通信工程畢業(yè)設(shè)計（論文）基于GSM的水情數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)

1、大連民族學(xué)院2007屆通信工程專業(yè)本科畢業(yè)論文第1章 緒論1.1課題背景與研究意義本課題來自遠端水情數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)。遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是采用現(xiàn)代科技對遠程信息進行實時遙測、傳送和處理的專門技術(shù)，是有效解決江河流域及水庫洪水預(yù)報、防洪調(diào)度及水資源合理使用的先進手段。它綜合地理、電子、電信、傳感器和計算機等多學(xué)科的有關(guān)最新成果。改變了以往僅靠人工測量數(shù)據(jù)的落后狀況，擴大了預(yù)報范圍，對江河流域、水庫安全度和電廠經(jīng)濟運行以及水資源合理利用等方面都能發(fā)將重大作用1。 水情數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的通信方式主要有短波通信、超短波通信和集群通信等專用通信系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的缺點是用戶需要自己組網(wǎng)，建網(wǎng)費用昂貴，同時需要大量

2、的維護人員和維護費用。而且，這些系統(tǒng)對用戶的數(shù)量、服務(wù)區(qū)的覆蓋范圍也有限制。系統(tǒng)的可靠性得不到很好的保證，從而嚴重地制約了水情數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的推廣使用。gsm（global system for mobile communication）系統(tǒng)是目前基于時分多址技術(shù)的移動通信體制中最成熟、最完善、應(yīng)用最廣的一種系統(tǒng)。我國目前已經(jīng)建成覆蓋全國的gsm數(shù)字蜂窩移動通信網(wǎng)，用戶已達3億之多，可以提供話音業(yè)務(wù)、短信業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)以及彩信業(yè)務(wù)。隨著使用gsm通訊協(xié)議的專用模塊的推出，使得gsm的各項業(yè)務(wù)的應(yīng)用范圍已不僅僅應(yīng)用于手機通信領(lǐng)域，也應(yīng)用于其他領(lǐng)域的通信需求。而且這些模塊都有益于開發(fā)通訊接口和協(xié)議，

3、這為短消息業(yè)務(wù)應(yīng)用于遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的開發(fā)工作創(chuàng)造了很好的條件。雖然短消息業(yè)務(wù)一次最多只能傳輸140個字符信息，但用于水情數(shù)據(jù)的傳輸已經(jīng)完全可以滿足要求。對于水情數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)來說，gsm系統(tǒng)是最值得利用的。gsm系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)的專用通信系統(tǒng)投資成本大、維護費用高、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的覆蓋范圍和用戶數(shù)量有限的缺陷，具有投資小、建設(shè)周期短、組網(wǎng)靈活方便、系統(tǒng)穩(wěn)定可靠等特點，再加上gsm的sms本身具備的數(shù)據(jù)傳送功能，使得利用gsm系統(tǒng)進行遠程數(shù)據(jù)采集與傳輸，特別是在水情數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)中的應(yīng)用成為一個新興的研究領(lǐng)域4。水情數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)是灌區(qū)用水只能化管理的基礎(chǔ)，亦是數(shù)字化灌區(qū)建設(shè)的重要組成部分。它對

4、于即使準確掌握灌區(qū)水情、調(diào)度配置灌溉水量、提高灌區(qū)用水管理決策水平都有重要意義。在水資源越來越短缺的今天，如何提高水資源的有效利用率成一個迫在眉睫的問題。該項目利用gsm通信模塊、單片機、水位傳感器技術(shù)以及現(xiàn)有的gsm網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)對遠端水情的檢測。1.2本課題在國內(nèi)的發(fā)展在自動水情數(shù)據(jù)測報系統(tǒng)的應(yīng)用中，除超短波通信以外，基于各種通信網(wǎng)絡(luò)的測報系統(tǒng)各項費用都是比較高的，而且各種設(shè)施的設(shè)計和安裝都會花大量的人力物力，甚至有的技術(shù)的可靠性更是不高。在國內(nèi)一般經(jīng)濟條件不太好的地區(qū)很難實現(xiàn)?；诔滩ㄍㄐ诺臏y報系統(tǒng)實施起來雖然更加實際一些，各項費用相對比較低，但是由于它是一種自建的通信網(wǎng)絡(luò)的特點和其本身的

5、局限性，使得它不能大面積的應(yīng)用于任何地區(qū)，而且它的可靠性不是很高2。 針對上述通信方式的缺點，本課題開發(fā)了利用第二代移動通信技術(shù)gsm通信網(wǎng)絡(luò)作為水情自動測報系統(tǒng)的通信媒介，以收發(fā)gsm短信息的通信方式進行遠程分布式數(shù)據(jù)采集軟件產(chǎn)品(控制中心軟件。 gsm通信網(wǎng)絡(luò)的特點是技術(shù)最為成熟及先進、通信方式多、手機接續(xù)速度快、通信質(zhì)量好、安全保密性能強、抗干擾能力強、網(wǎng)絡(luò)覆蓋面特別廣、可以實現(xiàn)國際自動漫游等諸多優(yōu)點，全世界目前已有近百個國家和地區(qū)建立了gsm數(shù)字移動電話通信網(wǎng)絡(luò)。 在水情數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場，通過衛(wèi)星雖然可以快捷、可靠地傳輸水情信息，但投資高，短時間內(nèi)難以大面積推廣，通過公用電話網(wǎng)絡(luò)可以大范圍

6、改善信息傳輸方式，但其數(shù)據(jù)傳輸速度低、受頻帶寬度限制，每個設(shè)備需要架設(shè)專用線路，實現(xiàn)一對一的傳遞模式，無法滿足大數(shù)據(jù)量實時傳輸?shù)囊?，都不是解決水情數(shù)據(jù)理想的手段。目前，隨著我國移動通訊技術(shù)的迅速發(fā)展，特別是近幾年手機短信息技術(shù)（gsm技術(shù)）在數(shù)據(jù)傳輸、控制領(lǐng)域的大量應(yīng)用，為解決大范圍標準化水情信息傳輸問題提供了一個可行的途徑。1.3本課題的主要工作與內(nèi)容本課題的設(shè)計主要以單片機為核心，將由水位傳感器采集的模擬信號，進行a/d轉(zhuǎn)換，經(jīng)單片機處理，若數(shù)據(jù)超出水位的上下限則產(chǎn)生警報。水情數(shù)據(jù)經(jīng)單片機處理，使用gsm模塊，以短信的形式，通過gsm網(wǎng)絡(luò)向數(shù)據(jù)采集控制管理中心（上位機）發(fā)送。圖1.1給出

7、了系統(tǒng)的整體框圖，基于以上原理，此次設(shè)計的主要工作內(nèi)容如下：1、設(shè)計制作以單片機為核心的數(shù)據(jù)采集、處理、報警、發(fā)送電路。2、熟悉gsm網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議和gsm網(wǎng)絡(luò)的短信形式的通信過程。3、遠端水情數(shù)據(jù)采集終端（下位機）的硬件編程。圖 1.1 系統(tǒng)總體框圖25第2章 gsm概述2.1 gsm技術(shù)簡介及其技術(shù)特點計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展給水文檢測技術(shù)提供了更加快捷、可靠、方便的數(shù)據(jù)采集、處理和遠程傳輸?shù)氖侄?。gsm技術(shù)即是近幾年受到人們普遍關(guān)注的新技術(shù)之一3。gsm(global system for mobile communications)系統(tǒng)是歐洲郵電管理委員會(cept)下屬的移動通信特

8、別小組，從1992年起開始制定，并在1998年頒布實施的新的數(shù)字式蜂窩移動通信標準，也即我們目前所說的第二代移動通訊技術(shù)。它是目前基于時分多址技術(shù)的移動通訊體制中比較成熟、完善、應(yīng)用最廣泛的一種系統(tǒng)。目前已建成的覆蓋全國的gsm數(shù)字蜂窩移動通信網(wǎng)，是我國公眾通信網(wǎng)的主要方式。gsm 系統(tǒng)除了具有一般數(shù)字系統(tǒng)所有的容量大、業(yè)務(wù)類型多、設(shè)備小型化、成本低、服務(wù)質(zhì)量好、安全性能好等優(yōu)點外，還有本身的一些特點。其一，該標準允許移動用戶進行全球漫游及非嚴格的小區(qū)交接。其二，gsm的協(xié)議使得呼叫控制過程類似isdn(integrated services digital network)以便與isdn 兼

9、容，并且又包括了與蜂窩通信有關(guān)的特別功能，如本地登記和小區(qū)交接。gsm 標準提供的數(shù)字化端到端的連接等。這一系統(tǒng)主要提供話音、短信息、數(shù)據(jù)等多種業(yè)務(wù)。目前水情數(shù)據(jù)的傳輸主要靠有線撥號通信、無線超短波通信以及衛(wèi)星通信等通信方式進行傳遞。有線通信是利用電信公司的有線電話網(wǎng)絡(luò)進行傳遞，傳遞過程中，若遇暴雨洪水等惡劣天氣特殊情況會出現(xiàn)通信線路的中斷等現(xiàn)象，水情數(shù)據(jù)將無法進行傳遞，另外通信費用比較高。無線通信主要用在丘陵和高原地區(qū)，依靠短波電臺進行傳遞。這種傳遞方式靠電離層或地面的反射，也受天氣情況、地理環(huán)境等因素影響，通信效果不夠理想。在平原地區(qū)，主要靠超短波電臺進行傳遞，是目前較為理想的傳遞方式，但

10、其投資費用較大、維護費用較高，若在丘陵和高原地區(qū)采用此種通信方式，須架設(shè)中繼站，將增加投資費用。衛(wèi)星通信是通信效果最為理想的傳遞方式，但其投資費用昂貴，需要國家統(tǒng)一考慮。那么就需要尋求一種通信方法既能降低水情數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁M用，又能克服各種不利因素的影響，于是我們采用了移動通信運營商提供的“短消息服務(wù)”，利用gsm網(wǎng)絡(luò)的特點來完成水情數(shù)據(jù)的采集。在gsm網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，兩個gsm通信設(shè)備之間在全國乃至全球范圍內(nèi)可以通過短消息服務(wù)中心直接發(fā)送中、英文字符和數(shù)據(jù)。利用移動通信運營商提供的服務(wù)，建立水情數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。近年來，gsm網(wǎng)絡(luò)在全國范圍內(nèi)實現(xiàn)了聯(lián)網(wǎng)和漫游，具有網(wǎng)絡(luò)能力強的特點，擁護無需另外組網(wǎng)，在極大提

11、高網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的同時為客戶節(jié)省了昂貴的建網(wǎng)費用和維護費用。同時，它對用戶的數(shù)量也沒有限制，克服了傳統(tǒng)的專網(wǎng)通信系統(tǒng)投資成本大，維護費用高，且網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的覆蓋范圍和用戶數(shù)量有限的缺陷。比起傳統(tǒng)的集群系統(tǒng)在無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋上具有無法比擬的優(yōu)勢，加上gsm的sms本身具備的數(shù)據(jù)傳送功能，都使得這些應(yīng)用得到迅速的普及。因此，短信息服務(wù)（sms）作為gsm網(wǎng)絡(luò)的一種基本業(yè)務(wù)已得到越來越多的系統(tǒng)運營商和系統(tǒng)開發(fā)商的重視4。市場上提供的gsm通信模塊是經(jīng)過多種實際應(yīng)用而改進的通用產(chǎn)品，它具有成本低、功能強大、配置靈活、開發(fā)方便快捷和貨源充足等優(yōu)點，所以以gsm網(wǎng)絡(luò)作為數(shù)據(jù)無線傳輸網(wǎng)絡(luò)，以短消息作為數(shù)據(jù)傳輸方式，可

12、以開發(fā)出前景極其樂觀的各類應(yīng)用。2.2 sms技術(shù)簡介及其技術(shù)規(guī)范短消息服務(wù)(sms)是gsm技術(shù)應(yīng)用的一項重要內(nèi)容，它具有一些突出特點如：一次可傳輸140個字節(jié)的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的內(nèi)容可以是字符或數(shù)字；可以在gsm網(wǎng)絡(luò)內(nèi)端對端傳輸，還可以從gsm網(wǎng)絡(luò)外(如互聯(lián)網(wǎng))發(fā)送短消息給一個端點站；短消息通過設(shè)在移動通信部門的短消息中心(msc)用gsm系統(tǒng)的信令信道傳送，與語音信道不沖突，即使終端處在通話狀態(tài)下也可進行傳送；在短消息傳送過程中，不進行呼叫連接建立和釋放的過程；msc具有短消息的存儲功能，在終端設(shè)備關(guān)機時，可以保持消息在一定時間內(nèi)有效等。利用這些特點，及其雙向傳輸?shù)男阅?，可方便地實現(xiàn)對于采集站

13、設(shè)備的信息采集和遠程控制，即實現(xiàn)遙測和遙控9。短消息業(yè)務(wù)是gsm/dcs1800系統(tǒng)中唯一不需要建立端到端業(yè)務(wù)通道服務(wù)。點對點短消息是以任意形式的字母數(shù)字串，通過數(shù)字控制信道傳送的。空閑時占用獨立專用控制信道(sdcch)，信息速率為782b/s；通話時占用慢速隨路控制信道 (sacch)，信道速率為383b/s。為了避免時延過長，以及對這些爭搶接入信道負荷過大，每條短消息最大幀長度為140個字節(jié)(按ascii字符7bit編碼為160個字符)。因此可以在任何時候發(fā)送或接收短消息的傳輸協(xié)議數(shù)據(jù)單元tpdu(transport protocol data unit)， 無論話音或數(shù)據(jù)通信是否正在進

14、行。由于公眾gsm網(wǎng)絡(luò)在全球范圍內(nèi)實現(xiàn)了聯(lián)網(wǎng)和漫游，建立gsm系統(tǒng)不須再組建專用通信網(wǎng)絡(luò)，所以具有實時傳輸數(shù)據(jù)功能的短消息應(yīng)用將可以做成傳輸各種檢測、監(jiān)控數(shù)據(jù)信號和控制命令的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，可以廣泛用于包括水文檢測在內(nèi)的遠程監(jiān)控、定位導(dǎo)航等。 按照短消息10的技術(shù)規(guī)范可分為小區(qū)廣播短消息(cbs)和點到點短消息，通常提到的短消息業(yè)務(wù)主要是指點到點短消息。本文所提到的短消息業(yè)務(wù)就是指點對點短消息業(yè)務(wù)。點對點短消息（sms）業(yè)務(wù)是在gsm phasel標準中引入的，由于短消息業(yè)務(wù)采用的是存儲轉(zhuǎn)發(fā)模式，短消息被發(fā)送出去后先存儲在短消息業(yè)務(wù)中心，再由短消息業(yè)務(wù)中心根據(jù)尋找的目標移動終端的路由信息發(fā)送非目

15、標移動終端。因此gsm短消息的傳遞是有保證的。即使一個目的移動終端不可達（比如關(guān)機），網(wǎng)絡(luò)也會保留發(fā)給它的消息并當(dāng)該移動終端又出現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)中后傳遞信息。短消息的發(fā)送方式取決于網(wǎng)絡(luò)中短信中心（smsc）能支持的借口。歐洲電信標準化協(xié)會（etsi）制定的短消息發(fā)送協(xié)議定義了三個接口協(xié)議：塊模式、pdu模式和文本模式，用于移動臺和終端設(shè)備之間通過異步接口傳遞短信息數(shù)據(jù)。塊模式（block mode）：塊模式是一個二進制協(xié)議，用于移動臺和smsc之間的短消息傳輸?shù)膒du封裝。包括了差錯檢測，適用應(yīng)用于移動臺之間鏈路容易出錯的情況。應(yīng)用部分的二進制串應(yīng)包含報頭和短消息pdu。pdu模式（pdu mode）

16、：pdu模式和文本模式很相似，區(qū)別只是它將組裝短消息tp 以的任務(wù)留給應(yīng)用系統(tǒng)完成。該模式使at指令集能方便地組構(gòu)更多復(fù)雜的pdu，例如既可以傳遞二進制數(shù)據(jù)又可以傳送字符數(shù)據(jù)。這種模式給at指令集帶來了方便。文本模式（text mode）：文本模式是在為gsm修改的at指令集的基礎(chǔ)上定義的基于字符的協(xié)議。適合非智能終端或終端仿真器。應(yīng)用軟件把純文本消息傳給通信設(shè)備，由通信設(shè)備來構(gòu)造tpdu。文本模式提供的功能比塊模式和pdu模式少。在文本模式下，短消息對擴展字符的能力有限。text模式只能發(fā)送普通的ascii字符，而要發(fā)送圖片、鈴聲、其他編碼的字符（如中文）就必須采用pdu模式，對sms的各種

17、操作通過at指令進行，at指令是由etsi為gsm通訊研制的通訊協(xié)議。2.4 at 指令單片機與gsm模塊之間采用gsm07.05指令實現(xiàn)互相間的通信，因此表1中列出了相關(guān)的gsm at指令6。表2.1 gsm07.05常用at指令at 指令功能ate0resetat+csca設(shè)置短消息中心at+csms選擇短消息服務(wù)at+cmgc發(fā)出一條短消息命令at+cmgs發(fā)送短消息at+cmgw向sim內(nèi)存中寫入待發(fā)消息at+cmgd刪除sim卡內(nèi)存的短消息atz；e回車at+cmgf選擇短信息格式at+crc蜂窩結(jié)果代碼功能at+cbst傳輸類型選擇功能ats0自動應(yīng)答功能at+cnmi新信息指示功

18、能at+csns單個電話號碼表功能ath掛機命令功能2.5短信的接收與發(fā)送根據(jù)gsm 07.05的定義，sms短信息的發(fā)送和接受模式共有三種：block模式、基于at命令的texe模式和基于at命令的pdu模式。使用block模式需要模塊生產(chǎn)廠家提供驅(qū)動支持；而用語中英文短信息傳送應(yīng)使用pdu模式，只傳送英文短信息（純文本格式）使用text模式。text模式的短信息發(fā)送和接收比較簡單17。根據(jù)gsm 07.05的定義，只要控制器通過uart接口向gsm模塊下發(fā)at 命令，就可以直接收發(fā)短信息，以下給出了收發(fā)的案例：（1）設(shè)置短信息中心 at+csca=“+8613800411500”； 其中+

19、613800411500為大連地區(qū)短信息中心號碼，每個地區(qū)都不同。（2）設(shè)置短信息發(fā)送格式 at+cmgf=0/1；0代表pdu模式，1代表text模式。（3）接收短信息，假設(shè)索引序號index=3 at+cmgr=3；返回如下信息： “rec unread”，“+8613947132237”，“07/06/20，9：20”，water level；(4) 發(fā)送短消息at+cmgs=“+8613947132237”crwater level；其中+8613947132237為中心站地址，water level為短信息內(nèi)容。本設(shè)計將根據(jù)具體的情況采用gsm的相關(guān)命令。第3章 系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計3

20、.1系統(tǒng)的總體描述本設(shè)計的內(nèi)容是基于gsm的水情采集系統(tǒng)的一個采集終端，系統(tǒng)的功能框圖如圖1.1所示。功能結(jié)構(gòu)上主要包括現(xiàn)場水情數(shù)據(jù)采集，12位的a/d轉(zhuǎn)換，單片機，gsm通信模塊，外部時鐘等單元。水情數(shù)據(jù)經(jīng)a/d轉(zhuǎn)換送到單片機處理，并以短信的形式發(fā)送給控制管理中心，系統(tǒng)的電路原理圖在附錄1中給出。3.2單片機的選擇由于系統(tǒng)的核心控制是由單片機來完成的，包括啟動a/d轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)處理，同時將水情數(shù)據(jù)以短信的形式發(fā)送給控制管理中心，因此單片機相當(dāng)于應(yīng)用層3。這里采用atmel公司生產(chǎn)的低電壓、高性能8位cmos單片機at89c52。該單片機片內(nèi)兼容標準mcs-51指令系統(tǒng)；含有8k bytes的可

21、反復(fù)擦寫1000次的flash程序存儲器；有256 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（ram）；正常工作頻率024mhz；8個中斷源，3個16位可編程定時計數(shù)器；2個外中斷口，2個全雙工串行通信口，2個讀寫口線。單片機的外圍電路包括a/d轉(zhuǎn)換電路、時鐘電路、串口電路。在本系統(tǒng)中，全部程序?qū)懙絻?nèi)部flash中，不需要外擴展程序存儲器，從而減小了系統(tǒng)硬件的體積。3.3 a/d轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計電路中使用a/d轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集，由于被監(jiān)控的水域范圍很大，同時對水位等數(shù)據(jù)測量精度要求不太高，但水情有季節(jié)性的突發(fā)情況，max1247的高速采樣速率可以為出現(xiàn)突發(fā)情況采集處理留有余地15。由于遠端數(shù)據(jù)采集

22、終端處于惡劣的環(huán)境中，對工作溫度的范圍和功耗提出了特殊的要求，max1247的低功耗和工作溫度范圍可以滿足要求。max1247是美國maxim公司生產(chǎn)的一種新型12位a/d轉(zhuǎn)換器，他帶有一個四通道的復(fù)用器，一個高帶寬的采樣/保持器，可采用spi總線結(jié)構(gòu)與單片機相連，其供電電壓在+2.7+5.25v之間,可實現(xiàn)4路或2路的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,并可通過軟件實現(xiàn)多種轉(zhuǎn)換模式。其主要特點如下：（1） 單一電源供電（+2.7+5.25v）；（2） 逐次逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片；（3） 4線串行接口；（4） 內(nèi)部自帶與微處理器的串行借口spi；（5） 可以在連續(xù)轉(zhuǎn)換模式下對外部4通道模擬輸入信號進行順序轉(zhuǎn)換，或者構(gòu)成2路

23、差動模擬信號輸入；（6） 內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊，集成度高，工作性能好；（7） 低功耗，處于掉電模式耗電僅1ua,工作在1kps時工作電流60ua；（8） a/d轉(zhuǎn)換時間：7.5us；采樣保持時間：1.5us；（9） 工作溫度的范圍：-60+150。max1247有4種工作模式，具體說明如下:（1） uni/bip(單極性/雙極性):在uni模式下,模擬輸入的信號量可在0vvref之間，而在bip模式下,模擬輸入的信號量在-vref/2+vref/2之間；（2） full power-down/fast power-down：掉電模式；（3） internal clock mode/external c

24、lock mode(內(nèi)部時鐘/外部時鐘)：在外部時鐘模式下，外部時鐘不僅要控制數(shù)據(jù)的移入和移出，而且要驅(qū)動模數(shù)轉(zhuǎn)換，并要求模數(shù)轉(zhuǎn)換必須在一定的時間內(nèi)結(jié)束，否則將使轉(zhuǎn)換結(jié)果降低；在內(nèi)部時鐘模式下，芯片將自動生成轉(zhuǎn)換用時鐘，這使得單片機不用主動生成轉(zhuǎn)換用時鐘，便可將轉(zhuǎn)換結(jié)果讀入（讀入讀出時鐘可在02mhz范圍之內(nèi)）；（4） single-edn/differential：在single-ended模式下，輸入信號電壓量和com口構(gòu)成相對電壓，在differential模式下，ch0/ch1間也將構(gòu)成差分輸入，ch2/ch3間也將構(gòu)成差分輸入，因而在single模式下，最大可構(gòu)成四路模擬量輸入，而在

25、differential模式下，最大可構(gòu)成四路模擬量輸入。模數(shù)轉(zhuǎn)換的開始和結(jié)束：當(dāng)為低時，通過將一個控制字節(jié)由clk端送入din腳，可以將第一個到達的邏輯“1”位定義為控制字開始（msb），控制字的格式如下：表3.1 控制字的格式位7msb位6位5位4位3位2位1位0lsbstartsel2sel1sel0uni/bipsgl/difpd1pd0對控制字的解釋見表3.2所列。當(dāng)芯片接受到該控制字后，器件開始進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，在經(jīng)過一段時間的延時后，再接收rout上的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)為所轉(zhuǎn)換的數(shù)字量，把拉高，將結(jié)束本次轉(zhuǎn)換過程。以下將對控制字的各位作出詳細的解釋：位7（start）：當(dāng)選通后，該位為1表

26、示一個控制字的開始。位6（sel2）、位5（sel1）、位4（sel0）：這三位賦以不同的值對四個通道（ch0，ch1，ch2，ch3）進行選擇，決定哪一個通道在本次轉(zhuǎn)換中使用，具體參照表3.2。位3（uni/bip）：1=uni（單極性轉(zhuǎn)換）；0=bip（雙極性轉(zhuǎn)換）。位2（sgl/dif）：1=sngle-ended（單極性輸入模式）；0=differential（雙極性輸入模式）。位1（pd1）、位0（pd0）：這兩位決定掉電模式和時鐘模式，具體情況參見表3.3。表3.2 通道選擇 單通道模式sel2sel1sel0ch0ch1ch2ch3com001+-101+-010+-110+-差

27、分輸入模式sel2sel1sel0ch0ch1ch2ch3001+-101+-010-+110-+表3.3 時鐘模式和掉電模式 pd1pd0模式00完全掉電模式01快速掉電模式10內(nèi)部時鐘模式11外部時鐘模式max1247與單片機的連接8詳見圖3.1。其中p1-1為片選端，p1-0為時鐘輸入端，p1-2為數(shù)據(jù)輸入端，p1-3為數(shù)據(jù)輸出端。圖3.1 max1247與單片機的硬件連接圖模擬量與數(shù)字量的關(guān)系是:對于bip模式，其輸入模擬量的電壓范圍為一vref+vcom+vref+vcom，將該電壓范圍分成4096等份，則1lsb=vref/4096，相應(yīng)的數(shù)字電壓范圍為000fff，例如:000代

28、表vcom，fff代表十vref+vcom。對于uni模式，其輸入模擬量的電壓范圍為vcom-vref+vcom，將該電壓范圍分為4096等份，則i lsb=vref/4096，相應(yīng)的數(shù)字電壓范圍為000fff，例如:000代表vcom，fff代表+vref+vcom。數(shù)字量的輸出:max 1247一共輸出兩個字節(jié)，每個字節(jié)都是高位在先，其結(jié)構(gòu)如下：b11b10b9b8b7b6b5b4b3b2b1b0其余添03.4 時鐘電路的設(shè)計單片機和gsm的基準時鐘采用美國maxim公司的ds12887。其主要特性如下： 1. 直接替換ibm a't計算機的時鐘/日歷，與mc146818b和ds1

29、2887管腳兼容，在掉電方式下持續(xù)工作十年以上；2. 內(nèi)部包含鋰電池，時鐘和輔助電路系統(tǒng)，記量秒、分、小時、星期、日期、月、年和潤年直到2100年；3. 用二進制或bcd碼表示時間，日歷和鬧鐘，12或24小時方式，有上下午的12小時方式，夏時制方式；4. 可選擇使用motorola或intel總線時序，地址、數(shù)據(jù)管腳復(fù)用，128字節(jié)ram空間，15字節(jié)用于時間和控制寄存器，113字節(jié)用于普通用途；5. 可編程方波輸出信號，總線兼容的中斷信號(irq)，可分別通過軟件屏蔽的三個中斷：(1)鬧鐘、每秒或每天，（2） 122ms500ms周期性中斷， (3)時鐘更新周期結(jié)束；6. 具有存儲世紀數(shù)據(jù)的

30、寄存器。本系統(tǒng)之所以采用ds1288711是由于在本系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集終端長時間無人值守，需要進行長達幾小時的定時操作。若采用單片機計時，一方面需要采用計數(shù)器，占用硬件資源，另一方面需要設(shè)置中斷、查詢等，同樣耗費單片機的資源。而在系統(tǒng)中采用ds12887則能很好地解決這個問題。該芯片有128字節(jié)ram空間中，113字節(jié)用于普通用途；可以將采集到一定時段的數(shù)據(jù)存放在113字節(jié)的空間中，下一時段的數(shù)據(jù)覆蓋上一時段的數(shù)據(jù)。節(jié)省了單片機的存儲空間，也不需外加存儲器。同時，該芯片在掉電情況下連續(xù)工作十年以上，為終端的時鐘可靠性提供了保障，而且ds12887記錄時間信息詳細，可持續(xù)到2100年，為系統(tǒng)的時間

31、記錄提供保證。ds12887的ad0ad7分別與at89c52的p00p07相連，rd、wr、ale、分別與at89c52的對應(yīng)引腳相連，與at89c52的p27腳相連。3.5 gsm模塊gsm無線通信控制終端的通信接口采用目前在市場上提供的可供二次開發(fā)的標準的gsm模塊，在我們設(shè)計的gsm無線通信控制終端中，采用的gsm通信模塊為wism02c12雙頻gsm/gprs模塊，wism02c是wavecom推出的符e-gsm900/gsm 1800標準的第二代無線雙頻無線模塊。其中尺寸而緊湊(58.3mmx32.2mmx60mm )，使用3.6v標準電源，具備egsm/2w、dcs/1w發(fā)射功率

32、，對模塊本身采取了完全的電磁屏蔽措施，并提供標準uart串行接口，數(shù)字基帶處理部分采用0.35um混合vlsi coms工藝。wismo-w2c雙頻模塊的性能如下：（1） egsm900/egsm 1800或egsm900/1900mhz，語音編解碼三為一體，體積小及耗電量低；（2） 話音，傳真，短信息及數(shù)據(jù)功能，為特寫應(yīng)用設(shè)計的at命令遙控系統(tǒng)；（3） 己通過 gsm phase2+技術(shù)標準的所有認真，全屏蔽及即裝即用。wismo-w2c雙頻模塊的主要功能有：話音功能、gsm電路數(shù)據(jù)傳真功能、gprs數(shù)據(jù)傳輸功能、短信息服務(wù)功能(gsm或gprs狀態(tài))。模塊的接口協(xié)議為：單一900及1800

33、/ 1900mhz天線接口，單一板對板60接腳連接器包括：電源接口、sim檢查器應(yīng)用于3v sim介面、通用串連介面、rs-232串連口支持、用at命令作遙控(gsm07.07及07.05)、串連比特率由300至115200 bits、自動比特率(300至38400bibs)。3.6 水位傳感器水位測量主要依靠水位傳感器實現(xiàn)。目前采用的水位傳感器主要有浮子式傳感器、壓力式水位傳感器和超聲波水位傳感器。壓力式水位傳感器采用擴散型硅壓阻傳感器作為敏感元件，內(nèi)含溫度補償功能，因此測量精度高，但對泥沙含量大的水流，測量精度會受到影響；超聲波水位傳感器為非接觸式水位測量裝置，不怕淤積、腐蝕，但價格高，精

34、度受氣候、波浪等外界因素的影響，且存在一定的測量盲區(qū)。浮子式水位傳感器結(jié)構(gòu)簡單，使用及維修方便，但穩(wěn)定性較差。根據(jù)系統(tǒng)實際需求，考慮測量精度要求、價格承受能力、安裝維護方便、運行可靠安全等多方面因素，本系統(tǒng)選用上海布朗電子科技有限公司設(shè)計的abm400-25u超聲波液位傳感器13。abm400-25u超聲波液位傳感器是針對水位遙測站、水電站及各類水庫上下游水位的監(jiān)測而設(shè)計的。測量原理為利用回波波形的提取技術(shù)來測量在氣體中傳播的超聲波脈沖的回波時間，超聲波發(fā)射和反射的行程所需要的時間和測量距離成正比。此水位傳感器的技術(shù)指標為：(1)檢測量程：0.4-27.4m；(2)超聲波頻率：25khz；(3

35、)分辨率：10mm；(4)空載電流：50ma；(5)工作電壓：220vac 50hz；(6)精度：士0.25%的滿量程；(7)壓力范圍：1-l0bar；(8)開關(guān)頻率：1hz；(9)模擬輸出：4-20ma標準模擬量信號；(10)環(huán)境溫度：-40-60 。第4章 系統(tǒng)的軟件程序設(shè)計4.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計本系統(tǒng)軟件設(shè)計思想為：系統(tǒng)上電復(fù)位后，先對各模塊初始化，其中包括單片機、a/d轉(zhuǎn)換max1247、時鐘芯ds12887和gsm通信模塊wism02c，以確定定時參數(shù)、復(fù)位周期、主頻、波特率、輸出特性等。啟動定時采樣時序開始以一定頻率采集水位數(shù)據(jù)，對采集數(shù)據(jù)進行數(shù)字平滑濾波處理，以減小隨機干擾和測量

36、誤差，將其存儲在時鐘芯片ds12887的113字節(jié)ram中，再將其與安全限標定值比較，若超出預(yù)定安全水位上下限，立即給數(shù)據(jù)控制中心發(fā)送該數(shù)據(jù)。否則，將該數(shù)據(jù)進行處理，通過gsm通信模塊wism02c發(fā)送到控制中心14。主程序模塊功能及程序的設(shè)計思想是：系統(tǒng)上電，對單片機、a/d轉(zhuǎn)換max1247、時鐘芯片ds12887進行復(fù)位。然后執(zhí)行初始化模塊，對單片機本身、a/d轉(zhuǎn)換max1247、時鐘芯片ds12887和gsm通信模塊wism02c初始化。再分別對單片機與各個器件之間的通信進行編程，設(shè)計各個通信子模塊。以下給出主程序的流程圖。圖 4.1 主程序流程圖4.2 a/d轉(zhuǎn)換程序設(shè)計max 12

37、47與at89c52連接，詳細見圖3.1。其中p11為片選端，p10為時鐘輸入端，p12為數(shù)據(jù)輸入端，p13為數(shù)據(jù)輸出端。a/d轉(zhuǎn)換max 1247正常工作前要對其進行正確初始化，選擇極性轉(zhuǎn)換、掉電模式、時鐘模式、輸入模式。在片選為低電平時，max 1247通過設(shè)置控制字來進行初始化。以下是其采集一路信號的流程圖。圖4.2 采集一路模擬信號的流程圖4.3 時鐘電路程序設(shè)計轉(zhuǎn)換時鐘取自于內(nèi)部的時鐘發(fā)生器。這是一種轉(zhuǎn)換時鐘與串行數(shù)據(jù)移位鎖定時鐘相分離的模式，可以讓cpu以0mhz2mhz之間的任意時鐘速率自由地讀取轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)結(jié)果。在轉(zhuǎn)換啟動時sstrb變低，轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)被保持在內(nèi)部寄存器中。經(jīng)過最

38、大轉(zhuǎn)換時間7.5us后，sstrb上升為高。在此期間，為降低噪聲干擾，sclk需保持為低。保持在內(nèi)部寄存器中轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)結(jié)果，可以在sstrb變高后的12個sckl時鐘的下降沿，在dout逐位串行輸出。在內(nèi)部轉(zhuǎn)換模式下，一旦轉(zhuǎn)換啟動，不必一定保持為低。此間可將推高以保護鎖入的數(shù)據(jù)并使dout轉(zhuǎn)為三態(tài)而不影響內(nèi)部轉(zhuǎn)換的進行。圖4.2是采集一路模擬信號的流程圖。ds12887的ad0ad7分別與at89c52的p00 p07相連，rd、wr、ale、分別與at89c52的對應(yīng)引腳相連，與at89c52的p27腳相連。ds12887的時間、日歷和鬧鐘區(qū)域可以通過讀相應(yīng)的存儲器獲得時間、日歷信息。通過

39、寫相應(yīng)的存儲器設(shè)置時間、日歷和鬧鐘。所有的地址包括114字節(jié)的通用ram ，10字節(jié)用于時間、日歷、鬧鐘，以及4字節(jié)控制、狀態(tài)ram。114字節(jié)的非易失性通用ram沒有特殊功能，可以在任何時候讀寫。ds12887有四個控制寄存器，它們可以在任何時候讀寫。ds12887的c驅(qū)動程序9設(shè)計思想是：在設(shè)置系統(tǒng)時間和啟動時鐘時，先設(shè)置a寄存器=0x70，b寄存器=0xa2；然后在設(shè)a寄存器=0x22， b寄存器=0x20016。其流程圖見圖4.3。圖4.3 ds12887初始化流程圖4.4 gsm通信模塊程序設(shè)計單片機和wismo-w2c18通過串口max232直接通信。單片機通過at指令控制wism

40、o-w2c執(zhí)行短信發(fā)送的功能。對于gsm通信模塊wismo-w2c，短消息模式選擇text模式，自動應(yīng)答數(shù)據(jù)率為9600bps。單片機和wismo-w2c通信編程流程圖如圖4.4所示。圖4.4 單片機和wismo-w2c通信編程流程圖4.5 定時器1中斷程序設(shè)計當(dāng)t1定時器每隔20ms產(chǎn)生計數(shù)溢出中斷后，程序進入a/d采集、處理、發(fā)送模塊中5。中斷處理程序流程圖如圖4.5所示。圖4.5定時器1中斷流程圖第5章 結(jié)論本系統(tǒng)可以完成數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)發(fā)送。根據(jù)實驗設(shè)定的通信參數(shù)，經(jīng)過進一步系統(tǒng)優(yōu)化，可以實現(xiàn)遠距離的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收工作。本課題將gsm通信技術(shù)應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集監(jiān)控傳輸系統(tǒng)設(shè)計，用gsm通信模

41、塊、單片機、a/d轉(zhuǎn)換，水位傳感技術(shù)以及現(xiàn)有的gsm網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)對遠端水情數(shù)據(jù)的自動監(jiān)測，排除了線路維護成本、受氣候條件的制約等缺點，大大提高了系統(tǒng)的可靠性，數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性比較好、數(shù)據(jù)的安全性高及易于防雷等優(yōu)點，對促進經(jīng)濟騰飛十分必要，社會效益巨大。也為進一步開展遠程數(shù)據(jù)傳輸控制領(lǐng)域的研發(fā)工作奠定了基礎(chǔ)。遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是綜合地理、電子、電信、傳感器和計算機等多學(xué)科的有關(guān)最新成果。改變了以往僅靠人工測量數(shù)據(jù)的落后狀況，擴大了預(yù)報范圍，對江河流域和水庫安全度汛和電廠經(jīng)濟運行以及水資源合理利用等方面都能發(fā)將重大作用。 這在以后的設(shè)計中會加以考慮。通過本課題的全部設(shè)計過程，學(xué)到了很多科學(xué)研究的方法，

42、大大提高了本人的科學(xué)研究素質(zhì)，為今后獨立開展研究工作奠定了扎實的基礎(chǔ)。謝 辭 本文的工作是在指導(dǎo)老師董玉華老師的悉心指導(dǎo)和鼓勵下完成的。導(dǎo)師敏銳的洞察力、嚴謹?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和感人的敬業(yè)精神使作者受益非淺。在我做本設(shè)計期間，得到董玉華老師的悉心指導(dǎo)和關(guān)懷。董老師的為人深深感染著我。開朗樂觀，務(wù)實治學(xué)態(tài)度，對工作的認真負責(zé)，在董老師身上如此完美地體現(xiàn)出來，讓我們學(xué)生感動之余學(xué)習(xí)到了很多。相信這段時期的學(xué)習(xí)為我以后的事業(yè)、生活打下了堅實的基礎(chǔ)，這都得益與董玉華老師。在此，謹向董老師表示衷心的感謝，感謝他對我關(guān)懷，理解，寬容和殷切的期望! 同時，還要衷心地感謝肖瑛老師，她為我在課題研究中給我以認真的指導(dǎo)，

43、令我獲益很多。在本次畢業(yè)設(shè)計過程中，實驗室的老師們?yōu)槲覀儺厴I(yè)生提供了充足的實驗設(shè)備，在此向這些老師表示感謝！在四年的大學(xué)學(xué)習(xí)期間，始終得到機電信息工程學(xué)院的老師們，特別是通信教研室的老師們的熱情幫助，在此向幫助過我的老師們表示最真誠的謝意！參考文獻1羅翼，張宏. pic單片機應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)典型實例m. 北京：中國電力出版社，2005.2姜志海，黃玉清，劉連鑫，馮占英. 單片機原理及應(yīng)用m. 北京：電子工業(yè)出版社，2005.3徐維祥，劉旭敏. 單片微型機原理及應(yīng)用m. 大連：大連理工大學(xué)出版社，2003.4郭梯云等.移動通信m.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2001.5李朝青. 單片機&d

44、sp外圍數(shù)字ic技術(shù)手冊m. 北京：北京航空航天大學(xué)出社，2003.6 wavecom. at commands interface，version:9.0，2001.7胡偉. 單片機c程序設(shè)計及應(yīng)用實例m. 北京：人民郵電出版社，2003.8清源計算機工作室.protel99se電路設(shè)計與仿真m.北京:機械工業(yè)出版社2001.9譚浩強編著.c程序設(shè)計m.北京:清華大學(xué)出版社，1999.10 曹志剛，錢亞生.現(xiàn)代通信原理m.北京:清華大學(xué)出版社，2000.11maxmim ds12887 real-time clock.12wismo quik q2403 series product spe

45、cification，2002.13上海布朗電子科技有限公司abm40。超聲波液位傳感器安裝和使用手冊.14胡偉，季曉衡.單片機c程序設(shè)計及應(yīng)用實例m.人民郵電出版社，2003.15習(xí)房小翠，王金鳳.單片機實用系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)m.北京:國防工業(yè)出版社，1999.16李華，孫曉民.msc-51系列單片機實用接口技術(shù)m.北京航空航天大學(xué)出版社，1993.17馬潮，嵌入式.gsm短信息接口軟硬件設(shè)計. 17d. l. campbell. how customer need focused the development of a new remote terminal unit line vol. 1i

46、ssue: 3.18h. l. smith, t. j. modzelewski. enhancing energy management systems with advanced capabilities. t. j. vo1. 2issue: 4.附錄一 部分程序清單系統(tǒng)的主要程序清單/主程序7main()initial(); /初始化 wait(); /延時 adc(); /a/d采集數(shù)據(jù)sendm(); /發(fā)送短信 tx_data(); /發(fā)送數(shù)據(jù)流/延時子程序void wait() /okunsigned int i; for(i=0;i<6000;i+);/a/d數(shù)據(jù)采集/

47、*max1247的a/d轉(zhuǎn)換，其中p1_1為片選端，p1_0為時鐘輸入端，p1_2為數(shù)據(jù)輸入端，p1_3為數(shù)據(jù)輸出端*/unsigned char adc()unsigned int j,i;unsigned char adcadres;unsigned char adcadrestrfe;unsigned char strdata;unsigned char dataw12;p1_1=0;p1_0=0;adcadres=0x90; /送控制命令字節(jié)for(i=0;i<8;i+)finddata=0;adcadrestrfer=adcadres;adcadrestrfe=(adcadre

48、strfer>>(7-i)&0x01;p1_2=adcadrestrfer; /右移一次，送到p1_2口 p1_0=0; /此處作為送時鐘信號 for(j=0;j<2,j+); /空操作，延時 p1_0=1;for(j=0;j<2;j+); p1_0=0; /時鐘信號周期等于執(zhí)行4條指令的時間 p1_1=0; for(j=0;j<2;j+); p1_1=0; strdata=0;p1_0=1;for(j=0;j<12;j+) p1_0=0; p1_0=1;strdata=p1_2;strdata=strdata<<(11-j);dataw

49、j=datawjstrdata;strdata=datawj;for(j=0;j<4;j+)p1_0=0;p1_0=1; p1_1=1;finddata=1; return(finddata);/ds12887的c驅(qū)動程序#define p128870 xbyte0xa000#define p128871 xbyte0xa001#define p128872 xbyte0xa002#define p128873 xbyte0xa003#define p128874 xbyte0xa004#define p128875 xbyte0xa005#define p128876 xbyte0xa

50、006#define p 128877 xbyte0xa007#define p128878 xbyte0xa008#define p 128879 xbyte0xa009#define p 12887a xbyte0xa00a#define p12887b xbyte0xa00b#define p12887c xbyte0xa00c#define p12887d xbyte0xa00d#define p 12887e xbyte0xa00e#define p 12887f xbyte0xa00fvoid setup12887(unsigned char *p) /設(shè)置系統(tǒng)時間unsigned char i;i=p12887d; p12887a=0x70; p12887b=0xa2; p128870=*p+; p128871=0xff;p128872=*p+;p128873=0xff; p128874=*p+; p128875=0xff; p128876=*p+; p128877=*p+;p128878=*p+; p128879=*p+; p12887b=0x22; p12