GPRS无线通信系统中的MSC1210应用设计
时间：03-21
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引言
近年来，通信技术和网络技术的迅速发展，特别是无线通信技术的发展，使得电力系统的自动化程度进一步提高，GSM网络出现后，技术人员很快把GSM模块嵌入到各种仪器仪表中（如多功能电能表、故障测录仪、抄表系统和用电负荷监控等），从而使这些仪器仪表具有远程通信功能。
GPRS是在现有GSM系统上发展出来的一种新的数据承载业务，支持TCP/IP协议，可以与分组数据网（Internet等）直接互通。GPRS无线传输系统的应用范围非常广泛。几乎可以涵盖所有的中低业务和低速率的数据传输，尤其适合突发的小流量数据传输业务。
本文设计的GPRS无线通信模块，内嵌入了TCP/IP协议，采用工业级的GPRS模块，适用于单片机数据采集传输系统没有TCP/IP协议栈，但使用串口通信的情况。
GPRS通信原理及应用特点
◇ GPRS简介
GPRS是通用无线分组业务（General Pacpet Radio System）的缩写，是介于第二代和第三代之间的一种通信技术，通常称为2.5G。GPRS采用与GSM相同的频段、频带宽度、突发结构、无线调制标准、调频规则以及相同的TD-MA帧结构。因此，在GSM系统的基础上构建GPRS系统时，GSM系统的绝大部分部件都不需要作硬件改动，只需要作软件升级，有了GPRS，用户的呼叫建立时间大大缩短，几乎可以做到"永远在线"。此外，GPRS是以营运商传输的数据量而不是连接时间为基准来计费，从而令每个用户的服务成本更低。
◇ 基本工作原理
GPRS是在原有的基于电路交换（CSD）方式的GSM网络上引入两个新的网络节点：GPRS服务支持节点（SG-SN）和网关支持节点（GGSN）。SGSN和MSC在同一等级水平，并跟踪单个MS的存储单元实现安全功能和接入控制，并通过帧中继连接到基站系统，GGSN支持与外部分组交换网的互通，并经由基于IP的GPRS骨干网和SGSN连通。图1给出了GPRS与Internet进行连接的原理框图。
GPRS终端通过接口从客户系统取得数据，处理后的GPRS分组数据发送到GSM基站，分组数据经SGSN封装后，SGSN通过GPRS骨干网与网关支持接点GGSN进行通信，GGSN对分组数据进行相应的处理，再发送到目的网络，如Internet或X.25网络。
若分组数据是发送到另一个GPRS终端，则一般将数据由GPRS骨干网发送到SGSN，再经BSS发送到GPRS终端。
GPRS模块的硬件设计
嵌入式GPRS无线通信模块主要由嵌入TCP/IP的单片机（MSC1210Y5）、GPRS模块、SIM卡座、外部接口和扩展数据存储器等部分组成。图2是其系统硬件框图。
MSC1210主要用于控制GPRS模块的信息接收和发送，并通过标准RS232串口和外部控制器（比如数据采集端）进行数据通信，同时用软件实现中断，以完成数据转发。
◇ 单片机模块
单片机采用美国德州仪器公司最新推出的基于8051内核的MCS1210Y5，该芯片具有很强的数据处理能力，时钟频率为33MHz，指令运行速度实际上与运行在99MHz时钟频率下的标准8051内核相当，32KB Flash程序存储器，256B内部RAM和1024B片上SRAM，2KB启动ROM，支持串行和并行的在系统编程，双数据指针DPTR0和DPTR1可加快数据块的移动速度，其主要实现过程如下：
（1）通过AT指令初始化GPRS无线模块，使之附着在GPRS网络上，以获得网络运营商动态分配的GPRS终端IP地址，并与目的终端建立连接。
（2）通过串口0扩展MAX232标准串口和外部控制器（例如数据采集端）连接，外部控制器端接出标准串口，按照约好的协议可很容易利用本设计的控制器进行通信。
（3）复用P1.2和P1.3，也就是串口1分别和GPRS模块的TXD0和RXD0连接，P1口的其他6个端口分别接到GPRS模块对应的剩余RS232通信口。通过软件置位完成对MC35的初始化和控制GPRS模块的收发数据。
◇ 扩展数据存储器
MSC1210的Flash存储器可全部作为Flash程序存储器，也可以全部作为数据Flash程序，因为要嵌入实时操作系统和网络协议，需要一定的空间，因此将其全部用作程序存储器，而通过74HC573作为地址锁存器，扩展6264作为外部数据存储器，8KB的数据存储空间足够程序正常运行了，图3所示是MSC1210与数据存储器之间的硬件连接图。
◇ GPRS无线数传模块
GPRS无线模块作为终端的无线收发模块，把从单片机发送过来的IP包或基站转来得的分组数据进行相应的处理后再转发。
GPRS模块采用德国Simens公司生产的MC35模块。MC35模块主要由射频天线，内部Flash、SRAM、GSM基带处理器、匹配电源和一个40脚的ZIF插座组成。GSM基带处理器是核心部件，其作用相当于一个协议处理器，用来处理外部系统通过串口发送AT指令，射频天线部分主要实现信号的调制和解调，以及外部射频信号与内部基带处理器之间的信号转换，匹配电源为处理器基射频部分提供所需的电源。MC35的外围电路如图4所示。
图中，由AS2815将外部电压转换成3.3V工作电压。系统中的启动电路由三极管和上电复位电路组成，模块上电后，为使之正常工作，必须在15脚加至少100ms的低电平信号，启动后，15脚信号应保持高电平。
MC35在ZIF连接器上为SIM卡接口预留的引脚数为6个，要注意的是，CCIN引脚用来检测SIM卡座是否插有SIM卡，当插入SIM卡，该引脚置为高电平时，系统方可进入正常工作。
SYNC引脚有两种工作模式：一种是指示发射状态时的功率增长情况，另一种是指示MC35的工组状态，本设计中使用后一种模式，LED熄灭时，表明MC35处于关闭或睡眠状态；当LED为600ms亮/600ms熄时，表明SIM卡没有插入或MC35正在进行网络登陆；当LED为75ms为亮/3s熄时，表明MC35已登陆进入网络，处于待机状态。
近年来，通信技术和网络技术的迅速发展，特别是无线通信技术的发展，使得电力系统的自动化程度进一步提高，GSM网络出现后，技术人员很快把GSM模块嵌入到各种仪器仪表中（如多功能电能表、故障测录仪、抄表系统和用电负荷监控等），从而使这些仪器仪表具有远程通信功能。
GPRS是在现有GSM系统上发展出来的一种新的数据承载业务，支持TCP/IP协议，可以与分组数据网（Internet等）直接互通。GPRS无线传输系统的应用范围非常广泛。几乎可以涵盖所有的中低业务和低速率的数据传输，尤其适合突发的小流量数据传输业务。
本文设计的GPRS无线通信模块，内嵌入了TCP/IP协议，采用工业级的GPRS模块，适用于单片机数据采集传输系统没有TCP/IP协议栈，但使用串口通信的情况。
GPRS通信原理及应用特点
◇ GPRS简介
GPRS是通用无线分组业务（General Pacpet Radio System）的缩写，是介于第二代和第三代之间的一种通信技术，通常称为2.5G。GPRS采用与GSM相同的频段、频带宽度、突发结构、无线调制标准、调频规则以及相同的TD-MA帧结构。因此，在GSM系统的基础上构建GPRS系统时，GSM系统的绝大部分部件都不需要作硬件改动，只需要作软件升级，有了GPRS，用户的呼叫建立时间大大缩短，几乎可以做到"永远在线"。此外，GPRS是以营运商传输的数据量而不是连接时间为基准来计费，从而令每个用户的服务成本更低。
◇ 基本工作原理
GPRS是在原有的基于电路交换（CSD）方式的GSM网络上引入两个新的网络节点：GPRS服务支持节点（SG-SN）和网关支持节点（GGSN）。SGSN和MSC在同一等级水平，并跟踪单个MS的存储单元实现安全功能和接入控制，并通过帧中继连接到基站系统，GGSN支持与外部分组交换网的互通，并经由基于IP的GPRS骨干网和SGSN连通。图1给出了GPRS与Internet进行连接的原理框图。
GPRS终端通过接口从客户系统取得数据，处理后的GPRS分组数据发送到GSM基站，分组数据经SGSN封装后，SGSN通过GPRS骨干网与网关支持接点GGSN进行通信，GGSN对分组数据进行相应的处理，再发送到目的网络，如Internet或X.25网络。
若分组数据是发送到另一个GPRS终端，则一般将数据由GPRS骨干网发送到SGSN，再经BSS发送到GPRS终端。
GPRS模块的硬件设计
嵌入式GPRS无线通信模块主要由嵌入TCP/IP的单片机（MSC1210Y5）、GPRS模块、SIM卡座、外部接口和扩展数据存储器等部分组成。图2是其系统硬件框图。
MSC1210主要用于控制GPRS模块的信息接收和发送，并通过标准RS232串口和外部控制器（比如数据采集端）进行数据通信，同时用软件实现中断，以完成数据转发。
◇ 单片机模块
单片机采用美国德州仪器公司最新推出的基于8051内核的MCS1210Y5，该芯片具有很强的数据处理能力，时钟频率为33MHz，指令运行速度实际上与运行在99MHz时钟频率下的标准8051内核相当，32KB Flash程序存储器，256B内部RAM和1024B片上SRAM，2KB启动ROM，支持串行和并行的在系统编程，双数据指针DPTR0和DPTR1可加快数据块的移动速度，其主要实现过程如下：
（1）通过AT指令初始化GPRS无线模块，使之附着在GPRS网络上，以获得网络运营商动态分配的GPRS终端IP地址，并与目的终端建立连接。
（2）通过串口0扩展MAX232标准串口和外部控制器（例如数据采集端）连接，外部控制器端接出标准串口，按照约好的协议可很容易利用本设计的控制器进行通信。
（3）复用P1.2和P1.3，也就是串口1分别和GPRS模块的TXD0和RXD0连接，P1口的其他6个端口分别接到GPRS模块对应的剩余RS232通信口。通过软件置位完成对MC35的初始化和控制GPRS模块的收发数据。
◇ 扩展数据存储器
MSC1210的Flash存储器可全部作为Flash程序存储器，也可以全部作为数据Flash程序，因为要嵌入实时操作系统和网络协议，需要一定的空间，因此将其全部用作程序存储器，而通过74HC573作为地址锁存器，扩展6264作为外部数据存储器，8KB的数据存储空间足够程序正常运行了，图3所示是MSC1210与数据存储器之间的硬件连接图。
◇ GPRS无线数传模块
GPRS无线模块作为终端的无线收发模块，把从单片机发送过来的IP包或基站转来得的分组数据进行相应的处理后再转发。
GPRS模块采用德国Simens公司生产的MC35模块。MC35模块主要由射频天线，内部Flash、SRAM、GSM基带处理器、匹配电源和一个40脚的ZIF插座组成。GSM基带处理器是核心部件，其作用相当于一个协议处理器，用来处理外部系统通过串口发送AT指令，射频天线部分主要实现信号的调制和解调，以及外部射频信号与内部基带处理器之间的信号转换，匹配电源为处理器基射频部分提供所需的电源。MC35的外围电路如图4所示。
图中，由AS2815将外部电压转换成3.3V工作电压。系统中的启动电路由三极管和上电复位电路组成，模块上电后，为使之正常工作，必须在15脚加至少100ms的低电平信号，启动后，15脚信号应保持高电平。
MC35在ZIF连接器上为SIM卡接口预留的引脚数为6个，要注意的是，CCIN引脚用来检测SIM卡座是否插有SIM卡，当插入SIM卡，该引脚置为高电平时，系统方可进入正常工作。
SYNC引脚有两种工作模式：一种是指示发射状态时的功率增长情况，另一种是指示MC35的工组状态，本设计中使用后一种模式，LED熄灭时，表明MC35处于关闭或睡眠状态；当LED为600ms亮/600ms熄时，表明SIM卡没有插入或MC35正在进行网络登陆；当LED为75ms为亮/3s熄时，表明MC35已登陆进入网络，处于待机状态。