基于STM32和SIM900A的远程无线通信模块设计

设计一个可以实现短信收发与数据无线传输的模块的要求，本文采用了ARM Cortex—M3内核的主流产品STM32作为主控芯片，采用SIMCom公司的SIM900A作为通信芯片。在查阅大量相关文献以及相关芯片的数据手册之后，本文设计了一个远程无线通信模块。该模块在实验室试运行一周后，没有出现掉线的情况，数据收发的速度也很快。该模块具有性能稳定，外形小巧，性价比高等优点。厂方投入使用之后，反应良好。
随着网络和现代通信技术的不断发展，远程无线通信技术经过多年的研究与实际应用，现如今在工业控制领域有了非常重要的地位，并且发挥着越来越大的作用。文中根据厂家的要求，设计的无线通信模块，主要实现了短信与数据收发功能，并且做到了模块的稳定，掉线之后能够自动重连。

　　无线通信模块整体设计方案
　　模块主要有电源部分、主控部分、通信部分、数据传输部分4个部分组成。通信模块采用SIM900A进行无线通信。主控模块采用STM32作为主控芯片，来控制短信的收发与数据传输的顺利进行。远程终端可以是手机或者上位机的数据中心软件，经过处理之后，储存下来，方便日后的查询。本模块具有低功耗，方便灵活，操作简单并且稳定，掉线之后可以自动连接，运行过程十分稳定，并且成本较低。

　　无线通信模块硬件设计
　　2.1 功能需求本文设计的无线通信模块，要求单12V电源输入，模块上电运行后有相应的指示灯来指示模块的运行状态。另外要求模块能够实现短信以及数据透传两大主要功能，在手机发送短信给模块之后，模块能够动作，并给出回应。最后要求在建立TCP链接时，仍然能够收发短信。
　　
　　图1 无线通信模块结构图
　　2.2 电源部分
　　在主电路中，主控芯片STM32的工作电压为2.0～3.6 V，通信芯片SIM900A的工作电压为3.1～4.6 V，为使模块各个部分正常工作，必须对两者进行分别供电，电源供电电路如下：
　　图中V12外接12 V电源，经过电容滤波后输入到LM2576，实现12 V到4 V的转换，R1、R2在线路中起到分压作用，D2灯亮起时，表示模块已经正常供电。LM2576是美国国家半导体公司生产的3 A电流输出降压开关型集成稳压电路，具有完善的保护电路，比较稳定。
　　
　　图2 电源模块2.3 主控芯片
　　主控模块采用STM32单片机作为微控制器，该芯片能工作于-40～105℃的温度范围，MAX3232芯片用于串行口的电平变换，实现控制器与通信接口之间的通信。串口1与电源电平转换芯片Max3223相连，USART1_TX（输出，所以在配置GPIO时，定义该口的模式为推拉输出，USART1_ RX为输入，定义为悬浮输入模式。串口2与SN65LBC184D通信，实现数据的收发，USART2_RTS、USART2_RX为输入端口，模式定义为悬浮输入模式，USART2_CTS、USART2_TX为输出端口，模式定义为推拉输出。串口3用来控制SIM900A芯片，USART3_RTS、USART3_RX为输入端口，模式定义为悬浮输入，USART3_CTS、USART3_TX为输出端口，模式定义为推拉输出。
　　
　　图3 主控芯片STM322.4 通信芯片
　　通信芯片采用SIMCom公司的新型紧凑型产品SIM900A，它属于双频GSM/GPRS模块，完全采用SMT封装形式，性能稳定，外观精巧，性价比高，并且能够满足用户的多种需求。在实现断线自动重连功能时，涉及到DCD、RI两个引脚的使用。DCD引脚用来实现模数转换，当模块掉线时，会给DCD引脚一个高电平，当这个电平被DCD引脚检测到之后，模块就是采取相应的动作，来重新连接上线。RI引脚在模块上线之后，就一直保持高电平，在有电话和短信进来的时候，RI管脚就会有一个低电平出现，当RI引脚检测到这个低电平的时候，模块就会采取相应动作，进入到短信或者电话模式。
　　
　　图4 SIM900A通信芯片

　　无线通信模块软件设计
　　3.1 STM32的底层配置
　　为了实现STM32单片机与SIM900A模块之间的数据通信，实现短信收发与数据传输两大功能。首先要搭建开发平台，在工程中加入需要用到的库函数以及配置文件，然后配置系统时钟、中断控制器、输入输出的GPIO以及相应的串口。在配置这些参数的时候，首先需要对照原理图进行编写，然后查看芯片用到哪些端口和这些端口的作用，这样才能保证无误。接下来就要对各个部分进行配置，以保证模块能够正常运行。
　　3.1.1 串口配置
　　开发环境搭建好之后，就可以配置端口参数了。对于本模块，设置USART传输的比特率为9 600 b/s，字长为8 bit，1bit停止位，无检验模式。在对串口1、2、3初始化之后，打开串口的中断响应函数：USART_ITConfig（USART1，USART_IT_RXNE，ENABLE）（以串口1为例），使能相应的串口：USART_Cmd（USART1，ENABLE），这样串口的配置就基本完成了。
　　3.1.2 中断控制器的配置
　　首先配置优先级分组，设置先占优先级1位，从优先级3位。本模块定义了5个全局中断，分别为：两个RTC全局中断、USART1全局中断、USART2全局中断、USART3全局中断，分别对每一个中断配置优先级，使能串口再初始化即可。需要注意的是，PC15管脚作为EXTI15的外部中断输入管脚，当该管脚的电平为低电平的时候触发，模块进入短信模式，因此给这个中断一个比较高的优先级，所以定义该中断先占优先级1位，从优先级0位。在设置优先级的时候，必须根据模块的运行情况，选择最优的中断分组和优先级，才能保证程序运行时，能够快速的响应中断。
　　3.2 无线通信模块短信功能的实现
　　1） 短信收发具体过程
　　短信功能的实现主要涉及到两个关键部分，一个是AT命令，另一个是串口的读写。AT命令是主控芯片STM32和SIM900A之间的通信协议，完成对SIM900A的控制。短信的收发主要有两种模式，一种是文本模式，该模式只支持英文内容，另一种是PDU模式。本模块在完成初始化之后，首先通过USART向SIM900A发送“AT+回车”命令来检查AT命令是否正常工作，如果返回OK，则表示能够进行接下来的短信功能。
　　SIM900A的短信功能主要分为两个部分，第一：读取短消息。读取短消息的设置命令为：AT+CMGR，该命令生效后有两个返回值：index和mode，index就是接收到的短信的编号，我们将接收到的index内容放在一个长度为30的buf中，再将buf写入到串口3中，然后再读取串口3中的内容，这样，短信的编号就获取完毕。获取了短信的编号之后，就能去获取短信的具体内容，而短信的内容则存放在alpha中，它处于响应的第三个位置，通过get_fw（at_string，phnum，19，2）可将短信的内容取出来，这样短信的内容就获取到了。第二：发送短消息。发送短消息的设置命令为：AT+CMGS，首先将发送短信的电话号码存入到一个buf中，将这个buf写入到串口3中，以此获取手机号码。而短信在发送的时候，短信内容之前会带一个“》”号，在程序设计时，只要检测到“》”号时，后面的内容也就是短信发送的内容，最后将短信的内容写到串口3即可。
　　2）相应的AT命令
　　
　　3.3 短信命令的定义
　　本模块自定义了许多短消息命令来设置或者查询模块的参数，具体为：SIP:IP地址设置命令、SPT：端口号设置命令、DID:ID号设置命令、ACON：自动连接命令、PRT：打印命令、LIVE：心跳操作命令、CSQ：信号强度查询命令。这些指令通过短信的方式来实现对模块的操作。
　　拿SIP来举例，它的实现过程为：首先把短信中的‘=’之前的字符取出来存放在sms_cmd中，然后将sms_cmd与SIP、SIT、DID、ACON、PRT、LIVE、CSQ来比较，如果等于其中一个，则程序跳转到相应的部分来执行相应的操作。这里，strcmp（sms_cmd，“SIP”）==0，程序跳转到SIP部分来执行IP部分的操作。然后，将‘=’之后的字符取出来存放在sms_para中。通过字符串比较函数来判断它是‘？’还是数字。如果是‘？‘’，则表示该短信命令是一个查询命令，就只需要用输出显示IP号给用户看。如果是数字，则表示该短信命令是一个设置命令，就需要重新设置某些参数值，来改变模块的运行过程。对于SIP，如果‘’=’之后是数字，就表示该短信是用户用来设置模块的IP地址的。此时，就要把当前的IP值赋给模块的IP值就可以了。最后输出显示IP地址设置成功，则SPT部分的操作就完成了。