GSM模块TC35及外围电路设计

zhenghuan

介绍了Siemens公司的GSM模块TC35、TI公司的电平转换芯片MAX3238，以及由其组成的移动终端，指出了实际设计中出现的问题和解决办法。

1. 引言
    随着通信事业的发展，移动通信应用领域的不断扩大，移动终端的设计也逐渐倍受关注。本文详细介绍了 Siemens公司的GSM模块TC35、TI公司的电平转换芯片MAX3238等器件，及其构成的移动终端的硬件电路。该设计可以完成短消息收发、语音传输、与PC机进行数据传输等功能，已应用在基于GSM短消息的GPS车辆监控系统中。

2. TC35模块
    TC35是Siemens公司推出的新一代无线通信GSM模块，可以快速安全可靠地实现系统方案中的数据、语音传输、短消息服务(Short Message Service)和传真。模块的工作电压为3.3 －5.5V，可以工作在900MHz和1800MHz两个频段，所在频段功耗分别为2W（900M）和1W（1800M）。模块有AT命令集接口，支持文本和PDU模式的短消息、第三组的二类传真、以及2.4k，4.8k，9.6k的非透明模式。此外，该模块还具有电话簿功能、多方通话，漫游检测功能，常用工作模式有省电模式、IDLE、TALK等模式。通过独特的40引脚的ZIF连接器，实现电源连接、指令、数据、语音信号、及控制信号的双向传输。通过 ZIF连接器及50Ω天线连接器，可分别连接SIM卡支架和天线。

    TC35模块主要由GSM基带处理器、GSM射频模块、供电模块(ASIC)、闪存、ZIF连接器、天线接口六部分组成。作为TC35 的核心，基带处理器主要处理GSM终端内的语音、数据信号，并涵盖了蜂窝射频设备中的所有的模拟和数字功能。在不需要额外硬件电路的前提下，可支持FR、 HR和EFR语音信道编码。


图1 TC35功能框图

3. 外围应用电路
    TC35模块的正常运行需要相应的外围电路与其配合。TC35共有40个引脚，通过ZIF连接器分别与电源电路、启动与关机电路、数据通信电路、语音通信电路、SIM卡电路、指示灯电路等连接。如图2所示，


图2 TC35 的外围电路连接

3.1 电源及启动电路
    电源电路分为充电电池和稳压电源模块两部分：充电电池主要为整个系统提供3.6V工作电电压，同时产生MAX3238所需要的高电平；TI公司的三端电源模块UA7806将外部＋12V直流电源转换为＋6V，连到ZIF连接器的11、12引脚，在充电模式下，为TC35提供＋6V、500mA的充电电压。

    启动电路由开漏极三极管和上电复位电路组成。模块上电10ms后(电池电压须大于3V)，为使之正常工作，必须在15脚(/IGT)加时长至少为 100ms的低电平信号，且该信号下降沿时间小于1ms。启动后，15脚的信号应保持高电平。下图所示，为启动电路产生的信号，从中可以看出 10ms的延时和100ms的低电平。


图3 采集到的启动信号降沿

3.2 数据通信电路
    数据通信电路主要完成短消息收发、与PC机通信、软件流控制等功能。TC35的数据接口采用串行异步收发，符合ITU-T RS-232接口电路标准，工作在CMOS电平(2.65V)。数据接口配置为8位数据位、1位停止位、无校验位，可以在300bps～115kbps的波特率下运行，支持的自动波特率为4.8kbps～115kbps（14.4kbps和28.8kbps除外）。TC35模块还支持RTS0/CTS0的硬件握手和XON/XOFF的软件流控制。
    数据通信电路以TI公司的MAX3238芯片为核心，实现电平转换及串口通信功能。
   TI公司的MAX3238芯片供电电压为3～5.5V，符合TIA/EIA-232-F 和ITU v.28标准。具有独特的±15KV人体静电保护措施，兼容5V逻辑输入，内含3路接收、5路发送串行通信接口，最大数据传输速率可达250 kbps。该芯片的最大特点是，在串行口无数据输入的情况下，可以灵活的进行电源管理，即当FORCEON(13脚)为低电平、/FORCEOFF(14 脚)为高电平时，Auto-Powerdown Plus功能有效。在正常运行模式下，约30秒事件内若芯片在接收和发送引脚没有检测到有效信号，将自动进入Powerdown模式，此时耗电1uA。如果FORCEON和/FORCEOFF引脚均为高电平，那么Auto-Powerdown Plus功能失效。在Auto-Powerdown Plus功能有效的时，如果检测到接收或发送引脚有信号输入，该芯片自动被激活，转入正常工作状态。如果任一接收通道的输入电压高于2.7V或小于- 2.7V，或者位于-0.3V～0.3V的时间小于30uS，则/INVALID(15脚)引脚为高电平(数据有效)。如果所有接收通道的输入电压位于- 0.3V～0.3V的时间大于30uS，则/INVALID(15脚)引脚为低电平(数据无效)。


FORCEON /FORCEOFF Auto-PowerdownPlus OPERATION STATUS T_OUT R_OUT R1OUTB
× 0 × Powerdown(Forced Off) High-Z High-Z Active
1 1 × Normal Operation(Forced On) Active Active Active
0 1 <30s Normal Operation(Auto-Powerdown Plus) Active Active Active
0 1 >30s Powerdown(Auto-Powerdown Plus) Active Active Active

表1 输出控制真值表
    该芯片的以上特性，满足了TC35作为移动终端的3路接收、5路发送电路连接要求。在MAX3238与ZIF连接器相应引脚连接时，要注意发送、接收引脚连接正确。MAX3238还需要连接4个0.1uF的电容配合，才能完成电平转换功能。TC35模块通过RS-232接口各引脚输出的信号有 RxD0、CTS0、DSR0、DCD0、RING0，输入的信号为TxD0、RTS0、DTR0。
    由于TC35的接口电路使用了9针串口的全部引脚，使TC35可以获得DTR0、DSR0、DCD0和RING0控制信号。信号RING0用来向蜂窝设备指示接收到Unsolicited Result Code (URC)。通过AT指令，可以设置TC35的不同运行模式。

3.3 语音通信电路
    由于TC35的GSM基带处理器内集成了音频滤波、 ADC、DAC、语音合成等部分，所以模块语音接口的外围电路连接相对简单。TC35有两个语音接口，每个接口均有模拟麦克输入和模拟耳机输出。为了适合不同的外设，模块共有6种语音模式，可通过指令AT^SNFS选择。第一个语音接口的默认配置为Votronic HH-SI-30.3/V1.1/0手持话筒，语音模式为1(默认)、4、5，其中模式1参数固定。第二个语音接口为头戴式耳机和麦克设置，语音模式为 2、3、6。
    为了防止从麦克风和耳机导线引入高频干扰，影响TC35的正常运行。设计电路时，在麦克风、耳机、以及手持听筒的插孔处都接有电感。此外，考虑到静电保护的因素，所有语音信号输入端都通过电容与GND耦合。

3.4 SIM卡电路
    基带处理器集成了一个与ISO 7816-3 IC Card标准兼容的SIM接口。为了适合外部的SIM接口，该接口连接到主接口(ZIF连接器)。在GSM11.11为SIM卡预留5个引脚的基础上， TC35在ZIF连接器上为SIM卡接口预留了6个引脚，所添加的CCIN引脚用来检测SIM卡支架中是否插有SIM卡。当插入SIM卡，该引脚置为高电平，系统方可进入正常工作状态。但是目前移动运营商所提供的SIM卡均无CCIN引脚，所以在设计电路时将引脚CCIN与CCVCC相连。
    在设计中为SIM卡布线时，发现了一个值得引起注意问题：如果将SIM卡的第四脚CCGND直接与印刷电路板的GND相连，不作任何信号的隔离保护，则通话时音量很小。考虑到设计中的电磁兼容和静电保护等因素，为了达到最佳的通话效果，采用在SIM支架下，即印刷电路板的顶层敷设一层铜隔离网，该层敷铜与 SIM卡的CCGND引脚相连，CCGND和电路板的GND之间通过两个并联的电容和电感耦合。此举为SIM卡构成了一个隔离地，屏蔽了其他信号线对 SIM卡的干扰。再进行语音通话时，话音清晰。

4. 结束语
    由Siemens公司的GSM模块TC35及其外围电路构成的移动终端，可以很好的完成短消息收发、数据和语音通信。该移动终端结合Rockwell公司的Jupiter GPS OEM板，并由单片机控制而组成的车载移动单元，可以很好的完成利用GSM短消息传送车辆定位信息的工作。