基于C8051F02X的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

0 引 言
    隨著我國工業(yè)生產(chǎn)自動化程度的提高，需要在野外監(jiān)控、操作和維護(hù)的設(shè)備越來越多。而傳統(tǒng)監(jiān)控手段的監(jiān)控者和被監(jiān)控對象都是固定的，任何一端都無法隨意移動；另外，傳統(tǒng)監(jiān)控手段針對偏僻、偏遠(yuǎn)地域監(jiān)控難于實現(xiàn)。面對這種局面，按照傳統(tǒng)方式進(jìn)行分散維護(hù)和人工監(jiān)控，不僅浪費人力、物力，而且可靠性差，已經(jīng)不能適應(yīng)工業(yè)自動化發(fā)展的需要。
    無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)是需要進(jìn)行遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用系統(tǒng)的通信平臺GSM網(wǎng)絡(luò)通信以其低廉的價格和永遠(yuǎn)在線的性能有著不可估量的發(fā)展前景。如何充分利用現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)資源，發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)覆蓋率高、用戶數(shù)量大等優(yōu)勢，開展多種增值業(yè)務(wù)，越來越為GSM網(wǎng)絡(luò)運營商所重視。短信服務(wù)(Short Message Service，SMS)，作為GSM網(wǎng)絡(luò)的一種主要的基本業(yè)務(wù)，其傳遞是可靠的。因此，選用GSM的短消息業(yè)務(wù)實現(xiàn)遠(yuǎn)程無線數(shù)據(jù)傳輸是可行的。在短消息業(yè)務(wù)快速發(fā)展的背景下，短消息在無線監(jiān)控與數(shù)據(jù)傳輸方面的應(yīng)用有著極為重要的現(xiàn)實意義和實際價值。借助短消息服務(wù)業(yè)務(wù)和GSM網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和設(shè)備終端遠(yuǎn)程監(jiān)控逐漸成為人們研究的熱點。

l 系統(tǒng)概述
    本文介紹的一種基于C8051F02X的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)應(yīng)用了計算機(jī)技術(shù)和GSM網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，是一種新型無線通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)依托GSM網(wǎng)絡(luò)，采用短消息進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，即在傳統(tǒng)的單片機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中增加支持短消息、數(shù)據(jù)通信等業(yè)務(wù)的GPRS模塊，并為其分配一個獨立的SIM卡，結(jié)合單片機(jī)系統(tǒng)通過串行通信接口，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程無線傳輸。
    這里介紹的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)是監(jiān)控系統(tǒng)中重要的一個環(huán)節(jié)，是一個既有監(jiān)控功能，又有強(qiáng)大管理功能的完善系統(tǒng)，由主控端系統(tǒng)、GSM通信網(wǎng)絡(luò)及遠(yuǎn)程監(jiān)控終端系統(tǒng)組成。監(jiān)控終端通過GSM網(wǎng)絡(luò)和主控端監(jiān)控中心進(jìn)行雙向的信息傳輸。它將采集到的數(shù)據(jù)信息送到監(jiān)控中心，同時接收監(jiān)控中心的操作命令，對受控設(shè)備實施相應(yīng)的操作。整個系統(tǒng)實現(xiàn)了以下的主要功能：
    數(shù)據(jù)采集 通過串口接收數(shù)據(jù)采集器采集的現(xiàn)場數(shù)據(jù)。
    定時發(fā)送數(shù)據(jù) 系統(tǒng)定時(0：OO，8：00，16：00)將實時數(shù)據(jù)以短信息的方式通過GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給主控端。如果在規(guī)定的時間內(nèi)主控端沒有收到短信息，主控端將會向系統(tǒng)返回信息，系統(tǒng)收到信息后重發(fā)數(shù)據(jù)。
    數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程查詢 操作人員可隨時在值班室操作主控端軟件，發(fā)送命令查詢遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)采集器采集的當(dāng)前數(shù)據(jù)，系統(tǒng)接收到該命令后即將采集到的當(dāng)前數(shù)據(jù)發(fā)送給主控端。
    遠(yuǎn)程控制 操作人員可操作主控端軟件向系統(tǒng)發(fā)送用于監(jiān)控被控對象的參數(shù)值，系統(tǒng)接收到這些參數(shù)值后通過串口傳輸給數(shù)據(jù)采集器，從而實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。
    數(shù)據(jù)記錄 主控端軟件將接收到的數(shù)據(jù)儲存在數(shù)據(jù)庫中，以備日后檢索查看。

2 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)
    圖1為采用的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的硬件連接圖。

    由圖1可以看到，系統(tǒng)由控制模塊和數(shù)據(jù)收發(fā)模塊兩部分組成。 
    控制模塊主要由C8051F021單片機(jī)和DSl2887時鐘芯片組成，主要是控制數(shù)據(jù)收發(fā)模塊發(fā)送數(shù)據(jù)的時間，同時也可以通過串口與上位機(jī)相連，通過上位機(jī)控制數(shù)據(jù)采集器的相關(guān)參數(shù)。
    數(shù)據(jù)收發(fā)模塊主要由C8051F020單片機(jī)，數(shù)據(jù)采集器以及GPRS模塊三部分組成。數(shù)據(jù)采集器將采集到的數(shù)據(jù)通過串口0發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，通過串口1發(fā)送相應(yīng)的AT指令給GPRS模塊，然后GPRS模塊將數(shù)據(jù)以短信息的形式通過GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到接收端。
    控制模塊和數(shù)據(jù)收發(fā)模塊之間通過SPIO進(jìn)行通信，其中C8051F021為主機(jī)，C8051F020為從機(jī)?？偪啬K主要向數(shù)據(jù)收發(fā)模塊發(fā)送兩類控制信息：
    (1)當(dāng)?shù)搅瞬杉瘮?shù)據(jù)的時刻，向數(shù)據(jù)收發(fā)模塊發(fā)送一個字符‘S’，數(shù)據(jù)收發(fā)模塊收到該信息以后就將該時刻接收的數(shù)據(jù)通過GPRS模塊發(fā)送給遠(yuǎn)程終端；
    (2)需要對數(shù)據(jù)采集器的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行修改時，將修改好的參數(shù)以一定的格式發(fā)送給數(shù)據(jù)收發(fā)模塊，數(shù)據(jù)收發(fā)模塊判斷之后通過串口O將該信息發(fā)送給數(shù)據(jù)采集器。
2．1 C8051F02X單片機(jī)
    美國Cygnal公司的系統(tǒng)型MCU芯片C8051F020是完全集成的混合信號片上系統(tǒng)型MCU芯片，是真正能獨立工作的片上系統(tǒng)(SoC)。與普通單片機(jī)相比較，它具有高速、功能強(qiáng)，外設(shè)及功能部件齊全，擴(kuò)展芯片少，升級維護(hù)容易等優(yōu)點，而其具有的片內(nèi)調(diào)試功能，設(shè)計人員可通過JTAG接口進(jìn)行非侵入式、全速的在系統(tǒng)調(diào)試，是復(fù)雜系統(tǒng)高效、高可靠性的數(shù)字信號處理芯片。
    本系統(tǒng)設(shè)計選用此款單片機(jī)作為MCU的最主要原因，一方面是由于CIP-51與MCS-51指令完全兼容，可使用標(biāo)準(zhǔn)的8051的匯編器、編譯器及軟件包進(jìn)行軟件開發(fā)，同時也方便使用人員進(jìn)行軟件移植；另一方面可充分利用其豐富的通用數(shù)字端口資源，而不用地址／數(shù)據(jù)線復(fù)用，其外圍電路的設(shè)計也可以大大簡化。C8051F02X豐富的端口資源及其分配的靈活性通過使用優(yōu)先權(quán)交叉開關(guān)譯碼器實現(xiàn)，而且所有引腳都采用5 V電壓，且都可以配置為漏極開路或推挽輸出方式和弱上拉。
2．2 DSl2887時鐘芯片
    DSl2887是DALLAS公司推出的一款時鐘芯片。該芯片內(nèi)置晶振及電池，無需擔(dān)心掉電停走問題，另外還提供了114 B通用非易失RAM，同時可完成閏年補(bǔ)償和夏令時自動調(diào)整功能，支持Motorola和IN2TEL兩種總線時序。這些優(yōu)點使得該芯片被廣泛應(yīng)用在工業(yè)控制領(lǐng)域中。時鐘芯片與單片機(jī)之間的電路連接如圖2所示。

2．3 MC35i模塊
    MC35i是西門子公司的第一款GPRS模塊，它不僅支持GPRS技術(shù)，還具有TC35i的全部功能：可以在GSM網(wǎng)上進(jìn)行數(shù)據(jù)、語音、短消息以及傳真的服務(wù)；采用標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)接口，易于集成。MC35i支持GSM900和GSMl800雙頻網(wǎng)絡(luò)，內(nèi)置SlM卡閱讀器以及支持即插即用的特性，可以把它作為通用的雙頻帶模塊，用來簡單、快速地傳送數(shù)據(jù)。
    MC35i有40個引腳，通過一個零阻力插座(Zero Insertion Force，ZIF)連接器引出。這40個引腳可以劃分為五類，即電源、數(shù)據(jù)輸入／輸出、SIM卡、音頻接口和控制。其中第18，19引腳分別作為輸入／輸出引腳與C8051F020的串口1相連；C8051F020通過向MC35i的第18引腳發(fā)送AT命令控制數(shù)據(jù)傳輸，同時根據(jù)第19引腳的返回數(shù)據(jù)來判斷是否有新短信并讀取短信內(nèi)容。第15引腳為點火線IGT(Ignition)，是控制引腳，與C8051F020的P1．5引腳相連；當(dāng)MC35i通電后必須給IGT一個大于100 ms的低電平，模塊才啟動。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計
    本設(shè)計分為主機(jī)和從機(jī)兩個部分，主機(jī)部分主要是實現(xiàn)對數(shù)據(jù)發(fā)送時間以及數(shù)據(jù)采集器參數(shù)的控制，從機(jī)部分主要是實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。
3．1 通信協(xié)議的設(shè)置
    主機(jī)與從機(jī)之間要實現(xiàn)相互通信，首先必須規(guī)定用以傳輸數(shù)據(jù)的協(xié)議。一般來說，主機(jī)發(fā)送命令和配置信息給從機(jī)，而從機(jī)則向主機(jī)發(fā)送反饋信息。
    本系統(tǒng)主要實現(xiàn)的是主機(jī)對從機(jī)數(shù)據(jù)發(fā)送時間的控制，當(dāng)主機(jī)響應(yīng)時鐘芯片DSl2887的中斷請求進(jìn)入INTO中斷服務(wù)程序時，主機(jī)向從機(jī)發(fā)送一個字符‘s’，從機(jī)接收到該指令后就開始發(fā)送數(shù)據(jù)。同時數(shù)據(jù)收發(fā)模塊與接收終端之間同樣需要通信協(xié)議以保證傳輸?shù)目煽啃?。?dāng)接收終端在一定的時間內(nèi)(比如5 min)沒有收到數(shù)據(jù)時，向數(shù)據(jù)收發(fā)模塊發(fā)送一條內(nèi)容為‘N’的短信息，示意重發(fā)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)收發(fā)模塊收到短信息后，提取短信息內(nèi)容并判斷是否為‘N’，是則重發(fā)數(shù)據(jù)。從機(jī)與數(shù)據(jù)采集器之間的通信也規(guī)定了相應(yīng)的協(xié)議，每一組數(shù)據(jù)前都有相應(yīng)的起始位和長度位，從機(jī)通過判斷每一組數(shù)據(jù)的起始位和長度位以保證數(shù)據(jù)接收的正確性。
3．2 主機(jī)部分的軟件設(shè)計
    在主機(jī)部分，關(guān)鍵點在于如何對時鐘芯片進(jìn)行初始化。初始化過程中，關(guān)閉周期性中斷和時鐘更新結(jié)束中斷，而將時間性中斷設(shè)為每整點一次，每次產(chǎn)生中斷后，讀取小時值，判斷是否能被8整除，如能整除，說明該時刻為O：00，8：00或16：00，則向從機(jī)發(fā)送控制信息‘S’，通知數(shù)據(jù)收發(fā)模塊發(fā)送數(shù)據(jù)。主機(jī)的INTO中斷服務(wù)程序流程圖如圖3所示。

3．3 從機(jī)部分的軟件設(shè)計
    在從機(jī)部分，通過串口0接收數(shù)據(jù)采集器的數(shù)據(jù)并不斷刷新，當(dāng)從機(jī)接收到主機(jī)發(fā)送的指令‘S’時，通過串口1發(fā)送相應(yīng)的AT指令給GPRS模塊，將當(dāng)前數(shù)據(jù)以短信息的形式發(fā)送到遠(yuǎn)程終端。由于GPRS只能發(fā)送字符數(shù)據(jù)，如果發(fā)送的數(shù)據(jù)大于127將發(fā)送失敗，所以將每個數(shù)據(jù)都轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的字符發(fā)送，比如十六進(jìn)制數(shù)9F，就轉(zhuǎn)換為字符9和F再發(fā)送，終端接收到以后如需要可再轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制數(shù)9F。
    從機(jī)要實現(xiàn)的另一項功能是數(shù)據(jù)重發(fā)，該功能是在串口1中斷服務(wù)程序中實現(xiàn)的。因此從機(jī)程序中有串口0、串口1、SPIO三個中斷服務(wù)程序，其中串口O中斷的優(yōu)先級別最高，其次是SPIO中斷，串口1中斷優(yōu)先級別最低。而串口0中斷幾乎是在不停地發(fā)生著，因此必須將串口1中斷和SPIO中斷的中斷優(yōu)先級設(shè)置位置1(默認(rèn)為0)，使CPU優(yōu)先響應(yīng)串口1中斷和SPIO中斷，否則串口1中斷和SPIO中斷的中斷請求幾乎得不到響應(yīng)。
    串口0中斷服務(wù)程序流程圖如圖4所示。

4 結(jié) 語
    本系統(tǒng)采用工業(yè)級芯片C8051F02X系列單片機(jī)結(jié)合GSM網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸，系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠性高，在很多應(yīng)用領(lǐng)域，比如水文監(jiān)測、地質(zhì)勘探等，都可以使用本系統(tǒng)通過無線傳輸手段完成遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和對采集數(shù)據(jù)的實時傳輸。