基于ARM和GPRS的远程监测终端设计

2．3 GPRS模块
GPRS模块选用华为GTM900C模块，它是一款三频段GSM／GPRS无线模块。模块接口简单、使用方便且功能强大。它支持标准的AT命令及增强AT命令。GTM900C的GPRS数据业务的最高速率可达85．6 kbit／GTM900C提供40脚的ZIF接口，主要有电源接口、UART接口(最大串口速率可达115200bit／s)、标准SIM卡接口和模拟语音接口。
本系统中，GTM900C主要是实现GPRS上网功能。该模块的主要特点如下：
1)单电源供电，供电范围为3．3～4．8 V．典型供电电压为4．2 V；
2)可工作于三频EGSM900和／GSM1800／GT800单频；最大发射功率EGSM900／GT800 Class(2W)和GSM1800 Classl(1W)；
3)支持GSM标准AT命令、V．25 AT命令和华为扩展AT命令；
4)GPRS传输速率最高可达85.6 kbps，支持CS-1，CS-2，CS-3，CS-4 4种编码方式。内嵌了TCP／IP协议；支持多连接，提供ACK应答，提供大容量缓存。
GPRS模块与主处理器的连接很简单，由于两者是通过串口接口进行通信的，所以将两者用串口线连接即可。GPRS的网络功能都已集成在模块中，只需要在主处理器这一端将串口参数设置好，然后发送相应的AT指令对模块进行操作即可。

3 终端软件设计
终端软件设计包括两个任务，一是搭建开发环境，如Linux操作系统内核移植，编写设备驱动等，二是在开发环境准备好的基础上进行应用程序的编写，包括完成SPI总线数据输入输出功能，GPRS无线数据传输功能，和界面显示功能。
3．1 软件开发平台搭建
软件平台采用嵌入式Linux操作系统，嵌入式Linux操作系统是一个源代码公开的实时多任务操作系统，可应用于多种硬件平台，可根据需要定制内核，有良好的网络支持，Linux系统内核精简、高效并且稳定，能够充分发挥硬件的功能，它非常适合在嵌入式领域中应用。嵌入式Linux操作系统搭建的步骤为：在宿主机上建立交叉编译的环境；编译生成Linux的内核，用的内核是Linux-2．6．29；编译生成根文件
系统，用的根文件系统为yaffs；向目标机下载Bootloader的映像，用的Bootloader为Supervivi；烧写Linux内核和文件系统的映像；复位启动。为了使终端可以使用触摸屏，液晶屏和SPI总线，将编写的对应的驱动编译、添加到Linux内核中。系统使用的宿主机系统为在虚拟机下运行的RedHat9．0。
终端应用程序用Qt来编写，Qt是一个跨平台的C++图形用户界面应用程序框架。它具有优良的跨平台特性、面向对象、丰富的API支持等优点。Qt-Embedded是Qt的嵌入式版本，因此终端应用程序的开发使用Qt／E作为开发工具。Qt运行环境的搭建步骤为：首先在宿主机上分别建立Ot-x86编译环境和Qt-ARM编译调试环境，采用Qt4．5．0版本；其次，将宿主机生成的Lib下的库文件下载到目标板的某个目录下，并在目标板上设置好环境变量，这样在目标机上的Qt程序运行环境就建好了。在宿主机上交叉编译好的Ot／E程序就可以下载到目标机上运行了。
3．2 终端应用程序设计
监测终端需要采集监测仪表的现场测量数据，终端设计的数据采集模块分别对不同的现场数据进行采集并做相应的处理，数据采集模块与CPU之间通过SPI总线进行数据传输，对与采集数据需按上端通信协议、PPP、TCP／IP协议进行二次成帧；利用GPRS网络接入Internet网络，将处理后的数据信息通过GPRS无线网络上传至监控中心。
GPRS模块附着GPRS网络并与上位机建立TCP数传链路是通过向模块发送一串AT指令实现。拨号动作完成，并成功建立数传链路以后，GPRS模块在终端串行口和上位机之间变得透明。另外，终端的重要状态要能即时显示在LCD上。
综上分析，监控终端应用程序要完成的任务有：串口参数设置，GPRS网络连接，读取串口返回信息，SPI数据传输，GPRS数据传输，界面显示。由于任务不止一个，而且有的任务需要同时运行，所以采用多线程编程。
在Qt编程中主界面UI一般为主线程，子线程通过继承Qt中的QThread线程类来完成。这些任务和功能可以通过3个线程来实现。3个线程的作用分别为：1)主线程：负责界面显示，串口参数设置，GPRS网络连接，GPRS数据传输；2)SPI数据传输子线程：负责与数据采集模块通信，将采集数据存入缓冲区；3)串口数据读取子线程：CPU通过串口操作GPRS模块，GPRS模块的返回信息可以通过串口数据读取子线程随时读取。程序模块图如图5所示。

3．2．1 显示界面模块
界面显示模块：界面显示由两部分组成。一是实时显示各模块的采集数据及一定时间以内的历史数据数据；二是显示GPRS模块设置界面，通过这个界面设置串口参数、设置数据采集时间间隔、设置主机IP地址及端口号、发送AT指令、回显模块返回信息等。编写界面设计文件mainwindow．h和mainwindow．cpp，其中串口参数设置、网络连接和GPRS数据传输封装成相应的子函数，利用Qt的信号槽机制，当捕捉到
相应的信号便执行对应的函数。通过继承Qt中的QThread线程类来完成GPRS数据读取模块和SPI模块的功能。SPI模块接收底层数据采集模块的各种数据，显示到界面并编码通过GPRS通道传输到上位机，GPRS返回的一些重要信息业需显示到LCD界面上。
3．2．2 GPRS网络连接任务
GPRS网络连接任务主要完成通过GPRS网络建立与上位机的数据传输链路的过程。启动GTM900C后，首先，需对PPP连接所使用的物理串口进行初始化，包括确定用于PPP连接的串行端口号以及通信波特率。然后，直接使用AT指令，拨号到中国移动的GPRS节点服务器(GGSN)。使用以下几条灯指令使GTM900C进入数据通讯状态：
“AT+CGATY?”用于查询GTM900C是否已附着在中国移动的GPRS网络，GTM900C将返回当前状态；
“AT+CGATT=1”用于设置GTM900C附着于中国移动的GPRS网络，操作成功GTM900C将返回OK；
“A1，+CGDCONT=1，“IP”“CMNET””用于设置中国移动的GPRS节点服务器的名称和属性，操作成功则返回OK；
“AT％ETCPIP”用于实现PDP激活和TCP／IP的初始化，使模块进入TCP／IP功能，操作成功返回OK；
“AT％IOMODE=0．2，0”设置数据传输模式，操作成功返回OK；
“AT％IPOPEN=1，“TCP”，“115．24．116．19”，5000..1026”打开一条TCP／IP链接，选择TCP传输，115．24．116．19为上位机IP地址，5000为上位机接受程序端口号，成功与上位机连接返回CONNECT。另外模块还具有数据透传功能，数据透明传输功能将实现TCP／IP上直接数据传输，进入透传模式的AT指令是：“AT％TPS=1，1，3000，1024”，进入透传模式后模块将不会相应其它AT指令，直接通过串口写入数据便可实现与上位机之间的数据传输。以上使模块附着在GPRS网络的过程封装在gprsConnect()函数中。
PPP配置、认证通过以后，即应用程序就已经通过GTM900C成功进入了Internet网络。最后，通过变量GPRSOK=1指示GPRS拨号成功并建立数传状态。在run()程序中隔一段时间判断当前网络连接状态，若网络断开则变量GPRSOK=0，并调用gprsConnect()函数开始拨号任务重新建立数传链路。
3．2．3 SPI数据通信模块
SPI通信程序包括两部分，一是用于数据采集的单片机这边需要通过SPI发送现场数据，接收控制指令，二是ARM主控制器需要读取数据，发送控制指令。数据采集模块使用是带有SPI接口的C8051f020单片机，SPI的数据寄存器是SHODAT。单片机和主控制器的SPI通信参数设置要一致。
在主设备ARM这边，SPI驱动已经配置好，直接使用read()，write()等函数便可进行数据的读取与接收。在单片机这边采用中断的方式进行SPI数据的发送与接收。对于从设备C8051f021单片机来说，只有将片选线线接低电平才会启动数据传输，可利用这一点进行多字节数据传输，拉低一次便传输一个字节，这可用作与主设备之间的同步信号。主设备选一根I／O口线作为片选线，将其拉低，执行一次SPI读操作，再拉高，延时一定时间，这时从设备退出从模式，重新往SPIODAT里写新数据及其他一些处理，主设备再将片选线拉低，执行一次SPI读操作。这样便可进行多字节传输了。SPI主从设备通信流程图如图6所示。