基于CDMA的移動無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

 
作者單位： 北方工業(yè)大學 宋鵬　　北京交通大學 嚴峰斌  
作者簡介：
         宋鵬：教授，研究方向為移動數(shù)據(jù)傳輸，軟件無線電，射頻識別，載波通信。

    嚴峰斌：碩士研究生，主要研究方向為光纖通信。

摘要：介紹一種以C8051F020 MCU為控制核心、結合CDMA業(yè)務和GPS系統(tǒng)開發(fā)的移動無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，整個系統(tǒng)由移動終端、CDMA網(wǎng)絡、Internet網(wǎng)絡、信息管理中心服務器四部分組成；重點描述移動終端的硬件組成、軟件設計。系統(tǒng)可用于移動狀態(tài)下無線數(shù)據(jù)傳輸，例如車輛調度管理，停車場所和交通監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸，金融系統(tǒng)POS聯(lián)網(wǎng)，氣象站數(shù)據(jù)采集，各種分布式遙測遙控系統(tǒng)等。實驗結果表明，本系統(tǒng)應用于各種移動場合的數(shù)據(jù)傳輸是目前最好的選擇。


關鍵詞：CDMA GPS 數(shù)據(jù)業(yè)務 C8051F020 ME45

引 言

　　目前，移動無線傳輸數(shù)據(jù)的方式主要有3種：GSM短消息、GPRS和CDMA。它們的特點比較如下：

　?、?nbsp;移動通信網(wǎng)GSM短消息方式。短消息是GSM網(wǎng)所具有的電信業(yè)務之一。所謂的短消息是指長度不超過160個字符的文本消息。由于短消息傳輸用的是信令信道，采用存儲轉發(fā)的方式，因此短消息服務費用低，傳輸延時不固定，根據(jù)當前的短消息業(yè)務使用情況而定。短消息方式的缺點是數(shù)據(jù)傳輸速率低、具有延遲性且時間不定。

　?、?nbsp;GPRS(General Packet Radio Service)，即通用分組無線業(yè)務，是在現(xiàn)有GSM系統(tǒng)上發(fā)展出來的一種新的數(shù)據(jù)承載業(yè)務。GPRS采用分組交換技術，按流量計費，高效傳輸高速或低速數(shù)據(jù)和信令。GPRS理論傳輸速率可達171.2 kbps，實際傳輸速率大約在40 kbps。中國移動2002年5月18日開始正式商用GPRS網(wǎng)絡。

　?、?nbsp;CDMA 1X原意是指CDMA 2000的第一階段，可支持308 kbps的數(shù)據(jù)傳輸、網(wǎng)絡部分引入分組交換，可支持移動IP業(yè)務；CDMA 1X是在CDMA IS95系統(tǒng)上發(fā)展出來的一種新的承載業(yè)務，目的是為CDMA用戶提供分組形式的數(shù)據(jù)業(yè)務；CDMA 1X理論傳輸速率可達300 kbps，目前的實際傳輸速率大約在100 kbps左右，可以用于Internet連接、數(shù)據(jù)傳輸?shù)葢?。CDMA 1X無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的特點是按流量計費，即一直在線，按照接收和發(fā)送數(shù)據(jù)包的數(shù)量來收取費用，沒有數(shù)據(jù)流量的傳遞時不收費用。

　　第1代移動通信系統(tǒng)是模擬式的，已淘汰。第2代移動通信系統(tǒng)是數(shù)字蜂窩式的，如TDMA的GSM和CDMA的IS95。GPRS和CDMA 1X都是2.5代的移動通信系統(tǒng)。中國聯(lián)通公司已經(jīng)擁有了一個覆蓋全國的CDMA2000 1X網(wǎng)絡，用于提供1X數(shù)據(jù)分組業(yè)務。

　　CDMA 1X與GPRS雖然都是2.5代的移動通信系統(tǒng)，但1X網(wǎng)絡通信速度遠高于GPRS網(wǎng)絡，而且易于平滑過渡到3G移動通信系統(tǒng)。未來的第3代移動通信系統(tǒng)雖然有幾種模式，但毫無例外地都是CDMA碼分多址的。

　　CDMA無線DDN（Digital Data Network）特別適合應用于工業(yè)、商業(yè)和其他諸多領域的移動數(shù)據(jù)傳輸、多點分散的數(shù)據(jù)傳輸，例如，物流系統(tǒng)的車輛調度管理，停車場所和交通監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸，金融系統(tǒng)POS聯(lián)網(wǎng)，氣象站數(shù)據(jù)采集，電力、水文、供暖、供氣、供水的分布式遙測遙控系統(tǒng)等。

　　本文討論的就是利用CDMA業(yè)務傳送GPS定位信息的實例。當然，GPS定位信息只是整個信息傳輸管理系統(tǒng)的一個應用，通過更換不同的數(shù)據(jù)源模塊可實現(xiàn)不同的信息傳輸，從而構成不同的信息傳輸管理系統(tǒng)，如遠程抄表系統(tǒng)、水文數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等等。

1 系統(tǒng)構成

　　如圖1所示，整個信息傳輸管理系統(tǒng)由移動終端、CDMA網(wǎng)絡、Internet網(wǎng)、信息管理中心服務器組成。

　　移動終端將GPS數(shù)據(jù)組成CDMA數(shù)據(jù)分組，通過CDMA網(wǎng)絡和Internet網(wǎng)，上傳到信息管理中心服務器。服務器應當具備IP地址和電子地圖。

　　信息管理中心也可以通過Internet網(wǎng)和CDMA網(wǎng)絡向移動終端發(fā)出各種指令。

　　　　　 
　　　　　　　　　　　　　　　圖1基于CDMA的無線移動數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

2 移動終端硬件組成

　　移動終端的硬件部分主要有CDMA Modem模塊、GPS模塊、MCU及電源四部分，連接關系如圖2所示。

　　　　　 
　　　　　　　　　　　　　　　　　 圖2移動終端硬件組成

　　其中的CDMA模塊為Wavcom公司的ME45。這是一個具有完整功能的CDMA移動通信模塊，通過串口可以實現(xiàn)對此模塊的控制和數(shù)據(jù)傳輸，包括短信和無線上網(wǎng)等。另外加上模擬部分電路，可實現(xiàn)話音通信功能。對ME45的控制用的是AT命令方式。

　　GPS模塊是臺灣Holux公司的GM82 OEM板。它通過外接天線接收GPS信號，計算出所處位置的地理信息，通過串口將此信息傳送給MCU。

　　MCU采用新華龍公司代理的C8051F020八位微控制器。選擇此MCU是基于諸多考慮的：首先，是功能強大，幾乎在單片中包容了所有常用的功能；其次，與普通的8051有相同的內核，開發(fā)容易，而且支持C語言源程序調試。

　　在此移動終端中，采用了如下一些必需的功能部件：

　　首先是它的兩個硬件串口。這兩個串口的波特率產生是獨立的，而且不占用芯片的定時器，使用起來相當靈活。這兩個串口分別對GPS模塊和CDMA模塊通信。GPS模塊把位置信息以固定的格式從串口發(fā)出，MCU接收GPS模塊送來的數(shù)據(jù)，解析出其中有用的數(shù)據(jù)進行封裝，然后以規(guī)定的格式通過第2個串口交給CDMA模塊，將數(shù)據(jù)送上Internet網(wǎng)。

　　其次，128字節(jié)的Flash可用于存放一些可設置的參數(shù)，如移動終端的識別號或IP地址、信息管理中心服務器的IP地址等。

　　再次，4 KB的SRAM相對其他的8位機來講是相當大了，可以滿足組幀、數(shù)據(jù)緩沖的要求。

　　64 KB的Flash可以滿足較大程序量的要求。

　　64 KB的Flash和4 KB RAM的組合可以完成對信息數(shù)據(jù)的加解密工作，可提供某些特定場合使用。

　　引出了某些I/O口，通過光電耦合器隔離后引至其他監(jiān)測點，可以擴展相應的功能。

　　另外，留出了總線擴展口，可擴展64 KB的SRAM，一方面可以用于嵌入實時操作系統(tǒng)，另一方面可以用于使用C8051F020的在線自我編程功能來遠程更新程序。

　　由于用于移動設備，需要低功耗器件，而C8051F020工作電壓為3.3 V，功耗很小。

　　設計時考慮該移動終端主要作為車載應用，所以實際電路中設計了從點煙器取電的電源電路。

　　移動終端利用C8051F020芯片控制實現(xiàn)，不用另行擴展串口、ROM以及RAM。此硬件結構并不僅僅局限在定位功能上，對于很多數(shù)據(jù)采集/控制應用也可以滿足要求，只需改變程序結構。正是由于C8051F020的功能強大，使得硬件的組成和結構都變得非常簡單。

3 移動終端軟件設計

　　由于采用了C8051F020作控制器，使得硬件的工作相對簡單和通用，所以該系統(tǒng)實現(xiàn)的主要工作集中在軟件的實現(xiàn)上。

　　利用GPRS上網(wǎng)主要的問題是，在系統(tǒng)接入無線Internet網(wǎng)時進行初始化和對鏈路的控制。若對通信過程和協(xié)議不熟悉，則做起來很麻煩；現(xiàn)在已有許多MCU或GPRS Modem已將這些功能嵌入到操作系統(tǒng)中。對CDMA上網(wǎng)，則比較簡單，通過撥通服務商的特定號碼即可。

　　利用CDMA模塊進行數(shù)據(jù)傳輸，既可以采用上網(wǎng)傳輸，也可以采用短消息的方法。下面就短消息方式的數(shù)據(jù)傳輸軟件流程作一介紹。

　　對于數(shù)據(jù)源，GPS模塊不斷發(fā)送固定格式的串行數(shù)據(jù)，MCU利用一串口與之相連。一般MCU對串口數(shù)據(jù)的接收處理方式有查詢和中斷兩種。這里采用的方法既不是查詢也不是中斷，而是命令的方式，MCU根據(jù)接收到的不同命令，執(zhí)行不同的功能。移動終端的軟件流程如圖3所示。

　　　　　　　　　　　　 
　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖3移動終端軟件流程

　　(1) MCU的初始化

　　單片機的初始化很重要，它關系到程序能否正確運行。這里主要功能是分配串口引腳，設置系統(tǒng)時鐘，確定波特率。

　　這里需要重點注意的問題是MCU的初始化。C8051 MCU硬件資源相當豐富，但有一些不是能同時使用的，需要在初始化時進行設定，所以它的交叉開關譯碼表的正確使用非常重要。資料中提供的優(yōu)先權交叉開關分配是有區(qū)別的，關鍵看XBR2特殊功能寄存器中的EMIFLE位的值。串口分配時只用到4個引腳，沒有用到外部存儲器，所以 P0.7、P0.6、P0.5 的功能由交叉開關或端口鎖存器決定，而且EMIFLE的值為“0”，這樣可以保證串口分配不出現(xiàn)錯位。

　　(2) 刪除短消息子程序

　　刪除短消息子程序的作用是清空SIM卡里存入的所有讀過的短消息，但未讀取的短消息不會刪除，使每個新來的短消息的標號都為“0”。

　　(3) 讀短消息子程序

　　讀短消息子程序的作用是讀取新消息并將短信的內容存儲在內部RAM中，為程序的跳轉提供判斷的依據(jù)。例如，如果短信的內容是“###13520479697*”，表示設定短消息發(fā)送號碼；如果需要查詢車輛狀況，MCU就會向卡號為“13520479697”的用戶發(fā)定位信號。
　　
指令“AT+CMGR=0”表示讀取SIM卡里的標號為0的短信。先把該指令轉換為ASCII碼，然后再串行發(fā)送出去。CDMA模塊就會執(zhí)行相應的命令，并將短信內容通過串行口傳遞給單片機。單片機的串口0的接收標志位RI置位，表示接收到一個完整的字符，可以從串口寄存器中取走內容。該標志位不能自動清零，需要軟件復位，然后進行下一個字節(jié)的接收。

　　短信的內容是有長度的，通過設定短信內容的最后一個字符是否為“*”號來決定接收停止位。接收時，判斷串口寄存器。如果接收到的字符為“*”,表示停止接收，則后面接收的信息無效，將SBUF0的內容存入RAM區(qū)。

　　(4) 短消息命令的執(zhí)行

　　通過刪除舊短信，讀新短信，存儲新短信的內容，MCU對存入內容檢索、判斷是什么功能命令，然后跳轉到相應的功能程序入口，實現(xiàn)用戶所要求的服務。

　　這里舉兩個命令說明：如“###13520479697*”和“PLACE*”。

　　接收到第1個命令時，先檢測“###”，如果符合，則表示后面的數(shù)據(jù)是要存入Flash中的卡號，需要掉電保存的內容，將其存入128B的非易失性存儲扇區(qū)中。掉電后，該號碼不會丟失。如有語音命令和查詢定位信息的命令時，都會呼叫這個存入Flash中的號碼。

　　第2個命令表示接收定位信息。它是以第1個命令為基礎的，只有第1個命令執(zhí)行后，存有了卡號，才能將定位信息發(fā)送出去。當單片機檢測到新短信的內容為“PLACE*”時，啟動定時器4，通過串口1，接收GPS定位信號。這時，接收的信號還不是發(fā)到信息中心，要通過對導航電文的檢索、提取，最后將有用的時間、經(jīng)度、緯度信息發(fā)送給設定的號碼。

　　兩個不同命令短信的執(zhí)行，功能子程序是分開的，但前端的判斷跳轉程序是關聯(lián)的，所以將兩個程序合在一起討論。該程序包含對兩個串口同時操作，先讀新消息。如果內容有“PLACE*”，則進入定位信號的提取。判斷是否有“###”，有則進入存儲號碼的功能。

　　 當檢測到“PLACE*”時，首先啟動定時器4，接收串口1的定位信息。由于GPS信號的定位信息里有些是用不到的，所以接收的信息要加以判斷。如果數(shù)據(jù)頭是“$GPRMC”，才開始接收。接收以A開頭，E結尾。存放在0800開始的地址空間中，最后把這些內容整合到0900開始的地址空間內，串行發(fā)送給CDMA模塊，這樣就完成了定位信息以短消息發(fā)送的目的。

　　如果需要更強大的網(wǎng)絡功能支持，可以嵌入RTOS內核。現(xiàn)在有不少操作系統(tǒng)支持C8051F MCU。

結語

　　隨著科學技術的發(fā)展，在工業(yè)、商業(yè)和軍事領域中實時信息傳送的應用越來越廣泛，需求量與日俱增。CDMA業(yè)務的推出，更加推動了這一方向的迅猛發(fā)展，無線移動數(shù)據(jù)傳輸技術的應用有著越來越廣闊的前景。

　　　　　　　　　　　　　　　　　參考文獻

1 祁玉生，邵世祥. 現(xiàn)代移動通信. 北京：人民郵電出版社，2000
2 潘琢金,等. C8051FXXX高速SOC單片及原理及應用. 北京：北京航空航天大學出版社，2002
3 GM82 GPS Receiver用戶指南
4 ME45用戶指南
5 C8051FXXX用戶手冊 
 

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