掌上電腦集成無線通信功能的設計及實現(xiàn)

摘要：帶無線通信功能的掌上電腦（HPC）是掌上設備高端應用中的一個重要方面。參考GSM手機的設計，介紹了WISMO2C GSM無線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雙頻無線模塊設計方案及其具體實現(xiàn)。關(guān)鍵詞：HPC 無線Modem GSM GPRS 目前，掌上設備的無線上網(wǎng)大多是通過手機實現(xiàn)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(nèi)存、較小的顯示屏和非常有限的負荷能力等制約著它作為上網(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(xiàn)其特有的優(yōu)勢：功能強大運行速度高的CPU、較大的內(nèi)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增強無線接入網(wǎng)絡的能力得到了極大的擴展。考慮到國內(nèi)現(xiàn)有GSM網(wǎng)絡資源產(chǎn)及業(yè)務的豐富性，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。而目前無線技術(shù)經(jīng)歷兩代的發(fā)展，正向3G寬帶移動通信系統(tǒng)網(wǎng)絡演進，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行移動寬帶多媒體應用提供了誘人的前景。當前作為GSM網(wǎng)絡向3G演進過渡的GPRS已經(jīng)能為用戶提供量大可達164kbps的傳輸速率。因此在掌上設備中加入無線通信模塊是大勢所趨，也是掌上設備發(fā)展到一個新階段的標志。1 總體設計 帶集成無線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。除了無限模塊功能接口外，掌上電腦還實現(xiàn)了一個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(jié)的程序/數(shù)據(jù)存儲器，便于擴展網(wǎng)絡應用程序。使用的操作系統(tǒng)為類Linux嵌入式實時操作系統(tǒng)THOS[1]，配合相應的底層驅(qū)動，可實現(xiàn)通過無線模塊對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。在設計過程中同時還需考慮到電磁干擾的抑制和電磁兼容性設計。 目前GSM移動通信廠商除了生產(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)及對外接口的情況下通過對嵌入式軟件的升級達到對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。 2 WISMO2C雙頻無線模塊 2.1 WISMO2C無線模塊特點、功能及接口[2] WISMO2C是WAVECOM推出的符合E-GSM900/GSM1800（或E-GSM900/GSM1900）標準的第二代無線雙頻無線模塊。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(shù)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(shù)要求的其他電源作為輸入。 （2）SIM卡接口；直接提供了一個符合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3V～5V電平轉(zhuǎn)換器（如LTC1555）實現(xiàn)。 （3）話音輸入輸出接口：包括兩路話筒輸入輸出接口中。 （4）RF天線電路接口。 （5）I/O接口，包括GPIO接品、UART接口、鍵盤以及SPI接口。 需要指出的是，對于垂直應用開發(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60引腳通用連接器提供。 2.2 電路功能接口實現(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，通過電容以及電感組成的濾波網(wǎng)絡后直接輸出或與掌上電腦的音頻部分相連接。串口驅(qū)動采用一片MAX3237實現(xiàn)。由于WISMO2C無線模塊輸出為標準3V CMOS電平，3.6V鋰電需要經(jīng)過MAX8885EU3.0（或LP2981）降壓變壓器給MAX3237提供單獨的3V VCC。同類為保護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無線模塊構(gòu)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無線模塊的軟件部分對外提供了一個控制系統(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)行相應的操作，從而實現(xiàn)無線Modem的對應功能。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方面： （1）一般控制命令：包括SIM卡檢測、話機狀態(tài)設置。 （2）通話控制命令：包括撥號、自動撥號、重撥、掛機、應答、自動應答、產(chǎn)生DTMF撥號音、音量控制、回聲抑制等命令。 （3）網(wǎng)絡服務命令：包括信號質(zhì)量、服務提供商選擇等。 （4）完全管理命令：包括PIN輸入、話機鎖、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與65535兼容的UART驅(qū)動，可以通過對65535控制寄存器的直接編程，實現(xiàn)AT命令的發(fā)送、無線模塊應答信號以及工作狀態(tài)的檢測，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題，同時避免板間干擾，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個可編程的GPOO引腳[4][5]，每個引腳可以通過對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，實現(xiàn)對無線模塊輸出的監(jiān)控。無線模塊MIC輸入信號直接利用掌上電腦母板上內(nèi)置MIC輸入實現(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能力實現(xiàn)電話錄音功能。 3.2 電磁兼容性（EMC）設計 電磁干擾（EMI）是掌上電腦與無線模塊集成中的難點。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(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系統(tǒng)的正常工作，是一個首要的也是最重要的問題。主要從以下幾個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，盡量減少電流發(fā)射（感應）環(huán)路面積，同時節(jié)約了版圖面積。 （2）采用多層PCB板，對重點信號線布線（SIM時鐘、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現(xiàn)充分考慮到現(xiàn)有GSM網(wǎng)絡無線接入的資源優(yōu)勢以及現(xiàn)有模塊可用性，充分利用掌上電腦的處理顯示優(yōu)勢，快速而高可靠地實現(xiàn)掌上電腦產(chǎn)品向高端的升級。