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1、4.4 GPRS无线传输数据终端硬件设计GPRS模块主要包括模数转换、数据处理和通信模块等。GPRS传输模块选择的是索尼爱立信的GR64。GR64是索尼爱立信新推出的一款内嵌TCP/IP协议栈的GSM/GPRS模块，支持GPRS CLASS 10，内嵌的ARM9微控制器可以开放给用户。GR64具有丰富的存储资源；256KB的脚本空间可同时容纳2个脚本，可用于CSD方式下脚本远程升级，至少50KB的数据NVM空间和100KB RAM；丰富的功能库涵盖所有的底层驱动，用户只须编写自己的应用程序。为开发基于GPRS网络的TCP/IP应用，索尼爱立信提供了一套完整工具，其机对机通信商业解决方案(M2m
2、power Business Solution)是一个强有力的支持环境，专为促进提高成本效益比率的无线机对机应用的研发而设计。M2mpower使开发者通过运用特定的开发工具，能够更容易地将无线应用直接嵌入兼容的索尼爱立信机对机产品中。GR64提供丰富的接口：对外有2个自适应波特率和帧格式的串口，其中UARTI用于AT命令控制或本地脚本下载，UART3为通用串口；另外，还有USB2.0、SPI、I2C、天线、音频接口，12根I/O线(8根复用)，AD/DA转换器，蜂鸣器和实时时钟等内置外设。4.4.1 GR64模块 本设计选用Sony/Ericsson的GR64做为远程传输的GPRS模块。GR6
3、4是Sony/Ericsson公司2006年4月上市的新一代可编程无线通信模块，它带有GSMGPRS全套语音和数据功能。 GR64模块具有超小的体积，所有功能都集中在一块集成的芯片内；较低的功耗，工作电压范围是3.24.5 V，数据传输时平均电流330mA，功率为2W，休眠状态时平均电流约为1.6 mA；内嵌TCPIP协议栈且支持数据透明传输，这使得GR64模块进行数据传输变得非常便捷，同时又有利于用户的二次开发。GR64内嵌了处理器，允许用户开发基于C语言的脚本程序去实现所设计的功能，在程序运行时，可以通过I/O口、UART、I2C总线或其它接口连接监控系统。本文采用的是通过外部串口UART
4、发送AT指令的控制方式，便于移动终端智能化的高度集成。 GPRS模块通过移动或联通业务，将采集的数据传输到远方用户，完成数据的采集及远程控制功能。为了使模块通用化且不影响系统的工作速度，本设计将MC39i模块做成单独的工作系统，独立完成数据的接收及发送。MC39i模块的正常运行需要相应的外围电路与其配合。MC39i共有40个引脚，通过ZIF连接器分别与电源电路、启动与关机电路、数据通信电路、语音通信电路、SIM卡电路、指示灯电路等连，在此模块设计中我们主要考虑三个方面的因素，第一就是模块与主板的接口设计，包括电源接口和信号接口；第二就是模块与SIM/UIM卡的接口设计；第三就是模块与天线的接口
5、设计。模块原理框图如图3-8所示。GR64有两种工作方式：数据方式和命令方式。在数据方式时只能进行数据通信，不能接受命令。反之，命令方式时不能通信，只能接受命令。GR64应用范围非常广，无线抄表、无线监控、GPS车载终端、无线公话、无线POS机、无线数据传输传模块等。模块硬件原理图如图31所示。4.4.2 微处理器 微处理器的选择依据在这套系统中单片机起着很重要的作用，一方面负责下端传感器数据的采集以及对下端数据采集模块的控制信号传输；另一方面还要负责将收到的数据通过GPRS网络与数据中心通信。近年来，在工业测控领域，国内诸多运用TI公司生产的MSP430系列单片机，其在振荡电路、功耗、软件加
6、密等技术水平上均有很大的优势。尤其是其低功耗的特点很适合在现场不能频繁更换电源的环境。基于上述需要，本系统最终选用的是TI公司的MSP430F149单片机。 MSP430F149单片机的特点 (1)低电压、超低功耗 首先，MSP430F149单片机的电源电压采用的是1.83.6V低电压。RAM数据保持方式下耗电仅O.1A，活动模式耗电250A/MIPS(MIPS：每秒百万条指令数)，I/O输入端口的漏电流最大仅50nA。其次，MSP430F149单片机采用独特的时钟系统设计。其具有两个不同的时钟系统：基本时钟系统和DCO数字振荡器时钟系统，采用高速晶体(最高8MHz)和低速晶体(32768Hz
7、)进行基本时钟模块配置。时钟可以通过指令的控制打开和关闭，从而实现对总体功耗的控制。 (2)强大的处理能力 MSP430F149单片机为16位的RISC指令(Reduced Instruction SetComputing精简指令集1结构，具有丰富的寻址方式、精简的27条内核指令以及大量的模拟指令：大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理方法；有高效的处理速度，在8MHz晶振驱动下，指令周期为125s。这些特点保证了可编制出高效率的源程序。 (3)系统工作稳定 单片机上电复位后，首先由DCO时钟启动CPU，以保证程序从正确的位置开始执行，保证晶体振荡器有足够的起振及稳
8、定时间，然后软件可设置适当的寄存器的控制位来确定最后的系统时钟频率。如果晶体振荡器在用作CPU时钟MCLK时发生故障，DCO会自动启动，以保证系统正常工作；如果程序跑飞，可用看门狗将其复位。 (4)丰富的片内外设 MSP430F149单片机有丰富的片内外设。它主要包括以下一些外围模块：看门狗(WDT)、定时器A(Timer A)、定时器B(Timer B)、比较器、串口O(UARTO)、串口1(UARTl)、硬件乘法器、12位ADC端口和基本定时器。其中看门狗可以使程序失控时迅速复位；比较器进行模拟电压比较，配合定时器可以设计为A/D转换器；定时器具有捕获/比较功能，可用于事件计数、时序发生、
9、PWM等；12位硬件A/D转换器有较高的转换速率，最高可达200kbps，能满足大多数数据采集应用。 (5)方便高效的开发环境MSP430F149单片机是FLASH型类型器件。对于FLASH型芯片有十分方便的开发调试环境，因为器件片内有JTAG调试接口，还有可电擦写的FLASH存储器，因此采用先下载程序到FLASH内，再在器件内通过软件控制运行，由JTAG接口读取片内信息供设计者调试使用的方法进行开发。这种方式只需要一台PC机和一个JTAG调试器，而不需要仿真器和编程器。更重要的是，其开发语言兼容C语言，使编程变得相当简单。选用的MSP430F149的接口和JTAG连接如图3-6所示：4.4.
10、3 其它主要硬件电路的设计(1)供电电路设计1单片机电源电路整个数据采集终端采用5V供电，除了GR64外均采用33V电压供电，考虑到硬件系统对电源要有具有稳压功能和纹波小等特点，另外也考虑到硬件系统的低功耗等特点，因此硬件系统的33V电源部分采用TI公司的TPS7333芯片实现。单片机电源电路如图37所示。 为了使33V输出电源的纹波小，在输出部分用了一个10心的电容，另外在芯片的输入端也放置一个109F的滤波电容，减小输入端收到的干扰。 2GR64模块电源电路GR64模块正常工作电压为36V，并且在发射数据瞬间电流较大，所以本文采用具有高电源抑制比、输出电流最大为3A，因此采用了NATION
11、AL公司的LP3966ADJ芯片。电源电路如图38所示。该芯片的管脚2为shutdown管脚，在设计的时候必须通过一个10K的电阻拉高到5V。该芯片的输出为可调类型，该芯片通过电阻R2和R1实现输出电压的调节。输出电压的换算公式为：，通过这个公式可以知道，只要给定电阻Rl和确定输出电压Vout的情况下，就可以计算得到电阻R2的值。为了使3.6V输出电流的纹波小，在输出部分用了一个68PF、33F和0.1F的电容，实现滤波。另外，在芯片的输入端也放置了一个68F的滤波电容，减小输入端的干扰。(2) SIM卡电路SIM卡(Subscriber Identity Module)即用户识别卡，是全球通
12、数字移动电话的一张个人资料卡。其结构主要包括：微处理器(CPU）、程序存储器(RAM)、数据存储器(E2PROM)以及串行通信单元。这5个模块集成在一块集成电路中。SIM卡在与GSM连接时，最少需要5个连接线：电源（Vcc)、时钟(CLK)、数据I/O口(Data)、复位(RST)及接地端(GND)。 (3) RS232电平转换电路GR64的UARTl与9针RS232串口对应，但UARTl的信号电平(2.7V)与标准RS232的电平并不匹配，二者电平之间的关系见表31。为实现无线模块的CMOS电平与RS232电平转换，可采用Maxim Integrated Products公司的MAX3238
13、集成电路芯片，MAX3238的数据传输速率大于250Kbps，Three_state=GND，即选择三态输出模式，可减小电流输出。VCC=5V，Vout=2.7v，这样，实现了5V的RxD、TxD与27V的RDE、TDE的逻辑电平转换。(4) JTAG技术JTAG是一种国际标准测试协议，主要用于芯片内部测试及对系统进行仿真、调试，JTAG技术是一种嵌入式调试技术。目前大多数比较复杂的器件都支持JTAG协议，如ARM、DSP、FPGA器件等，JTAG接口的连接有两种标准，即14针接口和20针接口。通过JTAG接口，可对芯片内部的所有部件进行访问。标准的JTAG接口是4线：TMS、TCK、TDI、
14、TDO，分别为测试模式选择、测试时钟、测试数据输入和测试数据输出。MSP430F149是FLASH型器件，内建多达60KB容量的FLASH存储器，并具有JTAG调试接口，嵌入了仿真器，设计者可以通过JTAG调试器将编辑好的程序从PC机上直接下载到FLASH内，然后再通过PC机上的软件由JTAG接口读取单片机片内信息，实时监测单片机上运行的程序，甚至可以设置断点加以调试，实施所谓的在线仿真。图3-9为JTAG的接口电路。(5)键盘电路设计 键盘是实现人机对话的输入设备，借助键盘可向系统设置参数，发出控制指令等。按键电路设计方法有多种，本系统采用N线N搴(N-1)键盘，使用4根线连接12个按键，具体电路如图3-lO所示
