【文章內(nèi)容簡介】 個子系統(tǒng)之間由 C8051F310單片機 控制，實現(xiàn) A/D轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)交換。數(shù)據(jù)采集和傳輸終端硬件組成框圖如圖 31所示。 圖 31 硬件組成 結(jié)構(gòu)圖 從結(jié)構(gòu)框圖中可以看出終端的硬件系統(tǒng)含有 5個部分： 由 C8051F310為 MCU的主控部分 ；基于 GPRS的無線傳輸模塊部分；由傳感器組及前端運放組成的數(shù)據(jù)采集部分； 以BC7281芯片接口的按鍵及顯示器等外圍電路部分 ；電源部分 。 單片機 系統(tǒng) 設計 根據(jù)以上硬件設計方案，綜合考慮存儲空間及 A/D轉(zhuǎn)換等功能從而選擇性價比比較高，具有豐富外設功能的低功耗單片機 C8051F310作為 微處理器 。 C8051F310概述 C8051F310單片機，是完全集成的混合信號片上系統(tǒng)型 MCU芯片，是真正能獨立工 作的片上系統(tǒng) （ SOC） [15]。其系統(tǒng)控制內(nèi)核是 CIP51微控制器，與 MCS51的指令集完全兼容。C8051F310單片機具有標準 8052的所有外設部件，包括一個可編程內(nèi)部振蕩器、一個增強型全雙工 UART、一個增強型 SPI、 4個 16位的定時 /計數(shù)器、 256字節(jié)的內(nèi)部 RAM、 128字節(jié)特殊功能寄存器、 16KB的可在線系統(tǒng)編程的 FLASH程序存儲器、 29個 I/O端口、支持 14個華北電力大學科技學院本科畢業(yè)設計（論文） 8 中斷源以及一個 10位 ADC[16][17]。 C8051F310單片機采用流水線結(jié)構(gòu)，機器周期由標準的 12個系統(tǒng)時鐘周期降為 1個系統(tǒng)時鐘周期，處理能力大大提高。指令運行速度大幅度提高， 70％ 的指令執(zhí)行是在一個或兩個系統(tǒng)時鐘周期內(nèi)完成。處理器最高運行時鐘可達 25MHz。 C8051F310最小系統(tǒng)的 設計 圖 32所示為單片機 最小系統(tǒng)原理圖 。該 單片機使用兩個時鐘輸入，即一個 32KHZ時鐘型號，另一個是 8MHZ。該 系統(tǒng)的時鐘部分都是采用晶體振蕩器實現(xiàn)的。 單片機電源采用5V供電， 考慮到電源的輸入紋波對單片機的影響，在電源的管腳增加一個 現(xiàn)濾波，以較少輸入管腳處受到的干擾，另外單片機還有模擬電源的輸入端，因此在這里需要考慮干 擾問題，由于在該系統(tǒng)中的干擾比較小， 因此模擬地和數(shù)字地共地，并在模擬電源輸入管腳增加一個濾波電容以減小干擾。單片機的串口 0與 GPRS模塊接口，串口 1與PC進行通信，由于接口電平不同，因此串口 1與 RS232芯片進行連接。 圖 32 單片機 最小系統(tǒng)原理圖 GPRS 模塊部分電路設計 本系統(tǒng)主要采用 GPRS模塊 MC39I通過 GPRS網(wǎng)絡實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集終端與監(jiān)控中心的通 信 ，主要采用短消息收發(fā)的方式進行數(shù)據(jù)傳輸，下面對 MC39I模塊的功能特點及電路設計做詳細介紹。 華北電力大學科技學院本科畢業(yè)設計（論文） 9 MC39I模塊簡介 MC39I是 Siemens公司推出的基于 GPRS/GSM網(wǎng)絡的無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，它完全兼容MC35模塊的功能 ， 能夠在 GPRS網(wǎng)中完成語音、數(shù)據(jù)呼叫、網(wǎng)絡連接、短消息以及傳真的傳送， Siemens自己的復用協(xié)議基本上可以滿足語音 /數(shù)據(jù)復用串口的要求，在 GPRS不 可用的地區(qū)還可以通過 GSM短消息傳輸數(shù)據(jù) [18]。 MC39I無線通信模塊主要有以下功能 [19][20]: (1)永遠在線，即用戶可以隨時與網(wǎng)絡保持聯(lián)系。 (2)支持雙頻 GSM/GPRS，無需申請頻點，只需一張 SIM卡即可。 。 (3)按流量計費。按照用戶發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包的數(shù)量來收取費用，沒有數(shù)據(jù)流量傳遞時，即使用戶掛在網(wǎng)上，也是不收費的。 (4)快速登陸，與 GPRSA網(wǎng)絡建立連接的時間一般是 35秒，接入互聯(lián)網(wǎng)的時間是 13秒。 (5)透明數(shù)據(jù)傳輸，用戶只需接入或取出數(shù)據(jù)即可，無需編程 。 (6)自如切換， GPRS上網(wǎng)不影響正常的通話和接收短信 。 (7)抗干擾設計， GPRS提供四種不同的編程方式，分別提供不同的錯誤保護能力。 MC39I結(jié)構(gòu) MC39I內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要有：射頻區(qū) 、內(nèi)部 FLASH、 SRAM、 GSM基帶處理器、匹配電源和一個 40腳的 ZIF插座。內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)如圖 33所示。 圖 33 MC39I功能結(jié)構(gòu)圖 其中， GSM基帶處理器是 MC39I的核心部件，其作用相當于一個協(xié)議處理器，用來處理外部系統(tǒng)通過串口發(fā)送的 AT指令； 匹配電源為處理器及射頻部分提供所需電源； 射頻部分主要實現(xiàn)信號的調(diào)制和解調(diào)，以及外部射頻信號與內(nèi)部基帶處理器之間信號 的 轉(zhuǎn)換 。MC39I通過 40腳的 ZIF連接器與開發(fā)評估板的外圍電路連接，從而實現(xiàn)電源連接、指令、數(shù)據(jù)、語音信號及控制信號的雙向傳輸。外圍電路主 要包括電源電路、啟動與開關電路、 SIM卡電路 、 數(shù)據(jù)通信電路 、指示燈電路等。由于傳輸數(shù)據(jù)的承載方式是 GPRS網(wǎng)絡，故 SIM卡華北電力大學科技學院本科畢業(yè)設計（論文） 10 是不可或缺的， SIM卡的功能主要是儲存數(shù)據(jù) 及 在安全條件下完成客戶身份鑒權(quán)和客戶信息加密算法的全過程。 為了便于硬件設計，對 ZIF連接器的管腳圖進行介紹。圖 34為 ZIF連接器的管腳圖。 圖 34 ZIF連接器的管腳圖 這 40個引腳可以劃分為 5類，即電源、數(shù)據(jù)輸入輸出、 SIM卡、音頻接口和控制。第 1一 14腳為電源部分 :l一 5為電源電壓輸入端 Vbatt+， 6一 10為電源地 GND， 1 12為充電引腳， 13為對外輸出電壓 (供外電路使用 )， 14為 ACCU一 TEMP接負溫度系數(shù)的熱敏電阻。 24一 24為 SIM卡引腳，分別為 CCIN、 CCRST、 CCIO、 CCCLK、 CCVCC、 CCGND。 3 34為語音接口，用來接電話手柄。 1 31和 32腳為控制部分 :15為點火線 IGT(Ignition)，當 MC39I通電后必須給 IGT一個大于 100ms的低電平，模塊 才 能啟動， 30為 RTC， 31為 PowerDown， 32為 SYNC。 16一 23為數(shù)據(jù)輸沁輸出，分別為 DSR0、 RING0、 RxD0、 TxD0和 DCD0。 MC39I的數(shù)據(jù)輸入 /輸出口實際上是一個串行異步收發(fā)器，符合 ITUT/RS232接口標準，它有固定的參數(shù) :8位數(shù)據(jù)為和 1位停止位，無校驗位，波特率在 300bps~115kbps之間可選，硬件握手信號用 RTS0/CTS0，軟件流量控制用 XON/OFF， CMOS電平 ,支持標準AT指令。 GPRS模塊 MC39I的應用電路總體框圖如圖 35所示。模塊電源主要由開關電源芯片LM2576轉(zhuǎn)換提供：上電時使用 ／ IGT引腳啟動 GSM引擎；通過 SP323E將所有的信號線都引至 9針 串口連接器 DB9，這樣使用 PC機時可以實現(xiàn)調(diào)制解調(diào)器的全部功能．同時將 9針串口中的 TXD、 RXD、 DTR和 DCD信號直接引出，通過 C8051F310單片機直接對 MC39I進行操作：使用 SYNC引腳控制一個 LED可以顯示 MC39I所處的狀態(tài)：其他外部接口還包括 SMA華北電力大學科技學院本科畢業(yè)設計（論文） 11 天線接口、 SIM卡座接口等。 圖 35 模塊 MC39I應用電路總體結(jié)構(gòu) GPRS模塊與單片機接口電路設計 MC39I模塊主要 通過串 口與單片機進行連接，從而實現(xiàn)單片機對 MC39I模塊 的控制。MC39I無線模塊部分的開關機、工作方式、工作狀態(tài)級工作內(nèi)容等均由 C8051F310單片機控制 ，它與 C8051F310的連接方式如圖 36所示 。 圖 36 MC39I和 C8051F310連接圖 在本設計中， C8051F310通過一個 IO引腳 （設置為輸出引腳）經(jīng) 9013三極管控制MC39I模塊的 IGT引腳，從而控制模塊的開機過程。 /IGT為 MC39I的工作狀態(tài)控制管腳，該管腳首先通過一個電阻拉高。當 /IGT管腳輸出高電平的時候， MC39I模塊不工作；當 /IGT管腳輸出為低電平的時候 ， MC39I模塊工作。對于 MC39I模塊其他管腳在不使用的時候，如果該管腳為輸出管腳的話，一般讓該管腳懸空，如果為輸入管腳，需要將該管腳通過 10K的電阻上拉。 C8051F310與 MC39I的數(shù)據(jù)傳輸均通過異步串行通訊接口實現(xiàn)這里采用三線制連接，50Ω 天線 單片機控 制口 模塊電源 /IGT 模塊 MC39I RS232 電平轉(zhuǎn)換 SYNC 狀態(tài)指示 華北電力大學科技學院本科畢業(yè)設計（論文） 12 一收一發(fā)及地線。 MC39I 的 異步 串行接口 RXD0、 TXD0 連接到 C8051F310 的異步串行口 UART0， 實現(xiàn)單片機對 MC39I 發(fā)送和接收指令的控制 。這里由 C8051F310 的 引腳（設置為輸入引腳）監(jiān)視 MC39I 的 DSR0 引腳，從而監(jiān)視模塊是否處于開機狀態(tài)（ 關機時為高，開機時為低）。 MC39I 模塊的串口中 DTR0 和 RTS0 兩個管腳為輸入管腳，因此分別通過 10k 的電阻將這兩個管腳拉高。 MC39I 的 SYNC 管腳用來指示 GPRS 模塊的工作狀態(tài)，連接一個指示燈來指示工作狀態(tài)。由于 MC39I 模塊的異步串行口工作在 CMOS電平 ()，所以在 TX 和 RXD0 之間連接一個 100 歐姆的電阻，起到限制電流的作用。MC39I 的 24～ 29 引 腳直接與 SIM 卡的對應引腳進行連接，便于檢測 SIM 卡是否插好，以及完成短信發(fā)送的功能 。 電源電路設計 由于單片機的電壓為 ， MC39I模塊的工作電壓為 ，因此本系統(tǒng)需要提供 和 的電壓。 單片機電源電路 整個系統(tǒng)采用 5V 供電。除了 MC39I 外均采用 電壓供電，考慮到硬件統(tǒng)對電源要求具有穩(wěn)壓功能和紋波小等特點，另外也考慮到硬件系統(tǒng)的低功耗 等特點，因此該硬件系統(tǒng)的 電源部分采用 TI 公司的 TPS76033 芯片實現(xiàn)。電源如圖 37 所示。 圖 37 電源電路圖 MC39I模塊電源電路 MC39I 模塊電源電路 如圖 38 所示： 華北電力大學科技學院本科畢業(yè)設計（論文） 13 圖 38 對于 MC39I 模塊可由外部 的單電源供電，在本系統(tǒng)中采用 供電，由于該電源部分的輸出電流必須滿足輸出電流能達到 2A，在此采用可調(diào)式穩(wěn)壓芯片NATIONAL 公司的 LP3966ADJ 芯片。該芯片的管腳 2 為 shutdown 管腳，在設計時必須通過一個 10KΩ 的電阻拉高到 5V。為了使 輸出電源的紋波小，在輸出部分用了一個68PF、 33uF 和 的電容，實現(xiàn)濾波。另外在芯片的輸入管腳放置一個 68uF 的濾波電容，減小輸入端受到的干擾 。 數(shù)據(jù)采集 模塊設計 在該系統(tǒng)中主要考慮模擬輸入前端為傳感器，從傳感器送來的是標準信號，即4mA20mA，這樣設計具有一定的通用性，只要前端接不同的傳感器就可以采集不同的信號源。由于 A/D轉(zhuǎn)換基準為電壓，也就是參考源為電壓，所以 A/D轉(zhuǎn)換的是電壓，這樣需要將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號。如圖 39所示為模擬量采集具體的電路。 圖 39 數(shù)據(jù)采集電路 華北電力大學科技學院本科畢業(yè)設計（論文） 14 由圖可以看出，采集電路通過一個電阻將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，為了提高采集的精度，需要采用高精度的電阻，這里采用的是精度為 1%的電阻。電路中采用二極管作為 ESD保護電路，考慮到干擾問題，采用電容進行濾波處理，增加采集電路的抗干擾問題。 以上即為本系統(tǒng)硬件部分的 設計，主要介紹了單片機 最小 系統(tǒng)、 GPRS模塊、數(shù)據(jù)采集模塊 、電源電路幾 部分電路的設計 ，給出了原理圖和詳細地設計步驟并對所用到的單片機進行了詳細地介紹，硬件部分是系統(tǒng)的主干，起到至關重要的作用。 4 系統(tǒng) 軟件設計 對于一個完整的 應用 系統(tǒng) 出了硬件設計外還必須包括軟件部分的設計，系統(tǒng)的主要功能都是由下載到微處理器的軟件來實現(xiàn)的，所以系統(tǒng)程序的設計也是系統(tǒng)設計一個非常重要的方面。 編程語 言簡介 程序中的所有代碼都由 C語言編寫 。 C語言是一種 面向過程的 計算機程序設計語言 。它既具有 高級語言 的特點，又具有 匯編語言 的特點。它可以作為工作系統(tǒng)設計語言，編寫系統(tǒng) 應用程序 ，也可以作為應用程序設計語言，編寫不依賴計算機硬件的應用程序 [21][22]。因此，它的應用范圍廣泛，不僅僅是在軟件開發(fā)上，而且各類科研都需要用到 C語言 。 C語言是一種很有發(fā)展前途的高級程序設計語言。 具有以下特點： （ 1） C是中級語言。它把 高級語言 的基本結(jié)構(gòu)和語句與低級語言的實用性結(jié)合起來。C 語言可以像匯編語言一樣對位、字節(jié)和地址進行操作， 而這三者是 計算機 最基本的工作單元。 （ 2） C是結(jié)構(gòu)式語言。結(jié)構(gòu)式語言的顯著特點是 代碼 及數(shù)據(jù)的分隔化， 即程序的各個部分除了必要的信息交流外彼此獨立。這種結(jié)構(gòu)化方式可使程序?qū)哟吻逦?，便于使用、維護以及調(diào)試。 C 語言是以函數(shù)形式提供給用戶的，這些函數(shù)可方便的調(diào)用，并具有多種循環(huán)、條件語句控制程序流向，從而使程序完全結(jié)構(gòu)化。 （ 3） C語言功能齊全。具有各種各樣的 數(shù)據(jù)類型 ， 并引入了 指針