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双向通信渔船测报仪系统电路模块设计

作者:dolphin时间:2017-02-28

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。



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