帶USB接口的短信收發(fā)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、帶USB接口的短信收發(fā)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) 短信息服務(wù)是移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)上一種基本無(wú)線業(yè)務(wù)，是信息在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)上儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)寄的過(guò)程。但是 用常見(jiàn)的手機(jī)編輯短信息不方便，輸入和顯示都有局限,當(dāng)然不適合工業(yè)應(yīng)用，用PC機(jī)就不 存在這些問(wèn)題。而這種短信收發(fā)系統(tǒng)一般是基于RS232串行總線的，不僅安裝麻煩，而且 由于受計(jì)算機(jī)插槽數(shù)量和地址、中斷資源的限制，不可能掛接很多設(shè)備。在一些電磁干擾性 強(qiáng)的測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)，無(wú)法專門對(duì)其做電磁屏蔽，導(dǎo)致信息的失真。本設(shè)計(jì)以GSM網(wǎng)絡(luò)作為數(shù)據(jù) 無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)，選用支持GSM網(wǎng)絡(luò)的模塊TC35i和帶有USB接口的單片機(jī)開發(fā)而成。1系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和主要器件本系統(tǒng)主要由短信收發(fā)模塊和兼有監(jiān)控實(shí)現(xiàn)US

2、B接口雙重功能的單片機(jī)組成，即西門子 公司的TC35i模塊和Cygnal公司的C8051F320。系統(tǒng)框圖如圖1所示。本設(shè)計(jì)將TC35i 終端與電腦相連（通過(guò)USB接口,TC35i終端支持GSMU AT指令集），就可以通過(guò)自行編制的 短信息收發(fā)軟件，利用PC的超級(jí)終端功能實(shí)現(xiàn)短信息收發(fā)。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)中英文點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的雙 向收發(fā)，一次最多可以發(fā)送70個(gè)中文字符和160個(gè)英文字符。一旦消息被發(fā)送，那么發(fā)送人 就會(huì)得到發(fā)送成功的通知。它還可以實(shí)現(xiàn)一次性群發(fā)，最多可以發(fā)給10個(gè)用戶，并且有電話 簿功能。該終端具有隨機(jī)收發(fā)，實(shí)時(shí)接收，立即回復(fù)，成本低等特性。5-12V圖1系統(tǒng)框圖1.1 TC35i模塊的介紹

3、目前，國(guó)內(nèi)常用的GSM模塊有Waecome的WMO2、愛(ài)立信的DM10/DM20系列、中興的 ZXGM18系列和西門子公司的TC35i，這些模塊各有所長(zhǎng)。其中西門子公司的TC35i系列模 塊性價(jià)比高，并且已經(jīng)有國(guó)內(nèi)的無(wú)線電設(shè)備入網(wǎng)證。本設(shè)計(jì)就是選用西門子公司的TC35i。TC35i是一個(gè)支持中文短信息的工業(yè)級(jí)GSM模塊,工作在EGSM900和GSM1800雙頻段, 電源范圍為3.35.5 V，可傳輸語(yǔ)音和數(shù)據(jù)信號(hào)，功耗在EGSM900 （4類）和GSM1800 （1 類）分別為2 W和1W，通過(guò)接口連接器和天線連接器分別連接SIM卡讀卡器和天線TC35i的數(shù)據(jù)接口（CMOS電平）通過(guò)AT命令可

4、雙向傳輸指令和數(shù)據(jù),可選波特率為300 b/s115 kb/s ,自動(dòng)波特率為 1.2 kb/s115 kb/s。它支持 Text 和 PDU 格式的 SMS （Short Message Service,短消息）,可通過(guò)AT命令或關(guān)斷信號(hào)實(shí)現(xiàn)重啟和故障恢復(fù)TC35i由供電模塊（ASIC）、 閃存、ZIF連接器、天線接口等6部分組成。作為TC35i的核心，基帶處理器主要處理GSM 終端內(nèi)的語(yǔ)音和數(shù)據(jù)信號(hào)，并涵蓋了蜂窩射頻設(shè)備中的所有模擬和數(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。1.2 C8051F320 的介紹USB的特點(diǎn)是統(tǒng)一了周邊所有裝置的連接口，各

5、種不同的插頭、插座都設(shè)計(jì)為統(tǒng)一規(guī)格， 這就解決了哪一個(gè)裝置插頭要接在哪個(gè)連接口的問(wèn)題。USB總線接口作為外設(shè)的通用接口， 有其他接口無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。速度性能是USB技術(shù)的突出特點(diǎn)，它支持熱插拔，是真正的 即插即用設(shè)備，支持雙向、同步傳輸，能保證某些需要連接數(shù)據(jù)流的設(shè)備需要。在進(jìn)行該 USB設(shè)備開發(fā)之前，首先要根據(jù)具體使用要求選擇合適的USB控制器。現(xiàn)在市場(chǎng)上供應(yīng)的 USB控制器主要有兩種：帶USB接口的單片機(jī)（MCU）或純粹的USB接口芯片。筆者選用 Cygnal公司的C8051F320芯片屬于前者。Cygnal公司的C8051F系列單片機(jī)是集成的混合信號(hào)片上系統(tǒng)SoC。它具有與MCS-51內(nèi)

6、 核及指令集完全兼容的微控制器，帶有USB收發(fā)器，完全遵循USB協(xié)議2.0，支持12 Mbps 的全速傳輸或1.5 Mbps的低速傳輸，可時(shí)鐘恢復(fù)，不需額外的晶振（當(dāng)然根據(jù)設(shè)計(jì)習(xí)慣， 也可以采用外部晶振），提供有8個(gè)端點(diǎn)（endpoint），且每個(gè)端點(diǎn)的傳輸類型、傳輸方 向均可自由配置。另外，它還集成有1 KB的USB SRAM和USB收發(fā)器，內(nèi)置的16 KB的 Flash存儲(chǔ)器和256 B的內(nèi)部RAM，還可以訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM，即XRAM。它還可以 為固件提供足夠的存儲(chǔ)空間，不需要再擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器。更重要的是C8051F320內(nèi)部包含 有一個(gè)C2 （Cygnal2-Wire）調(diào)試電路，

7、通過(guò)2腳的C2接口使用開發(fā)套件，就可以進(jìn)行非侵 入式、全速的在系統(tǒng)調(diào)試。另外，這2腳是公用的，它還有其他的功能，這樣設(shè)計(jì)PCB板 就相對(duì)簡(jiǎn)單些。2硬件系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用Cygnal C8051F320作為控制主芯片。Cygnal C8051F為兼容MCS-51內(nèi)核的 單片機(jī)，內(nèi)置8 KB Flash擁有256字節(jié)RAM。由于內(nèi)置Flash,因此在電路設(shè)計(jì)上可以省去外 接程序存儲(chǔ)器，縮小了 PCB板的面積，也提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。在這個(gè)GSM系統(tǒng)中，還有 一些基本不變或者很少變化的量，比如子機(jī)的編號(hào)、號(hào)碼、短消息中心號(hào)碼等，這些數(shù)據(jù)可以 作為常量直接寫入程序的Flash中。單片機(jī)通過(guò)串口和

8、TC35i通信，單片機(jī)從TC35i接到外 來(lái)的信息，并通過(guò)USB接口和PC機(jī)通信。VBATT+,78Q5CV*-LVin uu V5vJ&2GNDQI pFI5hFAS1I1?*A3C7OluFVCC圖2穩(wěn)壓電源電路2.1穩(wěn)壓電源電路最小系統(tǒng)工作電壓為5 V DC。由于TC35i模塊的突發(fā)耗電電流峰值可達(dá)3 A,故外加穩(wěn)壓 器件必須達(dá)到足以提供該額定電流的條件。另外，電源的指標(biāo)不僅僅有電壓，而且功率容限 等指標(biāo)都要滿足要求，故采用圖2的設(shè)計(jì)方案。在該系統(tǒng)中,開關(guān)電源芯片LM7805完成12 V到?5 V?的轉(zhuǎn)換，電源電路主要由LM7805和AS1117-3.3這2個(gè)三端穩(wěn)壓電源模塊構(gòu)成， 電源

9、模塊AS1117-3.3接收LM7805輸入的5 V電平，輸出為整個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)提供+3.3 V工 作電壓，連到ZIF連接器的15引腳，為TC35i提供+5 V、500 mA的充電電壓。電源的 輸出基本不會(huì)受外部輸入變動(dòng)干擾，而且有效的消除了電磁干擾。IGT電路對(duì)于TC35i模塊控制，IGT信號(hào)非常重要，只有正確的IGT信號(hào)才可以使TC35i模塊正常 運(yùn)行。系統(tǒng)加電后，為使TC35i進(jìn)入工作狀態(tài)，必須給IGT加一個(gè)延時(shí)大于100 ms的低脈 沖,電平下降持續(xù)時(shí)間不可超過(guò)1 ms。驅(qū)動(dòng)IGT時(shí)，TC35i供電電壓不能低于3.3 V，否則 TC35不能激活。電路設(shè)計(jì)如圖3所示。啟動(dòng)電路由開漏極三極管

10、和上電復(fù)位電路組成。為 保證整個(gè)系統(tǒng)正常啟動(dòng)，要求在電源加電時(shí)，IGT必須保持大于100 ms的低電平后，再跳 到高電平，在電路板中是依靠RC電路來(lái)完成的，且該信號(hào)下降沿時(shí)間小于1 ms。啟動(dòng)后， IGT腳的信號(hào)應(yīng)保持高電平。電源通電后，+5 V電源通過(guò)電阻對(duì)電容充電，使電容正極上 的電壓慢慢上升，大約經(jīng)過(guò)100 ms達(dá)到高電位，使施密特觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，系統(tǒng)被復(fù)位。啟動(dòng) 后，IGT應(yīng)保持高電平(3.3 V)。TC35i數(shù)據(jù)接口通過(guò)USB電纜直接與PC機(jī)連接。數(shù)據(jù)接口遵從DCE的ITU2T RS232內(nèi) 部交換電路標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)異步串行收發(fā)功能。TC35i其他部分電路TC35i使用外接式SIM卡，ZIF

11、連接器上有6個(gè)引腳做為SIM卡的接口,SIM卡上也有6個(gè) 引腳分別與它相對(duì)應(yīng)，SIM卡同TC35i是這樣連接的:SIM上的CCRST、CCIO、CCCL、CCVCC和CCGND通過(guò)SIM卡閱讀器與TC35i的同名端直接相連,CCIN懸空，而TC上的CCIN通過(guò) 一個(gè)3.3 kQ電阻與CCVCC相連，用來(lái)檢測(cè)SIM卡是否插好。這種連接方式是由SIM卡閱 讀器決定的，由于此部分的電路簡(jiǎn)單，本文就不提供了。TC35i的SYNC引腳有兩種工作模式，一種是指示發(fā)射狀態(tài)時(shí)的功率增長(zhǎng)情況，另一種是 指示TC35i的工作狀態(tài)，可用AT命令A(yù)T SYNC進(jìn)行切換，本模塊使用的是后一種。當(dāng)LED 熄滅時(shí)，表明TC

12、35i處于關(guān)閉或睡眠狀態(tài)；當(dāng)LED為600 ms亮/600 ms熄時(shí)，表明SIM卡 沒(méi)有插入或TC35i正在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)登錄；當(dāng)LED為75 ms亮/3 s熄時(shí)，表明TC35i已登錄進(jìn) 網(wǎng)絡(luò)，處于待機(jī)狀態(tài)。2.4單片機(jī)周圍電路采用Cygnal公司內(nèi)置USB接口的高性能微控制器芯片C8051F320，簡(jiǎn)化了硬件部分的設(shè) 計(jì)。該單片機(jī)即實(shí)現(xiàn)了 USB接口的功能又要完成對(duì)模塊的控制功能。因?yàn)镃8051F320是帶 USB接口的單片機(jī)，所以整個(gè)硬件部分與一般單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)類似，僅需要通過(guò)端口 P0.5和P0.4連接40腳ZIF插座就可實(shí)現(xiàn)模塊和單片機(jī)之間的通信。下面是設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)特別 注意的問(wèn)題：在外接

13、晶體時(shí)，一定要在晶體的兩端接上10 MQ的電阻，晶體外殼最好接地， 而且布線盡量的短，盡量減少干擾。若要快捷、成功地開發(fā)一個(gè)USB設(shè)備，正確、合理的 調(diào)試方法是必不可少的環(huán)節(jié)。那么設(shè)計(jì)調(diào)試所用的JTAG 口時(shí)，要在TCK加上3.3 V上拉， 上拉電阻為4.7 kQ。本單片機(jī)共有32個(gè)引腳，對(duì)于未用的I/O 口最好用100 Q的電阻下拉 到地。這樣有助于保護(hù)I/O 口。3軟件設(shè)計(jì)基于帶有USB接口的短信發(fā)送系統(tǒng)，既包括硬件設(shè)計(jì)又包括軟件設(shè)計(jì)，下面簡(jiǎn)單介紹軟件 設(shè)計(jì)。USB應(yīng)用系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分為三部分：USB外設(shè)端的固件（firmware）、主機(jī)操作系統(tǒng) 上的客戶驅(qū)動(dòng)程序以及主機(jī)應(yīng)用軟件。8051F

14、320固件程序控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，并負(fù)責(zé)處 理PC機(jī)發(fā)來(lái)的各種USB請(qǐng)求，以完成它們之間的數(shù)據(jù)傳輸。該固件共包含7個(gè)程序文件， 響應(yīng)各種來(lái)自系統(tǒng)的USB標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求，完成各種數(shù)據(jù)的交換工作和事件處理。單片機(jī)通過(guò)串 行口控制TC35i，控制方法采用標(biāo)準(zhǔn)的AT命令集。由于在GSM標(biāo)準(zhǔn)中，中文編碼采用的 是Unicode編碼，而不是目前國(guó)內(nèi)常用的GB-2312編碼，故還需要進(jìn)行中文編碼的轉(zhuǎn)換， 才能顯示漢字字型。因此，在進(jìn)行短消息的發(fā)送時(shí)，還要對(duì)用戶數(shù)據(jù)按PDU格式進(jìn)行編碼， 為了增強(qiáng)硬件的功能最好把這部分放在固件。這些底層的驅(qū)動(dòng)函數(shù)將會(huì)使上層協(xié)議的編寫很 方便，更重要的是，它提供了一個(gè)硬件抽象層。當(dāng)?shù)?/p>

15、層硬件改動(dòng)時(shí)，只需要改動(dòng)底層的驅(qū)動(dòng) 函數(shù)，而上層函數(shù)的代碼不變。在此基礎(chǔ)之上再編寫應(yīng)用層程序。主機(jī)應(yīng)用軟件通過(guò)客戶驅(qū) 動(dòng)程序與系統(tǒng)USBDI進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)USB數(shù)據(jù)的傳送動(dòng)作。nvbatt+kiiL】VBE|RI2IMO |J 21N4I48510ft圖3 IGT電路在USB傳輸中，因外圍設(shè)備的類型與應(yīng)用不同，制定了 4種傳輸類型，分別是控制傳輸 (control transfer) 中斷傳輸(interrupt transfer) 批量傳輸(bulk transfer)以及實(shí)時(shí)傳輸 (isochronous transfer)。其中，需要特別注意的是慢速設(shè)備僅支持控制傳輸與中斷傳輸。在 此系統(tǒng)中采用中斷傳輸。筆者采用Keil C51完成固件的設(shè)計(jì)，在DRIVER STUDIO環(huán)境中采用Visual C+ 6.0完成 USB驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)，最后用Visual C+ 6.0開發(fā)生成應(yīng)用軟件及其相關(guān)使用說(shuō)明。本設(shè) 計(jì)完全采用