基于FPGA的802.3幀同步設計

摘要目前GSM(GlobalSystemforMobileCommunication)移動通信技術(shù)，紅外技術(shù)和藍牙技術(shù)是世界上比較流行的無線數(shù)據(jù)通訊技術(shù)。GSM系統(tǒng)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、應用最廣泛的一種系統(tǒng)。隨著我國移動通信技術(shù)的不斷發(fā)展，語音通信和短消息通信作為GSM系統(tǒng)中最基本的通信方式，正進入快速增長的時期，利用移動通訊技術(shù)實現(xiàn)遠程控制己經(jīng)有著越來越廣闊的理論和實踐研究價值。圍繞“單片機控制GSM模塊收發(fā)短信”這一熱點課題，本文闡述了相應的GSM無線終端的設計方案，在設計中利用Atmel公司的8位單片機AT89S51和Siemens公司的GSM模塊TC35i實現(xiàn)了一款具有短信收發(fā)功能兼具有下位機采集電壓、溫度數(shù)據(jù)功能的GSM系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由TC35i及其外圍電路、單片機、LCD顯示部分、監(jiān)測電路構(gòu)成。本文首先介紹了課題的實際意義以及遠程監(jiān)測數(shù)據(jù)采集技術(shù)的現(xiàn)狀；其次對GSM中的短消息業(yè)務作了詳盡的描述，包括短消息服務種類、短信的特點、短信傳輸流程、AT指令集；然后完成了對整個系統(tǒng)的硬件、軟件設計，包括TC35i的外圍設計及單片機采集系統(tǒng)；最后通過對系統(tǒng)的調(diào)試，完成了系統(tǒng)的任務，并對課題進行了拓展。論文研究的重點是單片機如何通過控制GSM模塊實現(xiàn)短消息的發(fā)送、接收的功能。關(guān)鍵詞：TC35i；短消息；單片機；C51-PAGEIV-ABSTRACTIntheSynchronouscommunicationsystems,"synchronized"isthepremiseofinformationtransmission.Fortherecipient,simultaneouslyaffecttheprocessingsubsequentinformation,onlybygettingthecorrectframesynchronoustorestoretheframeinformation,furtheranalysisoftheframestructure,toobtaintheinformationtheyneed.Therefore,theframesynchronizationistheprerequisiteandbasisforfollow-updataprocessing,thetaskofframesynchronizationistoreignthebasisofthesynchronizationinformationtoidentifythemomentofthebeginningandtheendofframesofdigitalinformation.Inthepastfewdecadeshavebeenalotofframesynchronization,oneofthemostcommonmethodofframesynchronizationisperiodicallyinsertafixed-lengthheaderofframesynchronizationcodeinthebeginningofaconcentrated.Currently,theframesynchronizationtoachievethemaincorrelationmethodbasedonmaximumlikelihood(ML),similartothenaturalratiotestmethod.Aroundthehottopicsof"FPGA-based802.3synchronousdesign",Inthispaper,basedontheFPGAchip,throughtheresearchof802.3formattodesignthesystemofbasedon802.3FPGAsynchronization.TheSystemofresearchmainlybythedesignoftheframesynchronizationsystem,theFPGAsimulationandimplementationofseveralaspectsofcompositionof802.3synchronous.ThispaperfirstintroducestheanalysisofthepracticalsignificanceofthesubjectaswellasEthernet802.3format;Secondly,madeadetailedstudyoftheframesynchronizationalgorithmforVHDLlanguage,thencompletedthroughVHDLlanguagebasedonFPGAhardwareto802.3synchronoussystem;finallydebuggingthesystemtocompletethetaskofthesystemandmakethedevelopmentonthesubject.Thefocusofthethesisishowtomake802.3synchronizationsystembasedonFPGAdesigntasks.KeyWords：TC35i；SMS；MCU；C51目錄摘要 IABSTRACT II1.緒論 11.1研究的背景 11.2遠程監(jiān)測/數(shù)據(jù)采集技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展 11.3研究的主要內(nèi)容 22.短消息簡介 32.1GSM短消息業(yè)務介紹 32.1.1短消息業(yè)務 32.1.2短消息的特點 42.1.3短消息的工作過程 52.1.4短消息的編碼方式 62.2AT指令簡介 63.下位機系統(tǒng)硬件設計 93.1系統(tǒng)整體設計 93.2無線模塊硬件電路設計 103.2.1TC35i模塊介紹 103.2.2電源電路設計 123.2.3外圍電路設計 123.3單片機監(jiān)控系統(tǒng)硬件設計 133.3.1AT89S51單片機簡介 133.3.2信號采集電路 143.3.3LCD顯示電路及鍵盤 144.下位機系統(tǒng)軟件設計 154.1通信協(xié)議 154.2主程序設計 154.2.1總體流程圖 154.2.2模擬量采集程序設計 174.2.3數(shù)字量采集程序設計 194.2.4LCD顯示程序設計 204.3GSM模塊軟件設計 234.3.1GSM模塊初始化設計 244.3.2GSM模塊接收程序 264.3.3GSM模塊發(fā)送程序 275.實時采集系統(tǒng)的調(diào)試 295.1調(diào)試工具 295.2硬件調(diào)試 295.3軟件調(diào)試 305.4系統(tǒng)聯(lián)調(diào) 30總結(jié)與展望 31參考文獻 32附錄1外文文獻譯文 34附錄2外文文獻原文 42附錄3系統(tǒng)原理圖 43附錄4硬件實物圖 44附錄5部分程序源代碼 45致謝 53大連大學學位論文版權(quán)使用授權(quán)書 54 -PAGE42-1.緒論1.1研究的背景近年來，移動通信在全球范圍內(nèi)迅猛發(fā)展，數(shù)字化和網(wǎng)絡化已成為不可逆轉(zhuǎn)的趨勢?，F(xiàn)有的第二代移動通信系統(tǒng)到目前為止已經(jīng)相當成熟，到2006年3月末，我國己經(jīng)有移動用戶約409億，互聯(lián)網(wǎng)用戶也已經(jīng)超過1億戶。隨著移動通信技術(shù)、互連網(wǎng)技術(shù)和計算技術(shù)的飛速發(fā)展，移動通信已經(jīng)不在局限于單純的話音通信，把移動和PC結(jié)合起來已經(jīng)為不可阻擋的趨勢，于是提出了第三代移動通信系統(tǒng)的概念，其核心是寬帶寬、速率高、多媒體，并且移動通信和因特網(wǎng)在移動環(huán)境下提供服務是其主要業(yè)務特征，它將使人們的生活方式發(fā)生巨大變化，生活的自由度將會空前增加。現(xiàn)在單片機和PC及通過串行接口構(gòu)成的多微機系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應用于工業(yè)控制、環(huán)境監(jiān)測等場合，這些系統(tǒng)大多采用RS-232、RS485或是有線Modem的通信方式，雖然很經(jīng)濟適用，但是有線數(shù)據(jù)傳輸方式很大程度上限制了其使用的場合，針對這種情況，可以利用GSM網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸，在單片機系統(tǒng)里利用GSM無線模塊，結(jié)合已有的單片機系統(tǒng)通過RS-232接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。1.2遠程監(jiān)測/數(shù)據(jù)采集技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是以計算機為基礎的生產(chǎn)過程控制與調(diào)度自動化系統(tǒng)，它可以對現(xiàn)有的運行設備實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設備控制、測量以及參數(shù)調(diào)節(jié)等各項功能，與計算機軟件、信息、自動化、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡等技術(shù)的發(fā)展緊密相關(guān)。遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的通信技術(shù)是制約其應用范圍的最主要的因素，在很多情況下，通信條件的好壞直接決定數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的效率，而GSM/GPRS技術(shù)發(fā)展成熟到能夠為遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供了一種新的通信模式。從GSM/GPRS技術(shù)的特點我們看出，它具有網(wǎng)絡覆蓋范圍廣，數(shù)據(jù)帶寬寬，適應性強的優(yōu)點，可以大大地提高遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的效率。目前一般遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)受外界干擾、信速率低、誤碼率高、數(shù)據(jù)傳送量不大、信號覆蓋范圍小等不足，且需申請占用頻率資源，這在許多地區(qū)難以做到。而GSM/GPRS網(wǎng)絡經(jīng)過電信部門的多年建設，覆蓋范圍不斷擴大，己成為成熟、穩(wěn)定、可靠的通信網(wǎng)絡，為遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供了快速、廉價的最佳數(shù)據(jù)傳輸解決方案。遠程監(jiān)測是利用計算機、測量儀表、遠程通信設備對遙遠現(xiàn)場的數(shù)據(jù)進行采集、傳輸、監(jiān)控，例如，電力系統(tǒng)中發(fā)展的遠程抄表、水情部門應用的遠程水文信息采集等。隨著GSM等新型無線網(wǎng)絡的發(fā)展，基于GSM、CDMA等無線移動網(wǎng)絡的遠程監(jiān)測技術(shù)逐步壯大，成為遠程監(jiān)測領(lǐng)域的新寵[3-4]。1.3研究的主要內(nèi)容本文首先對GSM中的短消息業(yè)務作了詳盡的描述，包括短消息服務和服務要素、短信的規(guī)范與協(xié)議、短信傳輸流程、AT指令集；然后分別完成了GSM模塊外圍電路的硬件設計以及單片機監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設計；之后，在此硬件基礎上，編寫了單片機程序，包括控制GSM模塊TC35i收發(fā)短信，采集溫度、電壓信號，并通過LCD模塊進行顯示；最后對系統(tǒng)進行了調(diào)試，完成了系統(tǒng)的設計任務，并對課題進行了相關(guān)的拓展。論文研究的重點是監(jiān)控系統(tǒng)如何通過GSM技術(shù)控制短消息的發(fā)送和接收、單片機控制LCD進行顯示等等。

2.短消息簡介2.1GSM短消息業(yè)務介紹2.1.1短消息業(yè)務GSM(GlobalSystemMobileCommunication)系統(tǒng)，即全球移動通信系統(tǒng)，是由歐洲開發(fā)的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、應用最廣的一種系統(tǒng)。GSM系統(tǒng)有防盜能力佳、網(wǎng)絡容量大、手機號碼資源豐富、通話清晰、穩(wěn)定性強不易受干擾、信息靈敏、通話死角少、手機耗電量低等特點。目前我國已建成了覆蓋全國的GSM數(shù)字蜂窩移動通信網(wǎng)，是公眾陸地移動通信的主要方式。SMS是短消息服務(ShortMessageService)的簡稱，是通過手機發(fā)送和接收有限長度的文本信息的功能?；贕SM的短信息服務，是一種在移動網(wǎng)絡上傳送簡短信息的無線應用。GSM的短消息業(yè)務作為GSM數(shù)字蜂窩移動通信網(wǎng)絡的主要電信業(yè)務，通過無線控制信道進行傳輸，經(jīng)短消息業(yè)務中心完成存儲和前轉(zhuǎn)功能。它不用撥號建立連接，直接把要發(fā)的信息加上目的地址發(fā)送到短消息服務中心，由短消息服務中心再發(fā)送給最終的信宿[5-7]。短消息業(yè)務按其實現(xiàn)的方式可以分為點到點短消息業(yè)務(SMS)和小區(qū)廣播短消息業(yè)務(CBS,CellBroadcastChannel)。(1)點到點短消息業(yè)務是指一條短消息從一個實體經(jīng)SMSC(ShortMessageServiceCenter，短消息服務中心)發(fā)送到指定目的地址的業(yè)務。被發(fā)送的信息經(jīng)過編碼后最大長度為140個字節(jié)(如果按ASCII字符7bit編碼，一次最多發(fā)送160個英文字母，如果采用Unicode編碼方式則一次最多發(fā)送70個中文漢字)。點到點短消息業(yè)務的特點：短消息傳送速率低，適合于簡短消息的傳送，即使電信業(yè)務，也可以通過短信中心與增值服務平臺相連作為增值服務的載體；短消息需要在短信中心存儲轉(zhuǎn)發(fā)，實時性較弱；短消息的傳送占用控制信道，在業(yè)務量較高時，會受到無線信道的能力限制；短消息沒有對話機制，每次數(shù)據(jù)的發(fā)送或接收都要發(fā)出一次短信呼叫，因此反應較慢；點到點短消息的技術(shù)最成熟，對網(wǎng)絡改造較小，實現(xiàn)業(yè)務比較容易。(2)小區(qū)廣播短消息業(yè)務是指通過發(fā)送信息的基站向指定區(qū)域中所有短消息用戶發(fā)送短消息的業(yè)務，是在專用的小區(qū)廣播信道中發(fā)送的，其服務的對象是所有位于此小區(qū)的用戶，CBS的消息長度為83個比特或93個字母數(shù)字。中國移動和聯(lián)通己經(jīng)使用這種方式在一定的區(qū)域內(nèi)向所有GSM用戶循環(huán)發(fā)送一些具有通用性的信息，如新聞、天氣預報、交通信息、股市信息等。小區(qū)廣播短消息業(yè)務的特點：小區(qū)廣播可以通過一次操作使多個用戶同時接收到信息；用戶可以根據(jù)需要激活或取消此功能，從而有選擇地接收信息；只能播出公共信息，不能由用戶訂制信息；無法向用戶收費，但可以通過廣告服務獲得效益；適合于提供公共信息，如新聞、天氣信息等。2.1.2短消息的特點SMS具有以下幾方面的特點：(1)SMS采用的是存儲——轉(zhuǎn)發(fā)模式，即短消息被發(fā)送出去后并不是直接發(fā)送給接收方，而是先存儲在短消息服務中心，然后再由短消息中心將短消息轉(zhuǎn)發(fā)至接收方、如果接收方當時關(guān)機或不在服務區(qū)內(nèi)，SMSC就會自動保存該條短消息(一般不超過3天，通常為24小時)，等到接收方在服務區(qū)出現(xiàn)的時候回馬上發(fā)送給接收方。(2)SMS對短消息的發(fā)送可以是一種有保證的雙向服務，與普通的尋呼機制不同、尋呼機的發(fā)送方不清楚消息是否發(fā)送成功，而SMS發(fā)送方可以在將短消息發(fā)送出去之后得到一條確認通知，返回傳遞成功或失敗的信息，以及不可到達的原因。(3)SMS可以與話音、數(shù)據(jù)、傳真等業(yè)務一起進行同步傳輸，還可以實現(xiàn)全國和國際漫游。(4)點到點的通訊方式只要知道對方的手機號碼，就可以直接向?qū)Ψ降氖謾C上發(fā)送短消息?；貜托畔⒁彩侨绱?。這樣的工作方式使得手機就如同Internet網(wǎng)絡中擁有固定IP地址的計算機一樣，可以隨時隨地與它建立連接。(5)開通方便短消息服務不需要申請開通，現(xiàn)在所有的手機都自動支持短消息。用戶只需在手機上做一些簡單的設定，就可以享受這項服務了。2.1.3短消息的工作過程SME(ShortMessageEntity，短消息實體)可以是一個GSM終端(如手機、PDA等)、一臺具備GSM終端功能的微型計算機或者服務器。每一個SME都有一個唯一的網(wǎng)絡地址(一般表現(xiàn)為移動電話號碼)，作為該設備的識別號，用來定位區(qū)別該設備。短消息業(yè)務可以分為點到點和小區(qū)廣播兩種。對于大多數(shù)GSM用戶來說，最主要的應用的業(yè)務就是點到點的短消息業(yè)務，它將一條短消息從一個SME發(fā)送到另一個SME，具體的過程如圖2.1所示：其中：SME：ShortMessageEntity，短消息實體；SMSC：ShortMessageServiceCenter短消息服務中心；BTS：BasicTransceiverSubsystem基本收發(fā)機子系統(tǒng)；BSC：BaseStationController基站控制器；MSC：MobileSystemCenter移動交換中心。圖2.1短消息業(yè)務流程(l)發(fā)送短消息實體SME編輯短信內(nèi)容，指定SMSC和目的SME地址，通過BTS和BSC，將短消息送到指定的SMSC。(2)SMSC收到短消息之后，對其合法性進行檢查，告知發(fā)送SME接受狀況，結(jié)束與發(fā)送SME之間的短消息傳送過程。(3)SMSC通過MSC試圖將接受的SM短消息轉(zhuǎn)發(fā)到目的地的短消息實體SME。如果發(fā)送成功，結(jié)束整個短消息傳送過程；如果發(fā)送失敗，則將該短消息存儲在短消息服務中心的服務器用戶數(shù)據(jù)庫里。等待恰當?shù)臅r機再次轉(zhuǎn)發(fā)。如果在限定的時間里(常見為24個小時，也有更長的)仍舊不能順利轉(zhuǎn)發(fā)的話，則從數(shù)據(jù)庫中刪除該短信，從而做到節(jié)省數(shù)據(jù)庫資源空間，由此，結(jié)束整個短消息的傳輸過程。2.1.4短消息的編碼方式短消息SMS通過GSM信令信道傳輸，協(xié)議(SM-AL)規(guī)定：一條短消息的據(jù)(TP-UP)能夠包含140個字節(jié)的數(shù)據(jù)。目前，共有三種模式來收發(fā)短消息SMS：BLOCKMODE、TEXTMODE、PDUMODE，其中Blockmode己經(jīng)不使用了，而Textmode是用來發(fā)送ASCII純文本的。Text模式下在設置了模式后，短消息可以直接發(fā)送而不需要進行編碼，相應的程序設計也比較簡單。對于GSM/GPRS模塊之間的英文短信數(shù)傳，Text模式是一個很好的選擇。但缺點是不能處理中文信息，手機的支持范圍小。PDU模式是發(fā)送或接收手機SMS信息的一種方法，短信息正文經(jīng)過十六進制編碼后被傳送出去。PDUMode被所有手機支持，可以使用任何字符集，它也是手機短消息默認的編碼方式?；旧先珖械碾娦啪侄继峁┲С諴DUMode的短消息業(yè)務，而且有些地址不支持TextMode和BlockMod編碼方式，這就限制了這兩種接入?yún)f(xié)議的應用。在PDU模式中，可以采用三種編碼方式來編碼要發(fā)送的內(nèi)容，分別是7-bit編碼(UTF7)、8-bit編碼(UTFS)、16-bit編碼(UNICODE)。7-bit編碼用于發(fā)送普通的ASCII字符；8-bit編碼通常用于發(fā)送數(shù)據(jù)消息，比如圖片和鈴聲等；而16-bit編碼用于發(fā)送Unicode字符。如果需要發(fā)送中文或者中英文混合信息，就必須使用PDU模式。2.2AT指令簡介(1)AT指令AT即Attention，它最初是Hayes推出的一套MODEM操作命令集，是MODEM通信接口的工業(yè)標準，它的功能包括配置Modem與軟件共同工作、與遠程系統(tǒng)通信、發(fā)起或應答一個呼叫等。AT指令以AT開頭，回車鍵結(jié)尾，前綴AT用于通知Modem注意(Attention)檢測計算機串行口發(fā)送信號的速率、識別字符格式。九十年代初，AT命令僅被用于MODEM操作。由于沒有控制移動電話消息的先例，因此開發(fā)了一種叫SMSBlockMode的協(xié)議，通過終端設備(TE——TerminalEquipment)或PC來完全控制SMS。幾年后，主要的移動電話生產(chǎn)廠商諾基亞、愛立信、摩托羅拉和HP共同為GSM研制了一整套AT命令，其中包含對SMS的控制。AT命令在此基礎上深化并加入GSM07.05標準，以及之后的GSM07.07標準[8]。AT指令集是從TE(TerminalEquipment)或DTE(DataTerminalEquipment)向TA(TerminalAdapter)或DCE(DataCircuitTerminatingEquipment)發(fā)送的通過TATE發(fā)送AT命令來控制MS(MobileStation)的功能與GSM網(wǎng)絡業(yè)務進行交互。用戶可以通過AT命令進行呼叫短信電話本數(shù)據(jù)業(yè)務補充業(yè)務傳真等方面的控制。在短消息模塊收到網(wǎng)絡發(fā)來的短消息時，能夠通過串口發(fā)送指示消息，數(shù)據(jù)終端設備可以向GSM模塊發(fā)送各種命令[9-10]。(2)指令的格式所有的AT命令都以“AT”，或“at”打頭。在TC35i所支持命令集中命令名稱可簡單分為：①“ATxx”及少量“AT+xxx”為V.25標準命令集；②“AT+Cxxx”為GSM標準所擴展的AT命令；③“AT^Sxxx”為SIEMENS定義擴展的AT命令。另外，根據(jù)命令形式可分為：①“AT+Cxxx=?”為測試命令(TestCommand)，執(zhí)行此種命令將返回此命令所支持的參數(shù)及參數(shù)范圍；②“AT+Cxxx?”為讀命令(ReadCommand)，執(zhí)行此種命令將返回此命令當前的參數(shù)值；③“AT+Cxxx=<…>”為寫命令(WriteCommand)，執(zhí)行此種命令將設置此命令的參數(shù)值；④“AT+Cxxx”為無參數(shù)的執(zhí)行命令(ExecutionCommand)。特別要注意的是這些命令的返回形式為：<CR><LF>Response<CR><LF><CR>代表ASCII中回車字符，值為0x0D；<LF>代表ASCII中換行字符，值為0x0A；<SP>代表ASCII中空格字符，值為0x20；<CTRL+Z>代表ASCII中文件結(jié)束字符，值為0x1A；(3)與短消息相關(guān)的AT指令如下表[11]：表2.1AT指令簡表AT指令功能AT+CMGCSendanSMScommand(發(fā)出一條短消息命令)AT+CMGDDeleteSMSmessage(刪除SIM卡內(nèi)存的短消息)AT+CMGFSelectSMSmessageformat(選擇短消息信息格式：0-PDU；1-文本)AT+CMGLListSMSmessagefrompreferredstore(列出SIM卡中的短消息信息格式PDU/text）AT+CMGRReadSMSmessage(讀短消息)AT+CMGSSendSMSmessage(發(fā)送短消息)AT+CMGWWriteSMSmessagetomemory(向SIM內(nèi)存中寫入待發(fā)的短消息）AT+CMSSSendSMSmessagefromstorage(從SIM內(nèi)存中發(fā)送短消息)AT+CNMINewSMSmessageindication(顯示新收到的短消息)AT+CPMSPreferredSMSmessagestorage(指定短消息內(nèi)存)AT+CSCASMSservicecenteraddress(短消息中心地址)AT+CSCBSelectcellbroadcastmessages（選擇蜂窩廣播消息）AT+CSMPSetSMStextmodeparameters(設置短消息文本模式參數(shù))AT+CSMPSelectMessageService(選擇短消息服務)

3.下位機系統(tǒng)硬件設計3.1系統(tǒng)整體設計系統(tǒng)是工作在以單片機為核心的電路下。單片機通過采集電路，定時更新采集數(shù)據(jù)，兩路模擬信號經(jīng)ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換并被單片機處理，溫度信號由DS18B20監(jiān)測也送入單片機，并在液晶屏上及時地顯示出來；然后通過接收上位機發(fā)送的短消息的命令，將其所需的數(shù)據(jù)通過編碼后以短消息的方式返回，從而達到監(jiān)測的目的。本文所闡述的監(jiān)控模塊的通信采用無線方式，由于GSM網(wǎng)絡已在全球范圍內(nèi)實現(xiàn)了聯(lián)網(wǎng)和漫游，而且安全保密性高，因此建立上述系統(tǒng)不需要組建專用的網(wǎng)絡，也不需要維護網(wǎng)絡。整個智能模塊的硬件結(jié)構(gòu)分為兩個部分，一個部分是以微控制器89S51為中心的監(jiān)控中心，包括MCU外圍電路、液晶顯示、模擬和數(shù)字信號處理，另一個部分就是以TC35i及外圍電路構(gòu)成的無線MODEM。下位機系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3.1。圖3.1硬件框圖系統(tǒng)原理圖見附錄3。3.2無線模塊硬件電路設計3.2.1TC35i模塊介紹西門子的TC35i系列模塊性價比很高，并且已經(jīng)有國內(nèi)的無線電設備入網(wǎng)證。本設計選用的是西門子TC35系列的TC35i。這是西門子推出的最新的無線模塊，功能上與TC35兼容，設計緊湊，大大縮小了用戶產(chǎn)品的體積。TC35i與GSM2/2+兼容、雙頻(GSM900/GSMl800)、RS232數(shù)據(jù)口、符合ETSI標準GSM07.07和GSM07.05，且易于升級為GPRS模塊。該模塊集射頻電路和基帶于一體，向用戶提供標準的AT命令接口，為數(shù)據(jù)、語音、短消息和傳真提供快速、可靠、安全的傳輸，方便用戶的應用開發(fā)及設計。(1)TC35i的內(nèi)部結(jié)構(gòu)TC35i模塊主要由GSM基帶處理器、GSM射頻模塊、供電模塊ASIC、閃存、ZIF連接器、天線接口六部分組成。作為TC35i的核心基帶處理器主要處理GSM終端內(nèi)的語音、數(shù)據(jù)信號，并涵蓋了蜂窩射頻設備中的所有模擬和數(shù)字功能。在不需要額外硬件電路的前提下，可支持FR,HR和EFR語音信道編碼。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3.2：其中：GSMbasebandprocessor：GSM基帶處理器；GSMradio：GSM無線部分；Powersupply(ASIC，ApplicationSpecificIntegratedCircuit)：電源(專用集成電路)；FLASH：FLASH存儲器；ZIFconnector：ZIF(ZeroInsertionForce)接口；Antennainterface：CoaxialGSCtypeConnector，同軸電纜連接器。圖3.2TC35i結(jié)構(gòu)框圖(2)TC35i主要技術(shù)指標：①頻段為雙頻GSM900MHz和GSM1800MHz(phase2/2+)；②支持數(shù)據(jù)、語音、短消息和傳真；③高集成度(54.Smmx36mmx3.6mm)；④質(zhì)量為9g；⑤電源電壓為單一電壓3.3～4.8V；⑥可選波特率300bps～115kbp；⑦電流消耗，休眠狀態(tài)為3.SmA，空閑狀態(tài)為25mA，發(fā)射狀態(tài)為300mA(平均)，2.5A峰值；⑧溫度范圍，正常操作-20℃～+55℃，存放-30℃～+85℃；⑨SIM電壓為3V/1.8V[12]。TC35i模塊有40個引腳，通過一個ZIF連接器引出。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1～14腳為電源部分：1～5為電源電壓輸入端Vbatt+，6～10為電源地GND，11、12為充電引腳，13為對外輸出電壓(共外電路使用)，14為ACCU-TEMP接負溫度系數(shù)的熱敏電阻。24～29為SIM卡引腳，分別為CCIN、CCRST、CCIO、CCCLK、CCVCC和CCGND。33～40為語音接口，用來接電話手柄。15、30、31和32腳為控制部分：15為點火線IGT(Ignition)，當TC35i通電后必須給IGT一個大于100ms低電平，模塊才啟動；30為RTCbackup，31為Powerdown，32為SYNC。16～23為數(shù)據(jù)輸入/輸出，分別為DSR0、RING0、RxD0、TxD0、CTS0、RTS0、DTR0和DCD0[13]。TC35i模塊的數(shù)據(jù)輸入/輸出接口實際上是一個串行異步收發(fā)器，符合ITU-TRS232接口標準。它有固定的參數(shù)：8位數(shù)據(jù)位和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/XOFF，CMOS電平，支持標準的AT命令集。通過這一接口可以用AT命令切換操作模式，可以使它處于語音、數(shù)據(jù)、短消息或傳真模式[14-15]。3.2.2電源電路設計(1)GSM模塊TC35i工作電壓在3.3V～4.8V，必須保證在發(fā)射狀態(tài)下電壓波動在400mV下，TC35i在發(fā)射狀態(tài)時的平均電流消耗為300mA，空閑狀態(tài)為25mA，突發(fā)電流峰值可達2A～3A，故電壓穩(wěn)壓芯片必須提供3A以上的負載電流，否則模塊的工作狀態(tài)則會不穩(wěn)定，可靠性不高。本電路供給TC35i模塊4.2V的工作電壓，穩(wěn)壓芯片選擇的是LM2941。(2)IGT啟動電路由開漏極三極管和上電復位電路組成。模塊上電l0ms后(電池電壓須大于3.3V)，為使之正常工作，必須在15腳加至少為100ms的低電平信號，且該信號下降沿時間小于1ms。啟動后，15腳的信號應保持高電平。31腳EMERGOFF的作用是緊急關(guān)閉模塊，其電路原理也是采用開漏極三級管電路。當用AT命令無法控制無線MODEM的時候，這時可以按住EMERGOFF按鍵3.2s以上，使EMERGOFF上持續(xù)3.2S的低電平，使模塊緊急關(guān)閉。(3)TC35i的SYNC引腳有兩種工作模式，可用AT命令ATSYNC進行切換。一種是指示發(fā)射狀態(tài)時的功率增長情況，另一種是指示TC35i的工作狀態(tài)。本模塊使用的是后一種功能：當LED熄滅時，表明TC35i處于關(guān)閉或睡眠狀態(tài)；當LED為600ms亮/600ms熄時，表明SIM卡沒有插入或TC35i正在進行網(wǎng)絡登錄；當LED為75ms亮//3s熄時，表明TC35i已登錄進網(wǎng)絡，處于持機狀態(tài)。3.2.3外圍電路設計(1)TC35i與SIM卡接口電路基帶處理器集成了一個與IS07816-3ICCard標準兼容的SIM接口。為適合外部的SIM接口，該接口連接到主接口((ZIF連接器)。在GSM11.11為SIM卡預留5個引腳的基礎上，TC35i在ZIF連接器上為SIM卡接口預留了6個引腳，所添加的CCIN引腳用來檢測SIM卡支架中是否插有SIM卡。當插入SIM卡，該引腳置為高電平，系統(tǒng)方可進入正常工作狀態(tài)。但是目前移動運營商所提供的SIM卡均無CCIN引腳，所以在設計電路時將引腳CCIN與CCVCC相連。(2)數(shù)據(jù)通信電路主要完成短消息收發(fā)、與PC機通信、軟件流控制等功能。TC35i的數(shù)據(jù)接口采用串行異步收發(fā)，符合ITU-TRS-232接口電路標準，工作在CMOS電平(2.6SV)。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，可以在300bps～115kbps的波特率下運行，支持的自動波特率為4.8kbps～115kbps(14.4kbps和28.8kbps除外)。數(shù)據(jù)通信電路以TI公司的MAX3238芯片為核心，實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換及串口通信功能。TI公司的MAX3238芯片供電電壓為3V～5.5V，符合TIA/EIA-232-F和ITUv.28標準。兼容5V邏輯輸入，內(nèi)含3路接收、5路發(fā)送串行通信接口，最大數(shù)據(jù)傳輸速率可達250kbps。其的最大特點是在串行口無數(shù)據(jù)輸入的情況下，可以靈活的進行電源管理，即當FORCEON(13腳)為低電平、/FORCEOFF(14腳)為高電平時，Auto-PowerdownPlus功能有效。3.3單片機監(jiān)控系統(tǒng)硬件設計單片機外圍電路主要負責完成模擬和數(shù)字信號的采集，并做出相應的處理，把外界采集到的數(shù)字量和模擬量的狀態(tài)顯示在液晶顯示器上，通過AT命令控制無線MODEM收發(fā)短信息，從而完成監(jiān)測。3.3.1AT89S51單片機簡介AT89S51是一個低電壓，高性能CMOS8位單片機，片內(nèi)含4kbytes的可反復擦寫的Flash只讀程序存儲器和128bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲單元。AT89S51具有ISP（In-SystemProgramming）下載功能，只需由P1口的三個引腳P1.5(MOSI)、P1.6(MISO)、P1.7(SCK)即可構(gòu)成下載電路，而無需多次插拔芯片[16-17]。3.3.2信號采集電路(1)模擬信號采集是由ADC0832完成的。ADC0832為8位分辨率A/D轉(zhuǎn)換芯片，其最高分辨可達256級，可以適應一般的模擬量轉(zhuǎn)換要求，對于采樣精度不特別高的場合已經(jīng)足夠了。其內(nèi)部電源輸入與參考電壓的復用，使得芯片的模擬電壓輸入在0～5V之間。芯片轉(zhuǎn)換時間僅為32μS，據(jù)有雙數(shù)據(jù)輸出可作為數(shù)據(jù)校驗，以減少數(shù)據(jù)誤差，轉(zhuǎn)換速度快且穩(wěn)定性能強。獨立的芯片使能輸入，使多器件掛接和處理器控制變的更加方便。通過DI數(shù)據(jù)輸入端，可以輕易的實現(xiàn)通道功能的選擇。串行數(shù)據(jù)處理既可以節(jié)省IO口資源，又方便于數(shù)據(jù)的讀入。(2)DS18B20溫度采集電路Dallas半導體公司生產(chǎn)的數(shù)字化溫度傳感器DS1820是世界上第一片支持“一線總線”接口的溫度傳感器。新一代的“DS18B20”體積更小、更經(jīng)濟、更靈活，可以充分發(fā)揮“一線總線”的長處。器件用如下方式從單線通訊線上汲取能量：在信號線處于高電平期間把能量儲存在內(nèi)部電容里，在信號線處于低電平期間消耗電容上的電能工作，直到高電平到來再給寄生電源（電容）充電。DS18B20也可用外部5V電源供電。3.3.3LCD顯示電路及鍵盤隨著液晶技術(shù)的飛速發(fā)展,液晶顯示模塊(LCDModule，LCM)在各種場合也得到了越來越廣泛的應用。從液晶電子手表到計算器，從數(shù)碼產(chǎn)品到各種專業(yè)儀器，LCM作為一種人機信息交互的途徑,它的身影隨處可見。常用的中文圖形點陣LCM按分辨率分有128×32、128×64、160×120等，控制芯片有KS0107、T6963、SED1575、ST7920等。本設計中使用的LCM為以ST7920為控制器的液晶模塊。在設計中使用了四個獨立式鍵盤，可以用于選擇不同的功能。

4.下位機系統(tǒng)軟件設計4.1通信協(xié)議上位機和下位機之間若要完成正常通信，需要建立雙方的通信協(xié)議，亦即雙方需要建立的通信握手信號。本系統(tǒng)實現(xiàn)的是下位機溫度采集以及模擬電壓信號采集，只需對這兩個信號進行編碼即可。在協(xié)議中，規(guī)定：0101： 上位機接收ADC0832第0通道的采集信號；0102： 上位機接收ADC0832第1通道的采集信號；0201： 上位機接收DS18B20溫度信號；還要規(guī)定上位機回送的數(shù)據(jù)格式，頭為0101；然后是數(shù)據(jù)格式，先是數(shù)據(jù)長度，然后是數(shù)據(jù)內(nèi)容，最后是數(shù)據(jù)校驗。4.2主程序設計整個系統(tǒng)軟件采取模塊化與結(jié)構(gòu)化設計，分為主程序和多個功能子程序，以下分別介紹。4.2.1總體流程圖基于GSM短消息方式的下位機采集軟件設計主要包括初始化程序、信號采集處理程序、液晶顯示和短消息收發(fā)程序等。初始化程序包括硬件初始化、定時器和串口初始化；信號采集和處理主要完成外部采集的溫度轉(zhuǎn)換，以及電壓采集；接收短消息采用中斷方式，一旦短消息到達，調(diào)用串口接收程序解碼短消息內(nèi)容并做出相應處理；發(fā)送溫度及電壓信號采用查詢方式，在收到相應的指令后，將采集的溫度和電壓按照協(xié)議進行編碼，然后調(diào)用發(fā)送程序?qū)⒍滔l(fā)送到監(jiān)測中心。主程序流程圖見圖4.1。圖4.1主程序流程圖4.2.2模擬量采集程序設計ADC0832為8位分辨率A/D轉(zhuǎn)換芯片，其最高分辨率可達256級，可以適應一般的模擬量轉(zhuǎn)換要求。其內(nèi)部電源輸入與參考電壓復用，使得芯片的模擬電壓輸入在0～5V之間。芯片工作頻率為250KHz，轉(zhuǎn)換時間僅為32，具有雙數(shù)據(jù)輸出,可作為數(shù)據(jù)校驗，以減少數(shù)據(jù)誤差，轉(zhuǎn)換速度快且穩(wěn)定性能強。獨立的芯片使能輸入，使多器件掛接和處理器控制變得更加方便。通過DI數(shù)據(jù)輸入端，可以輕易的實現(xiàn)通道功能的選擇。ADC0832與單片機的接口有4條數(shù)據(jù)線，分別是CS、CLK、DO、DI。當ADC0832未工作時其CS輸入端應為高電平，此時芯片禁用，CLK和DO/DI的電平可任意。當要進行A/D轉(zhuǎn)換時，須先將CS使能端置低電平并且保持低電平直到轉(zhuǎn)換完全結(jié)束。此時芯片開始轉(zhuǎn)換工作，同時由處理器向芯片時鐘輸入端CLK輸入時鐘脈沖，DO/DI端則使用DI端輸入通道功能選擇的數(shù)據(jù)信號。在第1個時鐘脈沖的下沉之前DI端必須是高電平，表示啟始信號。在第2、3個脈沖下沉之前DI端應輸入2位數(shù)據(jù)用于選擇通道功能，其功能項見表4.1。表4.1ADC0832工作模式MUXModeMUXAddressChannel#SGL/DIFODD/SIGN01Single-Ended10+11+Differential00+-01-+如表4.1所示，當此2位數(shù)據(jù)為“1”、“0”時，只對CH0進行單通道轉(zhuǎn)換。當2位數(shù)據(jù)為“1”、“1”時，只對CH1進行單通道轉(zhuǎn)換。當2位數(shù)據(jù)為“0”、“0”時，將CH0作為正輸入端IN+，CH1作為負輸入端IN-進行輸入。當2位數(shù)據(jù)為“0”、“1”時，將CH0作為負輸入端IN-，CH1作為正輸入端IN+進行輸入。到第3個脈沖的下沉之后DI端的輸入電平就失去輸入作用，此后DO/DI端則開始利用數(shù)據(jù)輸出DO進行轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的讀取。從第4個脈沖下沉開始由DO端輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)最高位DATA7，隨后每一個脈沖下沉DO端輸出下一位數(shù)據(jù)。直到第11個脈沖時發(fā)出最低位數(shù)據(jù)DATA0，一個字節(jié)的數(shù)據(jù)輸出完成。也正是從此位開始輸出下一個相反字節(jié)的數(shù)據(jù)，即從第11個字節(jié)的下沉輸出DATA0。隨后輸出8位數(shù)據(jù)，到第19個脈沖時數(shù)據(jù)輸出完成，也標志著一次A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)束。最后將CS置高電平禁用芯片，直接將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進行處理就可以了。更詳細的時序說明見圖4.2。圖4.2ADC0832時序圖作為單通道模擬信號輸入時ADC0832的輸入電壓是0~5V且8位分辨率時的電壓精度為19.53mV。如果作為由IN+與IN-輸入的輸入時，可是將電壓值設定在某一個較大范圍之內(nèi)，從而提高轉(zhuǎn)換的寬度。但值得注意的是，在進行IN+與IN-的輸入時，如果IN-的電壓大于IN+的電壓則轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)結(jié)果始終為00H。依據(jù)這樣的工作模式，可以寫出控制流程如圖4.3。圖4.3ADC0832控制流程4.2.3數(shù)字量采集程序設計本文使用的溫度監(jiān)測儀器是利用數(shù)字式溫度傳感器DS1SB20。DS18B20采用的是單線總線協(xié)議方式，即在一根數(shù)據(jù)線上實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，而單片機硬件上不支持單總線協(xié)議，因此必須采用軟件方法來模擬單總線的協(xié)議時序來完成對DSl8B20芯片的訪問。DS18B20簡單的硬件接口是以相對復雜的軟件編程為代價的。由于DS18B20是在一根I/O線上讀寫數(shù)據(jù)，因此對讀寫的數(shù)據(jù)位有嚴格的時序要求，DS18B20數(shù)據(jù)的寫入和讀出都是由主機讀寫特定的時間片來完成的，它有嚴格的通信協(xié)議來保證各位數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性，操作協(xié)議為：初始化DS18B20(發(fā)復位脈沖)——發(fā)ROM功能命令——發(fā)存儲器操作命令——處理數(shù)據(jù)[18]。該協(xié)議定義了幾種信號的時序：初始化時序、讀時序、寫時序。所有時序都是將單片機作為主設備，DS18B20作為從設備，而每一次命令和數(shù)據(jù)的傳輸都是從主機主動啟動寫時序開始，如果要求DS18B20回送數(shù)據(jù)，在進行寫命令后，主機需啟動讀時序完成數(shù)據(jù)接收。(1)初始化時序：與DS18B20的所有通訊都是由一個主機的復位脈沖和一個DS18B20的存在脈沖組成的初始化脈沖開始的。主機先發(fā)一個復位脈沖保持低電平時間最少480，最多不能超過960。然后主機釋放總線，進入接收模態(tài)，這時上拉電阻把總線置高，DS18B20在等待15～60后如果發(fā)出存在脈沖就表示DS18B20已經(jīng)處于就緒狀態(tài)，而且能保持60～240。接收模式至少要保480。(2)寫時序：主機發(fā)低電平脈沖大約15后，DS18B20開始采樣寫入的控制字，每次采樣一位。整個主機的寫“0”時序時間必須保證在60到120之間。(3)讀時序：在讀時序下降沿開始的15之后從DS18B20中讀取的數(shù)據(jù)才有效。所以在讀時序開始15之后才能發(fā)主機采樣數(shù)據(jù)命令，同時也要保證讀時序時間在60以上。DS18B20測量溫度范圍為，在范圍內(nèi)，精度為?，F(xiàn)場溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性，適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量，如：環(huán)境控制、設備或過程控制、測溫類消費電子產(chǎn)品等[19]。它支持的電壓范圍，使系統(tǒng)設計更加方便、靈活。它以9位數(shù)字量的形式反映期間的溫度值。因為每個DS18B20都有一個獨特的片序列號，所以多只DS18B20可以同時連在一根單線總線上，這樣就可以把溫度傳感器放在許多不同的地方。4.2.4LCD顯示程序設計ST7920是臺灣矽創(chuàng)電子公司生產(chǎn)的一款優(yōu)秀的中文圖形控制芯片，它是一種內(nèi)置128×64-12漢字圖形點陣的液晶顯示控制模塊，可以顯示字母、數(shù)字符號、中文字型及自定義圖塊顯示，其字型ROM包含8192個(GB-2312)16×16點陣的中文字型及128個16×8點陣半寬的字符號字型，另外繪圖顯示畫面提供一個64×256點陣的繪圖區(qū)域(GDRAM,GraphicdynamicRAM)及256點的ICONRAM，可以和文字畫面混合顯示，且其控制器內(nèi)含的CGRAM提供4組可編程式的16×16造字功能。ST7920LCD驅(qū)動器由32個普通驅(qū)動器(common)及64個段驅(qū)動器(segment)組成，段驅(qū)動器的擴充可根據(jù)需要由ST7921的段驅(qū)動器來提供，一個ST7920可以顯示一行8個字或兩行4個字，或是配合ST7921來顯示兩行16個字。ST7920有兩種結(jié)構(gòu)形式：ST7920-0A和ST7920-0B，前者內(nèi)置BIG-5碼，用于顯示繁體中文字型；而后者內(nèi)置GB碼，用于顯示簡體中文字型[20]。ST7920共有11條基本指令和7條擴充指令，每一個指令的長度都為8位，16×8點陣的ASCII字符代碼也是8位。但是16×16點陣中文字符的代碼為16位，必須分為2次傳送，先傳送高8位，然后再傳送低8位。在對ST7920讀或?qū)憰r，會用到兩個8位的寄存器：一個是數(shù)據(jù)寄存器DR(DataRegister)，另一個是指令寄存器IR(InstructionRegister)。通過數(shù)據(jù)寄存器DR可以存取DDRAM、CGRAM、CGROM及IRAM的值。待存取的目標RAM的地址可通過命令來選擇，每次數(shù)據(jù)寄存器DR的操作應以上次選擇的目標RAM為主體來進行讀出或?qū)懭?。通過RS和RW的狀態(tài)可以選擇不同的讀寫模式，具體配置方法如表4.2所列。表4.2ST7920寄存器的讀寫狀態(tài)RSRW功能說明00MPU寫指令到指令寄存器IR01讀出忙標志及地址計數(shù)器的狀態(tài)10MPU寫指令到數(shù)據(jù)寄存器DR11MPU從數(shù)據(jù)寄存器DR讀出指令ST7920顯示RAM的應用：(1)文本顯示RAMST7920的文本顯示RAM中提供了8×4行的漢字空間，當對文本顯示RAM進行寫入時,可以分別顯示CGROM、HCGROM與CGRAM的字型；ST7920A可以顯示三種字型,分別是半寬的HCGROM字型、CGRAM字型及中文CGROM字型。三種字型的選擇可通過在DDRAM中寫入編碼來進行設定，各種字型的詳細編碼如下：顯示半寬字型：將一位字節(jié)寫入DDRAM中,范圍為02H～7FH的編碼。顯示CGRAM字型：這種字型可通過將兩個字節(jié)的編碼寫入DDRAM中來實現(xiàn)，總共有0000H、0002H、0004H、0006H四種編碼方式。顯示中文字形：將兩字節(jié)編碼寫入DDRAM，范圍為A1A0H～F7FFH(GB碼)或A140H～D75FH(BIG5碼)的編碼[21]。由于ST7920控制器內(nèi)置了漢字庫，因此，可以忽略掉查閱國標字碼甚至自己取字模的繁瑣過程，而直接在程序中輸入想要顯示的字符和漢字，從而給程序編程帶來極大的便利。我們所要做的只是找出輸入的字符串在DDRAM上的坐標和字符的數(shù)目。同樣的道理,我們也可以很輕松地利用LCM顯示時鐘芯片或者傳感器測量值[22-23]。(2)繪圖顯示RAM圖形顯示坐標：水平方向X，以字節(jié)為單位；垂直方向Y，以位為單位。繪圖顯示RAM提供128×8個字節(jié)的存儲空間,在更改繪圖RAM時，先連續(xù)寫入水平與垂直的坐標值，再將兩個字節(jié)的數(shù)據(jù)寫入繪圖RAM，地址計數(shù)器(AC)會自動加1；在寫入繪圖RAM期間，繪圖顯示必須關(guān)閉。寫入繪圖RAM的步驟如下：①關(guān)閉繪圖顯示功能；②將水平的位元組坐標(X)寫入繪圖RAM地址；③將垂直的坐標(Y)寫入繪圖RAM地址；④將D15～D8數(shù)據(jù)寫入GDRAM中；⑤將D7～D0數(shù)據(jù)寫入GDRAM中；⑥打開繪圖顯示功能。根據(jù)以上的內(nèi)容，編寫LCD顯示程序，其流程圖如圖4.4：圖4.4LCD流程圖4.3GSM模塊軟件設計單片機與GSM模塊的軟件接口，是單片機通過與GSM短消息有關(guān)的AT指令來完成的，如讀取短消息內(nèi)容，刪除短消息內(nèi)容，列出手機中還未讀的短消息等。在執(zhí)行一條AT指令時，指令的執(zhí)行過程需要單片機與TC35i相互應答完成，每次發(fā)送或接收的字節(jié)數(shù)有嚴格的規(guī)定，二者必須依據(jù)這些規(guī)定實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，否則，通信就是失敗的。一般來說，單片機控制GSM模塊，其實就是單片機向GSM模塊發(fā)送各種AT指令，實現(xiàn)工作模式的選擇、讀短信、發(fā)短信和短信的刪除等功能。在GSM協(xié)議中，AT指令都是以ASCII編碼形式發(fā)送出去的，例如指令：AT該指令用于測試連接。查表可知“A”的ASCII編碼為41H，“T”的ASCII編碼為54H，因此，單片機應該發(fā)送“41H54H0DH”。這里單片機向TC35i發(fā)送完指令的ASCII編碼后，又多發(fā)了一個0DH。這是因為每個AT指令必須以回車符作為結(jié)束，最后一個字節(jié)0DH就是回車符，表示該指令結(jié)束；如果沒有這個回車符，GSM模塊不能識別這條指令的。當手機接收到一條正確的AT指令后，GSM模塊先把剛才接收到的AT指令的ASCII編碼序列向發(fā)送方返回，進行指令確認。然后發(fā)送一個回車符和一個換行符的ASCII編碼，即0DH0AH；最后再執(zhí)行該指令，并返回執(zhí)行結(jié)果。典型的單片機AT指令執(zhí)行過程：指令ATStep1：單片機通過串口向手機發(fā)送3個字節(jié)的數(shù)據(jù)：41H54H0DH，即指令AT。Step2：手機通過串口向單片機返回3個字節(jié)的數(shù)據(jù)：41H54H0DH，即手機應答。Step3：手機繼續(xù)返回2個字節(jié)的數(shù)據(jù)：0DH0AH，即回車換行符。Step4：手機執(zhí)行該指令，如果返回4FH4BH，即OK，則表示連接成功；否則，返回45H52H52H4FH52H，即ERROR，表示連接失敗。Step5：手機最后發(fā)送2個字節(jié)的數(shù)據(jù)：0DH0AH，作為通信結(jié)束。4.3.1GSM模塊初始化設計下面詳細介紹本設計中使用的各指令的編程實現(xiàn)。工作模式的選擇在模塊初始化前，首先要設置短消息中心地址（以大連為例），大連區(qū)號為0411，則由前所述，可知短消息中心號碼為：則可以設置為：AT+CSCA=”+8613800411500”前文已經(jīng)敘述，GSM模塊可以工作在TEXT和PDU兩種模式下，對于手機工作模式的設定，可以使用指令AT+CMGF=n（n=0為PDU模式，n=1為文本模式）來完成。如果返回OK，則表示設置成功；否則，返回ERROR，表示未設置成功。在設置前，可以用測試指令AT來建立通信連接。其發(fā)送流程如圖4.5。圖4.5模塊初始化4.3.2GSM模塊接收程序接收短消息即讀取短消息，讀取短信息主要利用AT+CMGR和AT+CMGL兩條指令來完成。這兩個命令的區(qū)別在于：AT+CMGL一般用于讀取以前的消息；AT+CMGR用于當收到手機的RING（振鈴）數(shù)據(jù)的時候，讀取實時消息。接收到短消息實質(zhì)就是從SIM或緩存中將收到的信息讀出，并轉(zhuǎn)換成文字模式的過程。在接受短信之前，常需要設置來信提醒，使用指令AT+CNMI來設置，使用如下：AT+CNMI=2,1,0,0,1。此時模塊工作在自動提醒狀態(tài)，當有新消息到來，便會返回：+CMTI：<mem>，<index>其中，<mem>表示短信存儲的空間，<index>表示在存儲器中的位置。接收短信的過程如圖4.6：圖4.6接收短消息流程4.3.3GSM模塊發(fā)送程序當單片機接收到上位機的采集命令時，便將采集存儲的數(shù)據(jù)以一定的格式通過短消息發(fā)送到用戶的手機中。發(fā)送短消息由指令AT+CMGS來完成，在文本模式下，輸入：AT+CMGS=<da><CR>當返回“>”時，可以輸入所發(fā)信息內(nèi)容，然后以Ctrl-Z或ESC結(jié)束。其中，<da>是所發(fā)的對方手機號碼。如果發(fā)送成功，則返回：+CMGS：<mr>OK其中，<mr>是由GSM03.40規(guī)定的一個以整數(shù)形式返回的用戶信息參考值。如果發(fā)送失敗，則返回：+CMSERROR：<err>其中，<err>是錯誤代碼類型，以整型數(shù)據(jù)返回。則發(fā)送短消息的流程可如圖4.7：圖4.7發(fā)送短消息流程

5.實時采集系統(tǒng)的調(diào)試5.1調(diào)試工具本課題在進行系統(tǒng)調(diào)試時采用的調(diào)試工具有：單片機仿真器由于單片機本身不具備調(diào)試及輸入程序的能力，因此單片機開發(fā)系統(tǒng)(又稱為仿真器)是開發(fā)單片機應用系統(tǒng)不可缺少的工具，單片機應用系統(tǒng)的硬件設計以及軟件的調(diào)試和修改都必須借助于該工具才能完成。單片機開發(fā)系統(tǒng)的主要作用是：應用系統(tǒng)硬件的診斷與檢查；程序的輸入與修改；硬件電路、程序的運行與在線仿真調(diào)試；程序的固化。本設計使用的是WAVE仿真器。萬用表萬用表主要用于測量硬件電路的通斷、兩點間阻值、測試點處穩(wěn)定電流或電壓值以及其它靜態(tài)工作狀態(tài)。示波器示波器可以測量模擬或數(shù)字信號電平，觀察模擬信號波形及測量模擬信號頻率，還可以同時觀察多個信號的波形及它們之間的相位差。可調(diào)直流穩(wěn)壓電源在調(diào)試時可以代替系統(tǒng)供電電源，以排除供電系統(tǒng)的干擾，也可以作為模擬電路的輸入信號源。5.2硬件調(diào)試硬件電路設計完成后，需要測試電路能否正常工作。硬件調(diào)試是利用開發(fā)系統(tǒng)、基本測試儀器(萬用表、示波器等)，通過執(zhí)行開發(fā)系統(tǒng)有關(guān)命令或運行適當?shù)臏y試程序(也可以是與硬件有關(guān)的部分用戶程序段)，檢查用戶系統(tǒng)硬件中存在的故障。在對系統(tǒng)進行動態(tài)調(diào)試時，首先對各功能模塊如A/D轉(zhuǎn)換電路、顯示電路等進行單獨調(diào)試，且調(diào)試某模塊時，將整個電路板中與該模塊無關(guān)的芯片拔除，這樣基本上可以將故障范圍限定在某個局部的電路上。5.3軟件調(diào)試軟件調(diào)試是通過對用戶程序的匯編、連接和執(zhí)行來發(fā)現(xiàn)程序中存在的語法錯誤與邏輯錯誤，并加以排除糾正的過程。軟件調(diào)試的一般方法是先獨立后聯(lián)機、先分塊后組合、先單步后連續(xù)。下位機的程序都是以單片機為核心的C51程序，使用Wave軟件進行仿真。由于程序規(guī)模較大，在調(diào)試時，應該以子程序為單位，逐步調(diào)試。子程序模塊分為：單片機收發(fā)短信，模擬量采集程序，數(shù)字量采集程序，LCD顯示程序。5.4系統(tǒng)聯(lián)調(diào)系統(tǒng)聯(lián)調(diào)是指用戶系統(tǒng)的軟件在其硬件上實際運行，進行軟、硬件聯(lián)合調(diào)試，從中發(fā)現(xiàn)硬件故障或軟、硬件之間不相匹配的地方，反復修改和調(diào)試。系統(tǒng)聯(lián)調(diào)時，首先采取單步、斷點、連續(xù)運行方式調(diào)試與硬件相關(guān)的各程序段，即可檢驗程序的正確性，又可在各功能獨立的情況下，檢驗軟、硬件的配合情況。然后，將軟、硬件按系統(tǒng)工作要求進行綜合運行，采用全速斷點、連續(xù)運行方式進行總調(diào)試，以解決在系統(tǒng)總體運行情況下軟、硬件的協(xié)調(diào)，從而提高系統(tǒng)的動態(tài)性能。下位機程序設計完成之后，需要與上位機建立聯(lián)系，即通過與上位機之間進行程序的互接之后才能正確完成整個設計的任務。做如下連接測試：上位機發(fā)送信息0101，即表示需要采集ADC0832的0通道的數(shù)據(jù)，單片機接收后，把已經(jīng)采集的數(shù)據(jù)發(fā)送回去。

總結(jié)與展望本設計以無線模塊TC35i為核心，并搭配了相關(guān)的外圍電路，完成了一個用于遠程數(shù)據(jù)采集及監(jiān)測的系統(tǒng)。論文的基本目標，是實現(xiàn)采集監(jiān)控模塊的短消息數(shù)據(jù)傳輸。根據(jù)基本目標，首先進行了相關(guān)資料的收集和整理，其中有關(guān)于短消息的業(yè)務介紹和傳輸原理及協(xié)議如GSM03.40和GSM07.05等，以及系統(tǒng)傳輸模塊TC35i的資料，通過對以上資料的查閱，對系統(tǒng)實現(xiàn)的原理和其理論基礎以有了初步的認識。再通過制作PCB板對系統(tǒng)中GSM模塊硬件功能和接口有了深刻的理解。最后通過軟、硬件調(diào)試實現(xiàn)了以下功能：(l)通過硬件仿真并借助硬件測試工具，完成了對PCB電路板的硬件電路的測試，為實現(xiàn)整個監(jiān)控模塊的功能奠定了基礎。(2)短信收發(fā)的實現(xiàn)。通過對短信實現(xiàn)協(xié)議的理解，使用相應的AT指令完成了短信的收發(fā)，并確定了短信收發(fā)雙方所遵從的協(xié)議規(guī)定。(3)針對采集的數(shù)字量和模擬量，能夠及時地顯示，以清晰地展示采集的結(jié)果，并能與上位機建立對照。在本設計中，我們利用的是GSM網(wǎng)絡和相應的GSM模塊，如果升級使用SiemensMC35，可以提供更快的高速GPRS能力，它具有永久在線功能，可以進行快速數(shù)字接入和高速數(shù)據(jù)傳輸。由于時間有限，基于GSM網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)采集、傳輸模塊，還存在一些需要改進和進一步完善的地方，包括：當采用短消息進行傳送數(shù)據(jù)時，通信數(shù)據(jù)量小，速度慢，非實時；GSM模塊具有語音功能，本設計并未使用，可以考慮使用語音進行報時以及報警等功能；如何應用于目前最新的2.5G無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)GPRS,CDMA中，乃至3G中。在下一步的設計中，可以考慮使用GPRS功能的模塊并開發(fā)MMS多媒體短消息服務的應用。

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網(wǎng)站非常糟糕——造成不良的用戶體驗。經(jīng)營商對這些挑戰(zhàn)做出回應，用“充滿圍墻的花園的”方法，用戶只限于經(jīng)營商所允許的客戶或經(jīng)營的網(wǎng)站與有限的內(nèi)容，這是專門為小屏幕和有限的互動使用的典型的電話。這種做法的一個很好的例子是是哈欽森3月在成立之初的3G（2002-2005年），提供音樂和鈴聲下載和足球觀看。其他（如O2的）投資在日本的i-模式技術(shù)——利用又一版本的HTML代碼的網(wǎng)站為移動終端編寫代碼——以確保它們運作良好。在年底，經(jīng)營者意識到，使用這些服務不能得到發(fā)展，也不能開辟他們的用圍墻包圍的花園，讓用戶瀏覽更廣泛的互聯(lián)網(wǎng)——這是一個很好的例子，這個策略是T型移動“Web和步行”的關(guān)稅，但其收入仍然很少。目前，只有4％的用戶經(jīng)常使用移動互聯(lián)網(wǎng)（見圖3）。最近，沃達豐已經(jīng)與Google，Hutchinson3與Skype和Google簽署了相關(guān)協(xié)議，設法克服這種阻力。新手機和關(guān)稅——如3X系列和T-Mobile的“WebandWalk”單位收費——這是進一步倡議由移動運營商采取措施以推動移動互聯(lián)網(wǎng)的收入。不過，問題的一部分在于，即使簡單的信息，如交通更新和鈴聲，是可從其他來源獲得，如短信和新聞、旅行，到處都可以，但是對于復雜的服務，如照片上傳或訂購東西，用戶首選的還是PC，因為它提供了一個大大改善了的界面經(jīng)歷。經(jīng)營商最近提出他們的期望，從移動互聯(lián)網(wǎng)到音樂下載——下一節(jié)的主題。5.創(chuàng)新——移動音樂移動音樂不僅包括下載歌曲，也包括音樂流，鈴聲及彩鈴。在條款的移動服務，在語音和SMS之后，移動音樂是未來最大的會議服務產(chǎn)生類型。圖4顯示，到2010年，這是預期全球市場的移動音樂將達到每半年$30英鎊。鈴聲最早出現(xiàn)在1998年