謝曉燕， 馬明星， 張玉婷, 雷 祥

(西安郵電大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，西安 710121)

0 引 言

隨著我國鐵路GSM-R網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，基于GSM-R網(wǎng)絡(luò)的機(jī)車通信設(shè)備也大量涌現(xiàn)。其中，基于GSM-R的移動(dòng)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(shí)現(xiàn)基于GSM-R網(wǎng)絡(luò)的語音組呼業(yè)務(wù)、語音廣播呼叫業(yè)務(wù)、鐵路緊急呼叫、以及多優(yōu)先級和強(qiáng)拆業(yè)務(wù)[1]。

2008年,中國鐵路總公司(原鐵道部科學(xué)技術(shù)司)發(fā)布了《GSM-R數(shù)字移動(dòng)通信網(wǎng)設(shè)備技術(shù)規(guī)范第三部分：手持終端》[2]，對GSM-R移動(dòng)移動(dòng)終端的外觀設(shè)計(jì)、應(yīng)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(dòng)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(shè)備制造商已經(jīng)相繼終止GSM-R移動(dòng)終端業(yè)務(wù)[3]。目前市場上較為普及的是深圳市桑達(dá)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(dòng)終端普遍存在外形設(shè)計(jì)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(diǎn)，不能滿足當(dāng)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(dòng)終端的設(shè)計(jì)方案，并詳細(xì)給出了設(shè)計(jì)要點(diǎn)和可行的低成本實(shí)現(xiàn)方案。該移動(dòng)終端能夠滿足中國鐵路總公司關(guān)于GSM-R移動(dòng)終端的設(shè)計(jì)規(guī)范和功能要求，具有低成本、低功耗、多功能和超長待機(jī)的特點(diǎn)。

1 終端硬件設(shè)計(jì)

移動(dòng)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(chǔ)器、按鍵模塊、音頻處理模塊和電源模塊組成。

圖1 移動(dòng)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(shí)現(xiàn)與通信模塊的通信。移動(dòng)終端上電之后，通過微處理器發(fā)送開機(jī)信號(hào)給通信模塊，通信模塊自動(dòng)檢測GSM-R網(wǎng)絡(luò)完成網(wǎng)絡(luò)注冊并進(jìn)入工作模式。移動(dòng)終端基于GSM-R網(wǎng)絡(luò)的其他功能也將通過微處理器控制通信模塊來實(shí)現(xiàn)[6、7]。

2 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 低功耗設(shè)計(jì)

移動(dòng)終端的低功耗設(shè)計(jì)主要分為3個(gè)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(gè)模塊的低功耗選型來實(shí)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(shè)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(dòng)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(diǎn)，可以方便進(jìn)行設(shè)備功耗管理，當(dāng)外設(shè)處于空閑狀態(tài)時(shí)，通過關(guān)閉外設(shè)節(jié)約能耗。最后，軟件級的低功耗設(shè)計(jì)通過減少CPU的運(yùn)行次數(shù)來實(shí)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(shí)器編寫延時(shí)函數(shù)等。

2.2 低成本設(shè)計(jì)

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(fù)雜，制作成本就會(huì)越高。移動(dòng)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(shè)計(jì)規(guī)范移動(dòng)終端應(yīng)該設(shè)計(jì)為12層板[8]。而本文所設(shè)計(jì)的移動(dòng)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(dá)到降低成本的目的，同時(shí)還可以達(dá)到較為理想的電磁兼容性。

移動(dòng)終端對射頻信號(hào)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(gè)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(yàn)，在低速且無射頻干擾的條件下，電路板的層間干擾將會(huì)很小，此時(shí)，按相鄰層導(dǎo)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(dòng)終端的電路板為8層板設(shè)計(jì)，疊層結(jié)構(gòu)為圖2所示，從上到下依次是頂層、信號(hào)層1、地層、電源層、信號(hào)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(fù)片，電源層為正片。

圖2 移動(dòng)終端PCB疊層結(jié)構(gòu)示意圖

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

精簡的疊層設(shè)計(jì)使得電路板的層數(shù)減少1/3，信號(hào)層的個(gè)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)

為適應(yīng)當(dāng)前鐵路發(fā)展需求，本文移動(dòng)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(dòng)終端進(jìn)行語音信息交互時(shí)，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(zé)任的認(rèn)定，當(dāng)前市面上的移動(dòng)終端普遍不具備通話同步錄音功能。

移動(dòng)終端采用硬件電路設(shè)計(jì)實(shí)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(hào)輸入和兩路差分音頻信號(hào)輸出。終端音頻數(shù)據(jù)流向如圖3所示。

圖3 移動(dòng)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(hào)進(jìn)行復(fù)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(shí)間戳形成錄音文件并且傳入存儲(chǔ)模塊進(jìn)行保存。微處理器通過I2C總線控制音頻模塊，實(shí)現(xiàn)通話同步錄音功能。

水平儀功能通過移動(dòng)終端內(nèi)置的MMA7455加速度傳感器實(shí)現(xiàn)。通過讀取重力加速度在不同方向上的分量，來計(jì)算移動(dòng)終端與水平面的夾角，實(shí)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(jìn)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(diǎn)。但是在實(shí)用型產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，這種開發(fā)方式有四個(gè)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(hù)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(dòng)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(yùn)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(dòng)方式由STM32的BOOT0引腳決定[10]。新的啟動(dòng)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(dòng)終端的“音量+”按鍵和高電平。根據(jù)三極管特性，在關(guān)機(jī)狀態(tài)下，單獨(dú)按下開機(jī)鍵STM32進(jìn)入運(yùn)行模式，同時(shí)按住開機(jī)鍵和“音量+”按鍵，STM32進(jìn)入加載模式。這種復(fù)用已有按鍵為BOOT開關(guān)的設(shè)計(jì)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(hù)和升級操作。

圖4 移動(dòng)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(shí)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(shí)現(xiàn)代碼加載功能。調(diào)試代碼主要實(shí)現(xiàn)3個(gè)功能：一是對超級終端的命令進(jìn)行解析，并執(zhí)行相關(guān)函數(shù)；二是利用xmodem傳輸協(xié)議進(jìn)行代碼加載；三是運(yùn)行出錯(cuò)時(shí)自動(dòng)復(fù)位，在超級終端上打印出STM32內(nèi)核寄存器的值，方便進(jìn)行錯(cuò)誤函數(shù)的定位。

首次加載代碼需要設(shè)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(jìn)行代碼加載工作。調(diào)試程序運(yùn)行后，可以在STM32運(yùn)行模式下直接進(jìn)行代碼加載，加載完成后STM32自動(dòng)復(fù)位。開發(fā)者可以利用命令對STM32內(nèi)部數(shù)據(jù)進(jìn)行查看和修改，并且可以創(chuàng)建新的命令方便開發(fā)。移動(dòng)終端硬件實(shí)物和帶有CP2102芯片的USB數(shù)據(jù)線的實(shí)物如圖5所示。

圖5 移動(dòng)終端硬件實(shí)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(cuò)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(shè)計(jì)

移動(dòng)終端的軟件設(shè)計(jì)按單一職責(zé)原則將終端各個(gè)模塊劃分為：通信模塊、按鍵模塊、顯示模塊、存儲(chǔ)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(gè)模塊提供必要的接口函數(shù)用于系統(tǒng)調(diào)用。各個(gè)模塊以消息隊(duì)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(gè)模塊提供的控制函數(shù)執(zhí)行相應(yīng)的操作。軟件設(shè)計(jì)中引入μC/OS-Ⅲ嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)進(jìn)行資源管理和任務(wù)調(diào)度，確保移動(dòng)終端可以安全穩(wěn)定運(yùn)行[12]。

終端開機(jī)后首先進(jìn)行各個(gè)模塊和μC/OS-Ⅲ系統(tǒng)的初始化工作，之后進(jìn)行代碼校驗(yàn)，確保代碼正確性。最后開啟通信模塊終端進(jìn)入工作模式，控制權(quán)交給μC/OS-Ⅲ操作系統(tǒng)。移動(dòng)終端具有運(yùn)行、待機(jī)和停機(jī)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(dòng)終端狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

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

4 系統(tǒng)測試

GSM-R移動(dòng)終端的功能測試主要包括GSM-R電路交換業(yè)務(wù)及功能測試、GSM-R相關(guān)業(yè)務(wù)測試和GPRS(General Packet Radio Service)相關(guān)業(yè)務(wù)測試。經(jīng)測試，移動(dòng)終端在功能方面實(shí)現(xiàn)中國鐵路總公司設(shè)計(jì)要求，表1是移動(dòng)終端與桑達(dá)810R、華為R951兩款GSM-R移動(dòng)終端的功能對比表。從表1可以看出，本文設(shè)計(jì)移動(dòng)終端在傳統(tǒng)移動(dòng)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(hào)管理等新的功能，更適合當(dāng)前中國鐵路應(yīng)用的需求。

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

此外，本文移動(dòng)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(dá)到中國鐵路總公司設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。

表1 功能對比表

表2 測試項(xiàng)目表

5 結(jié) 語

本文給出了一種GSM-R移動(dòng)終端的設(shè)計(jì)方案，并給出了開發(fā)過程的設(shè)計(jì)要點(diǎn)以及可行的低成本實(shí)現(xiàn)方法。與傳統(tǒng)的GSM-R移動(dòng)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(jī)的特點(diǎn)可以滿足當(dāng)前鐵路建設(shè)需求，預(yù)期將會(huì)獲得大規(guī)模的普及使用[14-16]。

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