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类型基于手机模块的数据通讯模块设计.doc

  • 上传人:wo7103235
  • 文档编号:6152361
  • 上传时间:2019-03-30
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    1、基于手机模块的数据通讯模块设计摘 要信息时代,通信技术的发展主要集中在宽带通信技术和无线通信技术两方面。本文论述了当前无线通信系统的概况,重点对比了SMS和 GPRS对数据的传送的优劣。GPRS业务在通信技术的连接中展示出了它的优势,利用 GPRS业务进行联网通信是当前的普遍做法。因此选择GPRS技术作为本手机模块传输数据的关键技术。随着单片机技术的广泛应用,以及芯片技术的不断发展, GPRS 通用分组无线业务在当前远程无线数据传输、遥测遥控中越来越受到人们的重视,所以,由此而开发设计的二次设备和产品得到极大的推广和应用。本数据传输模块论述了基于华为GTM900-B无线通讯模块、MSP430F

    2、149微处理器的数据传输设计方案,并提供了部分硬件电路图、软件流程图及程序代码。关键词:无线数据传输,单片机,串口通讯,AT 指令The Design of Mobile Data Communication Module based on Modular AbstractNowadays,the development of communication technology is revealed in two spheres: broadband communication network,WirelessCommunicationTeehnology. In this paper, it

    3、 introduces the current wireless communication systems, and emphasizes on comparing SMS and GPRS data transmission. How to connect the two spheres,General Paeket Radio Serviee(GPRS) has its own advantage. So select GPRS technology as the key technology to the phone data transmission model.Along with

    4、 the wide application of single chip computer as well as the development of integrated chip technique, GPRS general grouping wireless service is at tached with more importance by people in the current teledata transmission, telemetering and remote control. Therefore, secondary product and quality go

    5、ods developed and designed according to the techniques mentioned are obtaining enormous promotion and application.The data transmission model design based on HUAWEI GTM900-B Module and MSP430F149 are elaborated, and partial hardware elect ric diagram, software flowchart and program code are provided

    6、.Key words: Wireless data transmission, Mircrochip, Serial Design, AT command 第 I 页 共 页目 录1 引言 .11.1 课题研究背景与研究现状 .11.1.1 M2M 的发展 11.1.2 无线通信及无线数据传输系统的发展现状 .11.2 本课题研究的意义 .32 无线通信技术 .42.1 SMS 短消息 42.1.1 SMS 业务概述 42.1.2 短消息业务实现方式 .42.1.3 SMS 特点 52.2 GPRS 技术 .62.2.1 GPRS 的应用 .62.2.2 GPRS 技术的特点以及发展策略 .7

    7、2.3 手机模块中无线数据传输系统的选择与方案设计 .92.3.1 手机模块中无线数据传输系统的选择 .92.3.2 手机模块的方案设计及器件选择 .93 数据通讯模块的硬件电路设计 123.1 MSP430F149 电路设计 123.2 GPRS 器件电路设计 133.3 电源电路设计 133.4 串行接口电路设计 153.5 存储电路设计 154 数据通讯模块的软件设计 174.1 串口程序设计 174.2 存储程序设计 204.3 短消息程序设计 254.3.1 AT 命令介绍 25第 页 共 页4.3.2 SMS 编码模式:PDU 与 TEXT294.3.3 短消息程序设计 314.3

    8、.4 串口之间数据的传输设计 355 总结 39参考文献 .40致谢 .42附录 .43附录 1: 华为 GTM900-B 芯片各管脚介绍 43附录 2: 24LC02B 芯片各管脚介绍 .44附录 3: SP3220 芯片各管脚介绍 44附录 4: 软件中涉及的相 关程序 .45第 1 页 共 52 页1 引言1.1 课题研究背景与研究现状1.1.1 M2M 的发展当今,移动数字通信网络在中国得到了迅速的发展,随着移动通信业务的增长,利用移动通信网络以及互联网络的现有资源开展移动数据增值业务成为了必然的趋势。如何将互联网上丰富的信息资源通过无线通信网络来实现共享已成为人们关注的焦点,除了 I

    9、T 设备需要联网外,更多的非 IT 的嵌入式设备也有联网通信的需求,而这种设备之间的信息交换能力可以用来实现远程监控。传统的固网拨号和单纯的移动通信网络已经满足不了这种需求,M2M 网关就是在此背景下应运而生。M2M 这一概念来自英文“Machine to Machine”,即机器对机器的缩写,扩展的概念包括“Machine to Mobile”-机器对移动设备, “Machine to Man”-机器对人等等,是要对人移动设备或机器与机器之间的通讯,提出有效的应用设备及问题解决方案,达到远程监控的目的和作用,M2M 网关实现了移动通讯网络和因特网的有效结合,使各种 M2M 应用轻易的通过 M

    10、2M 网关实现数据收集和监控报警。如自动读取停车表、安全设施、自动扶梯控制、车队管理、自动售货机和电动设备等。随着M2M网关的不断发展,移动通信大大拓展了人们的通信距离和生活空间,信息的传递已成为人们生活中不可缺少的部分,数据传输技术也由此而在不断地发展着。然而无论哪种传输技术,对于用户来讲,最基本的要求便是要方便、快捷、安全、可靠。目前,许多场合如电力监测、工业控制、环境监测、交通管理等,数据传输应用广泛,其方式一般有两种:有线传输方式和无线传输方式。有线传输方式,可以通过架设专线、利用公共数据网等实现,但是在很多场合下,有线方式受到架线环境、传输距离等条件限制。无线方式的实现也很多,可以通

    11、过自建无线发射接收系统,如(超) 短波电台、架设微波线路等,但是这种方式容易受到地形地貌的影响以及频率资源的限制,系统架设成本高、系统的架设和维护工作繁重,在业务量小、用户数量大、位置分散等应用场合中也受到很大限制。1.1.2 无线通信及无线数据传输系统的发展现状在无线通信的发展历程中,涌现出了短波通信系统,微波通信系统,卫星通信系统和移动通信系统等。各通信系统互有利弊,相互补偿,使得现代无线通信更具多样第 2 页 共 52 页化。短波,微波通信系统具有传输距离短,易受干扰等缺点,通常应用于电台,电视等媒体,卫星通信系统具有代价高,传输信息容量大,在一般的工业系统中不能进行普及。相比较而言,移

    12、动通信系统更贴近于人们的日常生产生活中,并且具有普及率高,网络覆盖面广等优点。在一般的工业系统中,采用无线通信方式一般首选移动通信方式。随着第三代移动通信网络的兴起,移动通信系统会更加影响人们的生产生活,极大地推动人类社会文明的进步。本文所讨论的无线通信方式也着重于移动通信技术。从贝尔实验室首次发明蜂窝移动通信至今,移动通信己经和正在经历着三代演变。第一代是模拟移动通信系统(简称 IG)始于 80 年代中期,其成功的代表有北美的AMPS 系统、英国的 TACS 系统和北欧的 NMT 系统。这一代系统以话音传输为主,技术上采用 FDMA。缺点是:频谱利用率低;各系统间没有公共的接口规范;数据业务

    13、较难开展;安全保密性能较差。第二代移动通信系统(简称 ZG)始于 90 年代初期,成功代表有欧洲的 GSM 系统、北美的 D-AMPS 和窄带 CDMA 系统、日本的用 C 和 PHS 系统。这一代系统不但支持较高质量的话音传输,同时提供了低速的数据业务,一般仅能提供 9.6kb/s 的电路型数据业务。技术上采用 TDMA 或 CDMA。第二代移动通信系统在技术上,市场上都获得了巨大的发展,具有保密性强、频谱利用率高、标准化程度高,网络覆盖面积广等优点。随着 Intenet 的发展;人们对高速数据业务的日益需求;语音、数据和多媒体多项业务整合的现实性,使得第三代移动通信系统(简称 3G)也便呼

    14、之而出。ITU 早在 1986年就开始了对全球范围内移动通信系统的研究,并且将其命名为 FPLMTS(未来公共陆地移动通信系统)。FPLMTS 现已正式更名为 IMT-Z000,该系统将工作在 2000MHz 的频段上,最高数据传输速率为 2000Kbi 珑,主流多址技术是 CDMA,集寻呼、卫星、无绳和蜂窝移动通信系统为一体,提供全球无缝隙覆盖、全球漫游,以达到高速数据业务的需求。这即是第三代移动通信的模板。无线数据传输系统发展至今,使用的通信技术经历了和在经历五个阶段:无线电台传输,集群通信网,SMS 短消息和 GPRS,3G 移动通信网络。各种通信技术比较如下表1.1 所示:第 3 页

    15、共 52 页在现行,无线通信方式还出现了蓝牙,无线传感网络,射频通信,3G 高速网络等多样技术,对于蓝牙,无线传感网络,射频通信技术都针对于短距离的通信,对于远程无线数据传输却无能为力。而 3G 网络在我国刚刚起步,网络的建设需要一定的周期,网络运营费用和维护成本的标准还未出台,短期内还不能全面的普及应用 1。无线电台和集群通信网络还有易受干扰,通信可靠性差等缺点,现在基本不用于工业系统中。1.2 本课题研究的意义本课题从基于 M2M 网关的无线传输方式移动通信体制的各种关键技术出发,结合历史上及现阶段的无线通信技术,设计基于手机模块的无线通讯接口电路。其意义在于了解手机时代无线通信技术的发展

    16、历程;通过手机模块的制作,掌握运用 GPRS进行 GSM 短消息业务的过程,以及与之相关单片机技术。第 4 页 共 52 页2 无线通信技术由上面论述可知,无线数据传输系统发展至今,使用的通信技术经历和在经历:无线电台传输,集群通信网,SMS 短消息和 GPRS,3G 移动通信网络这几个阶段。而从各方面看来 SMS 短消息和 GPRS 技术则是现阶段无线数据传输系统的首选 2。下面就将二者进行较详细的叙述比较,最后选择出应用于本模块的技术。2.1 SMS 短消息全球移动通信系统(GSM)移动通信网络已迅速普及,通信服务竞争日益激烈,新技术、新业务的开发和应用水平也在不断提高。短消息服务业务是

    17、GSM 网络的一项基本业务,市场对短消息的业务需求量也在不断增长,基于这种业务的各种开发范围也越来越广泛。短消息业务在各个领域得到了广泛的发展。源于手机聊天热潮的“ 拇指革命” 已经开始,各系统开发商和运营商的加入推出了许多短消息的升级版。由此,短消息带给人们的内容已从业娱乐性发展到服务性,短消息服务内容自然从文化走到商业。2.1.1 SMS 业务概述SMS 是短信息服务(ShortMessageServiee)的简称,SMS 是向手机发送短消息和用手机接收短消息的一个途径。SMS 具有使用手机发送和接收有限长度的文字信息的功能。文本信息是词语、数字和字母的组合,一条短信息可以包含 160 个

    18、英文字母(7 一 bit编码)或 70 个非拉丁字母(16bit 编码),如中文汉字或阿拉伯字等 unicode 编码。短信息服务是一项双向服务,简称字母数字的(160 个字节)消息,是 GSM 一个独特的特点。SMS(shortMessageservice)以其不占无线通话信道资源、方便快捷而且价格低廉的特点受到了广大移动用户的欢迎。SMS 属于 GSM 第一阶段(Phasel)的标准。由于 GSM 发展极快,在其 900MHZ 频段满以后,又开辟了 GSM1800 频段,手机工作在 900MHZ 和 1.8GHz 频段以及 GSM1900MHz 等几个频段。目前 SMS 已经被集成到了很多

    19、网络标准中,SMS 作为移动数据业务应用范围也越来越广泛, GSM、CDMA、TDMA、PHS、PDC 等移动网络均支持 SMS。2.1.2 短消息业务实现方式点到点短信息业务和小区广播短信息业务均实现了短消息的收发,是短消息的两种实现方式。第 5 页 共 52 页(1)点到点短消息业务点到点短信业务是从移动业务起始(Mobileorigln,Mo)到移动业务终止(MoblleTerminal,MT),即将一条短消息的文字信息从一个用户地址发送到指定用户地址的业务。点到点短信息业务包括两种情况:一种是移动台终止(接收)点对点信息业务(SMS 一 MT 用 P);另一种是移动台发起(发送)点对点

    20、的短信业务(SMS 一 MT/PP)。点对点短信业务是通过 MO 和 MT 将一条短消息,从一个用户发送到指定用户地址的业务。被发送的信息经过编码后信息长度为 140 个字节,所以一条短消息至多可以包含 160个英文字母或 70 个中文汉字。(2)小区广播短信息业务小区广播短信息业务,是向指定所在区域内信息用户发送短信息的业务。该业务要有通过发送信息的基站。这种业务实现了,向固定区域内所有 GSM 用户循环发送一些具有通用性的信息。例如,银行可以使用这项业务,通过手机向用户公布利率详情,移动公司向手机用户发送天气预报等。2.1.3 SMS 特点SMS(ShortMessageServiee)是

    21、 GSM(GlobalSystemforMobileConunumeation)系统中提供的一种应用服务。由于 GSM 网络在全国范围内实现了联网和漫游,具有网络能力强的特点和双向数据传送功能,为数据传送提供了一个有效的支持平台。手机短信业务(SMS)是一种应用范围广泛的无线移动通信业务,具有相对可靠、经济、方便、覆盖范围广等优点,特别适合于传送小流量数据。SMS 具有以下几方面的特点:(1)SMS 具有独特的“存储一转发机制” 。 SMS 发送短消息,将己发出的短信息内容,先存储在短信息服务中心(ShortMessageserviceeenter,sMse),短信发送中心(SMSCenter

    22、)负责为短消息选择路由。等到接收方可接收时,再由短信息中心将短消息转发给接收方,可以确保短消息被顺利的传递到短信接收方那里。假如接收方暂时无法接收信息,SMSC 就会自动保存该短信息,直到接受方下次处于在线状态时才进行再一次的发送。一般情况不超过 3 天,等到接收方在服务区出现时再发送给接收方。如果短信接收方可以立即收到该信息,则该消息被成功送达。否则如果短信息存储在SMSC 的时间过长,超过了其有效的时期,则该条消息会被自动删除。(2)SMS 对发送信息具有双向性。与普通的发送方式相比,SMS 的发送方可以确认信息是否发送成功。发送方可以要求 SMSC 提供一个 SMS 发送报告,该报告用以

    23、说明消第 6 页 共 52 页息最终是否发送成功。SMS 可以得到一条信息确认报告,该确认报告记录信息传递成功或失败,以及不可到达的原因。如果要求接收方确认所收到的短信内容,SMSC 还可以建立回复机制。对于引入回复机制的 SMS 加以技术处理,如进行适当的编码和授权,加入安全机制,便可应用于一些保密移动商务领域,如政府机关,或金融业等。(3)SMS 具有同步传输功能。由于 SMS 是非对称信息服务业务,实现了 557 信令信道分组进行数据传输,所以即使在信息业务信道处于十分忙碌的情况下,短信息同样可以实现通信,而且 SMS 目前已经实现了全国和国际漫游。(4)SMS 短信录入采用 Tg 模式

    24、。Tg 模式大大节省了短信输入的时间,能够自动猜测接下来要输入词语的短信写作模式。另外,现在市面上也已推出,将语音识别系统嵌入到具有 SMS 功能的手机中,用以扩展 SMS 的录入方式。这一扩展应用为用户带来很多便利,受益最大的是汽车司机,司机在开车的时候使用语音输入技术不仅可以接、打电话,而且可以使在开车的时候收发短信,使事故发生率明显降低。(5)SMS 可以为语音电话提供许多增值服务。如为出行的游客提供“提醒”功能的服务。这种提醒服务的内容非常广泛,例如时间提醒,重要信件收发通知,呼叫提醒等等。SMS 其它单向增值服务还包括天气情况服务,航班状况报告,黄金市价波动情况,利率变化,新闻信息和

    25、彩票结果等。2.2 GPRS 技术在 2G 向 3G 过渡中,引进了俗称第 2.5 代移动通信系统(简称 2.5G),主要代表有:GPRS,CDMA。GPRS 是通用分组无线业务的英文简称,是在现有 GSM 系统上发展出来的一种承载业务,目的是为 GSM 用户提供分组形式的数据业务,速率高达 171Kb/s,基本上能够满足人们无线数据业务的需求。2.2.1 GPRS 的应用GPRS 技术现在己经十分成熟,目前全世界很多运营商开通了 GPRS 商用系统、试商用系统或实验系统 3。国际上有名的大型电信设备制造厂商也都在积极开发 GPRS 的相关产品,提出了一系列的解决方案,世界各地的移动网络运营商

    26、也纷纷响应,配合电信设备制造厂商提供了大量的 GPRS 服务区。GPRS 可提供以下一系列交互式业务:点对点无连接型网络业务(PTP-CLNS);点对点面向连接的数据业务(PTP-CONS);点对多点业务(PTM)。GPRS 还能支持用户终端业务、补充业务、GSM 短消息业务和各种 GPRS 电信业务。总之,GPRS 可提供网上冲浪、Email、文件传输、数据库查询、增强型短消息第 7 页 共 52 页等业务;可应用于运输业、金融、证券、商业和公共安全业;PTM 业务支持股市动态、天气预报、交通信息等实时发布;另外,还能提供种类繁多、功能强大的以 GPRS 承载业务为基础的网络应用业务和基于

    27、WAP 的各种应用。GSM 网络在我国覆盖范围广,且具有良好的漫游性和安全性,在 GSM 上进行升级,是建设 3G 技术的最好平台,而 GPRS 采用与 GSM 同样的无线调制标准、同样的频带、同样的突发结构、同样的跳频规则以及同样的 TDMA 帧结构,现有的基站子系统(BSS)从一开始就可提供全面的 GPRS 覆盖 4。GPRS 也成为 GSM 网络向 3G 过渡的重要技术 3G时代开展基于 GPRS 的无线数传系统的前景。2.2.2 GPRS 技术的特点以及发展策略利用 GPRS 进行数据传输的主要优点(1)费用低廉,GPRS 网络按照客户收发数据包的数据流量来收费,而不是采用SMS 的按

    28、短信条数的方式收费,极大地降低了通信使用费用;(2)永远在线,客户随时都与网络保持联系,即使没有数据传送时,客户仍然在网上,与网络之间还保持一种连接;(3)快速登录,连接时间很快,GPRS 无线终端一开机,就已经与 GPRS 网络建立了连接,每次登录网络,只需要一个激活过程,一般仅需 1 到 3 秒;(4)高速传输,由于 GPRS 网络采取了先进的分组交换技术,数据传输最高理论值可达 171.2kb/s,实际使用中一般能达到 2040kb/s ;(5)组网灵活,中国移动的 GPRS 网络覆盖面广,可在全国漫游而不增加额外费用,适合用户以低成本方式在短时间内组建自己的跨区域性数据网络;(6)信道

    29、保障,GPRS 通信链路由中国移动这样的专业运营商维护,在出现通信链路中断的情况下能得到及时抢修,免除通信链路维护的后顾之忧;(7)防雷击,GPRS 采用小功率短天线,不需要室外架设大天线,克服了有线传输设备和无线电台容易被雷击而损坏和中断通信的情况。当前 GPRS 面临的问题(1)实际传输速率比理论值低,由于分组交换连接比电路交换连接质量要差一些,因此使用 GPRS 会发生一些数据包丢失现象。而且,由于话音和 GPRS 无法同时使用相同的网络资源,因此,用于专门提供 GPRS 使用的时隙数量越多,能够提供给话音通信的网络资源就越少。话音和 GPRS 呼叫都使用相同的网络资源,这势必会相互产生

    30、一些第 8 页 共 52 页干扰。其对业务影响的程度主要取决于时隙的数量。当然,GPRS 可以对信道采取动态管理,并且能够通过在 GPRS 传道上发送短信息来减少高峰时信令信道的拥塞情况。GPRS 理论上的数据传输速率最大值是 171.2Kbit/s,但要求只有个用户占用所有的8 个时隙,并且没有任何防错保护。运营商将所有的 8 个时隙都给一个用户使用,显然是不太可能的。另外,最初的 GPRS 终端预计可能仅支持 1 个、2 个或 3 个时隙,一个GPRS 用户的带宽因此将会受到严重的限制,所以,理论上的 GPRS 最大传输速率将会受到网络和终端现实条件的制约。(2)终端不支持无线终止功能,目

    31、前还没有任何一家主要手机制造厂家宣称其GPRS 终端支持无线终止接收来电的功能,这将是对 GPRS 市场是否可以成功地从其他非语音服务市场抢夺用户的核心问题。启用 GPRS 服务时,用户将根据服务内容的流量支付费用,GPRS 终端会装载 WAP 浏览器。但是,未经授权的内容也会发送给终端用户,更糟糕的是用户要为这些垃圾内容付费。(3)存在转接时延,GPRS 分组通过不同的方向发送数据,最终达到相同的目的地,那么数据在通过无线链路传输的过程中就可能发生一个或几个分组丢失或出错的情况。(4)缺乏 GPRS 专门技术人才,现有的 GSM 运营公司的技术人员,具有话音业务、SMS 方面的经验,但缺乏对

    32、 GPRS 的设计、安装、运营、维护等方面的经验,需尽早进行培训。我国的发展策略:我国引入 GPRS,采取了积极实验,分步实施,逐步展开,平滑过渡的策略。同时还应考虑结合我国国情,保护现有的 GSM 网络投资问题;通过引入 GPRS,为用户提供更高的无线接入速率;保护用户利益,降低提供数据业务的成本;降低运营成本,兼容已有的数据业务;便于扩容,易于向 3G 平滑演进过渡。2008 年 4 月 1 日,中国移动同时在北京、上海、天津、沈阳、广州、深圳、厦门和秦皇岛 8 个城市放号,正式启动 TD 一 SCDMA 社会化业务测试和试商用。2009 年 1月 7 日,工业和信息化部宣布,批准中国移动

    33、、中国电信、中国联通增加 3G 业务经营许可。我国 3 张 3G 牌照已正式发放,标志着我国己进入全面建设 3G 的行列中。按照规划,今明两年预计完成 3G 直接投资 2800 亿元左右。3G 牌照发放后,将形成一条包括 3G 网络建设、终端设备制造、运营服务、信息服务在内的通信产业链,3G 技术的成第 9 页 共 52 页熟仍需时日,面对仍旧有些遥远的 3G,GPRS 成了运营商手中的救命稻草,在数据业务需求不断增加的情形下,GPRS“随时在线” 、高速的移动互联网接入性能仍能是运营商获取更多利润的手段。比起运营商为 3G 所付出的巨大投入来说,GPRS 的建设并不需要花费更大的资金。GPR

    34、S 网络采用的是双轨制,即手机通话继续使用 GSM,而数据的传送则使用 GPRS。而且 GPRS 技术向下兼容 GSM,因此运营商只需沿着现有的 GSM 网络来发展即可,无须另外追加投资。在 3G 资费标准未出台下,GPRS 仍然是现行无线数据传输的主要业务,现行运营基于 GPRS 的无线数据系统也不过时。2.3 手机模块中无线数据传输系统的选择与方案设计2.3.1 手机模块中无线数据传输系统的选择由上面的叙述可知,作为无线数据传输系统首选的 SMS 短消息和 GPRS 技术,对两者进行比对之后,得出以下结论:在资费方面,SMS 短消息的单条收费标准为 0.1 元条,GPRS 则按数据流量收费

    35、,成本更低;在容量方面,SMS 短消息的数据容量有限制且采用的是存储转发方式,这就会立生或多或少的时间延迟,特别是节假日数据传输高峰时,有时一条短消息会延迟几个小时到达,而 GPRS 则采用的是 TCP/IP 点对点通信,传输数据容量大,传输过程中间不经过任何延时,具有实时可靠性等优势。由此,采用 GPRS 技术做无线数据传输是当前最佳选择。2.3.2 手机模块的方案设计及器件选择由上述相关材料可知,本课题选择以 GPRS 为核心的无线通讯技术进行数据通讯模块的设计。本模块采用 MSP430F149 作为整个模块的 MCU。并采用一个 GPRS 模块(HUAWEI GTM900)作为传输数据的

    36、无线 MODEN, GTM900 与单片机通过串口进行连接。考虑到模块使用的灵活性,利用单片机的另外一个片内串口实现一个与上位机进行通信的接口,从而实现整个模块的完整通讯功能。该模块具体原理框图如图 2-1 所示。MSP430F149串口 1PC串口 0HUAWEI GTM900-B 电源及复位串行存储器GMS 网络第 10 页 共 52 页图 2.1 模块原理框图(1) 单片机的选择在这套系统中单片机一方面负责接收来自 PC 机的数据或发送数据到 PC 机上;另一方面还要负责将收到的数据通过 GPRS 网络与数据中心通信。因此,单片机的合理选择对数据的传输至关重要。近年来,在工业测控领域,国

    37、内诸多运用 TI 公司生产的 MSP430 系列单片机,其在振荡电路、功耗、软件加密等技术水平上均有很大的优势。尤其是其低功耗的特点很适合在现场不能频繁更换电源的环境。由此本模块最终选用的是 TI 公司的MSP430F149 单片机。下面介绍 MSP430F149 单片机的特点 。低电压、超低功耗首先,MSP430F149 单片机的电源电压采用的是 1.83.6V 低电压。RAM 数据保持方式下耗电仅 0.1A,活动模式耗电 250A/MIPS(MIPS:每秒百万条指令数),I/O 输入端口的漏电流最大仅 50nA。其次,MSP430F149 单片机采用独特的时钟系统设计 5。其具有两个不同的

    38、时钟系统:基本时钟系统和 DCO 数字振荡器时钟系统,采用高速晶体(最高 8MHz)和低速晶体(32768Hz)进行基本时钟模块配置。时钟可以通过指令的控制打开和关闭,从而实现对总体功耗的控制。强大的处理能力MSP430F149 单片机为 16 位的 RISC 指令(Reduced Instruction SetComputing 精简指令集)结构,具有丰富的寻址方式、精简的 27 条内核指令以及大量的模拟指令;大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算;还有高效的查表处理方法;有高效的处理速度,在 8MHz 晶振驱动下,指令周期为 125s。这些特点保证了可编制出高效率的源程序。系统工作

    39、稳定单片机上电复位后,首先由 DCO 时钟启动 CPU,以保证程序从正确的位置开始执行,保证晶体振荡器有足够的起振及稳定时间,然后软件可设置适当的寄存器的控制位来确定最后的系统时钟频率。如果晶体振荡器在用作 CPU 时钟 MCLK 时发生故障,DCO 会自动启动,以保证系统正常工作;如果程序跑飞,可用看门狗将其复位。丰富的片内外设MSP430F149 单片机有丰富的片内外设。它主要包括以下一些外围模块:看门狗第 11 页 共 52 页(WDT) 、定时器 A(Timer A)、定时器 B(Timer B)、比较器、串口 0(UART0) 、串口1(UART1)、硬件乘法器、12 位 ADC 端

    40、口和基本定时器。其中看门狗可以使程序失控时迅速复位;比较器进行模拟电压比较,配合定时器可以设计为 A/D 转换器;定时器具有捕获/比较功能,可用于事件计数、时序发生、PWM 等;12 位硬件 A/D 转换器有较高的转换速率,最高可达 200kbps,能满足大多数数据采集应用。方便高效的开发环境MSP430F149 单片机是 FLASH 型类型器件 6。对于 FLASH 型芯片有十分方便的开发调试环境,因为器件片内有 JTAG 调试接口,还有可电擦写的 FLASH 存储器,因此采用先下载程序到 FLASH 内,再在器件内通过软件控制运行,由 JTAG 接口读取片内信息供设计者调试使用的方法进行开

    41、发。这种方式只需要一台 PC 机和一个 JTAG 调试器,而不需要仿真器和编程器。更重要的是,其开发语言兼容 C 语言,使编程变得相当简单。(2) GPRS 器件 的选择本模块采用的GPRS器件是HUAWEI GTM900-B。GTM900-B是华为公司推出的一款两频段GSM/GPRS 无线模块。可以快速、安全可靠地实现数据传输、语音服务、短消息服务、GPRS 数据服务、传真服务等。器件的工作电源电压 3.4V4.8V(推荐值4.0V),可以工作在900MHz和1800MHz两个频段,所在频段功耗分别为2W(900M)和1W(1800M)。它支持标准的AT 命令及增强AT 命令,支持TEXT

    42、和PDU短消息模式;其GPRS 数据服务内嵌TCP/IP 协议,支持多链接,提供ACK 应答,提供大容量缓存,最高速率可达85.6Kbit/s。此外,该器件的补充服务还有来电显示、呼叫转移、呼叫保持、呼叫等待和三方通话等。由此可见该器件是高速数据传输等各种应用的理想解决方案。其适用于小数据量传送的场合,用户无需实现PPP 协议也可实现数据传输功能。华为GTM900-B通过独特的40管脚的FPC连接器,连接UART 接口、标准SIM卡接口(3V)、两路模拟音频接口以及电源接口,实现电源连接、指令、数据、语音信号、及控制信号的双向传输。其主要由GSM基带处理器、 GSM射频模块、供电模块、FPC

    43、连接器、GSC射频天线连接器几部分组成 7。基带处理器作为核心内容,主要处理 GSM终端内的语音、数据信号,并涵盖了蜂窝射频设备中所有的模拟和数字功能。不需要额外硬件电路的前提下,可支持FR、EFR、HR和AMR的语音编码,免提通话,回声抑制功能。第 12 页 共 52 页华为GTM900-B是一个完整的无限GPRS器件,本身能完成独立的功能。外部通过40管脚FPC 连接器对GTM900-B进行控制,从而实现电源连接、指令、数据、语音信号、及控制信号的双向传输。为了便于硬件设计,在附录中对器件的40个管脚进行介绍。3 数据通讯模块的硬件电路设计通过图 2.1 可知,硬件系统主要包括单片机、GP

    44、RS、电源、串口及串行存储器。3.1 MSP430F149 电路设计单片机作为整个模块的核心控制部分,主要是对数据进行传输,即将数据中转站。单片机与 GPRS 器件之间的通信采用单片机的串口 0(UART0)来实现,GPRS 器件与单片机接口时不需要进行接口转换 8。单片机与 PC 通信则通过单片机的串口 1(UART1)实现,由于单片机与 PC 机的接口电平不一致,所以需要串口芯片(SP3220)完成接口电平的转换。单片机电路如图 3.1 所示。图 3.1 单片机电路图通过图 3.1 可以看出,该单片机的接口电路非常简单。在单片机的时钟设计上与其他单片机有一定区别:MSP430F149 单片

    45、机采用两个时钟输入,即一个 32kHz 的时钟信号,另外一个为 8MHz 的时钟信号。该模块的时钟部分都是采用晶体振荡实现的。考虑到电源的输入波纹对单片机的影响,在电源的管脚增加一个 0.1uF 的电容来实现第 13 页 共 52 页滤波,以减小输入管脚处收到的干扰,另外单片机还有模拟电源的输入端,因此在这里需要考虑干扰问题,由于在该模块中的干扰比较小,因此模拟地和数字地共地,并在模拟电源输入管教增加一个滤波电容以减小干扰。单片机的串口 0 与 GPRS 器件接口,串口 1 与 PC 进行通信,由于接口电平不同,因此串口 1 与 RS-232 芯片进行连接。单片机的 P1.2 和 P1.3 管

    46、脚与串行存储器进行接口。3.2 GPRS 器件电路设计华为GTM900-B器件主要通过传口与单片机进行连接,从而单片机实现对华为GTM900-B的控制。虽然GTM900-B的串口提供许多控制线,但由于考虑到设计的简单性,并且与单片机的UART进行连接,所以采用(TXD、RXD)连接。对GTM900-B的控制可以通过软件实现,采用软件实现控制具有使用灵活等特点,也很好的避免了过多的硬件信号的检测,但本电路中任然对相应检测信号的管脚进行了连接。由于GTM900-B是一个功能完整的器件,因此不需要做任何信号的处理和射频处理。并且与单片机和SIM卡的连接是通过FPC连接器。如图3.2所示为GTM900

    47、-B的接口设计电路。由图3.2可以看出,GTM900-B接口电路的设计比较简单。在进行接口设计时,由于单片机的高电平和低电平的逻辑片段电平可以实现与GTM900-B的管脚进行连接,因此GTM900-B的串口线直接与单片机的串口进行连接。 图3.2 GTM900B的接口电路设计第 14 页 共 52 页3.3 电源电路设计由于单片机的电压为 3.3V,GSM 器件的工作电压为 4.0V,因此本模块需要提供3.3V 和 4.0V 的电压。(1) 3.3V 电源电路3.3V 电源部分采用 TI 公司的 TPS76033 芯片来实现。3.3V 电源电路具体如图3.3 所示。图3.3 3.3V电源电路图

    48、为了使3.3V输出电源的纹波小,在输出部分用了一个2.2uf和0.1uf的电容,另外在芯片的输入管脚也放置了一个0.1uf的滤波电容,减小干扰。(2) 4.0V 电源电路对于GTM900-B采用4.0V供电,选用NATIONAL公司的LM2576-ADJ芯片,具体电路图如图3.4所示。图3.4 4.0V电源电路图为了使4.0V输出电源的纹波小,在输出部分用了相应的电容、电感和稳压管进行滤波和稳压。(3)复位电路在单片机系统中,为了保证系统在上电时进行初始化,同时也为了保证对电源的监视,需要采用复位芯片。第 15 页 共 52 页图3.5 复位电路由图3.5可以看出:该电源电路非常简单,只需要在

    49、电源管教处加一个0.1uf的电容进行滤波处理,以减小干扰。3.4 串行接口电路设计该模块实现的串口电路(RS-232电路)主要是与上位机进行通信,实现单片机系统与上位机进行通信处理。由于单片机与上位机进行通信时接口电平不同,因此需要进行接口转换,这里采用SP3220芯片来完成接口电平的转换。为了便于硬件设计,在附录中对器件的16个管脚进行介绍。具体的RS-232电路图如图3.6所示。图3.6 RS-232电路图由图可以看出,通过一个上拉电阻将SHDN 管脚拉高,是该芯片一直处于工作状态,如果系统需要处于低功耗状态,也可以通过单片机来控制该管脚。工作时将该管脚设置为低电平,需要处于低功耗时将该管脚设置为高电平,这样很容易实现控制。在管脚C1+、C1-、C2+、C2-、V+和V-分别放置0.1uF的电容实现充电作用,满足相应的充电泵的要求。管脚T1OUT、TIN、R1OUT、和RIN分别是232转换的输入/输出脚,实现单片机的TTL电平与上位机的接口电平的转换。考虑到减小电源的干扰,还需要在芯片的电源输入管脚加一个0.1uF的电容来实现滤波,以减小输入端受到的干扰。第 16 页 共 52 页3.5 存储电路设计在本模块中,串行存储器使用24LC02B芯片实现。24LC02B主要是通过I 2C实现与单片机的

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