和访问控制，通过帧中继连接到基站系统。GGSN支持与外部分组交换网络的互通，并通过基于IP的GPRS骨干网络与SGSN通信。图1示出了GPRS和互联网之间连接的原理框图。

GPRS终端通过接口从客户系统获取数据，并将处理后的GPRS分组数据发送给GSM基站。SGSN将数据包封装后，SGSN通过GPRS骨干网与网关支持联系人GGSN进行通信。GGSN对数据包进行相应的处理，然后将其发送到目的网络，如Internet或X.25网络。

如果分组数据被发送到另一个GPRS终端，数据通过GPRS骨干网被发送到SGSN，然后通过BSS被发送到GPRS终端。

2嵌入式GPRS通信系统的实现2.1 GPRS模块的硬件设计

嵌入式GPRS无线通信模块主要由嵌入TCP/IP的单片机(MSC1210Y5)、GPRS模块、SIM卡座、外部接口和扩展数据存储器组成。图2是该系统的硬件框图。

MSC1210控制GPRS模块接收和发送信息，并通过标准RS232串口与外部控制器(如数据采集终端)通信。用软件中断，完成数据转发。

MCU模块

单片机采用德州仪器新推出的基于8051内核的MSC1210Y5。芯片具有很强的数据处理能力，时钟频率为33MHz，指令运行速度实际上相当于标准的8051内核运行在99MHz的时钟频率。32KB Flash程序存储器，256 B内部ram和1024 B片内SRAM，2KB启动ROM，支持串行和并行在系统编程。双数据指针DPTR0和DPTRl可以加速数据块的移动。

主要实现过程如下：

通过AT指令初始化GPRS无线模块，使其附着于GPSR网络，获取网络运营商动态分配的GPRS终端IP地址，并与目的终端建立连接。

MAX232标准串口通过串口0扩展与外部控制器(如数据采集终端)连接，外部控制器与标准串口连接。根据约定的协议，很容易与所设计的控制器进行通信。

复用P1.2和P1.3，即串口1分别与GPRS模块的TXD0和RXD0相连，P1的其他6个端口分别与GPRS模块对应的其余RS232通讯口相连，通过软件设置初始化MC35，控制GPRS模块收发数据。2.1.2扩展数据存储部分

MSC1210的Flash存储器都可以用作Flash程序存储器或数据Flash程序。因为实时操作系统和网络协议需要一定的空间，所以都是作为程序内存，而74HC573作为地址锁存器，6264作为外部数据内存，8KB的数据存储空间足够程序正常运行。

图3显示了MSC12lO和数据存储器之间的硬件连接图。

2.1.3 GPRS无线数据传输模块

GPRS无线模块作为终端的无线收发模块，对单片机发来的IP包或基站发来的包数据进行处理后再转发。

GPRS模块采用德国西门子公司生产的MC35模块。MC35模块主要由射频天线、内部Flash、SRAM、GSM基带处理器、匹配电源和一个40针ZIF插座组成。GSM基带处理器是核心部件，其功能相当于一个协议处理器，用于处理外部系统通过串口发送的AT命令。射频天线主要实现信号调制解调，以及外部射频信号与内部基带处理器之间的信号转换。匹配电源为基于处理器的RF部分提供所需的电源。MC35的外围电路如图4所示。

AS2815将外部电压转换为3.3V工作电压。

启动电路由三极管和上电复位电路组成。模块上电后，必须在引脚15上加一个至少100 ms的低电平信号，才能使其正常工作。启动后，15针信号应保持高电平。

MC35为ZIF连接器上的SIM卡接口预留的引脚数为6。需要注意的是，CCIN pin码用于检测SIM卡是否插入SIM卡座。当插入SIM卡并将pin设置为高电平时，系统可以进入正常操作。

SYNC引脚有两种工作模式：一种是指示发射状态下的功率增加，另一种是指示MC35的工作组状态。本设计采用后一种模式。当LED熄灭时，表示MC35处于关闭或睡眠状态。当LED亮600 ms/灭600 ms，表示SIM卡未插入或MC35正在登录网络；当LED亮75 ms/灭/3 s时，表示MC35已登录网络并处于待机状态。

2.2单片机通信程序设计

软件中的所有代码都是用C语言编写的，在Keil环境下编译。Keil是Keil软件公司为8051及其兼容产品提供的专用开发工具，支持在系统调试。Keil中的C51编译器很好地集成了RTX多任务实时操作系统。写程序的时候，需要在源代码头加上“# Includer TX51.h”。调试完成后，所有代码通过TI下载器下载到内存中。

目前，大多数基于GPRS的网络应用系统使用的GPRS模块不支持TCP/IP协议。也就是说，为了在同一个网络层面上工作，内部传输的数据必须采用相同的协议。因此，除了使用GPRS模块的功能外，还必须在单片机系统中嵌入按照TCP/IP和PPP协议标准编写的程序，这样设计的终端设备才能方便地应用GPRS数据包业务。

2.2.1 TCP/IP协议嵌入

有许多方法可以完成协议转换。在本设计中，部分IP和PPP协议被移植到嵌入式实时操作系统RTX51中，以增强系统的可扩展性和产品开发的连续性。

TCP/IP协议是一个标准的协议簇，可以用分层模型来描述。在对数据进行封装和处理时，每一层都将自己的信息添加到一个数据头中，这个数据头由下一层中的协议封装到数据体中。当数据解包处理器接收到GPRS数据时，它会剥离相应的数据报头，并将数据包的其余部分视为数据体。

考虑到嵌入式系统的特点，本设计采用低系统开销的IP UDP协议实现GPRS通信。主机发送的UDP数据报通过GPRS信道传输到GPRS通信模块，GPRS通信模块负责解析数据报，解析

数据处理

主机和GPRS服务器组中数据包的传输使用基于IP的包，即所有数据包都要基于IP包。但是明文传输IP包是不可取的，所以一般使用PPP协议进行传输。模块发送给网关的PPP报文会被发送到互联网中相应的地址，从互联网发送来的响应帧也会根据IP地址发送到GPSR模块，从而实现采集的数据通过GPRS模块与互联网的透明传输。

需要注意的是，GSM网络没有静态IP地址，其他通信设备无法向其发出连接请求，监控中心必须有一个固定的IP，这样监控终端登录GSM网络后就可以通过这个IP找到监控中心。对此，很容易解决，只需在电信申请相应的服务即可。

在登录GSM网络后，GPRS模块自动连接到数据中心，向数据中心报告其IP地址，并保持和维护数据链路的连接。GPRS监控链路的连接。出现异常时，GPRS模块自动重新建立链路，数据中心和GPRS模块可以通过I地址通过UDP/IP协议进行双向通信，实现透明可靠的数据传输。

3上位机监控中心的设计监控中心的功能是接收并保存GPRS信息。设计语言是微软的Visual C编程语言，灵活强大，对网络编程和数据库有很强的支持。

由于中央监控部分可以直接通过GPRS接入互联网，所以监控部分不需要设置GPRS模块。中心只需通过中心软件框架监听网络，接收来自GPRS无线模块的UDP协议的IP包，发送上位机的控制信息，实现与GPRS终端的IP协议通信。收到的信息应保存在中心的数据库中，以备将来参考。数据库采用Access，VC编写的界面窗口通过AD()访问Access中的数据。需要注意的是，作者通过Socket接收网络终端信息。

套接字接口是TCP/IP网络的API。Socket接口定义了许多函数和例程，程序员可以用它在TCP/IP网络上开发应用程序。VC中的MFC类提供了一个Socket类CAsyncSocket，实现Socket编程非常方便。本设计采用数据消息套接字，它是一种无连接的套接字。

套接字，对应于无连接的UDP服务应用程序。

CAsyncSocket:类使用DoCallBack函数处理MFC消息。当网络事件发生时，DoCallBack函数根据网络事件类型分别调用OnReceive、OnSend、OnAccept和on connect函数：FD_READ、FD_WRITE、FD_ACCEPT和FD _ con-connect，驱动相应的事件，完成网络数据通信过程。

结论本文采用嵌入式TCP/IP协议，通过高速8位单片机实现GPRS业务的数据传输功能，具有外围电路少、电路简单、系统成本低等优点。标准的RS232串口与外部控制器相连，它们只需按照预先指定的协议就可以相互通信，通用性强。系统软件用C语言编写，稍加改动即可在各种控制器上实现，移植性强。

基于GPRS的系统也有一些缺点，比如现在的GPRS网络不够稳定，存在丢包现象；主控制器实现IP协议很复杂。主机基于互联网的解决方案保密性差。上述问题都可以通过精心的设计来避免和解决，所以基于GPRS的设计仍然具有无可比拟的优势。