【正文】 SIM900 模塊的外圍電路設(shè)計 SIM900 芯片的外圍需要接上供電電路，天線和 SIM 卡槽 等， SIM900 的外圍電路如圖 所示。 C to +80176。模塊內(nèi)嵌 TCP/IP 協(xié)議，擴(kuò)展 的 TCP/IP AT 命令讓用戶能夠很容易使用 第 28 頁 共 81 頁 TCP/IP 協(xié)議，這些在用戶做數(shù)據(jù)傳輸方面的應(yīng)用時非常有用。由于尺寸只有 24x24x3mm，所以 SIM900 幾乎可以滿足所有用戶應(yīng)用中的對空間尺寸的要求，模塊和用戶移動應(yīng)用的物理接口為 68 個貼片焊盤，提供了模塊和客戶電路板的所有硬件接口。 與 GSM Phase 2/2+兼容。電壓低于 ，模塊可能自動關(guān)閉 工作頻段 SIM900 具有三個頻段： EGSM900、 DCS1800、 PCS1900。 SIM900 的波特率范圍從 1200bps 到 115200bps，同時支持自適應(yīng)波特率 0，當(dāng) SIM900 模塊默認(rèn)為自適應(yīng)波特率的情 況下開機(jī)，就需要輸入“ AT“或者” At“給模塊，才能同步上波特率，否則模塊不會響應(yīng)。 圖 GSM 模塊功能框圖 GSM 模塊采用的是 SIMCom 公司推出的一款新型無線模塊 —— SIM900， 實物 如圖 所示。 （ 1） 電壓轉(zhuǎn)換電路，對外部電源進(jìn)行轉(zhuǎn)換和對電路進(jìn)行濾波過 流保護(hù)等； （ 2） 通信接口，連接外部的單片機(jī)等控制模塊； （ 3） FLASH 存儲器； （ 4） 天線接口電路； （ 5） GSM 基帶處理器，接受 AT 指令。通過在 GSM 模塊的體積、性能、價格以及短消息業(yè)務(wù)能力等方面的考慮，本文中選用的是 SIMCOM 公司的一款新型 GSM 模塊—— SIM900。 GSM 系統(tǒng)的短消息業(yè)務(wù)可以說是 GSM 系統(tǒng)的應(yīng)用最廣泛的業(yè)務(wù)，從 GSM 網(wǎng)絡(luò)覆蓋的范圍來看， GSM 系統(tǒng)的短消息幾乎可以到達(dá)任何地方 [36]。 GSM 網(wǎng)絡(luò)目前已經(jīng)覆蓋國內(nèi)大部分區(qū)域，龐大的 GSM 手機(jī)用戶群也使得 GSM 模塊產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，同時 GSM 模塊的基站定位業(yè)務(wù)隨著 GSM 手機(jī)用戶需求的不斷增長而迅速發(fā)展起來 [34] [35]。 NEO5Q 模塊供電電路設(shè)計 圖 GPS 模塊供電電路圖 NEO5Q模塊供電電路如圖 所示， 外界輸入電壓經(jīng)過 XC6206 轉(zhuǎn)換成 電壓，給 NEO5Q 供電。 當(dāng) GPS 模塊開始上電工作時，它的首次搜索定位時間在 1~2 秒之間，為了在以后的定位 工作中減少 GPS 模塊的定位時間，加入一個備用可充電電池。 圖 NEO5Q 接口電路 GPS 天線采用的是內(nèi)置有源陶瓷天線， NEO5Q 的 VCC_RF 必須要和 reserved 管腳相連。工作電壓 GPSVCC 為 ，全速模式功耗小于 150mW。 操作限制 高度： 50000m 速度 :500m/s 供電電壓 第 23 頁 共 81 頁 功耗典型值 天線供電方式 外部或內(nèi)部 VCC RF 天線監(jiān)測 集成了短路檢測和天線關(guān)斷功能 圖 NEO5Q 引腳圖 GPS 模塊 NEO5Q 的主要特性有： （ 1） 50 個通道衛(wèi)星接收功能； （ 2） 100 萬個以上的相關(guān)引擎； （ 3）可同步追蹤 GPS 及伽俐略導(dǎo)航衛(wèi)星信號； （ 4） 提供多種接口： UART， USB， IIC， SPI。其實物如圖 所示 ，引腳分布如圖 。 NEO5Q 為多功能獨立型 GPS 模塊，以 ROM 為基礎(chǔ)架構(gòu)，成本低，體積小，并具有眾 多特性。 GPS 模塊定位精度以及抗干擾性的不斷提高，成本的不斷下降都使得 GPS 模塊市場的競爭越來越大。 GPS 模塊的種類很多，但是大體結(jié)構(gòu)還是沒有大的區(qū)別， GPS 模塊的簡單方便已經(jīng)成為我們選取 GPS 模塊考慮的重要因素 [32]。 ublox 公司是專業(yè)制作 GPS 接收芯片的大型公司，不論是產(chǎn)品性能、技術(shù)指標(biāo)還是其廣闊的用戶市場都說明了 ublox 公司在 GPS 領(lǐng)域 第 22 頁 共 81 頁 的領(lǐng)先地位。 應(yīng)用處理模塊包括：存儲器、處理器以及數(shù)據(jù) I/O 端口、顯示控制和其他外設(shè)，主要作用就是控制多通道相關(guān) 器以及通過對信號處理模塊傳輸?shù)男盘枖?shù)據(jù)進(jìn)行深入的處理，最終得出用戶所需要的 GPS 信息數(shù)據(jù)。其作用就是抑制干擾、提高信噪比。三個模塊在 GPS 接收機(jī)中都有各自的工作特點，這也是 GPS 接收機(jī)分割功能模塊的主要方面。 GPS 模塊的種類很多，但是其 GPS 接收機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)大同小異。 圖 MSP430 單片機(jī)外圍接線電路 圖 MSP430F149 單片機(jī) 外部晶振電路 圖 第 21 頁 共 81 頁 MSP430F149 單片機(jī)供電電路設(shè)計 單片機(jī)采用 供電，系統(tǒng)電源由 USB 或外接電池提供，通過 XC6206 穩(wěn)壓模塊獲得 穩(wěn)定輸出電壓，給單片機(jī)及其他外設(shè)供電。 MSP430F149 單片機(jī)外圍電路設(shè)計 MSP430 的外圍電路主要有復(fù)位電路和晶振組成。 由于為 FLASH型 ， 則可以在線對單片機(jī)進(jìn)行調(diào)試和下載 ， 且 JTAG 口直接和 FET(FLASH EMULATION TOOL)的相連 ,不須另外的仿真工具 ， 方便實用 ， 而且 ， 可以在超低功耗模式下工作 ， 對環(huán)境和人體的輻射小 ， 測量結(jié)果為 100mw 左右的功耗 (電流為 14mA 左右 )， 可靠性能好 ，加強(qiáng)電干擾運(yùn)行不受影響，適應(yīng)工業(yè)級的運(yùn)行環(huán)境 ， 適合與做手柄之類的自動控制的設(shè) 第 20 頁 共 81 頁 備 [29] [30]。 當(dāng)系統(tǒng)啟動完成初始化的時候，首先通過 GPS 模塊接收 GPS 衛(wèi)星發(fā)來的原始導(dǎo)航信息，如 :經(jīng)度、緯度、信號強(qiáng)度、時間等數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過單片機(jī)控制模塊進(jìn)行篩選處理后，找出需要的具體信息數(shù)據(jù)，再通過 GSM 模塊把這些位置信息以短消息的形式發(fā)送到指定手機(jī)上。 GSM 模塊： GSM 模塊波特率為 9600，用來使信標(biāo)機(jī)連接到 GSM 網(wǎng)絡(luò)并發(fā)送定位信息，同時搜尋基站信息定位。 電源模塊：電源模塊為其他模塊提供供電電壓。 GPS 模 第 19 頁 共 81 頁 塊 接收到 GPS 數(shù)據(jù)后， 經(jīng)過串口發(fā)送至單片機(jī) ， 單片機(jī)將處理后的信息發(fā)送至 GSM 模塊， GSM 模塊信息經(jīng)過 GSM 天線將信息發(fā)送至接收機(jī)。而且使用 TEXT 可以減少使用 PDU 編碼和解碼部分代碼，可以節(jié)省代碼空間。因此在發(fā)送時需要將 8 位 (HEX)字節(jié)數(shù)據(jù)編碼成 8 位 (OCT)字節(jié)發(fā)送；接收時需要將 8 位 (OCT)字節(jié)解碼成 7 位 (ASCII)字節(jié)。 PDU 模式在 GSM 移動設(shè)備中使用得最為普遍。 8bit 編碼用于發(fā)送數(shù)據(jù)信息，比如圖片和鈴聲等。 PDU 模式收發(fā)短信包括 3 種編碼 7bit、 8bit 和 UCS2 編碼。每一條命令很容易讀懂，實現(xiàn)起 來也很容易；缺點是不能收發(fā)中文短信。 BLOCK 模式現(xiàn)在幾乎以被淘汰，這里不再闡述。 ? SMS 的格式規(guī)范 [26] SMS 是由 ETSI 組織制定的一個規(guī)范 [27]。這種信息的傳輸是在 GSM 手機(jī)之間或手機(jī)與其他短消息實體之間通過業(yè)務(wù)中心進(jìn)行文字信息收發(fā)實現(xiàn)的，其中業(yè)務(wù)中心是獨立于 GSM 網(wǎng)絡(luò)的一個業(yè)務(wù)處理系統(tǒng)，主要功能是提交、存儲、轉(zhuǎn)發(fā)短消息，并完成與 PSTN,inter 等網(wǎng)絡(luò)的互通，以實現(xiàn)來自其他 SME(Short Message Entity 如 :人工臺 /自 動臺、各種 SP 建立的資訊平臺等 )的短消息的傳遞 [23]。不需另外鋪設(shè)網(wǎng)絡(luò)、通訊費用低廉 、不受地域限制、可任意設(shè)置傳輸機(jī)制。短消息的發(fā)送和接收離不開 GSM 數(shù)據(jù)通信平臺。 GSM 系統(tǒng)可提供多種業(yè)務(wù)，目前已開通并較常用的業(yè)務(wù)有話音、短信、數(shù)據(jù)等。 GSM 標(biāo)準(zhǔn)自 1992 年投入商用以來，得到不斷的驗證和發(fā)展。移動臺 (MS)是直接由用戶使用完成移動通信的設(shè)備；基站子系統(tǒng) (BSS)是 GSM 系統(tǒng)中與無線蜂窩方式關(guān)系最直接的基本的組成部分，它通過無線接口直接與移動臺相連，負(fù)責(zé)發(fā)送接收和無線資源的 管理；網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)(NSS)是整個系統(tǒng)的核心，它對 GSM 移動用戶之間及移動用戶與其他通信網(wǎng)用戶之間通信起著交換、連接與管理的功能。其典型結(jié)構(gòu)如圖 所示。 圖 3 個基站進(jìn)行 TDOA 定位示意圖 影響基站定位精度的主要因素有以下幾點： （ 1）周圍基站的密度，基站密度越大，定位精度越高； （ 2）時間的不同步； （ 3）地形障礙； （ 4）干擾影響?；? A 和 B 之間的接收時間 差為 t1* =tatb，基站 A 和 C 之間的接收時間差為 t2*=tatc，然后就可以聯(lián)立兩個方程來求解，三條曲線 第 15 頁 共 81 頁 的某兩條曲線會有交點，而這個交點所在的坐標(biāo)就是我們需要求解得到的移動臺所在位置 M(x， y)的位置坐標(biāo)。兩個未知數(shù)就需要兩個方程聯(lián)立求解，當(dāng)用三個基站作為焦點來畫曲線時，任意兩條曲線的交點就是移動臺的位置 [19]。 圖 TDOA 定位原理 設(shè)基站 A、 B 間距離為 b， M(x， y)為移動臺的位置，過到達(dá)時間定位（ TOA）測量出移動臺發(fā)射的信號到達(dá) A、 B 的時間分別為 ta， tb，相應(yīng)的移動臺與 A、 B 兩個基站的距離分別為 r r2，由此可以得到同一信號到達(dá) A、 B 兩個基站的時間差為： t *= tatb ，相應(yīng)的距離差為 :r = r1r2 =ct*。到達(dá)時間定位是通過幾個圓周的相交來確定位置坐標(biāo)的，而到達(dá)時間差 TDOA 定位則是通過雙曲線來測量位置坐標(biāo)的。其原理圖如圖 ： 圖 TOA 定位原理 TOA 到達(dá)時間定為技術(shù)和 GPS 定為技術(shù)一樣需要定位基站和移動臺在時間上同步，當(dāng)然也可以通過四個甚至是五個基站進(jìn)行定為，不過那時測量得到的位置坐標(biāo)也比時間同步測量的位置坐標(biāo)定位精度要小。以基站坐標(biāo)為圓心，以 R 為半徑，就可以看出移動臺必在這個圓周上，同樣的對第二個基站進(jìn)行如此操作，也會得到一個圓周， 移動臺也同樣在這個有圓周上，這是就只剩下兩個位置可供選擇，如此對第三個基站做同樣的處理，三個圓周相交的那一點就是移動臺的位置 [17]。 （ 1）到達(dá)時間 TOA(Time of Arrival)定位 TOA 技術(shù)原理 :由于傳輸信號的移動臺距離周圍基站的距離不同，信號到達(dá)每個基站的時間也就不同，利用到達(dá)基站的時間來測量出移動臺的位置坐標(biāo)就是到達(dá)時間定位的方法 [16]。也就是說我們在 GSM 中通信時，總是需要和某一個蜂窩基站連接的，或者說是處于某一個蜂窩小區(qū)中的。這些小區(qū)小則幾十米，大則上千米。 * 語句結(jié)束標(biāo)志符 xx 從 $開始到 *之間的所有 ASCII 碼的異或校驗和 CR 回車 LF 換行 GSM 相關(guān)知識 介紹 基站定位原理 GSM 基站定位是利用 GSM 移動通信網(wǎng)的蜂窩技術(shù)來實現(xiàn)位置信息的查詢。 本文僅對 GPGGA 信息語句進(jìn)行詳細(xì)分析 [14]: GPGGA: Global Positioning System Fix Data (GPS 固定數(shù)據(jù)輸出語句 ) $GPGGA 語句包括 17 個字段：語句標(biāo)識頭，世界時間，緯度，緯度半球，經(jīng)度，經(jīng)度半球，定位質(zhì)量指示，使用衛(wèi)星數(shù)量，水平精確度，海拔高度，高度單位，大地水準(zhǔn)面高度，高度單位，差分 GPS 數(shù)據(jù)期限，差分參考基站標(biāo)號，校驗和結(jié)束標(biāo)記 (用回車 符 CR和換行符 LF)，分別用 14 個逗號進(jìn)行分隔。如 GGA、 ZDA、 GLL、 GSA、 GSV、 VTG 等格式。 NMEA0183 使用 ASCII 字符的「句子」 (sentence)型編碼，每一句最長為 82 字符，傳送速率為 4800 baud， 以 $號為起始 , CR/LF為終止， 表示回車、換行 每一字段以 ,分隔 , “ *”為校驗和識別符，其后面的兩位數(shù)為校驗和。目前廣泛采用的是 版本。 圖 GPS 相對定位原理圖 第 11 頁 共 81 頁 GPS 數(shù)據(jù)格式 NMEA 0183[13]是美國國家海洋電 子協(xié)會為海用電子設(shè)備制定的標(biāo)準(zhǔn)格式。兩臺 GPS 接收機(jī)分別設(shè)置在基線的兩端點，同步觀測同一組 GPS 衛(wèi)星，以求解出基線端點的相對位置或基線向量 [12]。這樣，如果一點的絕對坐標(biāo)已知，就可以計算出另外一點的精確坐標(biāo)。 GPS 相對定位，測量的位置是相對于某一己知點的位置，而不是在 WGS84 坐標(biāo)系中的絕對位置。接收機(jī)測量的偽距中，包括了 3 個坐標(biāo)分量未知數(shù)和 1 個鐘差未知數(shù)，為了實時地求解這四個未知數(shù)，就必須至少同時觀測 4 顆衛(wèi)星，如圖 所示。這 3 個球面相交的一點，就是要求解測點的位置。在 GPS 觀測中，得到衛(wèi)星的位置和衛(wèi)星到測點的距離 (偽距 )，然后以衛(wèi)星為中心，以距離為半徑做球面。這一位置在 WGS84 坐標(biāo)系中是唯一，所以稱為絕對定位。 圖 GPS 接收機(jī)電路模塊 GPS 定位原理 GPS