2020年12月16日 | 基于短信传输方式的无线工业模块设计

　　介绍了美国德州仪器（TI）公司的16位超低功耗单片机MSP430F135和Siemens公司TC35系列的MC37i。详细介绍了各个部分电路组成和原理。设计并实现了一种基于短信传输方式的无线工业模块。

　　0 引言

　　在工业测控领域，对远程数据传输有两种方案，利用GPRs技术和短信。GPRS通信基础是以IP包的形式进行数据的传输，当GPRS终端接入GPRS骨干网后，通过UDP、TCP等数据传输协议实现与网络上其它计算机的数据通讯。这种网络结构决定了数据中心计算机必须有固定的IP，要求数据中心用户架设VPN专线或办理一些宽带业务或办理虚拟专线网来获得可以提供给终端的固定IP地址。以上这些都会增加用户运营成本，而利用短信传输方式可以降低用户的运营成本，使用点到点收发设备，对一些实时性要求不是很高，架设网络费用低，数据传输量不大，具有明显的优势。针对上述特征本文设计了一款基于短信传输方式的无线工业模块，给出各电路设计的方案，并对各部分电路进行详细的描述。

　　1 MC37i模块

　　MC37i模块是Siemens公司推出的新一代工业级GSM模块，该款模块特点是外形设计精巧、紧凑，功能强大，接口简单，方便用户使用。

　　模块主要特性与技术指标包括以下几点：1）双频段：为GSM900／1800MHz；2）支持数据、语音、短消息和传真；3）高集成度（32．5×35× 3．1mm），重量仅为6g；4）宽范围电源电压：3. 0～4．8V；5）RS232选比特率300b／s～230kb／s；6）平均功率消耗；2．3W／900MHz；1．38W ／1800MHz；7）温度范围：工作温度-20～+55℃，储存温度-40～+70℃；8）SIM电压：3V／1．8V；9）RF输出接头：U．FL-R-SMT，插头，阻抗50Ω；10）GPRS模式：编码方式（CS1-CS4）；11）SMS短信息收发方式PDU和MO／MT文本格式。

　　MC37i模块有50个引脚，通过一个DF12C连接器引出。这50个引脚可以划分5类-电源、数据输入输出、SIM卡、音频接口和控制。

　　2 系统整体电路设计

　　设计的整体结构框图如图1所示，由MC37i模块、电源电路、单片机电路、SIM卡电路等构成。1）上行工作方式：被测信息通过分压接口电路取得分压数值，经过单片机程序AD转换运算、编码，组成短信格式，经MC37i模块发向数据中心；2）下行工作方式：数据中心下发短信，经MC37i模块接收，由单片机程序解码，解析指令，驱动接口，执行相应的动作。完成测控功能。

　　3 硬件设计

　　3．1 电源电路

　　设计的电源输入是12V。由于MC37i模块在发射瞬间最大电流可达2A，电源会产生一些跌落，考虑电源干扰问题，对单片机和模块采用分开供电方式。电源电路示意图如图2所示。

　　MC37i模块工作电压在3．0～4．8V，对于传统线性稳压器构成的稳压电源很难满足能低压大电流的要求，因此电源电路选用TI公司生产的工业级具有3A电流输出降压开关型集成稳压电路芯片TPS54331D，该芯片可最大提供达3A的电流，并且外围电路简单，输入电压范围较宽，输出电压范围可调。模块电源电路如图3所示。在制作PCB板图时要注意，对模块供电的电源回路尽可能加宽，以减少电压输出纹波。

　　MC37i模块在传送数据瞬间，电源会产生一些跌落，如图4所示，△值可达0．3V，因此在给模块供电时，靠近MC37i模块VCC引脚座旁对地并加一些滤波电容，用1000 μF电解电容并连在电源与地之间，以减少电压波动。同时，为了减少天线发射时射频对电源的干扰，在靠近MC3 7i模块的电源旁边对地并接100nF、39pF、22pF、8．2pF电容。

　　3．2 数据采集电路

　　数据采集电路主要采集蓄电池电压、太阳能板电压。采集电路如图5所示。VSOLAR接太阳能板电压正极，VBAT接蓄电池电压正极。由于在实际运用中被检测信号电压超过12V，因此通过电阻分压网络对被检测信号进行分压，得电压系数为：ADBAT=30K／（120K+30K）=0．2VBAT（以VBAT为例）。为了保护检测引脚不被损坏，在输入引脚处各加一个3．3V稳压二极管。图中电解电容起到滤波作用，能够滤掉电源线上的微小干扰。

　　3．3 SIM卡电路

　　SIM卡电路如图6所示。MC37i模块需要外接SIM座。该模块支持1．8V和3V两种SIM卡。与SIM卡接口有8个引脚，包括SIM卡的时钟CLK，数据输入／输出DIO，复位RST，电源VCC，地GND，插入检测PDN。PDN用于检测SIM座是否放有SIM卡，当SIM插入时，PDN为与GND短接。

　　3．4 MSP430F135外围电路

　　单片机外围电路主要由晶振电路、复位电路、编程接口电路和看门狗电路等构成，如图7所示。

　　本设计使用的MSP430F135单片机属于德州仪器公司的MSP430F13X／14X FLASH系列。该系列是一组超低功耗的微控制器，有多种工作模式，电压范围1．8～3．6V。具有16位RISC结构、16位寄存器和常数寄存器、两个16位定时器（带看门狗功能）、速度极快的8通道12位ADC（带内部参考电压、采样保持和自动扫描功能）、一个内部比较器和一个通用同步／异步发射接收器、48个I／O口（均可独立控制）的微处理器结构。MSP430 FLASH擦写次数高达10万次，抗干扰能力强。

　　3．5 MC37i电路

　　MC37i模块共有50个引脚，模块PCB通过DF12C座与DF12E（3．0）-50DP-0．5V（81）型号连接器连接。模块开机信号通过TS引脚控制，当TS引脚高电平（即在模块IGT低电平）≥100mS即可实现开机；若想关闭模块，当ON／OFF引脚高电平（即在模块IGT低电平）≥10mS可关闭模块，也可通过AT指令关闭模块。SYNC引脚外接输出状态LED指示灯，通过送不同的占空比电平，指示出模块各个工作状态。图8 MC37i应用电路。

　　4 软件设计

　　4．1 短信模式

　　短信息格式有两种，TEXT模式和PDU模式。TEXT模式是基于ASCII码形式字符的一种结构模式，每一条命令很容易读懂，实现起来也十分容易，缺点是不能收发中文短信。PDU模式也是基于十六进制形式字符的，数据和代码都经过编码了，所以无法直接读懂。而PDU模式同时支持中英文两种短信。PDU模式收发短信包括3种编码：7-bit、8-bit和UCS2编码。7-bit编码用于发送普通的ASCII字符，8-bit编码通常用于发送数据信息，UCS2编码用于发送Unicode字符。PDU模式在GSM移动设备中使用最为普遍。

　　在PDU模式中，当使用7位编码时，最多可发160个字符，使用8位编码时，最多可发140个字符，使用16位编码时，最多可发70个汉字字符。因此在发送时需要将8位（HEX）字节数据编码转成8位（OCT）字节发送，同时，接收时需要将8位（OCT）字节解码成7位（ASCII）字节。例如：要发送数据为“123456789abc”，经过编码后变成“31 D9 8C 56 B3 DD 70 B9 B0 78 0C”。设收到的短信息内容为“31 D9 8C 56 B3 DD 70 B9 B0 78 0C”，解码后变为“123456789abc”。具体实现公式可参照《单片机与嵌入式系统应用》2007年第4期《PD［J模式的短信息编／解码方法及单片机实现》一文。

　　4．2 软件流程

　　系统软件设计的重点在于单片机的编程，包括系统初始化，数据采集，短信编码发送，短信接收解码等功能。单片机与MC37i通信通过向串口写入不同的AT指令集，能够完成多种功能。其主程序流程如图9所示。

　　5 结束语

　　本电路是实际工程项目中的一部分，在整个电路设计过程中，对电路设计均选择工业级器件，能够适应现场环境要求，同时设备要求安装在野外，整机待机功耗《5mA。作为测控系统一部分，利用本电路可以很好地完成对现场测控设备的数据采集和远程维护工作。