基于GPRS的无线通信模块的原理及设计

　　一、引言

　　如今通信技术、电子技术飞速进步，智能化建设不断发展，越来越多的设备都有了联网的需求。并且有大量的数据需要即时传输，很多场合有线连接的方式已经不能满足人们的需要，而无线接入方式具有方便、快捷和廉价的特点。弥补了有线方式的不足。GPRS网络以其覆盖面广泛，可持续利用和开发的优点，为无线接入产品提供了一个广阔的平台。

　　GPRS(GeneralPacketRadioService)，也叫通用分组无线业务，是在现有的GSM移动通信系统基础之上发展起来的一种移动分组数据业务。GPRS通过在GSM数字移动通信网络中引入分组交换功能实体，以支持采用分组方式进行的数据传输。GPRS系统可以看作是对原有的GSM电路交换系统进行的业务扩充，以满足用户利用移动终端接入Internet或其它分组数据网络的需求。

　　如下内容给出了一种基GPRS的无线通信模块的设计方案，该模块变传统的串口通讯为GPRS无线接入。实现串口设备的快速无线上网，可以方便地使采集设备与控制设备或计算机连接，完成数据的GSM网络的无线接入和Internet传输。为需要无线接入网络的设备提供了一个解决方案。

　　二、模块工作原理

　　网络原理

　　GSM—GPRS通过在原GSM网络基础上增加一系列功能实体来实现对分组数据的传输。新增功能实体和软件升级后的原GSM功能实体组成GSM-GPRS网络，作为独立的网络实体完成GPRS数据业务，原GSM网络则完成电路业务。GPRS网络与GSM原网络通过一系列的接口协议共同完成对移动台的移动性管理功能。

　　GPRS新增如下功能实体：

　　服务GPRS支持节点(gGPRSSupportNode)其功能为处理话务、路由寻址、手机移动性管理、鉴权和加密、计费和统计。

　　网关GPRS支持节点(GGSNGatewayGPRSSupportNode)，其功能为GPRS话务处理、与外部IP数据网络的接口、安全策略计费和统计。

　　此外还有点对多点数据服务中心等。同时，对原有的一系列功能实体进行软件升级。

　　GPRS的特点：可利用成熟的GSM网络平滑过渡投资小；灵活的计费方式可按流量时间服务等级等；与现有的GSM网络并存互不干扰；快速接入；利用IP与外部分组数据网互联。

　　2.无线通信模块工作原理

　　无线通信模块要与Internet交互的数据先通过GPRS模块与当地GSM基站中的GPRS业务节点进行无线通信，并进入GPRS网络。然后通过GPRS网关与Internet进行数据交互。

　　三、模块的硬件设计

　　无线模块主要由微控制器(MCU)和GPRS模块组成。MCU选用意法半导体(ST)公司的STM32系列微控制器中的STM32F103VET6。GPRS模块选用SKYWORKS公司的ZTG20l，通过RS232串口与微控制器连接。

　　1.微控制器STM32F1O3VET6

　　意法半导体(ST)公司的STM32系列32位闪存微控制器使用Cortex—M3内核。Cortex—M3在系统结构上的增强。让STM32受益无穷Thumb-2指令集带来了更高的指令效率和更强的性能；通过紧耦合的嵌套矢量中断控制器。对中断事件的响应比以往更迅速，所有这些又都融入了业界领先的低耗水准。

　　STM32F103VET6的工作频率为72MHz。片上集成了高速存储器(Flash为512KB，SRAM为64KB)和通过APB总线连接的丰富和增强的外设和I/O。所有的设备都提供标准的通信接口(两个I2C接口，3个SPI接口和5个USART接口)。片上还带有两个l2位的ADC、一个12位的双通道DAC、11个16位计时器。

　　模块ZTG2O1

　　SKYWORKS公司的ZTG201采用SKYWORKS的射频解决方案(RF)，接收器灵敏度：-108dBm，支持CMUX、支持SMS收发和GPRS同时在线，内置TCP/IP协议栈，能够满足GPRS模块的要求。

　　四、模块的软件设计

　　1.模块协议体系结构

　　无线通信模块的协议体系结构

　　物理层：在对GPRS模块进行参数设置后，微控制器利用AT指令通过GPRS模块拨号，AT指令格式表示从串口发送的所有数据都发送给了GPRS模块。正确反馈及应答后，一条物理通道即GPRS信道就在GPRS模块和GPRS网络之间建立起来。数据链路层：PPP帧格式表示从串口发送的所有数据都透明的发送给了GGSN。PPP协议将原始的GPRS物理层连接改造成无差错的数据链路，模块将远程登录Internet，并得到GPRS网关分配的IP地址。网络层：利用IP协议作为网络层协议，经过IP路由选择，可以实现模块与连在Internet的终端进行数据交换。传输层：选择TCP作为传输层协议，为数据传输提供可靠的面向连接服务。

　　2.微控制器(MCU)主控程序

　　微控制器(MCU)主控程序主要向GPRS模块发送AT指令和等待GPRS模块的反馈信息，从而完成对GPRS模块的设置和测试以及GPRS模块的拨号操作。

　　首先通过AT指令接口函数测试GPRS模块是否正常，进行必要的初始化设置；接着对接入的网络服务提供商进行连接信息配置：然后进行连接，若能收到对方返回的连接成功信号，MCU就发送一个链路控制协议(LCP)的请求帧，以进入PPP协议协商阶段，协商完成后，拨号就成功了。此后，数据的发送和接收都是PPP帧，GPRS工作模式进入无线连接状态，不再响应AT命令，直到断开连接为止。

　　3.网络通信协议程序

　　网络通信协议主要是基于GPRS通信PPP协议和精简TCP/IP协议应用程序。PPP用于在串行链路上封装IP数据包，IP是Internet互连的基础，两者都是必须的。TCP是网络数据运输层协议，具有较高可靠性和成熟的流量控制。

　　PPP协议：PPP协商过程是系统接入Internet的关键，由于PPP协商属于request-answer的方式，即用户终端ISP发起请求(request)，ISP按照请求内容作回应(answer)。

　　TCP/IP协议栈：模块TCP协议的所有操作都是基于Socket套接字来完成，当需要建立一个新的连接时，初始化一个新的Socket，连接成功则保存Socket，否则释放Socket。请求、建立和关闭等过程的进行由套接字Socket中的函数指针调用来实现。

　　五、总结

　　本文设计的基于STM32与GPRS的无线通信模块、主要是通过MCU与GPRS模块进行通信。通过GPR模块使嵌入式系统接人Internet，从而进行网上数据交换。目前这种技术被广泛的应用无线数据采集，远程监控等领域，具有较高的实际应用价值。

　　来源：科学时代 2010年5期

　　作者：杜超昆