掌上电脑集成无线通信功能的设计及实现

掌上电脑集成无线通信功能的设计及实现作者：清华大学肖会兵吕铁军张跃文章来源：电子技术应用摘要：带无线通信功能的掌上电脑（HPC）是掌上设备高端应用中的一个重要方面。参考GSM手机的设计，介绍了WISMO2CGSM无线双频模块的具体功能和接口，提出了在基于IntelSA1110处理器的掌上电脑中集成WISMO2C双频无线模块设计方案及其具体实现。目前，掌上设备的无线上网大多是通过手机实现的，其中功能较为强大的典型代表是摩托罗拉的A6188。但手机不甚强大的CPU、较小内存、较小的显示屏和非常有限的负荷能力等制约着它作为上网终端的广泛使用。与手机相比，掌上电脑在这一方面却能凸现其特有的优势：功能强大运行速度高的CPU、较大的内存、相对于手机的大屏幕彩色显示产及易于操作的触摸屏等。另外，掌上电脑功能也通过增强无线接入网络的能力得到了极大的扩展。考虑到国内现有GSM网络资源产及业务的丰富性，利用现有的GSM模块，便于快速而高可靠地在掌上电脑上集成无线通信功能。而目前无线技术经历两代的发展，正向3G宽带移动通信系统网络演进，宽带接入方式的提出为掌上电脑在不久的将来通过无线方式进行移动宽带多媒体应用提供了诱人的前景。当前作为GSM网络向3G演进过渡的GPRS已经能为用户提供量大可达164kbps的传输速率。因此在掌上设备中加入无线通信模块是大势所趋，也是掌上设备发展到一个新阶段的标志。1总体设计带集成无线通信功能的一款基于IntelSA1110处理芯片的掌上电脑，考虑到运行网络软件应用程序复杂性，采用主频为206MHz的IntelSA110作为处理芯片是合适的。除了无限模块功能接口外，掌上电脑还实现了一个USB接口、PCMCIA接口、320×240彩色液晶显示和触摸屏接口、音频编/解码接口、SIM卡、红外产及快捷功能键接口等。在掌上电脑设计中使用了32M字节的程序/数据存储器，便于扩展网络应用程序。使用的操作系统为类Linux嵌入式实时操作系统THOS[1]，配合相应的底层驱动，可实现通过无线模块对Internet的访问。硬件上，掌上电脑要求小型化、省电、高可靠性。在掌上电脑中集成无线通信模块和其他模块，采用专用集成电路。在设计过程中同时还需考虑到电磁干扰的抑制和电磁兼容性设计。目前GSM移动通信厂商除了生产普通的手机外，通常还提供GSM通信模块供其它产品配套使用。选用的GSM无线通信模块是由WAVECOM提供的WISMO2CGSM双频模块。该模块除支持现有的第二代协议外，在不改变硬件结构及对外接口的情况下通过对嵌入式软件的升级达到对GPRS的支持。集成无线通信模块后的掌上电脑系统整体功能架构如图1。2WISMO2C双频无线模块2.1WISMO2C无线模块特点、功能及接口[2]WISMO2C是WAVECOM推出的符合E-GSM900/GSM1800（或E-GSM900/GSM1900）标准的第二代无线双频无线模块。其中尺寸而紧凑（58.3mm×32.2mm×60mm），使用3.6V标准电源，具备EGSM/2W、DCS/1W发射功率，并对模块本身采取了完全的电磁屏蔽措施。数字基带处理部分采用0.35μm混合VLSICOMS工艺，模块的功能接口描述如图2所示。（1）电源接口：输入采用标准3.6V锂电池，也可以采用符合纹波系数要求的其他电源作为输入。（2）SIM卡接口；直接提供了一个符合GSM11.12规范的3VSIM卡接口。如果要和5VSIM卡（GSM11.11规范）接口，可以靠外接一个3V～5V电平转换器（如LTC1555）实现。（3）话音输入输出接口：包括两路话筒输入输出接口中。（4）RF天线电路接口。（5）I/O接口，包括GPIO接品、UART接口、键盘以及SPI接口。需要指出的是，对于垂直应用开发（如掌上电脑），键盘和SPI接口可以不用。而且由于该模块内部FLASH和SRAM留有一定的剩余空间，可以在获得软件开发包的情况下通过编程以充分利用GPIO的接口功能。以上这些接口为集成GSM模块和掌上电脑系统提供了丰富的控制接口资源。这些接口由一个60引脚通用连接器提供。2.2电路功能接口实现SIM卡直接选用符合GSM11.12规范的3VSIM卡。3VSIM卡并不提供C4、C8管脚。但由于该模块提供了SIM卡检测输入引脚SIM_PREP，所以选择带有卡检测输入的SIMPlugin卡座，卡插入后在SIM_PREP脚上给出低电平信号，使模块能正确进入工作状态。而且，在GSM11.11中定义5VSIM卡接口中第6脚C6为编程电压Vpp，而GSM11.12定义3VSIM卡以及基于3V的移动终端（ME）都不提供对该功能的支持，为保持兼容将该引脚接WISMO2C的输出VCC_MODULE。音频接口利用自带偏置的SPK2以及MIC2接口，通过电容以及电感组成的滤波网络后直接输出或与掌上电脑的音频部分相连接。串口驱动采用一片MAX3237实现。由于WISMO2C无线模块输出为标准3VCMOS电平，3.6V锂电需要经过MAX8885EU3.0（或LP2981）降压变压器给MAX3237提供单独的3VVCC。同类为保护SIM卡及串口输出等敏感部分免受射频及尖峰脉冲干扰，分别采用了高速防静电管ESDA6V1L、DAL6V1L等加以保护。由SISMO2C无线模块构成的电路接口主要部分如图3所示。2.3AT命令集控制接口[3]WISMO2C无线模块的软件部分对外提供了一个控制系统操作的AT命令集，通过接收来自UART发送的AT命令，解释并执行相应的操作，从而实现无线Modem的对应功能。这样可以省略LCD、键盘等部分接口，节省资源。掌上电脑通过RS-232与无线模块通信所用到的AT命令集包括以下几个方面：（1）一般控制命令：包括SIM卡检测、话机状态设置。（2）通话控制命令：包括拨号、自动拨号、重拨、挂机、应答、自动应答、产生DTMF拨号音、音量控制、回声抑制等命令。（3）网络服务命令：包括信号质量、服务提供商选择等。（4）完全管理命令：包括PIN输入、话机锁、密码修改等。（5）电话簿管理命令。（6）短消息收发管理命令。（7）数据以及传真控制命令等。掌上电脑母板提供了一个与65535兼容的UART驱动，可以通过对65535控制寄存器的直接编程，实现AT命令的发送、无线模块应答信号以及工作状态的检测，并将内容显示在掌上电脑液晶屏上。3无线通信模块与掌上电脑集成3.1集成方案GSM模块与掌上电脑系统集成的方案如图4所示。GSM模块与掌上电脑母板的通信主要通过串口完成。由于SA1110I/O端口为标准3.3VCMOS电平，而WISMO2C为3VCMOS电平，为解决电平接口不一致的问题，同时避免板间干扰，将SA1110的UART3端口经RS-232电平转换后再与GSM模块的RS-232对接连接。SA1110提供的串行接口只能提供TXD和RXD，而GSM模块还要求使用RI、CD、RTS、CTS、DSR和DTR等信号。为此，使用SA1110的GPIO引脚连接这些信号。SA1110提供了28个可编程的GPOO引脚[4][5]，每个引脚可以通过对GPIO引脚方向控制寄存器（GPDR）的编程配置为输入或者输出，并能通过设置上升沿/下降沿检测使能寄存器（REDER/FEDER）检测相应管脚的信号突变，实现对无线模块输出的监控。无线模块MIC输入信号直接利用掌上电脑母板上内置MIC输入实现。SPK则并联输出到掌上电脑的专用语音处理芯片UDA1341TSVIN1端口上，充分利用该芯片的语音处理功能以及掌上电脑的存储能力实现电话录音功能。3.2电磁兼容性（EMC）设计电磁干扰（EMI）是掌上电脑与无线模块集成中的难点。在本设计中，HPC中CPU芯片最高工作频率达到206MHz，而采用的SDRAM也工作在100MHz上，GSM模块的工作频率在900/1800MHz，相当于前者的4倍，发射功率峰值达到2W。如果处理不当，将互相成为对方的重大干扰源。系统中还存在液晶、背光等多种需要脉冲高压的电路。如何克服射频干扰确保整个系统的正常工作，是一个首要的也是最重要的问题。主要从以下几个方面采取了必要措施。（1）器件的选择，尽量采用SMD封装的器件，避免采用DIP类型的器件，尽量减少电流发射（感应）环路面积，同时节约了版图面积。（2）采用多层PCB板，对重点信号线布线（SIM时钟、数据线等）着重考虑，如采用地线隔离，屏蔽等措施单独布线[6]。（3）合理布置器件的位置，尤其要处理好SIM卡位置与RF接口位置的关系，避免平行。（4）对无线模块与掌上电脑敏感器件采取屏蔽措施。本文介绍的掌上电脑集成无线通信功能实现充分考虑到现有GSM网络无线接入的资源优势以及现有模块可用性，充分利用掌上电脑的处理显示优势，快速而高可靠地实现掌上电脑产品向高端的升级。薃肀莂蒃袂肀肂虿袈聿芄薂螄肈莇螇蚀肇葿薀罿肆腿莃袅肅芁薈螁膄莃莁蚇膄肃薇薃膃芅荿羁膂莈蚅袇膁蒀蒈螃膀膀蚃虿腿节蒆羈芈莄蚁袄芈蒆蒄螀芇膆蚀蚆袃莈蒃蚂袂蒁螈羀袁膀薁袆袁芃螆螂袀莅蕿蚈衿蒇莂羇羈膇薇袃羇艿莀蝿羆蒂薆螅羅膁蒈蚁羅芄蚄罿羄莆蒇袅羃蒈蚂螁羂膈蒅蚇肁芀蚁薃肀莂蒃袂肀肂虿袈聿芄薂螄肈莇螇蚀肇葿薀罿肆腿莃袅肅芁薈螁膄莃莁蚇膄肃薇薃膃芅荿羁膂莈蚅袇膁蒀蒈螃膀膀蚃虿腿节蒆羈芈莄蚁袄芈蒆蒄螀芇膆蚀蚆袃莈蒃蚂袂蒁螈羀袁膀薁袆袁芃螆螂袀莅蕿蚈衿蒇莂羇羈膇薇袃羇艿莀蝿羆蒂薆螅羅膁蒈蚁羅芄蚄罿羄莆蒇袅羃蒈蚂螁羂膈蒅蚇肁芀蚁薃肀莂蒃袂肀肂虿袈聿芄薂螄肈莇螇蚀肇葿薀罿肆腿莃袅肅芁薈螁膄莃莁蚇膄肃薇薃膃芅荿螀羀膆蒃蚆肀芈芆薂聿羈蒂蒈肈肀芅袆肇芃薀螂肆莅莃蚈肅肅薈薄蚂膇莁蒀蚁艿薇蝿螀罿荿蚅蝿肁薅薁螈膄莈薇螈莆膀袆螇肆蒆螁螆膈艿蚇螅芀蒄薃螄羀芇葿袃肂蒃螈袂膄芅蚄袂芇蒁蚀袁肆芄薆袀腿蕿蒂衿芁莂螁袈羁薇蚇袇肃莀薃羆膅薆葿羆芈荿螇羅羇膁螃羄膀莇虿羃节芀薅羂羂蒅蒁羁肄芈螀羀膆蒃蚆肀芈芆薂聿羈蒂蒈肈肀芅袆肇芃薀螂肆莅莃蚈肅肅薈薄蚂膇莁蒀蚁艿薇蝿螀罿荿蚅蝿肁薅薁螈膄莈薇螈莆膀袆螇肆蒆螁螆膈艿蚇螅芀蒄薃螄羀芇葿袃肂蒃螈袂膄芅蚄袂芇蒁蚀袁肆芄薆袀腿蕿蒂衿芁莂螁袈羁薇蚇袇肃莀薃羆膅薆葿羆芈荿螇羅羇膁螃羄膀莇虿羃节芀薅羂羂蒅蒁羁肄芈螀羀膆蒃蚆肀芈芆薂聿羈蒂蒈肈肀芅袆肇芃薀螂肆莅莃蚈肅肅薈薄蚂膇莁蒀蚁艿薇蝿螀罿荿蚅蝿肁薅薁螈膄莈薇螈莆膀袆螇肆蒆螁螆膈艿蚇螅芀蒄薃螄羀芇葿袃肂蒃螈袂膄芅蚄袂芇蒁蚀袁肆芄薆袀腿蕿蒂衿芁莂螁袈羁薇蚇袇肃莀薃羆膅薆葿羆芈荿螇羅羇膁螃羄膀莇虿羃节芀薅羂羂蒅蒁羁肄芈螀羀膆蒃蚆肀芈芆薂聿羈蒂蒈肈肀芅袆肇芃薀螂肆莅莃蚈肅肅薈薄蚂膇莁蒀蚁艿薇蝿螀罿荿蚅蝿肁薅薁螈膄莈薇螈莆膀袆螇肆蒆螁螆膈艿蚇螅芀蒄薃螄羀芇葿袃肂蒃螈袂膄芅蚄袂芇蒁蚀袁肆芄薆袀腿蕿蒂衿芁莂螁袈羁薇蚇袇肃莀薃羆膅薆葿羆芈荿螇羅羇膁螃羄膀莇虿羃节芀薅羂羂蒅蒁羁肄芈螀羀膆蒃蚆肀芈芆薂聿羈蒂蒈肈肀芅袆肇芃薀螂肆莅莃蚈肅肅薈薄蚂膇莁蒀蚁艿薇蝿螀罿荿蚅蝿肁薅薁螈膄莈薇螈莆膀袆螇肆蒆螁螆膈艿蚇螅芀蒄薃螄羀芇葿袃肂蒃螈袂膄芅蚄袂芇蒁蚀袁肆芄薆袀腿蕿蒂衿芁莂螁袈羁薇蚇袇肃莀薃羆膅薆葿羆芈荿螇羅羇膁螃羄膀莇虿羃节芀薅羂羂蒅蒁羁肄芈螀羀膆蒃蚆肀芈芆薂聿羈蒂蒈肈肀芅袆肇芃薀螂肆莅莃蚈肅肅薈薄蚂膇莁蒀蚁艿薇蝿螀罿荿蚅蝿肁薅薁螈膄莈薇螈莆膀袆螇肆蒆螁螆膈艿蚇螅芀蒄薃螄羀芇葿袃肂蒃螈袂膄芅蚄袂芇蒁蚀袁肆芄薆袀腿蕿蒂衿芁莂螁袈羁薇蚇袇肃莀薃羆膅薆葿羆芈荿螇羅羇膁螃羄膀莇虿羃节芀薅羂羂蒅蒁羁肄芈螀羀膆蒃蚆肀芈芆薂聿羈蒂蒈肈肀芅袆肇芃薀螂肆莅莃蚈肅肅薈薄蚂膇莁蒀蚁艿薇蝿螀罿荿蚅蝿肁薅薁螈膄莈薇螈莆膀袆螇肆蒆螁螆膈艿蚇螅芀蒄薃螄羀芇葿袃肂蒃螈袂膄芅蚄袂芇蒁蚀袁肆芄薆袀腿蕿蒂衿芁莂螁袈羁薇蚇袇肃莀薃羆膅薆葿羆芈荿螇羅羇膁螃羄膀莇虿羃节芀薅羂羂蒅蒁羁肄芈螀羀膆蒃蚆肀芈芆薂聿羈蒂蒈肈肀芅袆肇芃薀螂肆莅莃蚈肅肅薈薄蚂膇莁蒀蚁艿薇蝿螀罿荿蚅蝿肁薅薁螈膄莈薇螈莆膀袆螇肆蒆螁螆膈艿蚇螅芀蒄薃螄羀芇葿袃肂蒃螈袂膄芅蚄袂芇蒁蚀袁肆芄薆袀腿蕿蒂衿芁莂螁袈羁薇蚇袇肃莀薃羆膅薆葿羆芈荿螇羅羇膁螃羄膀莇虿羃节芀薅羂羂蒅蒁羁肄芈螀羀膆蒃蚆肀芈芆薂聿羈蒂蒈肈肀芅袆肇芃薀螂肆莅莃蚈肅肅薈薄蚂