gprs无线传输系统.docx
- 文档编号:24004071
- 上传时间:2023-05-23
- 格式:DOCX
- 页数:81
- 大小:853.49KB
gprs无线传输系统.docx
《gprs无线传输系统.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《gprs无线传输系统.docx(81页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
gprs无线传输系统
目录
第一章绪论1
1.1课题由来及研究现状1
1.2设计的目的和任务2
第二章 硬件电路设计3
2.1 系统框图及原理3
2.2STC单片机5
2.2.1STC89系列单片机性能及内部架构简介5
2.2.2 STC89系列单片机硬件系统及应用8
2.3MC55模块应用10
2.3.1MC55模块结构10
2.3.2 MC55模块及SIM卡外围电路12
2.4串行通讯电路14
2.4.1总线标准及通信抗干扰措施14
2.4.2模拟开关18
2.5电源监测部分19
第三章软件流程及编制20
3.1 MC55模块20
3.1.1TCP/IP协议及GPRS20
3.1.2AT指令及模块设置23
3.2 系统流程图25
第四章系统性能及操作步骤28
总结29
致谢30
主要参考文献:
31
附录1:
程序清单32
附录2:
系统原理图46
附录3:
英文资料翻译48
C8051F020/1/2/3(英)48
C8051F020/1/2/3(中)60
第一章绪论
1.1课题由来及研究现状
当今社会人们人类对能源的需求量越来越大,电能、水能等的计量自然成为现代电力营销系统中的一个重要环节,考虑到传统的计量结算是依靠人工定期到现场抄取数据,由于人为误差等原因在实时性、准确性和应用性等方面都存在诸多不足。
而且由于抄表时间不定,无法同时抄表。
不利于对用电情况进行科学的统计和分析。
所以无线远程自动抄表系统自然会受到能源公司的青睐,它有效利用了现代通信技术和计算机技术以及电能量测量技术,能够及时、准确、全面地反映电量使用状况,还可异常报警,可以发现非法修改电能表参数行窃的非法行为。
无线远程自动抄表系统彻底改变传统抄表管理模式,改变水,电,气等生活耗能数据逐月入户抄表收费方式,解决了城市大客户耗能管理的离散性和抄表数据人工处理及收费的繁琐过程,从而节省了大量的人力和物力成本,且避免了漏抄现象。
GSM/GPRS无线抄表是通过中国移动网络将仪表数据传送到数据中心的一种抄表方式,它大大加快了数据分析的速度,与其它无线(电台)抄表方式比较,具有网络稳定、无距离限制等优势,应用广泛。
GPRS是"通用分组无线业务"-GeneralPacketRadioSystem的英文缩写。
它以分组交换技术为基础,采用IP数据网络协议,使现有GSM网的数据业务突破了最高速率为9.6kbit/s的限制,最高数据速率可达171.2kbit/s。
GPRS可以充分利用现有的移动通信网络,即在现有的GSM网络上增加一些硬件设备和软件升级,形成一个新的网络逻辑实体,相当于在现有GSM网络上叠加一个新的网络。
目前中国移动GPRS网络已覆盖全国所有省、直辖市、自治区,网络遍及240多个城市。
无论在繁华的闹市、还是在僻静的边远地区,GPRS都能够最大限度为客户提供高速数据服务。
基于GPRS网络通信的无线通讯技术不断成熟,且具备诸多优点如:
高数率数据传输、实时在线、流量计费等,所以利用移动运营商提供的无线网络实现配电网数据采集和监控,是电力系统现代化的一个重要发展方向。
为响应市场需求很多公司已推出自己的无线抄表系统,且在性能和系统组成方面各有千秋,例如某公司的抄表系统除了准确、实时抄表外,还提供了设备管理功能,如告警:
开箱告警、停电告警、逆相告警、超温告警、过载告警等;控制:
对欠费用户进行拉闸等。
并提供停电数据保护功能,在停电48--72小时内仍可抄表和监控。
并结合移动公司的短信平台,在告警时,可根据具体内容发短信给相关的管理人员。
还有的系统在抄表的同时可以监测配网的负荷和电能计量器具的使用状态,增加设备参数远程回读功能等。
相信随着对远程抄表系统的进一步研究,它的功能会越来越完善,这项技术也会更加成熟。
1.2设计的目的和任务
这次毕业设计的主要任务是完成GPRS无线远程自动抄表系统中数据通信及PC机采集数据部分的软硬件设计和调试。
实现无线模块之间数据的透明传输及PC机的实时接收和显示。
我们通过毕业设计希望达到以下目的:
系统地复习和掌握大学期间所学相关知识,认识工程设计的一般方法和步骤,锻炼知识应用于实践的能力,培养团队意识,开发创造性思维,为今后工作打下坚实的基础。
涉及相关技术如下:
1、电路设计和PCB布板的一般方法。
2、单片机技术及应用。
3、MC55无线模块的使用方法及GPRS无线通讯技术。
4、RS232标准及串口通讯技术。
5、C51编程与技巧。
第二章 硬件电路设计
2.1 系统框图及原理
集抄客户端2
图2.1系统总体框图
图2.1是系统的总体框图,它包括服务器端和集抄客户端两大部分组成,两端之间通过GPRS无线网络进行数据传输实现远程抄表功能。
客户端即电表用户,每个集抄客户端通过485串行总线与电表连接。
客户端采集的数据通过无线模块发送给服务器端,服务器端同样用无线模块接收,经串行口将数据上传给PC机,PC机通过开发的数据库管理软件对接收的数据进行管理、记录、通过打印机输出,实现无线远程抄表。
本论文主要对数据传输部分进行详细介绍。
下面分别介绍一下集抄客户端和服务器端框图:
1、集抄客户端框图:
M
C
U
图2.2集抄客户端框图
如图2.1,电表数据通过485通讯模块将数据传送给客户端MCU, RS485总线是一种国际性的开放式的现场总线标准,特点如下:
支持单主或多主系统。
通信协议可任意制定,具有很好的灵活性。
每条总线上的节点数可达128个。
如果节点数大于128,须加中继器。
通信距离为1200米时,通信速度可达93.75 K Bps。
通信距离为100米时,通信速度可达12 M Bps。
通信介质为双绞线。
每帧信息都可加CRC校验,增强了通信的可靠性。
总线式结构,不可分支。
价格便宜。
由于485总线的速度比较快,可靠性好,价格便宜,应用非常广泛。
服务器和客户端MCU我们均选用STC89C58RD+型单片机,STC89C51系列单片机具有低功耗、超低价,高速、高可靠,强抗静电、强抗干扰等诸多优点,应用于本系统具有很大优势。
关于STC单片机下面会详细介绍。
无线模块我们采用西门子工业级模块MC55,它性能稳定。
并且内嵌了完整的TCP/IP协议栈,连接可靠。
与主站之间采用TCP/IP协议,通信成功率高,波特率从1200-57600bit/s可选,传输速度快。
下面会对其结构和用法进行详细的介绍。
2、服务器端框图:
管理
软件
图2.3服务器端框图
如图2.3,服务器端同样通过MC55模块接收数据,服务器端的MCU将数据接收处理,然后将数据及通讯状态通过RS232总线上传给PC机,PC机通过开发的数据库管理软件对上传来的数据进行处理,然后通过打印机将采集来的数据即电表消耗的电能打印输出。
至此完成无线抄表。
2.2STC单片机
STC单片机可看作是8051的升级产品,它在原8051的基础上增加了不少新的功能,如提高了时钟频率,增加了中断源,加入了内部flash,扩展了内部RAM。
而价格低、性能好、功耗小,原有程序可继续使用,硬件无需改动也是我们选择STC系列单片机的重要原因。
鉴于本系统有很大的数据处理量,我们选用了具有1280字节内部RAM(256内部RAM加1024内部扩展RAM)的STC89C58RD+型单片机。
下面较详细的介绍一下这款单片机的性能和用法。
2.2.1STC89系列单片机性能及内部架构简介
与传统51系列单片机相比STC89C51RC/RD+系列单片机有以下优点:
1、超强抗干扰,轻松过4KV快速脉冲干扰(EFT)。
2、高抗静电(ESD),6KV静电可直接打在芯片管脚上。
3、宽电压,不怕电源抖动。
4、超低功耗,PowerDown<0.1uA,可外部中断唤醒。
5、中断优先级可设置成4级(IP,IPH)。
6、PQFP-44,PLCC-44封装,有P4口(可以位寻址)。
7、并增加2个外部中断,Int2/P4.3,Int3/P4.2。
8、6时钟/机器周期,12时钟/机器周期任意设置。
9、加密性强,无法解密。
10、宽温度范围:
-40℃~85℃。
11、内置看门狗电路并经过特殊处理。
下图是STC89系列的内部框图:
P3
IAP
图2.4STC89系列的内部框图
由图2.4可以清晰地看出,STC89系列单片机的内部架构。
同传统51相比有以下区别:
它有三个定时器,使定时计数功能更加强大。
内置了看门狗电路,它靠一个特殊功能寄存器WatchDogTimerSFR实际相当于一个计数器来监控程序的执行,防止程序跑飞。
内部集成的MAX810专用复位电路,由此可以实现软件复位。
具备双数据指针,使其对外部数据存储单元的操作更加方便。
有些型号加入了A/D转换功能,使其对模拟信号处理时不用再另加外围电路,缩减了成本的同时也减小了电路板的体积。
ISP下载介绍:
深圳宏晶科技是国内STC系列单片机的供应商,提供的STC单片机都有ISP下载功能,并且配备有专门的下载板。
以下是ISP下载的原理及流程:
软复位到用户程序区,运行用户程序
N
Y
图2.5STC89ISP下载流程图
2.2.2 STC89系列单片机硬件系统及应用
STC89系列的最小应用系统构成类似于普通51系列,应用非常方便。
只需要在OSCO、OSCI端接石英晶体振荡器接谐振电容,在复位端接复位电路,电源端接0.01uF小电容提高抗干扰能力。
如图2.6所示:
图2.6STC89系列最小系统
阻容复位电路中,电容选择10uf,由于RC/RD+系列单片机RESET脚内部没有下拉电阻,所以电阻选用10K。
我们也可用专门的复位电路芯片,如下面的复位电路,我们采用了专用芯片STC809,这样设计复位电路的好处是减弱了复位电路对单片机的干扰。
图2.7外部复位电路
关于晶振电路,STC单片机有其特殊的配置,我们选择的这款STC89C58RD+型单片机属于C版,针对这版单片机晶振电路的配置有下图和表所示:
图2.8晶振电路配置图表
2.3MC55模块应用
西门子工业级无线模块MC55是一种低成本的内置完整TCP/IP协议的GPRS模块,是当今市场上尺寸最小的三频模块。
其紧凑型设计特别适用于大规模生产的生活消费品,例如移动电话、Smart phones、PDAs 以及其他便携式设备。
特点:
它通过串口使用AT命令与MCU接口
更小巧,更紧凑是下一代的移动电话、智能手机和PDAs发展的趋势。
5.5 克的重量和35×32.5×2.95 mm的尺寸使MC55/56模块能够大大提高您将语音和数据传输功能溶合到您的产品的集成度。
双三频工作模式 :
900, 1800 和 1900 MHz。
适用于欧洲和亚洲的频段。
GPRS (class 10) 标准, 支持 PBCCH
MC55和MC56模块已经获得R&TTE,FCC,GCF和PTCRB标准
证,以及众多网络营运商的认可。
鉴于MC55的以上特点,与其他模块进行比较后,我们选用了这款模块作为本系统的无线模块。
2.3.1MC55模块结构
下面简单介绍一下MC55模块的内部框图,如下页图2.9,它有两大基带块组成:
1、GSM/GPRS基带块:
1)工作在26MHz的基带控制器。
2)特定电源供给电路。
3)集成了Flash/SRAM。
4)应用接口(板到板连接)
2、GSM射频块:
1)射频无线收发器。
2)射频电源放大器。
3)射频前端末端(天线连接器)
图2.9MC55模块的内部框图
3、应用接口:
1)操作方式接口。
2)电源供给接口。
3)电源升降开关接口。
4)MC55的关断接口。
5)GPRS多种类自动切换接口。
6)装载控制接口。
7)电源补偿接口。
8)转换状态接口(除了休眠模式)。
9)雷达跟踪中心(RTC)支持接口。
10)串行接口。
11)音频接口。
12)SIM卡接口。
13)控制信号接口。
2.3.2 MC55模块及SIM卡外围电路
如下图是MC55模块及SIM卡的外部管脚图:
图2.10MC55模块SIM卡的外部管脚图
其中MC55的1-6管脚是与SIM卡连接的。
在此不作详解。
SYNC(13脚)管脚是为了显示模块状态的,例如:
SIM卡的连接状态,模块是收到短信还是电话呼叫均有相应状态显示。
状态显示电路如图2.11:
SYNC接一非门然后与一发光二极管相连,这样通过二极管的闪亮状态观察模块的状态,例如:
模块刚上电时或者未插入SIM时或者正在搜寻网络或正进行用户鉴定时,此灯的闪亮时间是均匀的(亮灭各600ms)。
已登陆网络无电话进行时,灯的状态变为亮75ms灭3s。
图2.11MC55状态显示电路
模块的TXD、RXD是串行接收发送端(特别指出的是MC55的TXD是接收端,RXD是发送端。
),由于模块的串行口工作电压是2.5V,所以其与单片机的串行口相连时要有一个电压转换电路如图:
图2.12MC55TXD、RXD外接电路
由上图可以看出两电路原理一样,都是利用三极管的截止与饱和实现的电压转换。
由此应用可以看出三极管在电路中的一个重要应用,那就是把模拟量转化为数字量,它巧妙的利用三极管的饱和与截止。
ICT是模块的启动管脚,它一端与单片机的I/O口相连,用软件设置I/O口时间,启动模块。
如下图:
图2.13MC55模块启动端
BATT+管脚是模块的电源端口。
由于模块的工作电压为3.3V-4.8V,我们用如图所示的二极管降压。
又由于模块的工作电流为1.6A左右,而二极管IN4007的最大允许电流是1A,所以我们用两个管子,保证模块的工作电流。
图2.14MC55电源端口
2.4串行通讯电路
本节将详细介绍目前国际上常用的两种通信标准,RS232和RS485总线标准。
顺便简单介绍一下通信中的抗干扰措施。
2.4.1总线标准及通信抗干扰措施
1、RS-232C是美国电子工业协会EIA(ElectronicIndustryAssociation)制定的一种串行物理接口标准。
RS是“推荐标准”的缩写,232为标示号,C表示修改次数。
RS-232C总线总线标准规定了21个信号和25个引脚,对于一般双工通信,仅需几条信号线就可以实现,包括一条发送线,一条接收线,一条地线。
表1为RS-232C电气特性。
不带负载时驱动器输出电平
-25V~+25V
负载电阻RL范围
3-7kΩ
驱动器输出电阻Ro
<300Ω
负载电容(包括线间电容)CL
<2500pF
逻辑“0”时驱动器输出电平
5~15V
逻辑“0”时负载端接受电平
>+3V
逻辑“1”时驱动器输出电平
-15~-5V
逻辑“1”时负载端接受电平
<-3V
输出短路电流
<500mA
驱动器转换速率
<30V/μS
表1RS-232C电气特性
RS-232标准规定的数据传输速率为50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200b/s。
RS-232标准在世界范围内得到了广泛的应用,但它采用单端驱动非差分接收电路,因而存在着传输距离不太远(最大传输距离15m)和传送速率不太高(最大位速率为20Kb/s)的问题。
远距离串行通信必须使用Modem,增加了成本。
在分布式控制系统和工业局部网络中,传输距离常介于近距离(<20m)和远距离(>2km)之间的情况,这时RS-232C(25脚连接器)不能采用,所以本系统中我们选用其作为服务器端与PC机的串口通讯,传输速率为9600b/s。
目前的PC机都有至少一个串行通讯端口RS-232,RS-232端口可用于两台计算机之间进行通讯。
RS-232逻辑电平用正负电压表示,且使用负逻辑,RS-232端口是计算机与其它设备沟通的最常用的接口,不但操作简单,而且价格便宜。
在单片机中系统中,一般其通信端口输入和输出使用TTL电平而不是RS-232电平,所以我们需要用专用芯片进行两种不同电平信号的转化,用MAX232,即可完成这种电平转换。
如下图:
图2.15MAX232接口电路
2、RS-485为半双工发送方式,在某一时刻,一个发送一个接收。
RS-485串行总线接口标准以差分平衡方式传输信号,具有很强的抗共模干扰能力,允许双线总线上一个发送器驱动32个负载设备。
RS-232C、RS-485性能比较见表3所示。
接口
RS-232C
RS-485
操作方式
单端
差动方式
最大距离/m
15(24kb/s)
1200(100kb/s)
最大速率
200kb/s
10Mb/s
最大驱动器数目
1
32
最大接收器数目
1
32
接收灵敏度
±3V
±200mV
驱动器输出阻抗
300Ω
120kΩ
接收器负载阻抗
3~7kΩ
>12kΩ
负载阻抗
3~7kΩ
60Ω
对共用点电压范围/V
±25
-7+12
表2RS-232C、RS-485性能比较
RS-485接口可以连接成半双工和全双工两种通信方式。
通信芯片有MAX485,SN75176等。
MAX485为MAXIM公司生产的用于RS-485和RS-422通信的低功率收发器件,芯片内都由一个驱动器和一个收发器组成。
如图2.16为内部组成图及典型工作电路。
图2.16MAX485典型应用
RS-485串行总线接口标准以差分平衡方式传输信号,具有很强的抗共模干扰能力,允许一对双绞线上一个发送器驱动多个负载设备。
利用单片机本身所提供的简单串行接口,加上总线驱动器,可组合成简单的RS-485网络。
在总线的末端接一个匹配电阻,吸收总线上的反射信号,保证信号传输无毛刺。
匹配电阻的取值应该与总线的特性阻抗相当。
3、通信中的抗干扰措施
1)产生原因:
电子系统的接地是一个非常关键而又常常被忽视的问题,接地处理不当经常会导致不能稳定工作甚至危及系统安全。
对于RS-485网络来讲也是一样,没有一个合理的接地系统可能会使系统的可靠性大打折扣,尤其是在工作环境比较恶劣的情况下,对于接地的要求更为严格。
有关RS-485网络的接地问题很少有资料提及,在设计者中也存在着很多误区,致使通信的可靠性降低接口损坏率较高。
一个典型的错误观点就是认为RS-485通信链路不需要信号地,而只是简单地用一对双绞线将各个接口的“A”,“B”端连接起来这种处理方法,在某些情况下也可以工作,但给系统埋下了隐患,主要有以下两方面的问题:
1.共模干扰问题
RS-485接口采用差分方式传输信号,并不需要相对于某个参照点来检测信号,系统只需检测两线之间的电位差就可以了,但应该注意的是,收发器只有在共模电压不超出一定范围(-7V至+12V)的条件下才能正常工作。
当共模电压超出此范围就会影响通信的可靠直至损坏接口。
如图2.17所示,当发送器A向接收器B发送数据时,发送器A的输出共模电压为VOS,由于两个系统具有各自独立的接地系统,存在着地电位差VGPD。
那么接收器输入端的共模电压就会达到VCM=VOS+VGPD,RS-485标准规定VOS≤3V但VGPD可能会有很大幅度(十几伏甚至数十伏)并可能伴有强干扰信号,致使接收器共模输入VCM超出正常范围,并在信号线上产生干扰电流轻则影响正常通信重则损坏接口。
图2.17共模干扰
2.电磁辐射(EMI)问题。
驱动器输出信号中的共模部分需要一个返回通路,如果没有一个低阻的返回通道(信号地)就会以辐射的形式返回源端,整个总线就会像一个巨大的天线向外辐射电磁波。
2)解决方法
1.总线匹配
总线匹配有两种方法,一种是加匹配电阻。
位于总线两端的差分端口VA与VB之间应跨接120Ω匹配电阻,以减少由于不匹配而引起的反射、吸收噪声,有效地抑制了噪声干扰。
但匹配电阻要消耗较大电流,不适用于功耗限制严格的系统。
另外一种比较省电的匹配方案是RC匹配。
利用一只电容C隔断直流成分,可以节省大部分功率,但电容C的取值是个难点,需要在功耗和匹配质量间进行折衷。
除上述两种外还有一种采用二极管的匹配方案,这种方案虽未实现真正的匹配,但它利用二极管的钳位作用,迅速削弱反射信号达到改善信号质量的目的,节能效果显著。
电路图可见附录部分。
2.RO及DI端配置上拉电阻
异步通信数据以字节的方式传送,在每一个字节传送之前,先要通过一个低电平起始位实现握手。
为防止干扰信号误触发RO(接收器输出)产生负跳变,使接收端MCU进入接收状态,建议RO外接10kΩ上拉电阻。
3.保证系统上电时的RS-485芯片处于接收输入状态
对于收发控制端TC建议采用MCU引脚通过反相器进行控制,不宜采用MCU引脚直接进行控制,以防止MCU上电时对总线的干扰,如图2.18所示。
图2.18反相器控制
4.总线隔离
RS-485总线为并接式二线制接口,一旦有一只芯片故障就可能将总线“拉死”,因此对其二线口VA、VB与总线之间应加以隔离。
通常在VA、VB与总线之间各串接一只4~10Ω的PTC电阻,同时与地之间各跨接5V的TVS二极管,以消除线路浪涌干扰。
如没有PTC电阻和TVS二极管,可用普通电阻和稳压管代替。
5.合理选用芯片
例如,对外置设备为防止强电磁(雷电)冲击,建议选用TI的75LBC184等防雷击芯片,对节点数要求较多的可选用SIPEX的SP485R。
2.4.2模拟开关
由于单片机只有一对发送接收串口,但是既要和MC55模块还要和RS232(或者RS485)总线进行通信,所以我们选择用模拟开关4066对所要通信的对象进行选择。
如图2.19,我们用单片机的I/O口控制模拟开关的导通方向。
图2.19模拟开关
2.5电源监测部分
这部分电路设计的目的是检测电源部分供电是否正常。
图2.20电源监测
如图2.20所示,电源经一二极管半波整流后,接到光耦的输入端,输出端经一非门接到单片机的外部中断口。
供电正常时,会时而进入外部中断。
在外部中断中我们设一计数器赋初值开始计数,正常时下次进外部中断计数器计数未满,不会进入定时器中断。
当掉电时,就会进入定时器中断,在定时器中断中我们作相应的掉电处理,及时保存数据。
这样就可以减小由于突然断电而造成的损失。
至此,硬件电路已基本介绍完毕。
第三章软件流程及编制
系统的编程,我们选用的是简单易上手且编程效率高的C语言。
C语言的执行效率不如汇编语言,但是毕竟是按着用人类的思维方式来写程序的高级语言。
不用像汇编那样和机器(单片机)直接对话,用C以后,我们不需要再像汇编那样直接去控制单片机内部的某个硬件单元的工作。
这样的高级语言的好处是可读性好。
而汇编在写的程序在比较复杂之后就只有少数人有耐心去分析了。
这样一来C写的程序虽然执行效率不如汇编,但是可读性确是汇编无法相比的。
从目前的形式来看由于C的单片机开发平台越来越完善,采用C来开发复杂程序已是追求工作效率必然选择。
调试过程中我们先进性行各个模块调试,然后进行系统通调。
3.1 MC55模块
在讲系统流程之前,我们有必
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- gprs 无线 传输 系统