一種用于機車通信的移動終端設計與實現(xiàn)

謝曉燕， 馬明星， 張玉婷, 雷 祥

(西安郵電大學 計算機學院，西安 710121)

0 引 言

隨著我國鐵路GSM-R網(wǎng)絡的快速發(fā)展，基于GSM-R網(wǎng)絡的機車通信設備也大量涌現(xiàn)。其中，基于GSM-R的移動終端主要用于列車、車站、編組場、沿線區(qū)間以及其他鐵路作業(yè)區(qū)的各工種工作人員語音和數(shù)據(jù)通信，可以實現(xiàn)基于GSM-R網(wǎng)絡的語音組呼業(yè)務、語音廣播呼叫業(yè)務、鐵路緊急呼叫、以及多優(yōu)先級和強拆業(yè)務[1]。

2008年,中國鐵路總公司(原鐵道部科學技術(shù)司)發(fā)布了《GSM-R數(shù)字移動通信網(wǎng)設備技術(shù)規(guī)范第三部分：手持終端》[2]，對GSM-R移動移動終端的外觀設計、應用功能、產(chǎn)品性能等方面都做出了具體的規(guī)定。由于GSM-R移動終端市場規(guī)模有限，西門子(Siemens)、北電(Nortel Networks)、薩基姆(Sagemcom ST)等通信設備制造商已經(jīng)相繼終止GSM-R移動終端業(yè)務[3]。目前市場上較為普及的是深圳市桑達無線通訊技術(shù)有限公司出品的SED 810R和華為技術(shù)有限公司出品的華為R951[4]。但是國產(chǎn)GSM-R移動終端普遍存在外形設計不規(guī)范、功能不全、容量較小、功耗過大、易損壞、續(xù)航能力較弱的缺點，不能滿足當前鐵路發(fā)展需求[5]。

因此，本文給出了一種以STM32F103為核心，MC55i為通信模塊的GSM-R移動終端的設計方案，并詳細給出了設計要點和可行的低成本實現(xiàn)方案。該移動終端能夠滿足中國鐵路總公司關(guān)于GSM-R移動終端的設計規(guī)范和功能要求，具有低成本、低功耗、多功能和超長待機的特點。

1 終端硬件設計

移動終端的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，主要由微處理器、顯示模塊、通信模塊、存儲器、按鍵模塊、音頻處理模塊和電源模塊組成。

圖1 移動終端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

其中，微處理器為主控單元，通過串口發(fā)送AT(Attention)命令實現(xiàn)與通信模塊的通信。移動終端上電之后，通過微處理器發(fā)送開機信號給通信模塊，通信模塊自動檢測GSM-R網(wǎng)絡完成網(wǎng)絡注冊并進入工作模式。移動終端基于GSM-R網(wǎng)絡的其他功能也將通過微處理器控制通信模塊來實現(xiàn)[6、7]。

2 設計要點

2.1 低功耗設計

移動終端的低功耗設計主要分為3個層次：器件級、系統(tǒng)級和軟件級。器件級降低功耗主要通過對各個模塊的低功耗選型來實現(xiàn)。終端所選用的STM32微處理器、MC55i通信模塊以及液晶顯示模塊等外設具備低功耗的工作模式，可以大幅降低終端功耗。系統(tǒng)級降低功耗的方法是動態(tài)電源管理，終端所采用的電源芯片具備多路輸出的特點，可以方便進行設備功耗管理，當外設處于空閑狀態(tài)時，通過關(guān)閉外設節(jié)約能耗。最后，軟件級的低功耗設計通過減少CPU的運行次數(shù)來實現(xiàn)。本文主要采用的方法有降低處理器工作頻率、使用“宏”代替“子程序”、使用“中斷”方式代替“輪詢”方式和使用定時器編寫延時函數(shù)等。

2.2 低成本設計

印制電路板的制作成本與印制板的層數(shù)有著密切的關(guān)系。一般層數(shù)越多，打孔技術(shù)越復雜，制作成本就會越高。移動終端的印制電路板尺寸為111 mm×46 mm，管腳密度值約為51.3。按照通用的設計規(guī)范移動終端應該設計為12層板[8]。而本文所設計的移動終端通過優(yōu)化疊層結(jié)構(gòu)、降低了印制電路板層數(shù)(8層)來達到降低成本的目的，同時還可以達到較為理想的電磁兼容性。

移動終端對射頻信號的處理過程集成于通信模塊MC55i里，因此無需考慮射頻干擾。微處理器STM32內(nèi)部的最高工作頻率為72 MHz，除此之外，其余各個模塊的工作頻率在5～10 MHz。通過將通信模塊布局在印制電路板上方，處理器布局在下方，這樣幾乎可以忽略兩者之間的干擾。依據(jù)經(jīng)驗，在低速且無射頻干擾的條件下，電路板的層間干擾將會很小，此時，按相鄰層導線垂直走線的布線方式，也可以有效避免層間干擾，參考地平面也可以省略[9]。

因此本文移動終端的電路板為8層板設計，疊層結(jié)構(gòu)為圖2所示，從上到下依次是頂層、信號層1、地層、電源層、信號層2～4、底層。底層用于放置顯示模塊連接器和按鍵焊盤，剩余的所有器件均放置于頂層。地層為負片，電源層為正片。

圖2 移動終端PCB疊層結(jié)構(gòu)示意圖

這樣的布局特點使得在垂直方向上有較多的跨度較長的導線，在水平方向是均勻分布的較短導線。因此，在信號層1上進行垂直方向布線，在信號層3上進行水平方向布線，并且使用地層和電源層將這兩個導線較多的信號層隔開以降低干擾。信號層3和4用作補充的信號層，只有少量布線，使干擾幾乎可以忽略。

精簡的疊層設計使得電路板的層數(shù)減少1/3，信號層的個數(shù)保持不變，布線工作避免使用埋孔和盲孔。這種低成本的設計方式使得終端印制板的制作成本大幅度降低。

2.3 多功能設計

為適應當前鐵路發(fā)展需求，本文移動終端還增加了通話同步錄音、水平儀等新的功能。通話同步錄音是指在使用移動終端進行語音信息交互時，無需額外操作即可同步保存所有音頻數(shù)據(jù)。該功能有助于鐵路事故中責任的認定，當前市面上的移動終端普遍不具備通話同步錄音功能。

移動終端采用硬件電路設計實現(xiàn)通話同步錄音功能。終端音頻模塊采用TLV320AIC3204芯片，該芯片具有3路差分音頻信號輸入和兩路差分音頻信號輸出。終端音頻數(shù)據(jù)流向如圖3所示。

圖3 移動終端音頻流向圖

通信模塊的音頻數(shù)據(jù)流出和流入首先要經(jīng)過音頻模塊，該模塊對流經(jīng)的音頻信號進行復制和編碼操作，通過I2S(Inter-IC Sound)總線傳入內(nèi)存，STM32調(diào)用文件系統(tǒng)函數(shù)對錄音數(shù)據(jù)加上時間戳形成錄音文件并且傳入存儲模塊進行保存。微處理器通過I2C總線控制音頻模塊，實現(xiàn)通話同步錄音功能。

水平儀功能通過移動終端內(nèi)置的MMA7455加速度傳感器實現(xiàn)。通過讀取重力加速度在不同方向上的分量，來計算移動終端與水平面的夾角，實現(xiàn)水平儀功能。

2.4 創(chuàng)新的開發(fā)方式

在傳統(tǒng)的ARM開發(fā)中，使用開發(fā)板上的BOOT開關(guān)進行處理器的模式切換操作，使用KEIL軟件編譯和調(diào)試代碼，代碼的加載工作使用JTAG(Joint Test Action Group)接口完成。這種開發(fā)方式具有操作簡單，加載速度快的優(yōu)點。但是在實用型產(chǎn)品設計中，這種開發(fā)方式有四個弊端：①BOOT開關(guān)占用印制電路板布局空間；②將BOOT開關(guān)放置在印制板上不利于終端后期的維護和升級操作；③JTAG調(diào)試接口占用IO口資源；④調(diào)試效率不高。

2.4.1啟動方式

STM32根據(jù)BOOT0和BOOT1引腳電平的邏輯組合不同有三種工作模式，開發(fā)過程使用運行模式和加載模式。將BOOT1引腳接下拉電阻，使該引腳恒定為低電平，則所需的兩種啟動方式由STM32的BOOT0引腳決定[10]。新的啟動方式如圖4所示。

將BOOT0引腳接入EMD22雙數(shù)字晶體三極管的發(fā)射極，并將發(fā)射極接下拉電阻，使該極鉗位于低電平。三極管的基極和集電極分別接入移動終端的“音量+”按鍵和高電平。根據(jù)三極管特性，在關(guān)機狀態(tài)下，單獨按下開機鍵STM32進入運行模式，同時按住開機鍵和“音量+”按鍵，STM32進入加載模式。這種復用已有按鍵為BOOT開關(guān)的設計可以節(jié)省印制電路板的布局空間，也方便終端后期的維護和升級操作。

圖4 移動終端局部原理圖

2.4.2調(diào)試方式

新的調(diào)試方式以Hyper Terminal軟件為基礎(chǔ)，加上新的調(diào)試代碼實現(xiàn)。Hyper Terminal軟件通過帶有CP2102芯片的USB數(shù)據(jù)線連接STM32串口實現(xiàn)代碼加載功能。調(diào)試代碼主要實現(xiàn)3個功能：一是對超級終端的命令進行解析，并執(zhí)行相關(guān)函數(shù)；二是利用xmodem傳輸協(xié)議進行代碼加載；三是運行出錯時自動復位，在超級終端上打印出STM32內(nèi)核寄存器的值，方便進行錯誤函數(shù)的定位。

首次加載代碼需要設置STM32為加載模式，使用MCUISP軟件按照STM32內(nèi)部串口傳輸協(xié)議進行代碼加載工作。調(diào)試程序運行后，可以在STM32運行模式下直接進行代碼加載，加載完成后STM32自動復位。開發(fā)者可以利用命令對STM32內(nèi)部數(shù)據(jù)進行查看和修改，并且可以創(chuàng)建新的命令方便開發(fā)。移動終端硬件實物和帶有CP2102芯片的USB數(shù)據(jù)線的實物如圖5所示。

圖5 移動終端硬件實物圖

新調(diào)試方式節(jié)省了IO資源、代碼的加載速度更為快捷，錯誤函數(shù)定位也相對較快，大大提高了調(diào)試效率[11]。

3 終端軟件設計

移動終端的軟件設計按單一職責原則將終端各個模塊劃分為：通信模塊、按鍵模塊、顯示模塊、存儲模塊、電源模塊以及消息調(diào)度模塊。以消息調(diào)度模塊為核心，每個模塊提供必要的接口函數(shù)用于系統(tǒng)調(diào)用。各個模塊以消息隊列的方式向消息調(diào)度模塊發(fā)送信息，微處理器按照順序讀取消息調(diào)度模塊中的消息并調(diào)用各個模塊提供的控制函數(shù)執(zhí)行相應的操作。軟件設計中引入μC/OS-Ⅲ嵌入式實時操作系統(tǒng)進行資源管理和任務調(diào)度，確保移動終端可以安全穩(wěn)定運行[12]。

終端開機后首先進行各個模塊和μC/OS-Ⅲ系統(tǒng)的初始化工作，之后進行代碼校驗，確保代碼正確性。最后開啟通信模塊終端進入工作模式，控制權(quán)交給μC/OS-Ⅲ操作系統(tǒng)。移動終端具有運行、待機和停機3種工作模式，其工作模式之間的切換關(guān)系如圖6所示。

圖6 移動終端狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

電源模塊的線程將鋰電池的實時電壓值發(fā)送給消息調(diào)度模塊，系統(tǒng)以此感知移動終端的剩余電量。定時器精確計時按鍵未操作時長，時長超出設定值移動終端進入待機狀態(tài)。待機狀態(tài)下用戶按下任意按鍵引起外部中斷喚醒STM32，移動終端返回運行狀態(tài)[13]。

4 系統(tǒng)測試

GSM-R移動終端的功能測試主要包括GSM-R電路交換業(yè)務及功能測試、GSM-R相關(guān)業(yè)務測試和GPRS(General Packet Radio Service)相關(guān)業(yè)務測試。經(jīng)測試，移動終端在功能方面實現(xiàn)中國鐵路總公司設計要求，表1是移動終端與桑達810R、華為R951兩款GSM-R移動終端的功能對比表。從表1可以看出，本文設計移動終端在傳統(tǒng)移動終端通用功能的基礎(chǔ)上，增加了通話同步錄音、水平儀和功能號管理等新的功能，更適合當前中國鐵路應用的需求。

此外，在室溫環(huán)境下，將三款移動終端充電完成后，進行待機和通話功耗測試，測試結(jié)果如表2所示?？梢钥闯?本文移動終端以3 800 mA·h大容量鋰電池、動態(tài)電源管理和軟件低功耗設計等方式實現(xiàn)了36 mW超低功耗和360 h超長待機。

此外，本文移動終端在安全要求、結(jié)構(gòu)要求、可靠性要求、電氣特性以及電磁兼容性等方面也達到中國鐵路總公司設計規(guī)范的要求。

表1 功能對比表

表2 測試項目表

5 結(jié) 語

本文給出了一種GSM-R移動終端的設計方案，并給出了開發(fā)過程的設計要點以及可行的低成本實現(xiàn)方法。與傳統(tǒng)的GSM-R移動終端相比，該終端以低成本、低功耗、多功能、大容量和超長待機的特點可以滿足當前鐵路建設需求，預期將會獲得大規(guī)模的普及使用[14-16]。

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