雙向通信測試測量電路模塊設(shè)計

　　以完善的北斗衛(wèi)星通訊定位系統(tǒng)、GPRS通信網(wǎng)絡(luò)以及各種搭載傳感器設(shè)備等技術(shù)平臺為依托，具有測量風、溫、濕、壓等氣象參數(shù)和采集海流、鹽度、化學及其它所需的海洋水文參數(shù)，目標定位，緊急警情上報，信息發(fā)送，統(tǒng)計報表等完善功能的測報儀器設(shè)備的研發(fā)有著更加廣闊的應(yīng)用前景。本文提出了一種雙向通信電路系統(tǒng)設(shè)計方案。具有低功耗、微型化、接口豐富、可靠性高等特點，可提供船舶定位、海上通信、遇險求救等多種功能服務(wù)，可提升安全防范能力，因而對相關(guān)行業(yè)主管部門具有重要意義。

　　ARM9處理器S3C2440A

　　基于ARM920T內(nèi)核的S3C2440A作為系統(tǒng)中央處理器，配備128M的SDRAM，256M的NANDFLASH和16M的NORFLASH，以應(yīng)對嵌入Linux操作系統(tǒng)所消耗的內(nèi)存。S3C2440A集成了MMC/SD卡讀寫控制器，LCD與觸摸屏接口，3路UART串口，1路主控與1路從動USB接口，1個IDE接口可掛接大容量硬盤，實時時鐘，AC‘97音頻接口、多至130個通用IO口等眾多硬件資源。S3C2440A內(nèi)部集成的3路串口可通過外接簡單的RS232電平轉(zhuǎn)換芯片，分別連接北斗衛(wèi)星通訊定位終端、GPRS模塊和風傳感器。此外，ARM9處理器S3C2440A通過內(nèi)部集成的兩路SPI接口可外接16位ADC，以外接溫度、濕度、鹽度、壓力等傳感器。S3C2440A的通用IO口作為開關(guān)量輸入檢測和輸出控制接口，并可根據(jù)用戶需求進行擴展。與此同時，S3C2440A 還可滿足連接以太網(wǎng)控制器，USB外設(shè)，電子羅盤、海流計、水聲傳輸?shù)瓤蓴U展應(yīng)用需求。

　　北斗衛(wèi)星通訊模塊電路設(shè)計

　　北斗衛(wèi)星通訊模塊電路的設(shè)計可以從信號接收、信號處理及功能界面顯示三個層次加以展開，相對應(yīng)采用性價比高的北斗衛(wèi)星通訊終端，并設(shè)計出串口通訊電路與LCD液晶顯示電路。北斗衛(wèi)星通訊模塊可選用UM220模塊，該模塊支持北斗二代（BD2）與GPS雙系統(tǒng)導航授時，具有尺寸小（僅 40×30×3.7mm）、功耗低（僅350mW）、集成度高等優(yōu)點，該模塊三維定位精度為3m，速度精度為0.1m/s，數(shù)據(jù)更新率可達1Hz。UM220還配有衛(wèi)星顯控軟件CDT（Control&Display Tool），該軟件提供簡約的圖形用戶界面，可便捷地控制衛(wèi)星接收機并進行功能能夠設(shè)置，獲取所需信息。北斗衛(wèi)星通訊模塊電路主要包括 UM220接口、天線、后備電源、復位及串口通訊電路，其電路原理圖如圖4所示。ARM9處理器S3C2440A的串口0引腳TXD0、RXD0與 UM220的RXD3、TXD3相連接構(gòu)成串口通訊電路。S3C2440A的引腳GPE0與UM220的PPS引腳連接，可接收UM220輸出的脈寬與極性可調(diào)的PPS信號；S3C2440A的引腳GPE1可編程。

　　圖4 UM220電路原理圖

　　輸出脈寬與極性可調(diào)的事件信號提供給UM220的EVENT引腳。UM220供電電源引腳VCC與GND間并聯(lián)有電解電容CT1和陶瓷電容C1，以濾除高頻與低頻雜波信號，使得UM220供電電源穩(wěn)定純凈，且電壓峰峰值不超過50mV。UM220具有精確授時功能，為維持系統(tǒng)時鐘，UM220的VBAT引腳經(jīng)限流電阻R1與壓降二極管D2、 D3接有3V鋰電池。其中，二極管D3壓降0.3V，而D2壓降0.7V，以確保UM220的VBAT引腳平時由主電源3.3V供電，而主電源失電時，則由后備電源3V鋰電池供電。UM220的GNSS_ANT引腳在PCB電路板需要布線50Ω以匹配天線阻抗，然后外接北斗衛(wèi)星蜂窩天線。此外，電阻R2、 R3與電容C2及二極管D1構(gòu)成穩(wěn)定的低電平復位電路，且低電平保持時間大于2ms。

　　GPRS模塊電路設(shè)計

　　測報儀主要依賴衛(wèi)星通訊網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)通訊與定位，為降低測報儀系統(tǒng)功耗及運營成本，則可選用GPRS/CDMA網(wǎng)絡(luò)進行遠程通訊。GPRS模塊外圍應(yīng)用電路設(shè)計包括模塊啟動電路、數(shù)據(jù)通信電路、語音通信電路及SIM卡應(yīng)用電路。GPRS模塊可選用西門子公司的MC55。MC55是西門子公司推出的新一代。

　　圖5 MC55電路原理圖

　　無線通信GPRS模塊，可以快速可靠地實現(xiàn)系統(tǒng)方案中的數(shù)據(jù)、語音傳輸、短消息服務(wù)和傳真，模塊結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議找，由AT指令控制可使應(yīng)用程序很容易地接入網(wǎng)絡(luò)。GPRS模塊電路主要包括MC55接口、SIM卡電路、啟動電源及與S3C2440A連接的串口通訊電路，其電路原理圖如圖5所示。S3C2440A串口1的RXD1，TXD1引腳與MC55的TXD0、 RXD0引腳連接構(gòu)成串口通訊電路。MC55的CCGND、CCIN、CCREST、CCIO、CCVCC與CCCLK引腳組成SIM卡接口，并接有濾波電容C4、C5。MC55的供電電源VBATT由5V經(jīng)二極管D2降壓得到。S3C2440A的GPE3驅(qū)動控制MC55的IGT引腳，使其進入正常工作模式；S3C2440A的GPE2可檢測MC55的RING引腳輸出的脈沖信號，以決定系統(tǒng)是否休眠進入低功耗狀態(tài)。為了在有GPRS數(shù)據(jù)信息傳送時產(chǎn)生同步信號，可通過配置MC55的SYNC引腳控制發(fā)光LED狀態(tài)指示來實現(xiàn)。當有數(shù)據(jù)發(fā)送時，SYNC引腳輸出高電平使得三極管T1基極導通，則紅色發(fā)光二極管LED1被點亮。

　　16位ADC電路設(shè)計

　　S3C2440A可通過自身的SPI接口級聯(lián)多片高精度快速16位ADC芯片，以實現(xiàn)溫度、濕度、鹽度、壓力等多種傳感器模擬信號的采集與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。16位ADC芯片選用ADI公司的AD7798，AD7798具有適合高精度測量應(yīng)用的低功耗、低噪聲、完整模擬前端，內(nèi)置一個低噪聲16位Σ-Δ型ADC，其中含有3個差分模擬輸入，還集成了片內(nèi)低噪聲儀表放大器，因而可直接測量輸入小信號。圖6中給出了S3C2440A通過SPI接口連接1片AD7798，用以測量

　　圖6AD7798電路原理圖

　　溫度、壓力及鹽度數(shù)據(jù)的電路原理示意圖。S3C2440A的SPICLK1、SPIMOSI1、SPIMISO1與GPE4引腳構(gòu)成SPI接口分別連接AD7798的串行時鐘（SCLK）、數(shù)據(jù)輸入（DIN）、數(shù)據(jù)輸出（DOUT） 和片選。以AD7798的第3模擬通道測量溫度為例，熱敏電阻與3個精密電阻R14、R15、R16構(gòu)成不平衡電橋，輸出的差分小信號經(jīng)R18、C13、 R17、C14及C12構(gòu)成的雙路RCπ型一階低通濾波電路，連接AD7798的AIN3+與AIN3-引腳。

　　本文設(shè)計以ARM9處理器為核心，硬件資源豐富、功耗低、體積小，移植Linux操作系統(tǒng)實現(xiàn)多任務(wù)并發(fā)處理，滿足測報、定位等特定功能需求，且易于遠程監(jiān)控與維護，并便于系統(tǒng)功能升級，代表著測試嵌入式控制系統(tǒng)未來發(fā)展的方向。