GPRS無線通信模塊MC35i及其外圍電路設計

    隨著信息技術的迅速發展，無線遠程監控技術得到了越來越廣泛的應用，採用先進的GPRS技術的無線監控管理系統，集計算機、通信、機電、自動控制等多種先進技術於一體，成功實現了對無線分散式系統的實時監控管理和靈活部署，解決了傳統控制由於沒有通訊功能，而無法實現集中監控的問題，以及沒有或無法解決實時大數據量處理的問題。因此移動終端的設計也逐漸倍受關注，本文提及的MC35i模塊屬於無線通訊核心模塊，是結合語音、數據傳輸、簡訊服務及傳真等功能的高科技產品。此模塊功能強大，利用此無線模塊的通訊產品便能夠很好地在客戶端進行系統整合的規劃。目前該無線模塊的應用領域比較廣泛，主要包括：
(1)移動應用，如個人數字助理、智能型手機、上網板、及筆記型計算機；
(2)交通運輸，如衛星定位系統、交通控制系統、車隊管理系統、汽車保安系統等；
(3)工業用途，如無線公用電話、無線遠程監控系統、遠程儀器電錶傳訊等。
    文中所述的設計結合單片機或者ARM嵌入式控制可以完成GPRS數據流傳輸短消息收發、語音傳輸、與Pc機進行數據傳輸等功能，已應用在基於GPRS數據傳輸的電力線監控系統中。

1 MC35i模塊
    MC35i是Siemens公司推出的新一代無線通信GPRS模塊，可以快速安全可靠地實現系統方案中的數據、語音傳輸、短消息服務(Short Message Service)和傳真。模塊的工作電壓為3.3～4.8 V，可以工作在900 MHz和1800 MHz兩個頻段，所在頻段功耗分別為2W(900 M)和1W(1800 M)。該模塊包括了前期版本TC35的所有功能，同時新增加了快速的GPRS技術，採用GPRS分時復用的CLASS 8標準，具有始終在線的功能且理論上傳輸速率最高可達171.2 kb/s，通信傳輸時延較小，最長不超過3s。
    模塊有AT命令集介面，支持文本和PDU模式的短消息、第三組的二類傳真、以及2.4k，4.8k，9.6k的非透明模式。此外，該模塊還具有電話簿功能、多方通話，漫遊檢測功能，常用工作模式有省電模式、IDLE、TALK等模式。通過獨特的40引腳的ZIF連接器，實現電源連接、指令、數據、語音信號、及控制信號的雙向傳輸。通過ZIF連接器及50Ω天線連接器，可分別連接SIM卡支架和天線。
    MC35i模塊主要由GSM基帶處理器、GSM射頻模塊、供電模塊(ASIC)、快閃記憶體、ZIF連接器、天線介面六部分組成。作為MC35i的核心，基帶處理器主要處理GSM終端內的語音、數據信號，並涵蓋了蜂窩射頻設備中的所有的模擬和數字功能。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。具體結構可參考圖1。
 
圖1 MC35i功能框圖

2 外圍應用電路
    MC35i模塊的正常運行需要相應的外圍電路與其配合。MC35i共有40個引腳，通過ZIF連接器分別與電源電路、啟動與關機電路、數據通信電路、語音通信電路、SIM卡電路、指示燈電路等連接。
(1)啟動電路
    啟動電路由開漏極三極體和上電複位電路組成。模塊上電10 ms后(電池電壓須大於3 V)，為使之正常工作，必須在15腳(/IGT)加時長至少為100ms的低電平信號，且該信號下降沿時間小於1 ms。啟動后，15腳的信號應保持高電平。如2圖所示，為啟動電路產生的信號，從中可以看出10 m8的延時和100 ms的低電平。
 
圖2 啟動信號下降沿
    根據上面的分析，設計啟動部分的參考電路如下：
 
圖3 啟動電路
    如圖3所示，當POWER ON腳電壓由低變高時，電容C1被充電左負右正。電流方向為逆時針方向，此時電阻R1的電壓上正下負(當UR1≥0.7 V時)使Q1的發射結正偏，晶體管處於導通狀態，IGT腳處於低電平。當POWER ON腳電壓由高變低時。電容C1開始放電，此時電阻R1的電壓上負下正使Q1的發射結反偏，晶體管截止，IGT腳處於高電平。顯然IGT腳在POWERON腳電壓由低變高時處於低電平，GPRS模塊開機。根據引腳要求IGT腳電平在處於下降沿並保持低電平100 ms≤t≤1s后跳到高電平。所以這裡對C1的容值，R1、R2、R3的阻值就有要求了，這時需要調整C1的電容值，R1、R2的阻值以滿足開機條件。為了方便說明，模塊開機電路電路圖可以簡化如下：如圖4所示，開關由a投向b，並在t=0前開關與a端相連時間足夠長達到穩態，即Uc(0-)=0。由於電容電壓不能跳變，在開關投到b的瞬間，電容電壓仍為零。即C(0+)=0。且t≥0時RC電路與電源相接，因此可以認為是求零狀態響應的問題。
 
圖4 啟動電路簡介圖
    當開關投向b后電容電壓從零值開始充電，電壓逐漸上升，最後應趨於穩態值 。穩態值是根據“電容相當於開路”而確定為Us的。根據這樣的考慮，得出：
 
    電容上的電壓上升，而電阻上的電壓逐漸下降，當R1上的電壓降到0.7 V時，三極體將截止，因而要算出R1的電壓降到0.7 V時的時間。
U_R1=i(t)×R1      (2)
由式1，2得：0.7= 5/(200×10³)e^-1/200×200×10³。解得：t=255 ms。其中：r=R_總×C+；R_總=R1+R2=200Ω ；r=R_總×C+=200×103 ×106=200 ms。可知100 ms≤255 ms≤1s符合系統要求。
(2)數據通信電路
    數據通信電路主要完成GPRS數據流傳輸、短消息收發、與PC機通信、軟體流控制等功能。MC35i的數據介面採用串列非同步收發，符合ITU.T RS.232介面電路標準，工作在CMOS電平(2.65 V)。數據介面配置為8位數據位、1位停止位、無校驗位，可以在300 bps-115 kbps的波特率下運行，支持的自動波特率為4.8 kbps—115 kbps(14.4 kbps和28.8 kbps除外)。MC35i模塊還支持RTS0/CTS0的硬體握手和XON/XOFF的軟體流控制。
    數據通信電路以MAXIM公司的MAX3238晶元為核心，實現電平轉換及串口通信功能。MAX3238晶元供電電壓為3-5.5 V，符合TIA/EIA-232-F和ITUv.28標準。具有獨特的±15 KV人體靜電保護措施，兼容5 v邏輯輸入，內含3路接收、5路發送串列通信介面，最大數據傳輸速率可達250 kbps。該晶元的最大特點是，在串列口無數據輸入的情況下，可以靈活的進行電源管理，即當FORCEON為低電平、/FORCEOFF為高電平時，Auto-Powerdown Plus功能有效。在正常運行模式下，約30秒時間內若晶元在接收和發送引腳沒有檢測到有效信號，將自動進入Powerdown模式，此時耗電1uA。如果FORCEON和/FORCEOFF引腳均為高電平，那麼Auto-Powerdown Plus功能失效。在Auto-Powerdown Plus功能有效的時，如果檢測到接收或發送引腳有信號輸入，該晶元自動被激活，轉入正常工作狀態。如果任一接收通道的輸入電壓高於2.7 V或小於-2.7 V，或者位於-0.3 V～0.3 V的時間小於30 us，則/INVALID(15腳)引腳為高電平(數據有效)。如果所有接收通道的輸入電壓位於-0.3 V～0.3 V的時間大於30 uS，則/INVALID(15腳)引腳為低電平(數據無效)。
    該晶元的以上特性，滿足了MC35i作為移動終端的3路接收、5路發送電路連接要求。在MAX3238與ZIF連接器相應引腳連接時，要注意發送、接收引腳連接正確。MAX3238還需要連接4個0.1uF的電容配合，才能完成電平轉換功能。MC35i模塊通過RS-232介面各引腳輸出的信號有RXD、CTS、DSR、DCD、RING，輸入的信號為TXD、RTS、DTR。
    由於MC35i的介面電路使用了9針串口的全部引腳，使MC35i可以獲得DTR、DSR、DCD和RING控制信號。信號RING用來向蜂窩設備指示接收到Unsolicited Result Code(URC)。通過AT指令，可以設置MC35i的不同運行模式。
(3)語音通信電路
    由於MC35i的GSM基帶處理器內集成了音頻濾波、ADC、DAC、語音合成等部分，所以模塊語音介面的外圍電路連接相對簡單。MC35i有兩個語音介面，每個介面均有模擬麥克輸入和模擬耳機輸出。為了適合不同的外設，模塊共有6種語音模式，可通過指令AT^SNFS選擇。第一個語音介面的默認配置為Votronic HH-SI-30.3/V1.1/0手持話筒，語音模式為1(默認)、4、5，其中模式1參數固定。第二個語音介面為頭戴式耳機和麥克設置，語音模式為2、3、6。
    為了防止從麥克風和耳機導線引入高頻干擾，影響MC35i的正常運行。設計電路時，在麥克風、耳機、以及手持聽筒的插孔處都接有電感。此外，考慮到靜電保護的因素，所有語音信號輸入端都通過電容與GND耦合。
(4)SIM卡電路
    基帶處理器集成了一個與ISO 7816-3 IC Card標準兼容的SIM介面。為了適合外部的SIM介面，該介面連接到主介面(ZIF連接器)。在GSM11.11為SIM卡預留5個引腳的基礎上，MC35i在ZIF連接器上為SIM卡介面預留了6個引腳，所添加的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，系統方可進入正常工作狀態。但是目前移動運營商所提供的SIM卡均無CCIN引腳，所以在設計電路時將引腳CCIN與CCVCC相連。
    在設計中為SIM卡布線時，發現了一個值得引起注意問題：如果將SIM卡的第四腳CCGND直接與印刷電路板的GND相連，不作任何信號的隔離保護，則通話時音量很小。考慮到設計中的電磁兼容和靜電保護等因素，為了達到最佳的通話效果，採用在SIM支架下，即印刷電路板的頂層敷設一層銅隔離網，該層敷銅與SIM卡的CCGND引腳相連，CCGND和電路板的GND之間通過兩個並聯的電容和電感耦合。這樣為SIM卡構成了一個隔離地，屏蔽了其他信號線對SIM卡的干擾。再進行語音通話時，話音清晰。

3 結束語
    由Siemens公司的GPRS模塊MC35i及其外圍電路構成的移動終端，可以很好的完成短消息收發、GPRS數據傳輸和語音通信。利用該移動終端結合三星的S3C44B0X ARM開發板進行控制很好地實現了對遠程電力線的實時監控。