基于ATmegal6的GPRS数据终端设计

0 引 言
    目前，在由GPRS承载业务支持的标准化网络协议的基础上，可提供点对点无连接型网络业务(PTP—CLNS)、点对点面向连接的数据业务(PTP-CONS)和点对多点业务(PTM)，还能支持用户终端业务、补充业务、GSM短消息业务和各种GPRS电信业务。GPRS可提供Internet、多媒体、电子商务等业务，可应用于运输业、金融、证券、商业和公共安全业；PTM业务支持股市动态、天气预报、交通信息等实时发布；另外，还能提供种类繁多、功能强大的以GPRS承载业务为基础的网络应用业务和基于WAP的各种应用。其中，GPRS的数据业务在行业应用中越来越广泛。该业务已被应用于远程抄表、电力系统远程监控、交通远程监控、车辆监控和GPS导航等诸多方面。
    在GPRS数据业务的行业应用中，数据终端是最基本的设备。目前的数据终端具有智能化和可扩展性不断增强的发展趋势，性能越来越强大，接口越来越丰富，但成本一直居高不下。本文介绍一种以基于AVR单片机ATmegal6和Motorola G20模块的低成本GPRS数据终端的设计。

l 终端的硬件设计
    终端由ATmegal6和G20模块及一些外围器件组成，系统的硬件结构如图1所示。ATmega16具有1个功能完整的异步串行通信接口(UART)，在直流5V供电时，其I/O操作电压范围约为O～5V；G20模块提供一个用于接收控制命令和传输数据的异步串行通信接口，在直流3．3V供电时，其I／O操作电压范围为0～3．3 V，因此，可以将ATmegal6串行接口经电平转换电路转接后与G20模块的串行口相连，进行异步串行数据交换。终端采用一块16×2字符型LCD显示GPRS网络连接及数据传输状况信息。ATmegal6和LCD采用直流5 V供电，5 V电源经过由低压差线性稳压集成电路LM1117—3．3组成的稳压电路将电压转换成3．3 V后给G20模块供电。

1．1 ATmegal6与G20模块的硬件接口
    由于ATmegal6和G20模块的I／O操作电压范围不相同，所以两者的串行口之间需经过电平转换才能确保稳定通信，其电平转换电路如图2所示。

    这里采用光电耦合器件TLP521进行5 V和3．3 V之间的电平转换。ATmegal6的I／O驱动能力较强(最大输出40 mA电流)，可以直接驱动TLP521。G20模块的I／O驱动能力较弱，需加一级驱动缓冲器才能驱动TLP521，这里使用7406反相驱动缓冲器。
1．2 ATmegal6与LCD的硬件接口
    系统中采用基于HD44780液晶控制芯片的16×2字符型LCD，该器件内置了字符产生器，能显示192个常用字符(包括阿拉伯数字和大小写英文字母)和16个用户自定义字符，它与ATmegal6的接口如图3所示。HD44780的数据总线DB7～DB0与ATmegal6的PA7～PA0相接，RS、R／W和EN分别与单片机的PD3、PD4和PD5相连。利用ATmega16的I／O口控制LCD进行指令和数据输入，正确地显示出经纬度数据。

2 ATmega16与G20模块的接口程序设计
    利用GPRS网络进行数据传输一般有多种组网方案，这里以其中一种方案进行说明，其他方案的数据终端实现方式类似。该方案采用数据中心公网固定IP，由监测点直接向中心发起连接。
    G20模块自身内嵌了TCP／IP和UDP／IP协议栈，大大简化了接口程序的编写。G20模块串口通信默认在57 600 b／s的速率下进行，数据格式为：8位数据位、1位停止位、无奇偶校验和硬件流控制。
    G20模块只能接受由ASCII字符代码组成的标准格式的AT指令。根据Developer′S Guide-Motorola G20 AT Commands所讲述的内容，一行G20模块的AT指令可以包含一条或者多条命令，这些命令必须由分隔符相隔，每个AT指令行不得超过140个字符。G20模块具体的AT命令行结构如图4所示。

    每个AT命令行均以字符串“AT”为前缀，以回车符“<CR>”为后缀。命令行中各指令之间的分隔符可以为分号“；”或者空格。命令行中的英文字母可以是大写格式，也可以是小写格式。
    每当G20模块接收到指令时都会输出相关的响应信息，以显示指令的执行结果。响应信息的数据格式如图5所示。响应信息由3部分组成：前缀、响应代码和后缀。其中，前缀和后缀一样，均为回车和换行符，即“<CR><LF>”；不同指令在不同情况下的响应代码也不一样。

    在实际应用中，可以通过程序控制ATmegal6由其异步串行口按照既定的通信速率、数据格式和指令形式向G20模块发出控制指令，然后监视G20模块的响应信息，根据响应信息判断命令的执行结果，进而控制G20模块进行远程无线数据发送。利用G20模块实现GPRS数据发送一般要按照以下控制步骤进行(这里使用的是UDP协议)：
    (1)通过指令“at+mipcall=<Operation>[<APN>，[<User name>，<Password>-]]”建立一个GPRS无线链接，如“at+mipcall=1，cmnet”。在这里，“cmnet”是中国移动的APN名称。其中<Operation>可为0或1，0代表断开连接，1代表连接。[<APN>，[<User—name>，<Password>]]是可选项，无需时省去。如果链接建立成功，G20模块将会返回本机的IP地址，如“<CR><LF>0K<CR><LF><CR><LF>+mipcall：10．103．201．135<CR><LF>”，此时本机在移动内网的IP地址为：10．103．201．135。如果链接不成功，G20模块将会返回错误信息“<CR><LF>ERROR<CR><LF>”。
    (2)通过指令“at+mipopen=<Socket ID>，<Source Port>，<"Destination IP">，<DestinationPort2>，<Protocol2>”打开一个端口(Socket)，如“at+mipopen=l，2000，“219．222．73．240”，6800，1”。其中，<Socket ID2>是本地端口号，G20模块一共可以打开4个端口，端口序号分别是1～4；<Source Port>是G20模块本机的端口号，其数值可以是0～65 535；<“Destination IP”>是目标IP地址，可以是直接连接到Internet公网的某台PC的IP地址。<DestinationPort>是目标的端口号，其数值可以是0～65535。<Protocol>是协议栈类型，其数值可以为0或1，0代表是TCP协议栈，1代表UDP协议栈；如果端口打开成功将返回“<CR><LF>OK<CR><LF><CR><LF>+MIPOPEN：<Socket ID>，<State><CR><LF>”，如“<CR><LF>OK<CR><LF><CR><LF>+MIPOPEN：1，1<CR><LF>”。如果端口打开不成功，将会返回错误信息“<CR><LF>ERROR<CR><LF>”。
    (3)通过指令“at+mipsend=<Socket ID>，<Data>”将需要发送的数据压入G20模块的发送堆栈。如“at+mipsend=1，4142434445”。这里的<Socket ID>是前面已经打开的端口序号，<Data>是所要发送的数据，数据格式必须是用十六进制表示的数据(数值或者字符)的双字节ASCII值。如要发送的数据为“ABCDE”(A、B、C、D和E的ASCII数值分别为0x41，0x42，0x43，0x44和0x45)，则要将“4142434445”作为<Data>压入发送堆栈。指令操作成功时，G20模块返回信息“<CR><LF>+MIPSEND：<Socket ID>，<Free Size><CR><LF><CR><LF>OK<CR><LF>”，如“<CR><LF>+MIPSEND：1，1367<CR><LF><CR><LF>OK<CR><LF>”，其中<Socket ID>是端口序号，<Free Size>是指堆栈中的剩余空间，其数值可为O～1372。如操作不成功，G20模块将会返回错误信息“<CR><LF>ERROR<CR><LF>”。
    (4)通过指令“at+mippush=<Socket ID>[，<“Destination IP”>，<Destination Port>]”将特定序号发送堆栈中的数据出栈，如“at+mippush=1”执行这条指令之后，堆栈中的数据就被发送出去了。这里所说的堆栈序号是和前面所述的端口序号一一对应的。方括号中的内容是可选项，不需要时可以省去。数据发送成功时，G20模块返回信息“<CR><LF>+MIPPUSH：<Socket ID><CR><LF><CR><LF>OK<CR><LF>”，如“<CR><LF>+MIPPUSH：1<CR><LF><CR><LF>OK<CR><LF>”。如数据发送失败，G20模块将会返回错误信息“<CR><LF>ERROR<CR><LF>”。
    (5)反复进行上述步骤(3)和(4)，直至所有数据发送完毕为止。
    (6)通过指令“at+mipclose=<Socket ID>”关闭已打开的端口，如“at+mipclose=1”。端口关闭成功时，G20模块会返回信息“<CR><LF>OK<CR><LF><CR><LF>+MIPCLOSE：<Socket ID><CR><LF>”，如“<CR><LF>OK<CR><LF><CR><LF>+MIPCLOSE：1 ID><CR><LF>”。如果端口关闭不成功，G20模块将会返回错误信息“<CR><LF>ERROR<CR><LF>”。
    (7)通过指令“at+mipcall=0”关闭GPRS网络连接。如果网络连接关闭成功，G20模块将会返回信息“<CR><LF>OK<CR><LF><CR><LF>NOCARRIER<CR><LF><CR><LF>+MIPCALL：0<CR><LF>”。如果网络连接关闭不成功，G20模块将会返回错误信息“<CR><LF>ERROR<CR><LF>”。
    另外，G20模块接收到远程终端通过GPRS网络发送过来的数据时会自动从其串口输出该数据。如果接收到的是UDP协议的数据，G20模块会以以下数据格式输出：
    <CR><LF>+M1PRUDP：<Source IP>，<Source Port>，<Socket ID>，<Left>，<Data>
    其中，<Source IP>是发送方的IP地址，<Source Port>是发送方的端口号，<Socket ID>是本机端口序号，<Left>留在堆栈中的接收数据字节数，<Data>是所接收到的数据。如果接收到的是TCP协议的数据，G20模块会以以下数据格式输出：
    <CR><LF>+MIPRTCP：<Socket ID>，<Left>，<Data>
    各部分含义如前述。编程使ATmegal6不断查询串口接收缓冲区即可实现数据接收，也可以采用接收中断的方式提高运行效率。

3 结 语
    GPRS数据传输链路中GGSN(网关GPRS支持节点)占用的端El的存活时间是有限的，如果链路空闲超时，连接就会断开，可通过定时发送数据短帧的方式来维持链路。经测定，本地(广州)的GPRS数传链路维持时间为60 s。基于ATmegal6的GPRS数据终端成本低，易于推广普及，可用于远程数据采集、系统监测和Internet远程接入等领域。