GSM+GPS+GPRS模块开发技术文档.doc

1、短信收发模块 TC35i 的外围电路设计摘要：简单介绍 Siemens 公司的最新一代 TC35 系列的 TC35i；着重介绍 TC35i 的原理、特性及层次结构和 AT指令；设计实现 TC35i 通信的外围电路。 关键词：TC35i 单片机 GSM Modem SMS 计算机 C8051F020引 言1 概 述短信息服务作为 GSM 网络的一种基本业务，已得到越来越多的系统运营商和系统开发商的重视。本设计以 GSM 网络作为数据无线传输网络，可以开发出多种前景极其乐观的各类应用。典型的应用有：变电站、电表、水塔、水库或环保监测点等监测数据的无线传输和无线自动警报；远程无线控制高压线路断电器、

2、加热系统、防洪拦阻系统或其它机电系统的启动和关闭；车队交通管理和控制指挥系统；控制和监测香烟、食品和饮料自动售货机的运行状态和存货水平等。这里选用 GSM 模块 TC35i，给出其和 PC 机的通信电路；同时，也给出与单片机 Cyganal C8051F020 制成一款无线 Modem，与 PC 机协同收发短信，在 PC 和应用系统之间以此 Modem 和 GSM 网络为纽带，实现远地数据的传输。其工作模式如图 1、图 2所示。2 TC35i 模块目前，国内已经开始使用的 GSM 模块有 Falcom 的 A2D 系列、Wavecome 的 WMO2 系列、西门子的 TC35系列、爱立信的 D

3、M10/DM20 系列、中兴的 ZXGM18 系列等，而且这些模块的功能、用法差别不大。其中西门子的 TC35 系列模块性价比很高，并且已经有国内的无线电设备入网证。所以本设计选用的是西门子TC35 系列的 TC35i。这是西门子推出的最新的无线模块，功能上与 TC35 兼容，设计紧凑，大大缩小了用户产品的体积。TC35i 与 GSM 2/2+兼容、双频(GSM900/GSMl800)、RS232 数据口、符合 ETSI 标准 GSM0707和 GSM0705，且易于升级为 GPRS 模块。该模块集射频电路和基带于一体，向用户提供标准的 AT 命令接口，为数据、语音、短消息和传真提供快速、可靠

4、、安全的传输，方便用户的应用开发及设计。2.1 主要技术指标TC35i 主要特性与技术指标包括以下几点：频段为双频 GSM900MHz 和 GSMl800MHz (phase 2/2+)；支持数据、语音、短消息和传真；高集成度(54.5mm36mm3.6mm)； 质量为 9g；电源电压为单一电压 3.34.8V；可选波特率300bps115kbps，动波特率 4.8115kbps；电流消耗休眠状态为 3.5mA，空闲状态为 25mA，发射状态为 300mA(平均)，2.5A 峰值；温度范围 正常操作-20+55，存放-30+85；SIM 电压为 3V/1.8V。TC35i 有 40 个引脚，通

5、过一个 ZIF(Zero Insertion Force，零阻力插座)连接器引出。这 40 个引脚可以划分为 5 类，即电源、数据输入/输出、SIM 卡、音频接口和控制。第 114 脚为电源部分：15 为电源电压输入端 Vbatt+，610 为电源地 GND，11、12 为充电引脚，13 为对外输出电压(共外电路使用)，14为 ACCU-TEMP 接负温度系数的热敏电阻。2429 为 SIM 卡引脚，分别为 CCIN、 CCRST、CCIO、CCCLK、CCVCC 和 CCGND。3340 为语音接口，用来接电话手柄。15、30、31 和 32 脚为控制部分：15 为点火线 IGT(Ignit

6、ion)， 当 TC35i 通电后必须给 IGT 一个大于 100ms 低电平，模块才启动；30 为 RTC backup，31 为 Power down，32 为 SYNC。1623 为数据输入/输出，分别为DSR0、RING0、RxD0、TxD0、CTS0、RTS0、DTR0 和 DCD0。TC35 的数据输入/输出接口实际上是一个串行异步收发器，符合 ITU-T RS232 接口标准。它有固定的参数：8 位数据位和 1 位停止位，无校验位，波特率在 300bps115kbps 之间可选，硬件握手信号用RTS0/CTS0，软件流量控制用 XON/XOFF，CMOS 电平，支持标准的 AT

7、命令集。2.2 模块中与 SMS 有关的 GSM AT 指令介绍GSM 引擎模块提供的命令接口符合 GSM07.05 和 GSM07.07 规范。GSM07.07 中定义的 AT Command 接口，提供了一种移动平台与数据终端设备之间的通用接口；GSM07.05 对短消息作了详细的规定。在短消息模块收到网络发来的短消息时，能够通过串口发送指示消息，数据终端设备可以向 GSM 模块发送各种命令。与 SMS 有关的 GSM AT 指令如表 1 所列。GSM AT 指令集，是由诺基亚、爱立信、摩托罗拉和 HP 等厂家共同为 GSM 系统研制的，其中包含了对 SMS(Short Message S

8、ervice)的控制。表 1 与 SMS 相关的若干 GSM AT 指令AT 指令 功 能 AT+CMGC Send an SMS command(发出一条短消息命令 ) AT+CMGD Delete SMS message(删除 SIM 卡内存的短消息) AT+CMGF Select SMS message format(选择短消息信息格式：0-PDU；1- 文本) AT+CMGL List SMS message from preferred store(列出 SIM 卡中的短消息信息格式PDU/text:0/“REC UNREAD“为未读，1/“REC READ”为已读， 2/“STOU

9、 NSENT”为待发，3/“STO SENT” 为已发， 4/“ALL”为全部的） AT+CMGR Read SMS message(读短消息) AT+CMGS Send SMS message(发送短消息) AT+CMGW Write SMS message to memory(向 SIM 内存中写入待发的短消息） AT+CMGS Send SMS message from storage(从 SIM 内存中发送短消息) AT+CNMI New SMS message indication(显示新收到的短消息) AT+CPMS Preferred SMS message storage(选择

10、短消息内存) AT+CSCA SMS service center address(短消息中心地址) AT+CSCB Select cell broadcast message messages（选择蜂窝广播消息） AT+CSMP Set SMS text mode parameters(设置短消息文本模式参数 ) AT+CSMP Select Message Service(选择短消息服务) 2.3 PDU 编码规则目前，发送短消息常用 Text 和 PDU(Protocol Data Unit，协议数据单元)模式。使用 Text 模式收发短信代码简单，实现起来十分容易，但最大的缺点是不能收

11、发中文短信；而 PDU 模式不仅支持中文短信，也能发送英文短信。PDU 模式收发短信可以使用 3 种编码：7-bit、8-bit 和 UCS2 编码。7-bit 编码用于发送普通的 ASCII 字符，8-bit 编码通常用于发送数据消息，UCS2 编码用于发送 Unicode 字符。一般的PDU 编码由 A B C D E F G H I J K L M 十三项组成。A：短信息中心地址长度，2 位十六进制数(1 字节)。B：短信息中心号码类型，2 位十六进制数。C：短信息中心号码，B+C 的长度将由 A 中的数据决定。D：文件头字节，2 位十六进制数。E：信息类型，2 位十六进制数。F：被叫号

12、码长度，2 位十六进制数。G：被叫号码类型，2 位十六进制数，取值同 B。H：被叫号码，长度由 F 中的数据决定。I：协议标识，2 位十六进制数。J：数据编码方案，2 位十六进制数。K：有效期，2 位十六进制数。L：用户数据长度，2 位十六进制数。M：用户数据，其长度由 L 中的数据决定。J 中设定采用 UCS2 编码，这里是中英文的 Unicode 字符。图 33 Cygnal 单片机 C8051F020 简介C8051F020 系列器件与 MCS-51 指令集完全兼容，可以使用标准 803X/805X 的汇编器和编译器进行软件开发。CIP-51 内核具有标准 8052 的所有外设部件，包括

13、 5 个 16 位的计数器/定时器、2 个全双工UART、256 字节内部 RAM、128 字节特殊功能寄存器(SFR)地址空间及 8/4 个字节宽的 I/O 口。CIP-51 采用流水线结构，与标准的 8051 结构相比，指令执行速度有很大的提高。70%指令的执行时间为 1 或 2 个系统时钟周期，只有 4 条指令的执行时间大于 4 个系统时钟周期。CIP-51 工作在最大系统时钟频率 25MHz 时，峰值速度达到 25MIPS。该系列的 MCU 具有标准 8051 端口(0、1、2 和 3)和 4 个附加的端口(4、5、6 和 7)，因此共 64 个 I/O口。每个 I/O 引脚都可以被配

14、置为推挽或漏极开路输出。在标准 8051 中固定的“弱上拉”可以被总体禁止。这为低功耗应用提供了进一步节电的能力。最独特的改进是引入了数字交叉开关。这是一个大的数字开关网络，允许将内部数字资源映射到 P0、P1、P2 和 P3 的端口 I/O 引脚。与具有标准复用数字 I/O 的微控制器不同，这种结构可以支持所有的功能组合。可以通过设置交叉开关控制寄存器，将片内的计数器/定时器、串行总线、硬件中断、ADC 转换启动输入、比较器输出以及微控制器内部的其它数字信号，配置为出现在端口的 I/O 引脚。这一特性允许用户根据自己的特定应用选择通用 I/O 和所需数字资源的组合。图 44 硬件设计TC35

15、i 外围电路如图 3 所示。电源电路分为充电电池和稳压电源模块两部分：充电电池主要为整个系统提供 3.6V 工作电压，同时产生 MAX3238 所需要的高电平；三端电源模块 LM7806 将外部12V 直流电源转换为6V，连到 ZIF 连接器的 11、12 引脚，在充电模式下，为 TC35i 提供6V、500mA 的充电电源。启动电路由开漏极三极管和上电复位电路组成。模块上电 10ms 后(电池电压须大于 3V)，为使之正常工作，必须在 15 脚()加时长至少为 100ms 的低电平信号，且该信号下降沿时间小于 1ms。启动后，15 脚的信号应保持高电平。基带处理器集成了一个与 ISO 781

16、6-3 IC Card 标准兼容的 SIM 接口。为了适合外部的 SIM 接口，该接口连接到主接口(ZIF 连接器)。在 GSM11.11 为 SIM 卡预留 5 个引脚的基础上，TC35 在 ZIF 连接器上为SIM 卡接口预留了 6 个引脚，所添加的 CCIN 引脚用来检测 SIM 卡支架中是否插有 SIM 卡。当插入 SIM 卡，该引脚置为高电平时，系统方可进入正常工作。数据通信电路主要完成短消息收发、与 PC 机通信、软件流控制等功能。数据通信电路以 Maxim 公司的 MAX3238 芯片为核心，实现电平转换及串口通信功能；具有低功耗、高数据速率、增强型 ESD 保护等特性。增强型

17、ESD 结构为所有发送器输出和接收器输入提供保护，可承受15kV IEC 1000-4-2 气隙放电、8kV IEC 1000-4-2 接触放电和15kV 人体放电模式。TC35 的 SYNC 引脚有两种工作模式，可用 AT 命令 AT SYNC 进行切换。一种是指示发射状态时的功率增长情况，另一种是指示 TC35 的工作状态。本模块使用的是后一种功能：当 LED 熄灭时,表明 TC35 处于关闭或睡眠状态；当 LED 为 600ms 亮/600ms 熄时，表明 SIM 卡没有插入或 TC35 正在进行网络登录；当LED 为 75ms 亮/3s 熄时，表明 TC35 已登录进网络，处于持机状态

18、。TC35i 通过 C8051F020 与 PC 机通信，其外围电路如图 4 所示。5 软件设计5.1 单片机程序设计简介系统程序流程软件设计的重点在于单片机的编程。通过向 TC35 写入不同的 AT 指令，能完成多种功能，如网络登录、读取 SIM 卡上电话号码、发送 SMS 消息、接收 SMS 消息等。其主程序流程如图 5 所示。其中，初始化的工作包括设置串口速率、无线网络登陆以及设置短信模式为 PDU。PDU 编码包括按 PDU 的编码规则产生 PDU 串。单片机控制 TC35 模块发送端消息程序实例见本刊网站 。5.2 汉字编码转换由于在 GSM 标准中，中文编码采用的是 Unicode

19、 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。Delphi 下汉字编码转换程序见本刊网站 。结 语使用手机模块利于系统集成，成本较低。在偏远地区、海岛等架设通信线路困难或不经济的地方，工程服务设施也可以自由灵活地设置，不再受地形条件的限制。总之，GSM 模块价格低廉、应用广泛，有着诱人的应用前景。单片机控制 GSM 手机的技术及应用随着科技的飞速发展和人民生活水平的不断提高，手机的普及率越来越高，更新也越来越快，价格也越来越便宜。因为手机工作的无线网络覆盖范围广，在信息传递方面性能稳定、可靠，所以把手机作为信息传递的载体，与单片机结合起来构成

20、应用系统有着强大的生命力和广阔的应用空间，特别是在远程数据传输、远程监控等领域更是受到电子设计应用工程师的关注。一些专业刊物也介绍了一些有关这方面的文章，然而由于手机的控制指令复杂，数据格式繁琐，工程技术人员在进行单片机与手机的硬软件接口设计时经常会遇到很多困难，有时还无资料可查。笔者在完成一个项目的开发过程中，针对几种手机进行了大量的测试和实验，在此基础上归纳出一些带规律性的结论，对此结论，工程设计人员可拿来即用，大大缩短研发周期，现在把它公布出来，愿与广大电子设计人员共享。1 硬件接口技术方面目前市场上流行的大部分手机几乎都具有数据引出口，并基本上都支持与 GsM 短信息相关的 AT控制指

21、令(GSM-SMS-AT 指令) ，手机通过数据口以串行方式接收指令并向外输出数据。理论上讲，在数据口中找出 RxD、TxD 和 GND 引脚与单片机的串口对应连接即完成了硬件接口。然而，实际上由于不同品牌，不同型号手机的 RxD、TxD 和 GND 引脚并非一致，找查这三根线有时也非易事；况且手机数据口的电平既不是 RS232 电平，也不是 TTL 电平，与由 5V 供电的单片机串口还不能直接连接。最简单可靠的方法是使用手机的数据线建立单片机与手机的硬件连接。手机数据线是专为连接 PC 机 9 针串口而设计的，信号电平为标准的 RS232 电平，只要单片机的串口也转换为 Rs 2 3 2 电

22、平，就可方便连接。9 针串口引脚定义是固定的，即 2 脚为 TxD(手机发送)，3 脚为 RxD(手机接收) 、5 脚为 GND。这样，无论什么型号的手机与单片机的连接就成了固定连接，不需要知道手机数据口信号的具体定义，二者通过数据线的连接电路如图 1 所示。 需要注意的是：不同手机数据线内部电平转换芯片的供电方式是不同的，有的是通过手机直接供电；有的是通过窃取 PC 机串口某些引脚(通常为 4、6、7、8 引脚)的电流经内部整流滤波稳压后提供。判断的方法是将数据线一端插到手机数据口，测量另一端 2 脚与 5 脚之间的电压，如果有一 7V 左右的电压，则为前者，如果测不出电压，则为后者，对于后

23、者则需要单片机为 4、6、7、8 引脚任意一引脚提供+5V 电压即可，如图 1 中虚线所示。2 软件接口技术及控制原理 单片机与手机的软件接口其实就是单片机通过与 GSM 短信息有关的 AT 指令控制手机的控制技术，如读取手机的短消息内容，删除短消息内容，列出手机中还未读的短消息等。关于 AT 指令的功能描述见参考文献1，2的文章内容，此处不再赘述。然而，执行一条指令，也并非某些资料中介绍得那么简单。事实上，指令的执行过程需要单片机与手机交互应答完成，每一次发送或接收的字节数有严格的规定，二者必须依据这些规定实现数据交换，否则，通信就是失败的。笔者经过对几种手机反复测试，总结出来一些规律，如表

24、 1 所列。 对几个问题说明如下。 所有 AT 指令的指令符号、常数、PDu 数据包等都是以 ASCII 编码形式传送的，比如“A”的 ASCII编码为 41H，“T”的 AscII 编码为 54H，数字“0，的 AsC编码为 30H 等。 单片机控制手机工作，必须把手机的短信息工作模式设置为 PDu 格式，即通过指令 AT+cMGF=O 完成。单片机向手机发送每一条指令后，必须以回车符作为该条指令的结束，回车的 ASCII 编码为 0DH。例如，单片机向手机发送“AT+CMGF=0”这条指令，其 ASCII 编码序列为“41H、54H、2BH、42H、4DH、47H、46H、3DH、30H、

25、0DH”，最后一个字节 0DH 就是回车符，表示该条指令结束，如果没有这个回车符，手机将不识别这条指令。 当手机接收到一条完整的 AT 指令后，手机并不立即执行这条指令，而是先把刚才接收到的 AT 指令的全部 ASCII 编码序列全部反发送出来(含 0DH)，然后发送一个回车符和换行符的 ASCII 编码，即 0DH 和0AH，最后执行该条指令。 手机向单片机传送短信息内容时，其 PDu 数据包的内容是以十六进制表示的数据，但并不是直接向单片机传递十六进制数据，而仍然是把每一位十六进制数以 AscII 编码来发送。这样，二个字节的十六进制数就变成 4 字节的 ASCII 码。但是，PDU 数据

26、包中的数据字节长度部分仍然是实际字节长度，而不是变成 AscII 码的字节长度，这在编程时应特别注意，否则，接收的数据就不完整。单片机接收到 PDU 数据包数据后，必须将其恢复成十六进制数据，其算法如下：设 a 为接收的 ASCII 码，b 为转换后的十六进制数。如果 a39H，则 b=a-30H-07H，最后把前后两个数合并为一个字节。 手机向单片机应答 PDU 数据包的字节数不包括前 9 字节数据(短信服务中心地址)，但向单片机传送PDU 数据包时，包括这 9 个字节的数据。例如，如果手机应答的 PDU 数据长度为 50，而实际向单片机传送的十六进制数据为 59 字节，ASCII 码为 2

27、59 字节，所以，单片机必须按 259 字节接收 PDU 数据。 3 应用实例 笔者利用上述原理和接口技术开发了一个项目：高速公路显示导引系统。安装在高速公路上的LED 显示屏实时显示前方路段车辆通行态势和天气气候情况，提醒并引导驾驶人员，正确驾驶。该系统的使用一定程度上消除了许多交通事故隐患，从而保障了道路的畅通和人民生命财产的安全。该系统由控制中心和若干个显示屏组成。控制中心实时将最新信息发送到各显示屏。构建控制中心与显示终端的通信链路，传统的方法要么铺设光缆用有线方式实现，要么构建专用无线网用无线方式实现。因为高速公路的特殊性，控制中心与显示终端之间的距离通常很远，两种方案都必须投入大量

28、资金和巨大的施工工作量。如果采用 GSM 公众无线传输网络，控制中心以短信息的形式把显示信息发送到显示终端的技术方案，则具有投资小，施工方便，工作可靠，运行费用低等诸多优点。 在控制中心，微机编辑好短信息后通过手机这个载体发送出去。在显示终端，单片机通过读取手机的短信息把它显示到 LED 显示屏上。项目的核心技术是单片机与手机的接口和 PDU 数据包中的汉字信息编码。因为短信息中的汉字仅仅是一个编码，单片机应用系统将编码变为汉字点阵数据，必须配置汉字字库。按 GSM07.05 协议规定，短信息中的汉字编码为 Unicode 编码，如果构建一个 Unicode 编码的汉字字库，确实是一件繁琐的工

29、作，因此，在设计单片机应用系统时，采用如下两点技术措施。 单片机系统配置的字库为 GB-2312 编码的汉字库，即区位码汉字库，该汉字库在网上可免费下载，固化到 Flash 存储芯片中即可。当然这样做的前提是 PDU 数据包中的汉字编码必须为汉字内码而非Unicode 编码。 控制中心编辑 PDU 数据包数据时，采用自定义数据方式，其中，代表汉字的数据，直接取用汉字的机内码即可，免去了把机内码再转换为 Unicode 编码之苦。实践证明，这是可行的。 采用以上技术措施的优点，一是省去了两种编码的相互转换；二是保证了数据的保密性，非系统内用户无法接收，即使接收也无法显示。 该项目研制成功投入使用后，因显示终端只接收不发送，几乎没有运行成本。发送端(控制中心) 可采用月租方式，也能把运行费用降低到最低限度。因此该项目得到用户满意的评价。