基于CDMA短信息的無線通信系統(tǒng)的實現(xiàn)

　　近年來，基于GSM模塊的短信收發(fā)功能的各種應(yīng)用系統(tǒng)如：被盜機(jī)動車追蹤系統(tǒng)、家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等已逐漸成為關(guān)注的焦點(diǎn)[1-3]。對于這些應(yīng)用系統(tǒng)中如何通過短信收發(fā)模塊實現(xiàn)短信收發(fā)的功能是一個非�；�本而又非常關(guān)鍵的問題。隨著通信技術(shù)的不斷成熟以及用戶對通信質(zhì)量越來越高的要求，現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)將不可避免的向W-CDMA(寬帶碼分多址)演變。CDMA網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣、使用費(fèi)用低、技術(shù)完善、安全可靠，采用CDMA網(wǎng)絡(luò)的短信息業(yè)務(wù)實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸，既方便又可靠。

　　1 系統(tǒng)設(shè)計

　　本系統(tǒng)主要是利用CDMA移動通信網(wǎng)絡(luò)的短信息業(yè)務(wù)完成數(shù)據(jù)的無線傳輸，免去了現(xiàn)場組網(wǎng)的初期建設(shè)費(fèi)用以及日后的網(wǎng)絡(luò)維護(hù)費(fèi)用。通過數(shù)據(jù)終端，將采集到的現(xiàn)場數(shù)據(jù)以短信息的形式發(fā)送到監(jiān)控中心，在監(jiān)控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、存儲、并提供相應(yīng)的查詢、統(tǒng)計、報表功能。監(jiān)控中心也可以通過向數(shù)據(jù)終端發(fā)送短信息，設(shè)定監(jiān)控終端配置信息或控制命令，更新數(shù)據(jù)終端的實時數(shù)據(jù)。系統(tǒng)組成包括現(xiàn)場設(shè)備、采集器、數(shù)據(jù)終端、監(jiān)控中心。原理框圖如圖1所示。



　　2 數(shù)據(jù)終端的硬件設(shè)計

　　數(shù)據(jù)終端采用Cygnal C8051F020作為控制主芯片，該芯片具有集成度高、功耗低(供電電壓為2.7～3.6V，典型工作電流為12mA，并具有多種節(jié)電休眠和停機(jī)模式)、處理能力強(qiáng)(采用流水線結(jié)構(gòu)，機(jī)器周期由標(biāo)準(zhǔn)的12個系統(tǒng)時鐘周期降為1個系統(tǒng)時鐘周期，峰值性能可達(dá)25MIPS)的特點(diǎn)，使其很適合應(yīng)用于需要高可靠性、低功耗的控制系統(tǒng)中。Cygnal C8051F為兼容：MCS-51內(nèi)核的單片機(jī)，內(nèi)置64kB FLASH程序存儲器和4352B數(shù)據(jù)RAM，具有2個雙全工的UART。正是利用這2個串口實現(xiàn)了單片機(jī)與手機(jī)模塊和PC機(jī)的同時通訊。數(shù)據(jù)終端硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。



　　2.1 通信單元電路設(shè)計

　　通信單元采用CDMA無線模塊來實現(xiàn)。CDMA無線模塊作為終端的無線收發(fā)模塊，把單片機(jī)接收到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行編碼后以短信息的格式發(fā)送出去。CDMA的無線模塊采用ZTEiT的MG801A模塊，MG801A-CDMA模塊是內(nèi)置軟件支持CDMA2000 1X REV0標(biāo)準(zhǔn)和GoTa協(xié)議的工業(yè)級應(yīng)用模塊，工作頻段為800MHz。能完成語音、數(shù)據(jù)、傳真、短信息服務(wù)以及多種附加業(yè)務(wù)的功能。具有容量大、輻射小、低功耗、體積小等特點(diǎn)。模塊通過80腳的插座與外圍電路進(jìn)行接口，電路如圖3所示。該模塊的供電電壓為3.3～4.25V，典型值為3.8V。



　　2.1.1 開關(guān)機(jī)控制

　　有兩種方法可以使模塊開機(jī)，第一種方法是通過系統(tǒng)連接器上的ON/OFF引腳，第二種方法是使用外部充電器。

　　系統(tǒng)連接器上的第51引腳是ON/OFF引腳，在此引腳上加一瞬時低電平會使模塊開機(jī)，模塊關(guān)機(jī)是通過AT指令實現(xiàn)的，關(guān)機(jī)指令為AT+ZPWROFF。第二種方法是使用外部充電器為模塊供電，如果外部電壓同時加于V_MAIN(Pin 71，72，73，74，75)和VCHG(Pin 79)就會使模塊開機(jī)，當(dāng)充電電源移走后，模塊會關(guān)機(jī)。

　　2.1.2通訊

　　MG801A模塊提供串行異步通訊接口UART(他與串口的數(shù)據(jù)通訊遵從RS232接口協(xié)議)，因為單片機(jī)與模塊都是3V左右的供電電壓，都符合TTL電平標(biāo)準(zhǔn)，所以可以直接連接，實現(xiàn)通訊功能。

　　2.1.3 UIM卡

　　UIM卡是CDMA手機(jī)運(yùn)用的一種智能卡。UIM卡提供個人認(rèn)證信息，可以允許MS或手機(jī)連接網(wǎng)絡(luò)。UIM卡可以允許用戶撥打或接聽電話和收發(fā)短信息。UIM卡固定在卡座上，通過卡座的6個引腳與外部連接。MG801A模塊為了減少功耗為UIM提供了一個使能引腳，在此可以不用，使UIM卡一直處于工作狀態(tài)。

　　2.2 穩(wěn)壓電源電路

　　數(shù)據(jù)終端的工作電壓為5 V DC。另外，電源的指標(biāo)不僅僅有電壓的要求，而且功率容限等指標(biāo)都要滿足要求。故采用圖4的設(shè)計方案。在該系統(tǒng)中，開關(guān)電源芯片LM7805完成12V到5V的轉(zhuǎn)換，加兩個二極管起降壓保護(hù)的作用，為模塊供電。電源電路主要由LM7805和AS117—3.O這兩個三端穩(wěn)壓電源模塊構(gòu)成，電源模塊AS117—3.O接收LM7805輸入的5V電壓，輸出為整個單片機(jī)系統(tǒng)和UIM卡的3V供電電壓。電源的輸出基本不會受外部輸入變動的干 擾，而且有效地消除了電磁干擾。

　　2.3 單片機(jī)外圍電路

　　單片機(jī)采用Cygnal公司的帶雙串口的C8051F020，一方面實現(xiàn)了對無線模塊的初始化和控制，另一方面實現(xiàn)了與帶有標(biāo)準(zhǔn)RS232串口的通訊。需要說明的是要加電平轉(zhuǎn)換電路，把TTL電平轉(zhuǎn)化為RS232電平，在本設(shè)計中選用的是SP3223芯片。C8051F020單片機(jī)在功能、性能上比以往的傳統(tǒng)單片機(jī)有了很大的提高，但復(fù)位和時鐘電路和以前單片機(jī)沒有區(qū)別。增加了JTAG接口，能實現(xiàn)在線下載，在下調(diào)試功能，從而使整個開發(fā)過程簡單、可靠。



　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計與實現(xiàn)

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計就在于單片機(jī)的編程，通過向MG801A模塊發(fā)送不同的AT指令來實現(xiàn)不同的功能，如讀取短信息的內(nèi)容，刪除短信息、列出模塊中還未讀的短信息等。下面主要介紹AT指令和雙串口CPU同時通訊的實現(xiàn)。

　　3.1 AT指令

　　AT(Attention)指令最初由Hayes公司推出，主要用于對調(diào)制解調(diào)器的控制，現(xiàn)在已演化為一種標(biāo)準(zhǔn)，所有移動模塊都支持AT指令。雖然不同廠家的手機(jī)模塊都參照GSM協(xié)議，但格式還是有所不同，開發(fā)過程中一定要認(rèn)真參考廠家給的資料。同時在開發(fā)過程中發(fā)現(xiàn)指令的執(zhí)行過程需要單片機(jī)與手機(jī)交互應(yīng)答完成，每一次發(fā)送或接收的字節(jié)數(shù)有嚴(yán)格的規(guī)定，二者必須依據(jù)這些規(guī)定實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，否則，通信就是失敗的。筆者經(jīng)過對幾種手機(jī)模塊反復(fù)測試，總結(jié)出一些規(guī)律，以下是對幾個問題的說明：

　　所有AT指令的指令符號、常數(shù)、PDU數(shù)據(jù)包等都是以ASCⅡ編碼形式傳送的，比如“A”的ASCⅡ編碼為41H，“T”的ASCⅡ編碼為54H數(shù)字，“O”的ASCⅡ編碼為30H等。

　　單片機(jī)控制手機(jī)工作，如果要發(fā)送中文短信，使用的是GSM模塊必須短信息工作模式設(shè)置為PDU格式，即通過指令A(yù)T+CMGF=0完成。使用MG801A模塊必須設(shè)置為中文UNICODE碼格式，即通過AT+ZMSGL=6，4完成。

　　單片機(jī)向手機(jī)發(fā)送一條指令后，必須以回車符作為該條指令的結(jié)束，回車的ASCⅡ編碼為ODH，回車符表示該條指令結(jié)束，如果沒有這個回車符，手機(jī)將不識別這條指令。

　　當(dāng)手機(jī)接收到一條完整的AT指令后，手機(jī)并不立即執(zhí)行這條指令，而是：先把剛才接收到的AT指令的全部ASCⅡ編碼序列全部反發(fā)送出來(含ODH)；其次發(fā)送一個回車符和換行符的ASCⅡ編碼，即ODH和OAH；最后才執(zhí)行該條指令。

　　3.2 單片機(jī)雙串口同時通訊的實現(xiàn)

　　由于C8051F020單片機(jī)實現(xiàn)和上位機(jī)與手機(jī)模塊的同時通訊，所以采用一片具有雙串口的CPU，該CPU具有2個串口和2個串口中斷，串口1中斷處理與上位機(jī)的通訊，串口2中斷處理與手機(jī)模塊的通訊，串口1中斷設(shè)置為高優(yōu)先級中斷，每接收到或發(fā)送完1個字節(jié)都進(jìn)人中斷處理，處理完畢立即退出中斷，通訊波特率都為115 200 b/s，1個起始位和1個停止位。

　　編程語言采用C51語言，盡量采用模塊化、結(jié)構(gòu)化、對象化編程，使串口通訊程序和其他程序之間、2個串口通訊程序之間相互獨(dú)立，以減少發(fā)生錯誤的機(jī)會。另外在串口通訊中，還要增加通訊超時處理機(jī)制，中斷處理中要注意數(shù)據(jù)和程序狀態(tài)的保護(hù)，完善出錯處理程序等。同時要解決時間沖突問題，硬件接收或發(fā)送一個字節(jié)的時間與軟件接收或發(fā)送一個字節(jié)的時間有很大的不同，這就為雙串口同時通訊提供了條件。其次要解決數(shù)據(jù)沖突問題，2個串口通訊分別使用各自的接收發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)和控制變量，以減少中斷保護(hù)數(shù)據(jù)量和防止數(shù)據(jù)沖突。當(dāng)主程序、串口2中斷處理程序和其他中斷處理程序向存儲器(與上位機(jī)的通訊用存儲器)中寫數(shù)據(jù)時，需在盡量短的時間內(nèi)關(guān)閉串口1中斷，關(guān)閉中斷時間應(yīng)小于幾μs，防止其他程序數(shù)據(jù)沒有寫完之前串口1讀此數(shù)據(jù)。

　　4 結(jié)語

　　隨著通訊技術(shù)、微電子技術(shù)的進(jìn)步和智能化建設(shè)的發(fā)展，越來越多的設(shè)備，如家電、電表、工業(yè)終端等，都有了聯(lián)網(wǎng)的需要，并且有大量的數(shù)據(jù)需要傳輸；而且在很多場合有線連接的方式已經(jīng)不能滿足人們的需要。無線接入以其方便、快捷和廉價的優(yōu)勢，彌補(bǔ)了有線方式的不足。覆蓋全國的CDMA網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為一種可持續(xù)利用和開發(fā)的資源，因而在此基礎(chǔ)上利用CDMA的短信息業(yè)務(wù)開發(fā)出滿足需要的無線接入產(chǎn)品已成為可能。