帶USB介面的簡訊收發最小系統設計

    簡訊息服務是移動網路上一種基本無線業務,是信息在移動網路上儲存和轉寄的過程。但是用常見的手機編輯簡訊息不方便,輸入和顯示都有局限,當然不適合工業應用，用PC機就不存在這些問題。而這種簡訊收發系統一般是基於RS232串列匯流排的，不僅安裝麻煩，而且由於受計算機插槽數量和地址、中斷資源的限制，不可能掛接很多設備。在一些電磁干擾性強的測試現場，無法專門對其做電磁屏蔽，導致信息的失真。本設計以GSM網路作為數據無線傳輸網路，選用支持GSM網路的模塊TC35i和帶有USB介面的單片機開發而成。

1 系統的結構特點和主要器件
　本系統主要由簡訊收發模塊和兼有監控實現USB介面雙重功能的單片機組成，即西門子公司的TC35i模塊和Cygnal 公司的C8051F320。系統框圖如圖1所示。本設計將TC35i終端與電腦相連 (通過USB介面,TC35i終端支持GSMU AT指令集),就可以通過自行編製的簡訊息收發軟體,利用PC的超級終端功能實現簡訊息收發。該系統可實現中英文點對點的雙向收發,一次最多可以發送70個中文字元和160個英文字元。一旦消息被發送,那麼發送人就會得到發送成功的通知。它還可以實現一次性群發,最多可以發給10個用戶,並且有電話簿功能。該終端具有隨機收發,實時接收,立即回復,成本低等特性。
 
圖1 系統框圖

1.1 TC35i模塊的介紹
　目前,國內常用的GSM模塊有Waecome的WMO2、愛立信的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。其中西門子公司的TC35i系列模塊性價比高，並且已經有國內的無線電設備入網證。本設計就是選用西門子公司的TC35i。
　TC35i 是一個支持中文簡訊息的工業級GSM 模塊,工作在EGSM900 和GSM1800 雙頻段,電源範圍為3.3～5.5 V ,可傳輸語音和數據信號, 功耗在EGSM900 (4 類) 和GSM1800 (1 類) 分別為2 W和1 W ,通過介面連接器和天線連接器分別連接SIM卡讀卡器和天線。TC35i 的數據介面(CMOS 電平)通過AT 命令可雙向傳輸指令和數據,可選波特率為300 b/s～115 kb/s , 自動波特率為1.2 kb/s～115 kb/s。它支持Text和PDU 格式的SMS (Short Message Service,短消息),可通過AT 命令或關斷信號實現重啟和故障恢復。TC35i由供電模塊(ASIC)、快閃記憶體、ZIF 連接器、天線介面等6部分組成。作為TC35i的核心，基帶處理器主要處理GSM 終端內的語音和數據信號，並涵蓋了蜂窩射頻設備中的所有模擬和數字功能。在不需要額外硬體電路的前提下，可支持FR、HR 和EFR 語音通道編碼。

1.2 C8051F320的介紹
　USB的特點是統一了周邊所有裝置的連介面，各種不同的插頭、插座都設計為統一規格，這就解決了哪一個裝置插頭要接在哪個連介面的問題。USB匯流排介面作為外設的通用介面，有其他介面無法比擬的優勢。速度性能是USB技術的突出特點，它支持熱插拔，是真正的即插即用設備，支持雙向、同步傳輸，能保證某些需要連接數據流的設備需要。在進行該USB設備開發之前，首先要根據具體使用要求選擇合適的USB控制器。現在市場上供應的USB控制器主要有兩種：帶USB介面的單片機（MCU）或純粹的USB介面晶元。筆者選用Cygnal公司的C8051F320晶元屬於前者。
　Cygnal公司的C8051F系列單片機是集成的混合信號片上系統SoC。它具有與MCS-51內核及指令集完全兼容的微控制器，帶有USB收發器，完全遵循USB協議2.0，支持12 Mbps的全速傳輸或1.5 Mbps的低速傳輸，可時鐘恢復，不需額外的晶振（當然根據設計習慣，也可以採用外部晶振），提供有 8個端點（endpoint），且每個端點的傳輸類型、傳輸方向均可自由配置。另外，它還集成有1 KB的USB SRAM和USB收發器，內置的16 KB的Flash存儲器和256 B的內部RAM，還可以訪問外部數據存儲器RAM，即XRAM。它還可以為固件提供足夠的存儲空間，不需要再擴展外部存儲器。更重要的是C8051F320內部包含有一個C2（Cygnal2-Wire）調試電路，通過2腳的C2介面使用開發套件，就可以進行非侵入式、全速的在系統調試。另外，這2腳是公用的，它還有其他的功能，這樣設計PCB板就相對簡單些。

2 硬體系統電路設計
　本系統採用Cygnal C8051F320作為控制主晶元。Cygnal C8051F為兼容MCS-51內核的單片機,內置8 KB Flash,擁有256位元組RAM。由於內置Flash,因此在電路設計上可以省去外接程序存儲器,縮小了PCB板的面積,也提高了整個系統的可靠性。在這個GSM系統中,還有一些基本不變或者很少變化的量,比如子機的編號、號碼、短消息中心號碼等,這些數據可以作為常量直接寫入程序的Flash中。單片機通過串口和TC35i通信，單片機從TC35i接到外來的信息，並通過USB介面和PC機通信。
 
圖2 穩壓電源電路

2.1 穩壓電源電路
　最小系統工作電壓為5 V DC。由於TC35i 模塊的突發耗電電流峰值可達3 A,故外加穩壓器件必須達到足以提供該額定電流的條件。另外，電源的指標不僅僅有電壓，而且功率容限等指標都要滿足要求，故採用圖2的設計方案。在該系統中,開關電源晶元LM7805 完成12 V到?5 V?的轉換,電源電路主要由LM7805和AS1117-3.3這2個三端穩壓電源模塊構成，電源模塊AS1117-3.3接收LM7805輸入的5 V電平，輸出為整個單片機系統提供+3.3 V工作電壓，連到ZIF連接器的1~5引腳，為TC35i提供＋5 V、500 mA的充電電壓。電源的輸出基本不會受外部輸入變動干擾，而且有效的消除了電磁干擾。

2.2 IGT電路
　對於TC35i模塊控制，IGT信號非常重要，只有正確的IGT信號才可以使TC35i模塊正常運行。系統加電后,為使TC35i 進入工作狀態,必須給IGT 加一個延時大於100 ms 的低脈衝,電平下降持續時間不可超過1 ms。驅動IGT時，TC35i 供電電壓不能低於3.3 V ,否則TC35不能激活。電路設計如圖3所示。啟動電路由開漏極三極體和上電複位電路組成。為保證整個系統正常啟動，要求在電源加電時，IGT必須保持大於100 ms的低電平后，再跳到高電平，在電路板中是依靠RC電路來完成的，且該信號下降沿時間小於1 ms。啟動后，IGT腳的信號應保持高電平。電源通電后，+5 V電源通過電阻對電容充電，使電容正極上的電壓慢慢上升，大約經過100 ms達到高電位，使施密特觸發器翻轉，系統被複位。啟動后, IGT應保持高電平(3.3 V) 。
　TC35i數據介面通過USB電纜直接與PC機連接。數據介面遵從DCE的ITU2T RS232內部交換電路標準，實現非同步串列收發功能。

2.3 TC35i其他部分電路
　TC35i使用外接式SIM卡, ZIF連接器上有6個引腳做為SIM卡的介面,SIM卡上也有6個引腳分別與它相對應, SIM卡同TC35i是這樣連接的:SIM上的CCRST、CCIO、CCCL、CCVCC和CCGND通過SIM卡閱讀器與TC35i的同名端直接相連,CCIN懸空,而TC上的CCIN通過一個3.3 kΩ電阻與CCVCC相連，用來檢測SIM卡是否插好。這種連接方式是由SIM卡閱讀器決定的，由於此部分的電路簡單，本文就不提供了。
　TC35i的SYNC引腳有兩種工作模式，一種是指示發射狀態時的功率增長情況，另一種是指示TC35i的工作狀態，可用AT命令AT SYNC進行切換，本模塊使用的是后一種。當LED熄滅時,表明TC35i處於關閉或睡眠狀態；當LED為600 ms亮/600 ms熄時，表明SIM卡沒有插入或TC35i正在進行網路登錄；當LED為75 ms亮/3 s熄時，表明TC35i已登錄進網路，處於待機狀態。

2.4 單片機周圍電路
　採用Cygnal公司內置USB介面的高性能微控制器晶元C8051F320，簡化了硬體部分的設計。該單片機即實現了USB介面的功能又要完成對模塊的控制功能。因為C8051F320是帶USB介面的單片機，所以整個硬體部分與一般單片機應用系統的開發類似，僅需要通過埠P0.5和P0.4連接40腳ZIF插座就可實現模塊和單片機之間的通信。下面是設計時應特別注意的問題：在外接晶體時，一定要在晶體的兩端接上10 MΩ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、成功地開發一個USB設備，正確、合理的調試方法是必不可少的環節。那麼設計調試所用的JTAG口時，要在TCK加上3.3 V上拉，上拉電阻為4.7 kΩ。本單片機共有32個引腳，對於未用的I/O口最好用100 Ω的電阻下拉到地。這樣有助於保護I/O口。

3 軟體設計
　基於帶有USB介面的簡訊發送系統,既包括硬體設計又包括軟體設計，下面簡單介紹軟體設計。USB應用系統軟體設計分為三部分：USB外設端的固件（firmware）、主機操作系統上的客戶驅動程序以及主機應用軟體。8051F320固件程序控制整個系統的運行，並負責處理PC機發來的各種USB請求，以完成它們之間的數據傳輸。該固件共包含7個程序文件，響應各種來自系統的USB標準請求，完成各種數據的交換工作和事件處理。單片機通過串列口控制TC35i，控制方法採用標準的AT命令集。由於在 GSM標準中，中文編碼採用的是Unicode編碼，而不是目前國內常用的GB－2312編碼，故還需要進行中文編碼的轉換，才能顯示漢字字型。因此，在進行短消息的發送時，還要對用戶數據按PDU格式進行編碼，為了增強硬體的功能最好把這部分放在固件。這些底層的驅動函數將會使上層協議的編寫很方便，更重要的是，它提供了一個硬體抽象層。當底層硬體改動時，只需要改動底層的驅動函數，而上層函數的代碼不變。在此基礎之上再編寫應用層程序。主機應用軟體通過客戶驅動程序與系統USBDI進行通信，實現系統USB數據的傳送動作。
 
圖3 IGT電路
　在USB傳輸中，因外圍設備的類型與應用不同，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)以及實時傳輸(isochronous transfer)。其中，需要特別注意的是慢速設備僅支持控制傳輸與中斷傳輸。在此系統中採用中斷傳輸。
　筆者採用Keil C51完成固件的設計，在DRIVER STUDIO環境中採用Visual C++ 6.0完成USB驅動程序的設計，最後用Visual C++ 6.0開發生成應用軟體及其相關使用說明。本設計完全採用Windows風格，用戶可快捷地使用本設備。

4 結論
　利用西門子公司TC35i模塊和新華龍公司C8051F320的最小系統進行設計開發，簡單容易，開發周期短，且帶有USB介面，提高了安全性，減少現場人員工作的複雜性，易於為工程實踐所採用。本文通過計算機實現了簡訊收發功能,利用C51對其進行編程式控制制,在此基礎上,對軟體和硬體加以改動還可以進行二次開發實現其他功能,例如，可以通過移動終端來查收多種信息和控制各種工程的現場設備。總之，本系統作為一個無線通信系統，具有廣泛的應用前景。