一种gsm固定无线接入设备的设计

GSM 固定无线接入(GFRA,GSM Fixcd Radio Access)技术又称 GSM 无线用户环路(WLL),是采用 GSM 数字 蜂窝技术替代传统用户线来为用户提供电信业务的技术。GFRA 覆盖范围的直径以几十米、几百米、几千 米、几十千米不等,因而应用范围较广,即可为人口密集的城区服务,也可为农村和边远山区服务。 与传统 PSTN 接入网相比,GFRA 具有以下优点。 经济。运营维护费大大低于有线系统,且成本与距离无关,这在农村及边远地区尤显其优势。 能迅速提供业务。据统计,GFRA 在一个月即可投入使用,而有线接入网则需要 618 个月的时间,除此 之外,有线接入网还存在占地、城区人口稠密地区接线困难和易受到自然灾害破坏等缺陷。 容量大。采用小区覆盖,频率再用等技术,可扩大用户容量。 灵活可变。无需预测话务量,可随时按需进行变更,扩容方便。 安全可靠。防盗线,保密性好。 1 GFRA 设备的组成和工作原理 1.1GFRA 设备的组成 GFRA 设备由天线、无线收发模块、主控电路、电话控制模块和充电电池电路组成,如图 1 所示。其中, 无线收发模块完成接入 GSM 网络的工作,相当于一部手机;电话控制模块主要包括了用户线接口电路 (SLIC)、 DTMF 检测和信号音产生电路,完成电话机的接入工作;而主控电路实现了有线电话信号和 GSM 电话信号 相互转换的接续、控制;充电电池电路为选配部件,是常停电地区采用的配件,市电不易到达的地方可配太阳 能充电电池。 GFRA 设备一端通过天线接入 GSM 网络,另一端通过电话线连接普通的电话终端,如普通电话机、IC 卡 电话机、投币电话机等。GFRA 设备相当于在普通电话机和 GSM 网络之间搭起了一座桥梁。 点击看原图 1.2 GFRA 设备的工作过程 (1)经 GFRA 设备的去话过程 主叫用户摘机后,主控电路通过 SuC 电路检测到电话机摘机。 主控电路控制信号音电路送出拨号音,同时开始检测主叫用户的 DTMF 拨号。 收到主叫用户的 DTMF 后,主控电路停送拨号音。 收完号码后,主控电路控制无线收发模块以的号码向外呼叫,如果被叫空闲,主叫用户将听到回铃音。 被叫摘机,双方开始通话。主控电路同时 SLIC 电路向电话线送出反极信号,该信号可启动 IC 卡电话机、 投币电话机等的计费工作。 如果主控电路检测到主叫用户先挂机,则向无线收发模块发出挂机命令,通话结束。 如果主控电路检测到被叫用户先挂机,则向主叫用户发送忙音,并通过 SLIC 监测主叫挂机,通话结束。 (2)经 GFRA 设备的来话过程 主控电路收到来自无线收发模块的振铃信号 RING 后,通过信号音产生电路和 SuC 向本端电话机振铃。 主控电路在产生第一声振铃音和第二声振铃音之间,送出来电显示信号。 本端电话机用户摘机,双方开始通话。 双方通话结束的处理同上面的去话过程。 2 硬件设计 GFRA 设备的硬件结构框图如图 2 所示,包括电话机用户线接口电路 (SLIC)、DTMF 检测和信号音产生电 路、MCU 和外围功能电路、 GSM 模块电路四大部分。 点击看原图 GFRA 设备硬件电路以 P89C5lRD+为 MCU,通过 SPI 接口连接外围功能电路(串行存储器 X5045、DTMF 接收和信号音发生电路 CMX605),通过 CMX605 连接 SLIC 电路 STLC3055,MCU 通过 UART 访问 GSM 模 块。 21 SLIC 电路 STLC3055 用户线接 口电路 SuC 是电话通信中的关键器件。本设计采用意法半导体公司(ST)近年来推出的全新 SLIC 芯片 STLC3055。这种 SLIC 不仅能支持多种振铃信号,而且电路中省去了诸如振铃继电器、铃流发生器等许多 传统器件,从而可大大节省 PCB 布线空间,降低设计成本,并且控制使用也更加方便STLC3055 可以使用单 独的+12V 供电,设计和使用都比较方便,其应用电路如图 3 所示。 点击看原图 22 MCU 和外围功能电路 MCU 及其外围功能电路如图 4 所示。 点击看原图 (1)MCU P89051RD+ MCU 采用 Philips 的 P89C5lRD+,它兼容 80C51 单片机,内含有 64KBFlashROM,1KBRAM,32 个 IO。对 于本设计,这些资源就足够,不用扩展外部 RAM 和 I0。 (2)串行存储器 X5045 X5045 用于存放 GFRA 设备的非易失工作参数。同时,该芯片将看门狗定器、上电复位控制、压降管理 以及具有块保护功能的串行 EEPROM 这四种功能集成到一体,有助于简化应用系统的设计,减少 PCB 的占 用面积,提高系统可靠性。 (3)实时时钟 DSl302 DSl302 是一个可编程 3 线 SPI 串行接口的时钟芯片,用来备份系统时间和数据。 2.3 DTMF 检测和信号音发生电路 CMX605 本设计主要使用 CMX605 的呼叫进程音(450 Hz 信号音和 CID FSK)编码和发送。以及 DTMF 的检测功 能。在 MCU 的控制下 ,经过 CMX605 的第 9 脚,450 Hz 呼叫进程音被送到 STLC3055 的第 14 脚,最后送到 AB 线上。另外,AB 线上 DTMF 经过 STLC3055 的第 20 脚,在 CMX605 的第 12 脚被接收、检测。最后将 检测到的 DTMF 编码通过 SPI 总线发送给 MCU。 2.4 GSM 模块 GSM 模块采用法国 Wavecom 公司的产品,其型号为 WISMO Q2403A。它是一个功能完整的手机模块, MCU 通过 UART 对它进行控制和数据传输,数据传输包括短信、CSD、GPRS、GROUP3 CLASS 1 和 CLASS 2 语音等。它的特点是：电路交换数据(CSD)、支持语音和 GPRS。MCU 对模块的控制采用的是 AT 指令 ,符合 ETSI 标准 GSM07.07 和 GSM07.05。 3 软件设计 网关发现、选举算 法 本设计程序采用 C51 语言编写而成。 GFRA 设备的程序分为三部分：初始化及自检模块、参数设置模 块、去话和来话模块。 3.1 初始化及自检模块 上电后,程序完成对 MCU 寄存器和变量的初始化,以及对外围功能芯片 DSl302、X5045、CMX605 的初 始化。自检的内容包括：读取 DSl302 时间值,进行合法性检查和时钟正常运行检查;对 X5045 指定单元写 入数值,再读出比较,检查该芯片的好坏;对 CMX605 寄存器进行初始化。如果自检不通过,则点亮 LED 闪烁 告警。 MCU 通过输入 AT 指令对 Q2403A 模块进行初始化,以便进行语音通话。主要的指令有： 设置语音参数。 AT+SPEAKER=1;+VGT=64;+VCR=196CR 设置来电号码广东省自动显示。 AT+CLIP=l 3.2 参数设置及保存模块 GFRA 设备可以通过外接的电话机设置工作参数。MCU 通过 CMX605 指令读取 DTMF,特殊的 D 了 MF 序列用于设置参数,并把其中的工作参数保存到 X5045。工作参数有：音量等级、音量增减、拨号前缀、 呼叫转移的辅助业务设置等。 3.3 软件主流程 主流程如图 5 所示。MCU 把外围功能芯片与 GSM 收发信机初始化后,处于空闲状态,循环检测 SLIC 和 GSM 收发信机,有电话机摘机或 GSM 来电时便进入语音服务流程。 点击看原图 (1)去话模块 MCU 通过 SLIC 检测到电话机的摘机信号,收到电话机拨号( 如 1860)后,MCU 通过 UART 令 GSM 收发 信机在语音模式下拨同样的号码 1860,拨号的 AT 命令是 ATDT1860;对方摘机后,MCU 将收到 OK,然后立 即通过 SLIC 向电话线送反极信号,提供计费启动信号,双方开始通话。 如果检测到主叫用户先挂机,MCU 则向无线收发模块发出挂机命令 ATH,通话结束。如果主控电路检测 到被叫用户先挂机,则向主叫用户发送 450Hz 忙音,并通过 SLIC 监测主叫挂机后,通话结束。 (2)来话模块 在空闲状态下,MCU 收到 GSM 来电(RING)后,通过 SLIC 向外接电话机振铃同时提取主叫来电显示号 码,并且在第一次和第二次振铃之间送出满足电话主叫识别信息传送及显示功能技术要求的来电显示信号 ,具有来电号码显示的电话机将在 LCD 显示主叫号码本端被叫用户化摘机应答后,MCU 若检测到电话摘 机,则向 GSM 发应答 AT 命令 ATA,通过 SLIC 监测通话进程至挂机。 MCU 是什么 MCU(Micro Control Unit)即为微控制单元，又称单片微型计算机(Single Chip Microcomputer)或者单片机，将计算机的 CPU、RAM、ROM、定时计数器和多种 I/O 接口 集成在一片芯片上，形成芯片级的计算机，为不同的应用场合做不同组合控制。 MCU 的工作原理 MCU 同温度传感器之间通过 I2C 总线连接。I2C 总线占用 2 条 MCU 输入输出口线，二 者之间的通信完全依靠软件完成。温度传感器的地址可以通过 2 根地址引脚设定，这使得 一根 I2C 总线上可以同时连接 8 个这样的传感器。MCU 需要访问传感器时，先要发出一个 8 位的寄存器指针，然后再发出传感器的地址（7 位地址，低位是 WR 信号） 。传感器中有 3 个寄存器可供 MCU 使用，8 位寄存器指针就是用来确定 MCU 究竟要使用哪个寄存器的。 主程序会不断更新传感器的配置寄存器，这会使传感器工作于单步模式，每更新一次就会 测量一次温度。 为了读出传感器测量值寄存器中的 16 位数据，MCU 必须与传感器进行两次 8 位数据通信。 当传感器上电工作时，默认的测量精度为 9 位，分辨力为 0.5 C/LSB（量程为-128.5 C 至 128.5 C） 。本方案采用默认测量精度，根据需要，可以重新设置传感器，将测量精度提高 到 12 位。如果只要求作一般的温度指示，比如自动调温器，那么分辨力达到 1 C 就可以满 足要求了。这种情况下，传感器的低 8 位数据可以忽略，只用高 8 位数据就可以达到分辨 力 1 C 的设计要求。由于读取寄存器时是按先高 8 位后低 8 位的顺序，所以低 8 位数据既 可以读，也可以不读。只读取高 8 位数据的好处有二，第一是可以缩短 MCU 和传感器的 工作时间，降低功耗；第二是不影响分辨力指标。 MCU 读取传感器的测量值后，接下来就要进行换算并将结果显示在 LCD 上。整个处理 过程包括：判断显示结果的正负号，进行二进制码到 BCD 码的转换，将数据传到 LCD 的 相关寄存器中。 数据处理完毕并显示结果之后，MCU 会向传感器发出一个单步指令。单步指令会让传感 器启动一次温度测试，然后自动进入等待模式，直到模数转换完毕。MCU 发出单步指令后， 就进入 LPM3 模式，这时 MCU 系统时钟继续工作，产生定时中断唤醒 CPU。定时的长短 可以通过编程调整，以便适应具体应用的需要。 MCU 的分类 对于无片内 ROM 型的芯片，必须外接 EPROM 才能应用（如 8031） 。带片内 ROM 型的 芯片又分为片内 EPROM 型（如 87C51） 、MASK 片内掩模 ROM 型（如 8051） 、片内 FLASH 型（如 89C51）等类型，还有为带有片内一次性可编程 ROM（One Time Programming, OTP)的芯片（如 97C51)。MASKROM 的 MCU 价格便宜，但程序在出厂时 已经固化，适合程序固定不变的应用场合；FALSHROM 的 MCU 程序可以反复擦写，灵活 性很强，但价格较高，适合对价格不敏感的应用场合或做开发用途；OTPROM 的 MCU 价 格介于前两者之间，同时又拥有一次性可编程能力，适合既要求一定灵活性，又要求低成 本的应用场合，尤其是功能不断翻新、需要迅速量产的电子产品。 4 GFRA 设备提供的功能 本设计中的 GFRA 设备提供以下功能： 提供一个 RJll 接口,通过该有线接口连接所有符合电话线标准的电话终端产品; 去话、来电语音呼叫接入; 标准电话振铃信号输出,FSK 制式来电显示信号输出; 提供反极信号,可以串接计费器; E-GSM900DCSl800 自动切换; 具有无线网络信号强弱显示; GFRA 可以匹配全向吸盘天线和定向天线,提高信号增益,而且体积小、重量轻安装灵活方便; 提供交、直流两用电源,可装在移动载体上; 停电通话功能,可使用后备充电电池供电,市电断电后仍可通话。 结 语 数字蜂窝无线电话网 GSM 是目前世界上覆盖最广、使用最多的一种移动通信网。数字终端设备具备了 功能多样化、保密性好、漫游方便、音质清晰、使用方便等诸多优点,其技术先进性、网络覆盖范围等方 面已经得到用户的普遍认可。 GSM 运营商可以利用已有的 GSM 网,无需增设