畢業(yè)設計--用于物聯(lián)網(wǎng)的無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的設計

1、<p>　　題 目：用于物聯(lián)網(wǎng)的無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的設計</p><p><b>　　中文摘要</b></p><p>　　隨著無線網(wǎng)絡技術的不斷發(fā)展，越來越多的企業(yè)以及個人開始利用無線數(shù)據(jù)傳輸技術進行設計、制造高科技產(chǎn)品，無線技術開始逐漸走入尋常百姓的家中。近幾年來，無線數(shù)據(jù)傳輸技術應用于大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)體系已經(jīng)是一個很大的趨勢，同時，物聯(lián)網(wǎng)的興起也推

2、動著無線數(shù)據(jù)傳輸技術的廣泛使用。本論文正是基于物聯(lián)網(wǎng)技術興起的這種趨勢，設計并制造了無線數(shù)據(jù)傳輸模塊。</p><p>　　本論文主要闡述了用于物聯(lián)網(wǎng)的無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的設計，并做出實物模塊，用于調試使用。本設計采用模塊化的設計方案，分別完成了電源模塊、GPRS無線通訊模塊、RS232/485串口通訊模塊以及MCU模塊的設計并在論文中分別對各個模塊作了詳細描述以及在設計時需要注意的各種事項。</p>

3、<p>　　在設計過程中，通過對市場上已存在的產(chǎn)品進行調查以及方案對比，本設計綜合考慮了各種在設計方面需要注意的點以及所要實現(xiàn)的功能，并根據(jù)實際情況，完成了模塊的設計，滿足了預期的的設計要求。</p><p>　　在應用方面，本設計經(jīng)過后續(xù)的升級和改進，完全可以成為正式的產(chǎn)品推上市場。在物聯(lián)網(wǎng)開始蓬勃發(fā)展的今天，相信本設計能夠受到歡迎。</p><p>　　本文的目的主要有兩個

4、，一是呈現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的設計和工作原理，另一個是調試及考察其性能。在論文中，詳細記錄了設計完成后對模塊的測試以及分析結果。</p><p>　　關鍵字：物聯(lián)網(wǎng)，無線數(shù)據(jù)傳輸，透明傳輸</p><p>　　Design of wireless data transmission module for the Internet of Things</p><p>&

5、lt;b>　　Abstract</b></p><p>　　With the continuous development of wireless network technology, more and more businesses and individuals began using wireless data transmission technology for designing

6、and manufacturing high-tech products. Wireless technology has gradually begun to go into the homes of ordinary people. In recent years, wireless data transmission technology using in large-scale industrial production sys

7、tems has been a big trend, while the rise of the Internet of Things also promote the widespread use of wireless</p><p>　　This thesis mainly describes the design of wireless data transmission module for the I

8、nternet of Things and complete the module for debugging. This design uses a modular design way, completed power supply module, GPRS wireless communication module, RS232/485 serial communication module and MCU module. In

9、the thesis, each module is described in detailed and makes various points to pay attention to.</p><p>　　In the designing process, through investigating the existing products on the market and compare differe

10、nt programs, this design took a variety of points to pay attention to and the functions to be achieved into account, considering the actual situation, and completed the design of the module, meet the requirements of the

11、desired design.</p><p>　　In the application, with the subsequent upgrades and improvements, this design is believed to become an official product onto the market and will be well welcomed in the flourish of

12、the Internet of Things.</p><p>　　The purpose of this thesis is twofold, first is to present the design and operating principle of wireless data transmission module and the other is to debug and investigate i

13、ts performance. The result of test and analysis the module is recorded in detail in the thesis. </p><p>　　Key words: The Internet of Things, Wireless data transmission, Transparent transmission目 錄</p>

14、<p><b>　　中文摘要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p>　　第1章 緒 論1</p><p>　　1.1無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋尘凹鞍l(fā)展趨勢1</p><p>　　1.2無線數(shù)據(jù)傳輸模塊設計的必要性2</p><p>　　第2章 設計要求

15、3</p><p>　　2.1 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的參數(shù)要求3</p><p>　　2.2 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的功能要求3</p><p>　　第3章 方案論證5</p><p>　　3.1無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的工作原理5</p><p>　　3.1.1 工作流程5</p><p>　　3.

16、1.2 心跳包5</p><p>　　3.1.3 注冊包6</p><p>　　3.2無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的方案調查6</p><p>　　第4章 概要設計7</p><p>　　4.1整體模塊框圖介紹7</p><p>　　4.2 分模塊框圖介紹7</p><p>　　4.2.1 電源

17、模塊部分7</p><p>　　4.2.2 MCU模塊部分8</p><p>　　4.2.3 GPRS模塊部分8</p><p>　　4.2.4 串口模塊9</p><p>　　第5章 電路設計10</p><p>　　5.1 MCU模塊10</p><p>　　5.1.1 芯片介紹

18、10</p><p>　　5.1.2 芯片引腳10</p><p>　　5.1.3 MCU模塊原理圖11</p><p>　　5.1.4 設計注意點11</p><p>　　5.2 電源模塊11</p><p>　　5.2.1 電源模塊原理圖12</p><p>　　5.2.2 設計

19、注意點12</p><p>　　5.3 GPRS無線通訊模塊13</p><p>　　5.3.1 模塊原理圖13</p><p>　　5.3.2 設計注意點15</p><p>　　5.4 SIM卡15</p><p>　　5.4.1 設計注意點16</p><p>　　5.5天線接

20、口16</p><p>　　5.6串口通訊模塊17</p><p>　　5.6.1 串口通訊模塊設計17</p><p>　　5.6.2 MAX3232串口的電路連接圖18</p><p>　　5.7 PCB設計18</p><p>　　第6章 模塊調試和參數(shù)測試19</p><p>

21、;　　6.1模塊功能調試19</p><p>　　6.2各種條件下的功能測試22</p><p>　　6.3 電氣參數(shù)測試23</p><p><b>　　結　論24</b></p><p><b>　　參考文獻26</b></p><p><b>　　謝

22、辭27</b></p><p><b>　　第1章 緒 論</b></p><p>　　1.1無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋尘凹鞍l(fā)展趨勢</p><p>　　近年來，通信技術和網(wǎng)絡技術的迅速發(fā)展使得無線通信技術得到廣泛的應用[1]，許多遠程控制系統(tǒng)也開始采用無線數(shù)據(jù)傳輸技術來實現(xiàn)信息的交流。無線數(shù)據(jù)傳輸技術指的是使用無線電波作為數(shù)據(jù)傳輸媒介，

23、通過將本地計算機以及其他通信設備的數(shù)據(jù)調制到載波頻率上進行發(fā)射，達到與遠程終端之間通訊的技術。這涉及到計算機技術、信息技術、以及網(wǎng)絡技術等多項學科領域。通過無線傳輸系統(tǒng)，人們可以獲取遠程設備的運行情況信息以及各種參數(shù)指標，然后通過對采集到的數(shù)據(jù)的分析從而實現(xiàn)遠程管理、遠程控制等的功能。和有線數(shù)據(jù)傳輸相比，無線數(shù)據(jù)傳輸擁有布線成本低、易于安裝、易于移動等優(yōu)點，現(xiàn)在無線數(shù)據(jù)傳輸已經(jīng)廣泛地運用在車輛監(jiān)控、小型無線網(wǎng)絡、無線抄表、門禁系統(tǒng)、小區(qū)

24、傳呼、工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、小型無線數(shù)據(jù)終端、安全防火系統(tǒng)、無線遙控系統(tǒng)無線數(shù)據(jù)通信等領域中,[2]。此外，在高科技領域方面，無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽靡苍谘该桶l(fā)展，遠程導彈、遙控機器人的控制，高空飛機偵查等等的應用也越來越離不開無線數(shù)據(jù)傳輸技術。</p><p>　　無線通信技術第一階段的發(fā)展要追溯到20世紀20年代初期一直到50年代初期，當時的無線通信技術主要是應用在滿足軍方的需求上，在當時，無線通信技術有相當大的局限性

25、，傳輸方式受到各種客觀環(huán)境的限制，同時，傳輸速率也是處在一個比較低的水平上。從20世紀50年代到20世紀60年代，無線通信技術進入了發(fā)展的第二階段，當時的通訊設備已經(jīng)開始在專用的通訊環(huán)境中使用了。半導體技術的過渡，解決了安裝公用電話在通信技術上的問題，在另一方面也實現(xiàn)了移動電話和公用電話在使用上的持續(xù)性。同時，傳輸速率有了一定的提高。從20世紀70年代初期到20世紀80年代初期，無線通信技術進入了發(fā)展的第三階段，當時的通信頻段大大得到了

26、擴展，同時第一代的數(shù)字通信技術系統(tǒng)在當時也開始出現(xiàn)了。步入20世紀80年代以來一直持續(xù)到20世紀末期，無線通信技術進入了發(fā)展的第四階段，當時的通信技術已經(jīng)有了一定的發(fā)展和運用，第二代的數(shù)字移動通信系統(tǒng)也開始出現(xiàn)，這些改變都在一定程度上促進了各類電信系統(tǒng)的發(fā)展。從20世紀末期到現(xiàn)在，屬于無線通信技術發(fā)展的第五階段，如今，數(shù)字通信系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展到了第三代，這不僅在通信領域內滿足技術逐步提高的發(fā)展需求，同時</p><p&g

27、t;　　基于無線通信技術目前的發(fā)展現(xiàn)狀，再考慮到不同接入網(wǎng)應滿足于不同的應用場合的需求，通信技術的發(fā)展將會具備以下幾個特點：1、點與點之間通信過渡到多點之間的通信2、多向控制3、立體信息多元化的發(fā)展4、高仿真地實現(xiàn)信息的再現(xiàn)。移動通信網(wǎng)在一定范圍內存在的互補性使得 LET技術將在無線通信技術上成為主導，以此來促進計算機技術和通信技術之間的融合，這樣，網(wǎng)絡環(huán)境的檢測不僅得到了提高，不同用戶之間互相通信的互相干擾也大大得到了控制。由此可見，

28、未來無線通信技術的一個發(fā)展趨勢是實現(xiàn)網(wǎng)絡的融合。由于通信技術接入方式在不同系統(tǒng)中存在著差異，不同的通信技術在覆蓋面、適用范圍以及接入速度等方面也有一定的差異，比如WLAN解決的問題是關于長距離中數(shù)據(jù)的傳輸，而3G是為了實現(xiàn)移動數(shù)據(jù)的漫游，所以，為了能夠促進無線通信技術往多元化發(fā)展，應不斷提高無線通信技術之間的互補性，來促使現(xiàn)代無線通信技術的不斷發(fā)展。鑒于無線通信技術在不同領域的應用不同，無線通信技術應該和其他相關學科進行交叉鏈接，以此來

29、使得無線通信技術能夠滿足不同用戶的不同需求。這也使得無線通信技術在無形中實現(xiàn)了跨領域發(fā)展，同時也要適當?shù)厥篃o線通信技術往創(chuàng)新性方</p><p>　　1.2無線數(shù)據(jù)傳輸模塊設計的必要性</p><p>　　無線通信技術的不斷發(fā)展使得如今無論是智能手機還是計算機都到了廣泛的應用，iPhone、iPad等智能設備已經(jīng)成為最受青少年歡迎的電子產(chǎn)品，無線數(shù)據(jù)傳輸技術的發(fā)展是響應市場發(fā)展的趨勢。信息

30、化的社會使得很多企業(yè)飛速的發(fā)展，特別是高科技領域的企業(yè)，而無線數(shù)據(jù)傳輸技術又是在這方面給企業(yè)帶來前所未有的技術突破性、便利性以及靈活性。在個人方面，無線網(wǎng)絡的發(fā)展在一定程度上顯著地提高了人們的工作效率，改善了人們的生活水平，同時也減少了人們的工作壓力。 Wifi等技術的廣泛使用正是無線數(shù)據(jù)傳輸技術必須發(fā)展起來的體現(xiàn)。現(xiàn)有的無線數(shù)據(jù)傳輸所存在的缺點也使得技術改進、更新進程迫在眉睫。和有線數(shù)據(jù)傳輸相比，無線數(shù)據(jù)傳輸技術雖然解決了許多有線傳輸

31、難以克服的困難，擁有很多的技術優(yōu)勢，但在一些方面仍然存在著技術缺陷。比如無線傳輸?shù)乃俣仁莻€弱項，通常速率都是比較慢的，而且容易受到干擾，且功率受限。并且，因為無線傳輸?shù)慕橘|存在易受影響和利用的缺點，使得它除了具有有線傳輸數(shù)據(jù)的不安全性外，還更容易受到干擾和竊聽、欺騙以及被冒充等形式的攻擊，所以安全性問題一直都是無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊粋€軟肋，是一個迫切需要解決的問題。目前情況下，</p><p><b>　　第

32、2章 設計要求</b></p><p>　　2.1 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的參數(shù)要求</p><p>　　無線數(shù)據(jù)傳輸模塊在電源方面要求能夠有較大的輸入范圍，才能夠適用在多種多樣的工作場合。電壓輸入范圍要求為5~64V，電源允許的最大工作電流要足夠大，才能保證模塊能夠正常工作，不會被燒壞，要求能夠達到2A。在功耗方面，模塊要求能夠實現(xiàn)低功耗，待機電流要小，要小于10mA。在MCU處理

33、器方面，為了實現(xiàn)模塊的升級以及系統(tǒng)的擴展，采用32位的通訊處理器。SIM卡座要求能夠實現(xiàn)熱插拔的功能，置有15KV的ESD保護。串口通訊采用DB9串口，同樣置有15KV的ESD保護。天線部分要求實現(xiàn)50歐姆的阻抗匹配。</p><p>　　2.2 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的功能要求</p><p>　　無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的設計要求能夠實現(xiàn)數(shù)據(jù)的透明傳輸，能夠實現(xiàn)在線檢測，斷線重連的功能來保證鏈路的永

34、久在線。支持DTU與數(shù)據(jù)中心同時收發(fā)數(shù)據(jù)，支持用戶配置參數(shù)，能夠實現(xiàn)遠程控制的功能。在安全性方面要具有數(shù)據(jù)保密性。</p><p>　　無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮诵墓δ埽?lt;/p><p>　?。?）內部集成TCP/IP協(xié)議棧：</p><p>　　GPRS DTU內部封裝了PPP撥號協(xié)議以及TCP/IP協(xié)議棧并且移植入了嵌入式操作系統(tǒng)。它可看作是嵌入式PC與無線GPRS MO

35、DEM的結合；它具備GPRS撥號上網(wǎng)以及下TPC/IP數(shù)據(jù)通信的功能、采用心跳包保持永久在線,支持斷線自動重連、自動重撥號等特點。[4]</p><p>　　（2）提供串口數(shù)據(jù)雙向轉換功能：</p><p>　　GPRS DTU提供了串行通信接口,可以將串口上的原始數(shù)據(jù)轉換成TCP/IP數(shù)據(jù)包進行傳送,不需要改變原有的數(shù)據(jù)通信內容,可以和各種使用串口通信的用戶設備進行連接。[4]

36、（3）支持自動心跳，保持永久在線</p><p>　　GPRS 通信網(wǎng)絡的優(yōu)點之一就是支持 GPRS終端設備永久在線，因此典型的 GPRS DTU 在設計上都支持永久在線功能，這就要求 DTU 包含了上電自動撥號、采用心跳包保持永久在線(當長時間沒有數(shù)據(jù)通信時，移動網(wǎng)關將斷開 DTU 與中心的連接，心跳包就是 DTU 與數(shù)據(jù)中心在連接被斷開之前發(fā)送一個小數(shù)據(jù)包，以保持連接不被斷開)、支持斷線自動重連、自動重撥號等

37、特點。[5]</p><p>　　（4）支持參數(shù)配置，永久保存 GPRS DTU作為一種通信設備，其應用場合十分廣泛。在不同的應用中，數(shù)據(jù)中心的IP地址及端口號，串口的波特率等都是不同的。因此，GPRS DTU都應支持參數(shù)配置，并且將配置好的參數(shù)保存內部的永久存儲器件內（一般為FLASH或EEPROM等）。一旦上電，就自動按照設置好的參數(shù)進行工作。[6]</p><p>　?。?）

38、支持用戶串口參數(shù)設置 不同用戶設備的串口參數(shù)有所不同，DTU連接用戶設備的串口時，要根據(jù)用戶設備串口的實際參數(shù)對DTU端進行相應設置，保證用戶設備的正常通信和可靠數(shù)據(jù)傳輸。[6]</p><p><b>　　第3章 方案論證</b></p><p>　　3.1無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的工作原理</p><p>　　3.1.1 工作流程</

39、p><p>　　GPRS DTU一上電，首先將讀出內部設置保存的運行參數(shù)，包括GPRS撥號參數(shù)、串口波特率、數(shù)據(jù)中心的IP地址和端口號等等。撥號成功后，GPRS DTU將被隨機地分配一個移動內部的IP地址。換句話說，GPRS DTU是工作在一個移動內網(wǎng)中，但是網(wǎng)絡IP地址是不固定的，而是隨著每次撥號而改變。這意味著GPRS DTU是內部LAN（局域網(wǎng)）內的移動設備，通過移動網(wǎng)關（GGSN）和外部公共互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡進行通信

40、。這樣，它就不可能在主站和從站間直接進行通信。但是DTU能夠用一個固定的公共網(wǎng)絡IP地址或者域名自動連接到數(shù)據(jù)中心并保持這一通信鏈路。因此，GPRS DTU需要主動連接到數(shù)據(jù)中心。 </p><p>　　具體來講，GPRS DTU通過預先配置的數(shù)據(jù)中心IP地址和端口號發(fā)送一個TCP（傳輸控制協(xié)議）或UDP（用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議）通信請求到數(shù)據(jù)中心。收到來自數(shù)據(jù)中心的響應后，GPRS DTU成功地和數(shù)據(jù)中心握手并保持通

41、信鏈路。如果通信鏈路被中斷，GPRS DTU將立即和數(shù)據(jù)中心重新握手。這樣，GPRS DTU和數(shù)據(jù)中心的TCP/UDP雙向信息鏈路就已經(jīng)建立起來了。[7]</p><p>　　GPRS DTU集成了TCP/IP協(xié)議棧，因此它能相對容易地完成用戶的串行數(shù)據(jù)和GPRS網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包之間的轉換。當收到用戶的串行數(shù)據(jù)，GPRS DTU立即將串行數(shù)據(jù)封裝成TCP/UDP數(shù)據(jù)包并發(fā)送到數(shù)據(jù)中心。相反的，當GPRS DTU從數(shù)據(jù)中

42、心收到TCP/UDP數(shù)據(jù)包時，它將從數(shù)據(jù)包中提取有用信息，并立即通過串口發(fā)送數(shù)據(jù)到用戶設備。[8]</p><p>　　數(shù)據(jù)傳輸?shù)那疤釛l件就是由 GPRS 終端主動發(fā)出注冊申請，與擁有固定公網(wǎng) IP 地址和固定監(jiān)聽端口的監(jiān)控中心主機建立TCP連接，然后由控制中心的主機保存此通信連接的Socket 信息，供用戶隨時通過主界面發(fā)起命令來控制遠程的數(shù)據(jù)采集 GPRS 終端，然后就等待數(shù)據(jù)采集終端通過已經(jīng)建立的通信鏈路向

43、控制中心發(fā)送所請求的數(shù)據(jù)幀。當 TCP 連接意外斷開時，GPRS終端會自動重新向監(jiān)控中心發(fā)起注冊申請來建立連接。 [1]</p><p><b>　　3.1.2 心跳包</b></p><p>　　當一定時間內沒有數(shù)據(jù)傳輸時，移動網(wǎng)關將自動斷開數(shù)據(jù)中心和GPRS DTU的通信鏈路。為了保持連接在線，DTU心跳包將會在這個鏈路被斷開之前發(fā)送。問題是多久DTU心跳包會發(fā)送

44、。如果發(fā)送時間間隔設太長，那么將沒有數(shù)據(jù)傳輸，移動網(wǎng)關將中斷鏈路。相反的，數(shù)據(jù)中心因為無線網(wǎng)絡延遲不能及時接收到心跳包。在地面上，GPRS DTU將確定該通信鏈路已斷開連接，并自動重連。不管什么情況，遠程控制將增加不穩(wěn)定性。[9]</p><p><b>　　3.1.3 注冊包</b></p><p>　　DTU 上電以后會根據(jù)設置的數(shù)據(jù)中心 IP 和端口號會主動去連

45、接數(shù)據(jù)中心, 一但 TCP 鏈路建立成功, DTU 將發(fā)送首次注冊包, 其中包含了 DTU 的基本信息, 不同的廠家的 DTU 注冊包應該不同。當 DTU 與數(shù)據(jù)中心在通信過程中, 發(fā)生異常需要自動重撥號, 也會重新連接數(shù)據(jù)中心再發(fā)送注冊包。下面給了某個廠家的生產(chǎn)的 GPRS DTU 的注冊包幀格式。數(shù)據(jù)中心接收到注冊包后, 就可以得到 DTU 所設置的 ID號、所使用的 SIM 卡號、分配的 IP 地址。只有當數(shù)據(jù)中心接收、分析完注冊

46、包后, 才可以確認 DTU 與數(shù)據(jù)中心建立通信連接,接下來就可以進行穩(wěn)定的、可靠地數(shù)據(jù)傳輸。 [9]</p><p>　　圖3-1 DTU寄存器數(shù)據(jù)包的幀格式</p><p>　　3.2無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的方案調查</p><p>　　本模塊在設計之前，對目前市場上已存在的產(chǎn)品和方案進行了如下調查： </p><p>　　（1）廈門才茂CM35

47、0P/CM350EP是一款工業(yè)級無線數(shù)據(jù)傳輸設備，通過移動GSM/GPRS網(wǎng)絡為用戶提供短信透明數(shù)據(jù)傳輸和I/O端口檢測報警的功能。該設備能夠實現(xiàn)三層系統(tǒng)保護，包括軟件保護、CPU內置看門狗WDT保護以及系統(tǒng)虛擬值守VWM檢測保護。支持1.8V/3V/5V標準的推桿式SIM卡接口，內置15KV ESD保護。串口支持RS232/RS485/RS422，同樣內置15KV ESD保護。通訊時的平均電流為350mA，登網(wǎng)時的峰值電流為1A。待機

48、電流小于35mA。電源輸入電壓范圍為5V到32V，波特率范圍從110bps到230.4Kbps。</p><p>　?。?）WG-8010 GPRS DTU內置工業(yè)級 GPRS 無線模塊，提供標準 RS232/485/422 數(shù)據(jù)接口，可以方便的連接 RTU、PLC、工控機等設備，僅需一次性完成初始化配置，用戶設備就可以與服務器端通過 GPRS 無線網(wǎng)絡和 Internet 網(wǎng)絡建立連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的透明傳輸；另外

49、，用戶設備也可以利用 DTU 直接收發(fā)短信以及作為 GSM MODEM 連接上網(wǎng)。WG-8010支持1.8V/3V SIM卡接口，串口標準支持RS232/485/422，同樣內置15KV的ESD保護。通訊時的平均電流為160~250mA，登網(wǎng)時的峰值電流為2A。待機電流為20~25mA。電源輸入電壓范圍為5V到24V。波特率范圍從300bps到115.2Kbps。</p><p>　　將模塊的設計要求與這兩個產(chǎn)品

50、進行比較，可以發(fā)現(xiàn)，本設計的一個大的優(yōu)勢在于輸入電壓要求大，能夠在更多的領域中應用，適應更加嚴格的要求。對于SIM卡以及串口，同樣都置有15KV的ESD保護。本設計對天線部分進行了阻抗匹配，能夠使信號更加穩(wěn)定。</p><p><b>　　第4章 概要設計</b></p><p>　　4.1整體模塊框圖介紹</p><p>　　圖 4-1 整體

51、模塊框圖</p><p>　　本設計將分為四大部分進行設計，分別是電源模塊、MCU通訊處理器模塊、串口模塊以及GPRS無線通信模塊。每個模塊分別設計，然后組合在一起。除了串口模塊外，每個模塊都有獨立的工作指示燈，當模塊正常工作時，不同的指示燈亮、滅、閃爍代表不同的工作狀態(tài)。</p><p>　　4.2 分模塊框圖介紹</p><p>　　4.2.1 電源模塊部分&l

52、t;/p><p>　　按照設計要求，能夠實現(xiàn)5V到64V的直流電壓輸入，使用電源管理芯片輸出固定的電壓值，比如3.3V或者5V，為MCU供電。然后如果需要其他電壓值則再將輸出的電壓經(jīng)過二極管降壓，其他部分供電，電源工作指示燈為紅色。</p><p><b>　　電源模塊框圖如下：</b></p><p>　　圖4-2 電源模塊框圖</p>

53、;<p>　　4.2.2 MCU模塊部分</p><p>　　為了將來能夠升級和擴展，芯片采用32位通訊處理器。MCU部分工作指示燈設置為綠色</p><p>　　MCU模塊框圖如下：</p><p>　　圖4-3 MCU模塊框圖</p><p>　　4.2.3 GPRS模塊部分</p><p>　　GP

54、RS部分包括SIM卡座，設計為8腳。對天線的控制，天線部分要注意50歐姆的阻抗匹配，工作指示燈設置為黃色。</p><p><b>　　GPRS模塊框圖：</b></p><p>　　圖4-4 GPRS模塊框圖</p><p>　　4.2.4 串口模塊</p><p>　　串口部分采用MAX3232芯片，實現(xiàn)電平轉換。&

55、lt;/p><p><b>　　串口模塊框圖：</b></p><p>　　圖4-5 串口模塊框圖</p><p><b>　　第5章 電路設計</b></p><p>　　本模塊原理圖設計是在ORCAD環(huán)境下完成，PCB設計是在PADS環(huán)境下完成的。[7]</p><p>&l

56、t;b>　　5.1 MCU模塊</b></p><p>　　5.1.1 芯片介紹</p><p>　　MCU是以ARM Cortex-M0為內核的微控制器，是32位的通訊處理器，廣泛應用與工業(yè)控制以及需要較多通信接口的領域。Cortex-M0是ARM最新的32位嵌入式控制器，成本低廉，與傳統(tǒng)的8位微控制器相差不多。</p><p>　　MCU運行頻

57、率最高達到50MHz，因此，可以應用在各種工業(yè)控制以及需要高性能CPU的領域。MCU內核具有一個24位的系統(tǒng)定時器，支持低功耗睡眠模式，內建一組LDO支持寬工作電壓范圍2.5V~5.5V。存儲器方面，8K字節(jié)Flash用于存儲用戶程序（APROM），4K字節(jié)Flash用于存儲數(shù)據(jù)（DataFlash）, 4K字節(jié) Flash用于存貯ISP引導代碼（LDROM）還有4K字節(jié)SRAM用作內部高速暫存存儲器。</p><p

58、>　　5.1.2 芯片引腳</p><p>　　芯片共包含48個引腳，引腳排布如圖3所示</p><p>　　圖5-1 芯片引腳圖</p><p>　　5.1.3 MCU模塊原理圖</p><p>　　圖5-2 MCU模塊原理圖</p><p>　　5.1.4 設計注意點</p><p>

59、　　（1）在VDD引腳與最近的地端接一個100nF的旁路電容，以及一個220μF的濾波電容。如圖C4和C5所示。</p><p>　　（2）為了確保電源的穩(wěn)定性，在LDO與最近的地端之間接一個1μF或者更大的電容，本設計接10μF。如圖CB1所示。</p><p>　?。?）在PCB設計中，為了保證VDD的穩(wěn)定性，C4和C5盡量靠近MCU的VDD腳，走線盡量短。</p>&l

60、t;p><b>　　5.2 電源模塊</b></p><p>　　在模塊設計中，需要3.8V和3.3V兩種電源電壓，而輸入電壓要求達到5~64V。為了得到可靠的穩(wěn)定電壓且具備如此大的輸入電壓范圍，選用降壓型電源管理集成電路LM2596開關電壓調節(jié)器。LM2596能夠輸出3A的驅動電路，具有良好的線性及負載調節(jié)特性，其固定輸出版本有3.3V、5V以及12V，可調輸出版本可以輸出小于37V

61、的各種電壓。由于本設計需要輸出3.8V電源電壓，故采用可調輸出版本。</p><p>　　LM2596可調輸出版本電壓范圍為1.2V~37V±4%，輸出線性良好且負載可調節(jié)，輸出電流最高可達3A，輸入電壓最高可達64V，采用150KHz的內部震蕩頻率，功耗小，效率高，具有過熱保護和限流保護功能。</p><p><b>　　引腳功能：</b></p&g

62、t;<p><b>　　表5-1 引腳功能</b></p><p>　　5.2.1 電源模塊原理圖</p><p>　　圖5-3 電源模塊原理圖</p><p>　　3.8V電壓輸出反饋電阻值計算：</p><p>　　Vout=Vref*(1+R10/R9)，其中Vref=1.23V</p>

63、<p>　　3.8V=1.23V*(1+R10/R9)，推出R10=2R9，R9選用標稱值位3KΩ，精度位1%的電阻。</p><p>　　3.8V轉3.3V采用SS14二極管降壓，查詢芯片手冊知經(jīng)過SS14二極管，電壓下降0.5V。</p><p>　　5.2.2 設計注意點</p><p>　?。?）為了減少干擾，PCB設計中電感部分應設置禁止覆銅區(qū)

64、。</p><p>　?。?）PCB設計中，兩個220μF電容盡量靠近LM2596電壓輸入引腳。</p><p>　?。?）反饋線注意要遠離電感，走線盡量短、盡量粗，然后兩個反饋電阻需要靠近LM2596的反饋引腳。</p><p>　　（4）添加D1作為續(xù)流二極管。續(xù)流二極管的工作原理如下：當LM2596器件導通時，電壓輸出腳OUTPUT給L1和C29充電以及提供負

65、載電壓，此時D1處于截止狀態(tài)。當LM2596器件截止時，OUTPUT腳不再輸出電壓，L1維持負載電流，此時D1導通為L1提供回路，同時C29放電，因此電位下降，通過FEEDBACK與內部基準電壓進行比較，電位低于基準電壓，LM2596再次導通，開始下一個循環(huán)。</p><p>　　5.3 GPRS無線通訊模塊</p><p>　　5.3.1 模塊原理圖</p><p&g

66、t;　　圖5-4 GPRS模塊原理圖</p><p>　　GPRS模塊設計主要要包括提供4個LCC接口的電源部分：</p><p>　　（1）基帶供電電源VBAT接口</p><p>　?。?）PA供電電源VPA接口</p><p>　?。?）實時時鐘RTC備用電源VCOIN接口</p><p>　　（4）對外電源輸出

67、VIO接口</p><p>　　其中VBAT和VPA接口是為GPRS模塊正常工作提供電壓的，供電電壓范圍為3.3V~4.2V，典型值為3.8V。GPRS模塊為外部供電電源提供兩個VBAT引腳、兩個VPA引腳以及十四個GND腳，當模塊正常工作時，需要保證所有引腳的有效連接。</p><p>　　由于實際網(wǎng)絡環(huán)境存在的差異，當GPRS模塊達到最大發(fā)射功率時，電源瞬時電流峰值可能達到2A左右，此

68、時將會導致VBAT和VPA電壓跌落，因此，必須確保VBAT和VPA在任何情況下電源電壓跌落不低于3.3V，否則可能將導致模塊出現(xiàn)重啟等異常狀況。</p><p>　　針對外部供電電源，使用電流輸出能力大于2A的LDO或者開關電源，然后在模塊的電源端口處并聯(lián)3個220μF的電容。為了減小走線阻抗對電壓跌落的影響，應該盡量縮短VBAT的走線。</p><p>　　下圖為VBAT和VPA供電電路

69、原理圖：</p><p>　　圖5-5 VPA和VBAT原理圖</p><p>　　GPRS控制信號接口：</p><p>　　GPRS模塊LCC接口的控制信號包括1、開、關機接口信號TERM_ON 2、硬件復位接口信號RESET 3、網(wǎng)絡狀態(tài)指示LED_STATUS。</p><p><b>　　輸入控制接口：</b>

70、</p><p>　　輸入控制接口部分，GPRS模塊主要實現(xiàn)硬件復位和開/關機控制的功能。TERM_ON管腳實現(xiàn)開/關機功能。當TERM_ON持續(xù)1~2S低電平狀態(tài)時，開機；而開機后，如果TERM_ON再出現(xiàn)1~2S低電平狀態(tài)時，進入關機狀態(tài)。RESET腳用來實現(xiàn)模塊的硬件復位功能，當出現(xiàn)模塊軟件死機的情況，通過將RESET腳拉低超過10ms，模塊就進行硬件復位。</p><p>　　圖5

71、-6 輸入控制接口原理圖</p><p>　　5.3.2 設計注意點</p><p>　　（1）為了降低通路阻抗對電壓跌落的影響，在PCB上應盡量縮短VBAT以及VPA的走線。</p><p>　?。?）RESET以及TERM_ON信號較為敏感，應該在靠近RESET和TERM_ON引腳處添加10nF的濾波電容，而且在PCB走線時長度應不超過20mm，同時要保證距離板

72、子邊緣至少有2.54mm的距離，然后進行包地處理，否則可能因為受到干擾而導致GPRS模塊復位。</p><p><b>　　5.4 SIM卡</b></p><p>　　MG323-B模塊上沒有留出SIM卡座，因此需要我們自己在接口板上放置SIM卡座，電路原理圖如下：</p><p>　　圖5-7 SIM卡原理圖</p><

73、p>　　5.4.1 設計注意點</p><p>　　SIM卡座連接到GPRS模塊上的PCB走線不應超過100mm，否則可能因為走線過長導致波形發(fā)生畸變，從而影響信號質量。</p><p>　　在SIM_VCC與地端之間應接一個100nF或220nF的電容進行濾波。在SIM_DIO、SIM_CLK、SIM_RST與地端之間應并聯(lián)33pF的電容來濾除射頻信號的干擾。</p>

74、<p><b>　　5.5天線接口</b></p><p>　　GPRS模塊提供一個天線焊盤來連接外部天線，原理圖如下：</p><p>　　圖5-8 天線原理圖</p><p>　　其中，在PCB布線時應注意阻抗匹配，以及在走線兩邊留地孔，降低干擾。50歐姆阻抗匹配計算方法：</p><p>　　∝

75、 （5-1）</p><p>　　電纜的趨膚效應損耗L與總的趨膚效應電阻除以特性阻抗Z0成正比關系，其中，</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　ER為絕緣層的相對介電常數(shù)，值為2.25，=3.5911</p><p>　　將公式5-2帶入公式

76、5-1整理得：</p><p>　　L∝ （5-3）</p><p>　　帶入數(shù)值解除特性阻抗為51.1歐姆，工程上為了好記，選取50歐姆作為阻抗匹配的值。在PCB走線上，長度為823.1mil，寬度為40mil，使用阻抗匹配計算軟件算出阻抗為52歐姆，實現(xiàn)阻抗匹配。</p><p><b>　　5.6串口通

77、訊模塊</b></p><p>　　5.6.1 串口通訊模塊設計</p><p>　　GPRS DTU 提供串口數(shù)據(jù)雙向轉換通信接口，包括 RS232、RS485、RS422 等串口數(shù)據(jù)設計成透明轉換方式，將串口上的原始數(shù)據(jù)轉換成 TCP/IP 數(shù)據(jù)包進行傳送。通過超級終端類似于 AT 指令方式或專用設置程序來設置通信參數(shù)。支持自動心跳，保持永久在線，DTU 包含了上電自動撥號

78、、連接被斷開前發(fā)送心跳數(shù)據(jù)包保持永久在線等。這些功能為物流物聯(lián)網(wǎng)統(tǒng)一信息無線感知體系建設提供了技術保障。 [10]</p><p>　　RS232是計算機上的的一種通訊接口，它是由EIA制定的異步傳輸標準接口。通常情況下，RS232接口是有9個管腳或者25個管腳的形式。MAX3232作為RS232的電平轉換芯片，實現(xiàn)TTL電平和RS232電平之間的轉換。</p><p>　　MAX3232

79、是一種雙組的驅動器/接收器，芯片內有一個電容性的電壓發(fā)生器以便在單5V供電時提供EIA/TIA-232-E電平。典型的RS-232信號在正負電平之間擺動，在發(fā)送數(shù)據(jù)時，發(fā)送端驅動器輸出正電平在+5～+15V，負電平在-5～-15V電平。</p><p>　　5.6.2 MAX3232串口的電路連接圖</p><p>　　圖5-9 串口原理圖</p><p>　　MA

80、X3232是做電平轉換用的芯片，標準的RS232電平很高，達到正負的12V，而常用的TTL電平最高也只有5V，如果相連的話，必須進行電平轉換，否則不能正常工作。</p><p><b>　　5.7 PCB設計</b></p><p>　　此 DTU 模塊的 PCB 設計采用雙面布局，雙層布線工藝，考慮到成本問題，濾波電容未采用固態(tài)電容而直接使用價格較為低廉的電解電容。

81、在PCB設計部分，將電源、GPRS模塊以及MCU模塊的地都進行了隔離[11]，然后使用磁珠保持地的連接性，以此來減少各個模塊直接的干擾。各個分模塊的電源線優(yōu)先不限，并且進行加粗設計，地線采用全版雙面覆銅，地線之間進行過孔項鏈，保證地線不限的連通性，同時也增加了GPRS模塊的抗干擾性和穩(wěn)定性[5]</p><p>　　PCB板設計好后,經(jīng)過專業(yè)的電路板生產(chǎn)廠家進行生產(chǎn),然后就需要進行元器件的焊接及調試工作。<

82、/p><p>　　首先用萬用表檢查板電源和地之間是否出現(xiàn)短路現(xiàn)象，如果沒有，可先將與電源有關的元器件焊接在電路板上，在上電之前再次檢查。然后按照先小后大，先難后易的原則依次將其他模塊器件焊接上去。[7]</p><p>　　第6章 模塊調試和參數(shù)測試</p><p>　　無線數(shù)據(jù)傳輸模塊設計完成和，需要對各個分模塊進行調試，以及抗干擾性分析，保證模塊能夠穩(wěn)定、可靠地工作

83、。</p><p><b>　　6.1模塊功能調試</b></p><p>　?。?）連上服務器，進行數(shù)據(jù)的接收：</p><p><b>　　圖6-1數(shù)據(jù)接收</b></p><p>　　（2）連上服務器，進行數(shù)據(jù)的發(fā)送：</p><p><b>　　圖6-2 數(shù)

84、據(jù)發(fā)送</b></p><p><b>　　（3）斷開服務器：</b></p><p>　　圖6-3 斷開服務器</p><p>　?。?）進入SET模式：</p><p>　　圖6-4 進入SET模式</p><p>　　（5）心跳包：將心跳包設置為20秒，每隔20秒沒有數(shù)據(jù)發(fā)送或接

85、收時，心跳包將自動被發(fā)送來保證與服務器的永久相連。</p><p>　　圖6-5 設置心跳包</p><p>　?。?）模塊的復位初始化：</p><p>　　圖6-6 模塊初始化</p><p>　　（7）斷開服務器時進行數(shù)據(jù)發(fā)送，結果顯示服務器未連接：</p><p>　　圖6-7 斷開服務器發(fā)送數(shù)據(jù)</p&

86、gt;<p>　?。?）斷開網(wǎng)絡時進行數(shù)據(jù)發(fā)送，結果顯示服務器未連接：</p><p>　　圖6-8 斷開網(wǎng)絡發(fā)送數(shù)據(jù)</p><p>　　6.2各種條件下的功能測試</p><p>　?。?）條件：沒有天線連接</p><p>　　結果：能正常收發(fā)，收發(fā)的頻率越高則信號越好。</p><p>　?。?）

87、條件：參數(shù)設置錯誤</p><p>　　結果：不能連上服務器</p><p>　?。?）條件：波特率設置錯誤</p><p><b>　　結果：顯示出現(xiàn)亂碼</b></p><p>　?。?）條件：有電話撥入時</p><p>　　結果：此時不能進行收發(fā)數(shù)據(jù)，電話掛斷后，之前的發(fā)送接收操作生效。&

88、lt;/p><p>　　6.3 電氣參數(shù)測試</p><p><b>　　表6-1 電氣參數(shù)</b></p><p>　　注：連上服務器后，不斷進行發(fā)送/接收/同時收發(fā)的電流值大小差不多</p><p><b>　　結　論</b></p><p>　　無線數(shù)據(jù)傳輸作為新興的無線技

89、術開始被應用在物聯(lián)網(wǎng)領域了，選擇設計這個模塊正是基于其具有深遠的發(fā)展意義。無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)难芯渴且粋€復雜且龐大的工程，其中牽涉到計算機組網(wǎng)，無線射頻以及模擬的、數(shù)字的電路研究，需要了解的知識量是很大的，而且要求研究者花費大量心血和時間來為之努力，不斷探索。</p><p>　　雖然在設計模塊電路的時候經(jīng)過反復計算、研究和論證，在以32位cortex核單片機為控制器的無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的設計實現(xiàn)了預期的功能，解決了不少

90、的問題，但是仍然在很多方面值得作進一步的探索和研究。由于能力和時間有限，本設計并沒有考慮到傳輸數(shù)據(jù)包存在的安全性和完整性問題，不能保證在數(shù)據(jù)傳輸過程中不被外界因素攻擊或者被攻擊后如何進行防御。而在網(wǎng)絡的穩(wěn)定性方面，</p><p>　　本設計在系統(tǒng)抗干擾性的方面也還需要進行更深入的探索等等。這些存在的不足，將是下一步進行改進和深入研究無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的方向。</p><p>　　論文設計的

91、無線數(shù)據(jù)傳輸平臺達到了預期的設計要求,但是還有許多完善和改進的地方。該平臺下一步需要完善和解決的問題主要有：[2]</p><p>　　安全問題：要使數(shù)據(jù)進行可靠的透明傳輸，必須要考慮其安全性問題，而安全性問題也一直是無線數(shù)據(jù)傳輸研究的一個熱點。由于模塊本身存在著電源、數(shù)據(jù)通信和微控制器處理數(shù)據(jù)能力的限制，無線數(shù)據(jù)傳輸在安全傳輸方面存在著很大的發(fā)展空間。</p><p>　　通信距離：由于

92、本設計是在實驗室完成，并沒有對通信距離進行探索。在下一步的研究中將對無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的通信距離進行研究和考察。</p><p>　　其他問題：由于在設計中存在的失誤，造成了GPRS模塊的SIM卡座封裝錯誤，實際使用時只能用漆包線連接對應的電路。在接下來進行改進時需要再仔細檢查，杜絕此類低級錯誤的出現(xiàn)。</p><p>　　本文主要做了以下的工作：</p><p>&

93、lt;b>　?。?）硬件電路設計</b></p><p>　　根據(jù)設備所要達到的功能進行設計，考慮到要使電源輸入電壓范圍盡可能的大，本設計采用LM2596作為電壓轉換模塊。輸入電壓范圍能夠達到4.5到64V，而輸出電壓可調，最高能夠達到37V。輸入電壓范圍廣是本設計的一大優(yōu)勢。而以32位單片機為控制核的MCU設計符合可擴展性的要求。本設計完全可以完成正常的數(shù)據(jù)透明傳輸。對于本次畢業(yè)設計，總的來說

94、，整個設計模塊采用的器件功能強大，抗干擾性能力強，集成度高，因此省去了不少的外圍控制器件，從而使電路得到了簡化也因此提高了整個模塊的性價比。</p><p><b>　　（2）模塊的調試</b></p><p>　　無線數(shù)據(jù)模塊設計完成后，進行硬件和功能的調試是必不可少的。根據(jù)模塊的性能要求，還做了一些簡單的測試，包括輸入電壓范圍測試，不同狀態(tài)下的輸入電流測試，測試的

95、結果符合模塊要求?？偟膩碚f，本設計綜合考慮了軟硬件方面的要求，搭配合理，盡可能優(yōu)化，使得模塊不僅可靠性強、靈敏性好，而且在使用的器件方面選材合適，大大地降低了設計成本，實現(xiàn)了經(jīng)濟性好、可持續(xù)發(fā)展的要求。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 郝記生，張曦煌．基于GPRS網(wǎng)絡的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)[J].計算機工程與設計，2008(20)

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99、學，2004．</p><p>　　[8] China Li Qi School of Information Engineering，Inner Mongolia University of Science and Technology Baotou China Zhang Ku School of Information Engineering,，Inner Mongolia University of S

100、cience and Technology Baotou.．GPRS DTU Software Design Based On μCOS-II[J]． 2011．</p><p>　　[9] 劉志雄，余臻，陳燕萍．GPRS DTU數(shù)據(jù)中心的通信設計[J].工業(yè)控制計算機，2007(12)：23-24+26．</p><p>　　[10] 林興志．物聯(lián)網(wǎng)物流統(tǒng)一信息系統(tǒng)DTU無線感知控制模型

101、[C]//Scientific Research Publishing，USA（美國科研出版社），2011．</p><p>　　[11] 周思遠．短距無線數(shù)據(jù)傳輸及接口技術[D]．南京信息工程大學，2008．</p><p><b>　　謝辭</b></p><p>　　首先要感謝福州福大海矽微電子有限公司為我提供的硬件設計環(huán)境和平臺，福大海

102、矽微電子有限公司是由福州大學參與投資創(chuàng)辦的高科技公司，專門從事集成電路專用新品機器控制軟件的設計、開發(fā)與銷售，并為國內電子產(chǎn)品制造商提供產(chǎn)品的軟硬件整體解決方案，是一家擁有一支富有實踐經(jīng)驗的集芯片設計、軟件開發(fā)及售后服務為一體的技術團隊和一支優(yōu)秀的企業(yè)管理、市場營銷團隊。</p><p>　　然后感謝校內導師魏云龍對我選題方面的指導以及各方面的鼓勵。感謝校外導師袁文斌工程師為我提供了完成畢業(yè)設計所需要的大量資料以

103、及對我的設計進行的指導。在設計過程中，袁文斌工程師在各方面都給予我很大的幫助和支持。從選題到完成，每一步都傾注了導師大量的心血。</p><p>　　本設計和論文的完成，離不開各位老師、輔導員、朋友的關心、幫助和指導，同時也向參加論文評審的專家老師們表達我最衷心的感謝！</p><p>　　光陰似箭，一眨眼，四年的大學時光已經(jīng)接近尾聲，回首走過的歲月，心中充滿了感激之情，既有對他人的感激也