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基于GPRS的無線通信模塊的原理及設計論文
一、引言
如今通信技術、電子技術飛速進步，智能化建設不斷發展，越來越多的設備都有了聯網的需求。并且有大量的數據需要即時傳輸，很多場合有線連接的方式已經不能滿足人們的需要，而無線接入方式具有方便、快捷和廉價的特點。彌補了有線方式的不足。GPRS網絡以其覆蓋面廣泛，可持續利用和開發的優點，為無線接入產品提供了一個廣闊的平臺。
GPRS(GeneralPacketRadioService)，也叫通用分組無線業務，是在現有的GSM移動通信系統基礎之上發展起來的一種移動分組數據業務。GPRS通過在GSM數字移動通信網絡中引入分組交換功能實體，以支持采用分組方式進行的數據傳輸。GPRS系統可以看作是對原有的GSM電路交換系統進行的業務擴充，以滿足用戶利用移動終端接入Internet或其它分組數據網絡的需求。
如下內容給出了一種基GPRS的無線通信模塊的設計方案，該模塊變傳統的串口通訊為GPRS無線接入。實現串口設備的快速無線上網，可以方便地使采集設備與控制設備或計算機連接，完成數據的GSM網絡的無線接入和Internet傳輸。為需要無線接入網絡的設備提供了一個解決方案。
二、模塊工作原理
1.GPRS網絡原理
GSM—GPRS通過在原GSM網絡基礎上增加一系列功能實體來實現對分組數據的傳輸。新增功能實體和軟件升級后的原GSM功能實體組成GSM-GPRS網絡，作為獨立的網絡實體完成GPRS數據業務，原GSM網絡則完成電路業務。GPRS網絡與GSM原網絡通過一系列的接口協議共同完成對移動臺的移動性管理功能。
GPRS新增如下功能實體：
服務GPRS支持節點(SGSN.ServingGPRSSupportNode)其功能為處理話務、路由尋址、手機移動性管理、鑒權和加密、計費和統計。
網關GPRS支持節點(GGSNGatewayGPRSSupportNode)，其功能為GPRS話務處理、與外部IP數據網絡的接口、安全策略計費和統計。
此外還有點對多點數據服務中心等。同時，對原有的一系列功能實體進行軟件升級。
GPRS的特點：可利用成熟的GSM網絡平滑過渡投資小；靈活的計費方式可按流量時間服務等級等；與現有的GSM網絡并存互不干擾；快速接入；利用IP與外部分組數據網互聯。
2.無線通信模塊工作原理
無線通信模塊要與Internet交互的數據先通過GPRS模塊與當地GSM基站中的GPRS業務節點進行無線通信，并進入GPRS網絡。然后通過GPRS網關與Internet進行數據交互。
三、模塊的硬件設計
無線模塊主要由微控制器(MCU)和GPRS模塊組成。MCU選用意法半導體(ST)公司的STM32系列微控制器中的STM32F103VET6。GPRS模塊選用SKYWORKS公司的ZTG20l，通過RS232串口與微控制器連接。
1.微控制器STM32F1O3VET6
意法半導體(ST)公司的STM32系列32位閃存微控制器使用Cortex—M3內核。Cortex—M3在系統結構上的增強。讓STM32受益無窮Thumb-2指令集帶來了更高的指令效率和更強的性能；通過緊耦合的嵌套矢量中斷控制器。對中斷事件的響應比以往更迅速，所有這些又都融入了業界領先的低耗水準。
STM32F103VET6的工作頻率為72MHz。片上集成了高速存儲器(Flash為512KB，SRAM為64KB)和通過APB總線連接的豐富和增強的外設和I/O。所有的設備都提供標準的通信接口(兩個I2C接口，3個SPI接口和5個USART接口)。片上還帶有兩個l2位的ADC、一個12位的雙通道DAC、11個16位計時器。
2.GPRS模塊ZTG2O1
SKYWORKS公司的ZTG201采用SKYWORKS的射頻解決方案(RF)，接收器靈敏度：-108dBm，支持CMUX、支持SMS收發和GPRS同時在線，內置TCP/IP協議棧，能夠滿足GPRS模塊的要求。
四、模塊的軟件設計
1.模塊協議體系結構
無線通信模塊的協議體系結構
物理層：在對GPRS模塊進行參數設置后，微控制器利用AT指令通過GPRS模塊撥號，AT指令格式表示從串口發送的所有數據都發送給了GPRS模塊。正確反饋及應答后，一條物理通道即GPRS信道就在GPRS模塊和GPRS網絡之間建立起來。數據鏈路層：PPP幀格式表示從串口發送的所有數據都透明的發送給了GGSN。PPP協議將原始的GPRS物理層連接改造成無差錯的數據鏈路，模塊將遠程登錄Internet，并得到GPRS網關分配的IP地址。網絡層：利用IP協議作為網絡層協議，經過IP路由選擇，可以實現模塊與連在Internet的終端進行數據交換。傳輸層：選擇TCP作為傳輸層協議，為數據傳輸提供可靠的面向連接服務。
2.微控制器(MCU)主控程序
微控制器(MCU)主控程序主要向GPRS模塊發送AT指令和等待GPRS模塊的反饋信息，從而完成對GPRS模塊的設置和測試以及GPRS模塊的撥號操作。
首先通過AT指令接口函數測試GPRS模塊是否正常，進行必要的初始化設置；接著對接入的網絡服務提供商進行連接信息配置：然后進行連接，若能收到對方返回的連接成功信號，MCU就發送一個鏈路控制協議(LCP)的請求幀，以進入PPP協議協商階段，協商完成后，撥號就成功了。此后，數據的發送和接收都是PPP幀，GPRS工作模式進入無線連接狀態，不再響應AT命令，直到斷開連接為止。
3.網絡通信協議程序
網絡通信協議主要是基于GPRS通信PPP協議和精簡TCP/IP協議應用程序。PPP用于在串行鏈路上封裝IP數據包，IP是Internet互連的基礎，兩者都是必須的。TCP是網絡數據運輸層協議，具有較高可靠性和成熟的流量控制。
PPP協議：PPP協商過程是系統接入Internet的關鍵，由于PPP協商屬于request-answer的方式，即用戶終端ISP發起請求(request)，ISP按照請求內容作回應(answer)。
TCP/IP協議棧：模塊TCP協議的所有操作都是基于Socket套接字來完成，當需要建立一個新的連接時，初始化一個新的Socket，連接成功則保存Socket，否則釋放Socket。請求、建立和關閉等過程的進行由套接字Socket中的函數指針調用來實現。
五、總結
本文設計的基于STM32與GPRS的無線通信模塊、主要是通過MCU與GPRS模塊進行通信。通過GPR模塊使嵌入式系統接人Internet，從而進行網上數據交換。目前這種技術被廣泛的應用無線數據采集，遠程監控等領域，具有較高的實際應用價值。
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