基于ARM和GPRS的數(shù)據(jù)采集傳輸儀系統(tǒng)設(shè)計[圖]

摘要：文章設(shè)計了一種以ARM單片機為核心、采用GPRS作為無線傳輸方式的數(shù)據(jù)采集傳輸儀，此設(shè)備通過串口與傳感器進行通信實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)，然后通過GPRS模塊把傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送到控制中心。文章首先介紹了ARM處理器的優(yōu)點和GPRS無線傳輸?shù)奶攸c，然后重點介紹了數(shù)據(jù)采集傳輸儀的硬件系統(tǒng)，并對設(shè)計重點做了詳細分析，最后對此數(shù)據(jù)采集儀的技術(shù)優(yōu)勢和潛在應(yīng)用做了分析和展望。

關(guān)鍵詞：ARM；單片機；GPRS；數(shù)據(jù)采集；串口通信

0 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，在分散的、環(huán)境惡劣的作業(yè)點，特別是存在突發(fā)、小數(shù)據(jù)量傳輸?shù)膱龊�，以有線傳輸作為通信媒介已不太合適。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用迅速推動了無線通信技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域的發(fā)展，無線傳感器終端逐漸成為主流。

GPRS是通用分組無線服務(wù)技術(shù)的簡稱，它是GSM移動電話用戶可用的一種移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。它的出現(xiàn)，使低成本無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建成為可能，具有資費低、覆蓋區(qū)域大、實時在線、傳輸率高、呼叫建立時間短等優(yōu)勢，因此采用GPRS方式設(shè)計無線傳感器終端的數(shù)據(jù)采集儀是當(dāng)今比較好的解決方案。

ARM(Advaneed RISC Machines)微處理器是32位、高性能、廉價、耗能低的RISC處理器�，F(xiàn)已廣泛應(yīng)用于多種領(lǐng)域，比如嵌入控制、消費／教育類多媒體和移動式應(yīng)用等。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)主要由GPRS通訊模塊、MCU控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和電源管理模塊4部分組成，軟件部分由單片機驅(qū)動、數(shù)據(jù)采集、GPRS無線通信、系統(tǒng)監(jiān)控等部分組成，硬件部分由電源管理、微處理器、GPRS模塊、SIM卡座、串行通信接口和數(shù)據(jù)存儲器等部分組成。微處理器用于控制GPRS模塊的信息接收和發(fā)送，通過串行通信口和外部傳感器進行數(shù)據(jù)通訊，數(shù)據(jù)存儲器用于存儲通過GPRS傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，以備GPRS數(shù)據(jù)傳輸丟失時可以補傳。本數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 硬件設(shè)計

本系統(tǒng)硬件使用ARM處理器作為核心控制器，以西門子公司的MC52i模塊作為GPRS無線通信模塊，使系統(tǒng)具有低功耗、高效率、實時在線的特點。

2．1 嵌入式微處理器單元

本硬件平臺的MCU采用ST公司的STM32F105RCT6，該單片機使用當(dāng)前最流行的Cortex-M3內(nèi)核，采用64腳封裝，擁有獨立的256 kBflash和 64k的RAM，最高允許頻率可達72MHz，同時具有5路UART、12路DMA控制器、片內(nèi)RTC、51個I／O口、片內(nèi)16通道12位ADC、2個IIC接口、3個SPI接口和2個CAN總線接口。本系統(tǒng)通過合理利用片內(nèi)集成的多種功能模塊，大大降低了設(shè)計的復(fù)雜性，也降低了系統(tǒng)成本。該MCU在本設(shè)計中的設(shè)計管腳應(yīng)用如圖2所示。

如圖1所示，系統(tǒng)具有兩個晶振，其中8MHz晶振為主晶振，通過MCU內(nèi)部倍頻到72MHz為系統(tǒng)提供運行頻率；32．768kHz為系統(tǒng)的RTC提供運行時鐘。當(dāng)單片機的1腳也就是VBAT腳接使用電池供電時，RTC在系統(tǒng)斷電情況下可以由電池供電，從而可以保證RTC在斷電情況下繼續(xù)正常運行。

本設(shè)計針對工業(yè)應(yīng)用場合設(shè)計，為確保系統(tǒng)在任何環(huán)境均能正常上電復(fù)位并啟動，電源監(jiān)視芯片采用了CATALYST公司的CATS09s芯片，該芯片門檻電壓為2．93V，監(jiān)視電壓為3．3V。本設(shè)計將CAT809s的輸出串聯(lián)上一個阻值較小的電阻，這不僅減小了灌電流，還可以在電源電壓下降的狀況下對MCU進行有效的復(fù)位，通過實驗證明，該方法是切實可行的。

電容C11、C12、C13、C14、C15和C54為MCU專用去耦電容，L5為磁珠，可以減少系統(tǒng)其它部分電源產(chǎn)生的高頻干擾信號，從而保證EMCU在穩(wěn)定的電源狀態(tài)下工作，增強系統(tǒng)的抗干擾性。

JP1四芯接頭為SW接口，可以通過JLINK或者其它支持SW調(diào)試接口的在線調(diào)試器對系統(tǒng)進行跟蹤調(diào)試。使用SW調(diào)試接口查找系統(tǒng)軟件方面的問題非常方便。

2．2 GPRS模塊MC52i

MC52i是Cinterion公司(原西門子)生產(chǎn)的內(nèi)部帶有TCP／IP協(xié)議棧的模塊，不僅支持SOCKET連接下的TCP／UDP數(shù)據(jù)傳輸，還支持HTTP、FTP、SMTP、POP3等上層應(yīng)用協(xié)議。它支持標(biāo)準(zhǔn)ITU-T的AT命令集，可以通過串口對其進行控制。該模塊是工業(yè)級別的模塊，目前廣泛運用于智能公交、無線數(shù)傳(DTU)、遠程無線抄表等系統(tǒng)應(yīng)用中，可在-40℃和+80℃的環(huán)境下正常工作，功耗低、可靠性高、性價比高。MC52i的接口為50芯雙排接口，由于系統(tǒng)采用串口方式與MC52i通信，并且僅僅GPRS功能，所以系統(tǒng)僅使用9針串口的RXD0和TXD0，本系統(tǒng)的應(yīng)用接口如圖3所示。

其中D16和D17為串口通信指示燈，當(dāng)MCU和MC52i有數(shù)據(jù)通信時，通過該指示燈可以看到通信狀態(tài)是否正常。

U10為SIM卡插座，SIM卡的電源、時鐘、數(shù)據(jù)線均按照上面電路所示連接，其中CCIN為SIM卡插入檢測管腳。

MC52i正常啟動工作還需兩個控制信號，分別是OFF和IGT，這兩個控制信號的電平和MCU的3．3V不一致，所以需要通過MOS管進行電平轉(zhuǎn)換。模塊正常工作時有兩個狀態(tài)指示信號，具體電路圖如圖4所示。

IGT控制信號用于啟動模塊上電啟動，該控制信號必須使用開漏或者集電極開路電路拉低至少100ms才能使用模塊正常上電啟動。

OFF控制信號也必須使用開口或者集電極開路電路驅(qū)動，用于斷電情況緊急關(guān)斷模塊電源，該信號通常為高，使用時需要拉低至少10ms。當(dāng)緊急關(guān)機信號使用后如果啟動IGT信號可以使模塊復(fù)位。

GPRS_ACTIVE信號通過MOS管驅(qū)動D14 LED指示燈，當(dāng)MC52i模塊正常上電時該信號為高，MOS管導(dǎo)通，驅(qū)動D14指示燈點亮。

GPRS_SYNC為無線數(shù)據(jù)通信狀態(tài)指示信號，當(dāng)數(shù)據(jù)鏈路正常通信時該信號指示燈閃爍顯示。

3 軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要分為系統(tǒng)初始化、GPRS模塊初始化、無線通信、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)存儲5個模塊，其中無線模塊初始化和無線通信的算法流程如圖5所示。

如圖5所示，系統(tǒng)上電后首先通過控制IGT信號控制GPRS模塊正常上電啟動，GPRS模塊正常啟動工作后，通過AT指令分別創(chuàng)建GPRS服務(wù)和連接，在創(chuàng)建連接時需要設(shè)定GPRS通信所需的終端IP地址和端口號，如果端口號設(shè)置不對或者不支持外部連接則創(chuàng)建連接會失敗。連接創(chuàng)建成功后，系統(tǒng)的發(fā)送和接收狀態(tài)變量狀態(tài)，分別執(zhí)行GPRS發(fā)送和接收功能，在GPRS發(fā)送過程中會由于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的不穩(wěn)定等原因?qū)е掳l(fā)送失敗，此時需要重新創(chuàng)建GPRS服務(wù)和連接。

本設(shè)計對GPRS模塊的所有操作均通過AT命令實現(xiàn)，其中MC52i主要的AT命令如下：

·AT^SICS；……網(wǎng)絡(luò)連接參數(shù)設(shè)置

·AT＾SISS；……網(wǎng)絡(luò)服務(wù)參數(shù)設(shè)置

·AT^SISO；……打開網(wǎng)絡(luò)服務(wù)

·AT^SISC；……關(guān)閉網(wǎng)絡(luò)服務(wù)

·AT^SISR；……從GPRS模塊中讀取服務(wù)器發(fā)來的數(shù)據(jù)

·AT^SISW；……把數(shù)據(jù)寫入到GPRS模塊，然后由GPRS模塊發(fā)送到指定的IP端口

4 應(yīng)用和發(fā)展前景

本設(shè)計將無線通信技術(shù)與當(dāng)前主流ARM單片機嵌入式技術(shù)有機融合在一起，可使傳感器終端通過低廉、快速、可靠的方式連入GPRS網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)，并可使傳感器終端的數(shù)據(jù)信息可靠、實時地進行無線傳輸，從而為無人值守傳感器終端設(shè)備的安全穩(wěn)定運行和數(shù)據(jù)采集提供了可靠的保證。實際使用效果證明，本系統(tǒng)能夠長時間穩(wěn)定地向上位機控制終端發(fā)送數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)量較小和數(shù)據(jù)傳輸速度要求不高的場合，最能體現(xiàn)性價比，同時也可以滿足實時性應(yīng)用需求。

作者：徐良芝 來源：現(xiàn)代電子技術(shù)