基于SIM900A和LPC2378無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要 為實(shí)現(xiàn)低傳輸成本的異地實(shí)時(shí)無線數(shù)據(jù)傳輸，文中基于GSM／GPRS通信模塊SIM900A和LPC2378控制器，實(shí)現(xiàn)了無線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。利用通信模塊的SMS數(shù)據(jù)傳輸功能實(shí)現(xiàn)異地的實(shí)時(shí)無線數(shù)據(jù)傳輸，降低了傳輸成本。闡述了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件實(shí)現(xiàn)方法。
關(guān)鍵詞 LP2378；PDU編碼；SIM900A；無線通信系統(tǒng)；GPRS；物聯(lián)網(wǎng)

    GSM是目前應(yīng)用較為成熟和完善的一種通信系統(tǒng)。它可以提供短消息、語音、數(shù)據(jù)傳送等多種業(yè)務(wù)。其中短消息的傳送是GSM網(wǎng)絡(luò)的一種重要業(yè)務(wù)，已得到廣泛應(yīng)用。如在變電站、電表、水塔等監(jiān)測數(shù)據(jù)的無線傳輸和遠(yuǎn)程無線控制系統(tǒng)中都需要一種功耗小、性能穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)的無線裝置。迄今為止，無論是藍(lán)牙技術(shù)，還是其他的無線電波遙控裝置能滿足以上條件的較少，而GSM系統(tǒng)可以很好地滿足上述要求。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
1．1 系統(tǒng)框圖
    設(shè)計(jì)—個(gè)基于GSM通信模塊的無線傳輸系統(tǒng)，選用SIM900A通信模塊和LPC2378控制器制成一款無線Modem，與串口終端協(xié)同收發(fā)短信數(shù)據(jù)，以此Modem和GSM網(wǎng)絡(luò)為紐帶可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳送。設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

1．2 控制模塊設(shè)計(jì)
    控制模塊核心芯片為LPC2378，是一個(gè)恩智浦半導(dǎo)體(NXP)公司推出的32位、具有精簡指令集、超低功耗的基于ARM7TDMI-S的微控制器，適用于為各種目的而需要進(jìn)行串行通信的應(yīng)用。由于它具有低功耗、豐富的片內(nèi)外設(shè)和方便靈活的開發(fā)手段，已成為眾多單片機(jī)系列中一個(gè)研究熱點(diǎn)。其主要特點(diǎn)有：低電壓、超低功耗；工作電壓范圍為3．0～3．6 V；片內(nèi)有10位的A／D轉(zhuǎn)換器；4個(gè)32位的定時(shí)器，具有靈活的時(shí)鐘設(shè)置；片內(nèi)晶振的工作頻率在1～24 MHz之間。具有4個(gè)UART串口，方便用戶多機(jī)通信。提供P0.0～P4.0共5個(gè)數(shù)據(jù)端口，能為用戶提供更多的處理功能。在提供的外圍數(shù)據(jù)端口中，有4個(gè)具有中斷功能。具有JTAG仿真調(diào)試接口，便于軟件的調(diào)試。片內(nèi)可提供較多的存儲(chǔ)器，片內(nèi)Flash為512 kB，同時(shí)還提供較多的RAM以便進(jìn)行運(yùn)算處理。
1．2．1 電源部分
    在該系統(tǒng)中LPC2378單片機(jī)需要用3．3 V和1．8 V供電，因而用National公司的LM117-33和LM117-18芯片實(shí)現(xiàn)由5～3．3 V和3．3～1．8 V的降壓處理，而LED燈，是在電源通電后變亮，指示電源的通斷；電容是用來濾波，減小對輸入端的干擾。電源供電原理圖如圖2所示。

1．2．2 串口通信和按鍵
    LPC2378有兩個(gè)串口，USART1與SIM900A的連接，USART0與上位機(jī)連接，通過串口0將上位機(jī)要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)暫存在單片機(jī)中，然后通過串口1最終傳到SIM900A模塊中，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。雖然SIM900A模塊的串口管腳的工作電平是CMOS電平，單片機(jī)的串口管腳的工作電壓是TTL電平，但由于單片機(jī)的高低電平的邏輯判斷電平可以實(shí)現(xiàn)與SIM900A的管腳進(jìn)行連接，因此SIM900A模塊的串口線可以直接與單片機(jī)的串口1相連，而串口0需要一個(gè)MAX3232進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換與上位機(jī)通訊，如圖3所示。

1．3 通信模塊設(shè)計(jì)
    SIM900A是芯訊通(SIMCom)公司推出的新一代無線通信GSM／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)、語音傳輸、短消息服務(wù)(Short Message Service)和傳真。模塊的工作電壓為3．2～4．8 V，工作的頻段為EGSM 900 MHz和DCS 1 800 MHz。SIM900A支持GPRS multi-slot class 10／class 8(可選)和GPRS編碼格式CS-1，CS-2，CS-3 and CS-4。所在頻段最大功耗分別為2 W(900 MHz)和1 W(1 800 MHz)。
    SIM900 A采用省電技術(shù)設(shè)計(jì)，所以在Sleep模式下最低耗流只有1．0 mA。常用工作模式有Sleep、Idle、Talk等模式。由于尺寸只有24 mm×24 mm×3 mm，所以SIM900A幾乎可以滿足所有用戶應(yīng)用中對空間尺寸的要求，例如M2M，數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)等。SIM900A為SMT封裝，基于STE的單芯片方案，采用ARM926EJ-S架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)電源連接、指令、數(shù)據(jù)、語音信號(hào)、及控制信號(hào)的雙向傳輸。
    鍵盤和SPI顯示接口可以使用戶靈活地設(shè)計(jì)定制應(yīng)用。主串口和調(diào)試串口可以幫助用戶輕松地進(jìn)行開發(fā)應(yīng)用。一路音頻接口，包含一個(gè)麥克風(fēng)輸入和一個(gè)揚(yáng)聲器輸出。可編程的通用輸入輸出接口(GPIO)。SIM900A內(nèi)嵌TCP／IP協(xié)議，擴(kuò)展的TCP／IPAT命令讓用戶能夠容易的使用TCP／IP協(xié)議，而且在數(shù)據(jù)傳輸方面應(yīng)用廣泛。
1．3．1 電源部分
    SIM900A采用VBAT為3．4～4．5 V的單電源供電。在一些情況下，信號(hào)傳輸?shù)拟Оl(fā)會(huì)導(dǎo)致電壓跌落，這時(shí)電流損耗的峰值會(huì)達(dá)到2 A。因此，電源必須能提供足夠2 A的電流。給SIM900A供電，采用Micrel公司的LDO—MIC29302BT實(shí)現(xiàn)由5～4 V的降壓處理，如圖4所示。

1．3．2 SIM卡電路
    SIM卡的接口電平由模塊內(nèi)部的電壓穩(wěn)壓器提供，正常電壓值為2．8 V或者1．8 V。復(fù)位后，所有引腳輸出低電平。6腳SIM卡電路如圖5所示。

1．3．3 LCD和鍵盤交互
    控制模塊的操作結(jié)果可以通過LCD顯示出來，并通過鍵盤對期進(jìn)行調(diào)試和設(shè)置。

2 軟件設(shè)計(jì)
2．1 AT指令
    系統(tǒng)程序流程軟件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于單片機(jī)的編程。通過向SIM900A寫入不同的AT指令能完成多種功能，如網(wǎng)絡(luò)登錄、讀取SIM卡上電話號(hào)碼、發(fā)送接收消息、刪除消息等。在此重點(diǎn)討論中文短信的發(fā)送。
2．2 PDU編碼規(guī)則
    目前，發(fā)送短消息常用Text和PDU(Protocol Data Unit，協(xié)議數(shù)據(jù)單元)模式。使用Text模式收發(fā)短信代碼簡單，實(shí)現(xiàn)容易，但最大的缺點(diǎn)是不能收發(fā)中文短信；而PDU模式不僅支持中文短信，也能發(fā)送英文短信。PDU模式收發(fā)短信可以使用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)消息，UCS2編碼用于發(fā)送Unicode字符。一般的PDU編碼由A，B，C，D，E，F(xiàn)，G，H，I，J，K，L，M這13項(xiàng)組成。在GSM標(biāo)準(zhǔn)中，中文采用PDU編碼，故漢字需要在編碼之后才可以發(fā)送出去。
    A：短信息中心地址長度，2位16進(jìn)制數(shù)(1 Byte)；B：短信息中心號(hào)碼類型，2位16進(jìn)制數(shù)；C：短信息中心號(hào)碼，B+C的長度將由A中的數(shù)據(jù)決定；D：文件頭字節(jié)，2位16進(jìn)制數(shù)；E：信息類型，2位16進(jìn)制數(shù)；F：被叫號(hào)碼長度，2位16進(jìn)制數(shù)；G：被叫號(hào)碼類型，2位16進(jìn)制數(shù)，取值同B；H：被叫號(hào)碼，長度由F中的數(shù)據(jù)決定；I：協(xié)議標(biāo)識(shí)，2位16進(jìn)制數(shù)；J：數(shù)據(jù)編碼方案，2位16進(jìn)制數(shù)；K：有效期，2位16進(jìn)制數(shù)；L：用戶數(shù)據(jù)長度，2位16進(jìn)制數(shù)；M：用戶數(shù)據(jù)，其長度由L中的數(shù)據(jù)決定。J中設(shè)定采用UCS2編碼，這里是中英文的Unicode字符。
2．3 程序流程

3 結(jié)束語
    本系統(tǒng)調(diào)試完成，在調(diào)試過程中運(yùn)行穩(wěn)定。設(shè)計(jì)成本和使用成本低，它可以廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)程安防監(jiān)控、PLC數(shù)據(jù)采集和傳輸、智能電表、車載通信、無線POS、無線醫(yī)療、家庭防盜等無線傳輸和自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)中。在即將到來的物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，無線通信系統(tǒng)的應(yīng)用將起到關(guān)鍵性作用。