GSM模塊TC35及在遠程監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

 作者:葉丹霞 王家禮 來源:現(xiàn)代電子技術(shù)

　摘　要：介紹了由西門子公司推出的基于GSM標準的無線異步收發(fā)芯片TC35的主要結(jié)構(gòu)、基本性能，并設(shè)計了一個利用TC35傳輸短消息的遠程故障上報系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過TI公司推出的DSP芯片TMS320C6711處理數(shù)據(jù)信息和發(fā)送指令。如果出現(xiàn)故障，經(jīng)整理后由TC35手機模塊直接發(fā)送到維修人員的手機終端上，顯示故障信息或?qū)�維修人員給出相應(yīng)的要求。該應(yīng)用系統(tǒng)利用GSM移動通訊網(wǎng)絡(luò)短信息服務(wù)快捷的性能和相對低廉的收費，可嵌入大型工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)、無人值守系統(tǒng)中，滿足這些系統(tǒng)所需的高可靠性、高實時性和維護方便性等要求，且性能穩(wěn)定、性價比高。
　　關(guān)鍵詞：蜂窩引擎；短消息服務(wù)(SMS)；通用異步串行收發(fā)器；多通道緩沖串口

1引言
　　短信息服務(wù)（Short Message Service，SMS）是GSM（Global System for Mobile Comm unication）系統(tǒng)中提供的一種GSM終端（手機）之間，通過服務(wù)中心(service center)進行文本信息收發(fā)的應(yīng)用服務(wù)，其中服務(wù)中心完成信息的存儲和轉(zhuǎn)發(fā)功能。短信息服務(wù)作為GSM網(wǎng)絡(luò)的一種基本業(yè)務(wù)，已得到越來越多的系統(tǒng)運營商和系統(tǒng)開發(fā)商的重視，基于這種業(yè)務(wù)的各種應(yīng)用也蓬勃發(fā)展起來。由于GSM網(wǎng)絡(luò)在全國范圍內(nèi)實現(xiàn)了聯(lián)網(wǎng)和漫游，具有網(wǎng)絡(luò)能力強的特點，用戶無需另外組網(wǎng)，在極大提高網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的同時為客戶節(jié)省了昂貴的建網(wǎng)費用和維護費用。同時，他對用戶的數(shù)量也沒有限制，克服了傳統(tǒng)的專網(wǎng)通信系統(tǒng)投資成本大、維護費用高、且網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的覆蓋范圍和用戶數(shù)量有限的缺陷。比傳統(tǒng)的集群系統(tǒng)在無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋上具有無法比擬的優(yōu)勢，加上GSM的SMS本身具備的數(shù)據(jù)傳送功能，都使得這些應(yīng)用得到迅速的普及。利用GSM短信息系統(tǒng)進行無線通信還具有雙向數(shù)據(jù)傳輸功能，性能穩(wěn)定，為遠程數(shù)據(jù)傳送和監(jiān)控設(shè)備的通信提供了一個強大的支持平臺。在此以GSM網(wǎng)絡(luò)作為數(shù)據(jù)無線傳輸網(wǎng)絡(luò)，開發(fā)出一個遠程故障報告系統(tǒng)。他可以應(yīng)用在銀行、儲蓄點機房監(jiān)控、電信機房動力環(huán)境監(jiān)控、通信行業(yè)遠端無人值守站機房監(jiān)控和遠程維護（如移動通信基站、微波站、光纖中繼站等）及其他無人值守點（如倉庫、辦公樓等）監(jiān)控及城市公用事業(yè)實時監(jiān)控維護系統(tǒng)像煤氣調(diào)壓站、自來水、污水管網(wǎng)和熱力系統(tǒng) 、電力系統(tǒng)城市中電網(wǎng)等情況中。

2TC35的主要結(jié)構(gòu)及其基本性能
　　TC35是Siemens公司新一代無線通信GSM模塊，他設(shè)計小巧、功耗很低，其主要由GSM基帶處理器、GSM無線模塊、電源模塊(ASIC)、閃存、ZIF連接器、天線接口6部分組成。其框圖如圖1所示。

　　TC35的基本性能：
　　傳輸數(shù)字和音頻信號。
　　單電壓供電3.3_~5.5 V。
　　低功耗：處于睡眠狀態(tài)時僅3.0 mA。
　　支持EGSM900和GSM1800雙頻。
　　GSM類型：小型移動站。
　　傳輸功率：EGSM900為2 W；GSM1800為1 W。
　　支持語音、數(shù)據(jù)、短消息和傳真服務(wù)。
　　支持3種語音編碼的傳送速率。
　　短信息服務(wù)：文本和數(shù)據(jù)協(xié)議單元模式。
　　傳輸速率：2.4 kb/s，4.8 kb/s，9.6 kb/s。
　　傳真：第3組，第1類，第2類。
　　大�。�54.5*36*6.85 mm。
　　標準協(xié)議的認證。
　　采用GSM Phase2/2+標準。
　　SIM卡：由連接界面從外部連接。
　　SIM卡支持：3 V/1.8 V（1.8 V需要分開檢測，并且在GSM11.10下合法）。
　　語音接口：模擬（麥克風(fēng)，耳機，免提方式）。
　　界面接口：RS 232(CMOS標準)，AT控制下的雙總線（數(shù)據(jù)/命令）。
　　電話本：通過SIM卡實現(xiàn)。
　　TC35的復(fù)位：通過AT命令或者Power Down信號實現(xiàn)復(fù)位。
　　可選波特率：300 b/s_~115 kb/s。
　　自動波特范圍：1.2_~115 kb/s。
　　軟件下載：RS 232或者SIM卡。
　　時鐘：32.768 kHz。
　　定時功能：通過AT編程獲得。

3應(yīng)用系統(tǒng)的原理及硬件組成
　　過去在無人值守的現(xiàn)場出現(xiàn)問題后，維修人員不可能迅速趕到現(xiàn)場排除故障，造成許多不必要的損失，現(xiàn)在就可以采用以下系統(tǒng)，將告警信息通過手機短消息的方式，發(fā)送到集中監(jiān)控中心或維修人員的手機終端，從而實現(xiàn)了遠程遙控、遙測、遙調(diào)、遙訊。

　　由圖2的系統(tǒng)原理框圖可知，該基于SMS短信息服務(wù)的無線數(shù)傳控制系統(tǒng)是一個點到多點的遠程無線雙向數(shù)據(jù)通信和控制系統(tǒng)。通信控制模塊是此系統(tǒng)的重點，他對被監(jiān)控系統(tǒng)或無人值守系統(tǒng)送來的故障報告、告警信號等信息和數(shù)據(jù)進行接收和整理，再通過GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)至各個終端。
　　這個模塊是由微控制器（TMS320C6711）、GSM通信終端（TC35）及各輔助設(shè)備組成，其硬件框圖如圖3所示。
3.1微處理器TMS320C6711
　　微處理器采用的是TI公司推出的DSP芯片TMS320C6711，之所以采用該芯片，是因為其有著出色的運算性能、高效的指令集、智能外設(shè)、大容量的片內(nèi)存儲器和大規(guī)模的尋址能力。我們不只考慮在這個系統(tǒng)中的應(yīng)用，還考慮到其嵌入大的監(jiān)控系統(tǒng)后要求的性能，比如對實時性的要求、各個監(jiān)控點大量的數(shù)據(jù)處理（如圖象數(shù)據(jù)）等。該芯片出色的性能使得系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)大大簡化，提高了系統(tǒng)的可靠性。
　　其主要的性能指標如下：
　　頻率：150 MHz速度：1 200 MIPS
　　32位高速CPU定點浮點兼容
　　2個McBSP接口片內(nèi)采用二級存儲器結(jié)構(gòu)
　　周期：7 ns外圍電壓：3.3 V
　　核心電壓：1.9 V封裝：BGA256SPI口
3.2TC35數(shù)據(jù)接口與其TMS320C6711的通信實現(xiàn)
　　由TC35性能可知，其數(shù)據(jù)接口采用串行異步收發(fā)方式，符合ITUT RS 232接口電路標準，工作在CMOS電平(2.65 V)。但是TMS320C6711沒有提供通用異步串行收發(fā)器（UART），只有2個同步串行接口McBSP。且其串行外圍設(shè)備接口SPI為串行同步協(xié)議。因此，可以采取以下3種辦法：
　　① 在DSP的并行總線上擴展UART芯片（如TI公司的TL16C552），用硬件實現(xiàn)異步數(shù)據(jù)傳輸。優(yōu)點是軟件實現(xiàn)簡單，缺點是在總線上還需擴展其他設(shè)備，這樣做使目標系統(tǒng)復(fù)雜化，增大 系統(tǒng)體積。
　　② 利用DSP的McBSP和DMA，在不擴展其他硬件的情況下，用軟件實現(xiàn)異步數(shù)據(jù)傳輸格式。這種方法的優(yōu)點在于硬件簡單，但軟件復(fù)雜，加大了CPU的負擔(dān)，所以不適合通信數(shù)據(jù)量大的場合。這與將該系統(tǒng)嵌入大型工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)、無人值守的系統(tǒng)中的初衷是不符的。
　　③ 利用DSP的McBSP同步串行接口，在擴展適當硬件的情況下，將同步數(shù)據(jù)變換為UART異步數(shù)據(jù)格式進行傳輸。這樣，就充分利用了DSP的片上資源，使硬件系統(tǒng)盡量簡單化。
　　經(jīng)綜合考慮，采用第三種方法，即應(yīng)用美國MAXIM公司的MAX3111串行異步收發(fā)器，與DSP 的McBSP（Multichannel Buffered Serial Port，多通道緩沖串口）直接連接。硬件上無需任何其他外圍器件，同時由于異步數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收由MAX3111以硬件方案實現(xiàn)，所以軟件編程需要考慮的也只是DSP與MAX3111之間的同步數(shù)據(jù)通信。這樣，用最簡單的硬件連接和軟件編程就能實現(xiàn)同步到異步的串行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換。
　　MAX3111通用異步收發(fā)器是MAXIM公司專門為小型微處理系統(tǒng)進行最優(yōu)化設(shè)計的UART，他包括1個振蕩器和1個可編程波特率發(fā)生器、1個可屏蔽的中斷源、1個8 B的接收FIFO（先入先出）緩沖器。其線路簡單、體積小，他應(yīng)用SPI接口技術(shù)直接與DSP進行通信，通信速率可達230 kb/s。另外其內(nèi)部除具有UART之外，還包括2個RS 232電平轉(zhuǎn)換器，這樣無需再接入普通的MAX232進行電平轉(zhuǎn)換，即可應(yīng)用1個芯片實現(xiàn)TMS320C6711與TC35之間的異步數(shù)據(jù)傳輸。
　　由這樣的硬件系統(tǒng)，且TC35具備GSM無線通信的全部功能，支持GSM 07.05所定義的AT命 令集的指令，就可以直接使用AT命令方便簡潔地實現(xiàn)短信息的收發(fā)、查尋和管理。
3.3電源模塊
　　(1)由于DSP系統(tǒng)工作頻率高，數(shù)據(jù)吞吐量大，功耗也相對較高，因此供電系統(tǒng)的好壞將直接影響到開發(fā)的系統(tǒng)穩(wěn)定性，所以設(shè)計出高效率、高性能的供電系統(tǒng)具有極其重要的意義。TMS320C6711需要2種電源，CV_DD和DV_DD，分別給內(nèi)核和周邊I/O接口供電，他 要求內(nèi)核電壓為1.9 V,周邊I/O口電壓為3.3 V。這里用TI公司的TPS6205x系列產(chǎn)品來產(chǎn)生1.9 V和3.3V電壓。為了保證TMS320C6000芯片在電源未達到要求的電平時，不會產(chǎn)生不受控制的狀態(tài)，有必要在系統(tǒng)中加入電源監(jiān)控和復(fù)位電路。
　　(2）TC35的電源電路主要為整個系統(tǒng)提供3.3 V工作電壓，可以由上述電路得到。其啟動電路由開漏極三極管和上電復(fù)位電路組成。模塊上電10 ms后(電池電壓需大于3 V)，為使之正常工作，必須在15腳(/IGT)加時長至少為100 ms的低電平信號，且該信號下降沿時間小于1 ms。啟動后，15腳的信號應(yīng)保持高電平。
　　(3)MAX3111通用異步收發(fā)器也需要3.3 V的工作電壓，亦由(1)中電路得到。
3.4SIM卡電路
　　基帶處理器集成了一個與ISO 78163 IC 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(yù)留5個引腳的基礎(chǔ)上，TC35在ZIF連接器上為SIM卡接口預(yù)留了6個引腳，所添加的CC_IN引腳用來檢測SIM卡支架中是否插有SIM卡。當插入SIM卡，則該引腳置為高電平，系統(tǒng)方可進入正常工作狀態(tài)。但是目前移動運營商所提供的SIM卡均無CC_IN引腳，所以在設(shè)計電路時將引腳CC_IN與CCV_CC相連。

4軟件設(shè)計
　　通信軟件設(shè)計的關(guān)鍵是TMS320C6711如何使用AT命令來控制TC35。根據(jù)GSM 07.05的定義，S MS短信息的發(fā)送和接收模式共有3種：Block模式、基于AT命令的Text模式和基于AT命令的P DU（Protocol Description Unit）模式。使用Block模式需要模塊生產(chǎn)廠家提供驅(qū)動支持，而用于中/英文短信息傳送應(yīng)使用PDU模式，只傳送英文短信息（純文本格式）使用Text模式。Text模式的短信息發(fā)送和接收比較簡單，如不需要傳送中文則最好采用Text模式發(fā)送和接收短信息。
　　采用Text模式發(fā)送接收短信息的步驟分為初始化GSM模塊、發(fā)送文本短信息和接收短信息。而對于發(fā)送和接收中文或中/英文混合的短信息必須采用的PDU模式，根據(jù)GSM 07.05的定義，只要軟件上按照以下PDU格式解讀或編寫相應(yīng)的數(shù)據(jù)格式即可接收或發(fā)送短消息。GSM中文短消息是按照PDU(Protocol Data Unit)格式進行收發(fā)的，最多70個漢字字符，中文字符按照UNICODE進行編碼，這與計算機的漢字編碼不同。
　　GSM短消息數(shù)據(jù)的接收格式如下：
　　服務(wù)中心地址PDU類型發(fā)信方地址
　　協(xié)議識別碼數(shù)據(jù)譯碼方案服務(wù)中心收到消息
　　時間用戶數(shù)據(jù)長度用戶數(shù)據(jù)��發(fā)送格式如下：
　　服務(wù)中心地址PDU類型接收方地址
　　協(xié)議識別碼數(shù)據(jù)譯碼方案
　　有效周期用戶數(shù)據(jù)長度用戶數(shù)據(jù)
　　限于篇幅，這里就不列舉具體程序編寫例子。關(guān)于短消息的詳細內(nèi)容見參考文獻［3］，關(guān)于AT指令的詳細操作見參考文獻［2］。

5結(jié)語
　　由Siemens公司的GSM模塊TC35及其控制電路構(gòu)成的移動終端操作簡單、人機界面友好、可擴展能力好。本文采用短消息業(yè)務(wù)具友永遠在線、不需撥號、價格便宜、覆蓋范圍廣等優(yōu)勢，特別適用于需頻繁傳送小數(shù)據(jù)量的應(yīng)用，還適用于偏遠地區(qū)、架設(shè)通信線路困難的地方。且在無人值守地區(qū)或?qū)�無人值守系統(tǒng)，應(yīng)用短消息業(yè)務(wù)來傳送數(shù)據(jù)非常合適。在很多自動測試、遠程控制系統(tǒng)中，都有極好的應(yīng)用。其開發(fā)應(yīng)用前景十分看好。

參考文獻

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