基于STM32和SIM900A的無線通信模塊設(shè)計(jì) - 全文

　　設(shè)計(jì)一個可以實(shí)現(xiàn)短信收發(fā)與數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)哪K的要求，本文采用了ARM Cortex-M3內(nèi)核的主流產(chǎn)品STM32作為主控芯片，采用SIMCom公司的SIM900A作為通信芯片。在查閱大量相關(guān)文獻(xiàn)以及相關(guān)芯片的數(shù)據(jù)手冊之后，本文設(shè)計(jì)了一個遠(yuǎn)程無線通信模塊。該模塊在實(shí)驗(yàn)室試運(yùn)行一周后，沒有出現(xiàn)掉線的情況，數(shù)據(jù)收發(fā)的速度也很快。該模塊具有性能穩(wěn)定，外形小巧，性價比高等優(yōu)點(diǎn)。廠方投入使用之后，反應(yīng)良好。

　　隨著網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)代通信技術(shù)的不斷發(fā)展，遠(yuǎn)程無線通信技術(shù)經(jīng)過多年的研究與實(shí)際應(yīng)用，現(xiàn)如今在工業(yè)控制領(lǐng)域有了非常重要的地位，并且發(fā)揮著越來越大的作用。文中根據(jù)廠家的要求，設(shè)計(jì)的無線通信模塊，主要實(shí)現(xiàn)了短信與數(shù)據(jù)收發(fā)功能，并且做到了模塊的穩(wěn)定，掉線之后能夠自動重連。

　　1 無線通信模塊整體設(shè)計(jì)方案

　　模塊主要有電源部分、主控部分、通信部分、數(shù)據(jù)傳輸部分4個部分組成。通信模塊采用SIM900A進(jìn)行無線通信。主控模塊采用STM32作為主控芯片，來控制短信的收發(fā)與數(shù)據(jù)傳輸?shù)捻樌M(jìn)行。遠(yuǎn)程終端可以是手機(jī)或者上位機(jī)的數(shù)據(jù)中心軟件，經(jīng)過處理之后，儲存下來，方便日后的查詢。本模塊具有低功耗，方便靈活，操作簡單并且穩(wěn)定，掉線之后可以自動連接，運(yùn)行過程十分穩(wěn)定，并且成本較低。

　　2 無線通信模塊硬件設(shè)計(jì)

　　2.1 功能需求

　　本文設(shè)計(jì)的無線通信模塊，要求單12V電源輸入，模塊上電運(yùn)行后有相應(yīng)的指示燈來指示模塊的運(yùn)行狀態(tài)。另外要求模塊能夠?qū)崿F(xiàn)短信以及數(shù)據(jù)透傳兩大主要功能，在手機(jī)發(fā)送短信給模塊之后，模塊能夠動作，并給出回應(yīng)。最后要求在建立TCP鏈接時，仍然能夠收發(fā)短信。

　　圖1 無線通信模塊結(jié)構(gòu)圖

　　2.2 電源部分

　　在主電路中，主控芯片STM32的工作電壓為2.0~3.6 V，通信芯片SIM900A的工作電壓為3.1~4.6 V，為使模塊各個部分正常工作，必須對兩者進(jìn)行分別供電，電源供電電路如下：

　　圖中V12外接12 V電源，經(jīng)過電容濾波后輸入到LM2576，實(shí)現(xiàn)12 V到4 V的轉(zhuǎn)換，R1、R2在線路中起到分壓作用，D2燈亮起時，表示模塊已經(jīng)正常供電。LM2576是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的3 A電流輸出降壓開關(guān)型集成穩(wěn)壓電路，具有完善的保護(hù)電路，比較穩(wěn)定。

　　圖2 電源模塊

　　2.3 主控芯片

　　主控模塊采用STM32單片機(jī)作為微控制器，該芯片能工作于-40~105℃的溫度范圍，MAX3232芯片用于串行口的電平變換，實(shí)現(xiàn)控制器與通信接口之間的通信。串口1與電源電平轉(zhuǎn)換芯片Max3223相連，USART1_TX（輸出，所以在配置GPIO時，定義該口的模式為推拉輸出，USART1_ RX為輸入，定義為懸浮輸入模式。串口2與SN65LBC184D通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)，USART2_RTS、USART2_RX為輸入端口，模式定義為懸浮輸入模式，USART2_CTS、USART2_TX為輸出端口，模式定義為推拉輸出。串口3用來控制SIM900A芯片，USART3_RTS、USART3_RX為輸入端口，模式定義為懸浮輸入，USART3_CTS、USART3_TX為輸出端口，模式定義為推拉輸出。

　　圖3 主控芯片STM32

　　2.4 通信芯片

　　通信芯片采用SIMCom公司的新型緊湊型產(chǎn)品SIM900A，它屬于雙頻GSM/GPRS模塊，完全采用SMT封裝形式，性能穩(wěn)定，外觀精巧，性價比高，并且能夠滿足用戶的多種需求。在實(shí)現(xiàn)斷線自動重連功能時，涉及到DCD、RI兩個引腳的使用。DCD引腳用來實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，當(dāng)模塊掉線時，會給DCD引腳一個高電平，當(dāng)這個電平被DCD引腳檢測到之后，模塊就是采取相應(yīng)的動作，來重新連接上線。RI引腳在模塊上線之后，就一直保持高電平，在有電話和短信進(jìn)來的時候，RI管腳就會有一個低電平出現(xiàn)，當(dāng)RI引腳檢測到這個低電平的時候，模塊就會采取相應(yīng)動作，進(jìn)入到短信或者電話模式。

　　圖4 SIM900A通信芯片

　　3 無線通信模塊軟件設(shè)計(jì)

　　3.1 STM32的底層配置

　　為了實(shí)現(xiàn)STM32單片機(jī)與SIM900A模塊之間的數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)短信收發(fā)與數(shù)據(jù)傳輸兩大功能。首先要搭建開發(fā)平臺，在工程中加入需要用到的庫函數(shù)以及配置文件，然后配置系統(tǒng)時鐘、中斷控制器、輸入輸出的GPIO以及相應(yīng)的串口。在配置這些參數(shù)的時候，首先需要對照原理圖進(jìn)行編寫，然后查看芯片用到哪些端口和這些端口的作用，這樣才能保證無誤。接下來就要對各個部分進(jìn)行配置，以保證模塊能夠正常運(yùn)行。

　　3.1.1 串口配置

　　開發(fā)環(huán)境搭建好之后，就可以配置端口參數(shù)了。對于本模塊，設(shè)置USART傳輸?shù)谋忍芈蕿? 600 b/s，字長為8 bit，1bit停止位，無檢驗(yàn)?zāi)Ｊ?。在對串?、2、3初始化之后，打開串口的中斷響應(yīng)函數(shù)：USART_ITConfig（USART1，USART_IT_RXNE，ENABLE）（以串口1為例），使能相應(yīng)的串口：USART_Cmd（USART1，ENABLE），這樣串口的配置就基本完成了。

　　3.1.2 中斷控制器的配置

　　首先配置優(yōu)先級分組，設(shè)置先占優(yōu)先級1位，從優(yōu)先級3位。本模塊定義了5個全局中斷，分別為：兩個RTC全局中斷、USART1全局中斷、USART2全局中斷、USART3全局中斷，分別對每一個中斷配置優(yōu)先級，使能串口再初始化即可。需要注意的是，PC15管腳作為EXTI15的外部中斷輸入管腳，當(dāng)該管腳的電平為低電平的時候觸發(fā)，模塊進(jìn)入短信模式，因此給這個中斷一個比較高的優(yōu)先級，所以定義該中斷先占優(yōu)先級1位，從優(yōu)先級0位。在設(shè)置優(yōu)先級的時候，必須根據(jù)模塊的運(yùn)行情況，選擇最優(yōu)的中斷分組和優(yōu)先級，才能保證程序運(yùn)行時，能夠快速的響應(yīng)中斷。

　　3.2 無線通信模塊短信功能的實(shí)現(xiàn)

　　1）短信收發(fā)具體過程

　　短信功能的實(shí)現(xiàn)主要涉及到兩個關(guān)鍵部分，一個是AT命令，另一個是串口的讀寫。AT命令是主控芯片STM32和SIM900A之間的通信協(xié)議，完成對SIM900A的控制。短信的收發(fā)主要有兩種模式，一種是文本模式，該模式只支持英文內(nèi)容，另一種是PDU模式。本模塊在完成初始化之后，首先通過USART向SIM900A發(fā)送“AT+回車”命令來檢查AT命令是否正常工作，如果返回OK，則表示能夠進(jìn)行接下來的短信功能。

　　SIM900A的短信功能主要分為兩個部分，第一：讀取短消息。讀取短消息的設(shè)置命令為：AT+CMGR，該命令生效后有兩個返回值：index和mode，index就是接收到的短信的編號，我們將接收到的index內(nèi)容放在一個長度為30的buf中，再將buf寫入到串口3中，然后再讀取串口3中的內(nèi)容，這樣，短信的編號就獲取完畢。獲取了短信的編號之后，就能去獲取短信的具體內(nèi)容，而短信的內(nèi)容則存放在alpha中，它處于響應(yīng)的第三個位置，通過get_fw（at_string，phnum，19，2）可將短信的內(nèi)容取出來，這樣短信的內(nèi)容就獲取到了。第二：發(fā)送短消息。發(fā)送短消息的設(shè)置命令為：AT+CMGS，首先將發(fā)送短信的電話號碼存入到一個buf中，將這個buf寫入到串口3中，以此獲取手機(jī)號碼。而短信在發(fā)送的時候，短信內(nèi)容之前會帶一個“》”號，在程序設(shè)計(jì)時，只要檢測到“》”號時，后面的內(nèi)容也就是短信發(fā)送的內(nèi)容，最后將短信的內(nèi)容寫到串口3即可。

　　2）相應(yīng)的AT命令

　　3.3 短信命令的定義

　　本模塊自定義了許多短消息命令來設(shè)置或者查詢模塊的參數(shù)，具體為：SIP:IP地址設(shè)置命令、SPT：端口號設(shè)置命令、DID:ID號設(shè)置命令、ACON：自動連接命令、PRT：打印命令、LIVE：心跳操作命令、CSQ：信號強(qiáng)度查詢命令。這些指令通過短信的方式來實(shí)現(xiàn)對模塊的操作。

　　拿SIP來舉例，它的實(shí)現(xiàn)過程為：首先把短信中的‘=’之前的字符取出來存放在sms_cmd中，然后將sms_cmd與SIP、SIT、DID、ACON、PRT、LIVE、CSQ來比較，如果等于其中一個，則程序跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的部分來執(zhí)行相應(yīng)的操作。這里，strcmp（sms_cmd，“SIP”）==0，程序跳轉(zhuǎn)到SIP部分來執(zhí)行IP部分的操作。然后，將‘=’之后的字符取出來存放在sms_para中。通過字符串比較函數(shù)來判斷它是‘？’還是數(shù)字。如果是‘？‘，則表示該短信命令是一個查詢命令，就只需要用輸出顯示IP號給用戶看。如果是數(shù)字，則表示該短信命令是一個設(shè)置命令，就需要重新設(shè)置某些參數(shù)值，來改變模塊的運(yùn)行過程。對于SIP，如果’=’之后是數(shù)字，就表示該短信是用戶用來設(shè)置模塊的IP地址的。此時，就要把當(dāng)前的IP值賦給模塊的IP值就可以了。最后輸出顯示IP地址設(shè)置成功，則SPT部分的操作就完成了。

　　4 無線通信模塊數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)

　　4.1 數(shù)據(jù)格式的定義

　　數(shù)據(jù)包的具體格式如下：

　　數(shù)據(jù)包頭已經(jīng)定義為S_PACKET_HEADER結(jié)構(gòu)類型，link_id為DWORD類型，對于發(fā)送，填寫目標(biāo)link_id，對于接收到的數(shù)據(jù)包，則為源link_id（由服務(wù)器自動轉(zhuǎn)換填寫），結(jié)束標(biāo)志為0x01，數(shù)據(jù)Data則根據(jù)具體的命令而各不相同。

　　4.2 登陸、退出的協(xié)議過程

　　后臺軟件根據(jù)指定的服務(wù)器地址和端口號發(fā)起TCP連接請求，連接成功后開始命令交互。工作過程描述如下：

　　1）后臺軟件首先采用CMD_LOGIN命令，登陸到通信服務(wù)器，在登陸成功之前，發(fā)送其他任何命令服務(wù)器都不處理。發(fā)送CMD_LOGIN:FORWARD給服務(wù)器，攜帶數(shù)據(jù)為S_TERMINAL.該命令的目標(biāo)link_id設(shè)為0，表示發(fā)送給服務(wù)器，而不是給其他終端。

　　2）服務(wù)器在CMD_LOGIN:RESPONSE_OK中將其他在線模塊的信息發(fā)送過來，從而在客戶端應(yīng)用程序形成在線模塊列表。后臺若收到CMD_LO GIN：;RESPONSE_FAILED回應(yīng)，則失敗。收到CMD_LOGIN:RESPONSE_OK回應(yīng)，則成功，攜帶數(shù)據(jù)為S_TERMINAL。

　　3）后臺軟件定時發(fā)送CMD_KEEP_LIVE命令，以維持鏈路不被網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)器終止。每個在線設(shè)備必須在一定的時間間隔內(nèi)向服務(wù)器發(fā)送CMD_ KEEP_LIVE信息。服務(wù)器將對此作檢查，若某設(shè)備在一定的時間間隔內(nèi)沒有發(fā)送CMD_KEEP_LIVE信息，則認(rèn)為該設(shè)備已經(jīng)“死亡”，服務(wù)器將斷開其連接。

　　4）后臺軟件可對模塊列表中的任意模塊進(jìn)行操控。

　　5）后臺軟件退出時，用戶設(shè)備應(yīng)首先發(fā)送CMD_LOGOFF命令到服務(wù)器，告訴服務(wù)器“我要退出”，該命令的目標(biāo)link_id設(shè)為0.在發(fā)送CMD _LOGOFF:FORWARD給服務(wù)器時，不需要攜帶數(shù)據(jù)。

　　圖5 登陸、下線的協(xié)議過程

　　4.3 數(shù)據(jù)傳輸具體過程

　　首先要定義建立TCP連接與關(guān)閉TCP連接的函數(shù)，涉及到的AT指令為AT+CIPSTART和AT+CIPCLOSE.建立TCP連接時，先把AT+CIPSTART指令寫到串口3中，然后該指令生效后，會返回一個“CONNECT”，之后只要檢測到有返回值“CONNECT”，就表示TCP連接已經(jīng)建立成功。關(guān)閉TCP連接與建立TCP連接類似，AT+CIPCLOSE指令生效后會返回一個“CLOSE OK”，只要檢測到“CLOSE OK”，就表示TCP連接已經(jīng)關(guān)閉。

　　TCP連接建立好以后，透傳模式就已經(jīng)被開啟，此時就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送與讀取。

　　當(dāng)用戶要發(fā)送數(shù)據(jù)時，就必須根據(jù)數(shù)據(jù)包的結(jié)構(gòu)來發(fā)送數(shù)據(jù)，首先把包頭寫入到串口3中，如果有數(shù)據(jù)，則把數(shù)據(jù)內(nèi)容和接收對象一并寫入到串口3中，這樣數(shù)據(jù)的發(fā)送就完成了。

　　讀取數(shù)據(jù)時，只要有數(shù)據(jù)過來，就一次一個字節(jié)，把數(shù)據(jù)存放到user_string［i］中，然后i++，再次接收數(shù)據(jù)。

　　至于數(shù)據(jù)讀取到什么時候結(jié)束，本程序定義了3種結(jié)束的情況：1）如果用戶定義了數(shù)據(jù)的長度，就讀取到最后一個字節(jié)才結(jié)束。2）如果用戶沒有定義數(shù)據(jù)的長度，就在讀取到回車符的時候結(jié)束。3）如果遇到既沒有已定義的數(shù)據(jù)包長度，又沒有讀取到回車符的情況時，就在數(shù)據(jù)存放的長度超過user_string［i］總長度的四分之三的時候結(jié)束，或者在超過100毫秒沒有數(shù)據(jù)發(fā)過來的時候結(jié)束數(shù)據(jù)的讀取。

　　4.4 相應(yīng)的AT命令

　　5 斷線重連的處理

　　5.1 TCP鏈接的關(guān)閉和建立

　　TCP鏈接的建立涉及到的AT命令是at+cipstart，該指令有兩個返回值，分別是模塊的IP地址和端口號。首先將at+cipstart指令返回的當(dāng)前模塊的IP地址和端口號存放到一個buf中，然后將這個buf寫入到串口3中，如果之后能夠讀取到返回值“CONNECT”，就表示TCP鏈接已經(jīng)建立好。

　　TCP鏈接的關(guān)閉涉及到的AT命令是at+cipclose，該指令沒有返回值，可以直接將該指令寫到串口3中，如果檢測到“CLOSE OK”，就表示TCP鏈接已經(jīng)被關(guān)閉。

　　5.2 DCD的檢測

　　當(dāng)TCP建立起來之后，DCD引腳的電壓值便由高電平變?yōu)榈碗娖?，因此DCD引腳的電平狀態(tài)可以用過來指示TCP的連接情況。在程序中，本文設(shè)置時鐘在檢測DCD引腳的狀態(tài)值，當(dāng)該引腳的電平值由高電平變?yōu)榈碗娖綍r，就表示模塊模塊已經(jīng)掉線，然后模塊就重新開始登陸，直到登陸上為止。

　　5.3 TCP鏈接下的短信收發(fā)

　　本文定義了一個全局中斷，當(dāng)有短信或者電話到達(dá)模塊時，RI引腳的電平便會由高電平變?yōu)榈碗娖?，此時便會觸發(fā)全局中斷，模塊立即轉(zhuǎn)而處理短信收發(fā)或者數(shù)據(jù)傳輸。

　　6 測試效果

　　本模塊在設(shè)計(jì)完成之后，在實(shí)驗(yàn)室穩(wěn)定運(yùn)行了2周時間，沒有出現(xiàn)什么問題。然后又進(jìn)行了特殊情況的測試，在模塊斷電后恢復(fù)供電，數(shù)據(jù)中心斷電后重新上電的情況下，都能夠重新連接上線，并且能夠繼續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。隨后模塊又被送到廠方使用，在被使用了3周之后，廠方反應(yīng)模塊運(yùn)行情況良好，沒有掉線的情況。

　　7 結(jié)論

　　本文設(shè)計(jì)的無線通信模塊，是利用STM32來控制SIM900A芯片，來實(shí)現(xiàn)短消息的收發(fā)與數(shù)據(jù)的無線傳輸。本設(shè)計(jì)完成了無線通信的硬件部分和軟件部分的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。在多次運(yùn)行試驗(yàn)時，本模塊沒有出現(xiàn)掉線以及發(fā)熱等問題，非常穩(wěn)定。本次設(shè)計(jì)成本較低，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，應(yīng)用范圍十分廣泛，利用SIM900A，降低了模塊的成本，使其更加具有商業(yè)價值。