GPRS無線通信模塊MC35i及其外圍電路設計

隨著信息技術的迅速發(fā)展，無線遠程監(jiān)控技術得到了越來越廣泛的應用，采用先進的GPRS技術的無線監(jiān)控管理系統(tǒng)，集計算機、通信、機電、自動控制等多種先進技術于一體，成功實現(xiàn)了對無線分布式系統(tǒng)的實時監(jiān)控管理和靈活部署，解決了傳統(tǒng)控制由于沒有通訊功能，而無法實現(xiàn)集中監(jiān)控的問題，以及沒有或無法解決實時大數(shù)據(jù)量處理的問題。因此移動終端的設計也逐漸倍受關注，本文提及的MC35i模塊屬于無線通訊核心模塊，是結合語音、數(shù)據(jù)傳輸、簡訊服務及傳真等功能的高科技產(chǎn)品。此模塊功能強大，利用此無線模塊的通訊產(chǎn)品便能夠很好地在客戶端進行系統(tǒng)整合的規(guī)劃。目前該無線模塊的應用領域比較廣泛，主要包括：

　　(1)移動應用，如個人數(shù)字助理、智能型手機、上網(wǎng)板、及筆記型計算機；

　　(2)交通運輸，如衛(wèi)星定位系統(tǒng)、交通控制系統(tǒng)、車隊管理系統(tǒng)、汽車保安系統(tǒng)等；

　　(3)工業(yè)用途，如無線公用電話、無線遠程監(jiān)控系統(tǒng)、遠程儀器電表傳訊等。

　　文中所述的設計結合單片機或者ARM嵌入式控制可以完成GPRS數(shù)據(jù)流傳輸短消息收發(fā)、語音傳輸、與Pc機進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?，已應用在基于GPRS數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾娏€監(jiān)控系統(tǒng)中。

　　1 MC35i模塊

　　MC35i是Siemens公司推出的新一代無線通信GPRS模塊，可以快速安全可靠地實現(xiàn)系統(tǒng)方案中的數(shù)據(jù)、語音傳輸、短消息服務 (Short Message Service)和傳真。模塊的工作電壓為3.3～4.8 V，可以工作在900 MHz和1800 MHz兩個頻段，所在頻段功耗分別為2W(900 M)和1W(1800 M)。該模塊包括了前期版本TC35的所有功能，同時新增加了快速的GPRS技術，采用GPRS分時復用的CLASS 8標準，具有始終在線的功能且理論上傳輸速率最高可達171.2 kb/s，通信傳輸時延較小，最長不超過3s。

　　模塊有AT命令集接口，支持文本和PDU模式的短消息、第三組的二類傳真、以及2.4k，4.8k，9.6k的非透明模式。此外，該模塊還具有電話簿功能、多方通話，漫游檢測功能，常用工作模式有省電模式、IDLE、TALK等模式。通過獨特的40引腳的ZIF連接器，實現(xiàn)電源連接、指令、數(shù)據(jù)、語音信號、及控制信號的雙向傳輸。通過ZIF連接器及50Ω天線連接器，可分別連接SIM卡支架和天線。

　　MC35i模塊主要由GSM基帶處理器、GSM射頻模塊、供電模塊(ASIC)、閃存、ZIF連接器、天線接口六部分組成。作為MC35i的核心，基帶處理器主要處理GSM終端內的語音、數(shù)據(jù)信號，并涵蓋了蜂窩射頻設備中的所有的模擬和數(shù)字功能。在不需要額外硬件電路的前提下，可支持FR、HR 和EFR語音信道編碼。具體結構可參考圖1。

圖1 MC35i功能框圖

　　2 外圍應用電路

　　MC35i模塊的正常運行需要相應的外圍電路與其配合。MC35i共有40個引腳，通過ZIF連接器分別與電源電路、啟動與關機電路、數(shù)據(jù)通信電路、語音通信電路、SIM卡電路、指示燈電路等連接。

　　(1)啟動電路

　　啟動電路由開漏極三極管和上電復位電路組成。模塊上電10 ms后(電池電壓須大于3 V)，為使之正常工作，必須在15腳(/IGT)加時長至少為100ms的低電平信號，且該信號下降沿時間小于1 ms。啟動后，15腳的信號應保持高電平。如2圖所示，為啟動電路產(chǎn)生的信號，從中可以看出10 m8的延時和100 ms的低電平。

圖2 啟動信號下降沿

　　根據(jù)上面的分析，設計啟動部分的參考電路如下：

圖3 啟動電路

　　如圖3所示，當Power ON腳電壓由低變高時，電容C1被充電左負右正。電流方向為逆時針方向，此時電阻R1的電壓上正下負(當UR1≥0.7 V時)使Q1的發(fā)射結正偏，晶體管處于導通狀態(tài)，IGT腳處于低電平。當POWER ON腳電壓由高變低時。電容C1開始放電，此時電阻R1的電壓上負下正使Q1的發(fā)射結反偏，晶體管截止，IGT腳處于高電平。顯然IGT腳在 POWERON腳電壓由低變高時處于低電平，GPRS模塊開機。根據(jù)引腳要求IGT腳電平在處于下降沿并保持低電平100 ms≤t≤1s后跳到高電平。所以這里對C1的容值，R1、R2、R3的阻值就有要求了，這時需要調整C1的電容值，R1、R2的阻值以滿足開機條件。為了方便說明，模塊開機電路電路圖可以簡化如下：如圖4所示，開關由a投向b，并在t=0前開關與a端相連時間足夠長達到穩(wěn)態(tài)，即Uc(0-)=0。由于電容電壓不能跳變，在開關投到b的瞬間，電容電壓仍為零。即C(0+)=0。且t≥0時RC電路與電源相接，因此可以認為是求零狀態(tài)響應的問題。

圖4 啟動電路簡介圖

 　　當開關投向b后電容電壓從零值開始充電，電壓逐漸上升，最后應趨于穩(wěn)態(tài)值 。穩(wěn)態(tài)值是根據(jù)“電容相當于開路”而確定為Us的。根據(jù)這樣的考慮，得出：

電容上的電壓上升，而電阻上的電壓逐漸下降，當R1上的電壓降到0.7 V時，三極管將截止，因而要算出R1的電壓降到0.7 V時的時間。

　　UR1=i(t)×R1      (2)
　　由式1，2得：0.7= 5/(200×103)e-1/200×200×103。解得：t=255 ms。其中：r=R總×C+；R總=R1+R2=200Ω ；r=R總×C+=200×103 ×106=200 ms?？芍?00 ms≤255 ms≤1s符合系統(tǒng)要求。

　　(2)數(shù)據(jù)通信電路

　　數(shù)據(jù)通信電路主要完成GPRS數(shù)據(jù)流傳輸、短消息收發(fā)、與PC機通信、軟件流控制等功能。MC35i的數(shù)據(jù)接口采用串行異步收發(fā)，符合 ITU.T RS.232接口電路標準，工作在CMOS電平(2.65 V)。數(shù)據(jù)接口配置為8位數(shù)據(jù)位、1位停止位、無校驗位，可以在300 bps-115 kbps的波特率下運行，支持的自動波特率為4.8 kbps—115 kbps(14.4 kbps和28.8 kbps除外)。MC35i模塊還支持RTS0/CTS0的硬件握手和XON/XOFF的軟件流控制。

數(shù)據(jù)通信電路以MAXIM公司的MAX3238芯片為核心，實現(xiàn)電平轉換及串口通信功能。MAX3238芯片供電電壓為3-5.5 V，符合TIA/EIA-232-F和ITUv.28標準。具有獨特的±15 KV人體靜電保護措施，兼容5 v邏輯輸入，內含3路接收、5路發(fā)送串行通信接口，最大數(shù)據(jù)傳輸速率可達250 kbps。該芯片的最大特點是，在串行口無數(shù)據(jù)輸入的情況下，可以靈活的進行電源管理，即當FORCEON為低電平、/FORCEOFF為高電平時，Auto-Powerdown Plus功能有效。在正常運行模式下，約30秒時間內若芯片在接收和發(fā)送引腳沒有檢測到有效信號，將自動進入Powerdown模式，此時耗電1uA。如果FORCEON和/FORCEOFF引腳均為高電平，那么Auto-Powerdown Plus功能失效。在Auto-Powerdown Plus功能有效的時，如果檢測到接收或發(fā)送引腳有信號輸入，該芯片自動被激活，轉入正常工作狀態(tài)。如果任一接收通道的輸入電壓高于2.7 V或小于-2.7 V，或者位于-0.3 V～0.3 V的時間小于30 us，則/INVALID(15腳)引腳為高電平(數(shù)據(jù)有效)。如果所有接收通道的輸入電壓位于-0.3 V～0.3 V的時間大于30 uS，則/INVALID(15腳)引腳為低電平(數(shù)據(jù)無效)。

　　該芯片的以上特性，滿足了MC35i作為移動終端的3路接收、5路發(fā)送電路連接要求。在MAX3238與ZIF連接器相應引腳連接時，要注意發(fā)送、接收引腳連接正確。MAX3238還需要連接4個0.1uF的電容配合，才能完成電平轉換功能。MC35i模塊通過RS-232接口各引腳輸出的信號有RXD、 CTS、DSR、DCD、RING，輸入的信號為TXD、RTS、DTR。

　　由于MC35i的接口電路使用了9針串口的全部引腳，使MC35i可以獲得DTR、DSR、DCD和RING控制信號。信號RING用來向蜂窩設備指示接收到Unsolicited Result Code(URC)。通過AT指令，可以設置MC35i的不同運行模式。

　　(3)語音通信電路

　　由于MC35i的GSM基帶處理器內集成了音頻濾波、ADC、DAC、語音合成等部分，所以模塊語音接口的外圍電路連接相對簡單。MC35i有兩個語音接口，每個接口均有模擬麥克輸入和模擬耳機輸出。為了適合不同的外設，模塊共有6種語音模式，可通過指令AT^SNFS選擇。第一個語音接口的默認配置為 Votronic HH-SI-30.3/V1.1/0手持話筒，語音模式為1(默認)、4、5，其中模式1參數(shù)固定。第二個語音接口為頭戴式耳機和麥克設置，語音模式為 2、3、6。

　　為了防止從麥克風和耳機導線引入高頻干擾，影響MC35i的正常運行。設計電路時，在麥克風、耳機、以及手持聽筒的插孔處都接有電感。此外，考慮到靜電保護的因素，所有語音信號輸入端都通過電容與GND耦合。

(4)SIM卡電路

　　基帶處理器集成了一個與ISO 7816-3 IC Card標準兼容的SIM接口。為了適合外部的SIM接口，該接口連接到主接口(ZIF連接器)。在GSM11.11為SIM卡預留5個引腳的基礎上，MC35i在ZIF連接器上為SIM卡接口預留了6個引腳，所添加的CCIN引腳用來檢測SIM卡支架中是否插有SIM卡。當插入SIM卡，該引腳置為高電平，系統(tǒng)方可進入正常工作狀態(tài)。但是目前移動運營商所提供的SIM卡均無CCIN引腳，所以在設計電路時將引腳CCIN與CCVCC相連。

　　在設計中為SIM卡布線時，發(fā)現(xiàn)了一個值得引起注意問題：如果將SIM卡的第四腳CCGND直接與印刷電路板的GND相連，不作任何信號的隔離保護，則通話時音量很小?？紤]到設計中的電磁兼容和靜電保護等因素，為了達到最佳的通話效果，采用在SIM支架下，即印刷電路板的頂層敷設一層銅隔離網(wǎng)，該層敷銅與 SIM卡的CCGND引腳相連，CCGND和電路板的GND之間通過兩個并聯(lián)的電容和電感耦合。這樣為SIM卡構成了一個隔離地，屏蔽了其他信號線對 SIM卡的干擾。再進行語音通話時，話音清晰。

　　3 結束語

　　由Siemens公司的GPRS模塊MC35i及其外圍電路構成的移動終端，可以很好的完成短消息收發(fā)、GPRS數(shù)據(jù)傳輸和語音通信。利用該移動終端結合三星的S3C44B0X ARM開發(fā)板進行控制很好地實現(xiàn)了對遠程電力線的實時監(jiān)控。