摘? 要: 帶無線通信功能的掌上電腦(HPC)是掌上設(shè)備" title="掌上設(shè)備">掌上設(shè)備高端應(yīng)用中的一個(gè)重要方面。參考GSM手機(jī)的設(shè)計(jì),介紹了WISMO2C GSM無線雙頻" title="雙頻">雙頻模塊的具體功能和接口,提出了在基于Intel SA1110處理器的掌上電腦中集成WISMO2C 雙頻無線模塊" title="無線模塊">無線模塊設(shè)計(jì)方案及其具體實(shí)現(xiàn)。?

　　關(guān)鍵詞: HPC? 無線Modem? GSM? GPRS?

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　　目前,掌上設(shè)備的無線上網(wǎng)大多是通過手機(jī)實(shí)現(xiàn)的,其中功能較為強(qiáng)大的典型代表是摩托羅拉的A6188。但手機(jī)不甚強(qiáng)大的CPU、較小的內(nèi)存、較小的顯示屏和非常有限的負(fù)荷能力等都制約著它作為上網(wǎng)終端的廣泛使用。與手機(jī)相比,掌上電腦在這一方面卻能凸現(xiàn)其特有的優(yōu)勢(shì):功能強(qiáng)大運(yùn)行速度高的CPU、較大的內(nèi)存、相對(duì)于手機(jī)的大屏幕彩色顯示以及易于操作的觸摸屏等。另外,掌上電腦功能也通過增強(qiáng)無線接入網(wǎng)絡(luò)的能力得到了極大的擴(kuò)展。考慮到國內(nèi)現(xiàn)有GSM網(wǎng)絡(luò)資源以及業(yè)務(wù)的豐富性,利用現(xiàn)有的GSM模塊,便于快速而高可靠地在掌上電腦上集成無線通信功能。而目前無線通信技術(shù)經(jīng)歷兩代的發(fā)展,正向3G寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)演進(jìn),寬帶接入方式的提出為掌上電腦在不久的將來通過無線方式進(jìn)行移動(dòng)寬帶多媒體應(yīng)用提供了誘人的前景。當(dāng)前作為GSM網(wǎng)絡(luò)向3G演進(jìn)過渡的GPRS已經(jīng)能為用戶提供最大可達(dá)164kbps的傳輸速率。因此在掌上設(shè)備中加入無線通信模塊" title="無線通信模塊">無線通信模塊是大勢(shì)所趨,也是掌上設(shè)備發(fā)展到一個(gè)新階段的標(biāo)志。?

1 總體設(shè)計(jì)?

　　帶集成無線通信功能的是一款基于Intel SA1110處理芯片" title="處理芯片">處理芯片的掌上電腦,考慮到運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)軟件應(yīng)用程序計(jì)算復(fù)雜性,采用主頻為206MHz的Intel SA1110作為處理芯片是合適的。除了無限模塊功能接口外,掌上電腦還實(shí)現(xiàn)了一個(gè)USB接口、PCMCIA接口、320×240彩色液晶顯示和觸摸屏接口、音頻編/解碼接口、SIM卡、紅外以及快捷功能鍵接口等。在掌上電腦設(shè)計(jì)中使用了32M字節(jié)的程序/數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,便于擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序。使用的操作系統(tǒng)為類Linux嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)THOS^[1],配合相應(yīng)的底層驅(qū)動(dòng),可實(shí)現(xiàn)通過無線模塊對(duì)Internet的訪問。?

　　硬件上,掌上電腦要求小型化、省電、高可靠性。在掌上電腦中集成無線通信模塊和其他模塊,采用專用集成電路。在設(shè)計(jì)過程中同時(shí)還需考慮到電磁干擾的抑制和電磁兼容性設(shè)計(jì)。?

　　目前GSM移動(dòng)通信廠商除了生產(chǎn)普通的手機(jī)外,通常還提供GSM通信模塊供其它產(chǎn)品配套使用。選用的GSM無線通信模塊是由WAVECOM提供的WISMO2C GSM雙頻模塊。該模塊除支持現(xiàn)有的第二代協(xié)議外,在不改變硬件結(jié)構(gòu)及對(duì)外接口的情況下通過對(duì)嵌入式軟件的升級(jí)達(dá)到對(duì)GPRS的支持。?

　　集成無線通信模塊后的掌上電腦系統(tǒng)整體功能架構(gòu)如圖1。?

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2 WISMO2C雙頻無線模塊?

2.1 WISMO2C無線模塊特點(diǎn)、功能及接口^[2]?

　　WISMO2C是WAVECOM推出的符合E-GSM900/GSM1800(或E-GSM900/GSM1900)標(biāo)準(zhǔn)的第二代無線雙頻無線模塊。其尺寸小而緊湊(58.3mm×32.2mm×60mm),使用3.6V標(biāo)準(zhǔn)電源,具備EGSM/2W、DCS/1W發(fā)射功率,并對(duì)模塊本身采取了完全的電磁屏蔽措施。數(shù)字基帶處理部分采用0.35μm混合VLSI CMOS工藝,模塊的功能接口描述如圖2所示。

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　　(1)電源接口:輸入采用標(biāo)準(zhǔn)3.6V鋰電池,也可以采用符合紋波系數(shù)要求的其他電源作為輸入。?

　　(2)SIM卡接口:直接提供了一個(gè)符合GSM11.12規(guī)范的3V SIM卡接口。如果要和5V SIM卡(GSM11.11規(guī)范)接口,可以靠外接一個(gè)3V～5V電平轉(zhuǎn)換器(如LTC1555)實(shí)現(xiàn)。?

　　(3)話音輸入輸出接口:包括兩路話筒輸入輸出接口。?

　　(4)RF天線電路接口。?

　　(5)I/O接口,包括GPIO接口、UART接口、鍵盤以及SPI接口。?

　　需要指出的是,對(duì)于垂直應(yīng)用開發(fā)(如掌上電腦),鍵盤和SPI接口可以不用。而且由于該模塊內(nèi)部FLASH和SRAM留有一定的剩余空間,可以在獲得軟件開發(fā)包的情況下通過編程以充分利用GPIO的接口功能。?

　　以上這些接口為集成GSM模塊和掌上電腦系統(tǒng)提供了豐富的控制接口資源。這些接口由一個(gè)60引腳通用連接器提供。?

2.2 電路功能接口實(shí)現(xiàn)?

　　SIM卡直接選用符合GSM11.12規(guī)范的3V SIM卡。3V SIM卡并不提供C4、C8管腳。但由于該模塊提供了SIM卡檢測(cè)輸入引腳SIM_PREP,所以選擇帶有卡檢測(cè)輸入的SIM Plug in卡座,卡插入后在SIM_PREP腳上給出低電平信號(hào),使模塊能正確進(jìn)入工作狀態(tài)。而且,在GSM11.11中定義5V SIM卡接口中第6腳C6為編程電壓Vpp,而GSM11.12定義的3V SIM卡以及基于3V的移動(dòng)終端(ME)都不提供對(duì)該功能的支持,為保持兼容將該引腳接WISMO2C的輸出VCC_MODULE。?

　　音頻接口利用自帶偏置的SPK2以及MIC2接口,通過電容以及電感組成的濾波網(wǎng)絡(luò)后直接輸出或與掌上電腦的音頻部分相連接。?

　　串口驅(qū)動(dòng)采用一片MAX3237實(shí)現(xiàn)。由于WISMO2C無線模塊輸出為標(biāo)準(zhǔn)3V CMOS電平,3.6V鋰電需要經(jīng)過MAX8885EU3.0(或LP2981)降壓變壓器給MAX3237提供單獨(dú)的3V VCC。同時(shí)為保護(hù)SIM卡及串口輸出等敏感部分免受射頻及尖峰脈沖干擾,分別采用了高速防靜電管ESDA6V1L、DAL6V1L等加以保護(hù)。?

　　由WISMO2C無線模塊構(gòu)成的電路接口主要部分如圖3所示。?

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2.3 AT命令集控制接口^[3]?

　　WISMO 2C無線模塊的軟件部分對(duì)外提供了一個(gè)控制系統(tǒng)操作的AT命令集,通過接收來自UART發(fā)送的AT命令,解釋并執(zhí)行相應(yīng)的操作,從而實(shí)現(xiàn)無線Modem的對(duì)應(yīng)功能。這樣可以省略LCD、鍵盤等部分接口,節(jié)省資源。掌上電腦通過RS-232與無線模塊通信所用到的AT命令集包括以下幾個(gè)方面:?

　　(1)一般控制命令:包括SIM卡檢測(cè)、話機(jī)狀態(tài)設(shè)置。?

　　(2)通話控制命令:包括撥號(hào)、自動(dòng)撥號(hào)、重?fù)?、掛機(jī)、應(yīng)答、自動(dòng)應(yīng)答、產(chǎn)生DTMF撥號(hào)音、音量控制、回聲抑制等命令。?

　　(3)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)命令:包括信號(hào)質(zhì)量、服務(wù)提供商選擇等。?

　　(4)安全管理命令:包括PIN輸入、話機(jī)鎖、密碼修改等。?

　　(5)電話簿管理命令。?

　　(6)短消息收發(fā)管理命令。?

　　(7)數(shù)據(jù)以及傳真控制命令等。?

　　掌上電腦母板提供了一個(gè)與65535兼容的UART驅(qū)動(dòng),可以通過對(duì)65535控制寄存器的直接編程,實(shí)現(xiàn)AT命令的發(fā)送、無線模塊應(yīng)答信號(hào)以及工作狀態(tài)的檢測(cè),并將內(nèi)容顯示在掌上電腦液晶屏上。?

3 無線通信模塊與掌上電腦集成?

3.1 集成方案?

　　GSM模塊與掌上電腦系統(tǒng)集成的方案如圖4所示。GSM模塊與掌上電腦母板的通信主要通過串口完成。由于SA1110 I/O端口為標(biāo)準(zhǔn)3.3V CMOS電平,而WISMO2C為3V CMOS電平,為解決電平接口不一致的問題,同時(shí)避免板間干擾,將SA1110的UART3端口經(jīng)RS-232電平轉(zhuǎn)換后再與GSM模塊的RS-232對(duì)接連接。SA1110提供的串行接口只能提供TXD和RXD,而GSM模塊還要求使用RI、CD、RTS、CTS、DSR和DTR等信號(hào)。為此,使用SA1110的GPIO引腳連接這些信號(hào)。SA1110提供了28個(gè)可編程的GPIO引腳^[4][5],每個(gè)引腳可以通過對(duì)GPIO引腳方向控制寄存器(GPDR)的編程配置為輸入或者輸出,并能通過設(shè)置上升沿/下降沿檢測(cè)使能寄存器(REDER/FEDER)檢測(cè)相應(yīng)管腳的信號(hào)突變,實(shí)現(xiàn)對(duì)無線模塊輸出的監(jiān)控。?

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　　無線模塊MIC輸入信號(hào)直接利用掌上電腦母板上內(nèi)置MIC輸入實(shí)現(xiàn)。SPK則并聯(lián)輸出到掌上電腦的專用語音處理芯片UDA1341TS VIN1端口上,充分利用該芯片的語音處理功能以及掌上電腦的存儲(chǔ)能力實(shí)現(xiàn)電話錄音功能。?

3.2 電磁兼容性(EMC)設(shè)計(jì)?

　　電磁干擾(EMI)是掌上電腦與無線模塊集成中的難點(diǎn)。在本設(shè)計(jì)中,HPC中CPU芯片最高工作頻率達(dá)到206MHz,而采用的SDRAM也工作在100MHz上,GSM模塊的工作頻率在900/1800MHz,相當(dāng)于前者的4倍,發(fā)射功率峰值達(dá)到2W。如果處理不當(dāng),將互相成為對(duì)方的重大干擾源。系統(tǒng)中還存在液晶、背光等多種需要脈沖高壓的電路。如何克服射頻干擾確保整個(gè)系統(tǒng)的正常工作,是一個(gè)首要的也是最重要的問題。主要從以下幾個(gè)方面采取了必要措施。?

　　(1)器件的選擇,盡量采用SMD封裝的器件,避免采用DIP類型的器件,盡量減小電流發(fā)射(感應(yīng))環(huán)路面積,同時(shí)節(jié)約了版圖面積。?

　　(2)采用多層PCB板,對(duì)重點(diǎn)信號(hào)線布線(如SIM 時(shí)鐘、數(shù)據(jù)線等)著重考慮,如采用地線隔離,屏蔽等措施單獨(dú)布線^[6]。?

　　(3)合理布置器件的位置,尤其要處理好SIM卡位置與RF接口位置的關(guān)系,避免平行。?

　　(4)對(duì)無線模塊與掌上電腦敏感器件采取屏蔽措施。?

　　本文介紹的掌上電腦集成無線通信功能實(shí)現(xiàn)充分考慮到現(xiàn)有GSM網(wǎng)絡(luò)無線接入的資源優(yōu)勢(shì)以及現(xiàn)有模塊的可用性,充分利用掌上電腦的處理顯示優(yōu)勢(shì),快速而高可靠地實(shí)現(xiàn)掌上電腦產(chǎn)品向高端的升級(jí)。?

參考文獻(xiàn)?

1 梁金千.清華嵌入式操作系統(tǒng)(THOS)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).清華大學(xué)碩士研究生論文(指導(dǎo)教師:張躍),2001年4月。?

2 Wavecom.WISMO2C Hardware Specification.August 2000?

3 Wavecom. At command interface. March 2000?

4 Intel Corporation.Intel StrongArm SA-1111 Microprocessor Companion Chip Developer′s Manual. December 1999?

5 Intel Corporation. Intel StrongArm SA-1110 Microprocessor Development Board User′s Guide. January 2000?