GPRS無(wú)線通信模塊MC35i及其設(shè)計(jì)

隨著信息技術(shù)的迅速發(fā)展，無(wú)線遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，采用先進(jìn)的GPRS技術(shù)的無(wú)線監(jiān)控管理系統(tǒng)，集計(jì)算機(jī)、通信、機(jī)電、自動(dòng)控制等多種先進(jìn)技術(shù)于一體，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)無(wú)線分布式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)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(wú)法實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控的問(wèn)題，以及沒有或無(wú)法解決實(shí)時(shí)大數(shù)據(jù)量處理的問(wèn)題。因此移動(dòng)終端的設(shè)計(jì)也逐漸倍受關(guān)注，本文提及的MC35i模塊屬于無(wú)線通訊核心模塊，是結(jié)合語(yǔ)音、數(shù)據(jù)傳輸、簡(jiǎn)訊服務(wù)及傳真等功能的高科技產(chǎn)品。此模塊功能強(qiáng)大，利用此無(wú)線模塊的通訊產(chǎn)品便能夠很好地在客戶端進(jìn)行系統(tǒng)整合的規(guī)劃。目前該無(wú)線模塊的應(yīng)用領(lǐng)域比較廣泛，主要包括：
　　(1)移動(dòng)應(yīng)用，如個(gè)人數(shù)字助理、智能型手機(jī)、上網(wǎng)板、及筆記型計(jì)算機(jī)；

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

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

　　文中所述的設(shè)計(jì)結(jié)合單片機(jī)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(yǔ)音傳輸、與Pc機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?，已?yīng)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(wú)線通信GPRS模塊，可以快速安全可靠地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)方案中的數(shù)據(jù)、語(yǔ)音傳輸、短消息服務(wù) (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(gè)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(shí)新增加了快速的GPRS技術(shù)，采用GPRS分時(shí)復(fù)用的CLASS 8標(biāo)準(zhǔn)，具有始終在線的功能且理論上傳輸速率最高可達(dá)171.2 kb/s，通信傳輸時(shí)延較小，最長(zhǎng)不超過(guò)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(cè)功能，常用工作模式有省電模式、IDLE、TALK等模式。通過(guò)獨(dú)特的40引腳的ZIF連接器，實(shí)現(xiàn)電源連接、指令、數(shù)據(jù)、語(yǔ)音信號(hào)、及控制信號(hào)的雙向傳輸。通過(guò)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(nèi)的語(yǔ)音、數(shù)據(jù)信號(hào)，并涵蓋了蜂窩射頻設(shè)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(yǔ)音信道編碼。具體結(jié)構(gòu)可參考圖1。

2 外圍應(yīng)用電路

　　MC35i模塊的正常運(yùn)行需要相應(yīng)的外圍電路與其配合。MC35i共有40個(gè)引腳，通過(guò)ZIF連接器分別與電源電路、啟動(dòng)與關(guān)機(jī)電路、數(shù)據(jù)通信電路、語(yǔ)音通信電路、SIM卡電路、指示燈電路等連接。

　　(1)啟動(dòng)電路

　　啟動(dòng)電路由開漏極三極管和上電復(fù)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(shí)長(zhǎng)至少為100ms的低電平信號(hào)，且該信號(hào)下降沿時(shí)間小于1 ms。啟動(dòng)后，15腳的信號(hào)應(yīng)保持高電平。如2圖所示，為啟動(dòng)電路產(chǎn)生的信號(hào)，從中可以看出10 m8的延時(shí)和100 ms的低電平。

根據(jù)上面的分析，設(shè)計(jì)啟動(dòng)部分的參考電路如下：　

如圖3所示，當(dāng)Power ON腳電壓由低變高時(shí)，電容C1被充電左負(fù)右正。電流方向?yàn)槟鏁r(shí)針方向，此時(shí)電阻R1的電壓上正下負(fù)(當(dāng)UR1≥0.7 V時(shí))使Q1的發(fā)射結(jié)正偏，晶體管處于導(dǎo)通狀態(tài)，IGT腳處于低電平。當(dāng)POWER ON腳電壓由高變低時(shí)。電容C1開始放電，此時(shí)電阻R1的電壓上負(fù)下正使Q1的發(fā)射結(jié)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(shí)處于低電平，GPRS模塊開機(jī)。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(duì)C1的容值，R1、R2、R3的阻值就有要求了，這時(shí)需要調(diào)整C1的電容值，R1、R2的阻值以滿足開機(jī)條件。為了方便說(shuō)明，模塊開機(jī)電路電路圖可以簡(jiǎn)化如下：如圖4所示，開關(guān)由a投向b，并在t=0前開關(guān)與a端相連時(shí)間足夠長(zhǎng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)，即Uc(0-)=0。由于電容電壓不能跳變，在開關(guān)投到b的瞬間，電容電壓仍為零。即C(0+)=0。且t≥0時(shí)RC電路與電源相接，因此可以認(rèn)為是求零狀態(tài)響應(yīng)的問(wèn)題。

當(dāng)開關(guān)投向b后電容電壓從零值開始充電，電壓逐漸上升，最后應(yīng)趨于穩(wěn)態(tài)值 。穩(wěn)態(tài)值是根據(jù)“電容相當(dāng)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(dāng)R1上的電壓降到0.7 V時(shí)，三極管將截止，因而要算出R1的電壓降到0.7 V時(shí)的時(shí)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(jī)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(biāo)準(zhǔn)，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(wú)校驗(yàn)位，可以在300 bps-115 kbps的波特率下運(yùn)行，支持的自動(dòng)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(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)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(biāo)準(zhǔn)。具有獨(dú)特的±15 KV人體靜電保護(hù)措施，兼容5 v邏輯輸入，內(nèi)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(dá)250 kbps。該芯片的最大特點(diǎn)是，在串行口無(wú)數(shù)據(jù)輸入的情況下，可以靈活的進(jìn)行電源管理，即當(dāng)FORCEON為低電平、/FORCEOFF為高電平時(shí)，Auto-Powerdown Plus功能有效。在正常運(yùn)行模式下，約30秒時(shí)間內(nèi)若芯片在接收和發(fā)送引腳沒有檢測(cè)到有效信號(hào)，將自動(dòng)進(jìn)入Powerdown模式，此時(shí)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(shí)，如果檢測(cè)到接收或發(fā)送引腳有信號(hào)輸入，該芯片自動(dòng)被激活，轉(zhuǎn)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(shí)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(shí)間大于30 uS，則/INVALID(15腳)引腳為低電平(數(shù)據(jù)無(wú)效)。

　　該芯片的以上特性，滿足了MC35i作為移動(dòng)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(yīng)引腳連接時(shí)，要注意發(fā)送、接收引腳連接正確。MAX3238還需要連接4個(gè)0.1uF的電容配合，才能完成電平轉(zhuǎn)換功能。MC35i模塊通過(guò)RS-232接口各引腳輸出的信號(hào)有RXD、 CTS、DSR、DCD、RING，輸入的信號(hào)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(hào)。信號(hào)RING用來(lái)向蜂窩設(shè)備指示接收到Unsolicited Result Code(URC)。通過(guò)AT指令，可以設(shè)置MC35i的不同運(yùn)行模式。

　　(3)語(yǔ)音通信電路

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

　　為了防止從麥克風(fēng)和耳機(jī)導(dǎo)線引入高頻干擾，影響MC35i的正常運(yùn)行。設(shè)計(jì)電路時(shí)，在麥克風(fēng)、耳機(jī)、以及手持聽筒的插孔處都接有電感。此外，考慮到靜電保護(hù)的因素，所有語(yǔ)音信號(hào)輸入端都通過(guò)電容與GND耦合。

 　　(4)SIM卡電路

　　基帶處理器集成了一個(gè)與ISO 7816-3 IC Card標(biāo)準(zhǔn)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(yù)留5個(gè)引腳的基礎(chǔ)上，MC35i在ZIF連接器上為SIM卡接口預(yù)留了6個(gè)引腳，所添加的CCIN引腳用來(lái)檢測(cè)SIM卡支架中是否插有SIM卡。當(dāng)插入SIM卡，該引腳置為高電平，系統(tǒng)方可進(jìn)入正常工作狀態(tài)。但是目前移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商所提供的SIM卡均無(wú)CCIN引腳，所以在設(shè)計(jì)電路時(shí)將引腳CCIN與CCVCC相連。

　　在設(shè)計(jì)中為SIM卡布線時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)值得引起注意問(wèn)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(hào)的隔離保護(hù)，則通話時(shí)音量很小?？紤]到設(shè)計(jì)中的電磁兼容和靜電保護(hù)等因素，為了達(dá)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(shè)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(guò)兩個(gè)并聯(lián)的電容和電感耦合。這樣為SIM卡構(gòu)成了一個(gè)隔離地，屏蔽了其他信號(hào)線對(duì) SIM卡的干擾。再進(jìn)行語(yǔ)音通話時(shí)，話音清晰。

　　3 結(jié)束語(yǔ)

　　由Siemens公司的GPRS模塊MC35i及其外圍電路構(gòu)成的移動(dòng)終端，可以很好的完成短消息收發(fā)、GPRS數(shù)據(jù)傳輸和語(yǔ)音通信。利用該移動(dòng)終端結(jié)合三星的S3C44B0X ARM開發(fā)板進(jìn)行控制很好地實(shí)現(xiàn)了對(duì)遠(yuǎn)程電力線的實(shí)時(shí)監(jiān)控。