基于ATmegal6的GPRS數(shù)據(jù)終端設(shè)計(jì)

0 引 言
    目前，在由GPRS承載業(yè)務(wù)支持的標(biāo)準(zhǔn)化網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的基礎(chǔ)上，可提供點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無(wú)連接型網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)(PTP—CLNS)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)面向連接的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)(PTP-CONS)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)業(yè)務(wù)(PTM)，還能支持用戶終端業(yè)務(wù)、補(bǔ)充業(yè)務(wù)、GSM短消息業(yè)務(wù)和各種GPRS電信業(yè)務(wù)。GPRS可提供Internet、多媒體、電子商務(wù)等業(yè)務(wù)，可應(yīng)用于運(yùn)輸業(yè)、金融、證券、商業(yè)和公共安全業(yè)；PTM業(yè)務(wù)支持股市動(dòng)態(tài)、天氣預(yù)報(bào)、交通信息等實(shí)時(shí)發(fā)布；另外，還能提供種類繁多、功能強(qiáng)大的以GPRS承載業(yè)務(wù)為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用業(yè)務(wù)和基于WAP的各種應(yīng)用。其中，GPRS的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)在行業(yè)應(yīng)用中越來(lái)越廣泛。該業(yè)務(wù)已被應(yīng)用于遠(yuǎn)程抄表、電力系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控、交通遠(yuǎn)程監(jiān)控、車輛監(jiān)控和GPS導(dǎo)航等諸多方面。
    在GPRS數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的行業(yè)應(yīng)用中，數(shù)據(jù)終端是最基本的設(shè)備。目前的數(shù)據(jù)終端具有智能化和可擴(kuò)展性不斷增強(qiáng)的發(fā)展趨勢(shì)，性能越來(lái)越強(qiáng)大，接口越來(lái)越豐富，但成本一直居高不下。本文介紹一種以基于AVR單片機(jī)ATmegal6和Motorola G20模塊的低成本GPRS數(shù)據(jù)終端的設(shè)計(jì)。

l 終端的硬件設(shè)計(jì)
    終端由ATmegal6和G20模塊及一些外圍器件組成，系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。ATmega16具有1個(gè)功能完整的異步串行通信接口(UART)，在直流5V供電時(shí)，其I/O操作電壓范圍約為O～5V；G20模塊提供一個(gè)用于接收控制命令和傳輸數(shù)據(jù)的異步串行通信接口，在直流3．3V供電時(shí)，其I／O操作電壓范圍為0～3．3 V，因此，可以將ATmegal6串行接口經(jīng)電平轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)接后與G20模塊的串行口相連，進(jìn)行異步串行數(shù)據(jù)交換。終端采用一塊16×2字符型LCD顯示GPRS網(wǎng)絡(luò)連接及數(shù)據(jù)傳輸狀況信息。ATmegal6和LCD采用直流5 V供電，5 V電源經(jīng)過(guò)由低壓差線性穩(wěn)壓集成電路LM1117—3．3組成的穩(wěn)壓電路將電壓轉(zhuǎn)換成3．3 V后給G20模塊供電。

1．1 ATmegal6與G20模塊的硬件接口
    由于ATmegal6和G20模塊的I／O操作電壓范圍不相同，所以兩者的串行口之間需經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換才能確保穩(wěn)定通信，其電平轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。

    這里采用光電耦合器件TLP521進(jìn)行5 V和3．3 V之間的電平轉(zhuǎn)換。ATmegal6的I／O驅(qū)動(dòng)能力較強(qiáng)(最大輸出40 mA電流)，可以直接驅(qū)動(dòng)TLP521。G20模塊的I／O驅(qū)動(dòng)能力較弱，需加一級(jí)驅(qū)動(dòng)緩沖器才能驅(qū)動(dòng)TLP521，這里使用7406反相驅(qū)動(dòng)緩沖器。
1．2 ATmegal6與LCD的硬件接口
    系統(tǒng)中采用基于HD44780液晶控制芯片的16×2字符型LCD，該器件內(nèi)置了字符產(chǎn)生器，能顯示192個(gè)常用字符(包括阿拉伯?dāng)?shù)字和大小寫英文字母)和16個(gè)用戶自定義字符，它與ATmegal6的接口如圖3所示。HD44780的數(shù)據(jù)總線DB7～DB0與ATmegal6的PA7～PA0相接，RS、R／W和EN分別與單片機(jī)的PD3、PD4和PD5相連。利用ATmega16的I／O口控制LCD進(jìn)行指令和數(shù)據(jù)輸入，正確地顯示出經(jīng)緯度數(shù)據(jù)。

2 ATmega16與G20模塊的接口程序設(shè)計(jì)
    利用GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸一般有多種組網(wǎng)方案，這里以其中一種方案進(jìn)行說(shuō)明，其他方案的數(shù)據(jù)終端實(shí)現(xiàn)方式類似。該方案采用數(shù)據(jù)中心公網(wǎng)固定IP，由監(jiān)測(cè)點(diǎn)直接向中心發(fā)起連接。
    G20模塊自身內(nèi)嵌了TCP／IP和UDP／IP協(xié)議棧，大大簡(jiǎn)化了接口程序的編寫。G20模塊串口通信默認(rèn)在57 600 b／s的速率下進(jìn)行，數(shù)據(jù)格式為：8位數(shù)據(jù)位、1位停止位、無(wú)奇偶校驗(yàn)和硬件流控制。
    G20模塊只能接受由ASCII字符代碼組成的標(biāo)準(zhǔn)格式的AT指令。根據(jù)Developer′S Guide-Motorola G20 AT Commands所講述的內(nèi)容，一行G20模塊的AT指令可以包含一條或者多條命令，這些命令必須由分隔符相隔，每個(gè)AT指令行不得超過(guò)140個(gè)字符。G20模塊具體的AT命令行結(jié)構(gòu)如圖4所示。

    每個(gè)AT命令行均以字符串“AT”為前綴，以回車符“<CR>”為后綴。命令行中各指令之間的分隔符可以為分號(hào)“；”或者空格。命令行中的英文字母可以是大寫格式，也可以是小寫格式。
    每當(dāng)G20模塊接收到指令時(shí)都會(huì)輸出相關(guān)的響應(yīng)信息，以顯示指令的執(zhí)行結(jié)果。響應(yīng)信息的數(shù)據(jù)格式如圖5所示。響應(yīng)信息由3部分組成：前綴、響應(yīng)代碼和后綴。其中，前綴和后綴一樣，均為回車和換行符，即“<CR><LF>”；不同指令在不同情況下的響應(yīng)代碼也不一樣。

    在實(shí)際應(yīng)用中，可以通過(guò)程序控制ATmegal6由其異步串行口按照既定的通信速率、數(shù)據(jù)格式和指令形式向G20模塊發(fā)出控制指令，然后監(jiān)視G20模塊的響應(yīng)信息，根據(jù)響應(yīng)信息判斷命令的執(zhí)行結(jié)果，進(jìn)而控制G20模塊進(jìn)行遠(yuǎn)程無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)送。利用G20模塊實(shí)現(xiàn)GPRS數(shù)據(jù)發(fā)送一般要按照以下控制步驟進(jìn)行(這里使用的是UDP協(xié)議)：
    (1)通過(guò)指令“at+mipcall=<Operation>[<APN>，[<User name>，<Password>-]]”建立一個(gè)GPRS無(wú)線鏈接，如“at+mipcall=1，cmnet”。在這里，“cmnet”是中國(guó)移動(dòng)的APN名稱。其中<Operation>可為0或1，0代表斷開連接，1代表連接。[<APN>，[<User—name>，<Password>]]是可選項(xiàng)，無(wú)需時(shí)省去。如果鏈接建立成功，G20模塊將會(huì)返回本機(jī)的IP地址，如“<CR><LF>0K<CR><LF><CR><LF>+mipcall：10．103．201．135<CR><LF>”，此時(shí)本機(jī)在移動(dòng)內(nèi)網(wǎng)的IP地址為：10．103．201．135。如果鏈接不成功，G20模塊將會(huì)返回錯(cuò)誤信息“<CR><LF>ERROR<CR><LF>”。
    (2)通過(guò)指令“at+mipopen=<Socket ID>，<Source Port>，<"Destination IP">，<DestinationPort2>，<Protocol2>”打開一個(gè)端口(Socket)，如“at+mipopen=l，2000，“219．222．73．240”，6800，1”。其中，<Socket ID2>是本地端口號(hào)，G20模塊一共可以打開4個(gè)端口，端口序號(hào)分別是1～4；<Source Port>是G20模塊本機(jī)的端口號(hào)，其數(shù)值可以是0～65 535；<“Destination IP”>是目標(biāo)IP地址，可以是直接連接到Internet公網(wǎng)的某臺(tái)PC的IP地址。<DestinationPort>是目標(biāo)的端口號(hào)，其數(shù)值可以是0～65535。<Protocol>是協(xié)議棧類型，其數(shù)值可以為0或1，0代表是TCP協(xié)議棧，1代表UDP協(xié)議棧；如果端口打開成功將返回“<CR><LF>OK<CR><LF><CR><LF>+MIPOPEN：<Socket ID>，<State><CR><LF>”，如“<CR><LF>OK<CR><LF><CR><LF>+MIPOPEN：1，1<CR><LF>”。如果端口打開不成功，將會(huì)返回錯(cuò)誤信息“<CR><LF>ERROR<CR><LF>”。
    (3)通過(guò)指令“at+mipsend=<Socket ID>，<Data>”將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)壓入G20模塊的發(fā)送堆棧。如“at+mipsend=1，4142434445”。這里的<Socket ID>是前面已經(jīng)打開的端口序號(hào)，<Data>是所要發(fā)送的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式必須是用十六進(jìn)制表示的數(shù)據(jù)(數(shù)值或者字符)的雙字節(jié)ASCII值。如要發(fā)送的數(shù)據(jù)為“ABCDE”(A、B、C、D和E的ASCII數(shù)值分別為0x41，0x42，0x43，0x44和0x45)，則要將“4142434445”作為<Data>壓入發(fā)送堆棧。指令操作成功時(shí)，G20模塊返回信息“<CR><LF>+MIPSEND：<Socket ID>，<Free Size><CR><LF><CR><LF>OK<CR><LF>”，如“<CR><LF>+MIPSEND：1，1367<CR><LF><CR><LF>OK<CR><LF>”，其中<Socket ID>是端口序號(hào)，<Free Size>是指堆棧中的剩余空間，其數(shù)值可為O～1372。如操作不成功，G20模塊將會(huì)返回錯(cuò)誤信息“<CR><LF>ERROR<CR><LF>”。
    (4)通過(guò)指令“at+mippush=<Socket ID>[，<“Destination IP”>，<Destination Port>]”將特定序號(hào)發(fā)送堆棧中的數(shù)據(jù)出棧，如“at+mippush=1”執(zhí)行這條指令之后，堆棧中的數(shù)據(jù)就被發(fā)送出去了。這里所說(shuō)的堆棧序號(hào)是和前面所述的端口序號(hào)一一對(duì)應(yīng)的。方括號(hào)中的內(nèi)容是可選項(xiàng)，不需要時(shí)可以省去。數(shù)據(jù)發(fā)送成功時(shí)，G20模塊返回信息“<CR><LF>+MIPPUSH：<Socket ID><CR><LF><CR><LF>OK<CR><LF>”，如“<CR><LF>+MIPPUSH：1<CR><LF><CR><LF>OK<CR><LF>”。如數(shù)據(jù)發(fā)送失敗，G20模塊將會(huì)返回錯(cuò)誤信息“<CR><LF>ERROR<CR><LF>”。
    (5)反復(fù)進(jìn)行上述步驟(3)和(4)，直至所有數(shù)據(jù)發(fā)送完畢為止。
    (6)通過(guò)指令“at+mipclose=<Socket ID>”關(guān)閉已打開的端口，如“at+mipclose=1”。端口關(guān)閉成功時(shí)，G20模塊會(huì)返回信息“<CR><LF>OK<CR><LF><CR><LF>+MIPCLOSE：<Socket ID><CR><LF>”，如“<CR><LF>OK<CR><LF><CR><LF>+MIPCLOSE：1 ID><CR><LF>”。如果端口關(guān)閉不成功，G20模塊將會(huì)返回錯(cuò)誤信息“<CR><LF>ERROR<CR><LF>”。
    (7)通過(guò)指令“at+mipcall=0”關(guān)閉GPRS網(wǎng)絡(luò)連接。如果網(wǎng)絡(luò)連接關(guān)閉成功，G20模塊將會(huì)返回信息“<CR><LF>OK<CR><LF><CR><LF>NOCARRIER<CR><LF><CR><LF>+MIPCALL：0<CR><LF>”。如果網(wǎng)絡(luò)連接關(guān)閉不成功，G20模塊將會(huì)返回錯(cuò)誤信息“<CR><LF>ERROR<CR><LF>”。
    另外，G20模塊接收到遠(yuǎn)程終端通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)自動(dòng)從其串口輸出該數(shù)據(jù)。如果接收到的是UDP協(xié)議的數(shù)據(jù)，G20模塊會(huì)以以下數(shù)據(jù)格式輸出：
    <CR><LF>+M1PRUDP：<Source IP>，<Source Port>，<Socket ID>，<Left>，<Data>
    其中，<Source IP>是發(fā)送方的IP地址，<Source Port>是發(fā)送方的端口號(hào)，<Socket ID>是本機(jī)端口序號(hào)，<Left>留在堆棧中的接收數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)，<Data>是所接收到的數(shù)據(jù)。如果接收到的是TCP協(xié)議的數(shù)據(jù)，G20模塊會(huì)以以下數(shù)據(jù)格式輸出：
    <CR><LF>+MIPRTCP：<Socket ID>，<Left>，<Data>
    各部分含義如前述。編程使ATmegal6不斷查詢串口接收緩沖區(qū)即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收，也可以采用接收中斷的方式提高運(yùn)行效率。

3 結(jié) 語(yǔ)
    GPRS數(shù)據(jù)傳輸鏈路中GGSN(網(wǎng)關(guān)GPRS支持節(jié)點(diǎn))占用的端El的存活時(shí)間是有限的，如果鏈路空閑超時(shí)，連接就會(huì)斷開，可通過(guò)定時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)短幀的方式來(lái)維持鏈路。經(jīng)測(cè)定，本地(廣州)的GPRS數(shù)傳鏈路維持時(shí)間為60 s?；贏Tmegal6的GPRS數(shù)據(jù)終端成本低，易于推廣普及，可用于遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)監(jiān)測(cè)和Internet遠(yuǎn)程接入等領(lǐng)域。