毕业设计162苏州科技学院基于GPRS无线网络的数据监控采集终端的实现原理和实现设计.docx
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毕业设计162苏州科技学院基于GPRS无线网络的数据监控采集终端的实现原理和实现设计
摘要
本课题主要研究基于GPRS无线网络的数据监控采集终端的实现原理和实现方法，其目标是将基于ARM7内核的嵌入式系统和GPRS网络结合起来，利用GPRS网络实现无线数据传输。
该系统可以同时实现多路数据的采集，以便对现场环境进行分布式、网络化的采集与监控，可应用于大气与水质环境监测、道路交通监测领域等。
该系统由基于32位ARM7内核的LPC2131 MCU、GPRS模块接口、串行通信接口、LCD接口以及A/D模块组成，可以将外部的模拟或数字信号通过GPRS网络发送到中心服务器，同时可以在LCD上显示。
本文首先介绍了嵌入式系统的相关知识，重点说明了本课题中所采用的lpc2131 MCU的性能特点。
在详细分析了系统功能需求的基础上，提出了系统的总体设计原则及设计方案。
文章重点阐述了基于32位ARM内核的MCU硬件系统设计方法，详细介绍了各功能模块的硬件电路和PCB（印刷电路板）的设计过程和调试方法，并对基于μC/OS-II实时操作系统（RTOS）的软件系统设计方法也作了必要的介绍。
最后，总结了本文的主要研究工作，并结合当今信息产业的先进技术对该平台做了展望。
关键词:
嵌入式系统;ARM;GPRS ；C/OS-II
ABSTRACT
ThethesismainlydiscussestheimplementationprincipleandmethodofdataacquisitionandsupervisionterminalbasedonGPRSwirelessnetwork.Itaimstoutilizetheembeddedsystem,whichisbasedonARM7core,andGPRSnetworktorealizewirelessdatatransmission.Thesystemmaycollectmulti-channeldatasothatitcanacquireandmonitortheenvironmentparametersdistributedly.Thenthesystemcanbeappliedtoatmosphereandwaterqualitymonitoringandtrafficsupervisingetc.
ThesystemiscomposedoftheLPC2131MCUusing32-bitARM7core,GPRSmoduleinterface,COMport,LCDandA/Dmodule.TheexternalanalogsignalsordigitalsignalswillbesenttocenterserverbyGPRSnetwork,andalsobedisplayedontheLCD.
Thepaperfirstsummarizestherelevantknowledgeoftheembeddedsystem,withthemainlyintroductionofthefunctionofLPC2131MCUusedinthisdesign.Afteranalyzingthefunctionalrequirementofthissystemindetail,thetotalprincipleandtheplansofthesystemhavebeenbroughtforward.ThenthepaperpresentsthehardwaredesignplansoftheMCU,andanalyzesthedesignofthecircuitandPCBineveryfunctionalmoduledetailedly.ThesoftwaredesignbasedonC/OS-II real-timeoperatingsystem（RTOS）isalsobeintroduced.Finally,thepapersummarizesthemainresearchwork,andmakesaprospectofthedevelopingplatformwiththeadvancedtechnologyofinformationindustry.
KeyWords:
EmbeddedSystem;ARM；GPRS；C/OS-II
目 录
第1章绪论
嵌入式系统一般指非PC系统，它是以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可裁减，适应对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。
典型的嵌入式系统开发一般由两部分组成：
以微处理器（MPU）或者微控制器（MCU）为核心的硬件设计和基于嵌入式应用的实时操作系统（RTOS）的软件开发。
网络技术的发展，使得Internet已经成为社会的基础设施之一，是信息流通的重要渠道，也是地球上最大、最普及的网络系统。
如果各种嵌入式终端也能够接入Internet，则可以方便、快捷、低廉地在世界上的任何一个地方通过网络进行过程控制和信息发布。
另外它还有以下优点：
不需要专用的通信线路，可以利用现成的全球网络，而且协议是标准的、公开的。
无线数据通信的广泛应用，促使无线传输需求的骤增，中国移动适时推出了GPRS业务，在一定程度上满足了用户无线接入互联网的需求。
GPRS网不但具有覆盖范围广、数据传输速度快、通信质量高、永远在线和按流量计费等优点，而且其本身就是一个分组型数据网，支持TCP／IP协议，无需经过PSTN等网络的转接，可直接与Internet网互通。
因此GPRS业务在无线上网、环境监测、交通监控、移动办公等行业中具有无可比拟的性价比优势。
本课题的主要目标是要以微处理器为核心，借助于GPRS网络，辅以周边I/O设备的设计，在C/OS-II实时操作系统的控制下，实现远程的模拟/数字信号的采集、转换，并在LCD上直观显示采集的数据，同时通过GPRS模块，将结果发送到指定的联网终端或中心服务器上。
本课题的软件系统由马其刚同学完成，为了论文的完整性，对相关的软件设计也给出了必要的说明。
1.1核心器件的选型
结合上述对目标电路的分析，核心器件MCU的选型要求如下：
（1）必须具备强大的开发工具和操作系统的支持。
（2）需要全面支持GPRS模块的连接传输。
（3）设备能够实现小尺寸、微功耗和低成本
（4）外部资源丰富，开发成本低，可大量生产。
GPRS模块的选型要求为：
（1）接口简单，工作稳定，可适用范围大。
（2）集成PPP和TCP/IP协议栈，联网方便。
（3）成本低，设定简单，性价比高。
基于以上原则，我们选择的MCU是NXP出产的LPC2131微控制器，它具有RISC体系的一般特点，如：
具有大量的寄存器；绝大多数操作都在寄存器中进行，通过Load/Store的体系结构在内存和寄存器间传递数据；寻址方式简单；采用固定长度的指令格式（32位指令，3地址指令格式），除此之外，ARM7TDMI系列微处理器在目前市场上应用最广的原因是因为它100MIPS的性能0.25mW/MHz的平均功耗（最大功耗不超过50mW）己经能够适应绝大多数嵌入式应用所需要的计算能力。
在提高整机性能的同时大大降低整机功耗，而且多余的计算能力还可以用在其他一些辅助的应用功能上，因此ARM7TDMI微处理器对于设计一般无线数据传输和处理系统来说具有足够的计算能力，能够提供高性能和低功耗的设计方案，因此能获得极佳的性价比。
GPRS模块，我们选择了广州致远电子有限公司出品的工业级外置式GPRS无线数传模块（DTU）：
ZWG-22A。
它内部集成了PPP和TCP/IP协议栈，基于移动运营商现有的GPRS网络，可以方便的实现远程、无线、网络化的通信方式。
具有覆盖范围广（移动网络覆盖范围，能使用移动电话的地方就可以使用）、组网方便快捷（安装即可使用）、运行成本低（按流量计费）等诸多优点。
可应用于电力系统自动化、工业监控、交通管理、气象、环境监控、金融证券、煤矿、石油等行业。
通过该产品用户可以轻松实现串口设备的远程通信功能，节省大量人力物力和宝贵的开发时间，增强竞争力。
综上，系统设计方案如图1-1。
图1-1系统设计方案
1.2LPC2131的发展及特性
LPC2131的内核ARM7TDMI是从ARM6核发展而来的。
ARM7增加了64位乘法指令（带M后缀的）、支持片上调试（带D后缀的）、高密度16位的Thumb指令集扩展（带T后缀的）和EmbededICE观察点硬件（带I后缀的），形成了LPC2131。
其基本特性如下：
（1）小型LQFP64封装的16/32位ARM7TDMI-S微控制器。
8/16/32kB片内静态RAM。
片内Boot装载软件实现在系统/在应用中编程（ISP/IAP）。
扇区擦除或整片擦除的时间为400ms,1ms可编程256字节。
（2）EmbeddedICERT和嵌入式跟踪接口可实时调试（利用片内RealMonitor软件）和高速跟踪执行代码。
（3）1个8路10位A/D转换器共包含16个模拟输入，每个通道的转换时间低至2.44us。
（4）2个32位定时器/计数器（带4路捕获和4路比较通道）、PWM单元（6路输出）和看门狗。
（5）实时时钟具有独立的电源和时钟源，在节电模式下极大地降低了功耗。
（6）多个串行接口，包括2个16C550工业标准UART、2个高速I2C接口（400kbit/s）、SPI和SSP（具有缓冲功能，数据长度可变）。
（7）向量中断控制器。
可配置优先级和向量地址。
（8）多达47个5V的通用I/O口（LQFP64封装）。
（9）9个边沿或电平触发的外部中断引脚。
（10）通过片内PLL可实现最大为60MHz的CPU操作频率，PLL的稳定时间为100us。
（11）片内晶振频率范围：
1～30MHz。
（12）2个低功耗模式：
空闲和掉电。
（13）可通过个别使能/禁止外部功能和降低外部时钟来优化功耗。
（14）通过外部中断将处理器从掉电模式中唤醒。
（15）单个电源供电，含有上电复位（POR）和掉电检测（BOD）电路：
CPU操作电压范围：
3.0~3.6V（3.3V+/－10%），I/O口可承受5V的最大电压。
LPC2131设备处理器核心与外围器件的连接及接口如图1-2所示，这为我们下面对系统硬件平台的各部分进行设计扫平了障碍。
图1-2LPC2131的功能框图
第2章系统硬件平台设计
2.1外围电路组成结构
由于本课题是硬件设计，对于软件方面较少涉及，所以本设计精力主要放在围绕微处理器的周边电路设计上，主要分为：
电源电路、复位电路、系统时钟和JTAG接口、串口及Modem接口、LCD显示屏控制、A/D转换测量电路。
其具体设计为：
电源电路输出三路电压，其中一路3.3V供给MCU，一路5V驱动LCD器件，另外一路为可选输出，可作为测试电压。
当然用户可以断开此路，接入外部模拟输入，达到实用目地。
实际应用中MCU接到由ADC电路提供的参考电压和外部模拟输入后，进行A/D转换，将结果发送给LCD器件显示后，再通过GPIO发送给UART1，让它将TTL电平转换成232电平后，通过GPRS器件进行联网，发给远端服务器。
这个操作过程中间，JTAG口和UART0口起到了调试和通信的结果。
整个外围电路的布局结构，如图2-1。
图2-1外围电路连接图
在外围电路具体连接和作用确定了的情况下，下面进行系统各个模块电路的具体设计。
2.2电源电路
LPC2131微处理器的内核和I/O口使用同一电源电压，只需单电源3.3V供电。
但考虑到后面LCD器件需要5V电压驱动，所以设计成两组电源应用系统。
首先，由USB接口CZ1输入5V直流电源，电感L1用于抑制瞬态电流，经过C16、C20的滤波，然后通过SPX1117M3.3将电源稳压至3.3V，当正确连接电源后，POWER灯点亮。
LPC2131具有独立的模拟电源引脚VDDA、VSSA。
为了降低噪声和出错几率，模拟电源和数字电源应该隔开。
下图2.3中，L2和L3就是用于电源隔离的器件。
（将数字电源的噪声隔离）。
SPX1117为一个低功耗正向电压调节器，其可以用在一些高效率，小封装的低功耗设计中。
这款器件非常适合便携式电脑及电池供电的应用。
SPX1117有很低的静态电流，在满负载时其低压差仅为1.1V。
当输出电流减少时，静态电流随负载变化，并提高效率。
SPX1117提供多种3引脚封装：
SOT-223，TO-252，TO-220及TO-263。
我们根据实际情况，选择了SOT-223的封装器件。
一个10uF的输出电容可有效地保证稳定性。
但实际上，用一个更小的电源即可，我们选择了一个4.7μF的电容。
具体电路见下图2-2。
图2-2系统电源电路
2.3系统时钟电路
LPC2131可使用外部晶振或外部时钟源，内部PLL电路可调整系统时钟，使系统运行速度更快（CPU最大操作时钟为60MHz）。
倘若不使用片内PLL功能及ISP下载功能，则外部晶振频率范围是1MHz～30MHz，外部时钟频率范围是1MHz～50MHz；若使用了片内PLL功能或ISP下载功能，则外部晶振频率范围是10MHz～25MHz，外部时钟频率范围是10MHz～25MHz。
本设计使用了外部11.0592MHz晶振，用11.0592MHz晶振的原因是使串口波特率更精确，同时能够支持LPC2131芯片内部PLL功能及ISP功能。
具体电路如图2-3所示。
图2-3系统时钟电路
2.4复位电路
由于ARM芯片的高速、低功耗、低工作电压导致其噪声容限低，对电源的纹波、瞬态响应性能、时钟源的稳定性、电源监控可靠性等诸多方面也提出了更高的要求。
CAT1025是基于微控制器系统的存储器和电源监控的完全解决方案，它利用低功耗CMOS技术将2K位的串行EEPOM和用于掉电保护的系统电源监控电路集成在一块芯片内。
存储器采用400KHz的I2C总线接口。
CAT1025包含1个精确的Vcc监控测电路和2个开漏输出：
RESET和RESET。
当Vcc低于复位门槛电压时，RESET引脚将变为高电平，RESET将变为低电平。
CAT1025还包含一个写保护输入（WP）。
如果WP连接高电平，则写操作被禁止。
CAT1025的电源监控电路和复位电路用在系统上、下电时保护存储器和系统微控制器，防止掉电条件的产生。
CAT1024/25都能够提供5种不同的复位门槛电压，可支持5V，3.3V和3V的系统。
如果系统电源超出范围，复位信号有效，禁止系统微控制器、ASIC或外围器件的操作。
在电源电压超出门槛电压后的200ms内，复位信号仍保持有效。
高电平有效和低电平有效的复位信号使CAT1024/25与微控制器和其它IC器件的连接变得很简单。
另外，RESET管脚或者独立的复位输入管脚MR都可以用作手动按键复位输入。
CAT1024/25片内2K位的串口EEPROM构成16字节的页。
另外，Vcc电压监控电路提供了硬件数据保护功能防止在Vcc降到低于复位门槛电压或上电时Vcc上升到复位门槛电压之前对存储器的写操作，提高了系统的可靠性。
需要特别注意的是，使用CAT1025芯片时，其RESET引脚上的下拉电阻和下拉电阻是不能省略的。
复位电路的连接如图2-4所示。
图2-4复位电路
2.5JTAG接口
采用ARM公司提出的标准20脚JTAG仿真调试接口。
根据LPC2131的应用手册说明，在RTCK引脚接一个4.7KΩ的下拉电阻，使系统复位后LPC2114内部JTAG接口使能，这样就可以直接进行JTAG仿真调试了。
如果用户需要使用P1.26～P1.31作I/O，不进行JTAG仿真调试，则可以在用户程序中通过设置PINSEL2寄存器来使LPC2131内部JTAG接口禁止。
JTAG接口的电路图如图2-5所示。
图2-5JTAG仿真调试接口
2.6串口及GPRS接口电路
由于系统是3.3V系统，所以使用了SP3232E和SP3243E进行RS232电平转换，SP3232E是3V工作电源的RS232转换芯片。
串口电路UART0使用了SP3232E芯片，SP3232E系列是RS232收发器对便携式或手持式应用如笔记本或掌上型电脑的一种解决方案。
SP3232E系列有一个高效的电荷泵，工作电压为3.3V时只需0.1µF电容就可进行操作。
电荷泵允许SP3232E系列在+3.3V到+5.0V内的某个电压下发送符合RS-232的信号。
SP3232E系列是一个2驱动器/2接收器的器件，适用于便携式或手持式设备（如笔记本或掌上型电脑）。
SP3232E器件的ESD保护使得驱动器和接收器的管脚可承受±15kV人体放电模式和IEC1000-4-2气隙放电模式。
SP3222E器件包含一种低功耗关断模式，该模式下器件的驱动器输出和电荷泵被禁止。
关断状态下，电源电流低于1µA。
串口UART0电路的连接如图2-6所示。
图2-6串口UART0电路连接
GPRS接口电路的选择上，由于LPC2131的UART1没有完整的调制解调器（MODEM）接口，所以要使用8路的RS232转换芯片SP3243ECA。
SP3223E和3243E是RS-232收发器，用于笔记本电脑和掌上电脑等便携式或手持式应用中。
3243E采用一个内部高效的电荷泵，在3.3V的电源电压下只需要0.1uF的电容就可进行操作。
这种电荷泵和Sipex的驱动器结构允许SP3243E系列在+3.3V～+5.5V范围内的某个电压下发送兼容RS-232特性的信号。
SP3243E包含一个辅助接收器，当器件处于关断模式时，接收器仍能通过外部器件的铃响指示器向监控器报警。
当器件连接了RS-232电缆且电缆连接的外设通电时，AUTOON-LINE特性可使器件从关断状态自动“唤醒”。
如果不含该特性，器件将自动关闭，消耗的电流小于1μA。
另外，LPC2131的ISP使能管脚（P0.14口）与DCD1功能脚复用，在系统复位时若P0.14口为低电平，则进入ISP状态；同样，在程序仿真调试过程中，若把JP1短接，则DCD1保持为低电平，影响MODEM接口正确使用。
所以，P0.11和P0.14口一定要接上拉电阻，倘若引脚悬空会引起误动作。
连接如图2-7所示。
图2-7GPPRS接口UART1的电路连接
2.7LCD显示屏电路
字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模块。
我们根据实际情况，选择了常用的6字符x2行的JDL162A模块，其字符点阵为5x8点驱动方式为1/16D。
它的接口功能如表2-8所示。
表2-8JDL162A针脚功能图
针脚
符号
功能
1
VSS
电源接地
2
VCC
+5V电源
3
V0
LCD对比度调节
4
RS
寄存器选择H=数据选择
L=指令选择
5
R/W
读写信号
6
E
致能信号
7～14
DB0~DB7
数据线
15
A
LED+
16
K
LED-
第1脚：
VSS为地电源
第2脚：
VCC接5V正电源
第3脚：
V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度
第4脚：
RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。
第5脚：
RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。
当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平RW为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。
第6脚：
E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。
第7～14脚：
D0～D7为8位双向数据线。
第15脚：
LED＋
第16脚：
LED－
具体JDL162A的电路连接参考图2-9。
图2-9JDL162A的电路连接
2.8ADC电路
LPC2131具有一个8路10位ADC转换器，其参考电压由Vref引脚提供，参考电压的精度会影响ADC转换结果。
本设计提供了两路直流电压测量电路，可调电阻RA1、RA2用于调整ADC的输入电压，可以在CON5测试点上用万能表检查当前电压值。
由于这是对精度要求不是很高的测量，所以参考电压直接由电源3.3V提供。
ADC电路如图2-10所示。
图2-10ADC电路
2.9GPRS无线模块
ZWG-22A基于移动运营商现有的GPRS网络，可以方便的实现远程、无线、网络化的通信方式。
ZWG-22A的产品特性有：
（1）透明数据传输与协议转换。
（2）支持多数据中心。
（3）支持数据中心动态域名或IP地址访问。
（4）数据终端永远在线等多种工作方式可选。
（5）RS232DB9接口。
（6）单5V～35V宽范围供电。
（7）工作电流最大300mA、休眠时≤10mA。
（8）支持本地和远程图形界面配置与维护。
（9）支持短信配置与维护。
多重软硬件可靠设计，使设备安全运行
（10）支持本地和远程固件升级
通过ZWG-22A模块可以让远端的用户设备和管理中心的电脑进行透明数据通信。
透明数据通信意思即为用户设备与DTU之间没有通信协议，DTU将用户设备发送过来的数据不做修改的传送到目标PC上，运行于PC上的软件可以完整的接收到DTU发来的数据包。
比如用户设备发送一个字节数据0xAA，那么在PC端运行的软件就会收到一个字节数据0xAA。
从PC到用户设备的通信过程与之相同。
ZWG-22A的技术参数见表2-11。
表2-11ZWG-22A的技术参数
该产品可以使用+5V～35V的宽范围电压供电，电源纹波控制在300mV以内。
该产品在进行无线通信时瞬间电流会很大，并且变化快速，所以外部电源的内阻要尽量小。
该产品采用DB9接口，接口信号的电平符合RS232标准（±12V），不能直接连接TTL电平，否则可能损坏外部器件（比如不使用232电平变换芯片，而直接将单片机与DTU连接）。
电平接口方式如图2-12所示。
图2-12DTU的接口电平
第3章PCB设计
PCB的设计是工程师最基本的工作技能之一。
上一章设计的电路设计要画成原理图，最终经过PCB设计得以实现并验证，而PCB布局、走线的好坏和电磁兼容性的考虑将直接影响到整个系统的性能。
本章将重点介绍整个平台的PCB设计。
随着计算机在国内的逐渐普及，EDA（ElectronicDesignAutomatic,电路设计自动化）软件在电路行业的应用也越来越广泛，流行的软件大概有：
PROTEL、ORCADEDA、PSPICE、EWB、WINBOARD、WINDRAFT和IVEX－SPICE等等。
我们选用的是PROTELDXP2004版本。
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