Разработка электрической части лабораторного макета для удаленного управления и мониторинга

УДК 608.4,681.3

Ганюшкин Александр Львович, Болвачев Евгений Александрович,

Игнатюк Виктор Александрович

Владивостокский государственный университет экономики и сервиса Владивосток, Россия

Разработка электрической части лабораторного макета для удаленного управления и мониторинга

Ранее нами было описано разрабатываемое устройство Удаленного управления и мониторинга модульного типа GPS/GLONASS/GSM. В данной работе мы рассмотрим ее электрическую компоненту и ее функциональную организацию. Изложена методика отладки устройства, согласования основных узлов, уровней сигналов, протоколов передачи данных изготовленных модулей, проведение лабораторных испытаний модулей с целью предварительной отладки алгоритма и программного обеспечения устройств, корректировка разработанных схем по результатам лабораторных испытаний макета для удаленного управления и мониторинга. Методика отладки устройства заключается в разработке электрических принципиальных схем модулей GSM/GPRS, GLONASS/GPS, в разработке печатных плат согласно электрическим принципиальным схемам. Включение и отладка модулей, изучение управляющих протоколов и команд, NMEA-протокол, AT-команды соответственно. Это промежуточная работа в последующем упростит написание программного обеспечения микроконтроллера.

Ключевые слова и словосочетания: ассемблер, микроконтроллер, GSM-модуль, GSM-канал, модуль WISMO 218, AT+CPMS, алгоритм, команда ассемблера, число спутников, зона радиовидимости, протокол обмена NMEA.

После изучения, анализа, модификации выше приведенных и описанных схем включения используемых выводов была разработана полная электрическая принципиальная схема прототипа GSM/GPRS модуля с возможностью подключения к компьютеру.

Далее согласно выше описанной электрической принципиальной схемы была разработана, в программе Sprint-Layout 5.0 rus, схема печатной платы модуля GSM/GPRS. Схема печатной платы состоит из двух сторон и разрабатывалась для элементной базы типа SMD 0805. Габаритные размеры печатной платы составляют 65,5 на 50,4 мм, допуск составляет ±2 мм. На рисунке 1 представлена разработанная схема печатной платы.

Следующим этапом работы является разработка электрической принципиальной схемы, а также схемы печатной платы отладочного модуля GLONASS/GPS.

^Senm-LrfOS.Wnc 1>'£*^пог*'Грс*кіь.,Яро*тХ10£КгоСА\ГНе»р«ь** 3JJ011 "J

tiki Г<ли и qi Проел Д^пин Qnj/m Ргкірм* Пенси»

Dt#u«n tl -¡О 13 s ь a< ї НЯІ

Рис. 1. Разработанная схема печатной платы модуля GPS/GPRS

Входные/выходные сигналы приемника выведены на контактные площадки 1-27, расположенные по периметру платы. Для подключения модуля в используемой сфере необходимо подключить из 27, 20 выводов. Назначение используемых контактных площадок описано в табл. 1.

Таблица 1

Контактные площадки приемника ГеоС-1М

№ вывода Тип Сигнал Описание

1 GND Общий

2 GND Общий

3 Вход ANT Антенный вход

4 GND Общий

5 GND Общий

6 GND Общий

7 GND Общий

8 GND Общий

9 GND Общий

10 Вход +3,3V Основное питание 3,3 В

11 Вход ON/OFF Включение/выключение

12 Вход RX0 Принимаемые данные Я8232, Порт #0

13 Выход TX0 Передаваемые данные Я8232, Порт #0

14 Вход RX1 Принимаемые данные Я8232, Порт #1

15 Выход TX1 Передаваемые данные Я8232, Порт #1

17 Вход VBAT Внешнее резервное питание

18 GND Общий

20 GND Общий

22 GND Общий

27 GND Общий

Типовая схема включения GLONASS/GPS модуля гораздо проще, чем модуля GSM/GPRS, в технической документации приведена упрощенная схема включения, в результате чего некоторые части подключения выводов модуля GLONASS/GPS были позаимствованы у предыдущего модуля. На рисунке 2 приведена упрощенная электрическая схема включения модуля.

Рис. 2. Упрощенная схема включения модуля GLONASS/GPS

Питание приемника производится стабилизированным напряжением 3,3В±10%, подаваемым на контактную площадку 10. Допустимый уровень пульсаций - 50мВ пик-пик. Для управления включением используется сигнал ON/OFF (контактная площадка 11): лог. «1» (уровень от 1,0 В до VDD) включает приемник, лог. «0» (уровень от 0 до 0,4 В) - выключает. Если вывод 11 не используется, цепь ON/OFF должна быть соединена с VDD. Напряжение от резервной батареи в диапазоне 2,0...3,6 В должно быть подано на контактную площадку 17 (VBAT) [2 - 8].

Для обеспечения работы приемника в теплом и горячем старте к контактной площадке 17 подключается внешняя резервная батарея. Допустимый диапазон напряжения внешней батареи - от 2,0 до 3,6 В. Типовой ток потребления по этой цепи - 10мкА.

Для корректного первоначального включения приемника сигнал ON/OFF должен быть установлен в лог. «1» после того, как основное напряжение питания приемника VDD достигло своего минимально допустимого значения 3,0 В (рис. 3).

Рис. 3. Временная диаграмма управления включением/выключением приемника

Для корректного повторного включения сигнал ON/OFF должен быть установлен в лог. «1» с задержкой минимум 500 мс относительно момента выключения приемника. В результате изучения технической докумен-

тации и рекомендаций, данных в ней, была разработана электрическая принципиальная схема включения модуля GLONASS/GPRS. Разработанная схема имеет в своем составе режекторный фильтр с ионистром, микросхему преобразования интерфейсов и уровней USB-USART FT232RL FTDI, аналогичных по подключению используемых в схеме GSM/GPRS модуля. Также в схеме используется микросхема стабилизатора напряжения 78L03, преобразующая напряжение из 5 в 3 В. На рисунке 4 представлена разработанная электрическая схема включения GLONASS/GPS модуля.

Рис. 4. Электрическая принципиальная схема включения прототипа модуля GLONASS/GPS с возможностью подключения к компьютеру

Согласно вышеописанной электрической принципиальной схеме была разработана в программе Sprint-Layout 5.0 rus схема печатной платы модуля GLONASS/GPS. Схема печатной платы состоит из двух сторон и разрабатывалась для элементной базы типа SMD 0В05. Габаритные размеры печатной платы составляют 65,5 на 50,4 мм, допуск составляет ±2мм. На рисунке 15 представлена разработанная схема печатной платы.

Для сборки прототипов модулей GSM/GPRS, GLONASS/GPS необходимо изготовить 2-сторонние печатные платы. В лабораторных условиях в процессе изготовления плат была использована так называемая «ЛУТ»-технология - лазерно-утюжная технология. На рисунках 6 (а, б) и 7 (а, б) приведены изготовленные прототипы модулей GSM/GPRS, GLONASS/GPS с возможностью подключения к компьютеру для предва-

рительной отладки лабораторного макета, а также изучения АТ-команд и протокола КМЕА, которые в последующем будут использоваться в программном обеспечении микроконтроллера.

- [О'їДІгжотйсЛЛроестм'Лросгг«. ЗСНТСрГьэЗДАН*» ГМІ-ЛтеуГЦ

Зій.» Гі іичці Прово Арйстмя Оті*« Риисцім» Пгаїгпр

выв« в І «J G ' .4 S = Ь QC ї ВИ І 9^

а) б)

Рис. 6. Прототип модуля GSM/GPRS. Условно обозначены стороны а) и б)

После первого запуска модулей были выявлены незначительные недочеты в спроектированных печатных платах, такие, как выводы RX и TX на обоих модулях были некорректно подключены: на модуле GSM/GPRS не подведено питание блока индикации и состояния модуля; на модуле GLONASS/GPS не подведено основное питание с USB-разъема. В вышеописанных схемах печатных плат данные недочеты устранены. На готовых устройствах выявленные недочеты устранены путем припаивания

дополнительных проводников, их можно увидеть на рисунках 6 а), б) и 7 б), проводники серого цвета. Электрические принципиальные схемы были спроектированы, верно. После устранения недочетов модули успешно запустились.

а) б)

Рис. 7. Прототип модуля ОЬОКЛ88/ОР8. Условно обозначены стороны а) и б)

Обмен с приемником СЬОКАЗБ/ОРБ производится по двум информационным протоколам: бинарному и КМЕЛ. Данные в обоих протоколах выдаются приемником одновременно, каждый по своему коммуникационному порту. По умолчанию по Порту №0 выдаются данные бинарного протокола, по Порту №1 - КМЕЛ. Для переключения в КМЕЛ-протокол из бинарного используется бинарный пакет «0*46». Для переключения в бинарный протокол из КМЕА используется сообщение Б^МРЯОТ.

Таким образом, нами была разработана и успешно выполнена методика отладки электрической части созданного устройства, произведено согласование основных узлов, уровней сигналов, протоколов передачи данных. Разработаны передающий и мониторинговый модули, проведены исследования и лабораторные испытания модулей. Произведены некоторые корректировки электрических схем, а так же схем печатных плат устройств.

1. Г анюшкин А. Л. Разработка лабораторного макета для удаленного управления и мониторинга / А.Л. Ганюшкин, В. А. Игнатюк // Территория новых возможностей. Вестник ВГУЭС. - 2011. - №13.

2. Техническая документация GSM/GPRS модуля WISMO218 фирмы WAVECOM / Wireless Standard Modem WISMO218 Product Technical Specification & Customer Design Guidelines, 2009. - 97 c.

3. Беспроводной стандартный модуль WISMO: руководство пользователя / WAVECOM Wireless Standard Modem WISMO Series Development Kit User Guide, 2009. - 76 c.

4. Техническая документация микросхемы FT232R USB UART / FT232R USB UART Future Technology Devices International Ltd, 2005. - 29 с.

5. WPM100: руководство пользователя / WMP100 Development Kit User Guide, 2007. - 72 c.

6. ГеоС-lM Руководство по эксплуатации. Версия 1.0 / ООО «КБ «ГеоСтар навигация». - М., 2010. - 73 с.

7. Протокол обмена BINR. - М.: Литера «О», 2005. - 86 с.

8. Протокол обмена NMEA. - М.: Литера «О», 2004. - 19 с.

9. AT-команды: руководство по использованию АТ-команд для GSM/GPRS модемов / пер. с англ. - М.: ЗАО «Компэл», 2005. - 432 с.

10. Протокол обмена NMEA (IEC 61162) - М.: Литера «О», 2009. - 22 с.