双向通信渔船测报仪系统电路模块设计 - 全文

　　提出了一种双向通信渔船测报仪电路系统设计方案。该渔船测报仪电路系统具有低功耗、微型化、接口丰富、可靠性高等特点，可为渔民提供船舶定位、海上通信、遇险求救等多种功能服务，可提升海上船舶安全防范能力，因而对相关行业主管部门具有重要意义。渔船测报仪采用三星公司基于ARM920T内核的S3C2440A作为系统中央处理器，配备128M的SDRAM，256M的NAND FLASH和16M的NOR FLASH，以应对嵌入Linux操作系统所消耗的内存。S3C2440A集成了MMC/SD卡读写控制器，LCD与触摸屏接口，3路UART串口，1路主控与1路从动USB接口，1个IDE接口可挂接大容量硬盘，实时时钟。S3C2440A内部集成的3路串口可通过外接简单的RS232电平转换芯片，分别连接北斗卫星通讯定位终端、GPRS模块和风传感器。此外，ARM9处理器S3C2440A通过内部集成的两路SPI接口可外接16位ADC，以外接温度、湿度、盐度、压力等传感器。S3C2440A的通用IO口作为开关量输入检测和输出控制接口，并可根据用户需求进行扩展。与此同时，S3C2440A 还可满足连接以太网控制器，USB外设，电子罗盘、海流计、水声传输等可扩展应用需求。

　　北斗卫星通讯模块电路设计

　　北斗卫星通讯模块电路的设计可以从信号接收、信号处理及功能界面显示三个层次加以展开，相对应采用性价比高的北斗卫星通讯终端，并设计出串口通讯电路与 LCD液晶显示电路。北斗卫星通讯模块可选用和芯星通公司的UM220模块，该模块支持北斗二代（BD2）与GPS双系统导航授时，具有尺寸小（仅 40×30×3.7mm）、功耗低（仅350mW）、集成度高等优点。该模块三维定位精度为3m，速度精度为0.1m/s，数据更新率可达1Hz。UM220还配有卫星显控软件CDT（Control&Display Tool），北斗卫星通讯模块电路主要包括 UM220接口、天线、后备电源、复位及串口通讯电路，其电路原理图如图4所示。ARM9处理器S3C2440A的串口0引脚TXD0、RXD0与 UM220的RXD3、TXD3相连接构成串口通讯电路。S3C2440A的引脚GPE0与UM220的PPS引脚连接，可接收UM220输出的脉宽与极性可调的PPS信号；S3C2440A的引脚GPE1可编程。

　　图4 UM220电路原理图

　　输出脉宽与极性可调的事件信号提供给UM220的EVENT引脚。UM220供电电源引脚VCC与GND间并联有电解电容CT1和陶瓷电容C1，以滤除高频与低频杂波信号，使得UM220供电电源稳定纯净，且电压峰峰值不超过50mV。UM220具有精确授时功能，为维持系统时钟，UM220的VBAT引脚经限流电阻R1与压降二极管D2、 D3接有3V锂电池。其中，二极管D3压降0.3V，而D2压降0.7V，以确保UM220的VBAT引脚平时由主电源3.3V供电，而主电源失电时，则由后备电源3V锂电池供电。UM220的GNSS_ANT引脚在PCB电路板需要布线50Ω以匹配天线阻抗，然后外接北斗卫星蜂窝天线。此外，电阻R2、 R3与电容C2及二极管D1构成稳定的低电平复位电路，且低电平保持时间大于2ms。

　　GPRS模块电路设计

　　当渔船进行远洋作业时，测报仪主要依赖卫星通讯网络进行数据通讯与定位；而渔船在近海作业时，为降低测报仪系统功耗及运营成本，则可选用GPRS/CDMA网络进行远程通讯。GPRS模块外围应用电路设计包括模块启动电路、数据通信电路、语音通信电路及SIM卡应用电路。GPRS模块可选用西门子公司的MC55。MC55是西门子公司推出的新一代

　　图5 MC55电路原理图

　　无线通信GPRS模块，可以快速可靠地实现系统方案中的数据、语音传输、短消息服务和传真，模块结构紧凑，重量轻，内置TCP/IP协议找，由AT指令控制可使应用程序很容易地接入网络。GPRS模块电路主要包括MC55接口、SIM卡电路、启动电源及与S3C2440A连接的串口通讯电路，其电路原理图如图5所示。S3C2440A串口1的RXD1，TXD1引脚与MC55的TXD0、 RXD0引脚连接构成串口通讯电路。MC55的CCGND、CCIN、CCREST、CCIO、CCVCC与CCCLK引脚组成SIM卡接口，并接有滤波电容C4、C5。MC55的供电电源VBATT由5V经二极管D2降压得到。S3C2440A的GPE3驱动控制MC55的IGT引脚，使其进入正常工作模式；S3C2440A的GPE2可检测MC55的RING引脚输出的脉冲信号，以决定系统是否休眠进入低功耗状态。为了在有GPRS数据信息传送时产生同步信号，可通过配置MC55的SYNC引脚控制发光LED状态指示来实现。当有数据发送时，SYNC引脚输出高电平使得三极管T1基极导通，则红色发光二极管LED1被点亮。

　　16位ADC电路设计

　　S3C2440A可通过自身的SPI接口级联多片高精度快速16位ADC芯片，以实现温度、湿度、盐度、压力等多种传感器模拟信号的采集与数据转换。16位ADC芯片选用ADI公司的AD7798，AD7798具有适合高精度测量应用的低功耗、低噪声、完整模拟前端，内置一个低噪声16位Σ-Δ型ADC，其中含有3个差分模拟输入，还集成了片内低噪声仪表放大器，因而可直接测量输入小信号。图6中给出了S3C2440A通过SPI接口连接1片AD7798，用以测量

　　图6 AD7798电路原理图

　　温度、压力及盐度数据的电路原理示意图。S3C2440A的SPICLK1、SPIMOSI1、SPIMISO1与GPE4引脚构成SPI接口分别连接AD7798的串行时钟（SCLK）、数据输入（DIN）、数据输出和片选。以AD7798的第3模拟通道测量温度为例，热敏电阻与3个精密电阻R14、R15、R16构成不平衡电桥，输出的差分小信号经R18、C13、 R17、C14及C12构成的双路RCπ型一阶低通滤波电路，连接AD7798的AIN3+与AIN3-引脚。