【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 優(yōu)勢(shì)，除去可以提高工作效率之外，使用移動(dòng)終端形成的內(nèi)外網(wǎng)絡(luò)連接將具備更高的接入安全性。目前，3G主要將應(yīng)用聚焦于娛樂(lè)與消費(fèi)領(lǐng)域。真正步入3G時(shí)代后，企業(yè)類(lèi)的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越多。本章首先介紹了3G移動(dòng)通信的基本特征、終端結(jié)構(gòu)，然后分析了TDSCDMA的系統(tǒng)特征，包括TDSCDMA系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)，最后分析介紹了3G時(shí)代的無(wú)線業(yè)務(wù)應(yīng)用。第三章 數(shù)據(jù)采集終端硬件電路設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集終端的設(shè)計(jì)主要包括兩個(gè)方面：一方面是數(shù)據(jù)采集終端的硬件實(shí)現(xiàn)，包括各硬件功能模塊設(shè)計(jì)、選型、電路版繪制以及調(diào)試等；另一方面是各功能模塊的軟件實(shí)現(xiàn)。 硬件資源介紹 3G 無(wú)線調(diào)制解調(diào)器 無(wú)線調(diào)制解調(diào)器選用四川火狐無(wú)線科技有限公司的無(wú)線貓modem。型號(hào):HF30TM 圖3—1 無(wú)線調(diào)制解調(diào)器主要規(guī)格/特殊功能：l TD—SCDMA MODEMl 基于3G TDSCDMA網(wǎng)絡(luò)，采用高性能工業(yè)級(jí)無(wú)線模塊，支持短信、CSD數(shù)據(jù)及撥號(hào)上網(wǎng)功能。l MODEM采用工業(yè)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。l 功能特性：o 支持短信、CSD數(shù)據(jù)及撥號(hào)上網(wǎng)功能，使用方便、靈活 o 支持標(biāo)準(zhǔn)RS232接口 o 支持5V35V寬電壓供電 o 抗干擾設(shè)計(jì)，適合電磁環(huán)境惡劣的應(yīng)用需求 l 無(wú)線參數(shù)：a) TDSCDMA：2010～2025MHz b) GSM：850／900／1800／1900 c) UPLINK：128Kbps，DOWNLINK：384Kbpsl 技術(shù)指標(biāo)：a) 接口： i. 標(biāo)準(zhǔn)RS232串口，串口速率110～230400bits/s ii. 指示燈：具有電源、ACT及在線指示燈 iii. 天線接口：標(biāo)準(zhǔn)SMA陰頭天線接口，特性阻抗50歐 iv. SIM卡接口：3V/ v. 電源接口：標(biāo)準(zhǔn)的3芯火車(chē)頭電源插座b) 供電： i. 外接電源：DC 9V、500mA ii. 寬電壓供電：DC 535V iii. 通信電流：＜250mA（9V） iv. 待機(jī)電流：＜20mA（9V） v. 無(wú)線模塊：采用高性能工業(yè)級(jí)TDSCDMA無(wú)線模塊 vi. 外形尺寸：　mm（不包括天線及固定件） c) 其他參數(shù)： i. 工作環(huán)境溫度：25～＋65?C ii. 儲(chǔ)存溫度：40～＋85?C iii. 相對(duì)濕度：95％（無(wú)凝結(jié)）3G 網(wǎng)絡(luò)本系統(tǒng)采用：外部控制器開(kāi)發(fā)模式[13]。在該方案下，無(wú)線調(diào)制解調(diào)器嵌入到用戶(hù)系統(tǒng)中使用，利用外部CPU對(duì)模塊進(jìn)行操作控制，調(diào)制解調(diào)器和微處理器通過(guò)串口進(jìn)行通信，腳本程序下載到外部控制器中運(yùn)行，如圖3—2所示。SIM系統(tǒng)接 口DCPOWER3GENGINE狀態(tài)反饋數(shù)字通信設(shè)備數(shù)據(jù)終端設(shè)備控制命令圖3—2 外部控制器模式 微處理器在這套系統(tǒng)中單片機(jī)起著很重要的作用，一方面負(fù)責(zé)下端傳感器數(shù)據(jù)的采集以及對(duì)下端數(shù)據(jù)采集模塊的控制信號(hào)傳輸；另一方面還要負(fù)責(zé)將收到的數(shù)據(jù)通過(guò)3G網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)中心通信。近年來(lái)，在工業(yè)測(cè)控領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)諸多運(yùn)用TI公司生產(chǎn)的MSP430系列單片機(jī)，其在振蕩電路、功耗、軟件加密等技術(shù)水平上均有很大的優(yōu)勢(shì)[14]。尤其是其低功耗的特點(diǎn)很適合在現(xiàn)場(chǎng)不能頻繁更換電源的環(huán)境?；谏鲜鲂枰?，本系統(tǒng)最終選用的是TI公司的MSP430F149單片機(jī)。MSP430F149單片機(jī)的特點(diǎn)(1)低電壓、超低功耗首先，～。，活動(dòng)模式耗電250μA/MIPS(MIPS：每秒百萬(wàn)條指令數(shù))，I/O輸入端口的漏電流 最大僅50nA[15]。其次，MSP430F149單片機(jī)采用獨(dú)特的時(shí)鐘系統(tǒng)設(shè)計(jì)。其具有兩個(gè)不同的時(shí)鐘系統(tǒng)：基本時(shí)鐘系統(tǒng)和DCO數(shù)字振蕩器時(shí)鐘系統(tǒng)，采用高速晶體（最高8MHz）和低速晶體(32768Hz)進(jìn)行基本時(shí)鐘模塊配置。時(shí)鐘可以通過(guò)指令的控制打開(kāi)和關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)總體功耗的控制。(2)強(qiáng)大的處理能力MSP430F149單片機(jī)為16位的RISC指令(Reduced Instruction Set Computing精簡(jiǎn)指令集)結(jié)構(gòu)，具有豐富的尋址方式、精簡(jiǎn)的27條內(nèi)核指令以及大量的模擬指令；大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器都可參加多種運(yùn)算；還有高效的查表處理方法；有高效的處理速度，在8MHz晶振驅(qū)動(dòng)下，指令周期為125μs。這些特點(diǎn)保證了可編制出高效率的源程序。(3)系統(tǒng)工作穩(wěn)定單片機(jī)上電復(fù)位后，首先由DCO時(shí)鐘啟動(dòng)CPU，以保證程序從正確的位置開(kāi)始執(zhí)行，保證晶體振蕩器有足夠的起振及穩(wěn)定時(shí)間，然后軟件可設(shè)置適當(dāng)?shù)募拇嫫鞯目刂莆粊?lái)確定最后的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率。如果晶體振蕩器在用作CPU時(shí)鐘MCLK時(shí)發(fā)生故障，DCO會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)，以保證系統(tǒng)正常工作；如果程序跑飛，可用看門(mén)狗將其復(fù)位。(4)豐富的片內(nèi)外設(shè)MSP430F149單片機(jī)有豐富的片內(nèi)外設(shè)。它主要包括以下一些外圍模塊：看門(mén)狗(WDT）、定時(shí)器A(Timer A)、定時(shí)器B(Timer B)、比較器、串口0(UART0）、串口1(UART1)、硬件乘法器、12位ADC端口和基本定時(shí)器。其中看門(mén)狗可以使程序失控時(shí)迅速?gòu)?fù)位；比較器進(jìn)行模擬電壓比較，配合定時(shí)器可以設(shè)計(jì)為A/D轉(zhuǎn)換器；定時(shí)器具有捕獲/比較功能，可用于事件計(jì)數(shù)、時(shí)序發(fā)生、PWM等；12位硬件A/D轉(zhuǎn)換器有較高的轉(zhuǎn)換速率，最高可達(dá)200kbps，能滿(mǎn)足大多數(shù)數(shù)據(jù)采集應(yīng)用。(5)方便高效的開(kāi)發(fā)環(huán)境MSP430F149單片機(jī)是FLASH型類(lèi)型器件。對(duì)于FLASH型芯片有十分方便的開(kāi)發(fā)調(diào)試環(huán)境，因?yàn)槠骷瑑?nèi)有JTAG調(diào)試接口，還有可電擦寫(xiě)的FLASH存儲(chǔ)器，因此采用先下載程序到FLASH內(nèi)，再在器件內(nèi)通過(guò)軟件控制運(yùn)行，由JTAG接口讀取片內(nèi)信息供設(shè)計(jì)者調(diào)試使用的方法進(jìn)行開(kāi)發(fā)。這種方式只需要一臺(tái)PC機(jī)和一個(gè)JTAG調(diào)試器，而不需要仿真器和編程器。更重要的是，其開(kāi)發(fā)語(yǔ)言兼容C語(yǔ)言，使編程變得相當(dāng)簡(jiǎn)單。選用的MSP430F149的接口和JTAG連接如圖所示：圖33 單片機(jī)與JTAG連接圖 其他主要硬件電路設(shè)計(jì) 供電電路設(shè)計(jì)1．單片機(jī)電源電路整個(gè)數(shù)據(jù)采集終端采用5V供電，考慮到硬件系統(tǒng)對(duì)電源要有具有穩(wěn)壓功能和紋波小等特點(diǎn)，另外也考慮到硬件系統(tǒng)的低功耗等特點(diǎn)。單片機(jī)電源電路如圖：圖3—4 電源電路，在輸出部分用了一個(gè)10μF的電容，另外在芯片的輸入端也放置一個(gè)10μF的濾波電容，減小輸入端 收到的干擾。 JTAG 技術(shù)JTAG是一種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試協(xié)議，主要用于芯片內(nèi)部測(cè)試及對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真、調(diào)試，JTAG技術(shù)是一種嵌入式調(diào)試技術(shù)。目前大多數(shù)比較復(fù)雜的器件都支持JTAG協(xié)議，如ARM、DSP、FPGA器件等，JTAG接口的連接有兩種標(biāo)準(zhǔn)，即14針接口和20針接口。通過(guò)JTAG接口，可對(duì)芯片內(nèi)部的所有部件進(jìn)行訪問(wèn)。標(biāo)準(zhǔn)的JTAG接口是4線：TMS、TCK、TDI、TDO，分別為測(cè)試模式選擇、測(cè)試時(shí)鐘、測(cè)試數(shù)據(jù)輸入和測(cè)試數(shù)據(jù)輸出[16]。MSP430F149是FLASH型器件，內(nèi)建多達(dá)60KB容量的FLASH存儲(chǔ)器，并具有JTAG調(diào)試接口，嵌入了仿真器，可以通過(guò)JTAG調(diào)試器將編輯好的程序從PC機(jī)上直接下載到FLASH內(nèi)，然后再通過(guò)PC機(jī)上的軟件由JTAG接口讀取單片機(jī)片內(nèi)信息，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)單片機(jī)上運(yùn)行的程序，甚至可以設(shè)置斷點(diǎn)加以調(diào)試，實(shí)施所謂的在線仿真。圖3—5 JTAG 接口電路 鍵盤(pán)電路設(shè)計(jì)鍵盤(pán)是實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話(huà)的輸入設(shè)備，借助鍵盤(pán)可向系統(tǒng)設(shè)置參數(shù)，發(fā)出控制指令等。按鍵電路設(shè)計(jì)方法有多種，本系統(tǒng)采用4*4矩陣鍵盤(pán)電路，具體電路如圖所示圖 3—6 矩陣鍵盤(pán)電路 測(cè)溫芯片DS18B20DS18B20傳感器內(nèi)部?jī)?nèi)置A/D，直接輸出9～12位(含符號(hào)位)的被測(cè)溫度值，測(cè)溫范圍為55℃～+125℃，℃；每片DS18B20內(nèi)含64bit經(jīng)過(guò)激光修正的只讀存儲(chǔ)器ROM，支持單總線技術(shù)，既可通過(guò)串行口線，也可通過(guò)其他I/O口線與微機(jī)接口，適配各種單片機(jī)或計(jì)算機(jī)組建測(cè)量網(wǎng)絡(luò)；用戶(hù)還可以設(shè)定非易失性溫度報(bào)警上下限閾值；一旦測(cè)量溫度超過(guò)此設(shè)定值，即可給出報(bào)警標(biāo)志。讀取溫度值時(shí)必須先啟動(dòng)DS18B20開(kāi)始轉(zhuǎn)換，再讀出溫度轉(zhuǎn)換值。DS18B20可通過(guò)兩種方式供電：寄生電源方式和外加電源工作方式。寄生電源方式不需外加電源，當(dāng)總線(信號(hào)線)為高時(shí)穩(wěn)定電源的提供是通過(guò)單線上的上拉電阻實(shí)現(xiàn)，總線信號(hào)為低時(shí)則由其內(nèi)部的電容供電，在此種方式下VDD接地。外加電源工作方式需要外加電源正負(fù)極分別接引腳VDD及GND,本系統(tǒng)選用外加電源工作方式，采用此種方式能增強(qiáng)DS18B20的抗干擾能力，保證工作的穩(wěn)定性。圖 3—7 DS18B20 溫度傳感器電路 RS232 電平轉(zhuǎn)換電路 由于單片機(jī)的信號(hào)是CMOS電平，而計(jì)算機(jī)和無(wú)線模塊的串行口是EIARS232C電平，其電平1為3～25V，電平0為+3～+25V，因此要進(jìn)行CMOS電平和EIARS232電平間的相互轉(zhuǎn)換。串口通信的RS232接口采用9針串口DB9，數(shù)據(jù)的傳輸只要數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)發(fā)送兩根線就能實(shí)現(xiàn)。 為實(shí)現(xiàn)無(wú)線模塊的CMOS電平與RS232電平轉(zhuǎn)換，可采用MAX232集成電路芯片，MAX232的數(shù)據(jù)傳輸速率大于250Kbps，Three_state=GND，即選擇三態(tài)輸出模式，可減小電流輸出。VCC=5V，Vout=，這樣，實(shí)現(xiàn)了5V的RxD、TDE的邏輯電平轉(zhuǎn)換。圖 3—8 串口通信電路 本章小結(jié) 本章對(duì)數(shù)據(jù)采集終端的硬件進(jìn)行了研究，對(duì)各主要元器件的選擇和應(yīng)用作了簡(jiǎn)單介紹，并基于功能需求和硬件特性詳細(xì)地闡述了電路設(shè)計(jì)的方法，給出了模塊的電路原理圖。第四章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)4．1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)本系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集終端、3G網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)中心三大部分構(gòu)成。其中，數(shù)據(jù)采集終端由MSP430F149單片機(jī)及外圍電路所組成的實(shí)驗(yàn)板和無(wú)線調(diào)制解調(diào)器兩部分組成。3G通信網(wǎng)絡(luò)是數(shù)據(jù)采集終端分站與數(shù)據(jù)中心分站之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉蛄?。?shù)據(jù)中心是整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的通信核心，主要功能是接收和處理數(shù)據(jù)采集終端發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)。 主要軟件模塊說(shuō)明1．?dāng)?shù)據(jù)采集終端模塊數(shù)據(jù)采集終端的軟件部分可分為：初始化模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、無(wú)線通信模塊等。另外，整個(gè)軟件還包括3個(gè)中斷，即定時(shí)器中斷、鍵盤(pán)中斷、串口中斷。其中，定時(shí)器中斷用于DS18B20溫度的采集定時(shí)；串口中斷用于單片機(jī)同調(diào)制解調(diào)器之間數(shù)據(jù)的收發(fā)；鍵盤(pán)中斷用于按鍵識(shí)別、處理。2．?dāng)?shù)據(jù)中心模塊數(shù)據(jù)中心主要完成以下功能：建立Socket完成對(duì)網(wǎng)絡(luò)中傳輸數(shù)據(jù)的監(jiān)聽(tīng)、接收，在此利用Visual C++通過(guò)WinSock接口和MFC WinSock類(lèi)實(shí)現(xiàn)。使用ADO技術(shù)實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫(kù)的連接，接收的數(shù)據(jù)自動(dòng)保存至水情信息數(shù)據(jù)庫(kù)。 軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境數(shù)據(jù)采集終端利用MSP430系列單片機(jī)配套的開(kāi)發(fā)環(huán)境IAR EmbeddedWorkbench開(kāi)發(fā)，它同時(shí)支持匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言編寫(xiě)[17]，本系統(tǒng)采用IARC430語(yǔ)言開(kāi)發(fā)。利用JTAG接口，通過(guò)TI公司所帶的仿真器FET可以方便地進(jìn)行程序調(diào)試和代碼下載。數(shù)據(jù)中心的操作系統(tǒng)為Windows XP，開(kāi)發(fā)軟件為Microsoft Visual C++，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議為T(mén)CP/IP協(xié)議。 AT 指令 AT指令集是從TE(Terminal Equipment)或DTE(Data Terminal Equipment)向TA(Terminal Adapter)或DCE(Data Circuit Terminating Equipment)發(fā)送的。通過(guò)TA、TE發(fā)送AT指令來(lái)控制MS(Mobile Station)的功能，與GSM網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)進(jìn)行交互[18]。AT指令集的格式都是以“AT”或“at”開(kāi)頭，“AT”或者“at”前綴必須出現(xiàn)在每一個(gè)指令行的開(kāi)頭。AT命令的基本格式為：AT+命令字符及相關(guān)設(shè)置參數(shù)。 這里介紹幾種主要的AT指令：(1)AT+CGDCONT：設(shè)置PDP上下文該指令的標(biāo)準(zhǔn)格式是：AT+CGDCONT=[cid[,pdp_type[,APN[,PDP_addr[,pdl[,…pdN]]]]]]其中，cid代表帳戶(hù)序號(hào)，取值范圍為1~10，后續(xù)的GPRS操作通過(guò)該序號(hào)進(jìn)行；pdp_type代表PDP連接類(lèi)型，它的類(lèi)型是IP連接；APN代表接入點(diǎn)名稱(chēng)，如CMNET代表中國(guó)移動(dòng)。這條命令的典型用法如下：AT+CGDCONT=l,”IP”,”CMNET”(2)AT*E2IPA：激活I(lǐng)P命令該指令允許激活模塊的IP程序段，一旦在之前的存儲(chǔ)狀況下激活，IP連接可以建立，該模塊將被賦予一個(gè)IP地址。其典型的指令結(jié)構(gòu)為：AT*E2IPA=Activate,cid其中，Activate代表激活I(lǐng)P環(huán)境，該參數(shù)為0代表關(guān)閉IP環(huán)境，為1則代表激活I(lǐng)P環(huán)境；cid參數(shù)的取值范圍為0~10，指明需要激活的PDP序號(hào)，該參數(shù)需要和AT+CGDCONT指令中第一個(gè)參數(shù)對(duì)應(yīng)。如果GR64連接成功則返回“OK”，否則返回錯(cuò)誤碼。這條命令的典型用法如下：AT*E2IPA=l，1(3)AT*E2IPO：IP連接/打開(kāi)命令（建立TCP連接）AT命令總線處于在線數(shù)據(jù)模式時(shí)，該指令能夠?qū)崿F(xiàn)一個(gè)新IP連接的初始化，一旦IP連接激活，將返回“CONNECT”，表示已經(jīng)成功連接。A