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一、引言
随着无线通信技术的发展，GPRS无线网络因其覆盖范围广、数据传送速率高、网络稳定性好、价格合理和与Internet无缝连接等优点，成为数据采集和监控系统传输通道的首选技术。同时，U盘海量数据存储与便携技术，是目前数据采集研究领域一个比较关注的热点，这些技术的实现和应用，可以很好的解决传统数据采集中精度低、数据不易保存等一些问题。如何能将GPRS无线传输和U盘存储相结合应用于便携装置的设计成为未来数据采集系统发展的一个重要方向。
本文在研究和分析无线数据传输及存储原理和实现方法基础上，设计了一种基于单片机的嵌入式无线数据采集控制系统。该系统具有了数据准确快速采集、存储信息量大、GPRS数据无线传输等功能。系统采用模块化设计，主要由U盘读写模块、数据采集模块、GPRS无线数据通讯传输模块、LCD液晶显示等模块组成。同时本设计完成了上位机和下位机的软件设计，采用结构化设计思路、程序可移植性好、代码优化合理运行效率高。
二、系统硬件电路设计
系统的硬件电路设计框图如图1所示，包括：5V电源电路、以ADC0809为核心A/D转换电路、GPRS无线射频通讯电路、DS1302时钟电路、PC机与单片机串口通信电路、LCD液晶显示电路、U盘读写电路、键盘与单片机接口电路AT24C02存储电路。
在硬件系统的设计中，关键是如何将GPRS无线通信与U盘存储技术的结合并用于以单片机为控制核心的数据采集系统，下面将详细介绍这两部分电路的设计。
本系统GPRS无线调制解调器选用中兴通讯公司推出的ZXGM18，它是一个双频接口模块，主要发送短消息和数据。
ZXGM18既可以作为终端发送和接收数据，又可以作为嵌入式二次开发设备，因为它具有射频收发电路和基础频带处理器。ZXGM18提供了标准的接口，和控制系统的连接很方便，用户不必在这方面花费太多的精力，所以就可以把精力放在其他上面。
为了实现GPRS无线远传的功能，需将进行无线数据接收与发射的单片机与计算机采用串口连接，其连接原理图如2所示。
计算机自带串口，俗称COM口，它支持标准的RS-232协议，可以外围器件进行串行通信。计算机常用8250或16550作为数据发送的转换器，它们都是可编程的，外面使用9插口将串行信号送出。
单片机自带一个全双工的串行接口，所以单片机与外电路的串行通信是很方便的。为了节省硬件端口，本系统硬件数据传递部分与计算机相连采用最少的三线（TXD、RXD和GND）式形式，单片机工作的电平为TTL电平，+5V表示1，0V表示逻辑0，RS-232电平用-9V～-12V电压电平代表逻辑1，以+9V～+12V电压代表逻辑0，电压标准不一样，中间要有电平转换电路，本系统采用最常用的MAX232芯片完成电平转换。
完成采集数据及时可靠的存储是本装置的一项重要功能，因此如何选择装置的数据存储方案就成为本设计要解决的重点问题。本装置的数据存储方案如图3所示，就是采用STC12C5A60S2单片机控制CH375芯片的U盘存储方案。
本文研究的系统单片机端口空闲较多，所以采用并口方式与CH375通信。如图4所示，工作在并行模式下，TXD端接地，C12和C13是100μF的瓷片电容，用来滤除开关电源的纹波，在ACT#引脚和电源之间串联1K的限流电阻和发光二级管LED，指示当前的工作状态，DO～D7和单片机的P口相连，X0和X1之间接一个12MHz的晶振，给CH375提供振荡电路，CH375对时钟的要求比较高，RSTI是复位输入端，为了有效复位，在RSTI与VCC之间串一个大小为0.47μF的电容，INT是复位完成后的中断请求输出端，D+和D-是U盘的数据端。
下位软件主要实现对单片机的控制功能，我们采用专门应用于单片机的C语言，简称为C51语言。单片机读写U盘关键主要时序和中断的应用，否则会出现数据冲突，具体的单片机读写U盘程序流程如图5所示。
单片机采用模块化设计，通过上位机软件利用GPRS实现无线数据传输和控制，合理开发上位机软件也是本设计顺利完成的关键。
由于Visual Basic语言可以很容易的开发Windows系统下的各类应用软件，并且开发的软件方便直观、功能性强，因此本系统的上位机采用Visual Basic语言进行设计。图6是上位机数据采集界面。
图7为GPRS通讯模块和上位机的通讯端口设定VB界面。
四、系统调试及实验结果
在完成电路原理图的设计后，把电路的每部分在电路板上进行布局、安装和焊接。在焊接电路时要注意电解电容、二极管的极性，然后把各元器件一一焊牢。在完成焊接之后，不要急于接通电源。还必须要根据硬件原理图用万用表仔细检查电路板线路的正确性，并核对元器件的型号、规格和安装是否符合要求。还要检查各器件引脚是否有虚焊点，电源之间是否有短路点，并重点检查系统总线是否存在相互间的短路或与其他信号线的短路想象。在确认焊接无误后，就可接通电源进行调试，连接好的实物图如图8所示。
当上述检查无误后，给将8路通道中不用的通道接地，要用的通道接在相应的传感器上。该装置在使用时有以下注意事项：
（1）开机前，请检查主U盘是否插好；
（2）在查看数据时候，如果没有反应，通过取消键退出，然后重新进入，即可查询数据，在查询数据时候，绿色的LED小灯应该一直亮着，直到查询完毕，如果没有亮，则表示有问题；
（3）在复制数据前请检查副U盘是否插好；
（4）在复制数据时，必须先测试连接，连接成功后然后测试通信，通信成功后复制数据，必须按照这个顺序，复制不会复制数据。并且在复制数据时，如果按照这个顺序操作，绿色的LED小灯应该一直亮着，直到复制完毕，如果没有亮，则表示有问题。
该装置的实际运行情况如图9所示。
实验证明该数据采集系统与传统数据采集系统相比具有如表1所示特点：
五、总结
本设计以单片机技术与无线通信技术、U盘海量存储技术相结合，开发了一套GPRS无线数据传输及U盘海量存储系统。设计中主要完成了：
（1）通过对数据采集电路的设计，实现了对所需数据的采集，高精度模数转换及处理，并精确显示的功能。
（2）通过基于GPRS技术的无线通讯部分设计和U盘存储电路的设计，实现了对数据的无线远传及实时海量存储的功能。
（3）通过对上位机Visual Basic 6.0操作软件设计及单片机C语言程序的设计，实现了整个系统的各项功能。
经实验证明，本系统能够存储大量数据，并能够将内置U盘中的数据转移出来；硬件设计上采用了新型的，高性能的芯片与集成电路；可广泛应用于需要数据监控、保护等多种场合；使用了STC12C5A60S2单片机作为核心控制元件，与其它模块配合实现各种功能，确保了系统运行的稳定性，可进行多种数据处理和控制工作，大大提高了系统的精度；上位机界面友好，使用方便。使PC机能够对数据实时监控，不仅大大提高了运行时的稳定性，而且实现了保护功能。
随着无线通信技术的发展，GPRS无线网络因其覆盖范围广、数据传送速率高、网络稳定性好、价格合理和与Internet无缝连接等优点，成为数据采集和监控系统传输通道的首选技术。同时，U盘海量数据存储与便携技术，是目前数据采集研究领域一个比较关注的热点，这些技术的实现和应用，可以很好的解决传统数据采集中精度低、数据不易保存等一些问题。如何能将GPRS无线传输和U盘存储相结合应用于便携装置的设计成为未来数据采集系统发展的一个重要方向。
本文在研究和分析无线数据传输及存储原理和实现方法基础上，设计了一种基于单片机的嵌入式无线数据采集控制系统。该系统具有了数据准确快速采集、存储信息量大、GPRS数据无线传输等功能。系统采用模块化设计，主要由U盘读写模块、数据采集模块、GPRS无线数据通讯传输模块、LCD液晶显示等模块组成。同时本设计完成了上位机和下位机的软件设计，采用结构化设计思路、程序可移植性好、代码优化合理运行效率高。
二、系统硬件电路设计
系统的硬件电路设计框图如图1所示，包括：5V电源电路、以ADC0809为核心A/D转换电路、GPRS无线射频通讯电路、DS1302时钟电路、PC机与单片机串口通信电路、LCD液晶显示电路、U盘读写电路、键盘与单片机接口电路AT24C02存储电路。
在硬件系统的设计中，关键是如何将GPRS无线通信与U盘存储技术的结合并用于以单片机为控制核心的数据采集系统，下面将详细介绍这两部分电路的设计。
本系统GPRS无线调制解调器选用中兴通讯公司推出的ZXGM18，它是一个双频接口模块，主要发送短消息和数据。
ZXGM18既可以作为终端发送和接收数据，又可以作为嵌入式二次开发设备，因为它具有射频收发电路和基础频带处理器。ZXGM18提供了标准的接口，和控制系统的连接很方便，用户不必在这方面花费太多的精力，所以就可以把精力放在其他上面。
为了实现GPRS无线远传的功能，需将进行无线数据接收与发射的单片机与计算机采用串口连接，其连接原理图如2所示。
计算机自带串口，俗称COM口，它支持标准的RS-232协议，可以外围器件进行串行通信。计算机常用8250或16550作为数据发送的转换器，它们都是可编程的，外面使用9插口将串行信号送出。
单片机自带一个全双工的串行接口，所以单片机与外电路的串行通信是很方便的。为了节省硬件端口，本系统硬件数据传递部分与计算机相连采用最少的三线（TXD、RXD和GND）式形式，单片机工作的电平为TTL电平，+5V表示1，0V表示逻辑0，RS-232电平用-9V～-12V电压电平代表逻辑1，以+9V～+12V电压代表逻辑0，电压标准不一样，中间要有电平转换电路，本系统采用最常用的MAX232芯片完成电平转换。
完成采集数据及时可靠的存储是本装置的一项重要功能，因此如何选择装置的数据存储方案就成为本设计要解决的重点问题。本装置的数据存储方案如图3所示，就是采用STC12C5A60S2单片机控制CH375芯片的U盘存储方案。
本文研究的系统单片机端口空闲较多，所以采用并口方式与CH375通信。如图4所示，工作在并行模式下，TXD端接地，C12和C13是100μF的瓷片电容，用来滤除开关电源的纹波，在ACT#引脚和电源之间串联1K的限流电阻和发光二级管LED，指示当前的工作状态，DO～D7和单片机的P口相连，X0和X1之间接一个12MHz的晶振，给CH375提供振荡电路，CH375对时钟的要求比较高，RSTI是复位输入端，为了有效复位，在RSTI与VCC之间串一个大小为0.47μF的电容，INT是复位完成后的中断请求输出端，D+和D-是U盘的数据端。
下位软件主要实现对单片机的控制功能，我们采用专门应用于单片机的C语言，简称为C51语言。单片机读写U盘关键主要时序和中断的应用，否则会出现数据冲突，具体的单片机读写U盘程序流程如图5所示。
单片机采用模块化设计，通过上位机软件利用GPRS实现无线数据传输和控制，合理开发上位机软件也是本设计顺利完成的关键。
由于Visual Basic语言可以很容易的开发Windows系统下的各类应用软件，并且开发的软件方便直观、功能性强，因此本系统的上位机采用Visual Basic语言进行设计。图6是上位机数据采集界面。
图7为GPRS通讯模块和上位机的通讯端口设定VB界面。
四、系统调试及实验结果
在完成电路原理图的设计后，把电路的每部分在电路板上进行布局、安装和焊接。在焊接电路时要注意电解电容、二极管的极性，然后把各元器件一一焊牢。在完成焊接之后，不要急于接通电源。还必须要根据硬件原理图用万用表仔细检查电路板线路的正确性，并核对元器件的型号、规格和安装是否符合要求。还要检查各器件引脚是否有虚焊点，电源之间是否有短路点，并重点检查系统总线是否存在相互间的短路或与其他信号线的短路想象。在确认焊接无误后，就可接通电源进行调试，连接好的实物图如图8所示。
当上述检查无误后，给将8路通道中不用的通道接地，要用的通道接在相应的传感器上。该装置在使用时有以下注意事项：
（1）开机前，请检查主U盘是否插好；
（2）在查看数据时候，如果没有反应，通过取消键退出，然后重新进入，即可查询数据，在查询数据时候，绿色的LED小灯应该一直亮着，直到查询完毕，如果没有亮，则表示有问题；
（3）在复制数据前请检查副U盘是否插好；
（4）在复制数据时，必须先测试连接，连接成功后然后测试通信，通信成功后复制数据，必须按照这个顺序，复制不会复制数据。并且在复制数据时，如果按照这个顺序操作，绿色的LED小灯应该一直亮着，直到复制完毕，如果没有亮，则表示有问题。
该装置的实际运行情况如图9所示。
实验证明该数据采集系统与传统数据采集系统相比具有如表1所示特点：
五、总结
本设计以单片机技术与无线通信技术、U盘海量存储技术相结合，开发了一套GPRS无线数据传输及U盘海量存储系统。设计中主要完成了：
（1）通过对数据采集电路的设计，实现了对所需数据的采集，高精度模数转换及处理，并精确显示的功能。
（2）通过基于GPRS技术的无线通讯部分设计和U盘存储电路的设计，实现了对数据的无线远传及实时海量存储的功能。
（3）通过对上位机Visual Basic 6.0操作软件设计及单片机C语言程序的设计，实现了整个系统的各项功能。
经实验证明，本系统能够存储大量数据，并能够将内置U盘中的数据转移出来；硬件设计上采用了新型的，高性能的芯片与集成电路；可广泛应用于需要数据监控、保护等多种场合；使用了STC12C5A60S2单片机作为核心控制元件，与其它模块配合实现各种功能，确保了系统运行的稳定性，可进行多种数据处理和控制工作，大大提高了系统的精度；上位机界面友好，使用方便。使PC机能够对数据实时监控，不仅大大提高了运行时的稳定性，而且实现了保护功能。