基于AT91SAM7S64的DTU設計

摘要：本文主要介紹如何設計一個基于GPRS網絡通信的DTU。終端系統采用的是Atmel公司 32位的處理器AT91SAM7S64，軟件系統設計是在“IAR Embedded Workbench for ARM”環境下開發的，使用華為公司的EM310作為收發數據的無線模塊。

關鍵詞：DTU GPRS AT91SAM7S64 EM310

引言

在電子技術和網絡技術高速發展的今天，監控系統在人們的生活中發揮越來越重要的作用，而監控系統的傳輸主要分有線和無線2種。有線傳輸固然穩定可靠，然而對于作業點分散、環境惡劣、遠程監控為特點的工業現場，特別是存在突發、小數據量傳輸的場合，以有線來做通信媒介顯然已不太合適，這迅速推動了無線通信技術在工業控制領域的發展。

GPRS的出現為構建低成本的無線工業監控網絡提供了可能。GPRS是通用分組無線服務技術（General Packet Radio Service)的簡稱，它是GSM移動電話用戶可用的一種移動數據業務。具有資費低（按流量計費）、覆蓋區域大、實時在線、呼叫建立時間短等優勢。基于這些特點，開發GPRS DTU具有非常重要的意義。

GPRS DTU功能

GPRS DTU全稱GPRS數據傳輸單元，GPRS DTU是專門用于將串口數據通過GPRS 網絡進行傳送的GPRS無線設備，說的簡單點就是實現遠程數據間的透傳。

DTU要實現的基本功能包括：

1）支持短信下發參數配置；

2）GPRS無線數據雙向傳輸；

3）內置TCP/IP協議棧；

4）支持自動心跳，保持永久在線；

5）提供RS232/485/422接口；

6）具有自動重聯機制，數據通道自恢復能力；

7）支持智能重連模式，大幅降低無效流量；

8）支持中心為固定IP或動態域名；

9）支持遠程短信/電話喚醒；

10）支持APN虛擬專網業務；

11）復合式看門狗技術，智能重啟；

12）EMC抗干擾設計，適合電磁惡劣 環境應用；

13）適應低溫和高溫工作環境；

GPRS DTU工作過程

DTU上電后，首先初始化SIM卡，登陸GSM網絡，檢測內部FLASH中保存的工作參數(包括GPRS撥號參數，串口波特率，中心IP地址，端口號等等)，如果沒有，等待短信下發參數配置。待參數配置下發完成后，進行PPP撥號。撥號成功后，GPRS DTU將獲得一個由移動隨機分配的內部IP地址。也就是說，GPRS DTU處于移動內網中，而且其內網IP地址通常是不固定的，隨著每次撥號而變化。我們可以理解為GPRS DTU這時是一個移動內部局域網內的設備，通過移動網關來實現與外部Internet公網的通信。這與局域網內的電腦通過網關訪問外部網絡的方式相似。

撥號成功后，DTU主動發起與數據中心的通信連接，并保持通信連接一直存在。 由于DTU處于移動內網，而且IP地址不固定。因此，只能由DTU主動連接數據中心，而不能由數據中心主動連接DTU。這就要求數據中心具備固定的公網IP地址或固定的域名。數據中心的公網IP地址或固定的域名作為參數存儲在DTU內，以便DTU一旦上電撥號成功，就可以主動連接到數據中心。在得到中心的響應后， DTU即認為與中心握手成功，然后就保持這個通信連接一直存在，如果通信連接中斷， DTU將立即重新與中心握手。具體的講，這個過程，就是DTU與數據中心建立TCP/UDP連接的過程。

當TCP/UDP通信連接已經建立，就可以進行數據雙向通信了。對于DTU來說，這時需要完成用戶串口數據與GPRS網絡數據包的轉換。當接收到用戶的串口數據，DTU就立即把串口數據封裝在一個TCP/UDP包里，發送給數據中心。反之，當DTU收到數據中心發來的TCP/UDP包時，從中取出數據內容，立即通過串口發送給其他用戶設備，從而實現透傳。

硬件電路的實現

1、單片機模塊

AT91SAM7S64是Atmel 32位ARM RISC 處理器小引腳數Flash微處理器家族的一員。它擁有64K 字節的高速Flash 和16K 字節的SRAM，豐富的外設資源，包括1個調試單元(DBGU)，11 個外設數據控制器(PDC) 通道，2個通用的同步/異步收發器(USART)，32個可編程的復用I/O ，1個USB 2.0設備端口，串行外設SPI接口，先進的中斷控制器(AIC)等。因為其具有較高的性價比，因此選擇該芯片作為GPRS DTU的CPU。

2、GPRS 模塊

EM310是華為推出的GSM/GPRS 雙頻模塊，主要為語音傳輸、短消息和數據業務提供無線接口。

實現方法如下：

（1）串口1的Tx、Rx分別和EM310模塊的Tx、Rx相連接，EM310模塊的開關機腳，復位腳，分別接到單片機的空閑I/O口上，通過控制單片機I/O口控制無線模塊開機、復位。EM310模塊的LPG(網絡狀態指示燈)通過放大電路接LED指示燈。

（2） AT91SAM7S64供電采用3.3V ，EM310模塊的供電采用4.2V（電流供電能力在1A以上）電壓，分別接到相對應的引腳上，電源和模塊之間的走線要短，必要時要加電容。

（3） 單片機的串口0通過外部芯片（如max3485，max3232等），擴展成標準的串口，可以根據制定好的協議，用于和透傳設備的通信。

（4） EM310模塊的SIM-VCC、SIM-GND、SIM-IO、SIM-CLK、SIM-RST分別接到SIM卡座相對應的引腳上，注意走線距離，最好有地線隔離。

軟件設計

GPRS模塊通過串口發送AT命令與單片機進行數據傳送。在系統中， GPRS的數據通過模塊轉換成單片機系統的串口數據。因此對遠程數據間的傳送就對應成了單片機串口數據的采集。串口采用中斷調用。串行口中斷服務程序完成數據發送和接收等功能，可接收上位機發送給本系統的各種命令，也可將本地數據傳送給上位機。

結束語

GPRS DTU遠程監控系統利用現有的GPRS網絡資源，為現有數據采集系統提供一種便捷的無線數據傳輸方式，可廣泛應用于電力監控、石油、安防報警、交通等行業，因而其有光明的前景。

參考文獻：

[1]冀常鵬. 《AVR單片機GSM/GPRS應用技術》.國防工業出版社， 第1版 (2011年)

[2]華為EM310技術文檔