基于短信傳輸方式的無線工業(yè)模塊設(shè)計與實現(xiàn)

本文介紹了美國德州儀器(TI)公司的16位超低功耗單片機(jī)MSP430F135和Siemens公司TC35系列的MC37i。詳細(xì)介紹了各個部分電路組成和原理。設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于短信傳輸方式的無線工業(yè)模塊。

在工業(yè)測控領(lǐng)域，對遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸有兩種方案，利用GPRS技術(shù)和短信。GPRS通信基礎(chǔ)是以IP包的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，當(dāng)GPRS終端接入GPRS骨干網(wǎng)后，通過UDP、TCP等數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議實現(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)上其它計算機(jī)的數(shù)據(jù)通訊。這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)決定了數(shù)據(jù)中心計算機(jī)必須有固定的IP，要求數(shù)據(jù)中心用戶架設(shè)VPN專線或辦理一些寬帶業(yè)務(wù)或辦理虛擬專線網(wǎng)來獲得可以提供給終端的固定IP地址。以上這些都會增加用戶運營成本，而利用短信傳輸方式可以降低用戶的運營成本，使用點到點收發(fā)設(shè)備，對一些實時性要求不是很高，架設(shè)網(wǎng)絡(luò)費用低，數(shù)據(jù)傳輸量不大，具有明顯的優(yōu)勢。針對上述特征本文設(shè)計了一款基于短信傳輸方式的無線工業(yè)模塊，給出各電路設(shè)計的方案，并對各部分電路進(jìn)行詳細(xì)的描述。

1 MC37i模塊

MC37i模塊是Siemens公司推出的新一代工業(yè)級GSM模塊，該款模塊特點是外形設(shè)計精巧、緊湊，功能強(qiáng)大，接口簡單，方便用戶使用。

模塊主要特性與技術(shù)指標(biāo)包括以下幾點：1)雙頻段：為GSM900／1800MHz；2)支持?jǐn)?shù)據(jù)、語音、短消息和傳真；3)高集成度(32．5×35× 3．1mm)，重量僅為6g；4)寬范圍電源電壓：3. 0～4．8V；5)RS232選比特率300b／s～230kb／s；6)平均功率消耗；2．3W／900MHz；1．38W ／1800MHz；7)溫度范圍：工作溫度-20～+55℃，儲存溫度-40～+70℃；8)SIM電壓：3V／1．8V；9)RF輸出接頭：U．FL-R-SMT，插頭，阻抗50Ω；10)GPRS模式：編碼方式(CS1-CS4)；11)SMS短信息收發(fā)方式PDU和MO／MT文本格式。

MC37i模塊有50個引腳，通過一個DF12C連接器引出。這50個引腳可以劃分5類-電源、數(shù)據(jù)輸入輸出、SIM卡、音頻接口和控制。

2 系統(tǒng)整體電路設(shè)計

設(shè)計的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，由MC37i模塊、電源電路、單片機(jī)電路、SIM卡電路等構(gòu)成。1)上行工作方式：被測信息通過分壓接口電路取得分壓數(shù)值，經(jīng)過單片機(jī)程序AD轉(zhuǎn)換運算、編碼，組成短信格式，經(jīng)MC37i模塊發(fā)向數(shù)據(jù)中心；2)下行工作方式：數(shù)據(jù)中心下發(fā)短信，經(jīng)MC37i模塊接收，由單片機(jī)程序解碼，解析指令，驅(qū)動接口，執(zhí)行相應(yīng)的動作。完成測控功能。

3 硬件設(shè)計

3．1 電源電路

設(shè)計的電源輸入是12V。由于MC37i模塊在發(fā)射瞬間最大電流可達(dá)2A，電源會產(chǎn)生一些跌落，考慮電源干擾問題，對單片機(jī)和模塊采用分開供電方式。電源電路示意圖如圖2所示。

MC37i模塊工作電壓在3．0～4．8V，對于傳統(tǒng)線性穩(wěn)壓器構(gòu)成的穩(wěn)壓電源很難滿足能低壓大電流的要求，因此電源電路選用TI公司生產(chǎn)的工業(yè)級具有3A電流輸出降壓開關(guān)型集成穩(wěn)壓電路芯片TPS54331D，該芯片可最大提供達(dá)3A的電流，并且外圍電路簡單，輸入電壓范圍較寬，輸出電壓范圍可調(diào)。模塊電源電路如圖3所示。在制作PCB板圖時要注意，對模塊供電的電源回路盡可能加寬，以減少電壓輸出紋波。

MC37i模塊在傳送數(shù)據(jù)瞬間，電源會產(chǎn)生一些跌落，如圖4所示，△值可達(dá)0．3V，因此在給模塊供電時，靠近MC37i模塊VCC引腳座旁對地并加一些濾波電容，用1000 μF電解電容并連在電源與地之間，以減少電壓波動。同時，為了減少天線發(fā)射時射頻對電源的干擾，在靠近MC3 7i模塊的電源旁邊對地并接100nF、39pF、22pF、8．2pF電容。

3．2 數(shù)據(jù)采集電路

數(shù)據(jù)采集電路主要采集蓄電池電壓、太陽能板電壓。采集電路如圖5所示。VSOLAR接太陽能板電壓正極，VBAT接蓄電池電壓正極。由于在實際運用中被檢測信號電壓超過12V，因此通過電阻分壓網(wǎng)絡(luò)對被檢測信號進(jìn)行分壓，得電壓系數(shù)為：ADBAT=30K／(120K+30K)=0．2VBAT(以VBAT為例)。為了保護(hù)檢測引腳不被損壞，在輸入引腳處各加一個3．3V穩(wěn)壓二極管。圖中電解電容起到濾波作用，能夠濾掉電源線上的微小干擾。

3．3 SIM卡電路

SIM卡電路如圖6所示。MC37i模塊需要外接SIM座。該模塊支持1．8V和3V兩種SIM卡。與SIM卡接口有8個引腳，包括SIM卡的時鐘CLK，數(shù)據(jù)輸入／輸出DIO，復(fù)位RST，電源VCC，地GND，插入檢測PDN。PDN用于檢測SIM座是否放有SIM卡，當(dāng)SIM插入時，PDN為與GND短接。

3．4MSP430F135外圍電路

單片機(jī)外圍電路主要由晶振電路、復(fù)位電路、編程接口電路和看門狗電路等構(gòu)成，如圖7所示。

本設(shè)計使用的MSP430F135單片機(jī)屬于德州儀器公司的MSP430F13X／14X FLASH系列。該系列是一組超低功耗的微控制器，有多種工作模式，電壓范圍1．8～3．6V。具有16位RISC結(jié)構(gòu)、16位寄存器和常數(shù)寄存器、兩個16位定時器(帶看門狗功能)、速度極快的8通道12位ADC(帶內(nèi)部參考電壓、采樣保持和自動掃描功能)、一個內(nèi)部比較器和一個通用同步／異步發(fā)射接收器、48個I／O口(均可獨立控制)的微處理器結(jié)構(gòu)。MSP430 FLASH擦寫次數(shù)高達(dá)10萬次，抗干擾能力強(qiáng)。

3．5 MC37i電路

MC37i模塊共有50個引腳，模塊PCB通過DF12C座與DF12E(3．0)-50DP-0．5V(81)型號連接器連接。模塊開機(jī)信號通過TS引腳控制，當(dāng)TS引腳高電平(即在模塊IGT低電平)≥100mS即可實現(xiàn)開機(jī)；若想關(guān)閉模塊，當(dāng)ON／OFF引腳高電平(即在模塊IGT低電平)≥10mS可關(guān)閉模塊，也可通過AT指令關(guān)閉模塊。SYNC引腳外接輸出狀態(tài)LED指示燈，通過送不同的占空比電平，指示出模塊各個工作狀態(tài)。圖8 MC37i應(yīng)用電路。

4 軟件設(shè)計

4．1 短信模式

短信息格式有兩種，TEXT模式和PDU模式。TEXT模式是基于ASCII碼形式字符的一種結(jié)構(gòu)模式，每一條命令很容易讀懂，實現(xiàn)起來也十分容易，缺點是不能收發(fā)中文短信。PDU模式也是基于十六進(jìn)制形式字符的，數(shù)據(jù)和代碼都經(jīng)過編碼了，所以無法直接讀懂。而PDU模式同時支持中英文兩種短信。PDU模式收發(fā)短信包括3種編碼：7-bit、8-bit和UCS2編碼。7-bit編碼用于發(fā)送普通的ASCII字符，8-bit編碼通常用于發(fā)送數(shù)據(jù)信息，UCS2編碼用于發(fā)送UnICode字符。PDU模式在GSM移動設(shè)備中使用最為普遍。

在PDU模式中，當(dāng)使用7位編碼時，最多可發(fā)160個字符，使用8位編碼時，最多可發(fā)140個字符，使用16位編碼時，最多可發(fā)70個漢字字符。因此在發(fā)送時需要將8位(HEX)字節(jié)數(shù)據(jù)編碼轉(zhuǎn)成8位(OCT)字節(jié)發(fā)送，同時，接收時需要將8位(OCT)字節(jié)解碼成7位(ASCII)字節(jié)。例如：要發(fā)送數(shù)據(jù)為“123456789abc”，經(jīng)過編碼后變成“31 D9 8C 56 B3 DD 70 B9 B0 78 0C”。設(shè)收到的短信息內(nèi)容為“31 D9 8C 56 B3 DD 70 B9 B0 78 0C”，解碼后變?yōu)椤?23456789abc”。具體實現(xiàn)公式可參照《單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用》2007年第4期《PD[J模式的短信息編／解碼方法及單片機(jī)實現(xiàn)》一文。

4．2 軟件流程

系統(tǒng)軟件設(shè)計的重點在于單片機(jī)的編程，包括系統(tǒng)初始化，數(shù)據(jù)采集，短信編碼發(fā)送，短信接收解碼等功能。單片機(jī)與MC37i通信通過向串口寫入不同的AT指令集，能夠完成多種功能。其主程序流程如圖9所示。

5 結(jié)束語

本電路是實際工程項目中的一部分，在整個電路設(shè)計過程中，對電路設(shè)計均選擇工業(yè)級器件，能夠適應(yīng)現(xiàn)場環(huán)境要求，同時設(shè)備要求安裝在野外，整機(jī)待機(jī)功耗<5mA。作為測控系統(tǒng)一部分，利用本電路可以很好地完成對現(xiàn)場測控設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程維護(hù)工作。