【導讀】本文所設計的模塊是建立在GPRS通信網絡、各種搭載傳感器設備等技術平臺、北斗衛星通訊定位系統之上，實現對各種參數的設定，例如氣象參數及海洋水文參數。具有低功耗、低成本、微型化、接口豐富、可靠性高的特點。
以完善的北斗衛星通訊定位系統、GPRS通信網絡以及各種搭載傳感器設備等技術平臺為依托，具有測量風、溫、濕、壓等氣象參數和采集海流、鹽度、化學及其它所需的海洋水文參數，目標定位，緊急警情上報，信息發送，統計報表等完善功能的測報儀器設備的研發有著更加廣闊的應用前景。本文提出了一種雙向通信電路系統設計方案。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，可提升安全防范能力，因而對相關行業主管部門具有重要意義。
ARM9處理器S3C2440A
基于ARM920T內核的S3C2440A作為系統中央處理器，配備128M的SDRAM，256M的NAND FLASH和16M的NOR FLASH，以應對嵌入Linux操作系統所消耗的內存。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內部集成的3路串口可通過外接簡單的RS232電平轉換芯片，分別連接北斗衛星通訊定位終端、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口作為開關量輸入檢測和輸出控制接口，并可根據用戶需求進行擴展。與此同時，S3C2440A 還可滿足連接以太網控制器，USB外設，電子羅盤、海流計、水聲傳輸等可擴展應用需求。
北斗衛星通訊模塊電路設計
北斗衛星通訊模塊電路的設計可以從信號接收、信號處理及功能界面顯示三個層次加以展開，相對應采用性價比高的北斗衛星通訊終端，并設計出串口通訊電路與 LCD液晶顯示電路。北斗衛星通訊模塊可選用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）、集成度高等優點，該模塊三維定位精度為3m，速度精度為0.1m/s，數據更新率可達1Hz。UM220還配有衛星顯控軟件CDT（Control&Display Tool），該軟件提供簡約的圖形用戶界面，可便捷地控制衛星接收機并進行功能能夠設置，獲取所需信息。北斗衛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1所示。
ARM9處理器S3C2440A的串口0引腳TXD0、RXD0與 UM220的RXD3、TXD3相連接構成串口通訊電路。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的PPS信號；S3C2440A的引腳GPE1可編程。
圖1 UM220電路原理圖
輸出脈寬與極性可調的事件信號提供給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，為維持系統時鐘，UM220的VBAT引腳經限流電阻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，然后外接北斗衛星蜂窩天線。此外，電阻R2、 R3與電容C2及二極管D1構成穩定的低電平復位電路，且低電平保持時間大于2ms。
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GPRS模塊電路設計
測報儀主要依賴衛星通訊網絡進行數據通訊與定位，為降低測報儀系統功耗及運營成本，則可選用GPRS/CDMA網絡進行遠程通訊。GPRS模塊外圍應用電路設計包括模塊啟動電路、數據通信電路、語音通信電路及SIM卡應用電路。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2 MC55電路原理圖
無線通信GPRS模塊，可以快速可靠地實現系統方案中的數據、語音傳輸、短消息服務和傳真，模塊結構緊湊，重量輕，內置TCP/IP協議找，由AT指令控制可使應用程序很容易地接入網絡。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經二極管D2降壓得到。S3C2440A的GPE3驅動控制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，以決定系統是否休眠進入低功耗狀態。為了在有GPRS數據信息傳送時產生同步信號，可通過配置MC55的SYNC引腳控制發光LED狀態指示來實現。當有數據發送時，SYNC引腳輸出高電平使得三極管T1基極導通，則紅色發光二極管LED1被點亮。
16位ADC電路設計
S3C2440A可通過自身的SPI接口級聯多片高精度快速16位ADC芯片，以實現溫度、濕度、鹽度、壓力等多種傳感器模擬信號的采集與數據轉換。16位ADC芯片選用ADI公司的AD7798，AD7798具有適合高精度測量應用的低功耗、低噪聲、完整模擬前端，內置一個低噪聲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3 AD7798電路原理圖
溫度、壓力及鹽度數據的電路原理示意圖。S3C2440A的SPICLK1、SPIMOSI1、SPIMISO1與GPE4引腳構成SPI接口分別連接AD7798的串行時鐘（SCLK）、數據輸入（DIN）、數據輸出（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構成不平衡電橋，輸出的差分小信號經R18、C13、 R17、C14及C12構成的雙路RCπ型一階低通濾波電路，連接AD7798的AIN3+與AIN3-引腳。相關閱讀：
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