移動通信實驗箱GSM模塊的3G/4G升級改造

周春月, 李 丞, 盧燕飛

(北京交通大學 電子信息工程學院 國家級電子信息實驗中心, 北京 100044)

目前,高校傳統電子類實驗室中主要以集成實驗箱的方式提供實踐教學。這種實驗方式利用開關或跳線在箱體主板上集成多種功能,靈活、方便地開展演示型、簡單設計型的實驗,并通過測試波形、直觀展示結果來加深學生對理論課程內容的理解。但是,實驗箱提供的擴展接口畢竟有限,留給學生的設計空間較小。最關鍵的問題是實驗箱的固定式電路帶來了可維護性差、功能受限、升級改造困難的缺點[1-2]。我校于2010年分兩批購置了JH5005/JH5005A系列移動通信實驗箱并應用在通信專業本科生實踐教學中,迄今已使用了7年。由于基礎型實驗主要涉及編碼調制原理,與理論課程尚可相得益彰,但現網環境下的系統型實驗卻在移動通信技術飛躍發展的大背景下,逐步暴露出不容忽視的問題。2014年以前,在3G牌照已發但網絡應用方面未能形成主流的前提下,基于2G GSM系統網絡的實驗箱尚可兼容絕大多數學生的手機制式,2014年4G發牌之后,各大運營商的4G服務紛紛上馬,與智能手機捆綁的LTE用戶呈現出爆炸式增長態勢,4G服務推動市場需求熱度不斷升溫,導致2G模式的SIM卡成為極小眾,因而基于JH5005實驗箱開設的移動通信系統綜合型實驗面臨停滯。

1 實驗箱改造需求分析

JH5005系列移動通信實驗系統通過軟硬件結合的方式完整地模擬了實際的GSM移動通信系統中移動終端MS、基站子系統BS(包括BTS和BSC)、交換中心MSC/VLR、HLR/AUC數據庫等各模塊的工作流程以及相關的接口協議[3]。目前,實驗箱除提供信源編解碼、信道編解碼、調制解調、信道復用、仿真與均衡等基礎理論實驗外,還包括了呼叫信令及AT指令實驗。與現網制式直接相關的部分是基于SIM200芯片的GSM手機模塊。如圖1所示,該模塊位于實驗箱的左下角,主要采用異步串行接口、AT命令協議(GSM 07.07, GSM 07.04規范),并定義了一些用于控制GSM終端I/O口線和手機SIM卡接口。將這些接口與GSM/GPRS的功能模塊集成在一起,形成能夠直接應用普通SIM卡進行實驗的GSM/GPRS通信模塊。實驗箱主體部分與手機模塊的接口主要提供電源、音視頻轉換、實驗內容顯示以及與學生機的串口通信功能,在中央控制器MCU的協調下,完成與現網中的任意有線和無線用戶通話、收發短信以及其他附屬功能[4]。由于該模塊對應的手機系統綜合實驗已面臨無SIM卡可用的局面,因此成為實驗箱面向3G/4G升級改造需求最為緊迫的部分。

圖1 基于SIM200的GSM手機模塊

2 升級方案及可行性分析

針對實驗箱手機模塊的升級改造工作,除更換兼容目前大多數主流運營商的頻率制式的核心芯片外,還需要解決模塊配件與原實驗箱的接口與集成、學生上位機實驗軟件功能設計等問題。

2.1 芯片選型方案

當前,眾多的通信廠商都提供GSM/GPRS模塊以及3G/4G兼容的模塊,如SIMCOM、西門子、華為、中興通訊等。SIMCOM公司提供的基于Qualcomm MDM9215多模LTE制式的超緊湊可靠的無線模塊SIM7100C是一款完整的多頻段兼容的工業級模塊,SIM7100C支持的制式及頻段如表1所示。此外,該芯片采用非常強大的處理器ARMv7 CortexTMA5(1GHz),具有很強的擴展能力和豐富的接口,包括UART、USB2.0、SPI、I2C、鍵盤、PCM等。SIM7100C還支持豐富的主流網絡協議,如TCP / UDP / FTP / FTPS / HTTP / HTTPS / SMTP / POP3和MMS,提供了靈活整合應用程序的功能[5]。

表1 SIM7100C支持的標準及頻段

由于原JH5005移動通信實驗箱中采用了SIMCOM公司提供的SIM200芯片,考慮到SIM7100系列芯片的優良性能以及與原箱體硬件兼容性和指令集問題,本次升級改造也選用了SIMCOM的SIM7100C芯片,該芯片可支持中國移動/中國聯通的2G/3G/4G以及電信4G,基本可覆蓋一組2～3人的手機SIM卡制式。SIM7100C指令集相比SIM200具有很好的繼承性及功能擴展。此外,華為標準芯片ME909S-821也提供電信3G以外的所有現網制式,支持桌面/移動終端的主流操作系統,是一款提供工業級擴展應用的國產芯片,可以作為研發的備選型號。

2.2 硬件接口與兼容性

JH5005系列實驗箱與手機模塊之間是以中央控制器MCU為核心,由MCU以及串口完成對模塊的初始化,通過軟件界面完成各種實驗的設定、系統參數的配置和AT指令的傳輸。改造后的手機模塊有2種備選方案:

(1) 方案A:沿襲舊模塊的控制模式,與實驗箱MCU接口,使用實驗箱進行主控,配套附件如串口模塊、音頻模塊、LCD顯示、電源模塊、鍵盤接口、3G/4G天線等均由實驗箱提供。該方案的優勢在于節省配件,新模塊可與原實驗箱無縫配接,但帶來的問題是原實驗箱未能提供電路板開發說明書,PCB板的線路不明晰,不易摸清模塊插座的各管腳功能,并且也不能肯定新模塊與原模塊的管腳能夠完全貼合現有的插座。一旦電路設計不合理,最嚴重的問題是有可能影響原實驗箱主板的可靠性。

(2) 方案B:僅保留對原實驗箱的基本需求,如供電、基座,而音頻接口、串口數據通信、GPS接口、天線等都集成在新模塊上,盡量減少對原箱體的依賴。該方案的優點在于模塊功能獨立,更有利于將模塊擴展至其他儀器設備(如物聯網套件、傳感器節點、其他需要4G通道的系統)使用,并可以隨時單獨提供給大學生創新實驗、課程設計、畢業設計、專業競賽等使用。

考慮到模塊的靈活性和擴展性,本次升級改造采用了方案B,除電源和基座外,其他接口及配件包括音頻、串口、GPS接口、天線、SIM卡槽等都集成在手機模塊板上。由于SIM7100C 的啟動模式有自動、手動及MCU 控制啟動3種模式,獨立模塊采用上電自啟動模式,即將P3 管腳的“PK-Auto”短路設置。新模塊保留了分級電源處理的方法,自備9V/12V接口以及二次轉接至4.2V的供電電路,可以隨時脫離實驗箱獨立使用。改造后的實驗箱手機模塊如圖2所示。

圖2 基于SIM7100C的2G/3G/4G手機模塊

2.3 上位機軟件功能

原實驗箱的SIM200提供4頻段GSM/GPRS:850/900/1800/1900 MHz,通過正常入網SIM卡提供一種透明模式的AT指令運行[6-7],對所采用的GSM模塊進行各種操作,包括電話呼叫(如呼入、呼出、振鈴指示、摘機/掛機、來電號碼指示等)、TEXT模式短消息(發送短消息、來消息指示、讀短消息、刪除短消息、短消息列表等)和其他常用命令,兼容指令100條左右。改造的系統模塊沿襲原有操作模式,將AT指令以軟件界面方式呈現給學生,通過上位機軟件完成AT指令的輸入和輸出,從而完成多種手機系統實驗[8]。由于原JH5005系列實驗箱的配套上位機軟件未開放代碼,新模塊的上位機軟件需要全部重新開發,除保留上面所列的原有軟件功能外,提供如下的擴展功能:

√AT指令輸入時的可選項和指令參數指導；

√AT指令分類索引；

√AT指令運行反饋輸出的解析；

√AT指令運行錯誤提示；

√中文短信的指令輸入與解析；

√呼入來電的提示；

√電話號碼所在區位的智能分析等。

2.4 擴展功能設計

原有實驗箱的手機模塊只具有傳統手機卡話務及短信的功能,改造后的模塊中將增加GPS模塊接口,提供AT指令模式的定位功能[9]。該項功能未來可與物聯網實驗平臺配套使用,作為傳感器節點定位的一種技術選擇,在課程設計、創新實驗、畢業設計等環節發揮更大的作用。

原手機模塊雖然標示提供PDU模式的中文短信功能,但經過實際的測試,該功能的開發不夠完善,存在無法解決的BUG,因此一直未在實驗中使用。改造后模塊將更好地提供PDU模式的中文短信功能,并在AT指令界面上提供指導性的PDU編碼和直接中文輸入兩種模式[10-12]。

SIM7100C作為一款兼容2G/3G/4G的工業模塊,提供了強大的網絡功能,支持主流網絡協議和多種操作系統,除桌面系統外還可以開發支持安卓等手機系統的應用。

3 升級后的實驗內容與過程

實驗前,學生需將模塊通過九針串口連接至運行上位機軟件的電腦串口或USB接口,模塊的MAIN接口和GNSS接口分別連接4G天線和GPS天線,AUX接口為輔助天線,可提供更快的網絡下載速度。設置SIM7100C啟動模式為“上電自啟動”。選擇適當的串口號及串口數據波特率。

目前手機模塊可以提供移動網絡電話及短信的直接測試,AT指令運行測試、GPRS彩信及網絡功能,GPS定位功能等實驗內容。相比于舊的實驗系統,升級后的AT指令實驗提供了中文與Unicode碼之間的轉換,方便在AT短信指令中輸入轉換碼及解析中文短信[13],提供了AT指令的分類索引和參數指導,手機電話號碼的區位智能分析等功能。上位機實驗軟件部分運行界面見圖3。

圖3 上位機實驗軟件部分運行界面

4 結語

JH5005系列移動通信實驗箱的升級改造方案不僅有效緩解了因資金短缺帶來的設備更新和維護困難的問題,通過經濟合理的芯片選型,升級后的模塊不僅保留原有實驗的全部內容,還擴展了中文短信、GPS定位、GPRS彩信及網絡等功能。原有實驗箱由于代碼和接口不開放,手機模塊僅能應用于既定實驗內容,而自主研發的系統可以隨著4G網絡的不斷發展,特別是網絡新業務需求的增加自由擴展實驗內容。升級后的模塊在箱體報廢后仍可獨立自成系統,在專業課程設計、大學生創新實驗及畢業設計中拓展應用,成為獨立于移動通信實驗的一種可編程遠程通信模塊。此次升級改造在相對較低的成本下,對于保護原有設備投資、拓展功能、升級維護、提升實踐教學質量等諸多方面起到了相當重要的作用。

References)

[1] 李學海,孫群中,吳蓬勃,等. 老舊單片機實驗箱的改造與升級[J]. 實驗室研究與探索,2014,33(7):83-87,124.

[2] 尹光明,肖軍,江彬慧. 實驗教學中不斷改造和創新實驗設備[J]. 實驗室研究與探索,2015,34(10):267-269,273.

[3] 捷輝科技有限公司. JH5005移動通信實驗系統實驗教程指導書[Z]. 2007:153-162.

[4] 盧燕飛,王根英,周春月. 通信工程專業綜合實驗教程[M]. 北京:北京交通大學出版社, 2013:170-206.

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[6] 朱寶紅. 基于AT的手機自動化測試方法的研究[D]. 西安:西安電子科技大學,2013.

[7] 梁娜. 基于指令兼容的PC側與手機交互系統的設計與實現[D]. 西安:西安電子科技大學,2013.

[8] Shanghai SIMCom Wireless Solutions Ltd. SIMCOM_SIM7100_ATC_EN_V0.07[Z].2015.

[9] 張帥帥. GPS接收機實驗課程教學平臺設計與實現[D].錦州：渤海大學,2014.

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[12] 崔志婷. 基于AT指令的短消息管理系統的設計與實現[D]. 西安:西安電子科技大學,2013.

[13] 王國軍.GSM長短信PDU編碼分析[J].電腦與信息技術,2011(2):48-50.