嵌入式設備的雙路SIM卡的切換電路的探討

熊永峰

（美國派賽有限公司上海代表處，上海 200001）

1 系統方案設計與工作原理

本文介紹一個簡易的嵌入式設備的系統，主要由Mini PCI-e總線接口的全網通4G無線通信模塊、52 PIN的Mini PCI-e連接器、700～2 700 MHz全頻段天線、兩顆四路雙向模擬開關、帶靜電保護電路的兩張SIM卡/卡座和單片機MCU或主芯片的基帶電路等部分組成[1]。圖1為嵌入式設備的系統方框圖。

從嵌入式設備的系統方框圖可以看出，全網通4G無線通信模塊通過Mini PCI-e總線接口與52 PIN的連接器相連；上行經由天線接入運營商基站；下行連接兩顆四路雙向模擬開關，分別各連接一張SIM卡；單片機MCU的一路I/O接口控制四路雙向模擬開關的使能，并通過USB接口與4G無線通信模塊進行指令通信。

本文主要介紹的雙路SIM卡的切換電路的關鍵器件為兩顆四路雙向模擬開關。通過單片機MCU的I/O接口分別控制四路雙向模擬開關器件的使能引腳，導通或關斷與后級SIM卡的連通。當第一顆四路雙向模擬開關器件的使能引腳為高電平，與SIM卡1處于導通狀態時；第二顆四路雙向模擬開關器件的使能引腳為低電平，與SIM卡2處于關斷狀態。切換第一顆四路雙向模擬開關器件的使能引腳的電平，當第一顆四路雙向模擬開關器件的使能引腳為低電平，與SIM卡1處于關斷狀態時；第二顆四路雙向模擬開關器件的使能引腳為高電平，與SIM卡2處于導通狀態。

當4G無線通信模塊識別了SIM卡后，通過程序進行撥號，與附近的運營商基站建立網絡連接，并完成數據交互等通信。兩張SIM卡作為主卡、副卡形成雙備份，共用同一個4G無線通信模塊，以達到提高嵌入式設備接入運營商網絡的可靠性的目的。同時，Mini PCI-e連接器的連接結構可以確保非常方便的拆卸及更換4G無線通信模塊，極大地減少嵌入式設備的管理和維修成本。

2 雙路SIM卡的切換電路的硬件設計與功能實現

本章節將分為3個部分來詳細介紹雙路SIM卡的切換電路的硬件設計與功能實現，包括四路雙向模擬開關的使用控制的電路設計、SIM卡的選通控制電路設計、SIM卡座的靜電保護電路。雙路SIM卡的切換電路的硬件設計如圖2所示。

圖1 嵌入式設備的系統方框圖

2.1 四路雙向模擬開關使能控制的電路設計

信號SIM_EN1和SIM_EN2分別為二顆四路雙向模擬開關器件U11和U13（型號為74HC4066D）的使能引腳的控制信號。其中SIM_EN2為單片機MCU的I/O信號，SIM_EN1為利用三極管Q10（型號為MMBT3904）的導通特性搭建出來的SIM_EN2的反向信號。當SIM_EN2為低電平時，SIM_EN1則為高電平；當SIM_EN2為高電平時，SIM_EN1則為低電平。只使用單路I/O信號的好處是SIM_EN1信號和SIM_EN2信號一直處于反向狀態，防止MCU中的程序出現錯誤，而且能夠節約MCU的一路I/O管腳。

電阻R24的作用為硬件控制SIM_EN2的初始電平為低電平，即SIM_EN1的初始電平為高電平。當單片機MCU正常供電并啟動程序后，之后由MCU的程序接管，根據需要通過MCU的程序來控制SIM_EN2的高電平或低電平狀態。

2.2 SIM卡的選通控制電路設計與功能實現

四路雙向模擬開關器件U11和U13的4個輸入引腳和4個輸出引腳的導通或關斷分別由4個使能引腳分別獨立控制。其真值表為使能引腳為高電平時，對應的輸入引腳和輸出引腳為導通狀態；當使能引腳為低電平時，對應的輸入引腳和輸出引腳為關斷狀態。本設計電路中的每顆四路雙向模擬開關器件的四路使能引腳由SIM_EN1信號或SIM_EN2信號集中控制。

圖2 雙路SIM卡的切換電路的硬件設計

嵌入式設備上電后，器件U11的使能引腳SIM_EN1信號默認為高電平狀態，此時器件U11的四路輸入引腳和輸出引腳處于導通狀態，4G無線通信模塊（型號為EC20 R2.0 Mini PCIe-C）通過連接器CON100與SIM卡座器件U10中的SIM卡1進行身份識別，驗證通過后再與附近的運營商基站進行撥號連接。而SIM_EN2信號則為低電平，器件U13的四路輸入引腳和輸出引腳處于關斷狀態。單片機MCU中的軟件程序可以設置自動切換SIM卡的特殊機制，當SIM卡座器件U10中的SIM卡與運營商基站連接失敗后，再進行撥號三次，每次撥號的中間間隔時間設定為10 s。如果還是連接失敗，則自動切換SIM_EN1信號為低電平狀態，SIM_EN2信號轉換為高電平，器件U13的四路輸入引腳和輸出引腳處于導通狀態，4G無線通信模塊就會與SIM卡座器件U12中的SIM卡進行身份識別，驗證通過后再與附近的運營商基站進行撥號連接。而SIM_EN1信號則為低電平，器件U11的四路輸入引腳和輸出引腳處于關斷狀態。

此外，軟件程序還可以根據使用場景對嵌入式設備設置重新啟動的機制。當兩張SIM卡都不在線，并重復撥號失敗的情況下，可以設置自動對嵌入式設備進行重新啟動的操作，并再次嘗試自動恢復撥號連接等。

2.3 SIM卡座的靜電保護電路設計

SIM卡座的靜電保護電路的作用是SIM卡座在插入或拔出SIM卡時，所產生的脈沖尖峰電壓或靜電電壓通過保護電路來釋放。此功能由瞬態電壓抑制TVS管器件U14和U15（型號為SRV05-4）來實現。TVS管最顯著的特點之一就是響應速度極快、瞬態功率大，在瞬時脈沖還沒有對被保護器件造成損傷前就被有效的遏制；其次是截止電壓比較低，非常適用于低電壓的回路環境；最后是較低的結電容和漏電流值，在處理高速率傳導回路的靜電沖擊時性能更好。

瞬態電壓抑制TVS管器件U14和U15的封裝為SOT-23-6L，尺寸很小。在設計印刷電路PCB板時需要擺放在靠近SIM卡座的位置，四路接口信號線和接地線優先連接到器件U14和U15，然后再進入回路中的其他電路，可以確保非常良好的防靜電性能，完全滿足嵌入式設備對靜電保護電路的要求。

3 雙路SIM卡的切換電路的設計驗證

本文設計的雙路SIM卡的切換電路，加上其他的電路功能，成功的運用在了某一個工業級路由器產品當中。此款工業級路由器產品以高通公司的Wi-Fi網絡主芯片AR9344為平臺設計而成，上行通過全網通4G無線通信模塊連接運營商的4G/3G/2G等制式的通信網絡，下行通過有線以太網RJ45接口和2.4 GHz無線Wi-Fi信號進行本地覆蓋，實現4G信號轉無線Wi-Fi及有線以太網等功能。

該款工業級路由器產品成功實現了4G無線通信模塊與兩張不同運營商的SIM卡的切換控制，并支持1.8 V和3.3 V兩種不同電平類型的SIM卡，成功連接上附近的不同的運營商基站，完成網絡注冊并順利接入因特網。工業級路由器產品應用于各種不同的應用場景，如數據采集、道路監控、地下管廊環境監測等。

4 結 論

本文設計的嵌入式設備的雙路SIM卡的切換電路，完全可以應用于各種嵌入式設備中，幫助嵌入式設備順利接入運營商網絡，實現數據通信等功能。同時，本文設計的切換電路，關鍵元器件的硬件成本低廉、可生產性極強、可靠性能高，是一種性價比極高的硬件設計方案。希望本文介紹的用于嵌入式設備的雙路SIM卡的切換電路設計，能夠給業內的設計人員拓展思路，帶來進一步的思考和借鑒，共同促進物聯網行業的發展。