作者單位： 北方工業大學 宋鵬　　北京交通大學 嚴峰斌  
作者簡介：
         宋鵬：教授，研究方向為移動數據傳輸，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業務和GPS系統開發的移動無線數據傳輸系統，整個系統由移動終端、CDMA網絡、Internet網絡、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。系統可用于移動狀態下無線數據傳輸，例如車輛調度管理，停車場所和交通監測數據的傳輸，金融系統POS聯網，氣象站數據采集，各種分布式遙測遙控系統等。實驗結果表明，本系統應用于各種移動場合的數據傳輸是目前最好的選擇。


關鍵詞：CDMA GPS 數據業務 C8051F020 ME45

引 言

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

　　① 移動通信網GSM短消息方式。短消息是GSM網所具有的電信業務之一。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，采用存儲轉發的方式，因此短消息服務費用低，傳輸延時不固定，根據當前的短消息業務使用情況而定。短消息方式的缺點是數據傳輸速率低、具有延遲性且時間不定。

　　② GPRS(General Packet Radio Service)，即通用分組無線業務，是在現有GSM系統上發展出來的一種新的數據承載業務。GPRS采用分組交換技術，按流量計費，高效傳輸高速或低速數據和信令。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網絡。

　　③ CDMA 1X原意是指CDMA 2000的第一階段，可支持308 kbps的數據傳輸、網絡部分引入分組交換，可支持移動IP業務；CDMA 1X是在CDMA IS95系統上發展出來的一種新的承載業務，目的是為CDMA用戶提供分組形式的數據業務；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、數據傳輸等應用。CDMA 1X無線數據通信系統的特點是按流量計費，即一直在線，按照接收和發送數據包的數量來收取費用，沒有數據流量的傳遞時不收費用。

　　第1代移動通信系統是模擬式的，已淘汰。第2代移動通信系統是數字蜂窩式的，如TDMA的GSM和CDMA的IS95。GPRS和CDMA 1X都是2.5代的移動通信系統。中國聯通公司已經擁有了一個覆蓋全國的CDMA2000 1X網絡，用于提供1X數據分組業務。

　　CDMA 1X與GPRS雖然都是2.5代的移動通信系統，但1X網絡通信速度遠高于GPRS網絡，而且易于平滑過渡到3G移動通信系統。未來的第3代移動通信系統雖然有幾種模式，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、商業和其他諸多領域的移動數據傳輸、多點分散的數據傳輸，例如，物流系統的車輛調度管理，停車場所和交通監測數據的傳輸，金融系統POS聯網，氣象站數據采集，電力、水文、供暖、供氣、供水的分布式遙測遙控系統等。

　　本文討論的就是利用CDMA業務傳送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的一個應用，通過更換不同的數據源模塊可實現不同的信息傳輸，從而構成不同的信息傳輸管理系統，如遠程抄表系統、水文數據采集系統等等。

1 系統構成

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

　　移動終端將GPS數據組成CDMA數據分組，通過CDMA網絡和Internet網，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網和CDMA網絡向移動終端發出各種指令。

　　　　　 
　　　　　　　　　　　　　　　圖1基于CDMA的無線移動數據傳輸系統

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，通過串口可以實現對此模塊的控制和數據傳輸，包括短信和無線上網等。另外加上模擬部分電路，可實現話音通信功能。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出，MCU接收GPS模塊送來的數據，解析出其中有用的數據進行封裝，然后以規定的格式通過第2個串口交給CDMA模塊，將數據送上Internet網。

　　其次，128字節的Flash可用于存放一些可設置的參數，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、數據緩沖的要求。

　　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據的加解密工作，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，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，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，對于很多數據采集/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，所以該系統實現的主要工作集中在軟件的實現上。

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

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

　　對于數據源，GPS模塊不斷發送固定格式的串行數據，MCU利用一串口與之相連。一般MCU對串口數據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根據接收到的不同命令，執行不同的功能。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。資料中提供的優先權交叉開關分配是有區別的，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。例如，如果短信的內容是“###13520479697*”，表示設定短消息發送號碼；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，然后再串行發送出去。CDMA模塊就會執行相應的命令，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。

　　(4) 短消息命令的執行

　　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，則表示后面的數據是要存入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個命令執行后，存有了卡號，才能將定位信息發送出去。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、經度、緯度信息發送給設定的號碼。

　　兩個不同命令短信的執行，功能子程序是分開的，但前端的判斷跳轉程序是關聯的，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。如果數據頭是“$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，串行發送給CDMA模塊，這樣就完成了定位信息以短消息發送的目的。

　　如果需要更強大的網絡功能支持，可以嵌入RTOS內核。現在有不少操作系統支持C8051F MCU。

結語

　　隨著科學技術的發展，在工業、商業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業務的推出，更加推動了這一方向的迅猛發展，無線移動數據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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