單片機(jī)與手機(jī)的硬軟件接口設(shè)計(jì)的問(wèn)題解決方案

因?yàn)?a href="http://ttokpm.com/v/tag/107/" target="_blank">手機(jī)工作的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣，在信息傳遞方面性能穩(wěn)定、可靠，所以把手機(jī)作為信息傳遞的載體，與單片機(jī)結(jié)合起來(lái)構(gòu)成應(yīng)用系統(tǒng)有著強(qiáng)大的生命力和廣闊的應(yīng)用空間，特別是在遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸、遠(yuǎn)程監(jiān)控等領(lǐng)域更是受到電子設(shè)計(jì)應(yīng)用工程師的關(guān)注。一些專業(yè)刊物也介紹了一些有關(guān)這方面的文章，然而由于手機(jī)的控制指令復(fù)雜，數(shù)據(jù)格式繁瑣，工程技術(shù)人員在進(jìn)行單片機(jī)與手機(jī)的硬軟件接口設(shè)計(jì)時(shí)經(jīng)常會(huì)遇到很多困難，有時(shí)還無(wú)資料可查。在完成一個(gè)項(xiàng)目的開發(fā)過(guò)程中，針對(duì)幾種手機(jī)進(jìn)行了大量的測(cè)試和實(shí)驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上歸納出一些帶規(guī)律性的結(jié)論，對(duì)此結(jié)論，工程設(shè)計(jì)人員可拿來(lái)即用，大大縮短研發(fā)周期，現(xiàn)在把它公布出來(lái)，愿與廣大電子設(shè)計(jì)人員共享。

1 硬件接口技術(shù)方面

目前市場(chǎng)上流行的大部分手機(jī)幾乎都具有數(shù)據(jù)引出口，并基本上都支持與GSM短信息相關(guān)的AT控制指令（GSM-SMS-AT指令），手機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)口以串行方式接收指令并向外輸出數(shù)據(jù)。理論上講，在數(shù)據(jù)口中找出RxD、TxD和GND引腳與單片機(jī)的串口對(duì)應(yīng)連接即完成了硬件接口。

然而，實(shí)際上由于不同品牌，不同型號(hào)手機(jī)的RxD、TxD和GND引腳并非一致，找查這三根線有時(shí)也非易事；況且手機(jī)數(shù)據(jù)口的電平既不是RS232電平，也不是TTL電平，與由5V供電的單片機(jī)串口還不能直接連接。最簡(jiǎn)單可靠的方法是使用手機(jī)的數(shù)據(jù)線建立單片機(jī)與手機(jī)的硬件連接。手機(jī)數(shù)據(jù)線是專為連接PC機(jī)9針串口而設(shè)計(jì)的，信號(hào)電平為標(biāo)準(zhǔn)的RS232電平，只要單片機(jī)的串口也轉(zhuǎn)換為Rs 2 3 2電平，就可方便連接。9針串口引腳定義是固定的，即2腳為TxD（手機(jī)發(fā)送），3腳為RxD（手機(jī)接收）、5腳為GND。這樣，無(wú)論什么型號(hào)的手機(jī)與單片機(jī)的連接就成了固定連接，不需要知道手機(jī)數(shù)據(jù)口信號(hào)的具體定義，二者通過(guò)數(shù)據(jù)線的連接電路如圖1所示。

需要注意的是：不同手機(jī)數(shù)據(jù)線內(nèi)部電平轉(zhuǎn)換芯片的供電方式是不同的，有的是通過(guò)手機(jī)直接供電；有的是通過(guò)竊取PC機(jī)串口某些引腳（通常為4、6、7、8引腳）的電流經(jīng)內(nèi)部整流濾波穩(wěn)壓后提供。判斷的方法是將數(shù)據(jù)線一端插到手機(jī)數(shù)據(jù)口，測(cè)量另一端2腳與5腳之間的電壓，如果有一7V左右的電壓，則為前者，如果測(cè)不出電壓，則為后者，對(duì)于后者則需要單片機(jī)為4、6、7、8引腳任意一引腳提供+5V電壓即可，如圖1中虛線所示。

2 軟件接口技術(shù)及控制原理

單片機(jī)與手機(jī)的軟件接口其實(shí)就是單片機(jī)通過(guò)與GSM短信息有關(guān)的AT指令控制手機(jī)的控制技術(shù)，如讀取手機(jī)的短消息內(nèi)容，刪除短消息內(nèi)容，列出手機(jī)中還未讀的短消息等。關(guān)于AT指令的功能描述見參考文獻(xiàn)［1，2］的文章內(nèi)容，此處不再贅述。然而，執(zhí)行一條指令，也并非某些資料中介紹得那么簡(jiǎn)單。事實(shí)上，指令的執(zhí)行過(guò)程需要單片機(jī)與手機(jī)交互應(yīng)答完成，每一次發(fā)送或接收的字節(jié)數(shù)有嚴(yán)格的規(guī)定，二者必須依據(jù)這些規(guī)定實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，否則，通信就是失敗的。筆者經(jīng)過(guò)對(duì)幾種手機(jī)反復(fù)測(cè)試，總結(jié)出來(lái)一些規(guī)律，如表1所列。

對(duì)幾個(gè)問(wèn)題說(shuō)明如下。

①所有AT指令的指令符號(hào)、常數(shù)、PDu數(shù)據(jù)包等都是以ASCII編碼形式傳送的，比如“A”的ASCII編碼為41H，“T”的AscII編碼為54H，數(shù)字“0，，的AsCⅡ編碼為30H等。

②單片機(jī)控制手機(jī)工作，必須把手機(jī)的短信息工作模式設(shè)置為PDu格式，即通過(guò)指令A(yù)T+cMGF=O完成。

③單片機(jī)向手機(jī)發(fā)送每一條指令后，必須以回車符作為該條指令的結(jié)束，回車的ASCII編碼為0DH。例如，單片機(jī)向手機(jī)發(fā)送“AT+CMGF=0”這條指令，其ASCII編碼序列為“41H、54H、2BH、42H、4DH、47H、46H、3DH、30H、0DH”，最后一個(gè)字節(jié)0DH就是回車符，表示該條指令結(jié)束，如果沒有這個(gè)回車符，手機(jī)將不識(shí)別這條指令。

④當(dāng)手機(jī)接收到一條完整的AT指令后，手機(jī)并不立即執(zhí)行這條指令，而是先把剛才接收到的AT指令的全部ASCII編碼序列全部反發(fā)送出來(lái)（含0DH），然后發(fā)送一個(gè)回車符和換行符的ASCII編碼，即0DH和0AH，最后執(zhí)行該條指令。

⑤手機(jī)向單片機(jī)傳送短信息內(nèi)容時(shí)，其PDu數(shù)據(jù)包的內(nèi)容是以十六進(jìn)制表示的數(shù)據(jù)，但并不是直接向單片機(jī)傳遞十六進(jìn)制數(shù)據(jù)，而仍然是把每一位十六進(jìn)制數(shù)以AscII編碼來(lái)發(fā)送。這樣，二個(gè)字節(jié)的十六進(jìn)制數(shù)就變成4字節(jié)的ASCII碼。但是，PDU數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)字節(jié)長(zhǎng)度部分仍然是實(shí)際字節(jié)長(zhǎng)度，而不是變成AscII碼的字節(jié)長(zhǎng)度，這在編程時(shí)應(yīng)特別注意，否則，接收的數(shù)據(jù)就不完整。單片機(jī)接收到PDU數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)后，必須將其恢復(fù)成十六進(jìn)制數(shù)據(jù)，其算法如下：設(shè)a為接收的ASCII碼，b為轉(zhuǎn)換后的十六進(jìn)制數(shù)。如果a39H，則b=a-30H-07H，最后把前后兩個(gè)數(shù)合并為一個(gè)字節(jié)。

⑥手機(jī)向單片機(jī)應(yīng)答PDU數(shù)據(jù)包的字節(jié)數(shù)不包括前9字節(jié)數(shù)據(jù)（短信服務(wù)中心地址），但向單片機(jī)傳送PDU數(shù)據(jù)包時(shí)，包括這9個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。例如，如果手機(jī)應(yīng)答的PDU數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為50，而實(shí)際向單片機(jī)傳送的十六進(jìn)制數(shù)據(jù)為59字節(jié)，ASCII碼為2×59字節(jié)，所以，單片機(jī)必須按2×59字節(jié)接收PDU數(shù)據(jù)。

3 應(yīng)用實(shí)例

利用上述原理和接口技術(shù)開發(fā)了一個(gè)項(xiàng)目：高速公路顯示導(dǎo)引系統(tǒng)。安裝在高速公路上的LED顯示屏實(shí)時(shí)顯示前方路段車輛通行態(tài)勢(shì)和天氣氣候情況，提醒并引導(dǎo)駕駛?cè)藛T，正確駕駛。

該系統(tǒng)的使用一定程度上消除了許多交通事故隱患，從而保障了道路的暢通和人民生命財(cái)產(chǎn)的安全。該系統(tǒng)由控制中心和若干個(gè)顯示屏組成?？刂浦行膶?shí)時(shí)將最新信息發(fā)送到各顯示屏。構(gòu)建控制中心與顯示終端的通信鏈路，傳統(tǒng)的方法要么鋪設(shè)光纜用有線方式實(shí)現(xiàn)，要么構(gòu)建專用無(wú)線網(wǎng)用無(wú)線方式實(shí)現(xiàn)。因?yàn)楦咚俟返奶厥庑?，控制中心與顯示終端之間的距離通常很遠(yuǎn)，兩種方案都必須投入大量資金和巨大的施工工作量。如果采用GSM公眾無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)，控制中心以短信息的形式把顯示信息發(fā)送到顯示終端的技術(shù)方案，則具有投資小，施工方便，工作可靠，運(yùn)行費(fèi)用低等諸多優(yōu)點(diǎn)。

在控制中心，微機(jī)編輯好短信息后通過(guò)手機(jī)這個(gè)載體發(fā)送出去。在顯示終端，單片機(jī)通過(guò)讀取手機(jī)的短信息把它顯示到LED顯示屏上。項(xiàng)目的核心技術(shù)是單片機(jī)與手機(jī)的接口和PDU數(shù)據(jù)包中的漢字信息編碼。因?yàn)槎绦畔⒅械臐h字僅僅是一個(gè)編碼，單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)將編碼變?yōu)闈h字點(diǎn)陣數(shù)據(jù)，必須配置漢字字庫(kù)。按GSM07.05協(xié)議規(guī)定，短信息中的漢字編碼為Unicode編碼，如果構(gòu)建一個(gè)Unicode編碼的漢字字庫(kù)，確實(shí)是一件繁瑣的工作，因此，在設(shè)計(jì)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，采用如下兩點(diǎn)技術(shù)措施。

①單片機(jī)系統(tǒng)配置的字庫(kù)為GB-2312編碼的漢字庫(kù)，即區(qū)位碼漢字庫(kù)，該漢字庫(kù)在網(wǎng)上可免費(fèi)下載，固化到Flash存儲(chǔ)芯片中即可。當(dāng)然這樣做的前提是PDU數(shù)據(jù)包中的漢字編碼必須為漢字內(nèi)碼而非Unicode編碼。

②控制中心編輯PDU數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)時(shí)，采用自定義數(shù)據(jù)方式，其中，代表漢字的數(shù)據(jù)，直接取用漢字的機(jī)內(nèi)碼即可，免去了把機(jī)內(nèi)碼再轉(zhuǎn)換為Unicode編碼之苦。實(shí)踐證明，這是可行的。

采用以上技術(shù)措施的優(yōu)點(diǎn)，一是省去了兩種編碼的相互轉(zhuǎn)換；二是保證了數(shù)據(jù)的保密性，非系統(tǒng)內(nèi)用戶無(wú)法接收，即使接收也無(wú)法顯示。

該項(xiàng)目研制成功投入使用后，因顯示終端只接收不發(fā)送，幾乎沒有運(yùn)行成本。發(fā)送端（控制中心）可采用月租方式，也能把運(yùn)行費(fèi)用降低到最低限度。因此該項(xiàng)目得到用戶滿意的評(píng)價(jià)。

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