一種用于機車通信的移動終端設計與實現

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網絡的快速發展，基于GSM-R網絡的機車通信設備也大量涌現。其中，基于GSM-R的移動終端主要用于列車、車站、編組場、沿線區間以及其他鐵路作業區的各工種工作人員語音和數據通信，可以實現基于GSM-R網絡的語音組呼業務、語音廣播呼叫業務、鐵路緊急呼叫、以及多優先級和強拆業務[1]。

2008年,中國鐵路總公司(原鐵道部科學技術司)發布了《GSM-R數字移動通信網設備技術規范第三部分：手持終端》[2]，對GSM-R移動移動終端的外觀設計、應用功能、產品性能等方面都做出了具體的規定。由于GSM-R移動終端市場規模有限，西門子(Siemens)、北電(Nortel Networks)、薩基姆(Sagemcom ST)等通信設備制造商已經相繼終止GSM-R移動終端業務[3]。目前市場上較為普及的是深圳市桑達無線通訊技術有限公司出品的SED 810R和華為技術有限公司出品的華為R951[4]。但是國產GSM-R移動終端普遍存在外形設計不規范、功能不全、容量較小、功耗過大、易損壞、續航能力較弱的缺點，不能滿足當前鐵路發展需求[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方案。該移動終端能夠滿足中國鐵路總公司關于GSM-R移動終端的設計規范和功能要求，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

移動終端的系統結構框圖如圖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 移動終端系統結構框圖

其中，微處理器為主控單元，通過串口發送AT(Attention)命令實現與通信模塊的通信。移動終端上電之后，通過微處理器發送開機信號給通信模塊，通信模塊自動檢測GSM-R網絡完成網絡注冊并進入工作模式。移動終端基于GSM-R網絡的其他功能也將通過微處理器控制通信模塊來實現[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。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。系統級降低功耗的方法是動態電源管理，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時，通過關閉外設節約能耗。最后，軟件級的低功耗設計通過減少CPU的運行次數來實現。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有著密切的關系。一般層數越多，打孔技術越復雜，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化疊層結構、降低了印制電路板層數(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。依據經驗，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，疊層結構為圖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疊層結構示意圖

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減少1/3，信號層的個數保持不變，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據。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。終端音頻數據流向如圖3所示。

圖3 移動終端音頻流向圖

通信模塊的音頻數據流出和流入首先要經過音頻模塊，該模塊對流經的音頻信號進行復制和編碼操作，通過I2S(Inter-IC Sound)總線傳入內存，STM32調用文件系統函數對錄音數據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，實現通話同步錄音功能。

水平儀功能通過移動終端內置的MMA7455加速度傳感器實現。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，實現水平儀功能。

2.4 創新的開發方式

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

2.4.1啟動方式

STM32根據BOOT0和BOOT1引腳電平的邏輯組合不同有三種工作模式，開發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雙數字晶體三極管的發射極，并將發射極接下拉電阻，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。根據三極管特性，在關機狀態下，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開關的設計可以節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調試方式

新的調試方式以Hyper Terminal軟件為基礎，加上新的調試代碼實現。Hyper Terminal軟件通過帶有CP2102芯片的USB數據線連接STM32串口實現代碼加載功能。調試代碼主要實現3個功能：一是對超級終端的命令進行解析，并執行相關函數；二是利用xmodem傳輸協議進行代碼加載；三是運行出錯時自動復位，在超級終端上打印出STM32內核寄存器的值，方便進行錯誤函數的定位。

首次加載代碼需要設置STM32為加載模式，使用MCUISP軟件按照STM32內部串口傳輸協議進行代碼加載工作。調試程序運行后，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。開發者可以利用命令對STM32內部數據進行查看和修改，并且可以創建新的命令方便開發。移動終端硬件實物和帶有CP2102芯片的USB數據線的實物如圖5所示。

圖5 移動終端硬件實物圖

新調試方式節省了IO資源、代碼的加載速度更為快捷，錯誤函數定位也相對較快，大大提高了調試效率[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度模塊。以消息調度模塊為核心，每個模塊提供必要的接口函數用于系統調用。各個模塊以消息隊列的方式向消息調度模塊發送信息，微處理器按照順序讀取消息調度模塊中的消息并調用各個模塊提供的控制函數執行相應的操作。軟件設計中引入μC/OS-Ⅲ嵌入式實時操作系統進行資源管理和任務調度，確保移動終端可以安全穩定運行[12]。

終端開機后首先進行各個模塊和μC/OS-Ⅲ系統的初始化工作，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，控制權交給μC/OS-Ⅲ操作系統。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系如圖6所示。

圖6 移動終端狀態轉換圖

電源模塊的線程將鋰電池的實時電壓值發送給消息調度模塊，系統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。待機狀態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[13]。

4 系統測試

GSM-R移動終端的功能測試主要包括GSM-R電路交換業務及功能測試、GSM-R相關業務測試和GPRS(General Packet Radio Service)相關業務測試。經測試，移動終端在功能方面實現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移動終端通用功能的基礎上，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，測試結果如表2所示。可以看出,本文移動終端以3 800 mA·h大容量鋰電池、動態電源管理和軟件低功耗設計等方式實現了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、結構要求、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范的要求。

表1 功能對比表

表2 測試項目表

5 結 語

本文給出了一種GSM-R移動終端的設計方案，并給出了開發過程的設計要點以及可行的低成本實現方法。與傳統的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，預期將會獲得大規模的普及使用[14-16]。

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