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1、基于GPRS远程数据采集系统设计俞英枭（浙江树人大学 信息科技学院，浙江 杭州 310015）摘要：基于GPRS网络通信技术的远程数据采集系统。采用GPRS无线通信方式实现对远程数据的采集，使得系统应用更灵活、并且大大降低成本。基于C8051F206单片机和HW-GTM900的GPRS模块的数据采集和发送的系统。本文全面讨论了该系统硬件的设计和软件的开发。硬件电路的设计是在保证技术指标的前提下，以简约为原则，合理选择各个芯片，充分利用了单片机的IO资源。同时，系统设计时同样也考虑到了抗干扰等问题。软件设计时紧密结合硬件资源，完成了数据采集、显示、串口通信等功能。适合于大多数测量场合，具有良好的
2、市场前景的一款产品。关键词：数据采集，GPRS模块，C8051F206；HW-GTM900The Design of Data Acquidition System Based on GprsYu yingxiao(College of Information Science and Technology, Zhejiang Shuren University, Hangzhou 310015, China)Abstract: The text is designing a Date Acquisition System which is basic the technology of int
3、ernetwork communication .Using this technology to collect the remote date can make the system become more nimbleness and less cost. The text is basic the MCU of C8051F206 and HW-GTM900 module which is composed the system of date acquisition and date sending.It is also discussing the hardware design
4、and software design.The first important of designing of the hardware is guaranteeing the specifications can get the demand with contracted for the principle, reasonable select each chip, make full use of the single chip I/O resources.The second At the same time ,the problem of anti-interference is c
5、onsidered at the time of designing.When the designing of software combine with the hardware resource.The system complete the date acquisition,displaying of date ,communicating by the serial port and so on. It is suiting for major of measurement situation and it also have a style of product of good m
6、arket foreground.Keywords：Date Acquisition；GPRS module；C8051F206 ；HW-GTM9000 引言数据采集系统是现代测控的基础，用于获取各种现场测量数据。在计算机控制系统或计算机信息管理系统中，需要采集各种信息并将其送入计算机内进行处理。因此作为获取信息的重要工具，数据采集系统目前正广泛地用于生产、科研的各个领域。数据采集系统由信息转换、数据通信和信息处理三部分组成，其中数据通信系统是其中最重要的组成部分，本文对这一部分进行讨论。随着通讯事业的发展，我国已建成了覆盖全国的GSM 数字蜂窝移动通信网，GSM 网络中重要发展的GPRS 网
7、络也已经投入使用，所以，本课题提出并设计了基于GPRS 网络通信的远程数据采集系统。采用GPRS 无线通信方式，实现远程数据采集系统，使得系统应用更灵活、并且大大降低了成本。本课题的完成对帮助解决利用先进的技术实现监控系统，对工业测控、环境监测以及国防技术均有相当重要的价值。1 系统整体设计思想本系统的构建需要满足能完成一些基本的远程数据采集和传输的要求，同时考虑满足市场发展及经济调度的需求，具备一些开关量的输入输出控制功能和抗干扰能力。根据系统需求，系统需要提供的功能如下：采集功能：对经过传感器和变送器转变的标准电压或电流信号，进行 A/D 转换，变成数字化的数据，这些数据可以通过单片机以短
8、消息方式进行GPRS 远程传送。短消息提交数据功能：可以定时发送或控制中心指定查询，也可为主机轮询方式。控制中心数据库：记录每个终端情况并对数据进行必要的处理。控制中心远端控制功能：控制中心可以通过短消息对终端发送方式、数据格式、主机号码等进行修改，并实现开关量的输入去控制开关量的输出.远程数据采集终端由传感器、单片机、GPRS 通信模块等组成，完成环境数据的采集、处理和传输。中心数据处理模块由GPRS 通信模块和后台数据库组成，对远端发送上来的数据进行分析和处理，同时，也要根据需要对远端数据采集模块发出命令，由远端数据采集模块完成相应的动作。2 系统硬件设计本系统利用G20 模块实现在GPR
9、S 网络覆盖区域内的远程数据采集。G20 是MOTOROLA公司推出的GPRS 无线双频调制解调器,主要为语音传输、短消息发送和数据业务提供无线接口。G2O 集成了完整的射频电路和GPRS 的基带处理器,特别适合于开发一些GPRS的无线应用产品,如监控、调度、车载和遥控等系统,也可以直接作为终端产品进行语音和数据的传输,使用范围十分广泛.2.1 系统结构图本系统利用G20 模块实现在GPRS 网络覆盖区域内的远程数据采集。G20 是MOTOROLA公司推出的GPRS 无线双频调制解调器,主要为语音传输、短消息发送和数据业务提供无线接口。G2O 集成了完整的射频电路和GPRS 的基带处理器,特别
10、适合于开发一些GPRS的无线应用产品,如监控、调度、车载和遥控等系统,也可以直接作为终端产品进行语音和数据的传输,使用范围十分广泛。2.2 单片机模块设计制造工艺为CMOS的AT89C52 单片机采用的是40只引脚的双列直插封装（DIP）方式。其片内的结构如图3-2 所示，如果按功能划分，它由8 个部件组成，即微处理器（CPU），数据存储器（RAM），程序存储器（E2PROM），I/O 口（P0 口、P1 口、P2 口、P3 口），串行口，定时器/计数器，中断系统及特殊功能寄存器（SFR）。2.2.1 单片机芯片概述与MCS-51 兼容8K 字节可编程闪烁存储器 寿命：1000 写/擦循环数据
11、保留时间：10 年全静态工作：0Hz-24Hz三级程序存储器锁定256*8 位内部RAM32 可编程I/O 线三个16 位定时器/计数器6 个中断源可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路2.2.2 A/D转换器ADC0809采用双列直插式封装,共有28 条引脚。2.2.2.1 A/D转换1、模拟信号输入IN0IN7： IN0-IN7 为八路模拟电压输入线，加在模拟开关上，工作时采用时分割的方式，轮流进行A/D 转换。2、地址输入和控制线 ：地址输入和控制线共4 条，其中ADDA、ADDB 和ADDC 为地址输入线，用于选择IN0-IN7 上哪一路模拟电压送给比较器进行A/D
12、转换。ALE 为地址锁存允许输入线，高电平有效。当ALE 线为高电平时，ADDA、ADDB和ADDC 三条地址线上地址信号得以锁存，经译码器控制八路模拟开关通路工作。3、数字量输出及控制线（11 条）：START 为“启动脉冲”输入线，上升沿清零，下降沿启动ADC0809 工作。EOC 为转换结束输出线，该线高电平表示AD 转换已结束，数字量已锁入“三态输出锁存器”。D0-D7 为数字量输出线，D7 为最高位。ENABLE 为“输出允许”线，高电平时能使D0-D7 引脚上输出转换后的数字量。4、电源线及其他（5 条）：CLOCK 为时钟输入线，用于为ADC0809 提供逐次比较所需，一般为64
13、0kHz 时钟脉冲。Vcc 为+5V 电源输入线，GND 为地线。+VREF 和-VREF 为参考电压输入线，用于给电阻网络供给标准电压。+VREF 常和VDD 相连，-VREF 常接地。ADC0809 芯片性能特点: 是一个逐次逼近型的A/D 转换器,外部供给基准电压;单通道转换时间116us；分辨率为8 位,带有三态输出锁存器,转换结束时,可由CPU 打开三态门,读出8 位的转换结果;有8 个模拟量的输入端,可引入8 路待转换的模拟量。2.2.2.2AD转换器的操作模式ADC0809 的数据输出结构是内部有可控的三态缓冲器,所以它的数字量输出信号线可以与系统的数据总线直接相连。内部的三态缓
14、冲器由OE 控制,当OE 为高电平时,三态缓冲器打开,将转换结果送出;当OE 为低电平时,三态缓冲器处于阻断状态,内部数据对外部的数据总线没有影响。因此,在实际应用中,如果转换结束,要读取转换结果,则只要在 OE 引脚上加一个正脉冲,ADC0809 就会将转换结果送到数据总线上。在本系统中ADC0809 在电路中的连接如下图所示，在模拟量之前加入滤波电路是为了使采集数据更加准确，对于模拟输入通道，还需要采用一些消除干扰的措施，这点将在下一小节提到。2.2.3模拟量输入通道的光电隔离所谓对于模拟量输入，由于模拟信号的电压或电流是连续变化信号，其信号幅度在任何时刻都有定义。因此，对其进行处理就较为
15、复杂，在进行信号放大、滤波、量化等处理过程中需要考虑干扰信号的抑制、转换精度及线性等诸多因素。为了对模拟量输入通道消除干扰，一般需要加入线形光电隔离。对于模拟量输入通道，光电隔离有两种方法：模拟量侧隔离和数字量侧隔离，即在A/D 转换之前或之后接入光电隔离器，或选择对管，采用互补电路，以提高线性度。另外，由于模拟量输入信号一般都要经过放大后才能进行A/D 转换，因此可以采用兼有放大和隔离功能的隔离放大器。隔离放大器的输出端与输出端在电气上完全隔离。所用的隔离方法有变压器隔离和光电隔离两种。在本系统中采用的是光电隔离放大器ISO1005，ISO100 是美国B-B 公司生产的一种小型廉价光电隔离
16、放大器。它将发光二极管的光分为两路：一路送输出端，另一路反馈到输入端，构成负反馈，以提高放大器的精度、线性度和温度稳定性。ISO100 的工作电源为+18V，隔离电压为2500V，输入电流为1A，输出电压Vout=Rf Iin，改变Rf 即能改变增益。当输入为电压量，应串联电阻Rin，使输入电流在要求范围内。ISO100 构成的热电偶放大器的连接图如下图。可见，ISO100 使用非常方便，只需要外加少量的元件即可。值得注意的是，输入和输出部分必须使用两组独立的电源。2.2.4 开关量的输入输出通道所谓开关量输入，是指输入信号为状态信号，如继电器的吸合与断开，光电门的导通和截止等，其信号电平只有
17、两种，即高电平和低电平。对于这类信号，只需经放大、整形和电平转换等处理，就可直接送入计算机系统。2.2.4.1 开关量输入部分设计对于各种开关量（如光电开关、接近开关、按钮开关等）的输入信号经光电隔离TLP521467后，接合适的下拉电阻，可以直接连接到单片机上，输入高电平时，读入的为“1”，输入低电平时，读入为“0”。2.2.4.2 开关量输出部分设计MC1413有较强的驱动能力，并且有内部保护二极管，可以直接驱动继电器和电磁阀。本系统中开关量输出可以用于控制接触器、灯泡、功率大的器件运行等。由于MC1413不能直接驱动一些交流接触器等，因此利用继电器作为测控系统输出到输出驱动器之间的中间级
18、执行机构。通过中间继电器输出，可完成从低压直流到高压交流的过渡。2.2.4.3开关量输入输出部分电路图 2.2.5 系统抗干扰措施抗干扰设计是单片机应用系统设计的重要组成部分，没有良好的抗干扰措施，系统就无法安全可靠的工作。当然，我们只能通过系统软件、硬件设计尽可能的减少干扰带来的影响，而不可能完全消除干扰。本系统在抗干扰方面考虑了如下的问题。a：电源去耦，在电源线和地线之间并联47uF 和0.1uF 两个去耦电容，并联大电容为了去除低频干扰，并联小电容为了去除高频干扰。b：加宽地线和电源线，加宽后的地线和电源线是信号线的7 倍。c：所有芯片可靠接地，并且接地线构成环路。d：手工布置元件和布线
19、，连线尽可能短。e：双面板两面的线条尽可能垂直交叉。f：避免来自传感器，测量信号功能模块，控制信号功能信号的干扰，模拟电路通路通过隔离放大器进行隔离，数字电路通过光电耦合器进行隔离。g：软件设计中采用一些方法抗干扰，如软件数字滤波，去抖动，重复初始化等。2.3 G20通信模块电路2.3.1 G20 模块接口简单说明本系统无线数据传输模块使用摩托罗拉公司的G20 GPRS 无线模块,通过拨号的方式登陆中国移动的GPRS 网络。GPRS 无线通讯网络是在GSM 网络的基础上构建的,由GSM的电路交换过渡到了分组交换,支持TCP/IP 协议,理论最高速率可达171Kbps。GPRS 网络很适合数据量
20、少的、瞬时性的环保数据的无线传输。CPU 模块通过集成的RS-232 与G20 接口。因为CPU 模块串口与G20 模块串行接口间电平不一致,需加电平转换电路。在系统中主要使用G20 模块传输数据，在数据通信中，用于接受和发送数据的设备称为数据终端设备DT（DateTerminal Equipment）。用来连接DTE 与数据通信网络的设备称为DCE （ DateCommunications Equipment）。在本系统中，单片机是DTE，G20 模块是DCE。2.3.2G20 开发版的使用说明2.3.2.1开发器功能介绍 标准的RS232 接口。 标准的USB 接口。 LED 指示灯显示功
21、能。 HEADSET 语音功能。 宽范围直流电压输入。 两种可选择的上电方式。 两种可选择的RS232 连接方式。 两种可选择的SIM 卡检测方式。 可供调试的70PIN DIP 插座。2.3.2.2连接器示意图定义及说明J103：USB 插座。方口USB 插座，可直接连接通用USB 线缆。J104：RS232 插座。可直接连接标准九针串口线缆（一对一）。J105：IGN 选择。跳线连接为IGN 上电方式。J106：耳机插座。可插入标准的耳机线缆，作为模拟音频的接口。J201：电源输入插座。可接入542V 的标准直流稳压电源，里正外负。J301、J302：MCU 选择。用跳线连接，用于单片机三
22、线串口通讯。SW102：ON/OFF 按钮。在不选择IGN 上电方式时，采用该按钮上、下电。SW201：电源开关按钮。插入电源后，按此按钮可为开发板加电或断电。2.3.2.3指示灯定义2.3.2.3.1 电源指示灯部分：P_ON： 电源开关指示灯。2.3.2.3.2 G20 指示灯部分：RST： G20 模块复位指示灯。正常闪亮，表示模块正常上电。IGN： IGN 上电方式指示灯。灯亮，表示IGN 方式上电。S_R： SIM 卡复位指示灯。正常闪亮，表示SIM 卡正常上电。RFT： RF 发射指示灯。RF 工作时闪亮。GPRS： GPRS 覆盖指示灯。2.3.2.3.3 USB 指示灯部分：U
23、VC： USB 电源指示灯。 UD+： USB D+指示灯。2.3.2.3.4 RS232 指示灯部分：RXD：数据接收指示灯。 TXD：数据发送指示灯。CTS：清除发送指示灯。 RTS： 请求发送指示灯。DTR： DTE 准备好指示灯。 DSR： DCE 准备好指示灯。DCD： 载波检测指示灯。 RI： 振铃指示灯。 2.3.2.4技术指标 输入电压：7-42VDC 平均输入电流： 500 Ma阻抗16 欧姆 频响范围18-20000 Hz灵敏度108 总谐波失真小于1 %工作温度：-40-85 度。 存储温度：-65-160 度。 2.3.3AT 指令10主要的移动电话生产厂商Nokia、
24、Ericsson、Motorola 和HP 共同为GSM 研制了一整套AT 命令,其中包含对SMS 的控制.AT 命令在此基础上演化并被加入GSM07.05 标准以及之后的 GSM07.07 标准.用户可以通过AT 指令实现呼叫控制、短消息SMS、电话本、数据业务、传真等方面的控制.这里主要讨论与远程数据采集系统相关的AT 指令.。2.3.3.1 选择短消息格式指令AT+CMGF选择消息为TEXT 或PDU(Protocol Data Unit)格式.用TEXT 格式,命令和响应内容均用ASCII 字符编码;用PDU 格式,则用16 进制格式编码，选择消息的格式存储在EEPROM 中。2.3.
25、3.2 设置新消息到达自动提示指令AT+CNMI 命令格式: AT+CNMI=mode,mt, bm,ds,bfr.其中,mode:取值范围为04,用于主动提供结果码的过程；mt:为SMS DELIVERS 设置结果码提示发送路径,缺省值为0；bm:设置存储接收的广播消息的规则；bfr:缺省值为0,表示当取值为13 时,TA 缓冲区的结果码发送给TE“1”表示清除TA 缓冲区中的结果码.向手机发送了该条指令后,只要手机收到新的短消息,立即自动报告给相连接的计算机。2.3.3.3 读取短消息AT+CMGR命令格式: AT+CMGR=index，index表示要读取消息的存放位置,该指令一新消息到
26、达提示响应结果一起使用。2.3.3.4 发送短消息 AT+CMGS先选择短消息格式TEXT 还是PDU命令AT+CMGS =length0891683108200805F011000B813126098000F00000A702C834ctrl-Z描述:用PDU 方式发送信息“Hi”响应+CMGS：mrOK 描述:发送成功。2.3.3.5 删除短消息 AT+CMGD该指令用于删除存储在手机中的短消息。2.3.4短消息的PDU 模式11 因为系统设计的方案是通过GPRS 通信模块利用短消息方式采集远端数据，所以要对短消息方式发送数据做一些的熟悉和认识。G20 支持 GSM07.05 规定的指令集
27、，该指令集是 ETSI（欧洲通信技术委员会）发布的，其中包含了对 SMS 的控制。利用 AT89C52 的串行口向 G20 发送一系列 AT 命令，就达到控制 G20 收发 SMS 的目的。G20 通过异步通信接口实现对 SMS 控制有三种协议：基于 AT 命令集的 Text Mode、基于 AT 命令集的 PDU Mode 和 Block Mode。PDU Mode 是发送和接收 SMS 的一种方法，SMS 正文经过十六进制开始编码后被传送。目前 PDU Mode 应用最为广泛，几乎全国所有的电信局都提供支持PDU Mode 的 SMS 业务。为保证本系统的通用性，采用 PDU Mode 模
28、式收发 SMS。PDU 相当于一个数据包，它由构成短消息（SMS）的信息组成。作为由一种数据单元建立起来的通信单元，它必须包括源目的地址、有效时间、数据格式、协议类型和正文。正文长度可达接命令140 个字节，它们都是由十六进制表示。PDU 的结构根据 SMS由移动终端发起或以移动终端为目的而不同。单片机 AT89C52 的发送和接收均为 ASCII 码，根据设置不同 AT89C52 从 G20 上接收 SMS 的实质就是从 SIM 卡或缓存中读取信息，主要用 AT 指令集中 AT+CMGR 和AT+CMGL 两条指令来完成，其工作过程为：AT89C52 首先要确认能否与 G20 建立起通信，用
29、 ATE 指令完成以确认，然后用 AT+CMGF 指令选定 SMS 的数据格式；在收到 G20 的正确回答后，以 AT 指令完成读取功能一般用 AT+CMGR 来读取实时对G20 进行初始信息。与接收 SMS 一样，发送时也应先建立起 AT89C52 与 G20 的联系传送初始化命令，设置PDU 模式命令，然后发送短消息内容。在发送短消息时主要的编码工作就是对被叫号码的半八位编码和用户数据的编码。对被叫号码编码时，只需要对位置作调节就可以。例如对被叫手机号码“13065028321”进行编码时将会编为“3160058223F1”。半八位编码只需数字的位置两两对换即可得，如果被叫号码位数为奇数，
30、最后加入“F”进行编码；如果为偶数，只需要将数字的位置两两交换。对用户数据进行编码，对应发送内容为纯英文或非纯英文，有两种不同的编码方式，即PDU 七位编码和UNICODE 编码。发送的内容长度最多为140 个字节，当采用UNICODE编码最多可发送70 个字符；对于采用PDU 七位编码的纯英文字符可发送160 个字符（140*8/7）。因系统是数据传输，所以采用PDU 七位编码的形式发送数据。GSM 只支持ASCII 码值从0x00 到0x70 的128 个字符。这些值只需要7-bit 去定义，而SMS 报文是以8-bit 字节序列。对于英语与数字字符，由于它们的ASCII 码值小于128，
31、所以它们在表示时只需要用7 位就可以了。在进行编码时，只需要依次将下一个7 位编码的后几位逐次移至前面，形成新的8 位编码。如：“ABCDEFGHIJKLMNOPQ”的编码，最终为41E19058341E9149E592D9743EA151，变换函数见程序部分。 3系统软件设计3.1主程序设计主程序是对整个系统框图的描述。本系统的主程序的功能是上电后的，完成系统初始化，包括设置波特率为9600bps，定使器T1 工作方式2，定使器T0 工作方式1，串行口工作方式1，赋毫秒、秒、分的计数初值，开定时中断，设外部中断INT0 为边沿触发方式等；接下来进行数据采集，对八路通道进行循环采集，每一路采集
32、10 组数据，通过外部中断INT0 进行每次采集，够十次后关中断；进行数据处理（平均滤波），将处理后的数据存入缓冲区，等待发送；接下来进行开关量输入输出处理程序将其开关量状态也存入数据缓冲区，等待发送；整个发送是通过定时中断来控制的，设置半小时发送一次采集数据和开关量状态。3.2子程序设计（一）、数据处理子程序：采用平均滤波的方法进行数据处理，即将连续采样10 次的数据累加求和，同时找出其中的最大和最小值，再从累加中减去最大值和最小值，按8次采样值平均，即得有效采样值，存入发送缓冲区。（二）、开关量处理子程序：在初始化程序中设置好P1 口的状态，放在位缓冲区2CH中，再判断开关量输入状态，由四
33、位开关量输入控制四位开光量输出，输出的开关量通过反向驱动器、光电隔离和继电器后可以接大功率的器件，同时将开关量输入输出的状态送入发送缓冲区。（三）、定时中断子程序：考虑经济原因和现实需要，通过定时器T0 中断来控制发送数据。（四）、发送数据子程序：首先将发送缓冲区的数据进行ASCII 码变换，再将成其转换为发送短消息时所需要的七位GSM 码，最后由发送程序将数发送出去。4 总结本论文设计了基于 GPRS 远程数据采集系统，是通过现有的GPRS 网络，利用短消息方式，进行单片机和G20 模块开发板的远程数据采集。主要研究了远程数据采集系统的硬件电路设计方法、GPRS 模块利用短消息方式传输数据、
34、以及远程采集系统的软件设计。实现了远距离采集数据与GPRS 无线数据传输技术相结合，摆脱有线困扰，使得系统有广泛的适用范围和较高的使用价值。本课题的研究中主要完成以下工作：1、根据GPRS 数据传输技术特点，完成了基于GPRS 远程数据采集的系统的整体方案的设计。2、完成数据采集模块的硬件电路设计及其单片机外围电路的设计，实现模块的数据处理和通信接口设计。3、完成四路开关量输入、输出电路的设计，及其消除干扰的外电路设计。4、利用G20 模块通过GPRS 网络或Internet 网、采用短消息方式实现远程数据采集系统的软件，并作流程框图。由于时间、设备、条件等各方面原因，系统还存在一些不足，如：
35、没有考虑到突然断电的问题，这在以后的设计中单片机选型时应选择带有看门狗的单片机，另外，未能完成系统的软件调试，其中部分程序如开关量的输入输出程序还需要进行一些调整，以便完成调试，从而使系统更方便使用，趋于完整。工业现代化的不断发展，以及新技术的不断产生，远程数据采集正在进入一个高速发展的阶段。由于本系统采用了GPRS 技术，是一种比较先进的技术，很容易取代很多基于有线通讯的类似系统，因此，研制此系统具有很强的通用性，不管是用于自动抄表系统，还是温度测量、环境监测、海洋石油等领域中，有着非常好的发展前景。参考文献1 裴岩 刘利民 单片机系统综合设计与实践 内蒙古：内蒙古大学出版社，2003，70
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