新型GPRS無線數據傳輸及U盤海量存儲系統的設計

一、引言

隨著無線通信技術的發展，GPRS無線網絡因其覆蓋范圍廣、數據傳送速率高、網絡穩定性好、價格合理和與Internet無縫連接等優點，成為數據采集和監控系統傳輸通道的首選技術。同時，U盤海量數據存儲與便攜技術，是目前數據采集研究領域一個比較關注的熱點，這些技術的實現和應用，可以很好的解決傳統數據采集中精度低、數據不易保存等一些問題。如何能將GPRS無線傳輸和U盤存儲相結合應用于便攜裝置的設計成為未來數據采集系統發展的一個重要方向。

本文在研究和分析無線數據傳輸及存儲原理和實現方法基礎上，設計了一種基于單片機的嵌入式無線數據采集控制系統。該系統具有了數據準確快速采集、存儲信息量大、GPRS數據無線傳輸等功能。系統采用模塊化設計，主要由U盤讀寫模塊、數據采集模塊、GPRS無線數據通訊傳輸模塊、LCD液晶顯示等模塊組成。同時本設計完成了上位機和下位機的軟件設計，采用結構化設計思路、程序可移植性好、代碼優化合理運行效率高。

二、系統硬件電路設計

系統的硬件電路設計框圖如圖1所示，包括：5V電源電路、以ADC0809為核心A/D轉換電路、GPRS無線射頻通訊電路、DS1302時鐘電路、PC機與單片機串口通信電路、LCD液晶顯示電路、U盤讀寫電路、鍵盤與單片機接口電路AT24C02存儲電路。

在硬件系統的設計中，關鍵是如何將GPRS無線通信與U盤存儲技術的結合并用于以單片機為控制核心的數據采集系統，下面將詳細介紹這兩部分電路的設計。

本系統GPRS無線調制解調器選用中興通訊公司推出的ZXGM18，它是一個雙頻接口模塊，主要發送短消息和數據。

ZXGM18既可以作為終端發送和接收數據，又可以作為嵌入式二次開發設備，因為它具有射頻收發電路和基礎頻帶處理器。ZXGM18提供了標準的接口，和控制系統的連接很方便，用戶不必在這方面花費太多的精力，所以就可以把精力放在其他上面。

為了實現GPRS無線遠傳的功能，需將進行無線數據接收與發射的單片機與計算機采用串口連接，其連接原理圖如2所示。

計算機自帶串口，俗稱COM口，它支持標準的RS-232協議，可以外圍器件進行串行通信。計算機常用8250或16550作為數據發送的轉換器，它們都是可編程的，外面使用9插口將串行信號送出。

單片機自帶一個全雙工的串行接口，所以單片機與外電路的串行通信是很方便的。為了節省硬件端口，本系統硬件數據傳遞部分與計算機相連采用最少的三線（TXD、RXD和GND）式形式，單片機工作的電平為TTL電平，+5V表示1，0V表示邏輯0，RS-232電平用-9V～-12V電壓電平代表邏輯1，以+9V～+12V電壓代表邏輯0，電壓標準不一樣，中間要有電平轉換電路，本系統采用最常用的MAX232芯片完成電平轉換。

完成采集數據及時可靠的存儲是本裝置的一項重要功能，因此如何選擇裝置的數據存儲方案就成為本設計要解決的重點問題。本裝置的數據存儲方案如圖3所示，就是采用STC12C5A60S2單片機控制CH375芯片的U盤存儲方案。

本文研究的系統單片機端口空閑較多，所以采用并口方式與CH375通信。如圖4所示，工作在并行模式下，TXD端接地，C12和C13是100μF的瓷片電容，用來濾除開關電源的紋波，在ACT#引腳和電源之間串聯1K的限流電阻和發光二級管LED，指示當前的工作狀態，DO～D7和單片機的P口相連，X0和X1之間接一個12MHz的晶振，給CH375提供振蕩電路，CH375對時鐘的要求比較高，RSTI是復位輸入端，為了有效復位，在RSTI與VCC之間串一個大小為0.47μF的電容，INT是復位完成后的中斷請求輸出端，D+和D-是U盤的數據端。

下位軟件主要實現對單片機的控制功能，我們采用專門應用于單片機的C語言，簡稱為C51語言。單片機讀寫U盤關鍵主要時序和中斷的應用，否則會出現數據沖突，具體的單片機讀寫U盤程序流程如圖5所示。

單片機采用模塊化設計，通過上位機軟件利用GPRS實現無線數據傳輸和控制，合理開發上位機軟件也是本設計順利完成的關鍵。

由于Visual Basic語言可以很容易的開發Windows系統下的各類應用軟件，并且開發的軟件方便直觀、功能性強，因此本系統的上位機采用Visual Basic語言進行設計。圖6是上位機數據采集界面。

圖7為GPRS通訊模塊和上位機的通訊端口設定VB界面。

四、系統調試及實驗結果

在完成電路原理圖的設計后，把電路的每部分在電路板上進行布局、安裝和焊接。在焊接電路時要注意電解電容、二極管的極性，然后把各元器件一一焊牢。在完成焊接之后，不要急于接通電源。還必須要根據硬件原理圖用萬用表仔細檢查電路板線路的正確性，并核對元器件的型號、規格和安裝是否符合要求。還要檢查各器件引腳是否有虛焊點，電源之間是否有短路點，并重點檢查系統總線是否存在相互間的短路或與其他信號線的短路想象。在確認焊接無誤后，就可接通電源進行調試，連接好的實物圖如圖8所示。

當上述檢查無誤后，給將8路通道中不用的通道接地，要用的通道接在相應的傳感器上。該裝置在使用時有以下注意事項：

（1）開機前，請檢查主U盤是否插好；

（2）在查看數據時候，如果沒有反應，通過取消鍵退出，然后重新進入，即可查詢數據，在查詢數據時候，綠色的LED小燈應該一直亮著，直到查詢完畢，如果沒有亮，則表示有問題；

（3）在復制數據前請檢查副U盤是否插好；

（4）在復制數據時，必須先測試連接，連接成功后然后測試通信，通信成功后復制數據，必須按照這個順序，復制不會復制數據。并且在復制數據時，如果按照這個順序操作，綠色的LED小燈應該一直亮著，直到復制完畢，如果沒有亮，則表示有問題。

該裝置的實際運行情況如圖9所示。

實驗證明該數據采集系統與傳統數據采集系統相比具有如表1所示特點：

五、總結

本設計以單片機技術與無線通信技術、U盤海量存儲技術相結合，開發了一套GPRS無線數據傳輸及U盤海量存儲系統。設計中主要完成了：

（1）通過對數據采集電路的設計，實現了對所需數據的采集，高精度模數轉換及處理，并精確顯示的功能。

（2）通過基于GPRS技術的無線通訊部分設計和U盤存儲電路的設計，實現了對數據的無線遠傳及實時海量存儲的功能。

（3）通過對上位機Visual Basic 6.0操作軟件設計及單片機C語言程序的設計，實現了整個系統的各項功能。

經實驗證明，本系統能夠存儲大量數據，并能夠將內置U盤中的數據轉移出來；硬件設計上采用了新型的，高性能的芯片與集成電路；可廣泛應用于需要數據監控、保護等多種場合；使用了STC12C5A60S2單片機作為核心控制元件，與其它模塊配合實現各種功能，確保了系統運行的穩定性，可進行多種數據處理和控制工作，大大提高了系統的精度；上位機界面友好，使用方便。使PC機能夠對數據實時監控，不僅大大提高了運行時的穩定性，而且實現了保護功能。