基于CDMA的移动无线数据传输系统

摘要：介绍一种以C8051F020 MCU为控制核心、结合CDMA业务和GPS系统开发的移动无线数据传输系统，整个系统由移动终端、CDMA网络、Internet网络、信息管理中心服务器四部分组成；重点描述移动终端的硬件组成、软件设计。系统可用于移动状态下无线数据传输，例如车辆调度管理，停车场所和交通监测数据的传输，金融系统POS联网，气象站数据采集，各种分布式遥测遥控系统等。实验结果表明，本系统应用于各种移动场合的数据传输是目前最好的选择。 关键词：CDMA GPS 数据业务 C8051F020 ME45 引 言 　　目前，移动无线传输数据的方式主要有3种：GSM短消息、GPRS和CDMA。它们的特点比较如下： 　　① 移动通信网GSM短消息方式。短消息是GSM网所具有的电信业务之一。所谓的短消息是指长度不超过160个字符的文本消息。由于短消息传输用的是信令信道，采用存储转发的方式，因此短消息服务费用低，传输延时不固定，根据当前的短消息业务使用情况而定。短消息方式的缺点是数据传输速率低、具有延迟性且时间不定。 　　② GPRS(General Packet Radio Service)，即通用分组无线业务，是在现有GSM系统上发展出来的一种新的数据承载业务。GPRS采用分组交换技术，按流量计费，高效传输高速或低速数据和信令。GPRS理论传输速率可达171.2 kbps，实际传输速率大约在40 kbps。中国移动2002年5月18日开始正式商用GPRS网络。 　　③ CDMA 1X原意是指CDMA 2000的第一阶段，可支持308 kbps的数据传输、网络部分引入分组交换，可支持移动IP业务；CDMA 1X是在CDMA IS95系统上发展出来的一种新的承载业务，目的是为CDMA用户提供分组形式的数据业务；CDMA 1X理论传输速率可达300 kbps，目前的实际传输速率大约在100 kbps左右，可以用于Internet连接、数据传输等应用。CDMA 1X无线数据通信系统的特点是按流量计费，即一直在线，按照接收和发送数据包的数量来收取费用，没有数据流量的传递时不收费用。 　　第1代移动通信系统是模拟式的，已淘汰。第2代移动通信系统是数字蜂窝式的，如TDMA的GSM和CDMA的IS95。GPRS和CDMA 1X都是2.5代的移动通信系统。中国联通公司已经拥有了一个覆盖全国的CDMA2000 1X网络，用于提供1X数据分组业务。 　　CDMA 1X与GPRS虽然都是2.5代的移动通信系统，但1X网络通信速度远高于GPRS网络，而且易于平滑过渡到3G移动通信系统。未来的第3代移动通信系统虽然有几种模式，但毫无例外地都是CDMA码分多址的。 　　CDMA无线DDN（Digital Data Network）特别适合应用于工业、商业和其他诸多领域的移动数据传输、多点分散的数据传输，例如，物流系统的车辆调度管理，停车场所和交通监测数据的传输，金融系统POS联网，气象站数据采集，电力、水文、供暖、供气、供水的分布式遥测遥控系统等。 　　本文讨论的就是利用CDMA业务传送GPS定位信息的实例。当然，GPS定位信息只是整个信息传输管理系统的一个应用，通过更换不同的数据源模块可实现不同的信息传输，从而构成不同的信息传输管理系统，如远程抄表系统、水文数据采集系统等等。 [b]1 系统构成 [/b] 　　如图1所示，整个信息传输管理系统由移动终端、CDMA网络、Internet网、信息管理中心服务器组成。 　　移动终端将GPS数据组成CDMA数据分组，通过CDMA网络和Internet网，上传到信息管理中心服务器。服务器应当具备IP地址和电子地图。 　　信息管理中心也可以通过Internet网和CDMA网络向移动终端发出各种指令。 　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　图1基于CDMA的无线移动数据传输系统 2 移动终端硬件组成 　　移动终端的硬件部分主要有CDMA Modem模块、GPS模块、MCU及电源四部分，连接关系如图2所示。 　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　 图2移动终端硬件组成 　　其中的CDMA模块为Wavcom公司的ME45。这是一个具有完整功能的CDMA移动通信模块，通过串口可以实现对此模块的控制和数据传输，包括短信和无线上网等。另外加上模拟部分电路，可实现话音通信功能。对ME45的控制用的是AT命令方式。 　　GPS模块是台湾Holux公司的GM82 OEM板。它通过外接天线接收GPS信号，计算出所处位置的地理信息，通过串口将此信息传送给MCU。 　　MCU采用新华龙公司代理的C8051F020八位微控制器。选择此MCU是基于诸多考虑的：首先，是功能强大，几乎在单片中包容了所有常用的功能；其次，与普通的8051有相同的内核，开发容易，而且支持C语言源程序调试。 　　在此移动终端中，采用了如下一些必需的功能部件： 　　首先是它的两个硬件串口。这两个串口的波特率产生是独立的，而且不占用芯片的定时器，使用起来相当灵活。这两个串口分别对GPS模块和CDMA模块通信。GPS模块把位置信息以固定的格式从串口发出，MCU接收GPS模块送来的数据，解析出其中有用的数据进行封装，然后以规定的格式通过第2个串口交给CDMA模块，将数据送上Internet网。 　　其次，128字节的Flash可用于存放一些可设置的参数，如移动终端的识别号或IP地址、信息管理中心服务器的IP地址等。 　　再次，4 KB的SRAM相对其他的8位机来讲是相当大了，可以满足组帧、数据缓冲的要求。 　　64 KB的Flash可以满足较大程序量的要求。 　　64 KB的Flash和4 KB RAM的组合可以完成对信息数据的加解密工作，可提供某些特定场合使用。 　　引出了某些I/O口，通过光电耦合器隔离后引至其他监测点，可以扩展相应的功能。 　　另外，留出了总线扩展口，可扩展64 KB的SRAM，一方面可以用于嵌入实时操作系统，另一方面可以用于使用C8051F020的在线自我编程功能来远程更新程序。 　　由于用于移动设备，需要低功耗器件，而C8051F020工作电压为3.3 V，功耗很小。 　　设计时考虑该移动终端主要作为车载应用，所以实际电路中设计了从点烟器取电的电源电路。 　　移动终端利用C8051F020芯片控制实现，不用另行扩展串口、ROM以及RAM。此硬件结构并不仅仅局限在定位功能上，对于很多数据采集/控制应用也可以满足要求，只需改变程序结构。正是由于C8051F020的功能强大，使得硬件的组成和结构都变得非常简单。 3 移动终端软件设计 　　由于采用了C8051F020作控制器，使得硬件的工作相对简单和通用，所以该系统实现的主要工作集中在软件的实现上。 　　利用GPRS上网主要的问题是，在系统接入无线Internet网时进行初始化和对链路的控制。若对通信过程和协议不熟悉，则做起来很麻烦；现在已有许多MCU或GPRS Modem已将这些功能嵌入到操作系统中。对CDMA上网，则比较简单，通过拨通服务商的特定号码即可。 　　利用CDMA模块进行数据传输，既可以采用上网传输，也可以采用短消息的方法。下面就短消息方式的数据传输软件流程作一介绍。 　　对于数据源，GPS模块不断发送固定格式的串行数据，MCU利用一串口与之相连。一般MCU对串口数据的接收处理方式有查询和中断两种。这里采用的方法既不是查询也不是中断，而是命令的方式，MCU根据接收到的不同命令，执行不同的功能。移动终端的软件流程如图3所示。 　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　图3移动终端软件流程 　　(1) MCU的初始化 　　单片机的初始化很重要，它关系到程序能否正确运行。这里主要功能是分配串口引脚，设置系统时钟，确定波特率。 　　这里需要重点注意的问题是MCU的初始化。C8051 MCU硬件资源相当丰富，但有一些不是能同时使用的，需要在初始化时进行设定，所以它的交叉开关译码表的正确使用非常重要。资料中提供的优先权交叉开关分配是有区别的，关键看XBR2特殊功能寄存器中的EMIFLE位的值。串口分配时只用到4个引脚，没有用到外部存储器，所以 P0.7、P0.6、P0.5 的功能由交叉开关或端口锁存器决定，而且EMIFLE的值为“0”，这样可以保证串口分配不出现错位。 　　(2) 删除短消息子程序 　　删除短消息子程序的作用是清空SIM卡里存入的所有读过的短消息，但未读取的短消息不会删除，使每个新来的短消息的标号都为“0”。 　　(3) 读短消息子程序 　　读短消息子程序的作用是读取新消息并将短信的内容存储在内部RAM中，为程序的跳转提供判断的依据。例如，如果短信的内容是“###13520479697*”，表示设定短消息发送号码；如果需要查询车辆状况，MCU就会向卡号为“13520479697”的用户发定位信号。 　　 指令“AT+CMGR=0”表示读取SIM卡里的标号为0的短信。先把该指令转换为ASCII码，然后再串行发送出去。CDMA模块就会执行相应的命令，并将短信内容通过串行口传递给单片机。单片机的串口0的接收标志位RI置位，表示接收到一个完整的字符，可以从串口寄存器中取走内容。该标志位不能自动清零，需要软件复位，然后进行下一个字节的接收。 　　短信的内容是有长度的，通过设定短信内容的最后一个字符是否为“*”号来决定接收停止位。接收时，判断串口寄存器。如果接收到的字符为“*”,表示停止接收，则后面接收的信息无效，将SBUF0的内容存入RAM区。 　　(4) 短消息命令的执行 　　通过删除旧短信，读新短信，存储新短信的内容，MCU对存入内容检索、判断是什么功能命令，然后跳转到相应的功能程序入口，实现用户所要求的服务。 　　这里举两个命令说明：如“###13520479697*”和“PLACE*”。 　　接收到第1个命令时，先检测“###”，如果符合，则表示后面的数据是要存入Flash中的卡号，需要掉电保存的内容，将其存入128B的非易失性存储扇区中。掉电后，该号码不会丢失。如有语音命令和查询定位信息的命令时，都会呼叫这个存入Flash中的号码。 　　第2个命令表示接收定位信息。它是以第1个命令为基础的，只有第1个命令执行后，存有了卡号，才能将定位信息发送出去。当单片机检测到新短信的内容为“PLACE*”时，启动定时器4，通过串口1，接收GPS定位信号。这时，接收的信号还不是发到信息中心，要通过对导航电文的检索、提取，最后将有用的时间、经度、纬度信息发送给设定的号码。 　　两个不同命令短信的执行，功能子程序是分开的，但前端的判断跳转程序是关联的，所以将两个程序合在一起讨论。该程序包含对两个串口同时操作，先读新消息。如果内容有“PLACE*”，则进入定位信号的提取。判断是否有“###”，有则进入存储号码的功能。 　　 当检测到“PLACE*”时，首先启动定时器4，接收串口1的定位信息。由于GPS信号的定位信息里有些是用不到的，所以接收的信息要加以判断。如果数据头是“$GPRMC”，才开始接收。接收以A开头，E结尾。存放在0800开始的地址空间中，最后把这些内容整合到0900开始的地址空间内，串行发送给CDMA模块，这样就完成了定位信息以短消息发送的目的。 　　如果需要更强大的网络功能支持，可以嵌入RTOS内核。现在有不少操作系统支持C8051F MCU。 结语 　　随着科学技术的发展，在工业、商业和军事领域中实时信息传送的应用越来越广泛，需求量与日俱增。CDMA业务的推出，更加推动了这一方向的迅猛发展，无线移动数据传输技术的应用有着越来越广阔的前景。 　　　　　　　　　　　　　　　　　参考文献 1 祁玉生，邵世祥. 现代移动通信. 北京：人民邮电出版社，2000 2 潘琢金,等. C8051FXXX高速SOC单片及原理及应用. 北京：北京航空航天大学出版社，2002 3 GM82 GPS Receiver用户指南 4 ME45用户指南 5 C8051FXXX用户手册 宋鹏：教授，研究方向为移动数据传输，软件无线电，射频识别，载波通信。 严峰斌：硕士研究生，主要研究方向为光纤通信。