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掌上電腦集成無線通信功能的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)
摘要：帶無線通信功能的掌上電腦（HPC）是掌上設(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(shè)計(jì)方案及其具體實(shí)現(xiàn)。關(guān)鍵詞：HPC 無線Modem GSM GPRS
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、較小內(nèi)存、較小的顯示屏和非常有限的負(fù)荷能力等制約著它作為上網(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：功能強(qiáng)大運(yùn)行速度高的CPU、較大的內(nèi)存、相對于手機(jī)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(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)資源產(chǎn)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)能為用戶提供量大可達(dá)164kbps的傳輸速率。因此在掌上設(shè)備中加入無線通信模塊是大勢所趨，也是掌上設(shè)備發(fā)展到一個(gè)新階段的標(biāo)志。
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1 總體設(shè)計(jì)
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(yùn)行網(wǎng)絡(luò)軟件應(yīng)用程序復(fù)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(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、紅外產(chǎn)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)及對外接口的情況下通過對嵌入式軟件的升級達(dá)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(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。其中尺寸而緊湊（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(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(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。同類為保護(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(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、話機(jī)狀態(tài)設(shè)置。
（2）通話控制命令：包括撥號、自動(dòng)撥號、重?fù)�、掛機(jī)、應(yīng)答、自動(dòng)應(yīng)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(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(shè)置上升沿/下降沿檢測使能寄存器（REDER/FEDER）檢測相應(yīng)管腳的信號突變，實(shí)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(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，盡量減少電流發(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，對重點(diǎn)信號線布線（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(shí)現(xiàn)掌上電腦產(chǎn)品向高端的升級。
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