單片機+GPRS模塊下的嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

劉蔚

(陜西財經(jīng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 會計二系， 咸陽 712000)

0 引言

本文所研究的技術(shù)主要包括GPRS通用分組無線業(yè)務(wù)技術(shù)、嵌入式技術(shù)和單片機技術(shù)，嵌入式系統(tǒng)的功耗較低，并且體積較小，系統(tǒng)在通信過程中一般使用以通用分組無線業(yè)務(wù)技術(shù)為基礎(chǔ)。GPRS能夠在無線數(shù)據(jù)傳輸中使用，其能夠?qū)崿F(xiàn)廣域及端到端的無線連接，并且能夠隨時隨地的查詢、具有較強的實時性、連接的時間比較短，而且維護(hù)的成本比較低，所以，本文所研究的嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)在使用過程中具有一定的優(yōu)勢，并且被廣泛應(yīng)用到天然氣、電力系統(tǒng)等監(jiān)測過程中。

1 嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計方案

GPRS使用較為廣泛，并且目前大部分企業(yè)都是使用GPRS無線數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。但是不同行業(yè)的實際需求及使用環(huán)境都各不相同，所以導(dǎo)致不同行業(yè)對其的功能需求及組網(wǎng)方式都具有不同的要求，目前常用的組網(wǎng)方案主要為：

其一，中心使用功能ADSL等網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，使用公網(wǎng)中的固定IP及動態(tài)IP實現(xiàn)服務(wù)的解析；

其二，中心使用主副DTU及移動APS專網(wǎng)固定IP實現(xiàn)；

其三，中心使用主副DTU及移動內(nèi)容動態(tài)IP實現(xiàn)；

其四，中心使用APN專線實現(xiàn)，其中的所有點都是用內(nèi)網(wǎng)固定IP實現(xiàn)。

對網(wǎng)絡(luò)的安全性、實時性、經(jīng)濟性及穩(wěn)定性進(jìn)行全面的考慮，本文使用第一種方案實現(xiàn)組網(wǎng)。

2 嵌入式系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

基于單片機和GPRS模塊的嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)的框架，如圖1所示。

圖1 基于單片機和GPRS模塊的嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)的框架

其中使用S3C256微處理器，其能夠為手持設(shè)備提供較低功耗、價格及較高性能的方案，并且其使用AMBA總線及內(nèi)核，添加了多種外圍資源，其中主要包括本文設(shè)計過程中使用的八通道ADC。其中GPRS模塊式使用Wavecom信號，其屬于雙頻模塊，其能夠支持短消息服務(wù)的點對點服務(wù)、回復(fù)呼叫信息、短消息區(qū)域廣播、電話薄等功能。

在本文設(shè)計過程中，將遠(yuǎn)程收集的數(shù)據(jù)分為異常值及正常值，用戶在用戶端宿主機中實現(xiàn)短信編輯功能之后編輯短信，然后將短信到用戶端GPRS模塊中發(fā)送，在接受信息之后就會將信息內(nèi)容到遠(yuǎn)程端微處理器中進(jìn)行提交判斷，包括用戶的選擇。在程序?qū)τ脩羲樵兊男畔⑦M(jìn)行確認(rèn)之后，就會實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換模塊函數(shù)的調(diào)用然后將此模塊進(jìn)行啟動，將用戶需要查詢的值進(jìn)行讀取，然后將值轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號，對遠(yuǎn)程端微處理器進(jìn)行傳輸，從而系統(tǒng)就能夠以用戶需求對信息進(jìn)行全面的檢查。之后，系統(tǒng)就會進(jìn)入到信息發(fā)送過程中，遠(yuǎn)程端微處理器將已經(jīng)準(zhǔn)備的二進(jìn)制電壓值和相應(yīng)的信息到遠(yuǎn)程端GPRS模塊中輸送，之后通過短信的方式到用戶端進(jìn)行傳輸，用戶利用用戶端宿主機中的接收短信功能模塊就能夠通過屏幕查看短信內(nèi)容。比如電力值查詢，如果這個時候的電量值滿足安全電量值需求，那么就結(jié)束查詢。如果這個時候的電量值超過了規(guī)定范圍，那么系統(tǒng)就會將電機自動啟動，也就表示能夠?qū)⑵渌难b置進(jìn)行帶動，對其進(jìn)行一定的調(diào)整。

“升品牌”仍是公司發(fā)展的關(guān)鍵，目前國窖仍是追隨者，未來品牌力和消群體均要提升。“擴市場”一方面體現(xiàn)在“東進(jìn)南下”橫向拓張，另一方面將進(jìn)行縣級市場縱向深耕，減少空白點?！白C遇”自身的實力最關(guān)鍵，力爭成為實力型企業(yè)。同時，在行業(yè)周期調(diào)整的時候，要抓住機遇。公司管理層對行業(yè)理解深刻且有較強的前瞻性，明年穩(wěn)增長依舊可期。預(yù)計2018年-2020年收入增速分別為25%、20%、17%，凈利潤增速分別為35%、30%、23%

3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件的電路設(shè)計圖，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件的電路設(shè)計圖

系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)收集和遠(yuǎn)程系統(tǒng)中的各個模塊都是利用控制電路進(jìn)行實現(xiàn)的。圖2中硬件電路中的模塊都是微處理器中的串口信號線實現(xiàn)，通過MAX電平轉(zhuǎn)換芯片實現(xiàn)電路和串口的連接，串口和現(xiàn)場的儀表能夠相互通信，并且實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時收集，還能夠為儀表提供相應(yīng)的電源，控制模塊能夠使數(shù)據(jù)到遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中進(jìn)行傳輸。

串口電路的設(shè)計結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 串口電路的設(shè)計結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)具有四個串口，其能夠同時實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送及接收，所以能夠和其他設(shè)備串口相互連接。因為其他設(shè)備的串口及在工作過程中的電壓并不相同，部分串口屬于RS總線接口，部分串口為標(biāo)準(zhǔn)總線接口。系統(tǒng)要求模塊設(shè)計具備一定的通用性，所以就要對不同設(shè)備實現(xiàn)不同串口接口的設(shè)計。因為GPRS模塊大部分都是實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計，對于具有標(biāo)準(zhǔn)串口儀表就要進(jìn)行兩路轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)圖3的串口電路設(shè)計。

RS串口使用范圍比較廣，但是其也有一定的缺陷，比如容易受到干擾，或者因為兩端地電平不同使接收器數(shù)據(jù)輸出出現(xiàn)錯誤。所以可以使用標(biāo)準(zhǔn)RS串口實現(xiàn)，其也具有發(fā)送及接收芯片，此種類型芯片一般都是差分平衡式實現(xiàn)，也就是使用差分方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收及發(fā)送，能夠有效提高抗干擾的能力，并且其傳輸距離也會高?；诓罘制胶庀到y(tǒng)，其信號傳輸線主要是通過雙絞線進(jìn)行，因為雙絞線的方向及長度相互對稱，并且其受到的干擾也相同，都是通過共模方式出現(xiàn)。在接收器輸入端的工模干擾被抑制的時候，能夠?qū)崿F(xiàn)信號可靠性的傳輸。

4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

4.1 遠(yuǎn)程端模塊的設(shè)計

本文研究的嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)中遠(yuǎn)程端模塊使用OSII操作系統(tǒng)設(shè)計，其屬于以中小型嵌入式操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)，并且具有較高的執(zhí)行效率，較小的占用空間，還能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)擴展。在運行應(yīng)用程序之前，要為設(shè)備實現(xiàn)驅(qū)動程序的加載，從而使應(yīng)用程序能夠正常的運行到系統(tǒng)中。系統(tǒng)遠(yuǎn)程端的程序流程，如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)遠(yuǎn)程端的程序流程

在程序運行之后要先實現(xiàn)其中模塊初始化，包括GPRS模塊、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)板、電機模塊、ADC模塊等。然后，程序就會對短信息類型進(jìn)行設(shè)置，并且等待信息。在出現(xiàn)短信的時候，程序就會將信息中的內(nèi)容進(jìn)行取出，然后對信息進(jìn)行判斷。遠(yuǎn)程端的主要功能為查詢、電機停止、轉(zhuǎn)換值，其中的其他信息程序就會自動到錯誤的提示信息中返回。假如信息內(nèi)容為查詢，程序就會對A/D轉(zhuǎn)換啟動，然后對此查詢寄存器進(jìn)行循環(huán)，如果這個位置為1，就表示轉(zhuǎn)換結(jié)束，程序就會對轉(zhuǎn)換值進(jìn)行進(jìn)一步的判斷。遠(yuǎn)程端模塊中有3個函數(shù)，分別為A/D轉(zhuǎn)換值獲取、A/D轉(zhuǎn)換工作和初始化函數(shù)。其中初始化函數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)主函數(shù)調(diào)用，其屬于返回字符型指針值函數(shù)，其對變量、指針及數(shù)組進(jìn)行了定義，之后對獲取A/D轉(zhuǎn)換值函數(shù)進(jìn)行調(diào)用，從而得到轉(zhuǎn)換電量值。這個時候的電量值屬于二進(jìn)制代碼，要想能夠在短信息中進(jìn)行傳輸，數(shù)據(jù)就要為字符串的形式，那么之后的程序就會從傳統(tǒng)二進(jìn)制電壓值到ASCII形式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并且添加輔助信息構(gòu)成字符串，然后傳到首地址中。其中的短信發(fā)送模塊只有1個短信發(fā)送函數(shù)，函數(shù)指針主要為短信內(nèi)容及收信人的電話號碼。遠(yuǎn)程端電機模塊中主要有電機模塊初始化函數(shù)、電機工作函數(shù)。

4.2 用戶端模塊的設(shè)計

圖5 用戶端程序的設(shè)計流程

在程序開始之后要實現(xiàn)串口的初始化，從而能夠使計算機與嵌入式系統(tǒng)相互關(guān)聯(lián)，便于用戶能夠在計算機中進(jìn)行操作。然后實現(xiàn)提示信息的打印，這個時候用戶能夠通過屏幕中的信息實現(xiàn)操作。用戶可以選擇的功能主要包括3種，分別為短信息的發(fā)送，短信息的閱讀及退出。在用戶輸入1的時候，系統(tǒng)就會進(jìn)入到短信息的發(fā)送模塊，用戶要根據(jù)屏幕中的信息輸入電話號碼及短信內(nèi)容就能夠?qū)h(yuǎn)程端發(fā)送短信息。在用戶輸入2的時候，系統(tǒng)就會對短信息進(jìn)行閱讀，這個時候就會將短信內(nèi)容進(jìn)行顯示。在用戶輸入3的以后，屏幕中就會顯示退出，然后用戶就退出系統(tǒng)，將串口進(jìn)行關(guān)閉。系統(tǒng)用戶端的短信息發(fā)送模塊程序主要是在操作系統(tǒng)中實現(xiàn)，其和遠(yuǎn)程端不同，此模塊的電話號碼及內(nèi)容要用戶自己進(jìn)行輸出，所以就多了鍵值收集過程。

5 系統(tǒng)的通信設(shè)計

現(xiàn)代我國一般使用GPRS技術(shù)實現(xiàn)通信，其主要通過點對點及點堆垛遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，點對點指的是遠(yuǎn)程終端的數(shù)據(jù)交互，點對多指的是主站實現(xiàn)遠(yuǎn)程終端的監(jiān)控，將收集數(shù)據(jù)對主站進(jìn)行傳輸，從而實現(xiàn)主站的后期處理加工。

點對點數(shù)據(jù)傳輸也能夠?qū)崿F(xiàn)對傳，假如有1、2兩個GPRS，那么將第二個主站IP設(shè)置成為第一個主站的虛擬IP，將第一個主站IP設(shè)置成為第二個虛擬IP，那么第一個主站串口接收的信息就會對第二個主站進(jìn)行傳輸，第二個串口將接收到的信息到第一個進(jìn)行傳輸。

點對多數(shù)據(jù)傳輸指的是通過主站對遠(yuǎn)程終端發(fā)送控制命令，從而使遠(yuǎn)程終端能夠喚醒，之后通過遠(yuǎn)程終端實現(xiàn)數(shù)據(jù)收集，并且將數(shù)據(jù)對主站進(jìn)行傳輸，最后利用后期加工進(jìn)行處理，并且實現(xiàn)報表的生成。加入有1、2臺GPRS及1臺主站輔助器，那么就將兩臺GPRS主站IP設(shè)置成為主站服務(wù)器虛擬IP，將兩個串口接收的信息到主站服務(wù)器中傳輸。數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ旁O(shè)置，如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ旁O(shè)置

6 系統(tǒng)上位機的設(shè)計

首先，使用WinSock控件實現(xiàn)設(shè)計。在對WinSock控件使用的過程中，要對使用的協(xié)議進(jìn)行全面的考慮，在本文系統(tǒng)設(shè)計的過程中，可以使用UDP及TCP。其中UDP協(xié)議屬于無線連接，計算機的數(shù)據(jù)傳輸和郵件傳遞相同，消息信息從其中的計算機中到另外的計算機進(jìn)行發(fā)送，但是兩者之間的連接并不明確。并且，以此傳輸數(shù)據(jù)量和具體的使用網(wǎng)絡(luò)具有密切的聯(lián)系；其中TCP協(xié)議控件是以連接為基礎(chǔ)的協(xié)議，其和電話系統(tǒng)相同，在實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r候要先進(jìn)行連接的創(chuàng)建。

其次，設(shè)置協(xié)議。在實現(xiàn)協(xié)議設(shè)置的過程中，可以根據(jù)以下方式實現(xiàn)。通過屬性窗口點擊協(xié)議，之后對UDPP或者TCPP進(jìn)行選擇，還能夠通過程序代碼對協(xié)議屬性進(jìn)行設(shè)置，代碼為：

Winsock Protocol=sckPProtocol

7 總結(jié)

本文設(shè)計了基于單片機和GPRS技術(shù)的嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計，能夠有效實現(xiàn)通信鏈路的創(chuàng)建、實現(xiàn)通信協(xié)議、集中管理通信數(shù)據(jù)、避免出現(xiàn)人為的錯誤等多種問題，并且成本較低，可靠性較高。服務(wù)器端通信及數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)軟件的開發(fā)通過VB軟件進(jìn)行代碼編寫，其功能較多，并且界面比較良好，在使用過程中的維護(hù)較為方便。如果修改系統(tǒng)中的軟件內(nèi)容，其能夠在消費管理、能源管理、公共服務(wù)設(shè)備及智能家電方面使用，從而有效滿足用戶需求。