带USB接口的短信收发最小系统设计
时间：2005-11-25 14:53:00
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[导读]短信息服务是移动网络上一种基本无线业务,是信息在移动网络上储存和转寄的过程。但是用常见的手机编辑短信息不方便,输入和显示都有局限
短信息服务是移动网络上一种基本无线业务,是信息在移动网络上储存和转寄的过程。但是用常见的手机编辑短信息不方便,输入和显示都有局限,当然不适合工业应用，用PC机就不存在这些问题。而这种短信收发系统一般是基于RS〖CD*2〗232串行总线的，不仅安装麻烦，而且由于受计算机插槽数量和地址、中断资源的限制，不可能挂接很多设备。在一些电磁干扰性强的测试现场，无法专门对其做电磁屏蔽，导致信息的失真。本设计以GSM网络作为数据无线传输网络，选用支持GSM网络的模块TC35i和带有USB接口的单片机开发而成。
1 系统的结构特点和主要器件
本系统主要由短信收发模块和兼有监控实现USB接口双重功能的单片机组成，即西门子公司的TC35i模块和Cygnal 公司的C8051F320。系统框图如图1所示。本设计将TC35i终端与电脑相连 (通过USB接口,TC35i终端支持GSMU AT指令集),就可以通过自行编制的短信息收发软件,利用PC的超级终端功能实现短信息收发。该系统可实现中英文点对点的双向收发,一次最多可以发送70个中文字符和160个英文字符。一旦消息被发送,那么发送人就会得到发送成功的通知。它还可以实现一次性群发,最多可以发给10个用户,并且有电话簿功能。该终端具有随机收发,实时接收,立即回复,成本低等特性。
图1 系统框图
1.1 TC35i模块的介绍
目前,国内常用的GSM模块有Waecome的WMO2、爱立信的DM10/DM20系列、中兴的ZXGM18系列和西门子公司的TC35i，这些模块各有所长。其中西门子公司的TC35i系列模块性价比高，并且已经有国内的无线电设备入网证。本设计就是选用西门子公司的TC35i。
TC35i 是一个支持中文短信息的工业级GSM 模块,工作在EGSM900 和GSM1800 双频段,电源范围为3.3～5.5 V ,可传输语音和数据信号, 功耗在EGSM900 (4 类) 和GSM1800 (1 类) 分别为2 W和1 W ,通过接口连接器和天线连接器分别连接SIM卡读卡器和天线。TC35i 的数据接口(CMOS 电平)通过AT 命令可双向传输指令和数据,可选波特率为300 b/s～115 kb/s , 自动波特率为1.2 kb/s～115 kb/s。它支持Text和PDU 格式的SMS (Short Message Service,短消息),可通过AT 命令或关断信号实现重启和故障恢复。TC35i由供电模块(ASIC)、闪存、ZIF 连接器、天线接口等6部分组成。作为TC35i的核心，基带处理器主要处理GSM 终端内的语音和数据信号，并涵盖了蜂窝射频设备中的所有模拟和数字功能。在不需要额外硬件电路的前提下，可支持FR、HR 和EFR 语音信道编码。
1.2 C8051F320的介绍
USB的特点是统一了周边所有装置的连接口，各种不同的插头、插座都设计为统一规格，这就解决了哪一个装置插头要接在哪个连接口的问题。USB总线接口作为外设的通用接口，有其他接口无法比拟的优势。速度性能是USB技术的突出特点，它支持热插拔，是真正的即插即用设备，支持双向、同步传输，能保证某些需要连接数据流的设备需要。在进行该USB设备开发之前，首先要根据具体使用要求选择合适的USB控制器。现在市场上供应的USB控制器主要有两种：带USB接口的单片机（MCU）或纯粹的USB接口芯片。笔者选用Cygnal公司的C8051F320芯片属于前者。
Cygnal公司的C8051F系列单片机是集成的混合信号片上系统SoC。它具有与MCS-51内核及指令集完全兼容的微控制器，带有USB收发器，完全遵循USB协议2.0，支持12 Mbps的全速传输或1.5 Mbps的低速传输，可时钟恢复，不需额外的晶振（当然根据设计习惯，也可以采用外部晶振），提供有 8个端点（endpoint），且每个端点的传输类型、传输方向均可自由配置。另外，它还集成有1 KB的USB SRAM和USB收发器，内置的16 KB的Flash存储器和256 B的内部RAM，还可以访问外部数据存储器RAM，即XRAM。它还可以为固件提供足够的存储空间，不需要再扩展外部存储器。更重要的是C8051F320内部包含有一个C2（Cygnal2-Wire）调试电路，通过2脚的C2接口使用开发套件，就可以进行非侵入式、全速的在系统调试。另外，这2脚是公用的，它还有其他的功能，这样设计PCB板就相对简单些。
2 硬件系统电路设计
本系统采用Cygnal C8051F320作为控制主芯片。Cygnal C8051F为兼容MCS-51内核的单片机,内置8 KB Flash,拥有256字节RAM。由于内置Flash,因此在电路设计上可以省去外接程序存储器,缩小了PCB板的面积,也提高了整个系统的可靠性。在这个GSM系统中,还有一些基本不变或者很少变化的量,比如子机的编号、号码、短消息中心号码等,这些数据可以作为常量直接写入程序的Flash中。单片机通过串口和TC35i通信，单片机从TC35i接到外来的信息，并通过USB接口和PC机通信。
图2 稳压电源电路
2.1 稳压电源电路
最小系统工作电压为5 V DC。由于TC35i 模块的突发耗电电流峰值可达3 A,故外加稳压器件必须达到足以提供该额定电流的条件。另外，电源的指标不仅仅有电压，而且功率容限等指标都要满足要求，故采用图2的设计方案。在该系统中,开关电源芯片LM7805 完成12 V到?5 V?的转换,电源电路主要由LM7805和AS1117-3.3这2个三端稳压电源模块构成，电源模块AS1117-3.3接收LM7805输入的5 V电平，输出为整个单片机系统提供+3.3 V工作电压，连到ZIF连接器的1~5引脚，为TC35i提供＋5 V、500 mA的充电电压。电源的输出基本不会受外部输入变动干扰，而且有效的消除了电磁干扰。
2.2 IGT电路
对于TC35i模块控制，IGT信号非常重要，只有正确的IGT信号才可以使TC35i模块正常运行。系统加电后,为使TC35i 进入工作状态,必须给IGT 加一个延时大于100 ms 的低脉冲,电平下降持续时间不可超过1 ms。驱动IGT时，TC35i 供电电压不能低于3.3 V ,否则TC35不能激活。电路设计如图3所示。启动电路由开漏极三极管和上电复位电路组成。为保证整个系统正常启动，要求在电源加电时，IGT必须保持大于100 ms的低电平后，再跳到高电平，在电路板中是依靠RC电路来完成的，且该信号下降沿时间小于1 ms。启动后，IGT脚的信号应保持高电平。电源通电后，+5 V电源通过电阻对电容充电，使电容正极上的电压慢慢上升，大约经过100 ms达到高电位，使施密特触发器翻转，系统被复位。启动后, IGT应保持高电平(3.3 V) 。
TC35i数据接口通过USB电缆直接与PC机连接。数据接口遵从DCE的ITU2T RS232内部交换电路标准，实现异步串行收发功能。
2.3 TC35i其他部分电路
TC35i使用外接式SIM卡, ZIF连接器上有6个引脚做为SIM卡的接口,SIM卡上也有6个引脚分别与它相对应, SIM卡同TC35i是这样连接的:SIM上的CCRST、CCIO、CCCL、CCVCC和CCGND通过SIM卡阅读器与TC35i的同名端直接相连,CCIN悬空,而TC上的CCIN通过一个3.3 kΩ电阻与CCVCC相连，用来检测SIM卡是否插好。这种连接方式是由SIM卡阅读器决定的，由于此部分的电路简单，本文就不提供了。
TC35i的SYNC引脚有两种工作模式，一种是指示发射状态时的功率增长情况，另一种是指示TC35i的工作状态，可用AT命令AT SYNC进行切换，本模块使用的是后一种。当LED熄灭时,表明TC35i处于关闭或睡眠状态；当LED为600 ms亮/600 ms熄时，表明SIM卡没有插入或TC35i正在进行网络登录；当LED为75 ms亮/3 s熄时，表明TC35i已登录进网络，处于待机状态。
2.4 单片机周围电路
采用Cygnal公司内置USB接口的高性能微控制器芯片C8051F320，简化了硬件部分的设计。该单片机即实现了USB接口的功能又要完成对模块的控制功能。因为C8051F320是带USB接口的单片机，所以整个硬件部分与一般单片机应用系统的开发类似，仅需要通过端口P0.5和P0.4连接40脚ZIF插座就可实现模块和单片机之间的通信。下面是设计时应特别注意的问题：在外接晶体时，一定要在晶体的两端接上10 MΩ的电阻，晶体外壳最好接地，而且布线尽量的短，尽量减少干扰。若要快捷、成功地开发一个USB设备，正确、合理的调试方法是必不可少的环节。那么设计调试所用的JTAG口时，要在TCK加上3.3 V上拉，上拉电阻为4.7 kΩ。本单片机共有32个引脚，对于未用的I/O口最好用100 Ω的电阻下拉到地。这样有助于保护I/O口。
3 软件设计
基于带有USB接口的短信发送系统,既包括硬件设计又包括软件设计，下面简单介绍软件设计。USB应用系统软件设计分为三部分：USB外设端的固件（firmware）、主机操作系统上的客户驱动程序以及主机应用软件。8051F320固件程序控制整个系统的运行，并负责处理PC机发来的各种USB请求，以完成它们之间的数据传输。该固件共包含7个程序文件，响应各种来自系统的USB标准请求，完成各种数据的交换工作和事件处理。单片机通过串行口控制TC35i，控制方法采用标准的AT命令集。由于在 GSM标准中，中文编码采用的是Unicode编码，而不是目前国内常用的GB－2312编码，故还需要进行中文编码的转换，才能显示汉字字型。因此，在进行短消息的发送时，还要对用户数据按PDU格式进行编码，为了增强硬件的功能最好把这部分放在固件。这些底层的驱动函数将会使上层协议的编写很方便，更重要的是，它提供了一个硬件抽象层。当底层硬件改动时，只需要改动底层的驱动函数，而上层函数的代码不变。在此基础之上再编写应用层程序。主机应用软件通过客户驱动程序与系统USBDI进行通信，实现系统USB数据的传送动作。
图3 IGT电路
在USB传输中，因外围设备的类型与应用不同，制定了4种传输类型，分别是控制传输(control transfer)、中断传输(interrupt transfer)、批量传输(bulk transfer)以及实时传输(isochronous transfer)。其中，需要特别注意的是慢速设备仅支持控制传输与中断传输。在此系统中采用中断传输。
笔者采用Keil C51完成固件的设计，在DRIVER STUDIO环境中采用Visual C++ 6.0完成USB驱动程序的设计，最后用Visual C++ 6.0开发生成应用软件及其相关使用说明。本设计完全采用Windows风格，用户可快捷地使用本设备。
4 结论
利用西门子公司TC35i模块和新华龙公司C8051F320的最小系统进行设计开发，简单容易，开发周期短，且带有USB接口，提高了安全性，减少现场人员工作的复杂性，易于为工程实践所采用。本文通过计算机实现了短信收发功能,利用C51对其进行编程控制,在此基础上,对软件和硬件加以改动还可以进行二次开发实现其他功能,例如，可以通过移动终端来查收多种信息和控制各种工程的现场设备。总之，本系统作为一个无线通信系统，具有广泛的应用前景。
参考文献
1 Cygnal Integrated Products Inc. C8051F320 datasheet
2 TC35i Engine Hardware Interface Description. www.siemens.com，2003
3 Cygnal Integrated products, Inc. C8051F单片机应用解析. 潘琢金,等译. 北京：北京航空航天大学出版社，2002
4 何立民. 单片机应用系统设计.北京：北京航空航天大学出版社，1990
5 王成儒. 等. USB2.0原理与工程开发.北京：国防工业出版社，2004
6 萧世文. USB2.0硬件设计.北京：清华大学出版社，2004
7 康厚强. 等.用于短信息收发的TC35i终端的硬件设计与实现.电子技术，2002(8)
1 系统的结构特点和主要器件
本系统主要由短信收发模块和兼有监控实现USB接口双重功能的单片机组成，即西门子公司的TC35i模块和Cygnal 公司的C8051F320。系统框图如图1所示。本设计将TC35i终端与电脑相连 (通过USB接口,TC35i终端支持GSMU AT指令集),就可以通过自行编制的短信息收发软件,利用PC的超级终端功能实现短信息收发。该系统可实现中英文点对点的双向收发,一次最多可以发送70个中文字符和160个英文字符。一旦消息被发送,那么发送人就会得到发送成功的通知。它还可以实现一次性群发,最多可以发给10个用户,并且有电话簿功能。该终端具有随机收发,实时接收,立即回复,成本低等特性。
图1 系统框图
1.1 TC35i模块的介绍
目前,国内常用的GSM模块有Waecome的WMO2、爱立信的DM10/DM20系列、中兴的ZXGM18系列和西门子公司的TC35i，这些模块各有所长。其中西门子公司的TC35i系列模块性价比高，并且已经有国内的无线电设备入网证。本设计就是选用西门子公司的TC35i。
TC35i 是一个支持中文短信息的工业级GSM 模块,工作在EGSM900 和GSM1800 双频段,电源范围为3.3～5.5 V ,可传输语音和数据信号, 功耗在EGSM900 (4 类) 和GSM1800 (1 类) 分别为2 W和1 W ,通过接口连接器和天线连接器分别连接SIM卡读卡器和天线。TC35i 的数据接口(CMOS 电平)通过AT 命令可双向传输指令和数据,可选波特率为300 b/s～115 kb/s , 自动波特率为1.2 kb/s～115 kb/s。它支持Text和PDU 格式的SMS (Short Message Service,短消息),可通过AT 命令或关断信号实现重启和故障恢复。TC35i由供电模块(ASIC)、闪存、ZIF 连接器、天线接口等6部分组成。作为TC35i的核心，基带处理器主要处理GSM 终端内的语音和数据信号，并涵盖了蜂窝射频设备中的所有模拟和数字功能。在不需要额外硬件电路的前提下，可支持FR、HR 和EFR 语音信道编码。
1.2 C8051F320的介绍
USB的特点是统一了周边所有装置的连接口，各种不同的插头、插座都设计为统一规格，这就解决了哪一个装置插头要接在哪个连接口的问题。USB总线接口作为外设的通用接口，有其他接口无法比拟的优势。速度性能是USB技术的突出特点，它支持热插拔，是真正的即插即用设备，支持双向、同步传输，能保证某些需要连接数据流的设备需要。在进行该USB设备开发之前，首先要根据具体使用要求选择合适的USB控制器。现在市场上供应的USB控制器主要有两种：带USB接口的单片机（MCU）或纯粹的USB接口芯片。笔者选用Cygnal公司的C8051F320芯片属于前者。
Cygnal公司的C8051F系列单片机是集成的混合信号片上系统SoC。它具有与MCS-51内核及指令集完全兼容的微控制器，带有USB收发器，完全遵循USB协议2.0，支持12 Mbps的全速传输或1.5 Mbps的低速传输，可时钟恢复，不需额外的晶振（当然根据设计习惯，也可以采用外部晶振），提供有 8个端点（endpoint），且每个端点的传输类型、传输方向均可自由配置。另外，它还集成有1 KB的USB SRAM和USB收发器，内置的16 KB的Flash存储器和256 B的内部RAM，还可以访问外部数据存储器RAM，即XRAM。它还可以为固件提供足够的存储空间，不需要再扩展外部存储器。更重要的是C8051F320内部包含有一个C2（Cygnal2-Wire）调试电路，通过2脚的C2接口使用开发套件，就可以进行非侵入式、全速的在系统调试。另外，这2脚是公用的，它还有其他的功能，这样设计PCB板就相对简单些。
2 硬件系统电路设计
本系统采用Cygnal C8051F320作为控制主芯片。Cygnal C8051F为兼容MCS-51内核的单片机,内置8 KB Flash,拥有256字节RAM。由于内置Flash,因此在电路设计上可以省去外接程序存储器,缩小了PCB板的面积,也提高了整个系统的可靠性。在这个GSM系统中,还有一些基本不变或者很少变化的量,比如子机的编号、号码、短消息中心号码等,这些数据可以作为常量直接写入程序的Flash中。单片机通过串口和TC35i通信，单片机从TC35i接到外来的信息，并通过USB接口和PC机通信。
图2 稳压电源电路
2.1 稳压电源电路
最小系统工作电压为5 V DC。由于TC35i 模块的突发耗电电流峰值可达3 A,故外加稳压器件必须达到足以提供该额定电流的条件。另外，电源的指标不仅仅有电压，而且功率容限等指标都要满足要求，故采用图2的设计方案。在该系统中,开关电源芯片LM7805 完成12 V到?5 V?的转换,电源电路主要由LM7805和AS1117-3.3这2个三端稳压电源模块构成，电源模块AS1117-3.3接收LM7805输入的5 V电平，输出为整个单片机系统提供+3.3 V工作电压，连到ZIF连接器的1~5引脚，为TC35i提供＋5 V、500 mA的充电电压。电源的输出基本不会受外部输入变动干扰，而且有效的消除了电磁干扰。
2.2 IGT电路
对于TC35i模块控制，IGT信号非常重要，只有正确的IGT信号才可以使TC35i模块正常运行。系统加电后,为使TC35i 进入工作状态,必须给IGT 加一个延时大于100 ms 的低脉冲,电平下降持续时间不可超过1 ms。驱动IGT时，TC35i 供电电压不能低于3.3 V ,否则TC35不能激活。电路设计如图3所示。启动电路由开漏极三极管和上电复位电路组成。为保证整个系统正常启动，要求在电源加电时，IGT必须保持大于100 ms的低电平后，再跳到高电平，在电路板中是依靠RC电路来完成的，且该信号下降沿时间小于1 ms。启动后，IGT脚的信号应保持高电平。电源通电后，+5 V电源通过电阻对电容充电，使电容正极上的电压慢慢上升，大约经过100 ms达到高电位，使施密特触发器翻转，系统被复位。启动后, IGT应保持高电平(3.3 V) 。
TC35i数据接口通过USB电缆直接与PC机连接。数据接口遵从DCE的ITU2T RS232内部交换电路标准，实现异步串行收发功能。
2.3 TC35i其他部分电路
TC35i使用外接式SIM卡, ZIF连接器上有6个引脚做为SIM卡的接口,SIM卡上也有6个引脚分别与它相对应, SIM卡同TC35i是这样连接的:SIM上的CCRST、CCIO、CCCL、CCVCC和CCGND通过SIM卡阅读器与TC35i的同名端直接相连,CCIN悬空,而TC上的CCIN通过一个3.3 kΩ电阻与CCVCC相连，用来检测SIM卡是否插好。这种连接方式是由SIM卡阅读器决定的，由于此部分的电路简单，本文就不提供了。
TC35i的SYNC引脚有两种工作模式，一种是指示发射状态时的功率增长情况，另一种是指示TC35i的工作状态，可用AT命令AT SYNC进行切换，本模块使用的是后一种。当LED熄灭时,表明TC35i处于关闭或睡眠状态；当LED为600 ms亮/600 ms熄时，表明SIM卡没有插入或TC35i正在进行网络登录；当LED为75 ms亮/3 s熄时，表明TC35i已登录进网络，处于待机状态。
2.4 单片机周围电路
采用Cygnal公司内置USB接口的高性能微控制器芯片C8051F320，简化了硬件部分的设计。该单片机即实现了USB接口的功能又要完成对模块的控制功能。因为C8051F320是带USB接口的单片机，所以整个硬件部分与一般单片机应用系统的开发类似，仅需要通过端口P0.5和P0.4连接40脚ZIF插座就可实现模块和单片机之间的通信。下面是设计时应特别注意的问题：在外接晶体时，一定要在晶体的两端接上10 MΩ的电阻，晶体外壳最好接地，而且布线尽量的短，尽量减少干扰。若要快捷、成功地开发一个USB设备，正确、合理的调试方法是必不可少的环节。那么设计调试所用的JTAG口时，要在TCK加上3.3 V上拉，上拉电阻为4.7 kΩ。本单片机共有32个引脚，对于未用的I/O口最好用100 Ω的电阻下拉到地。这样有助于保护I/O口。
3 软件设计
基于带有USB接口的短信发送系统,既包括硬件设计又包括软件设计，下面简单介绍软件设计。USB应用系统软件设计分为三部分：USB外设端的固件（firmware）、主机操作系统上的客户驱动程序以及主机应用软件。8051F320固件程序控制整个系统的运行，并负责处理PC机发来的各种USB请求，以完成它们之间的数据传输。该固件共包含7个程序文件，响应各种来自系统的USB标准请求，完成各种数据的交换工作和事件处理。单片机通过串行口控制TC35i，控制方法采用标准的AT命令集。由于在 GSM标准中，中文编码采用的是Unicode编码，而不是目前国内常用的GB－2312编码，故还需要进行中文编码的转换，才能显示汉字字型。因此，在进行短消息的发送时，还要对用户数据按PDU格式进行编码，为了增强硬件的功能最好把这部分放在固件。这些底层的驱动函数将会使上层协议的编写很方便，更重要的是，它提供了一个硬件抽象层。当底层硬件改动时，只需要改动底层的驱动函数，而上层函数的代码不变。在此基础之上再编写应用层程序。主机应用软件通过客户驱动程序与系统USBDI进行通信，实现系统USB数据的传送动作。
图3 IGT电路
在USB传输中，因外围设备的类型与应用不同，制定了4种传输类型，分别是控制传输(control transfer)、中断传输(interrupt transfer)、批量传输(bulk transfer)以及实时传输(isochronous transfer)。其中，需要特别注意的是慢速设备仅支持控制传输与中断传输。在此系统中采用中断传输。
笔者采用Keil C51完成固件的设计，在DRIVER STUDIO环境中采用Visual C++ 6.0完成USB驱动程序的设计，最后用Visual C++ 6.0开发生成应用软件及其相关使用说明。本设计完全采用Windows风格，用户可快捷地使用本设备。
4 结论
利用西门子公司TC35i模块和新华龙公司C8051F320的最小系统进行设计开发，简单容易，开发周期短，且带有USB接口，提高了安全性，减少现场人员工作的复杂性，易于为工程实践所采用。本文通过计算机实现了短信收发功能,利用C51对其进行编程控制,在此基础上,对软件和硬件加以改动还可以进行二次开发实现其他功能,例如，可以通过移动终端来查收多种信息和控制各种工程的现场设备。总之，本系统作为一个无线通信系统，具有广泛的应用前景。
参考文献
1 Cygnal Integrated Products Inc. C8051F320 datasheet
2 TC35i Engine Hardware Interface Description. www.siemens.com，2003
3 Cygnal Integrated products, Inc. C8051F单片机应用解析. 潘琢金,等译. 北京：北京航空航天大学出版社，2002
4 何立民. 单片机应用系统设计.北京：北京航空航天大学出版社，1990
5 王成儒. 等. USB2.0原理与工程开发.北京：国防工业出版社，2004
6 萧世文. USB2.0硬件设计.北京：清华大学出版社，2004
7 康厚强. 等.用于短信息收发的TC35i终端的硬件设计与实现.电子技术，2002(8)
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