基于M23模块的数据无线传输终端设计

2022-09-10

随着工业自动化程度的日益提高, 各种仪器设备需要实时监测的数据越来越多, 需要交换和传输的数据量也越来越大, 因此人们总是希望数据的传输速度能够更快, 距离能够更远, 甚至是摆脱各种线缆的束缚。目前, 数据的无线传输主要有以下几种方式:红外、蓝牙、射频传输、卫星传输以及我们日常生活中应用最广的一种方法:用移动运营商提供的GSM/GPRS或者是CDMA网络来进行传输。本文介绍了如何利用BENQ公司的M 23模块和A VR系列单片机里面的一款ATmega162来搭建一个可以无线发送数据的终端。

1 M23模块介绍

目前市场上的主流GSM/GPRS模块有以下几种:BENQ公司的M22/M23模块、SI-E M E N S公司的M C 3 5/M C 3 9模块、S o n y Ericsson公司的GR47/GR48模块。从功能上来说, 上面的模块都支持基本的GSM功能, 而M22/M23则支持GPRS CLASS4, M22/M23内置了嵌入式TCP/IP, 可以支持数据业务的透明和非透明传输[1]。考虑到市场的普及度与可靠性的要求, 我们选择Ben Q公司的M23通讯模块。在应用的领域来说, M23可以应用于GSM语音通信以及短信息通信, 譬如路况信息监控, 道路紧急电话, 利用短信息进行实时性要求不高, 数据量不大的数据通信, 无线商务电话等。由于支持GPRS和嵌入式的TCP/IP, M23还可以用于实时性要求较高, 数据量相对较大, 传输速度相对较快的数据通信领域, 如电力无线抄表系统, 无线POS机, 工业数据传输, 无线上网卡等等。

2 AVR系列单片机介绍

AVR单片机[2]是Atmel公司1997年推出的RISC单片机。较其他系列的单片机而言, 其具有频率高、功耗低、片内资源丰富的优点。AVR系列单片机都具有良好的集成性能, 具备在线编程接口, 其中的MEGA系列还具备JTAG在线仿真和下载功能;都含有片内看门狗电路、片内程序flash、同步串行接口SPI;多数AVR单片机还内嵌了AD转换器、EEPROM、模拟比较器、PWM定时计数器等多种功能。由于本系统在设计上需要用到单片机的两路串口, 所以采用了ATmega162这一款单片机作为系统的主控制芯片。

3 GPRS技术介绍的技

GPRS (General Packet Radio Service) 是通用分组无线业务的简称[3], 采用的是基于GSM系统的无线高速数据分组传输技术, 目前理论传输速率为115Kbps。GPRS的基本原理是, 当用户上传或下载互联网数据时, 系统不是利用当时承载服务所采用的电路连接, 而是利用分组将数据在网络中传送, 达到多用户间对网络资源的共享, 同时网络运营机构还可以最大限度地使用现有GSM设备, 避免了GSM设备投资的浪费。另外, 数据传送使用GPRS, 而语音传送使用GSM, 使下载资料和通话可以同时进行。为此, 它不但可以为GPRS用户提供GSM移动电话通信的所有功能, 更为突出的是为GPRS用户提供了一种更快捷、更方便、更便宜、更持久的移动上网方式。GPRS目前被认为是移动通信从第二代向第三代过渡的重要一环。

4 系统硬件设计方案

本系统的设计目标主要是实现对上位机数据的无线发送和接收。在方案设计上, 从AVR单片机上引出一路串口, 作为与上位机通信的接口。然后, 单片机通过另外一路串口连接到M23模块, 最后由GPRS无线网络发送到指定的服务器。系统框图如图1所示。

Ben Q的这款M23无线模块能通过手机网络为任何需要语音通讯和数据传输要求的产品提供无线通讯解决方案。其管脚分类如表1所示, 引脚分布如图2所示。

在本系统的设计中, 由于不需要用到模块的语音功能, 所以在硬件设计上, 语音接口和键盘中断接口都可以省略不用。下面就分别介绍本系统中和M23模块有关的部分电路设计。

我们知道无线模块的耗电具有不稳定的特点。在待机状态、和基站的握手状态、通话状态、在拨号状态或者是在信号强弱不同的地方这些因素都会直接的影响无线模块的耗电流, 所以无线模块的电源设计非常重要。M23推荐的电源电压范围为DC3.6~4.2V, 所以在设计电源的时候取3.8V的电压, 模块在工作中最大的瞬间电流能够达到1.7A, 所以考虑到大电流的需要, 本系统采用LM2576开关稳压芯片。又因为较高的输出电压纹波 (一般大于20m V) 是开关稳压电源设计中不可回避的问题, 在某些对电源纹波电压有特殊要求的场合 (如MCU内部有高精度A/D转换器等) , 可采用开关稳压电源来提高稳压电源的工作效率或采用线性稳压电源来降低稳压电源的输出纹波电压。因此, 采用开关稳压电源与线性稳压电源相结合的形式可为有特殊要求的MCU供电提供一种更好的方法。因此, 最终电源设计方案采用LM7805和LM2576的联合设计。直流电源 (+12V) 输入LM7805, 然后输出DC5V, 对AVR单片机供电, 与此同时通过LM2576产生DC4V电压供给M23。由于LM2576具有可靠的工作性能、较高的工作效率和较强的输出电流驱动能力, 从而为M23的稳定、可靠工作提供了强有力的保证。

电源部分原理图如图3所示。

由于Ben Q M23必须通过移动运营商的GSM/GPRS网络才能够工作, 所以必须要用到SIM电话卡。安装时只要以右上角的缺口为准即可。SIM卡座的和M23的连接电路原理图如图4所示。

当M23模块和MCU通信时, 只需要将模块的RXD、TXD与MCU的RXD、TXD交叉相连就可以了。如果模块要和PC机通信, 则需要将模块与DB9连接成全串口。在本系统的设计中, 用了两个8位的平拨开关, 分别控制M23的串口与MCU连接或者与DB9连接。当S1断开, S2连通的时候, 模块的串口和DB9连通, 这时, 模块不受MCU控制, 可以用PC机通过串口调试程序直接对模块进行配置或者测试。在测试正常后, 就可以将S1连通, S2断开。用MCU来和模块通信。

5 软件设计

在本系统的软件设计上, 主要是在ATmega162初始化后利用单片机的串口向M23模块发送AT指令, 来对模块进行GPRS相关参数的设置。

AT即Attention[4], AT指令集是从终端设备 (Terminal Equipment, TE) 或数据终端设备 (Data Terminal Equipment, DTE) 向终端适配器 (Terminal Adapter, TA) 或数据电路终端设备 (Data Circuit Terminal Equipment, DCE) 发送的。通过TA, TE发送AT指令来控制移动台 (Mobile Station, MS) 的功能, 与GSM网络业务进行交互。用户可以通过AT指令进行呼叫、短信、电话本、数据业务、传真等方面的控制。90年代初, AT指令仅被用于Modem操作。没有控制移动电话文本消息的先例, 只开发了一种叫SMS Block Mode的协议, 通过终端设备 (TE) 或电脑来完全控制SMS。几年后, 主要的移动电话生产厂商诺基亚、爱立信、摩托罗拉和HP共同为GSM研制了一整套AT指令, 其中就包括对SMS的控制。AT指令在此基础上演化并被加入GSM 07.05标准以及现在的GSM07.07标准, 完全标准化和比较健全的标准。

本系统使用外部晶振, 频率为8M, 串口的波特率为9600bps。下面分别给出了异步串口初始化和数据发送的子程序。