基于 GSM过程控制中的SMS（短信）检测模块设计

领 基于GSM过程控制中的SMS(短信)检测模块设计

摘要：随着 GSM(Global System for Mobile communication)移动通信网络的迅 速普及和竞争的日益激烈，新技术和新业务的开发和应用已经提到一个十分重要的位置。短消息业务（SMS）作为 GSM 网络的一种基本业务，已 得到越来越多的系统运营商和系统开发商的重视，基于这种业务的各种应 用也蓬勃发展起来。

本文提出了一种基于 GSM 短消息的SMS(短信)检测模块，在给出系统的总体设计的基础上，设计了系统的硬件和软件，并对其应用领域作了一些探 讨和研究。

关键词 GSM；短消息； PDU 模式；AT 指令；MSP430 单片机

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1 绪 论

1.1 课题背景

进入 21 世纪，移动通信技术以惊人的速度迅猛发展。无论是 CDMA、

2.5G 还是 3G，移动通信的发展目标都是在更好的语音通信之外，向用户 提供更加丰富多彩的高速无线数据应用。移动通信技术的进步使得高速的 无线数据应用成为可能。可以预见，高速的无线数据应用的发展也将使新 的移动通信技术更具吸引力。

随着 2.5G 的逐渐成熟，世界各国 3G 网络的投入研究，基于无线数据应用的各项服务展现出其独特的魅力。短消息业务(SMS)作为 GSM(Global System for Mobile communication)网络的一种基本业务，以其连接简单、费 用低廉、覆盖范围广、实现方便等优点得到越来越多的系统运营商和系统开发商的重视，基于短消息业务的各种应用也蓬勃发展起来。

短消息业务与语音及传真是 GSM 网络提供的主要电信业务，它通过无线控制信道进行传输，经短消息中心完成存储和转发功能，每条短消息 的信息量为 140bit。在短消息的可靠传递基础上，GSM 专业调制解调器的 出现给GSM的发展注入了新的活力，它改变了传统的以语音为主要的通信手段，使GSM网络数据通信得到广泛的应用。目前市场上提供的GSM调制解调器和模块提供了RS232 标准数据接口，采用 AT 指令控制， 符合 ETSI 标准 GSM0707 和 GSM0705。基于这种技术，以 GSM 网络作为无线传输平台可以开发出多种应用领域。

1.2 SMS(短信)检测模块发展现状

目前远程监测主要有以下几种方式：短距离长线监测；通过市话网； 通过

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internet 网络；通过自组网络(CDPD 网)；通过数传电台方式。距离长线监测和通过自组网络(CDPD 网)首先要自行建设通信网络，建网初期投资巨大，运营期间自主维护耗费人力物力较大，信号质量得以保证，效果好，相对运营费用高；通过市话网和 internet 方式以现有的网 络为依托，无需自行建设通信网络，但是由于市话网和 internet 难以达到 工业现场覆盖面，接入网络受到限制，局限性很大，网络运行效果取决于 网络运营商，线路安全不能得到保证，其通信效果好，信号量大，运营费 用相对低廉；数传电台出现较早，应用很广泛，是一种不错的无线数传方 式，但是建网初期投资巨大，数传电台的传输范围有限，而且容易受到空 间无线信号的干扰，信号不能得到保障，但是数传电台信号传输实时性好， 运行费用低。SMS(短信)检测模块应用广泛，遍及国民经济的很多领域，典型应用概括为 以下几个方面。

(1) 煤气/天然气，石油，电力等能源系统设备以及网络的远程监测： 发电机组，变电站，供电所的远程监测；煤气/天然气管线压力，温度，流量等远程监测；石油开采中抽油井各种参数的远程监测等。

(2) 车辆状态远程监测： 如车辆位置/时间，运动方向/速度监测，远程控制车辆中的设备，车辆丢失的查找和监测等。

(3) 自动化工厂，生产过程，机器和设备的远程监测： 在自动化生产线上，一般由可编程逻辑控制器控制，可对其进行远程监测；关键的机器和设备关系到产品的质量和生产线的安全，对此类设备 工作参数可实现远程监测，超限报警。

(4) 对人体有害的环境下的远程监测： 化工厂周围的空气质量的远程监测，噪声严重区域的噪声远程监测和噪声抑制；地震测试点的资料上传，气象监测点的资料上传。

(5) 通风设备，制冷设备等的远程监测： 冷库/仓库的远程监测，矿井风设备，探矿设备的远程监测。 (6) 水库大坝、水闸、供水系统的远程监测：

河流、湖泊、海潮的水位变化，水流量状态等关系到灾害的发生和人 民生命财产安全，水质的变化对供水系统和人们的生活影响很大，远程实

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[12,13]

监测这些状态数据意义重大。 (7) 各种信息查询系统： 交通信息、天气预时

报、银行系统等很多领域的信息查询可靠性、稳定性、使用方便性、还

[14-19]

。 而目前这些监测系统无论从成本、

是维护的难易程度等方面都不能最大限度的使人满意。因此本文把 GSM 网络引入到SMS(短信)检测模块中，提出了基于 GSM 短消息的SMS(短信)检测模块。 GSM 网络是目前基于时分多址技术的移动通信体制中最成熟完善、覆盖面 最广、功能最强、用户最多的移动通信网络，GSM 短消息业务不需要建立 拨号连接，只需把待发的消息加上目的地址发送至短消息中心，再由短消 息中心转发到最终目标。运用 GSM 短消息实现远程监测可靠性高、信号 传播距离远、覆盖面积广，并且可以节省建网初期的巨额投资，运营期间 无需维护网络，运行费用低廉。随着移动通信技术的迅猛发展，笔者相信 基于 GSM 短消息的SMS(短信)检测模块将广泛应用于国民经济的诸多领域，也 将成为一个崭新的研究热点

[20-22]

。

1.3 课题的主要工作及论文结构安排

SMS(短信)检测模块一般由监测中心站和远程监测分站两部分组成。论文首 先给出系统的拓扑结构，论述系统的结构组成；然后对监测中心站和远程 监测分站两部分进行硬件设计，搭建整个系统的硬件框架；最后对监测中 心站和远程监测分站两部分进行软件设计并进行调试。设计目标是真正实 现基于 GSM 短消息的远程数据通信，使其能够运用在实际的监测系统中， 最终面向产品开发。

课题的主要工作是单片机的合理选型及其外围电路的设计、GSM 模块 的选择和整个系统的软件设计：单片机采用美国 TI 公司生产的 MSP430F149 系列芯片，论文中将详细讲述这一系列单片机的特点；GSM 模块选择德国西门子公司的 TC35 模块，通过标准 AT 指令控制；整个系统 的软件设计是本课题的重点，包括监测中心站程序设计和远程监测分站程 序设计。其中，监测中心站程序设计采用 Visual Basic 6.0 作为开发工具，

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软件包括监测中心控制界面及初始化程序、短消息的收发程序、数据处 理和保存其

程序。远程监测分站程序设计以 IAR 公司为 MSP430 系列单片机 开发的 C430 集成开发环境为开发平台，其软件包括单片机初始化、主程 序、数据显示程序、定时信号采集及处理子程序、短消息收发子程序。

论文结构安排： 第一章为绪论，主要介绍课题的背景，远程测控系统的发展现状和本 课题的主要工作。

第二章为 GSM 网络基础知识及 SMS 通信原理，主要介绍 GSM 网络 的体系结构并详细讲述整个体系结构的四大子系统即移动台、基站子系统、 网络和交换子系统、运行子系统，另外还将详细介绍 GSM 短消息数据通 信原理。

第三章为系统的硬件设计部分，分监测中心站和远程监测分站两部分 进行设计。监测中心站部分设计监测中心服务器，介绍 GSM 通信模块 TC35 的硬件特性并设计其与监测中心服务器的通信方案。远程监测分站部分主 要讲述 MSP430F149 单片机的特点，设计包括液晶显示、键盘功能、串行 通信、A/D 转换等几个功能模块。最后设计给出整个SMS(短信)检测模块的硬件 结构。

第四章为系统的软件设计部分，首先讲述对于本系统很重要的软件设 计基础，然后分监测中心站和远程监测分站两个部分进行软件设计。软件 设计基础主要讲述常见 AT 指令及使用方法和短消息的编码方式。监测中 心站软件设计介绍通信控件 MSComm，并设计监测中心站的界面和各个功 能模块。远程监测分站软件设计部分首先给出主程序流程，然后分 A/D 转 换部分、LCD 显示部分、键盘控制部分和短消息收发部分等几个功能单元 分别进行设计。

第五章为基于 GSM 的远程温度监测系统。利用前面的研究成果，引 入具体的监测对象，把基于 GSM 的SMS(短信)检测模块与温度检测两者结合起 来，设计出了一种全新的远程温度监测系统。它是基于 GSM 的远程监测 系统的一个应用方向。

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第 2 章 GSM 网络基础知识及 SMS 通信原理

2.1 GSM 网的体系结构

GSM 网络是目前基于时分多址技术的移动通讯体制中最成熟、最完 善、覆盖面最广、用户最多的一种移动通信网络介绍。

GSM 网的总体结构由以下功能单元组成：

[23]

。下面对 GSM 网的系 统结构作简要

(1) MS(移动台)。它包括 ME(移动设备)和 SIM(用户识别模块)。根据 业务的状况，移动设备可包括 MT(移动终端)、TAF(终端适配功能)和 TE(终 端设备)等功能部件。

(2) BTS(基站系统)。为一个小区服务的无线收发信设备。

(3) BSC(基站控制器)。具有一个或多个 BTS 进行控制以及相应呼叫控 制功能。BSC 以及相应的 BTS 组成了 BSS(基站子系统)。BSS 是在一定的 无线覆盖区中，由 MSC 控制，与 MS 进行通信的系统设备。

(4) MSC(移动业务交换中心)。对于位于管辖区域中的移动台进行控 制、交换的功能实体。

(5) VLR(拜访位置寄存器)。MSC 为所管辖区域中 MS 的呼叫接听所需 检索信息的数据库，VLR 存储与呼叫处理有关的一些数据，例如，用户号 码、所处的位置识别、向用户提供的服务等参数。

(6) HLR(归属位置寄存器)。管理部门用于移动用户管理的数据库。每 个移动用户都应在其 HLR 注册登记。HLR 主要存储两类信息——有关用 户的参数和有关用户目前所处位置的信息。

(7) EIR(设备识别寄存器)。存储有关移动台设备参数的数据库。主要 完成对移动设备的识别、监视、闭锁等功能。

(8) AUC(鉴权中心)。为认证移动用户的身份和产生相应的鉴权参数的 功能实体。通常，HLR、AUC 合设在一个物理实体中，VLR、MSC 合设 在一个物理实体中，MSC、VLR、HLR、AUC、EIR 也合设在一个物理实

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中。MSC、VLR、HLR、AUC、EIR 功能实体组成交换子系统(SSS)。 体

(9) OMC(操作维护子中心)。操作维护子系统中的各功能实体，根据厂 家的实现方式可分为 OMC-R(无线子系统的操作维护中心)和 OMC-S(交换 子系统的操作维护中心)，GSM 系统通过 MSC 实现与多种网络互通，包括 PSIN、ISDN、PLMN 和 PSPDN

[24-26]

。

整个体系结构可归为四大子系统，移动台、基站子系统、网络和交换 子系统、运行子系统，以上各功能单元包括在这四大系统中，下面对这四 大子系统作详细介绍。

2.1.1 移动台(MS)

移动台通常代表用户从整个系统看到的唯一设备，移动台的类型不仅 有车载型和便携型设备，还有手机。但是一个移动台包含什么呢？除了通 过无线接口接入网络的一般无线处理功能外，移动台必须提供一个与使用 者的接口(如送话器、收话器、显示器和管理话音呼叫的键盘)，或与其它 终端设备的接口(如：与个人计算机或传真机的接口)，或者两者都有。已 经作出努力使得脱架终端设备与移动台相连接(例如，第三类传真机就是为 了与电话网相连而设计的)，并为此规定了一些特殊的终端适配功能。但是， 所有的实现方法都可以选择，并对制造商开放，使得完全集成化的小型移 动台能与带有标准接口的移动台共存。

涉及用户数据处理时，要分清三大功能：

(1) 终端设备 机；

执行业务特有的功能，而不涉及 GSM 特有的功能，如 传真

(2) 移动终端装置

执行与无线接口上的传输有关的所有功能；

作为终端设备和移动终端装置之间的连接器。当移 动终

(3) 终端适配器

端装置的外部引入一个终端适配器。

移动终端装置、终端适配器和终端设备间的功能划分与每项业务的传 输要求密切相关。

移动台另一个重要的结构特点与用户模块或 SIM 卡(SIM——用户识 别模块，由于它不仅仅包括身份识别，这个名称的使用要有所限制)的概念 有关。从一个将移动终端装置分开的观点出发，移动台被分为两部分：一

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是通讯处理设备，另一侧是 SIM 卡。SIM 卡基本上是一块遵守 ISO 标准 的智能侧

卡(或它切下的一部分)，包含存储在无线接口的用户一侧的所有与 用户有关的信息。它的功能，除了信息存储能力，还与保密性有关。移动 台的基本部分包括接入网络的所有通用传输和信令方法，以及人机设备(如 终端 ) 。 SIM 卡与移动台的其它部分的接 口在规范中都有规定，简称 ―SIM-ME‖接口(ME 代表移动设备)

[27]

。

在规范中，移动台(MS)一般都包括移动设备和 SIM 卡，在没有 SIM 卡时对移动台操作的情况(如网络允许时，移动台可以处理无名紧急呼叫) 很少。可擦除的用户数据存储设备的概念具有深远的影响。在以前的蜂窝 系统中，移动台的个人化，要求的介入较多，这只对技术专家可能，而对 运营公司的行政管理人员则难以做到。这种情况下有几个缺点：移动台只 能卖给专业商人，他们不但能在车辆中安装设备，而且成为在用户和业务 提供者之间使设备个人化的中间人；一旦移动台失效，很难在维修期间给 用户提供替代品，更不能允许用户在这一期间保留相同的电话号码。

可移走的 SIM 卡简化了这些问题，而且带来了其他益处。一个潜在的 用户当然可以买一台移动设备，但他也可以在任何时间租用或借用一台， 并可随意更换，而无需很多管理。他所需要的只是自己的 SIM 卡，这可以 从运营者或业务提供者处获得，与选择任何设备无关。SIM 卡个人化的最 后一步可通过小型计算机和简单的适配器很容易实现。因为它们不再需要 运营者或业务提供者的介入，移动设备的销量将比以前有大幅度提高，汽 车电话仍在车辆上安装，便携式或手机将鼓励用户从任何商店购买移动设 备。

2.1.2 基站子系统(BSS)

一般来说，基站子系统包括 GSM 无线蜂窝方面特有的基础设施。BSS 通过无线接口与移动台直接相连，它包括负责在无线路径上发送、接收及 管理的设备；另一方面，BSS 也与网络和交换子系统的交换机相连

[28]

。因 此，BSS 的作用可概括为：将移

动台分别与 NSS 和其他电信用户连接起来。 BSS 要由运动和维护子系统控制，故与它也有联系。

根据规范的 GSM 结构，BSS 包括两类设备：基站收发台(BTS)(它通

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无线接口与移动台联系)和基站控制器(BSC)(它与 NSS 的交换机联系)。 功能划过

分基本上是在传输设备(BTS)和管理设备(BSC)之间。

基站收发台包括无线发射和接收设备、天线和特有的信号处理部分。 BTS 可看作一个复杂的无线调节器，其功能很少。典型的第一代 BTS 由几 个机柜组成，它包含传输功能所必须的所有电子设备。天线通常位于几十 米远的塔上，通过馈线电缆与设备架相连。只有一个设备机柜的第一代 BTS，典型地可处理 3~5 个无线载波，承载 20~40 个同时通信。减少 BTS 的体积对于降低蜂房站址的成本很重要，预计在该领域将有大的进展。

基站子系统的一个重要部分(在规范的 GSM 结构中被认为是 BTS 的一 部分)是 TRAU(编码变换器/速率适配单元)。TRAU 是执行 GSM 特有的话 音编码和解码及数据速率适配的设备。虽然规范中把 TRAU 看作 BTS 的 一部分，它可以不与 BTS 安装在一起，甚至在许多情况下，它实际上位于 BSC 和 MSC 之间。它的较远位置允许进一步压缩 BTS 和 TRAU 之间的传 输(这是运营者节省成本的一种途径)。

BSS 的内部结构中，在基站收发台的上面是 BSS 的第二个基本组成部 分——基站控制器(BSC)。BSC 通过 BTS 和移动台的远端命令，负责所有 的无线接口的管理，主要是无线信道的分配、释放及切换管理。BSC 一端 与几个 BTS 相连接，另一端与网络和交换子系统相连(更确切的说，是与 移动业务交换中心相连)。

一台 BSC 实际上是一台具有重要计算能力的小型交换机，它的主要作 用是管理无线接口上的信道和切换过程。典型的 BSC 由一个或两个设备机 柜组成，根据 BTS 的业务能力，可以管理多达几十个 BTS。

BSC 和 MSC 之间的接口(A 接口)在 GSM 标准制定早期就引入了。后 来决定制定 BTS 和 BSC 之间的 Abis 接口(实际上，Abis 接口并不比 A 接 口更有意义)。

在 GSM 词汇中，一个 BSS 指一部 BSC 及它所控制的所有 BTS，以免 与作为子系统(包括所有 BSC 和 BTS)的 BSS 混淆。

2.1.3 网络和交换子系统(NSS)

网络和交换子系统包括 GSM 的主要交换功能以及管理用户数据和移

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性所需的数据库，有时它也称为交换子系统。由于 GSM 网络包括 BSS 和 NSS，动

因而后一个名称更恰当。NSS 的主要作用是管理 GSM 用户和其 它电信网络用户之间的通信。

在 NSS 内部，基本交换功能由 MSC 完成，MSC 的主要功能是协调呼 叫 GSM 用户和来自 GSM 用户的呼叫的建立。MSC 一侧与基站子系统接 口(通过 BSS 与 GSM 用户联系)，另一侧与外部网络接口。为了与 GSM 外 部的用户通信，MSC 与外部网络的接口可能需要一个适配网关(交互工作 功能 IWF)。IWF 的作用总是或多或少要依赖用户数据的类型和它要与之接 口的网络类型。NSS 还要利用与外部网络接口的能力，在 GSM 实体之间 传输用户数据和信令。特别地，NSS 利用一个遵循 CCITT7 号信令系统协 议的信令支持网络(至少有一部分在 GSM 的外部)，因而常常称为 SS7 网络； 这个信令网使得位于一个或几个 GSM 网络内部的 NSS 设备能协调交互工 作

[29]

。

作为一个设备，移动业务交换中心控制着几个基站控制器，它通常是 一台相当大的交换机。MSC 与特定网络的互相连接，要求将 GSM 网络传 输特性与通信对方的网络特性相适配，这些适配就是交互工作功能(IWF)， 这个术语也可指负责该功能的实体。它基本上由一个传输和协议适配设备 构成。它使得 GSM 网络可与 PSPDN、CSPDN 等网络交互工作，当通信对 方是简单的 PSTN 或 ISDN 时，IWF 也存在。交互工作功能既可与 MSC 功 能一起实现，也可由单独的设备实现。当单独实现 IWF 时，规范未规定 MSC 与 IWF 之间的接口。

除了 MSC，网络和交换子系统还包括数据库。与电信业务的提供者有 关的用户信息都存储在基础设施中的 HLR(归属位置寄存器)内，而不管用 户当前的实际位置。HLR 保存与用户的当前位置有关的信息，从而能够建 立对移动台的呼叫。

作为一个物理设备的 HLR 是一台独立的计算机，它没有交换能力，能 管理成千上万的用户。HLR 功能的一个部分是鉴权中心(AuC)，AuC 的作 用是为用户确认管理安全数据。

GSM 中的第二个数据库是 VLR(来访位置寄存器)，它与一个或多个

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MS C 相连，负责为那些目前位于相应 MSC 业务区域内的用户临时存储注 册数据，它存储的位置数据比 HLR 中的要精确一些。在目前的实践中， VLR 总是与各个 MSC 集成在一起的。

NSS 包含的不止是 MSC、VLR、HLR。呼叫的 GSM 用户的路由包括 一个特殊的询问和转发的交换功能。这个功能在 GSM 中称为 GMSC(网关 移动业务交换中心)。一个网关交换机负责收集位置信息，将呼叫按规定路 线送至 MSC(通过 MSC，被叫 GSM 用户才能获得服务)。为此，它首先必 须找到正确的 HLR，根据唯一已知的 GSM 用户目录号码询问 HLR。网关 交换机与外部网络有一个接口用来提供网关，还利用 SS7 信令网与其它 NSS 实体交互工作。因为 GMSC 的功能在技术上不是必须连接到一个 MSC 上，这个术语有时另人误解。实际上，它可以是一个独立的设备，或作为 一个集成在数字电话交换机内的功能。然而，计费的考虑使得网关的功能 一段时间内不会放在 GSM 网络的外面，经济方面的考虑也不希望用一个 独立的设备实现此功能。因此，目前 GMSC 的功能都是与 MSC 在一个设 备中实现的。

依据国内的规定，GSM 运营者可能允许或也可能不允许在 NSS 设备 间运行整个 SS7 网络。如果 GSM 运营者能完全控制这个信令网，那么信 令转移点(STP)就可能成为 NSS 功能的一部分，既可以用单独结点实现， 也可以与 MSC 在同一设备内实现，以便节省在 NSS 实体(MSC/VLR、 GMSC、HLR?)之间传输信令的成本。

类似地，根据许可证的条件，GSM 运营者可能有权利用自己的网络在 GMSC 和 MSC 之间路由呼叫，或将呼叫在使用固定网络之前路由到尽可 能近的目的地。在这种情况下，转汇接局有可能成为 GSM 网络的一部分， 并且既可用单独的接点实现，也可以与 MSC 结合在一起。

2.1.4 运行子系统(OSS)

所有任务都需要 BSS 或 NSS 中的一些或全部基础设施和各运营公司 之间的相互作用。网络运行和设备维护涉及所有设备(包括 BSS 设备)，而 注册管理至少对 HLR 有影响。

规范中对规范的体系结构的运行和维护方面的描述不如其他方面那么

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体，给运营者和制造商留有很多自由。一个充足的理由是：这方面的问 题不是 具

GSM 特有的。运行和维护功能也可在现存的网络中实现，因此这 方面的许多标准化工作要适用于通用的电信网络。下面讲述几种设想 OSS 的方法。

过去，操作和维护活动是通过在每台设备处介入，在本地执行的。为 此，每台设备都提供了一些人机接口，例如通过一个本地终端，不同设备 上动作的协调要由人来管理。这种方法至少在早期的 GSM 实验网络中被 采用。例如，用户管理可通过在与 HLR 相连的现场终端上手工键入用户数 据来完成。这种本地式处理，OSS 功能简单的分散在 BSS 和 NSS 设备中， 唯一的 OSS 设备是人机设备，如终端。

现在，随着技术的发展和电信系统复杂性的提高，系统中可能事件的 范围和要处理的信息数量有了巨大增长。当运行的设备数量变得很大时， 本地式处理方法就不够有效了，因此需要集中处理，这要求单个设备介入 到几个业务处理设备和人机设备之间，而且这些单个设备要完成一些协调 功能，在不同设备的路线接法之间提供更多的连接性保证。最终的集中化 处理是 TMN(电信管理网)概念，其中所有的操作和维护设备组成一个网， 作为一个整体与所有业务处理设备相连接。

一旦应用了集中化处理，就出现了业务处理设备和 BSS 设备之间的接 口，这些接口需要规范化。在这一层次上，大多数与运行和维护相关的实 体都可在规范中找到。设计这一部分标准时，为了使 GSM 网与高级的运 行和维护设备平稳结合，要考虑 TMN。现在先看看 OSS 的一般术语，再 象规范一样集中于 OSS 中与业务处理设备(特别是 BSS)接近的部分。GSM 所特有的、与呼叫不相关的信令则对应于许多不同的协议，组合在 MAP(移 动应用单元)中。用不同的名字，如 MAP/B、MAP/C?MAP/I 来区分这些 不同协议，例如，MAP/C 是 GMSC 和 HLR 之间的协议。所有这些 MAP/X 协议都使用 SS7 协议 TCAP(转移能力应用单元)提供的业务，而本身又使 用 SS7 协议 SCCP(信令连接控制单元)提供的业务。这些不同的 MAP/X 不 是一层层的而是平行独立的。

规范中的表示有一点不同：MAP/X 协议是作为一个协议规定的，称为

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；而这里所说的―协议‖被称为―接口‖AP。这些接口按字母(B——G， 其顺序并不重M

要)区分。为了与规范保持一致，用与有关的字母标识相应的 协议。H 和 I 接口未在 MAP 规范中出现，所以将 MAP/H 定义为传输短消 息的协议，虽然规范中相应的 MAP 接口是 MSC 之间的 E 接口。同样地， MAP/I 作为附加业务管理的 MS 和 HLR 之间的协议；为了更接近这一概念， 在规范中出现了 MSC 和 HLR 之间的 D 接口。

2.2 GSM 短消息数据通信原理

短消息业务与语音传输及传真同为 GSM 数字蜂窝移动通信网络提供 的主要电信业务，它通过无线控制信道进行传输，经短消息服务中心完成 存储和前转功能。短消息业务包括两类：一类是点到点的短消息，即由一 个用户发给另一个用户少量的文字和数据信息；另一类是广播短消息，即 由短消息广播中心收集用户所需的信息给用户。两种方式均可在网络暂时 无法将短消息传给移动台的情况下，将信息在网上记录，当发现移动台可 达时，通知相应实体重新传送短消息，因此，短消息具有很高的可靠性。 基于电路交换的点到点短消息业务中所涉及的网络实体之间的协议： 在电路交换 GSM PLMN(公共陆地移动网)中，移动台接入 GSN PLMN 是 通过 MSC(移动交换中心)进行的。在移动被叫点到点短消息业务中，首先， 短消息服务中心发送短消息给 SMS-GMSC，SMS-GMSC 通过询问 HLR 获 得目标 MS 所在的 MSC 号码，将短消息先转给 MSC。MSC 询问 VLR 中 存放的用户相关信息，对用户进行鉴权后，将短消息传递给目标 MS。然 后，MS 返回报告给 SC；在移动主叫点到点的短消息业务中，用户请求接 入通过鉴权后，将短消息传递给 MSC

[30]

。

通过以上的 SMS 工作原理可以看出，SMS 作为 GSM 网络的一种主要 的电信业务，其传递可靠性很高。GSM 网络在全国乃至全球范围内实现了 联网和漫游，相对于传统的集群系统在无线覆盖面上具有无法比拟的优势， 更加突出了它在无线数据传输方面的巨大优势，为基于它的各类数据传输 业务的开发打下了坚实的基础。

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2.3 本章小结

本章主要介绍了 GSM 网的结构、GSM 网的四个子系统和短消息通信 原理。展示了 GSM 网的整体概念，对 GSM 网络子系统有了进一步的了解， 理解了短消息的接收与发送过程，为利用 GSM 网的短消息功能实现远程 监测奠定了基础。

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第 3 章 系统硬件设计

3.1 系统总体结构设计

本系统集先进的 GSM 无线通信技术、计算机控制技术、数据采集技 术、数据库技术于一体，搭建了一种基于 GSM 短消息的SMS(短信)检测模块平 台。

系统分为监测中心站和远程监测分站两个部分：监测中心站主要由监 测中心站服务器， GSM 调制解调器 (TC35) 组成；远程监测分站主要由 MSP430F149 单片机及外围电路(液晶显示、键盘功能、RS232 通讯、A/D 转换)和 GSM 调制解调器(TC35)组成。监测中心站与远程监测分站之间通 过 GSM 网络实现无线远程通信，实现了基于 GSM 网络的远程监测。系统 结构图如图 3-1 所示。

温数测据远湿程度监

集节分采站 点

N个监测分站

温湿度 远程监 数据采 测分站 集节点 RS232

RS232

GSM模块

调制解调器

GSM模块

调制解调器

蜂窝电话

GSM网络

蜂窝电话

蜂窝电话

RS232

调制解调器GSM模块

数据库

工作站 监测中心站服务器

图 3-1 系统结构图 Fig.3-1 System architecture

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监测中心站硬件设计 3.2

监测中心站包括的主要硬件设备为：一台作为监测中心站服务器的工 业计算机、GSM 无线通信模块 TC35 和两者相连的串口线。下面分别介绍 这几部分。

3.2.1 监测中心站服务器

监测中心站服务器基本配置： CPU 盘 内存

Intel 奔腾IV 2.4G 高速处理器； 硬80G 用于数据库系统； 高速 512MB；

17 英寸液晶显示器； 附

显示器

带打印机；

操作系统为 WINDOWS 2000 Server/WINDOWS XP。 监测中心站服务器基本功能：

(1) 实时接收远程监测分站采集的数据并分类保存；

(2) 对远程监测分站进行监控，对各分站的紧急报警进行处理，对各 分站进行各项设置；

(3) 管理数据库，并能够实时显示各监测分站的情况，打印备份的数 据库。

3.2.2 GSM 无线通信模块 TC35

在监测中心站，数据的接收和发送采用 GSM 无线通信模块 TC35

[31,32]

， 它具有

语音、数据呼叫、短消息等许多功能，本系统主要采用 GSM 模块 TC35 的短消息接收和发送功能，下面对 TC35 模块的功能及使用方法作简 要介绍。

3.2.2.1 TC35 的特点及功能 TC35 是 SIEMENS 公司推出的 GSM 专用调制 解调器，它可在 GSM 网中完成语音、数据呼叫、短消息以及传真的传送。 TC35 具有标准的工业接口和完整的 SIM 卡阅读器，因此使用非常简单。

(1) TC35 的主要特点如下： 可以工作于双频段 EGSM900/GSM1800；

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具有语音、数据呼叫、短消息和传真传送功能； 具有模拟语音接口； 可以读写 SIM 卡； 带一个 RS-232 接口；

工作电压范围达 8-30V，在仅传输数据时，电压范围为 5.6-30V； 支持 GSM phase2/2+； 支持 AT 命令。

(2) TC35 的主要接口及功能：

TC35 采用半成品封装，其对外接口有模拟语音接口、RS-232 接口、

SIM 卡、电源和天线等。

TC35 的电源接口及各引脚功能:

1 脚：正电源输入端；

2 脚：空脚；

3 脚：复位输入；

4 脚：激发输入；

5 脚：空脚；

6 脚：接地。

3.2.2.2 RS-232 接口 采用 9 针 D-SUB 接头的 RS232 接口，该接口主要用 于 TC35 与 PC 机或单片机的连接，可以根据需要通过软件控制 TC35 工作。

3.2.3 标准串行通信接口 RS232

RS-232 是在任何时候都常用的接口之一。它不仅已经被内置于每台 PC 机，而且已被内置于从微控制器到主机等多种类型的电脑和与它们连接 的设备。RS-232 接口的最通常的用处是连接到一个 Modem 上，其他拥有 RS-232 接口的设备包括打印机、数据采集模块等。RS-232 串行通信以正 负 9V 代表 0 和 1 状态。

串行通信可以分为同步及异步两种模式。同步通信的两端使用同步信 号作为通信的依据，而异步则使用起始位及停止位作为通信的判断。目前 采用异步传输模式较为普遍，异步传输只要 9 支引脚就足够了。如果要采 用同步传输，则需要 25 支引脚。

16

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计算机上 RS-232 引脚如图 3-2 所示，其引脚定义如下：

引脚

1 2 3 4 5 6 7 8 9

CD RXD TXD DTR GND DSR RTS CTS RI

载波检测 接收字符 发送字符 数据端备妥 接地 数据备妥 要求发送 清除以接收 响铃检测

图 3-2 RS-232 引脚

图

Fig.3-2 Feet of RS-232

RS-232 的每支引脚都有其功能和信号流动的方向。最初的 RS-232 设 计是用来连接调制解调器的，正因如此，它的引脚意义通常和调制解调器 的传输有关。以下是 9 支引脚的相关说明。

CD：此引脚由调制解调器控制。当电话接通之后，发送的信号载在载 波信号上面，调制解调器利用此引脚通知计算机检测到载波信号，当前处 于联机状态。

RXD：此引脚将远程所发送过来的数据接收进来。在接收过程中，由 于数据是以数字类型发送的，读者可以在调制解调的 RTS 信号灯上看到明

17

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此即为 0 与 1 交替所产生的现象，交错，即电位高低变化所产生的现象。 灭

TXD：此引脚将计算机所要发送出去的数据发送出去。在发送过程中， 由于数据是以数字类型发送的，读者可以在调制解调器的 TXD 信号灯上 看到明灭交错，此即为 0 与 1 交替所产生的现象，也即是电位高低变化所 产生的现象。

DTR：此引脚由计算机控制。用于通知调制解调器进行传输，高电位 表示计算机已经准备就绪，随时可以接收数据。

GND：此引脚为接地端，作为计算机与调制解调器之间的标准电位参 考。两端设备的接地端标准电位必须一样，否则会产生回路，使得信号因 标准电位不同而产生偏移，也会导致结果失常。RS-232 数据采用单节点式 的信号发送方式，其特点是信号电压的标准电位就是参考接地端标准电位， 因此传输双方的接地端必须连接在一起，以避免标准电位不同而造成数据 的错误。

DSR：此引脚由调制解调器控制，调制解调器用这支引脚的高电位通 知计算机一切准备就绪，可以发送数据过来。

RTS：此引脚由计算机控制，用以通知调制解调器马上发送数据至计 算机。而当调制解调器收到信号后，便会将它由电话线收到的数据发送给 计算机；在此之前若有数据发送至调制解调器，则会暂存在缓冲区中。

CTS：此引脚由调制解调器通知计算机有电话进来，是否接听电话则 由计算机决定。如果计算机设置调制解调器为自动应答模式，则调制解调 器在接听到一定的铃响后即自动接收电话

[33]

。

3.3 远程监测分站硬件设计

远程监测分站主要硬件包括单片机及其外围电路和 GSM 无线通信模 块 TC35。GSM 无线通信模块 TC35 在上一节已经做过详细讲述，在此不 再赘述。单片机采用美国 TI 公司生产的 MSP430F149 系列，根据系统需要 设计了液晶显示、键盘功能、RS232 通讯、A/D 转换等几个功能单元。其 中 A/D 转换部分是完全由 MSP430F149 片内集成模块实现的。

18

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.1 MSP430F149 3.3结构概述

MSP430 系列单片机是一个特别强调超低功耗性能的单片机品种。它 适合应用在各种要求极低功耗的场合，具有一定的技术特点。在这个系列 中有多个型号，它们由一些基本功能模块按不同的应用目标组合而成。其 中 FLASH 型芯片又可分为几个分支，如 11x、11x1、13x、14x 等。它们 都具有开发设备简便、可现场编程等特点。MSP430 系列采用存储器-存储 器结构，即用一个公共的空间对全部功能模块寻址，同时用精简指令组对 全部功能模块进行操作

[34,35]

。图 3-3 是 MSP430F14x 系统结构图。

首先来看一下 CPU(Central Processing Unit)。MSP430 的 CPU 运行正 交的精简指令集，由 16 位 ALU(Arithmetic and Logic Unit)、指令控制逻辑 和 16 个寄存器组成。寄存器中有 4 个具有特殊用途，即程序计数器 R0/PC(Register 0/Program counter)、堆栈指针 R1/SP(Stack pointer)、状态寄 存器和常数发生器 R2/SR/CG1(Special Register/Constant Generator 1) 、 R3/CG2。除了 CG1 和 CG2，所有寄存器都可作为通用寄存器，用所有指 令操作。常数发生器只用于指令执行时提供常数，但不能存储数据。对 CG1、CG2 访问时的寻址模式可以区分所获得的常数数值。PC(program counter)、SP 和 SR 配合精简指令所实现的控制，可以使应用系统的程序设 计实现复杂的寻址模式和软件算法。

对程序存储器进行访问时，对于程序代码总是以字形式取得，而对于 数据可以用字或字节指令进行访问。每次访问均需要 16 位数据总线(MDB, 即：Memory Data Bus)和访问当前存储器模块所需的地址总线(MAB,即： Memory Address Bus)。存储模块由内部模块允许信号自动选中，这样可以 减少总的电流消耗。对于 MSP430F 系列，程序存储器是 FLASH 的。在程 序设计中，可以将数据安排在程序存储器中，它们可以用字或字节指令方 式访问，因此可以实现查表处理等应用。64 KB 空间顶部的 16 字(0FFFFh～

0FFE0h)保留用作复位及中断的向量地址。 数据存储器(RAM)与程序存储器相同，

经地址总线(MAB)和数据总线

(MDB)与 CPU 相连。RAM 内的数据可以以字或字节宽度访问。由于 RAM

与程序存储器是经过相同的地址总线和数据总线与 CPU 相连，因此程序代

19

XIN XOUT/TCLK DVcc

DVcc AVcc AVss RST/NMI P1 P2 P3 P4 P5 P6

Rosc XT2IN XT2OUT 振荡器 系统时钟 ACLK

60KB Flash SMCLK 48KB Flash 32KB Flash MAB,16 Bit 2KB RAM 2KB RAM 1KB RAM 12 Bit ADC 8通道 ＜10μs I/O Port ? 16端口具有 中断功能 I/O Port ? 16 I/O I/O Port 5 8 I/O I/O Port 6 8 I/O 燕山大学工学硕士学位论文

CPU 含16寄 存器 Test JTAG

TMS TCK TDI TDO/TDI 硬件乘法器 MPY,MPYS MAC,MACS 8×8 Bit 8×16 Bit 16×8 Bit 16×16 Bit

MDB,16 Bit ACLK SMCLK 看门狗 定时器 15/16Bit Bus 转换 MAB,4 Bit MCB MDB,8 Bit Timer_B7 7CC寄存器 Timer_A3 3CC寄存器 上电复位 比较器A USART0 UART 模式 SPI 模式 USART1 UART 模式 SPI 模式 20

图3-3 MSP430F14x系统结构图

Fig.3-3 System structure figure of MSP430F14x

第 3 章 系统硬件设

可以装入 RAM，也可以在 RAM 内运行。这给程序的调试提供了很大的 方便。码

所有指令都有字节操作或字操作形式。但是，对堆栈和 PC 的操作 是按字宽度进行的，寻址时必须对准偶地址。

MSP430 的运行主要受控于存储在特殊寄存器 (SFR ，即： Special Function Register)中的信息。SFR 中的各位信息可以允许中断以支持取决 于中断标志状态的软件；可以定义外围模块的工作模式，被禁止的外围模 块将暂停运行以减少电流的消耗，而所有存储在模块寄存器中的数据仍然 保留。

外围模块经 MAB、MDB 和中断服务及请求线与 CPU 相连。对于大多 数外围模块，MAB 通常是 5 位，MDB 是 8 位或 16 位。大多数外围模块 工作在字节形式。8 位数据总线的模块经总线转换电路连到 16 位的 CPU。 这些模块的数据交换毫无例外地必须用字节指令操作，SFR 的处理也全部 为字节指令；部分工作在字形式的外围模块必须用字指令操作。

振荡器 LFXT1(Low Frequency Oscillator)是专门为通用的低功耗 32768

Hz 时钟晶振设计的，也可以用一个高速晶振工作。当采用 32768 Hz 晶振 时，除了晶体需要外接以外，所有的模拟元件都集成在片内。如果采用高 速晶振，仍需要外接负载电容。MSP430F14x 片内还有一个可实现高速晶 振的 XT2 振荡器。除了晶体振荡器外，MSP430 系列 FLASH 型芯片都有 一个数控 RC 振荡器(DCO，即：Data Control Oscillation)。DCO 与其它普 通的 RC(Resistance and Capacitance)振荡器不同，它可以实现数字控制及频 率的调节。外围模块及 CPU 的时钟源选择非常灵活。绝大多数外围模块设 计成可以用 32768 Hz、高速晶振或 DCO 来工作。CPU 可以用 DCO 工作，

也可以用晶振时钟信号运行

[36]

。

3.3.2 液晶显示

在单片机系统中，最常用的显示器有：发光二极管，简称 LED(Light Emitting Diode)；液晶显示器，简称 LCD；荧光管显示器，简称 VFD(Vacuum Fluorscents Display)。其中 LCD 是一种极低功耗显示器，广泛应用于电子 表、计算器、袖珍式仪表、便携式微型计算机等产品中，最适于在本次设 计中采用。另外由于在应用中不仅要显示英文字符，还要显示汉字，因此

21

第 3 章 系统硬件设

用点阵型液晶。目前点阵式液晶显示模块正在迅速、广泛地应用于各行 各业的电选

子产品当中。其应用的最大特点是在平板显示的时候占用空间较 小，CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Circuit)电路功耗低， 可显示汉字

[37]

。

LCD 显示器简介 液晶是一种介于液体与固体之间的热力学中间

3.3.2.1

稳定相。它的特点是能够在一定的温度范围内既保持有液体的流动性和连 续性，又具有晶体的各向异性。它的分子呈长棒形，长与宽之比比较大， 分子不能弯曲，是一个刚性体，中心一般具有一个桥链，分子两头都具有 极性。

正是由于这个特点，在采用直流电压驱动 LCD 时，会使液晶体产生电 解和电极老化，大大降低 LCD 的使用寿命，所以现用的驱动方式多属交流 电压驱动。此外液晶本身不能主动发光，它是通过环境光来显示信息的， 这也是 LCD 功耗低的原因。

在点阵式 LCD 中，使用了行驱动和列驱动，使选通点上的选通电压大 于开启电压，但由于多点共用一个电极，在选通点外的非选通点上也加有 电压，从而使清晰度下降，这就是交叉效应现象。如果在非选通点上施加 的电压只有选通电压的 1/2，使非选通电压值低于显示的截止电压，这样 将减少交叉效应的影响，这就是 1/2 偏压法。在实际应用中常用 1/3，1/4，

1/7 等偏压法，使选通电压与非选通电压之间差距加大，以提高显示的清 晰度。

点阵式 LCD 的控制一般都采用行扫描方式，行扫描驱动原理见图 3-4 所示。各行上所施加的电压脉冲占空比为 1/行数，占空比越小，那么清晰 度就越差，甚至还会产生闪烁现象。图中仅仅是一个字符，当一行有多个 字符时，先把列数据以串行码方式输出给列驱动器，然后将产生行扫描， 用以实现显示状态。假设一帧的扫描行数为 N，扫描一帧的时间为 1，那 么一行所占有的选择时间就是一帧时间的 1/N，那么该值就被称为占空比 系数

[33]

。

液晶使用寿命较长，只要按规定使用，没有机械损伤，使用在 10 年以 上是没有问题的。

22

第 3 章 系统硬件设

01110 10001 10001 11111 10001 10001 10001

移位寄存器

移 位 寄 存 器

1 0 0 0 0 0 0

图 3-4 行扫描驱动原理

图

Fig.3-4 Row scan and drive principle

3.3.2.2 LMB-018 液晶显示模块 液晶显示模块是一种将液晶显示器件、连 接件、集成电路、PCB(printed circuit board)线路板、背光源、结构件装配 在一起的组件。从广义上说，凡是由液晶显示器件和集成电路装配在一起 的部件，都属于―模块‖，但实际上我们通常所说的―模块‖主要是指点阵 液晶显示器件装配的点阵液晶显示模块，这是因为几乎所有通用型点阵液 晶显示器件都是加工成模块后才供给用户的。

液晶显示模块可以分为：数显液晶模块，只能显示数字和一些标识符 号；液晶点阵字符模块，可以显示数字和西文字符；点阵图形液晶模块， 不仅能显示字符还能显示图形。

为了显示图形，点阵图形液晶模块的像素数量大量增加。只能选用 1/32 以上，甚至 1/256 占空比驱动。这无论对液晶显示器、集成电路，还是对 装配应用都提出了更高的要求，所以点阵图形方式的液晶显示器件更倾向

于模块化生产。其分类系统如下所示：

? ?扭曲向列型 ? 无背光??

? ? ????

?超扭曲向列型有背光? ???

?从液晶显示器件划分??

黑色??? ?

有源矩阵型??? ?有背光 ?图形模块??彩色???

??

?行、列驱动器（控制器接口型） ?

???

控制型（总线接口型） 从集成电路划分?驱动 ??

?

?行、列控制型（数据线接口型）? ?? ?

黑/白 ? ?

?

? 黄/蓝

?

??彩色

23

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在这次设计中选用了 LMB-018 系列液晶显示模块，LMB-018 系列液 晶属超扭曲效应型。目前，几乎所有点阵图形和大部分点阵字符液晶显示 器件都采用了超扭曲效应模式。超扭曲效应技术在液晶产业中已处于成熟、 完善阶段。扭曲向列型及其它大部分类型的液晶显示部件的电光响应曲线 都不够陡峭，使液晶在大信息量显示、视频显示上受到了限制。超扭曲效 应型液晶通过加大扭曲角改善了驱动特性。

LMB-018 系列液晶的一些技术特性如下：

(1) 液晶显示模块：超扭曲效应型；反射；灰模式。

(2) 显示颜色：显示数据―1‖，蓝黑色。

(3) 背景颜色：显示数据―0‖，青灰色。色调会随温度及驱动电压的 不同而略有改变。

(4) 占空比及偏压：1/64，1/6。

(5) 其外形尺寸为 113×65×10(mm)，点阵数是 128×64(点) ，点尺 寸是 0.48×0.48(mm),点间为 0.52×0.52(mm)。

(6) 工作温度范围是-20℃～70℃，存储温度在-30℃～80℃之间，属于 宽温显示。引脚功能如表 3-1 所示，各参数的最大值如表 3-2 所示。

表 3-1 引脚功

能

序号 1 2 3 Table 3-1 Pin functions

符号 VSS VDD /RES 输入/输出 供电 供电 输入 功能 地 正电源 复位端，为―低‖时系统复位并初始化 串行/并行接口选择端 接 4 P/S 输入 ―高‖时，并行接口方式 接―低‖时，串行接口方式 片选端，―低‖电平有效 片选端，―高‖电平有效 接口方式选择端 接―高‖时，使5 6 /CS1 CS2 输入 输入 7 C86 输入 用 68 系列方式 接―低‖时，使用 80 系列方式

24

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续表 3-1 引脚功

能

Table 3-1 Pin functions (continued)

8 A0 输入 数据/命令选择端，接―高‖时，输入数据为显示数据， 接―低‖时，输入数据为控制命令 9 /WR(R//W) 使 用 68 系 列 方 式 ： R//W ― 高 ‖ 读 输入 数 据 ， R//W―低‖写数据；使用 80 系列方式：/WR―低‖有 效(边沿触发) 10 11~16 RD(E) D0~D5 输入 输入输出 使用 68 系列方式，E 高电平有效 使用 80 系列方式，RD 低电平读有效 并行数据 I/O 口，当串行输入(P/S=0)时，高阻 选择并行输入方式时，D6 为并行数据 I/O 口，选择串 行输入方式时，SCL 为串行时钟输入端 17 D6(SCL) 输入输出 18 D7(SDI) 输入输出 选择并行输入方式时，D7 为并行数据 I/O 口；选择串 行输入方式时，SDI 为串行数据输入端

19，20 NC — 未用端，不接收任何信号 表 3-2 参数性

能

Table 3-2 The characteristic of parameters

参数 符号 最小 定型值 最大 单位 供电电压 VDD -0.3 4.5 (3V 模块) V 6.0 (5V 模块) 输入电压 工作温度 存放温度 TOP TST 0.3 -20 -30 25

VDD+0.3 +70 +80 V ℃ ℃

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从表 3-2 可以看出 LMB-018 液晶模块在使用时有 68 系列和 80 系列两 种方式，由于本设计选用了 TI 公司的 MSP430 系列单片机，对外围器件的 要求很低，因此可选任一系列。本系统设计中选用了 68 系列方式，并且为 并行输入方式。硬件连接

[38]

如图 3-5 所示。

VD D

M PU P3.0 P3.1 P3.4 P3.5 C 86 P/S C S2 /C S1 /R E S A0 E R /W P1 D 0-D7

图 3-5 LMB-018 模块和 6800 系列微处理器接口硬件连接参考

图

Fig.3-5 Recommended connection of LMB-018 module with microprocessor of 6800

3.3.3 键盘功能

键盘在单片机系统中是一个很重要的部分。输入数据、查询和控制系 统的工作状态，都要用到键盘。键盘是单片机最简单的输入设备，是人工 干预计算机的主要手段，与显示器同属人机通信部分。

微机键盘可分为编码和非编码两种：编码键盘采用硬件线路来实现键 盘编码，每按下一个键，键盘能自动生成按键代码，键数较多，而且还能 由硬件实现去抖动和采取一些保护措施。这种键盘使用方便，可以节省中 央处理器相当多的时间，但电路结构复杂，PC(Personal Computer)机所使 用的键盘就属于这种；非编码键盘仅提供按键开关的工作状态，其它工作 由软件完成，这种键盘键数较少，硬件简单，但占用中央处理器较多时间， 一般在单片机应用系统中广泛使用。

非编码式键盘可分独立式键盘和行列式键盘两种：独立式键盘中，每

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键占用一根 I/O 口线，每根 I/O 口线上的按键工作状态不会影响其它 I/O 口线上个

的状态。独立式按键电路配置灵活，软件结构简单，但每个按键必 须占用一根 I/O 口线，在按键数量较多时，I/O 口线浪费较大，且电路结构 显得繁杂。故这种形式适用于按键数量较少的场合；行列式键盘又称矩阵 式键盘，设计 4 行 4 列 16 个键，只占用 8 根 I/O 口线，所以键数目较多时， 可节省 I/O 口线。这种结构的软件较繁琐。

在本次设计中，根据具体应用情况，选择了矩阵式键盘。下面对矩阵 式键盘作详细描述。

3.3.3.1 键盘设计基础 包括键盘工作方式、键盘扫描技术、键盘抖动消除 几个部分。

(1)键盘工作方式 在单片机应用系统中，扫描键盘只是中央处理器的 工作任务之一。在实际应用中要想做到既能及时响应键操作，又不过多地 占用处理器的工作时间，就要根据应用系统中处理器的忙闲情况，选择适 当的键盘工作方式。键盘的工作方式分为程序控制扫描方式、定时扫描方 式和中断扫描方式 3 种

[39]

。

程序控制扫描方式：是利用处理器在完成其它工作的空余，调用键盘

扫描子程序，来响应键输入要求。在执行键功能程序时，处理器不再响应 键输入要求。程序控制扫描程序应具备以下功能：判断键盘上有无键按下； 去除键的抖动影响；扫描键盘，得到按下键的键号。

定时扫描方式：单片机对键盘的扫描也可采用定时方式，即每隔一定 的时间对键盘扫描一次。在这种扫描方式中，通常利用单片机内的定时器， 产生 10 ms 的定时中断，处理器响应定时器溢出中断请求，对键盘进行扫 描，以响应键盘输入请求。

中断扫描方式：对键盘定时扫描控制方式的主要优点，是能及时响应 键入的命令或数据，便于用户对正在执行的程序进行干预。这种控制方式， 不管键盘上有无键闭合，处理器总是定时地关心键盘状态，因为人工键入 动作极慢，有时操作员对正在运行的系统很少甚至不会干预，所以在大多 数情况下，处理器对键盘进行空扫描。为了进一步提高效率，可以采用中 断方式，当键盘上有键闭合时产生中断请求，处理器响应中断，执行中断

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务程序，判断键盘上闭合键的键号，并作相应处理。对于本系统的设计, 服

由于系统的实时性要求不高，所以选择了程序控制扫描方式。

(2)键盘扫描技术 检测到有键闭合时，或因有闭合键而申请中断并得 到响应后，应进行键扫描，以判断是哪个键被按下。通常的键盘扫描方式 有：行扫描法、状态矩阵法、线路反转法。

行扫描法：是在确认有键闭合之后，逐行(或逐列)置低电平，并读入 列(或行)状态，如果出现非全 1 状态，那么 0 状态的行列交叉点就是被按 下键。

状态矩阵法：它主要适用于多定义键。多定义键的含义是多重的，即 同一个键在不同操作状态之下，具有不同的指定功能，即中央处理器执行 完成不同任务的程序。所谓操作状态，指进行该键操作之前，操作了哪个 或哪几个键。由于本系统采用单定义键，在此对状态矩阵法不再赘述。

线反转法：通过单片机本身并行口或扩展的并行口均可实现。比行扫 描法速度快，经过两个步骤即可得到键值。图 3-6 为 4×4 键盘线反转法的

原理图。该键盘采用中断方式。现将反转法工作的两个步骤分述如下：

VC C

输 1 0 1 1 0 0 0 0 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 VC C

单 入 片 I/O 口 输 机 出

IN T

与门

第一步

(a) First step

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输 1 0 单 片 机 出 I/O 口 输 1 1 0 0 0 0 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7

入

IN T

第二步

(b) Second step

图 3-6 4×4 键盘线反转法的原理图 Fig.3-6 line reversion principle of 4×4 keyboard

第一步如图 3-6(a)所示。首先将 D0～D3 编程设定为输入口线，用于 输入列信息。然后将 D4～D7 编程设定为输出口线，并输出 0000。若有按 键闭合，与门的输出将为低电平，此时向处理器申请中断，表示键盘中有 按键闭合。当处理器响应中断后，由中断服务程序读取 D0～D3 的列信号， 并将信号存入到专用单元 N 中。图中闭合按键位置使 N 单元得到的信息为 xxxx1101。

第二步如图 3-6(b)所示。首先将 I/O 口的输入与输出口线反转过来， 即将 D0～D3 编程设定为输出口线，将 D4～D7 编程设定为输入口线。然 后再将单元 N 中的内容送到列线，最后通过输入口线读入行线的状态，并 将其存入 N+1 单元中。图示闭合按键位置使 N+1 单元得到 0111xxxx 信息。 最后将 N 与 N+1 单元内容拼接得到 0x7D，即为图 3-6 中所示的闭合按键 的键值。

(3)按键抖动消除 键触点在闭合或断开瞬间，由于机械触点的弹性作 用，会产生短暂的抖动现象。抖动时间长短与机械特性有关，一般为 5 ms～

10 ms,抖动过程引起电平信号的波动，有可能令处理器误解为多次按键操 作，而引起误处理。

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消除键抖动影响的硬件方法是为每个键增加一个 R-S(Register and Storage)触发器，这种方法只适用于键数目较少的情况。若键数目较多，通 常采用软件延时的方法：当检测到有键按下时，调用一个延时(一般为 5 ms～20 ms)子程序，然后再次检测到该键电平仍为闭合状态，才确认该键 已按下，并进行相应处理工作。这种软件延时以消除键抖动影响的措施是 切实可行的。

3.3.3.2 系统键盘设计 系统键盘设计选用非编码键盘系统中的程序控制扫

描方式，设计的矩阵键盘电路如图 3-7 所示。

P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P6.4 P6.5 P6.6 P6.7

M SP430F149 VC C

图 3-7 矩阵键盘电路

图

Fig.3-7 Matrix keyboard circuit

图中行线 P6.4～P6.7 通过 4 个上拉电阻接电源端 VCC,处于输入状态， 称 P6 口为输入口；P1.0～P1.5 控制键盘的列线电位，作为键扫描口，处于 输出状态。按键设置在行列线交叉点上，行、列线分别连接到按键开关的 两端。

单片机通过读取 P6.4～P6.7 的状态，即可知道有无键按下。当键盘上 没有键闭合时，行、列之间是断开的，所有行线 P6.4～P6.7 输入全部为高 电平。当键盘上某个键被按下闭合时，则对应的行线和列线短路，行线输 入电平即为列线输出电平。

键盘中究竟哪个键被按下，是由列线置低电平后，检查行输入状态的 方法来确定。其方法是：可先令列线 P1.0 输出低电平―0‖， P1.1～P1.5

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部输出高电平―1‖，读行线 P6.4～P6.7 输入电平。如果读得某行线电平 为―0‖，则可确全

认对应于该行线与列线 P1.0 相交处的键被按下，否则 P1.0 列上无键按下。如果 P1.0 列线上无键按下，接着令 P1.1 输出低电平―0‖， 其余为高电平―1‖，再读 P6.4～P6.7，判断是否全为―1‖，若是表示被按 键也不在此列，依次类推直到列线 P1.5。如果所有列线均判断完，仍未出 现 P6.4～P6.7 读入值为―0‖的情况，则表示此次并无键按下。

如果每次都这么判断会很浪费时间，可以先简单的断定一下键盘上究 竟有无键按下。如果有，再执行上述扫描过程。具体方法是先使 P1 口输 出全扫描字―0‖(即低电平)，然后读 P6.4～P6.7 状态。若全为―1‖，则键 盘无键按下；若不全为―1‖，则有键按下。

3.3.4 串行通信

本系统中单片机与 GSM 通信模块 TC35 之间采用 RS232 方式的串行 通信。 RS-232-C 是使用最早，应用最多的一种异步串行通讯总线，它是美国 电子工业协会(Electronic Industries Association)1962 年公布的，1969 年最后 一次修订而成。其中 RS 是 Recommended stander 的缩写，232 是该标准的 标识，C 表示最后一次修订。RS-232-C 主要用来定义计算机系统的一些数 据终端设备和数据通信设备之间接口的电气特性。如打印机与中央处理器 通信大都采用 RS-232-C 总线。由于 MSP430 系列单片机本身有一个异步 串行通信接口，因此该系列单片机使用 RS-232-C 串行总线极为方便。

3.3.4.1 异步串行通信简介 许多外部设备和计算机是按照串行方式来进行 通信的。即数据是一位一位进行传输的，在传输过程中，每一个数据都占 据一个固定的时间长度。串行通信可分为同步和异步通信两种类型。

采用同步通信时，将许多字符组成一个信息组，这样字符可以一个一 个的传输。但是在每组信息(通常称为一个信息帧)的开始都要加上同步字 符，在没有信息要传输时，要填上空字符，因为在同步传输的情况下不允 许有间隙。

异步通信是以字符为单位进行传输的，两个字符之间的传输间隔是任 意的，所以每个字符的前后都要用一些数位来作为分隔位。

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比较起来，在传输率相同时，同步通信方式下的有效信息率要比异步 方式下的高，因为同步方式下的非数据信息的比例比较小。但是从另一方 面看，同步方式下，要求进行信息传输的双方必须要用同一个时钟进行协 调。这样一来，如果采用同步方式，那么在传输数据的同时，还必须传送 时钟信号。而在异步方式下，接收方的时钟频率和发送方的时钟频率不必

完全一样，只要比较相近，即不超过一定的允许范围就行了。

停止位 （1，1.5，2）

起始位 M A R K 电平 奇耦校验位（可无） 数据位（5～8） 0/1 0/10/1 ? 0/1 0/1 空闲时间 下一字符起始位 0/1 ?

SPA C E 电平

图 3-8 标准的异步通讯数据格

式

Fig.3-8Criterion asynchronisms communication sequence

图 3-8 是异步通信时的标准数据格式。采用这种通信方式发送一个字 符时，必须在信息位的前面加上一个起始位，而在信息位的后面加上一个 或多个停止位，所有构成的数据称为一帧。信息的长度可根据需要规定， 一般为 5～8 位，信息位和停止位之间还可以插入奇偶校验位。起始位用来 通知接收器已经开始字符传送。接收器一旦收到起始位，就开始装配一个 字符，使接收器和发送器能够同步工作。加在数据字后面的停止位(一个或 多位)能够保证下一个字符的起始位在通信线路上引起跳变。在异步通信方 式下，从一个字符的结束到下一个字符的开始之间，没有规定固定的间隔 长度，因此称为异步传输方式。

异步串行通信一般适用于较低速的通信，传输速度一般最高只能达到

19.2 Kbps(Kilo-Bits Per Second)，实际使用一般不超过 9600bps。 在串行通信过程中，

数据是以二进制形式在一根线上传输的，通常用

高电平表示二进制 1，而用低电平表示二进制 0。为了保证发送的数据和接 收的数据保持一致，每一位二进制数的持续时间必须是固定的，因此在发 送端和接收端都必须有一个时钟来定时。它们被称为发送时钟和接收时钟。

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一位二进制数可以是一个时钟宽度，也可以是多个时钟宽度。异步通信中 发送端和接收端可有自己的独立时钟。因为在异步通信中，一帧信息的长 度只有 10～11 位，在起始位启动后，接收时钟只要在接收期间能够和发送 时钟保持同步，就可以正确接收数据

[40]

。

3.3.4.2 RS-232C 总线标准芯片及通信功能实现 考虑到此次设计中单片机

与 GSM 通信模块 TC35 之间通信为近距离通信，采用了 RS-232C 接口。 RS-232C 定义了 20 根信号线，其中最常用的信号线的定义、分类及功能见 表 3-3。

表 3-3 RS-232C 接口常用引线信号定

义

Table 3-3 Pin of RS-232C description

引脚号 信号名称 简称 方向 信号功能 1 2 3 4 5 6 7 8 20 22 保护地 发送数据 接收数据 请求发送 清除发送 数据设备就绪 信号地 载波检测(RLSD) 数据终端就绪 振铃指示 — TXD RXD RTS CTS DSR — DCD DTR RI — DCE → DTE ← DCE → DTE ← DTE ← — DTE ← DCE → DTE ← 接设备外壳，安全地线 DTE 发送串行数据 DTE 接收串行数据 DTE 请求切换到发送方式 DCE 以切换到准备接收(清除发送) DCE 准备就绪 信号地 DCE 已接收到远程信号 DTE 准备就绪 通知 DTE 通信线路已妥 下面来看一下 RS-232C 的电气特性。

RS-232C 的逻辑 0 电平规定为+5～+15 V 之间，逻辑 1 电平为-5～-15 V 之间，与 TTL、MOS 逻辑电平完全不同。在与 TTL、MOS 电平连接时必 须经过电平转换。

RS-232C 由于发送器和接收器之间具有公共信号地，不能使用双端信 号，因此共模噪声会耦合到信号系统中，这是迫使 RS-232C 使用较高传输

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压的主要原因。 电

MAX3222 是 MAXIM 公司生产的专门实现 TTL 与 RS-232C 电平转换 的芯片。MAX3222 芯片内部的电源电压变换器，可以把输入的+3 V 电源 电压变换成为 RS-232C 输出电平所需的 10 V 电压。典型工作电路如图 3-9 所示。用 RS-232C 总线连接系统时，有近程通信方式和远程通信方式之分。 近程通信是指传输距离小于 15 m 的通信，这时可以用 RS-232C 电缆直接

连接。15 m 以上的长距离通信需要采用调制解调器。本系统采用近程通信。

VCC C15 0.1uf C26 0.1ufD5 MAX3222 17 GND Vcc 1637 C16 0.1uf C13 0.1uf

2 4 5 C1+ C1- C2+ V+ V- C14 0.1uf6 15 14

T2IN R2OUT R2IN C2-T2OUT T1OUT T1IN R1IN R1OUT 11 10 9 8 12 13 18 in out

1 /EN /SHDN VCC R1 10k

图 3-9 MAX3222 典型工作电

路

Fig.3-9 Recommended connection circuit of MAX3222

当两台 PC 系列机进行近距离点对点通信，或 PC 系列机与外部设备进 行串行通信时，可将两个数据终端设备直接连接，而省去作为数据通讯设 备的调制解调器，这种连接方法称为零调制解调器连接。在这种连接中， 计算机往往貌似调制解调器，从而能够使用 RS-232C 标准。在这次设计中 采用了最简单的连接方法

[41]

，如图

3-10 所示。图 3-10 的连接方法直接将 ―接收数据‖与―发送数据‖交叉连接，其余的信号均未用，可用软件实 现握手功能。具体硬件连接图如图 3-11 所示。

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终端或 计算机 接收数据 发送数据 号地 发送数据 接收数据 终端或 计算机

图 3-10 终端/计算机与终端/计算机连接的最简单形

式

Fig.3-10 The simplest connection of terminal/computer with terminal/computer

D5

X S5

P3.6 P3.7 AV SS DV SS T IIN R IOU T R IIN T IOU T GND 23

5

M AX 3222

DB 9

图 3-11 实现通讯功能的硬件连接

图

Fig.3-11 Hardware connection circuit of communication realization

3.3.5 A/D 转换功能

在本系统中需将外部传感器采样的模拟信号转换为数字信号并交给单 片机进行处理，因此涉及到模数转换功能。MSP430F149 单片机本身集成 了 A/D 模块，简化了外围电路设计。

3.3.5.1 ADC12 功能简介 在 MSP430F149 中模数转换器 ADC12(Analog to Digital Converter)是 12 位精度的 A/D 转换模块，具有高速、通用的特点。 内含可独立配置的 5 大功能模块：带有采样/保持功能的 ADC 内核；可控 制的转换存储；可控制的参考电平发生器；可控制和选择的时钟源；可控 制的采样及转换时序电路。

ADC12 的主要特性可归纳为：最大采样速率为 200 ksps；转换为 12 位精度，1 位差分非线性，1 位积分非线性；内装采样/保持电路，可选择 软件、采样定时器或其它片内定时器来控制采样周期；内装 RC 振荡器， 可以用于产生采样序列；内装用于温度测量的热敏二极管；8 个可配置的

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第 3 章 系统硬件设

部信号采样通道；4 个内部通道，用于温度、Avcc 及外部参考电平采样； 内部的参外

考电平为 1.5 V 或 2.5 V，可用软件选择；可以为每个通道的正负 参考电平选择内部或外部的电压源；可选择转换时钟源；具有单通道单次、 单通道重复、序列通道单次、序列通道重复等转换模式；16 个保存转换结 果的 12 位寄存器，可独立用软件访问及配置通道及参考电平；ADC 内核 与参考电平发生器可分别进入省电模式

[42]

。

3.3.5.2 A/D 功能实现 在使用 A/D 时，应首先设置相应的寄存器，可称其 为初始化操作，初始化流程如图 3-12 所示。

开始 写控 制寄存器 ADC12CTL0 写转换存储 寄存 器 ADC12MCTLx

写控 制寄存器 ADC12CTL1 写控 制寄存器 ADC12CTL0 写控 制寄存器 ADC12CTL0 返回

图 3-12 初始化流程

图

Fig.3-12 Initialization flowchart

图 3-12 中控制寄存器 ADC12CTL0 及 ADC12CTL1 主要用来定义转换 模式、采样和转换控制信号、A/D 时钟、采样时序等；转换存储控制寄存 器 ADC12MCTLx 可用来定义每次转换的采样通道和参考电平。

初始化的第一步是第一次写 ADC12CTL0，是为了通过复位 ENC 位禁 止转换，在 ENC 置位前的所有输入信号将被忽略。ADC12 共有 16 个转换 存储寄存器

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第 3 章 系统硬件设

(ADC12MEMx)使得 A/D 可以进行多次转换而不需要软件干

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第 3 章 系统硬件设

这一点提高了系统性能， 预。也减小了软件开销。并且每个转换存储寄存 器都配有一个控制寄存器(ADC12MCTLx)，提高了转换的灵活性。

初始化的第二步就是通过设置 ADC12MCTLx 中的 SREF 位及 INCH

位选择参考电平和采样通道。

ADC12 内部有两种参考电平，可以选择 1.5 V 或 2.5 V。参考电平可 以加在 A/D 内核的 VR+上，也可以从外部连接到 VREF+引脚上。如果用外 部的参考电平做参考，则通过 VeREF+引脚加到 VR+上。VR-的参考电平可以 选择 AVSS，也可以经过 VREF-或 VeREF-引脚由外部引入，如果 VREF-或 VeREF- 引脚未用，则 VR-连接到 AVSS。SREF 位与配置参考电平的关系见表 3-4 所示。

如果只用外部的参考电平，那么内部的参考电平发生器可以关闭，以

降低功耗。

表 3-4 参考电平配

置

Table 3-4 Selection of reference power

SREF 0 1 2、3 4 5 6、7 VR+电平 AVcc VREF+(内部) VeREF++(外部) AVcc VREF+(内部) VeREF++(外部) VR-电平 AVss AVss AVss VREF-/VeREF-(内部或外部) VREF-/VeREF-(内部或外部) VREF-/VeREF-(内部或外部) 参考电平 VR+和 VR-建立了可以得到读数的模拟输入信号上下限，分别 为满量程和―0‖值。在实际使用中，参考电平和输入模拟信号不应高于供 电电压和低于 VSS。转换数值在输入信号大于等于 VR+时为满量程值，小 于等于 VR-时为―0‖。

ADC12 的 8 个外部模拟信号通道和 4 个内部信号经过多路模拟开关选

择。通道由与每个转换存储器对应的 ADC12MCTLx 寄存器的 INCH 位选

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第 3 章 系统硬件设

见表 3-5 所示。，多路模拟开关为先关后开型，以减小因通道切换而引 入的噪声。择

它是一个 T 型开关，为了尽量减少通道间的耦合，未选中的通 道与 A/D 隔离，中间节点接模拟地(AVSS),使得杂散电容接地以减少串扰。

表 3-5 采样通道选

择

Table 3-5 Selection of sampling channel

INCH 0 1 2 3 ┇

输入通道 A0 A1 A2 A3 ┇ A15

15

初始化的第三步是设置 ADC12CTL1 寄存器。ADC12CTL1 的 CONSEQ 位用于定义转换模式：当为 0 时选定单通道单次转换；为 1 时选定单通道 重复转换；为 2 时是序列通道单次转换；为 3 时则是序列通道重复转换。 单通道单次转换模式对单一通道完成一次采样，由 ADC12CTL1 中的 CStartAdd 位指定转换存储寄存器，用于保存转换结果。序列通道单次转 换模式对一个通道序列作一次转换，此时 CstartAdd 位指定的为第一个转 换存储寄存器，其后的转换将结果存放在顺序的转换存储寄存器中。单通 道重复转换模式与单通道单次转换模式类似，只是转换在选定的通道上重 复发生，直至用软件将转换停止。序列通道重复模式则与序列通道单次模 式类似，只是序列转换会重复发生，直至用软件将转换停止。以上各种转 换模式，在每次转换结束后，相应的中断标志位 ADC12IFG.x 都会置位。 如果此时允许中断，将产生中断服务请求。

ADC12CTL1 中的 ADC12SSEL 及 ADC12DIV 位分别用于选择转换时 钟源和选择分频系数。当 ADC12SSEL 设置为 0 时，时钟源为内部振荡器 ADC12OSC；为 1 时选 ACLK；为 2 选 MCLK；为 3 时则选择 SMCLK。

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