掌上電腦集成無(wú)線(xiàn)通信功能的設計及實(shí)現

摘要：帶無(wú)線(xiàn)通信功能的掌上電腦（HPC）是掌上設備高端應用中的一個(gè)重要方面。參考GSM手機的設計，介紹了WISMO2C GSM無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)模塊設計方案及其具體實(shí)現。關(guān)鍵詞：HPC 無(wú)線(xiàn)Modem GSM GPRS 目前，掌上設備的無(wú)線(xiàn)上網(wǎng)大多是通過(guò)手機實(shí)現的，其中功能較為強大的典型代表是摩托羅拉的A6188。但手機不甚強大的CPU、較小內存、較小的顯示屏和非常有限的負荷能力等制約著(zhù)它作為上網(wǎng)終端的廣泛使用。與手機相比，掌上電腦在這一方面卻能凸現其特有的優(yōu)勢：功能強大運行速度高的CPU、較大的內存、相對于手機的大屏幕彩色顯示產(chǎn)及易于操作的觸摸屏等。另外，掌上電腦功能也通過(guò)增強無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)絡(luò )的能力得到了極大的擴展?？紤]到國內現有GSM網(wǎng)絡(luò )資源產(chǎn)及業(yè)務(wù)的豐富性，利用現有的GSM模塊，便于快速而高可靠地在掌上電腦上集成無(wú)線(xiàn)通信功能。而目前無(wú)線(xiàn)技術(shù)經(jīng)歷兩代的發(fā)展，正向3G寬帶移動(dòng)通信系統網(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(lái)通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式進(jìn)行移動(dòng)寬帶多媒體應用提供了誘人的前景。當前作為GSM網(wǎng)絡(luò )向3G演進(jìn)過(guò)渡的GPRS已經(jīng)能為用戶(hù)提供量大可達164kbps的傳輸速率。因此在掌上設備中加入無(wú)線(xiàn)通信模塊是大勢所趨，也是掌上設備發(fā)展到一個(gè)新階段的標志。1 總體設計 帶集成無(wú)線(xiàn)通信功能的一款基于Intel SA1110處理芯片的掌上電腦，考慮到運行網(wǎng)絡(luò )軟件應用程序復雜性，采用主頻為206MHz的Intel SA110作為處理芯片是合適的。除了無(wú)限模塊功能接口外，掌上電腦還實(shí)現了一個(gè)USB接口、PCMCIA接口、320%26;#215;240彩色液晶顯示和觸摸屏接口、音頻編/解碼接口、SIM卡、紅外產(chǎn)及快捷功能鍵接口等。在掌上電腦設計中使用了32M字節的程序/數據存儲器，便于擴展網(wǎng)絡(luò )應用程序。使用的操作系統為類(lèi)Linux嵌入式實(shí)時(shí)操作系統THOS[1]，配合相應的底層驅動(dòng)，可實(shí)現通過(guò)無(wú)線(xiàn)模塊對Internet的訪(fǎng)問(wèn)。 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(wú)線(xiàn)通信模塊和其他模塊，采用專(zhuān)用集成電路。在設計過(guò)程中同時(shí)還需考慮到電磁干擾的抑制和電磁兼容性設計。 目前GSM移動(dòng)通信廠(chǎng)商除了生產(chǎn)普通的手機外，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(wú)線(xiàn)通信模塊是由WAVECOM提供的WISMO2C GSM雙頻模塊。該模塊除支持現有的第二代協(xié)議外，在不改變硬件結構及對外接口的情況下通過(guò)對嵌入式軟件的升級達到對GPRS的支持。 集成無(wú)線(xiàn)通信模塊后的掌上電腦系統整體功能架構如圖1。 2 WISMO2C雙頻無(wú)線(xiàn)模塊 2.1 WISMO2C無(wú)線(xiàn)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）標準的第二代無(wú)線(xiàn)雙頻無(wú)線(xiàn)模塊。其中尺寸而緊湊（58.3mm%26;#215;32.2mm%26;#215;60mm），使用3.6V標準電源，具備EGSM/2W、DCS/1W發(fā)射功率，并對模塊本身采取了完全的電磁屏蔽措施。數字基帶處理部分采用0.35μm混合VLSI COMS工藝，模塊的功能接口描述如圖2所示。（1）電源接口：輸入采用標準3.6V鋰電池，也可以采用符合紋波系數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規范的3V SIM卡接口。如果要和5V SIM卡（GSM11.11規范）接口，可以靠外接一個(gè)3V～5V電平轉換器（如LTC1555）實(shí)現。 （3）話(huà)音輸入輸出接口：包括兩路話(huà)筒輸入輸出接口中。 （4）RF天線(xiàn)電路接口。 （5）I/O接口，包括GPIO接品、UART接口、鍵盤(pán)以及SPI接口。 需要指出的是，對于垂直應用開(kāi)發(fā)（如掌上電腦），鍵盤(pán)和SPI接口可以不用。而且由于該模塊內部FLASH和SRAM留有一定的剩余空間，可以在獲得軟件開(kāi)發(fā)包的情況下通過(guò)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 SIM卡直接選用符合GSM11.12規范的3V SIM卡。3V SIM卡并不提供C4、C8管腳。但由于該模塊提供了SIM卡檢測輸入引腳SIM_PREP，所以選擇帶有卡檢測輸入的SIM Plug in卡座，卡插入后在SIM_PREP腳上給出低電平信號，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3V SIM卡以及基于3V的移動(dòng)終端（ME）都不提供對該功能的支持，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(guò)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。串口驅動(dòng)采用一片MAX3237實(shí)現。由于WISMO2C無(wú)線(xiàn)模塊輸出為標準3V CMOS電平，3.6V鋰電需要經(jīng)過(guò)MAX8885EU3.0（或LP2981）降壓變壓器給MAX3237提供單獨的3V VCC。同類(lèi)為保護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。 由SISMO2C無(wú)線(xiàn)模塊構成的電路接口主要部分如圖3所示。 2.3 AT命令集控制接口[3] WISMO 2C無(wú)線(xiàn)模塊的軟件部分對外提供了一個(gè)控制系統操作的AT命令集，通過(guò)接收來(lái)自UART發(fā)送的AT命令，解釋并執行相應的操作，從而實(shí)現無(wú)線(xiàn)Modem的對應功能。這樣可以省略L(fǎng)CD、鍵盤(pán)等部分接口，節省資源。掌上電腦通過(guò)RS-232與無(wú)線(xiàn)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、話(huà)機狀態(tài)設置。 （2）通話(huà)控制命令：包括撥號、自動(dòng)撥號、重撥、掛機、應答、自動(dòng)應答、產(chǎn)生DTMF撥號音、音量控制、回聲抑制等命令。 （3）網(wǎng)絡(luò )服務(wù)命令：包括信號質(zhì)量、服務(wù)提供商選擇等。 （4）完全管理命令：包括PIN輸入、話(huà)機鎖、密碼修改等。 （5）電話(huà)簿管理命令。 （6）短消息收發(fā)管理命令。 （7）數據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驅動(dòng)，可以通過(guò)對65535控制寄存器的直接編程，實(shí)現AT命令的發(fā)送、無(wú)線(xiàn)模塊應答信號以及工作狀態(tài)的檢測，并將內容顯示在掌上電腦液晶屏上。 3 無(wú)線(xiàn)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(guò)串口完成。由于SA1110 I/O端口為標準3.3V CMOS電平，而WISMO2C為3V CMOS電平，為解決電平接口不一致的問(wèn)題，同時(shí)避免板間干擾，將SA1110的UART3端口經(jīng)RS-232電平轉換后再與GSM模塊的RS-232對接連接。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。為此，使用SA1110的GPIO引腳連接這些信號。SA1110提供了28個(gè)可編程的GPOO引腳[4][5]，每個(gè)引腳可以通過(guò)對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(guò)設置上升沿/下降沿檢測使能寄存器（REDER/FEDER）檢測相應管腳的信號突變，實(shí)現對無(wú)線(xiàn)模塊輸出的監控。無(wú)線(xiàn)模塊MIC輸入信號直接利用掌上電腦母板上內置MIC輸入實(shí)現。SPK則并聯(lián)輸出到掌上電腦的專(zhuān)用語(yǔ)音處理芯片UDA1341TS VIN1端口上，充分利用該芯片的語(yǔ)音處理功能以及掌上電腦的存儲能力實(shí)現電話(huà)錄音功能。 3.2 電磁兼容性（EMC）設計 電磁干擾（EMI）是掌上電腦與無(wú)線(xiàn)模塊集成中的難點(diǎn)。在本設計中，HPC中CPU芯片最高工作頻率達到206MHz，而采用的SDRAM也工作在100MHz上，GSM模塊的工作頻率在900/1800MHz，相當于前者的4倍，發(fā)射功率峰值達到2W。如果處理不當，將互相成為對方的重大干擾源。系統中還存在液晶、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)系統的正常工作，是一個(gè)首要的也是最重要的問(wèn)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(lèi)型的器件，盡量減少電流發(fā)射（感應）環(huán)路面積，同時(shí)節約了版圖面積。 （2）采用多層PCB板，對重點(diǎn)信號線(xiàn)布線(xiàn)（SIM時(shí)鐘、數據線(xiàn)等）著(zhù)重考慮，如采用地線(xiàn)隔離，屏蔽等措施單獨布線(xiàn)[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）對無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)通信功能實(shí)現充分考慮到現有GSM網(wǎng)絡(luò )無(wú)線(xiàn)接入的資源優(yōu)勢以及現有模塊可用性，充分利用掌上電腦的處理顯示優(yōu)勢，快速而高可靠地實(shí)現掌上電腦產(chǎn)品向高端的升級。