基於無線通信模塊的GPRS MODEM 的研製與應用

摘要:Wavecom 公司生產的基於GPRS/GSM 網路的無線通信模塊，工作於900f850)/1800f1900)MHz，使用高性能GPRS Class 10提供完整的2.5G GSM/GPRS語音和數據容量。文中介紹了Q2400系列模塊的功能和調試手段.給出了基於模塊的GPRS MODEM 的設計方法與應用

    GPRS(General Packet Radio Service)，也叫通用分組無線業務是在現有GSM系統上發展出來的一種新無線數據傳數業務。GPRS支持的點對點網路業務有無連接網路業務(如IP)和面向連接的網路業務(如x.25)兩種，可實現點對多點組播業務和點對多點群呼業務。GPRS理論帶寬可達171.2Kbit/s，實際應用帶寬大約在40～100Kbit/s.在此通道上提供TCP/IP連接，可以應用於INTERNET連接、數據傳輸等。GPRS採用分組交換技術，按流量計費，僅在實際傳送和接受數據時才佔用無線資源，從而提供了一種高效、低成本的無線分組數據業務，特別適用於間斷的、突發性的和頻繁的、點多分散、中小流量的數據傳輸，也適用於偶爾的大數據量傳輸。
    GPRS MODEM是基於GPRS/GSM網路的無線數據傳輸用數據機，能通過指定方式撥號上網，實現點對點及點對多點的數據傳輸，並可實現短消息的發送和接收。

1 模塊的結構及功能
    無線通信模塊是一些無線通信廠家把一般通信產品的核心部分，包括MCU、電源系統、數據存儲、控制與顯示、語音處理等功能，特別是把技術難度最大的高頻電路部分和射頻部分都集成在無線通信模塊內部。
    Wavecom 的Q2400系列(Q2403A，Q2406)GPRS/GSM無線通信模塊是基於GPRS/GSM網路的無線數傳模塊。模塊能夠支持語音、數據、傳真等功能，Wavecom自己的復用協議基本上可以滿足語音/數據復用串口的要求。在GPRS不可用的地區，還可以通過GSM短消息傳輸數據。

1.1模塊的特性
    Wavecom公司的WISMO Quik Q2400超薄晶元系列具有完整的2.5G GSM/GPRS語音和數據容量，皆在能夠滿足用戶的需求，其主要性能有：

• 為雙頻GSM/GPRS模塊，執行ETSI GSM Phase 2+的標準，在900MHz時，功率為2W，1800/1900MHz時為1W；
• Q2403A (支持class2)，下載26.8kbits/s，上傳13.4kbits/s；
• Q2406A(支持classl0)，下載53.6.8kbits/s，上傳26.8kbits/s；
• GSM電路數據/傳真功能；
• 數據線路非同步、透明與非透明，最高傳輸速率可達14400 bits/s；
• 自動傳真group3(class l&2)，通話和傳真轉換，IrDA 1.2A協議；
• GPRS信息包數據功能：
• GPRS Class 10，採用CS1到CS4編碼方案，支持PBCCH；
• 點對點的(MT/MO)和短消息區域廣播，回復呼叫信息，通話或緊急呼叫，最高速率，升級最高速率和半速率，回聲消除和雜訊削減，全雙工免提。

1.2模塊的內部結構
    WISMO Quik Q2400系列模塊的內部結構圖如下：
 
圖1模塊內部結構圖
    模塊為60腳封裝，大小約為5.8 x 3.2 x 0.4 cm，厚度僅為4毫米.非常容易集成到應用產品中。其內部包括通用介面、音頻介面、SIM介面及射頻介面；具有內部的FLASH、SRAM、A/D轉換、實時時鐘、聲音合成、供電電路等；能完成電池管理、存儲器管理、I/O口控制、SIM控制、GPSI控制及鍵盤控制。
    通用介面提供與外部LCD模塊的SPI匯流排或最大傳輸速率為400Kb/S的2線介面：5 X 5矩陣的鍵盤介面；具有SIM卡確認、供電、時鐘、複位及I/O的3VSIM卡介面；3個通用I/O口、2個輸出口和一個輸入口共6個3V CMOS介面。此外還提供了2音頻輸入和2音頻輸出，一個蜂鳴器輸出。
    模塊提供一個符合V24協議的6線串列通信介面，包括TX、RX、RTS、CTS、DTR、DSR；同時提供DCD和RI信號介面.
    為保證模塊的正常工作，要求提供兩路電源，其中VBATY提供給RF部分， 電壓範圍為3.3V -4.5V，最大功率為2W；VDD提供給基帶部分，電壓範圍為3.1V-4.5V，最大功率為0.5W。模塊內部具有電池充電管理電路，利用外部電源提供的電流源對內部電池的安全充電進行控制與管理。

2 GPRS MODEM 的設計與應用
2.1 AT指令與模塊的在線調試
    利用Q2400系列模塊進行無線數據傳輸系統的設計，首先是熟悉模塊的功能及各種AT指令。對於涉足無線通信領域的人來說，AT指令不會是一個陌生的名詞，使用串列線將計算機串口同模塊相連，在SIM卡槽中放人SIM卡，接上天線，最後上電讓模塊開始工作。這時就可以使用Windows自帶的“超級終端”或串列調試程序，選擇所使用的串口號並以一定的波特率同模塊進行通信，它們之間交流的“語法”就是AT指令。例如，對於Q2400系列模塊來講.首先可以通過一系列AT指令獲得模塊內部的相關資料：
AT+CGMI可以從模塊中獲得製造商的證明；
AT+CGMM 可以獲得模塊的型號；
AT+CGMR可以獲得模塊內部軟體的版本號;
AT+CIMI可以讀出SIM卡內的用戶序列號。如果模塊中已插入有效的SIM卡，則可以進行撥號和掛機操作：
ATD+號碼為撥號指令，當發出ATD后.如果回應是0，則表示對方為語音傳輸，如果是數據傳輸，則回應CONNECT 10(11、12、13、14、15)表示數據傳輸的速度，如果是7，則表示對方正忙。
在“超級終端”環境下，還可以用AT指令實現對電話簿的操作、對通信模塊的各種設置、短消息操作、傳真業務操作等。在掌握了基本指令、呼叫控制指令、網路服務指令、安全指令及電話薄操作指令等一些常用的基本AT指令之後，重點要掌握的是如何進行短消息和數據的傳送。實現SMS主要有兩種方式.AT+CNMA 即TEXT格式和AT+CNMA=N， <PDU長度>即PDU格式。PDU格式實際上是對短消息進行打包的一種協議，中文短消息的實現必須通過PDU格式，使用AT指令方式熟悉PDU格式可以加深使用者對這一方式的認識和掌握。

2.2 GPRS MODEM的設計
    Wavecom公司的Q2400系列作為專為移動設備而研製的模塊，具有很強的介面功能，我們在研製GPRS MODEM時主要應用了它的通信、語音、SIM卡及數據存儲等介面功能，其主要結構見圖二。為了保證系統能穩定地進行數據傳輸而不至於經常掉線或丟失數據，一個穩定的、具有一定功率的電源和合理的電源管理是必不可少的.
 
圖2 GPRS MODEM結構框圖
    GPRS MODEM提供透明通道和非透明通道兩種工作模式。在透明通道模式下，GPRS MODEM對用戶的數據不進行處理，直接將數據發送出去，收到的數據也原封不動的傳遞給用戶。在這個模式下.短消息和語音功能可以由用戶自己通過AT命令來實現，也可以通過調用API來實現。在非透明通道模式下，用戶通過串列口採用幀格式與GPRS MODEM通信，可以通過調用API來實現。
    GPRS MODEM在設計過程中為方便用戶開發應用程序，定義了操作簡單、功能強大的API幀。用戶僅需要操作這些幀即可提供Internet的接入服務，實現應用數據在Internet上傳輸。用戶API函數分為三類：最低層的基本串口收發API函數、幀API函數和socket API函數以及語音API和短消息API。
    在無線數據傳輸過程中，作為用戶數據傳輸目的地的數據中心計算機在INTERNET上的IP地址有2種形式，一種是使用固定IP，由於國內固定IP數量有限，所以多數使用動態域名作為數據中心計算機的IP地址。GPRS MODEM在進行參數配置時，需要將數據中心計算機的固定IP或者動態域名輸入到系統中。對於動態域名，需要在系統內部通過域名伺服器將動態域名解析成數據中心計算機的IP地址。當GPRS MODEM在進行數據通訊時，用戶數據與數據中心計算機IP地址經過TCP/IP協議轉換生成包含用戶數據的TCP/IP包，該TCP/IP包由GPRS MODEM發射到移動GPRS網路上。
    由於目前USB的即插即用和數據的高速傳輸功能，使得USB介面得到廣泛的應用，為此我們選用了PROLIFIC公司的PL2303Hx的USB TO RS一232轉換橋晶元，自動完成串列通信到USB傳輸的轉換，非常容易地實現了具有USB介面的GPRS MODEM。

3 結束語
    從上述研製的過程可以看出，由於技術難度最大的高頻電路部分和射頻部分都在無線模塊內部處理，這無疑大大減小了硬體的開發難度。不論開發者對GPRS通信系統的熟悉程度如何，都可以使用無線通信模塊搭建適合自己的無線數據傳輸實驗平台，例如可以構建成外置式GPRS無線Modem；內置式PCMCIA卡GPRS無線Modem； 也可以構建成模塊式GPRS無線Modem，直接嵌入到任何需要進行無線數據傳輸的產品中去。我們在研製微電腦掌上資源調查儀時，就是採用了嵌入式的GPRS MODEM，利用GPRS/GSM網路進行數據的無線傳輸。所以，應用無線通信模塊，可以在較小硬體開發成本的基礎上，使開發者能夠儘快把自己的想法轉換為現實，從而縮短整個研發周期。