基于短信傳輸方式的無(wú)線工業(yè)模塊設(shè)計(jì)

摘要：介紹了美國(guó)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(gè)部分電路組成和原理。設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于短信傳輸方式的無(wú)線工業(yè)模塊。
關(guān)鍵詞：MC37i；MSP430F135；PDU；短信

0 引言
    在工業(yè)測(cè)控領(lǐng)域，對(duì)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(guò)UDP、TCP等數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)上其它計(jì)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(jì)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(lái)獲得可以提供給終端的固定IP地址。以上這些都會(huì)增加用戶運(yùn)營(yíng)成本，而利用短信傳輸方式可以降低用戶的運(yùn)營(yíng)成本，使用點(diǎn)到點(diǎn)收發(fā)設(shè)備，對(duì)一些實(shí)時(shí)性要求不是很高，架設(shè)網(wǎng)絡(luò)費(fèi)用低，數(shù)據(jù)傳輸量不大，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。針對(duì)上述特征本文設(shè)計(jì)了一款基于短信傳輸方式的無(wú)線工業(yè)模塊，給出各電路設(shè)計(jì)的方案，并對(duì)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(jí)GSM模塊，該款模塊特點(diǎn)是外形設(shè)計(jì)精巧、緊湊，功能強(qiáng)大，接口簡(jiǎn)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(diǎn)：1)雙頻段：為GSM900／1800MHz；2)支持?jǐn)?shù)據(jù)、語(yǔ)音、短消息和傳真；3)高集成度(32．5×35× 3．1mm)，重量?jī)H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(chǔ)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(gè)引腳，通過(guò)一個(gè)DF12C連接器引出。這50個(gè)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(jì)
    設(shè)計(jì)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(cè)信息通過(guò)分壓接口電路取得分壓數(shù)值，經(jīng)過(guò)單片機(jī)程序AD轉(zhuǎn)換運(yùn)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(dòng)接口，執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。完成測(cè)控功能。

3 硬件設(shè)計(jì)
3．1 電源電路
    設(shè)計(jì)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(huì)產(chǎn)生一些跌落，考慮電源干擾問(wèn)題，對(duì)單片機(jī)和模塊采用分開(kāi)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(duì)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(jí)具有3A電流輸出降壓開(kāi)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(jiǎn)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(shí)要注意，對(duì)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(huì)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(shí)，靠近MC37i模塊VCC引腳座旁對(duì)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(dòng)。同時(shí)，為了減少天線發(fā)射時(shí)射頻對(duì)電源的干擾，在靠近MC3 7i模塊的電源旁邊對(duì)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(yáng)能板電壓。采集電路如圖5所示。VSOLAR接太陽(yáng)能板電壓正極，VBAT接蓄電池電壓正極。由于在實(shí)際運(yùn)用中被檢測(cè)信號(hào)電壓超過(guò)12V，因此通過(guò)電阻分壓網(wǎng)絡(luò)對(duì)被檢測(cè)信號(hào)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(cè)引腳不被損壞，在輸入引腳處各加一個(gè)3．3V穩(wěn)壓二極管。圖中電解電容起到濾波作用，能夠?yàn)V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(gè)引腳，包括SIM卡的時(shí)鐘CLK，數(shù)據(jù)輸入／輸出DIO，復(fù)位RST，電源VCC，地GND，插入檢測(cè)PDN。PDN用于檢測(cè)SIM座是否放有SIM卡，當(dāng)SIM插入時(shí)，PDN為與GND短接。
3．4 MSP430F135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(mén)狗電路等構(gòu)成，如圖7所示。

    本設(shè)計(jì)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(gè)16位定時(shí)器(帶看門(mén)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(dòng)掃描功能)、一個(gè)內(nèi)部比較器和一個(gè)通用同步／異步發(fā)射接收器、48個(gè)I／O口(均可獨(dú)立控制)的微處理器結(jié)構(gòu)。MSP430 FLASH擦寫(xiě)次數(shù)高達(dá)10萬(wàn)次，抗干擾能力強(qiáng)。
3．5 MC37i電路
    MC37i模塊共有50個(gè)引腳，模塊PCB通過(guò)DF12C座與DF12E(3．0)-50DP-0．5V(81)型號(hào)連接器連接。模塊開(kāi)機(jī)信號(hào)通過(guò)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(shí)現(xiàn)開(kāi)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(guò)AT指令關(guān)閉模塊。SYNC引腳外接輸出狀態(tài)LED指示燈，通過(guò)送不同的占空比電平，指示出模塊各個(gè)工作狀態(tài)。圖8 MC37i應(yīng)用電路。

4 軟件設(shè)計(jì)
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(shí)現(xiàn)起來(lái)也十分容易，缺點(diǎn)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(guò)編碼了，所以無(wú)法直接讀懂。而PDU模式同時(shí)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(dòng)設(shè)備中使用最為普遍。
    在PDU模式中，當(dāng)使用7位編碼時(shí)，最多可發(fā)160個(gè)字符，使用8位編碼時(shí)，最多可發(fā)140個(gè)字符，使用16位編碼時(shí)，最多可發(fā)70個(gè)漢字字符。因此在發(fā)送時(shí)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(shí)，接收時(shí)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(guò)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)?ldquo;123456789abc”。具體實(shí)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(shí)現(xiàn)》一文。
4．2 軟件流程
    系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)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(guò)向串口寫(xiě)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(yǔ)
    本電路是實(shí)際工程項(xiàng)目中的一部分，在整個(gè)電路設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)電路設(shè)計(jì)均選擇工業(yè)級(jí)器件，能夠適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境要求，同時(shí)設(shè)備要求安裝在野外，整機(jī)待機(jī)功耗<5mA。作為測(cè)控系統(tǒng)一部分，利用本電路可以很好地完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程維護(hù)工作。