基于GSM短消息無線數據采集系統的硬件設計①

摘 要：本文將控制器和GSM模塊相結合，設計成一個智能短消息無線收發器，用它把系統接入GSM網絡完成無線數據傳輸，并給出系統實現的硬件結構圖和主要硬件電路。

關鍵詞：短信收發器 GSM模塊 硬件設計

中圖分類號：TP274文獻標識碼：A文章編號：1674-098X（2012）09（b）-0028-02

1 引言

在基于GSM短消息無線數據采集系統的總體設計方案中，硬件電路是系統的最基本的組成部分。系統的硬件設備主要由數據采集終端、控制器、GSM模塊和上位計算機組成（見圖1），控制器與GSM通信模塊相接合構成短信收發器來滿足無線數據采集系統的需要。

2 短信收發器的硬件框架

短信收發器是基于GSM短消息數據采集系統的一個最為重要的組成部分，發揮著及其關鍵的作用。它的硬件電路設計是圍繞著數據采集、數據匯總和遠距離GSM無線傳輸這些功能來設計的。其硬件的整體框架如（圖2）所示：

整個短信收發器的硬件系統包括核心邏輯處理單元，即單片機、外擴RAM、外擴FLASH芯片、參數存儲電路、RS-485通訊接口電路、RS-232通訊接口電路、撥碼開關、指示燈電路和電源電路。

系統選用具有雙串口的單片機做為主控芯片，正常運行時，通過其中一個串行接口與RS-485或RS-232接口電路相連，接收來自數據采集器的數據；另外一個串口與GSM模塊相連，當上位機要讀取數據或向下位機發送命令的時候，單片機就通過該串行接口和GSM模塊進行通訊，并最終通過GSM網絡把數據以短消息的形式傳送給上位計算機；外接FLASH閃速存儲器用來存儲采集過來的數據或接收到的短消息；參數存儲器使用串行E2PROM芯片，即使在系統掉電時仍然能夠保存住已設定的系統參數；撥碼開關電路是用來選擇電路狀態的，可以切換電路處于RS-232或RS-485通訊狀態、還可以選擇通信波特率等；指示燈電路用來指示電源、數據收發狀態、本地信號場強等信息。

3 核心邏輯處理單元

本系統采用的W77E532是44引腳的PLCC封裝，它是Winbond公司推出的與8051系列單片機兼容的高速微處理芯片，與80C51系列單片機相比較，除了具有兩個全雙工串口以外，還有以下幾個特點：

4 GSM模塊-TC35i

TC35i模塊是一個達到工業標準的完整GSM Modem，它與GSM2/2+兼容，擁有EGSM900/GSM1800雙頻段功能，有較寬的電源電壓輸入范圍，提供LED網絡信號指示以及簡便的串行接口，該模塊集射頻電路和基帶于一體，設計緊湊，小巧的外形易于集成；有標準的RS-232接口，向用戶提供標準的AT命令接口，符合ETSI標準GSM07.07和GSM07.05，支持數字、語音、短消息和傳真業務，為數據、語音、短消息和傳真提供快速、可靠、安全的傳輸，方便用戶的應用開發及設計，且易于升級為GPRS模塊。

4.1 TC35i的內部結構

TC35i的內部由GSM基帶處理器、射頻、Flash、天線接口、匹配電源ASIC和40pin的ZIF插座組成，由若干超大規模集成電路和射頻器件構成，包含信號處理、信道編碼、GSM控制、收發信單元、射頻控制、數據輸入/輸出接口等部分內部結構。

4.2 TC35i主要特性與技術指標

（1）支持數據、短消息、話音和傳真服務；需要SIM卡開通相應的服務即可；

（2）頻段為雙頻GSM900MHz和GSMl800MHz （phase 2/2+）；

（3）電源電壓為單一電壓3.3～4.8V，且在GSM信號脈沖引起電流持續峰值（2A）期間電壓降不能超過400mV，否則，TC35i自動關機；

（4）典型電流消耗：休眠狀態為3.5mA，空閑狀態為25mA，發射狀態為300mA（平均），通話下的峰值電流小于2A；

（5）外接SIM卡閱讀器，通過40pin的ZIF插座進行通信，SIM電壓為3V/1.8V；

（6）留有與數據終端設備的RS-232接口，通過標準AT命令進行訪問和控制；

（7）TC35i的啟動比較特殊，不是VBATT+加上5V的電壓后，就開始啟動，而要等Ignition信號進行點火之后才啟動（登陸GSM網絡）。VBATT+未供電之前，點火信號為低電平，當VBATT+升到+3V以上后點火信號必須保持高阻態至少10ms，然后迅速將點火信號拉到地（下降沿不能超過1ms），并保持至少l00ms后，恢復并保持高阻態，這時TC35i就開始登錄網絡。

（8）TC35i有工作狀態同步輸出端（SYNC）該輸出可以控制發光二極管，從而指示TC35i模塊的工作狀態；

（9）與數據終端通信時，具有波特率自動調整功能，可以從1200，2400，4800，9600，19200，38400，57600，115200b/s中自動調節與終端匹配的波特率；

（10）溫度范圍——正常操作-20℃～+55℃，存放-30℃～+85℃；

（11）高集成度（54.5mm×36mm×3.6mm），質量為9g。

4.3 硬件設計

TC35i有40個引腳，通過一個ZIF連接器引出。這40個引腳可以劃分為5類，即電源、數據輸入/輸出、SIM卡、音頻接口和控制。第1～14腳為電源部分：1～5為電源電壓輸入端VBATT+，6～10為電源地GND，11、12為充電引腳，13為對外輸出電壓（共外電路使用），14為ACCU-TEMP接負溫度系數的熱敏電阻。24～29為SIM卡引腳，分別為CCIN、CCRST、CCIO、CCCLK、CCVCC和CCGND。33～40為語音接口，用來接電話手柄。15、30、31和32腳為控制部分：15為點火線/IGT（Ignition）， 30為RTC backup，31為Power down，32為SYNC；16～23為數據輸入/輸出，分別為DSR0、RING0、RXD0、TXD0、CTS0、RTS0、DTR0和DCD0。

本系統設計的TC35i電路在硬件設計過程中，考慮主要考慮到了模塊啟動電路、SIM卡電路、TC35i的SYNC引腳工作模式及單片機與TC35i接口電路的設計。

4.3.1 模塊啟動電路的設計：

我們了解到系統加電后，為使TC35i進入工作狀態，必須給/IGT腳加一延時大于100ms的低脈沖，正常工作時/IGT腳應該保持高阻態。本系統通過點火線/IGT給其一個點火信號來激活TC35i。為了實現上述時序，本系統采取軟件的方法實現模塊的開機。

單片機W77E532的P3.5腳作為模塊的開關控制，它通過一個二極管與TC35i的/IGT腳相連，系統初始化時，令P3.5輸出低電平，則點火信號/IGT下拉為低電平，之后用軟件延時200ms，將P3.5置為高電平，這時二極管導通，/IGT變為高阻態輸出，故可以滿足TC35i的開機電路要求。

4.3.2 SIM卡電路的設計：

基帶處理器集成了一個與ISO7816-3IC 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，TC35i在ZIF連接器上為SIM卡接口預留了6個引腳，所加添的CCIN引腳用來檢測SIM卡支架中是否插有SIM卡。當插入SIM卡，該引腳置為高電平時，系統方可進入正常工作。

SIM卡由CPU、工作存儲器（RAM）、程序存儲器（ROM）、數據存儲器（EEPROM）和串行通信單元組成。通常SIM卡共有8個觸點，即：Vcc電源電壓、RST復位端、CLK時鐘、GND，Vpp編程電壓、I/O輸入輸出和兩個保留觸點。SIM卡各觸點與TC35i的連接必須按照TC35i模塊的文檔進行。

4.3.3 TC35i的SYNC引腳工作模式的設計

SYNC有兩種工作模式，可用AT命令AT+SYNC進行切換。一種是指示發射狀態時的功率增長情況，另一種是指示TC35i的工作狀態。本模塊使用的是后一種功能，SYNC腳連接一個發光二極管，用來指示模塊的工作狀態，當LED熄滅時，表明TC35i處于關閉或睡眠狀態；當LED為600ms亮/600ms熄時，表明SIM卡沒有插入或TC35i正在進行網絡登錄；當LED為75ms亮/3s熄時，表明TC35i已登錄進網絡，處于待機狀態。

4.3.4 單片機與TC35i接口電路的設計

在電路設計中，需要注意的是TC35i模塊輸入輸出的TTL正邏輯電平不是+5V而是+2.9V，而單片機采用+5V供電，所以必須進行電平轉換，我們采用串連電阻降壓的方法來實現電平的轉換。

TC35i收到網絡發來的短消息時，能夠通過串口向單片機發送指示消息，數據終端設備也可以向TC35i發送各種命令，總的來說TC35i非常適合于GSM短消息的數據采集系統。

5 結語

基于GSM短消息無線數據采集系統，通過信號采集技術把工業現場數據采集下來，通過短信收發器對采集的數據在PDU模式進行編碼，形成短消息數據包，將數據包用AT命令發送到遠程的監控中心。在監控中心完成對數據包的解碼、分析，從而得到現場數據。短信收發器能夠支持多種通信協議，以便適應不同種類的現場數據采集器。由于內含大容量存儲器，因而在與網絡離線時也能采集并保存數據。在數據傳送方式上能夠支持自動定時發送和遠端主機查詢兩種方式。該系統具有覆蓋面廣、適應性強、用戶投資小、運營費用少的優點，對于解決監控采集點分散、分布面廣、監控點移動、實時性要求不高數據采集任務具有無可比擬的優勢。

參考文獻

[1] 陳雷，丁曉明，李強.GSM短消息系統在遠程數據采集中的應用.

[2] 潘斌，郭紅霞.短信收發模塊TC35i的外圍電路設計，單片機與嵌入式系統應用.