移动通信实验箱GSM模块的3G/4G升级改造

周春月, 李 丞, 卢燕飞

(北京交通大学 电子信息工程学院 国家级电子信息实验中心, 北京 100044)

目前,高校传统电子类实验室中主要以集成实验箱的方式提供实践教学。这种实验方式利用开关或跳线在箱体主板上集成多种功能,灵活、方便地开展演示型、简单设计型的实验,并通过测试波形、直观展示结果来加深学生对理论课程内容的理解。但是,实验箱提供的扩展接口毕竟有限,留给学生的设计空间较小。最关键的问题是实验箱的固定式电路带来了可维护性差、功能受限、升级改造困难的缺点[1-2]。我校于2010年分两批购置了JH5005/JH5005A系列移动通信实验箱并应用在通信专业本科生实践教学中,迄今已使用了7年。由于基础型实验主要涉及编码调制原理,与理论课程尚可相得益彰,但现网环境下的系统型实验却在移动通信技术飞跃发展的大背景下,逐步暴露出不容忽视的问题。2014年以前,在3G牌照已发但网络应用方面未能形成主流的前提下,基于2G GSM系统网络的实验箱尚可兼容绝大多数学生的手机制式,2014年4G发牌之后,各大运营商的4G服务纷纷上马,与智能手机捆绑的LTE用户呈现出爆炸式增长态势,4G服务推动市场需求热度不断升温,导致2G模式的SIM卡成为极小众,因而基于JH5005实验箱开设的移动通信系统综合型实验面临停滞。

1 实验箱改造需求分析

JH5005系列移动通信实验系统通过软硬件结合的方式完整地模拟了实际的GSM移动通信系统中移动终端MS、基站子系统BS(包括BTS和BSC)、交换中心MSC/VLR、HLR/AUC数据库等各模块的工作流程以及相关的接口协议[3]。目前,实验箱除提供信源编解码、信道编解码、调制解调、信道复用、仿真与均衡等基础理论实验外,还包括了呼叫信令及AT指令实验。与现网制式直接相关的部分是基于SIM200芯片的GSM手机模块。如图1所示,该模块位于实验箱的左下角,主要采用异步串行接口、AT命令协议(GSM 07.07, GSM 07.04规范),并定义了一些用于控制GSM终端I/O口线和手机SIM卡接口。将这些接口与GSM/GPRS的功能模块集成在一起,形成能够直接应用普通SIM卡进行实验的GSM/GPRS通信模块。实验箱主体部分与手机模块的接口主要提供电源、音视频转换、实验内容显示以及与学生机的串口通信功能,在中央控制器MCU的协调下,完成与现网中的任意有线和无线用户通话、收发短信以及其他附属功能[4]。由于该模块对应的手机系统综合实验已面临无SIM卡可用的局面,因此成为实验箱面向3G/4G升级改造需求最为紧迫的部分。

图1 基于SIM200的GSM手机模块

2 升级方案及可行性分析

针对实验箱手机模块的升级改造工作,除更换兼容目前大多数主流运营商的频率制式的核心芯片外,还需要解决模块配件与原实验箱的接口与集成、学生上位机实验软件功能设计等问题。

2.1 芯片选型方案

当前,众多的通信厂商都提供GSM/GPRS模块以及3G/4G兼容的模块,如SIMCOM、西门子、华为、中兴通讯等。SIMCOM公司提供的基于Qualcomm MDM9215多模LTE制式的超紧凑可靠的无线模块SIM7100C是一款完整的多频段兼容的工业级模块,SIM7100C支持的制式及频段如表1所示。此外,该芯片采用非常强大的处理器ARMv7 CortexTMA5(1GHz),具有很强的扩展能力和丰富的接口,包括UART、USB2.0、SPI、I2C、键盘、PCM等。SIM7100C还支持丰富的主流网络协议,如TCP / UDP / FTP / FTPS / HTTP / HTTPS / SMTP / POP3和MMS,提供了灵活整合应用程序的功能[5]。

表1 SIM7100C支持的标准及频段

由于原JH5005移动通信实验箱中采用了SIMCOM公司提供的SIM200芯片,考虑到SIM7100系列芯片的优良性能以及与原箱体硬件兼容性和指令集问题,本次升级改造也选用了SIMCOM的SIM7100C芯片,该芯片可支持中国移动/中国联通的2G/3G/4G以及电信4G,基本可覆盖一组2～3人的手机SIM卡制式。SIM7100C指令集相比SIM200具有很好的继承性及功能扩展。此外,华为标准芯片ME909S-821也提供电信3G以外的所有现网制式,支持桌面/移动终端的主流操作系统,是一款提供工业级扩展应用的国产芯片,可以作为研发的备选型号。

2.2 硬件接口与兼容性

JH5005系列实验箱与手机模块之间是以中央控制器MCU为核心,由MCU以及串口完成对模块的初始化,通过软件界面完成各种实验的设定、系统参数的配置和AT指令的传输。改造后的手机模块有2种备选方案:

(1) 方案A:沿袭旧模块的控制模式,与实验箱MCU接口,使用实验箱进行主控,配套附件如串口模块、音频模块、LCD显示、电源模块、键盘接口、3G/4G天线等均由实验箱提供。该方案的优势在于节省配件,新模块可与原实验箱无缝配接,但带来的问题是原实验箱未能提供电路板开发说明书,PCB板的线路不明晰,不易摸清模块插座的各管脚功能,并且也不能肯定新模块与原模块的管脚能够完全贴合现有的插座。一旦电路设计不合理,最严重的问题是有可能影响原实验箱主板的可靠性。

(2) 方案B:仅保留对原实验箱的基本需求,如供电、基座,而音频接口、串口数据通信、GPS接口、天线等都集成在新模块上,尽量减少对原箱体的依赖。该方案的优点在于模块功能独立,更有利于将模块扩展至其他仪器设备(如物联网套件、传感器节点、其他需要4G通道的系统)使用,并可以随时单独提供给大学生创新实验、课程设计、毕业设计、专业竞赛等使用。

考虑到模块的灵活性和扩展性,本次升级改造采用了方案B,除电源和基座外,其他接口及配件包括音频、串口、GPS接口、天线、SIM卡槽等都集成在手机模块板上。由于SIM7100C 的启动模式有自动、手动及MCU 控制启动3种模式,独立模块采用上电自启动模式,即将P3 管脚的“PK-Auto”短路设置。新模块保留了分级电源处理的方法,自备9V/12V接口以及二次转接至4.2V的供电电路,可以随时脱离实验箱独立使用。改造后的实验箱手机模块如图2所示。

图2 基于SIM7100C的2G/3G/4G手机模块

2.3 上位机软件功能

原实验箱的SIM200提供4频段GSM/GPRS:850/900/1800/1900 MHz,通过正常入网SIM卡提供一种透明模式的AT指令运行[6-7],对所采用的GSM模块进行各种操作,包括电话呼叫(如呼入、呼出、振铃指示、摘机/挂机、来电号码指示等)、TEXT模式短消息(发送短消息、来消息指示、读短消息、删除短消息、短消息列表等)和其他常用命令,兼容指令100条左右。改造的系统模块沿袭原有操作模式,将AT指令以软件界面方式呈现给学生,通过上位机软件完成AT指令的输入和输出,从而完成多种手机系统实验[8]。由于原JH5005系列实验箱的配套上位机软件未开放代码,新模块的上位机软件需要全部重新开发,除保留上面所列的原有软件功能外,提供如下的扩展功能:

√AT指令输入时的可选项和指令参数指导；

√AT指令分类索引；

√AT指令运行反馈输出的解析；

√AT指令运行错误提示；

√中文短信的指令输入与解析；

√呼入来电的提示；

√电话号码所在区位的智能分析等。

2.4 扩展功能设计

原有实验箱的手机模块只具有传统手机卡话务及短信的功能,改造后的模块中将增加GPS模块接口,提供AT指令模式的定位功能[9]。该项功能未来可与物联网实验平台配套使用,作为传感器节点定位的一种技术选择,在课程设计、创新实验、毕业设计等环节发挥更大的作用。

原手机模块虽然标示提供PDU模式的中文短信功能,但经过实际的测试,该功能的开发不够完善,存在无法解决的BUG,因此一直未在实验中使用。改造后模块将更好地提供PDU模式的中文短信功能,并在AT指令界面上提供指导性的PDU编码和直接中文输入两种模式[10-12]。

SIM7100C作为一款兼容2G/3G/4G的工业模块,提供了强大的网络功能,支持主流网络协议和多种操作系统,除桌面系统外还可以开发支持安卓等手机系统的应用。

3 升级后的实验内容与过程

实验前,学生需将模块通过九针串口连接至运行上位机软件的电脑串口或USB接口,模块的MAIN接口和GNSS接口分别连接4G天线和GPS天线,AUX接口为辅助天线,可提供更快的网络下载速度。设置SIM7100C启动模式为“上电自启动”。选择适当的串口号及串口数据波特率。

目前手机模块可以提供移动网络电话及短信的直接测试,AT指令运行测试、GPRS彩信及网络功能,GPS定位功能等实验内容。相比于旧的实验系统,升级后的AT指令实验提供了中文与Unicode码之间的转换,方便在AT短信指令中输入转换码及解析中文短信[13],提供了AT指令的分类索引和参数指导,手机电话号码的区位智能分析等功能。上位机实验软件部分运行界面见图3。

图3 上位机实验软件部分运行界面

4 结语

JH5005系列移动通信实验箱的升级改造方案不仅有效缓解了因资金短缺带来的设备更新和维护困难的问题,通过经济合理的芯片选型,升级后的模块不仅保留原有实验的全部内容,还扩展了中文短信、GPS定位、GPRS彩信及网络等功能。原有实验箱由于代码和接口不开放,手机模块仅能应用于既定实验内容,而自主研发的系统可以随着4G网络的不断发展,特别是网络新业务需求的增加自由扩展实验内容。升级后的模块在箱体报废后仍可独立自成系统,在专业课程设计、大学生创新实验及毕业设计中拓展应用,成为独立于移动通信实验的一种可编程远程通信模块。此次升级改造在相对较低的成本下,对于保护原有设备投资、拓展功能、升级维护、提升实践教学质量等诸多方面起到了相当重要的作用。

References)

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[4] 卢燕飞,王根英,周春月. 通信工程专业综合实验教程[M]. 北京:北京交通大学出版社, 2013:170-206.

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[6] 朱宝红. 基于AT的手机自动化测试方法的研究[D]. 西安:西安电子科技大学,2013.

[7] 梁娜. 基于指令兼容的PC侧与手机交互系统的设计与实现[D]. 西安:西安电子科技大学,2013.

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