【文章內(nèi)容簡介】 用方便，有 很高的應(yīng)用價值和市場價值。 本章完成工作 本設(shè)計是以單片機操作系統(tǒng)為軟件平臺，對嵌入式系統(tǒng)進行體系結(jié)構(gòu)研究和應(yīng)用研究。主要包括單片機系統(tǒng)的特點、硬件電路設(shè)計和實現(xiàn)、操作系統(tǒng)定制方法，設(shè)計開發(fā)出一套基于 GPRS 模塊的嵌入式通信監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)系統(tǒng)與手機進行穩(wěn)定的中英文短信通信 [4]。 本論文分為五部分，論文組織如下： 第一章為緒論，介紹了課題研究的背景及意義、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀以及文章的組織結(jié)構(gòu)。 第二章介紹了單片機操作系統(tǒng)，探討了其核心特性、驅(qū)動程序架構(gòu)、中斷處理、實時特性、嵌入式系統(tǒng)支持等。 第三章為系統(tǒng) 的硬件設(shè)計和實現(xiàn)，主要介紹了處理器的特點、 GPRS 模塊的選型、 MC55 模塊的性能參數(shù)，同時詳細探討了 MC55 接口電路 [3]。 第四章為系統(tǒng)軟件設(shè)計，詳細介紹了操作系統(tǒng)定制過程和應(yīng)用程序的設(shè)計。 第五部分為結(jié)論，對所做工作進行了回顧，指出研究中還需深入的工作，明確了下一步要研究的方向和重點。 本章小結(jié) 本章介紹了 汽車燃油監(jiān)控 系統(tǒng)研究的背景和意義、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，并結(jié)合實際項目闡述了項目的實際內(nèi)容和本論文的組織形式。 浙江大學(xué)城市學(xué)院畢業(yè)論文 第 2 章 硬件設(shè)計和實現(xiàn) 第 2 章 硬件設(shè)計和實現(xiàn) 功能需求與系統(tǒng)總體設(shè)計 系統(tǒng)總體設(shè)計需要根據(jù)系統(tǒng)的 功能而制定。經(jīng)過調(diào)研，汽車燃油監(jiān)控系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能有以下幾種： 采集功能：通過流量傳感器進行數(shù)據(jù)采集， F110 信息輸出：終端對定位信息采集、處理、打包，通過 GPRS 模塊發(fā)給監(jiān)控中心。 接收定位信息指令：發(fā)送到手機，使之最快最準確得到燃油消耗量 數(shù)據(jù)庫管理功能：能夠?qū)崟r地存儲車輛的定位信息，并在必要的時候?qū)Υ靶畔凑杖掌谶M行回收。 根據(jù)以上功能需求，本課題所設(shè)計的船舶導(dǎo)航定位系統(tǒng)主要由 Samsung S3C2410 處理器、電源模塊、外部 RAM、 GPRS 模塊、 GPS 模塊、 LCD、觸摸屏、串口等組成。它應(yīng)用地理信息系統(tǒng) GIS、無線通信網(wǎng)絡(luò) GSM/GPRS 以及計算機數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)相結(jié)合形成一個 GPS/GIS/GPRS 綜合服務(wù)網(wǎng)站 [6]。 船舶導(dǎo)航定位系統(tǒng)的總體構(gòu)成如圖 所示。 圖 汽車燃油監(jiān)控 系統(tǒng) 圖 單片機 傳感器 電源 顯示 無線 GPRS 浙江大學(xué)城市學(xué)院畢業(yè)論文 第 2 章 硬件設(shè)計和實現(xiàn) 對于本次畢業(yè)設(shè)計來說，重點放在通信功能的設(shè)計和實現(xiàn)上，所以主要是對GPRS 模塊的開發(fā)研究。本設(shè)計實現(xiàn)通信功能。 GPRS模塊 GPRS 模塊選型 GPRS 技術(shù)把 Inter 的通訊方式引入到了無線通訊領(lǐng)域，實現(xiàn) 了無線網(wǎng)絡(luò)與有線網(wǎng)絡(luò)的互連。無線用戶可以很方便地采用熟悉的標準 TCP/IP 通訊模式與Inter 直接交換數(shù)據(jù) ,也就應(yīng)運而生了 GPRS 終端產(chǎn)品。 GPRS 通信模塊就是為使用 GPRS 服務(wù)而開發(fā)的無線通信終端設(shè)備 [5]。因此在開發(fā) GPRS 終端產(chǎn)品的時候，就面臨著如何選擇一個低成本、易開發(fā)的 GPRS 通信模塊的問題。 目前市場上 GPRS 模塊有很多。從功能來分， GPRS 模塊可以分為兩類：通用的 GPRS 模塊和內(nèi)嵌 TCP/IP 協(xié)議棧的 GPRS 模塊。 GPRS 模塊 這一類模塊的特點是只支持 GPRS 和短消息收發(fā) 模式，本身不具備 TCP/IP 協(xié)議處理功能。應(yīng)用此類模塊時，終端軟件基本要能處理 PPP 撥號和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。當處理能力不強或沒有操作系統(tǒng)時，需要用戶自己開發(fā)或者移植一些協(xié)議，編程實現(xiàn) GPRS 的撥號上網(wǎng)、 PPP 配置并最終建立 TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，實現(xiàn) GPRS 的附著和激活過程，此后才能與 Inter 通信。因此用戶的開發(fā)任務(wù)較重，有時甚至超過了應(yīng)用本身的工作量。此類模塊的代表為 Siemens 公司的 MC35， Sony Ericsson 公司的 M47， Motorola 公司的 G18， Wave 公司的 Q2403 系列等。 2. 內(nèi)嵌 TCP/IP 協(xié)議棧的 GPRS 模塊 這一類模塊是在通用 GPRS 模塊基礎(chǔ)上內(nèi)置 TCP/IP 協(xié)議實現(xiàn)的，用戶一般只需調(diào)用相應(yīng)的 AT 命令對其進行設(shè)置，模塊自身就會完成 GPRS 網(wǎng)絡(luò)和 Inter 的互連，然后實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，開發(fā)過程比較簡單 [7]。主要代表如 Siemens 公司的 TC4MC55/MC56， Sony Ericsson 公司的 CR47/48， Motorola G20， SIMCOM 公司的SIM100， BenQ 公司的 M22 等。 隨著 GPRS 技術(shù)的不斷發(fā)展， GPRS 模塊的功能越來越強大，成本卻越來 越低，即使一個帶有 TCP/IP 協(xié)議處理功能的 GPRS 模塊的價格也只需約 5 百元人民浙江大學(xué)城市學(xué)院畢業(yè)論文 第 2 章 硬件設(shè)計和實現(xiàn) 幣甚至更低，價格漸與通用 GPRS 模塊趨同。故通用的 GPRS 模塊已變得無多少實用價值了。綜合考慮成本及開發(fā)難度，做無線數(shù)據(jù)傳輸開發(fā)時選用內(nèi)置 TCP/IP協(xié)議棧的 GPRS 模塊才是明智之舉。經(jīng)過綜合考慮價格和性能，本設(shè)計采用 Siemens公司開發(fā)的當前市場上尺寸最小的三頻模塊 —— MC55 模塊 [9]。 MC55 性能參數(shù) （ 1）頻帶： ☆ GSM/GPRS 900/1800/1900MHz （ 2） GPRS 連接 ☆ 支持 GPRS class10/station class B ☆ 符合 GSM phase 2/2+ （ 3）標準 AT 指令控制（ 、 ） （ 4） Inter： ☆ 通過 AT 指令控制的 TCP/IP 協(xié)議棧 ☆ 服務(wù)： TCP， UDP， HTTP， FTP， SMTP， POP3 （ 5）功耗： ☆ Class 4(GSM 850MHz 和 EGSM 900MHz 時 2W) ☆ Class l（ GSM 1800MHz 和 GSM 1900MHz 時 1W） （ 6）輸入電源： ☆ ~ （ 7）功耗： ☆ 關(guān)機狀態(tài) 50uA ☆ 睡眠狀態(tài) ☆ 通話狀態(tài) (平均 )260mA ☆ GPRS class 10(平均 )450mA （ 8）溫度范圍： ☆ 正常操作： 20176。 C~+700176。 C ☆ 操作限制溫度： 25176。 C ~20176。 C 和 55176。 C~75176。 C ☆ 關(guān)機： +800176。 C 浙江大學(xué)城市學(xué)院畢業(yè)論文 第 2 章 硬件設(shè)計和實現(xiàn) ☆ 存儲溫度： 40176。 C ~+85176。 C （ 9）物理特性： ☆ 尺寸： 35*325* ☆ 重量： （ 10） GPRS 數(shù)據(jù)傳輸： ☆ GPRS class 10：下載時最大 ，上傳時最大 ☆ 移動臺 class B ☆ 支持 PBCCH（ Packet Switched Broadcast Control Channel) ☆ 編碼方式： CS1CS4 （ 11） CSD 數(shù)據(jù)傳輸： ☆ 最大 ☆ ☆ 非透明傳輸模式 ☆ 支持 USSD(Unstructured Supplementary Services Data) （ 12） WAP： ☆ 支持 WAP （ 13） SMS 消息： ☆ 點到點發(fā)送 (M0 和 MT) ☆ SMS 小區(qū)廣播 ☆ Text 和 PDU 模式 ☆ 傳輸 SMS 通過 CSD 還是 GPRS 由用戶定義 （ 14）傳真： ☆ Group 3， class 1， class 2 （ 15）語音特性： ☆ 語音編碼模式： HR、 FR、 EFR、 AMR ☆ 回聲消除 ☆ 噪音消減 （ 16）接口： ☆ 天線焊接盤 浙江大學(xué)城市學(xué)院畢業(yè)論文 第 2 章 硬件設(shè)計和實現(xiàn) ☆ 單個 50 管腳板對板連接器 ☆ 電源連接 ☆ 話音： 2 路模擬話音接口， 1 路數(shù)據(jù)話音接口（ DAI） ☆ SIM 卡接口 ☆ 2 個串口 (ITUT ) ☆ 電池充電器 MC55模塊接設(shè)計口 MC55 的功能構(gòu)成框圖如圖 所示，主要由四部分構(gòu)成：基帶控制器、 GSM射頻部分、電源部分和 FLASH/SRAM 存儲器 [11]。基帶控制器是整個模塊的核心，控制模塊內(nèi)各種信號的傳輸、轉(zhuǎn)換、放大等處理過程；射頻天線部分主要實現(xiàn)信號的調(diào)制與解調(diào)和外部射頻信號與內(nèi)部基帶處理器之間的信號轉(zhuǎn)換 ；匹配電源為處理器以及射頻部分提供所需的電源： 50Pins 的 ZIF 插座為用戶提供包括電源、數(shù)據(jù)輸入輸出、 SIM 卡音頻接口和控制等的接口。依據(jù)系統(tǒng)功能需要，為各功能單元設(shè)計了相應(yīng)的電路，以實現(xiàn)模塊開啟及關(guān)閉、工作模式選擇、狀態(tài)指示、語音通信和 GPRS 數(shù)據(jù)通信等功能。 圖 MC55 功能框圖 下面就各個主要功能的電路進行介紹： C 浙江大學(xué)城市學(xué)院畢業(yè)論文 第 2 章 硬件設(shè)計和實現(xiàn) 電源及啟動電路 MC55 要求 1— 5 引腳 BATT+所需的電壓為 — ，典型值為 ，瞬間電流能夠承受 2A， 這需要在設(shè)計主板的時候考慮：（ 1） MC55 將是消耗主板電流的一個重要部分，系統(tǒng)設(shè)計時要選用可靠的電源芯片，本設(shè)計中用 LM2576S 芯片，電源電路如圖 所示。（ 2） PCB 布線時適當加粗 GPRS 布線，縮短供電信號線長度。（ 3）必要處加散熱過孔。 圖 MC55 電源電路 MC55 啟動有 3 種方式：（ 1）將上電信號線 /IGT 設(shè)置為低電平（正常模式）；（ 2） 使用 POWER 信號線觸發(fā)模塊上電 （ 充電模式 ）；（ 3） 設(shè)置 RTC 觸發(fā)模塊上電 (報警 模式 )[12]。在 本設(shè)計中采用第 1 種方式啟動。 模塊關(guān)閉 關(guān)掉 MC55方法也有多種，最安全的方法是用軟件關(guān)機，即發(fā)送指令 AT^SMSO關(guān)機。只有在出現(xiàn)嚴重錯誤（軟件關(guān)機超過 5 秒沒有響應(yīng)）時，才建議使用/EMERGOFF 信號硬件強制關(guān)機。另外，在出現(xiàn)低壓或者高溫等異常情況的時候，模塊也會自我保護，斷掉電源。 數(shù)據(jù)通信電路 MC55 具有兩個非均衡異步串口（ ASC0、 ASC1），是設(shè)計為 DCE 來用的，可以雙向傳輸 AT 指令和數(shù)據(jù)。兩個串口符合 ITUT RS232 接口電路標準，工作在 CMOS 電平 ()。所有的 ZIF 接口上的 RS232 信號都是低電平有效。數(shù)據(jù)接口配置為 8 位數(shù)據(jù)位、 1 位停止位、無校驗位，可以以 300bps~230kbps 的比特浙江大學(xué)城市學(xué)院畢業(yè)論文 第 2 章 硬件設(shè)計和實現(xiàn) 率運行。兩個串口都支持 RTS0/CTS0 硬件握手和軟件 XON/XOFF 流控制。 串口 0（ ASC0）可以實現(xiàn)語音呼叫、 CSD、傳真、 GPRS 服務(wù)，也支持多路復(fù)用模式，滿足設(shè)計需要，由于電平和嵌入式板子不同，所以需要進行電平轉(zhuǎn)換，本設(shè)計中用 MAX3238S 來轉(zhuǎn)換，其轉(zhuǎn)換電路如圖 所示。 圖 MC55 電平轉(zhuǎn)換電路 SIM 卡電路 MC55 基帶處理器 中 集成了一個與 ISO 7816 IC Card 標準兼容的 SIM 接口，SIM 卡的引腳定義如表 所示。 表 SIM 引腳定義 信號 I/0 功能 CCVCC I SIM 卡電源信號（模塊提供） CCRST I SIM 卡復(fù)位信號（模塊提供） CCCLK I SIM 卡操作時鐘 CCGND 電源地 CCVPP 未連接 CCIO I/O 雙向串行數(shù)據(jù)線 CCDET1 連 CCVCC CCDET2 I SIM 卡狀態(tài)信號連 CCIN 設(shè)計中注意事項： 為了符合 EMC 設(shè)計要求， SIM 卡座和 MC55 的 boardtoboard 連接器的管腳之間的線不能超過 200ms 長。 為了防止 CCCLK 和 CCIO 之間的 crosstalk，這兩條線不能布的太近，一個好浙江大學(xué)城市學(xué)院畢業(yè)論文 第 2 章 硬件設(shè)計和實現(xiàn) 的辦法就是在兩條線之間布 CCGND 線來達到屏蔽作用 [13]。 MC55 的其它電路 MC55 的其它電路詳見附錄 A。 單片機 部分 單片機是指一個集成在一塊芯片上的完整計算機系統(tǒng)。盡管他的大部分功能集成在一塊小芯片上，但是它具有一個完整計算機所需要的大部分部件： CPU、內(nèi)存、內(nèi)部和外部總線系統(tǒng)，目前大部分還會具有外存。同時集成諸如通訊接口、定時器，實時時鐘等外圍設(shè)備。而現(xiàn)在最強大的單片機系統(tǒng)甚至可以將聲音、圖像、網(wǎng)絡(luò)、復(fù)雜的輸入輸出系統(tǒng)集成在一塊芯片上。 目前單片機滲透到我們生活的各個領(lǐng)域，幾乎很難找到哪個領(lǐng)域沒有單片機的蹤跡。導(dǎo)彈的導(dǎo)航裝置，飛機上各種儀表的控制，計算機的網(wǎng)絡(luò)通訊與數(shù)